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3d混凝土打印成形误差评价与增强现实技术研究

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3D混凝土打印成形误差评价与增强现实技术研究

作者：安文博华中科技大学

学位级别：硕士

3d混凝土打印是一种以数据模型为基础,融合多种学科的建造方法。由于混凝土本身所具有的流动性,导致对尺寸精度的控制依然是制造过程中的主要瓶颈,所以目前在混凝土打印件中始终存在一些成形质量问题。本文面向3d混凝土打印,研究了混凝... 详细信息

3d混凝土打印是一种以数据模型为基础,融合多种学科的建造方法。由于混凝土本身所具有的流动性,导致对尺寸精度的控制依然是制造过程中的主要瓶颈,所以目前在混凝土打印件中始终存在一些成形质量问题。本文面向3d混凝土打印,研究了混凝土打印件几何信息获取技术,建立了3d混凝土打印成形误差评价指标,在打印后对其成形误差进行评价和分析,给下次打印工艺的调整提供数据支撑。同时开发了增强现实误差评价辅助系统,在实际施工中增强施工人员对打印件误差的感知。本文主要研究的内容和结果如下:在混凝土打印件几何信息获取研究中,本文研究了一种多视角点云数据配准算法,实现连续多帧点云数据的准确配准,从而得到混凝土打印件的真实三维信息;进一步对三维点云数据进行切片投影,获取每层最外围轮廓数据,用于后续质量评价。在3d混凝土打印成形误差评价研究中,本文对混凝土打印件误差来源进行了分析,进一步结合Gd＆T体系及混凝土结构工程施工质量验收规范,构建了3d混凝土打印成形误差评价指标,并针对各项指标提出了相应的计算方法。最后结合园林墙打印施工实例进行分析计算,定量分析了混凝土打印件成形误差。在增强现实技术研究中,为辅助施工人员观察打印件成形误差。本文研究了一种三维数据可视化的方法来实现对打印件误差的增强显示。为确保虚拟模型在真实场景和虚拟环境的三维一致性,进一步对增强现实中的虚实注册技术进行了研究,研究采用基于SLAM空间定位技术和人工标识相结合的三维注册方法,准确实现虚实融合。最后开发了增强现实误差评价辅助系统,并以园林墙打印施工应用任务为例,对系统和方案进行验证。

关键词： 3d混凝土打印点云配准成形误差评价增强现实

3d混凝土打印在建筑设计中的应用 ——以某传达室项目为例

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3D混凝土打印在建筑设计中的应用 ——以某传达室项目为例

作者：陈妍南京大学

学位级别：硕士

随着数字建造技术的不断发展,各种新型的建造工具随之出现,许多传统材料因其建造逻辑的创新而呈现出了更多的潜能。当前3d打印在建筑领域盛行,选用了建筑传统材料混凝土作为其打印原料,3d混凝土打印(3d Concrete Printing)已逐渐成为建... 详细信息

随着数字建造技术的不断发展,各种新型的建造工具随之出现,许多传统材料因其建造逻辑的创新而呈现出了更多的潜能。当前3d打印在建筑领域盛行,选用了建筑传统材料混凝土作为其打印原料,3d混凝土打印(3d Concrete Printing)已逐渐成为建筑建造发展的一个新方向,该技术通过大型三维挤出装置实现混凝土的分层堆积打印,具有较高的三维自由度和较小的堆积分辨率,其中涉及到了材料、力学、计算机、机械等多种学科,且在近十几年取得了很多研究成果和应用实践。但是目前大部分研究成果都主要来源于其余学科,未转化为建筑语言,很难直接被建筑师所理解和运用。因此,本文将从建筑设计的角度出发,以安徽省春谷3d打印智能产业园传达室项目为设计案例,通过曲面构件的3d混凝土打印试验来探索其打印极限并总结影响打印可行性的因素及程度,再基于其打印特性归纳3d混凝土打印建筑的造型设计思路和方法,并梳理总结3d混凝土打印建筑涉及到的节点构造方式,然后在研究的基础上,完成3d混凝土打印传达室项目的全流程设计。本文将研究成果通过建筑语言呈现,以能直接被建筑师利用,也为建筑师们设计3d混凝土打印建筑提供一定的参考意义。全文基于Rhino和Grasshopper参数化平台,主要研究内容可以分为四个部分:第一部分是第一章和第二章,介绍了本文的研究背景、缘起、目的等,主要梳理了目前国内外的论文文献和应用案例,归纳了3d混凝土打印的相关概念、原理、特性和过程;第二部分是第三章,先是对合作单位的3d混凝土打印技术从打印材料、装置以及流程等方面进行了概述,再设计了五组不同的试件进行了打印试验,通过分析打印试验结果来探索打印极限,研究构件重心位置变化、打印偏移量等对打印可行性的影响:第三部分是第四章,总结分析了3d混凝土打印线性、个性化、自由成形等特性,并以其为基础进行3d混凝土打印建筑的参数化造型设计,给出了形体扭转、切片拟合、3d Voronoi模型、正弦曲面和线干扰等实现方法;第四部分是第五章,在前期打印试验和研究的基础上,完成3d混凝土打印传达室项目的设计,绘制其相关技术图纸,以此来探讨3d混凝土打印在建筑设计中的应用,并发现其不足的部分,来给出下一步的研究方向。

关键词： 3d混凝土打印打印试验最大偏移量参数化造型设计节点构造

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3d混凝土打印路径优化算法研究

3D混凝土打印路径优化算法研究

作者：万伟鹏西安建筑科技大学

学位级别：硕士

3d混凝土打印是一种高效、绿色、可持续的智能建造方式。在打印过程中,打印喷头总是按照设定好的运行路径完成预定构件图形的打印,这导致打印一些结构复杂构件时出现空行程过大、打印效率低等情况。针对上述问题,本文开展3d混凝土打印... 详细信息

3d混凝土打印是一种高效、绿色、可持续的智能建造方式。在打印过程中,打印喷头总是按照设定好的运行路径完成预定构件图形的打印,这导致打印一些结构复杂构件时出现空行程过大、打印效率低等情况。针对上述问题,本文开展3d混凝土打印路径优化算法研究,具体内容如下:(1)针对如何将3d混凝土打印构件模型转换为路径优化算法可处理的数字化模型的问题,提出了3d混凝土打印过程的数字化建模算法。首先,在Sketch Up软件中建立混凝土构件模型,然后利用Cura软件对其进行切片处理得到切片图像。利用边缘检测算法和Harris角点检测算法提取出切片图像中的模型特征点,然后依据各个特征点之间的连接信息建立数字化模型。该算法为3d混凝土打印过程中实现路径优化步骤节省了大量人力资源成本,同时也保障了数字化模型建立的准确率。(2)针对打印路径宽度不变3d混凝土打印构件成型质量不好和打印时间过长的问题,提出了一种路径宽度不变的3d混凝土打印路径优化算法。算法通过多次寻找打印路径中的最大欧拉回路来确保打印喷头在抬头次数尽可能少的情况下遍历完整个打印路径,然后应用蚁群算法寻找打印喷头在各个欧拉回路之间运行的最短路径,最后确定整个混凝土构件的打印路径来减少打印喷头抬头次数和运行路径中的空行程。实验数据表明,本文算法与现阶段常用的3d打印混凝土打印路径算法在打印同一构件时,打印喷头抬头次数最多减少了75%,打印路径空行程最多减少了39.9%,实验结果也证明了表明打印喷头抬头次数和打印路径空行程对混凝土3d打印的成型质量和打印时间有着非常重要的影响,为打印路径宽度不变的混凝土构件的成型质量和打印时间的优化提供了有效的参考。(3)针对打印路径可变宽度的3d混凝土打印构件成型质量不好和打印时间过长的问题,提出了一种路径宽度可变的3d混凝土打印路径优化算法。算法利用系统辨识技术拟合打印喷头直径、喷头下料速度、混凝土构件打印路径宽度三者之间的关系模型;然后基于骨架提取算法找出打印路径的中轴线,基于八邻域连通分析算法求解出打印路径宽度,最后根据关系模型求解不同打印点的打印速度,合理地安排了整个打印过程。实验结果证明,本文算法在处理打印路径宽度可变的3d混凝土打印构件时,在有效宽度范围内的打印误差仅有0%-7.5%,并且可以避免重复路径打印和更换喷头,提高了打印构件的成型质量、缩短了打印时间。

关键词： 3d混凝土打印数字化建模路径优化不变宽度路径可变宽度路径

3d混凝土打印进程中柱壳力学性能及轮廓成型机理研究

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3D混凝土打印进程中柱壳力学性能及轮廓成型机理研究

作者：刘轩廷西安建筑科技大学

学位级别：硕士

3d混凝土打印(3d Concrete Printing)技术由于其快速制造的优势,在过去几十年里得到了迅速发展。然而在3d混凝土打印结构制造进程中仍存在许多力学问题需要解决、许多力学机理亟需阐释。第一,预测3d混凝土打印进程中圆柱壳失效高度与失... 详细信息

3d混凝土打印(3d Concrete Printing)技术由于其快速制造的优势,在过去几十年里得到了迅速发展。然而在3d混凝土打印结构制造进程中仍存在许多力学问题需要解决、许多力学机理亟需阐释。第一,预测3d混凝土打印进程中圆柱壳失效高度与失效行为的工具存在一定的缺陷。针对该3d混凝土打印进程中的特性问题,本文建立了一个用于预测圆柱壳在自重作用下屈曲失效的数值模型,并分析了两种常见的失效机制:弹性屈曲与塑性坍塌。本文所提出模型在引入层间界面影响下,可准确预测3d混凝土打印圆柱壳的失效高度与失效形式,这解决了以往研究中数值模拟预测失效高度与试验结果不匹配的问题。在此基础上,进一步分析了层间界面对制造进程中结构稳定性的影响以及打印参数对打印进程的影响。其次,更为详细的3d混凝土打印结构行为在本文中进行了讨论,包括打印条层截面几何形状的影响;结构变形对打印路径的影响;结构失效模式的发展等。最后,评价了相关打印参数对结构稳定性的影响。第二,3d混凝土打印条层截面几何轮廓成型机理研究,该问题为基于挤压打印系统的共性问题。为此,本文提出了一个基于材料表面张力与重力联合驱动的打印条轮廓成型机理,并通过类水滴参数模型进行预测。结果显示,该模型可准确预测3d混凝土打印条的层截面几何轮廓。其次,给出了用以决定打印条的层截面轮廓与高宽关系的不变量。最后,评估了材料参数对该不变量以及预测结果的影响。通过上述研究,可构建完整的3d混凝土打印结构仿真模拟、预测体系。该体系将弥补基于计算流体的动力学模型所需计算资源庞大的缺陷,使用计算资源耗费较少的固体力学仿真手段,对3d混凝土打印的全过程进行分析。可以减少大量的试错方法和保守设计,为寻找最优的打印参数设置提供理论指导。

关键词： 3d混凝土打印制造进程结构行为表面张力成型机理

面向3d混凝土打印的双螺旋路径规划算法研究与施工作业系统搭建

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面向3D混凝土打印的双螺旋路径规划算法研究与施工作业系统搭建

作者：曹俊峰华中科技大学

学位级别：硕士

3d混凝土打印技术无需建筑模板,可打破传统建筑设计限制,且具有自动高效、节约环保等优势。因此该技术逐渐成为土木领域高质量发展的核心,是建筑行业研究的前沿和热点。目前3d混凝土打印存在构件成形质量难以控制的关键问题亟需解决,限... 详细信息

3d混凝土打印技术无需建筑模板,可打破传统建筑设计限制,且具有自动高效、节约环保等优势。因此该技术逐渐成为土木领域高质量发展的核心,是建筑行业研究的前沿和热点。目前3d混凝土打印存在构件成形质量难以控制的关键问题亟需解决,限制了该技术的发展与应用。现阶段国内外研究者解决上述问题的方法主要聚焦于两大方面,分别为打印硬件设备的研发和施工工艺过程的改进。本文从改进打印工艺过程的角度切入,设计了一种双螺旋路径规划算法,可提高3d混凝土打印构件的成形质量。进一步搭建了施工作业系统,以控制混凝土打印过程,提高打印成功率。BIM技术贯穿于建筑施工的整个生命周期,但BIM模型缺乏打印信息,难以推广到3d混凝土打印领域。为拓展BIM模型信息,本文参照BIM技术底层IFC类框架,丰富机械臂族且添加了打印路径施工信息。为验证该扩展的可用性,进一步基于Revit平台开发了构件打印信息提取插件。以建筑模型花坛台为对象演示插件的使用效果,并将获取的打印信息用于后续实验。现今混凝土打印主要沿用传统树脂打印的路径规划算法,该算法未考虑混凝土特有的大尺寸成形和物料流变特性,直接使用会出现构件填充不实和欠过填充问题。基于混凝土理想打印路径应具有准确、充分、连续且平滑的特征,本文创建了评价路径规划算法的定量数学模型。进一步设计了一种针对混凝土打印的双螺旋路径规划算法,并通过打印对比实验证明了算法能有效提高构件成形质量。对上述打印过程仿真,分析机械臂笛卡尔空间与关节空间的加速度曲线,验证了该算法能大幅减小机械臂震动。建筑构件打印通常需要耗费大量混凝土材料,且打印过程需要结构支撑物辅助。为避免材料浪费和支撑物失效导致打印失败,本文研发了打印过程仿真平台。施工前对施工过程进行仿真,检查算法规划路径的合理性,确保打印质量,提高打印成功率。此外,为了应对施工过程中的各种突发情况,确保打印成功,进一步研发了施工反馈控制平台,平台实时视频反馈现场打印情况,并具有远程手动控制功能,以适应如抹缝等难以路径规划的特殊任务场景。

关键词： 3d混凝土打印路径规划成形质量作业系统

面向3d混凝土打印的几何质量检测与混合现实辅助系统研究

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面向3D混凝土打印的几何质量检测与混合现实辅助系统研究

作者：马梓焱华中科技大学

学位级别：硕士

3d混凝土打印是当前智能建造领域的热点研究方向,具有施工速度快、精度高、可实现复杂几何形状加工的特点。打印过程中及时获取构件成形质量和加工缺陷情况,判断当前打印状态并反馈修正打印系统参数,能有效提升打印质量。由于作业现场... 详细信息

3d混凝土打印是当前智能建造领域的热点研究方向,具有施工速度快、精度高、可实现复杂几何形状加工的特点。打印过程中及时获取构件成形质量和加工缺陷情况,判断当前打印状态并反馈修正打印系统参数,能有效提升打印质量。由于作业现场环境复杂,要将现有视觉测量技术应用于打印过程中,还面临着光线不稳定、构件遮挡等问题,且目前暂无高效、安全的现场数据可视化方案。为此,本文针对三维重建方法、几何误差检测、混合现实等关键技术开展研究,形成了适用于3d混凝土打印的几何质量检测及可视化交互技术方案,具体研究工作如下:(1)对基于视觉的三维重建方法原理和应用方法进行了研究,提出了多数据源融合的打印构件三维重建方案,结合了深度图三维重建速度快、多视图三维重建局部细节精度高的优点,依托混合现实显示头盔搭载的传感器阵列进行数据采集,分两阶段完成打印构件的精确三维重建,为打印构件的几何质量检测提供可靠的数据来源。(2)针对3d混凝土打印构件的几何质量误差成因进行了分析,设计了相应的检测方案。对三维重建点云模型进行分层切片,通过逐点插值的方法计算体积几何误差,针对在点云中难以检出的表面缺陷,采用表面投影法结合二维数字图像检测方法,还原出打印缺陷的空间位置和真实尺寸,避免了因成像原理造成的检测误差。两种方法检测范围互补,提升了缺陷检测的精度和适用范围。(3)设计并实现了混合现实辅助系统,该系统具备三维重建数据采集、点云模型可视化、打印缺陷实时反馈、打印操作过程动态指引和打印现场多设备联合控制等功能,通过自然特征识别跟踪注册和虚实遮挡算法的引入,能在3d混凝土打印过程中提供辅助操作信息的同时避免因视觉遮挡产生的安全隐患。在上述研究的基础上,成功将该集成系统应用于3d混凝土打印实际场景中,实现了构件打印过程中的几何质量检测和操作指引,为打印过程提供了有力辅助。

关键词： 3d混凝土打印三维重建混合现实辅助系统

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基于网格增强的3d打印混凝土性能研究

房地产世界 2020年第16期 139-140页

作者：钟新明邹素红浙江万寿建筑工程有限公司浙江丽水323400

混凝土3d打印技术作为一项新兴技术,可显著提升建筑自动化程度、降低材料成本。本研究采用网格增强的方式结合3d打印技术对混凝土制备工艺及性能进行了研究。研究发现,采用网格增强的方式可制备连续增强型混凝土,配合3d打印工艺与非增... 详细信息

混凝土3d打印技术作为一项新兴技术,可显著提升建筑自动化程度、降低材料成本。本研究采用网格增强的方式结合3d打印技术对混凝土制备工艺及性能进行了研究。研究发现,采用网格增强的方式可制备连续增强型混凝土,配合3d打印工艺与非增强型混凝土相比,弯矩强度可大幅度提升。网格增强的3d打印混凝土试样初始开裂发生在层间界面处,最终的破坏形式为钢筋断裂。

关键词： 3d混凝土打印增材制造网格增强

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预制构件生产线和建筑机器人应用研究现状

建筑施工 2023年第1期45卷 168-172页

作者：李建明陆文胜徐德意广州市市政工程机械施工有限公司广东广州511399

目前建筑行业仍然是粗犷式发展,整体生产施工自动化程度低,随着劳动力和技工的短缺,建筑行业工业化是未来发展的必经之路。现阶段国内预制构件生产线存在设备自动化程度较低,生产部品非标准化,构件生产工艺不完善等问题。从自动化生产... 详细信息

目前建筑行业仍然是粗犷式发展,整体生产施工自动化程度低,随着劳动力和技工的短缺,建筑行业工业化是未来发展的必经之路。现阶段国内预制构件生产线存在设备自动化程度较低,生产部品非标准化,构件生产工艺不完善等问题。从自动化生产设备和生产工艺方法两方面,介绍了国内外科研院所和厂商最新生产线设备,如中控系统、混凝土搅拌设备、自动钢筋上料绑扎设备、自动拆置模设备、自动布料机和质量监控设备等,并分析了不同生产线生产工艺方法优缺点,对智能动态浇筑和3d混凝土打印等前沿技术进行了展望,为今后生产线设计和智能机器人开发提供了一定的参考。

关键词：预制构件生产线建筑机器人 3d混凝土打印智能动态浇筑

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从数字建筑设计到智能建造实践

建筑技术 2022年第10期53卷 1418-1420页

作者：徐卫国清华大学建筑学院北京100084

随着信息化、智能化的发展,建筑业也面临智能化革新和升级的需要。本文从智能建造的含义及特征出发,介绍了我国首个3d打印市政工程深圳宝安3d打印公园以及全球首个完全3d打印住宅张家口市武家庄村3d打印农宅项目中智能建造的实践工作。

关键词：智能建造数字建筑设计 3d混凝土打印