本發(fā)明涉及3D打印以及建筑領(lǐng)域，尤其涉及一種基于3D打印技術(shù)的建筑空間結(jié)構(gòu)研究方法。

背景技術(shù)：

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種在荷載作用下具有一維受力性質(zhì)并呈空間工作的結(jié)構(gòu)，它是解決大跨度建筑結(jié)構(gòu)最典型的一種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技文化事業(yè)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)建筑形式的要求越來(lái)越多樣化，從而推動(dòng)了這種大跨度、大空間結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展。穹頂結(jié)構(gòu)具有使用跨度大、結(jié)構(gòu)受力均勻、結(jié)構(gòu)自重輕且用材經(jīng)濟(jì)、能覆蓋大空間，并可以提供多種優(yōu)美的建筑造型等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)外得到了重視。其廣泛應(yīng)用于體育館、展覽廳、影劇院、候車(chē)廳、飛機(jī)庫(kù)、工業(yè)廠房等建筑。鑒于此，通過(guò)建筑模型研究穹頂空間的力學(xué)性能和穩(wěn)定性能就顯得尤為重要。

目前，現(xiàn)有的建筑穹頂空間結(jié)構(gòu)的研究技術(shù)存在以下不足之處：

（1）建筑穹頂空間結(jié)構(gòu)研究多集中在理論計(jì)算，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)研究較為困難；

（2）用于建筑穹頂結(jié)構(gòu)空間研究的建筑模型往往采用傳統(tǒng)的方法制造，存在以下問(wèn)題：建筑模型的形狀奇異，模板制作難，施工難度大，經(jīng)常無(wú)法滿足建筑造型異形的要求，存在較大的適應(yīng)性缺陷，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)；需要投入的人力、物力資源大；制作周期長(zhǎng)，不便于連續(xù)試驗(yàn)；建筑模型的制作存在誤差，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不利影響；

（3）試驗(yàn)難度大：用于建筑穹頂結(jié)構(gòu)空間研究的建筑模型往往形狀奇異且體量大，這給相關(guān)試驗(yàn)帶來(lái)了很大困難，常規(guī)的儀器和試驗(yàn)方法無(wú)法使用；需要投入大量的人力、物力和時(shí)間才能解決相關(guān)難題，且試驗(yàn)結(jié)果往往存在誤差。

以上問(wèn)題限制了建筑穹頂空間結(jié)構(gòu)的研究，阻礙了建筑穹頂空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述所指的現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明提供一種基于3D打印技術(shù)的建筑空間結(jié)構(gòu)的研究方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中建筑穹頂空間結(jié)構(gòu)模型制作困難、試驗(yàn)難度大且發(fā)展緩慢的問(wèn)題。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于3D打印技術(shù)的建筑空間結(jié)構(gòu)的研究方法，包括如下步驟:

（S1）選擇打印材料；

（S2）建立穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型；

（S3）打印穹頂結(jié)構(gòu)模型；

（S4）對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)模型施加荷載進(jìn)行試驗(yàn)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述步驟（S2）中，確定穹頂結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)；建立的穹頂結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際穹頂結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)相似并保持一定的比例關(guān)系。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述步驟（S3）中，將建立的穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，設(shè)置3D打印機(jī)的工作參數(shù)，然后對(duì)導(dǎo)入的穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型進(jìn)行打印。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述步驟（S4）中，按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：（S41）制作與穹頂結(jié)構(gòu)模型適配的帶有凹面的基座；（S42）將穹頂結(jié)構(gòu)模型反向放置于所述基座的凹面里，使其頂部置于所述凹面中；（S43）在穹頂結(jié)構(gòu)模型中均勻布置位移傳感器用于采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（S44）布置高清攝像裝置用于記錄試驗(yàn)情況；（S45）將放置有穹頂結(jié)構(gòu)模型的基座放置于壓力試驗(yàn)機(jī)中，在穹頂結(jié)構(gòu)模型的底部放置一塊輕質(zhì)隔板；（S46）啟動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，使其底座慢慢上升，其上壓板與放置在穹頂結(jié)構(gòu)模型底部的隔板接觸并使輕質(zhì)隔板受力，輕質(zhì)隔板將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型，穹頂結(jié)構(gòu)模型將力傳遞給基座，此時(shí)，根據(jù)作用力與反作用力的原理，所述基座將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型，使其均勻受力，達(dá)到試驗(yàn)的目的，便于后續(xù)研究工作的開(kāi)展。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述基座的凹面包裹穹頂結(jié)構(gòu)模型，所述基座與穹頂結(jié)構(gòu)模型之間設(shè)有墊層。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述（S43）中，所述位移傳感器采集試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)模型各部位的受力情況和位移變化情況。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述步驟（S44）中，所述高清攝像裝置記錄試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)各部位的變化情況、破壞情況及破壞形式數(shù)據(jù)信息。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述打印材料與實(shí)際穹頂結(jié)構(gòu)的材料相同、相似或存在聯(lián)系。

本發(fā)明的有益效果：（1）效率高，整體性好：模型制作簡(jiǎn)便，材質(zhì)均勻，一體成型，整體性能好；自動(dòng)化程度高，不需要模板即可完成，節(jié)省了大量人工和材料；（2）可操作性、靈活性和應(yīng)用性強(qiáng)：制作過(guò)程的電子建模、3D打印等程序都可方便實(shí)現(xiàn)；且可根據(jù)需求靈活進(jìn)行電子建模和打印模型；同時(shí)，設(shè)置了與模型適配的基座，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)方法，使模型能夠在常規(guī)的壓力試驗(yàn)機(jī)中完成荷載試驗(yàn)；（3）適應(yīng)性強(qiáng)：一方面，模型的壁厚、跨度、高度等單一情況及其組合可以更改，以針對(duì)不同情況開(kāi)展后續(xù)研究工作；另一方面，用于給模型提供反力的基座的凹面深度可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，以針對(duì)模型的不同的受力部位，研究其破壞情況。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明試驗(yàn)示意圖；

圖2是本發(fā)明穹頂結(jié)構(gòu)立面示意圖；

圖3是本發(fā)明混凝土基座示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

一種基于3D打印技術(shù)的建筑空間結(jié)構(gòu)研究方法，包括如下步驟:

（S1）選擇打印材料，選擇打印材料的要求是：打印的穹頂結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際穹頂結(jié)構(gòu)的材料相同或相似或存在某種關(guān)系；

（S2）建立穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型，建立穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型的關(guān)鍵是確定壁厚、跨度、高度等幾何參數(shù)；其原則是建立的穹頂結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際穹頂結(jié)構(gòu)幾何相似并保持一定的比例關(guān)系；

（S3）打印穹頂結(jié)構(gòu)模型，將建立的穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，接著，設(shè)置3D打印機(jī)的打印層厚度、打印速度及打印溫度等工作參數(shù)，然后對(duì)導(dǎo)入的穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型進(jìn)行打?。淮蛴〉鸟讽斀Y(jié)構(gòu)模型一體成型，結(jié)構(gòu)性和整體性都較好；

（S4）對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)模型施加荷載進(jìn)行試驗(yàn)。

所述步驟（S2）中，確定穹頂結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)；建立的穹頂結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際穹頂結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)相似并保持一定的比例關(guān)系。

所述步驟（S3）中，將建立的穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，設(shè)置3D打印機(jī)的工作參數(shù)，然后對(duì)導(dǎo)入的穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型進(jìn)行打印。

所述步驟（S4）中，按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：（S41）制作與穹頂結(jié)構(gòu)模型適配的帶有凹面的基座；（S42）將穹頂結(jié)構(gòu)模型反向放置于所述基座的凹面里，使其頂部置于所述凹面中，在這一實(shí)施例中，為了使所述凹面和穹頂結(jié)構(gòu)模型充分、緊密接觸，以利于力均勻傳遞，在二者之間設(shè)置了一層膠墊層；（S43）在穹頂結(jié)構(gòu)模型中均勻布置位移傳感器用于采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（S44）布置高清攝像裝置用于記錄試驗(yàn)情況；（S45）將放置有穹頂結(jié)構(gòu)模型的基座放置于壓力試驗(yàn)機(jī)中，在穹頂結(jié)構(gòu)模型的底部放置一塊隔板；（S46）啟動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，使其底座慢慢上升，其上壓板與放置在穹頂結(jié)構(gòu)模型底部的隔板接觸并使隔板受力。對(duì)隔板的要求，一般為輕質(zhì)隔板，此隔板具有一定的強(qiáng)度和剛度，其作用是在試驗(yàn)中將壓力試驗(yàn)機(jī)提供的力均勻地施加到穹頂結(jié)構(gòu)模型中，隔板要求輕質(zhì)的原因是避免在試驗(yàn)開(kāi)始前，由于隔板的重量使穹頂結(jié)構(gòu)模型先受力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)帶來(lái)誤差。壓力試驗(yàn)機(jī)使所述輕質(zhì)隔板受力，輕質(zhì)隔板將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型，穹頂結(jié)構(gòu)模型將力傳遞給基座，此時(shí)，根據(jù)作用力與反作用力的原理，所述基座將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型，使其均勻受力，達(dá)到試驗(yàn)的目的，便于后續(xù)研究工作的開(kāi)展。

所述基座的凹面包裹穹頂結(jié)構(gòu)模型，所述基座與穹頂結(jié)構(gòu)模型之間設(shè)有墊層。

所述（S43）中，所述位移傳感器采集試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)模型各部位的受力情況和位移變化情況。

所述步驟（S44）中，所述高清攝像裝置記錄試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)各部位的變化情況、破壞情況及破壞形式數(shù)據(jù)信息。

所述打印材料與實(shí)際穹頂結(jié)構(gòu)的材料相同、相似或存在聯(lián)系。

在這一實(shí)施例中，由于基于3D打印技術(shù)打印出來(lái)的穹頂結(jié)構(gòu)模型是曲面殼狀的，對(duì)其施加荷載進(jìn)行試驗(yàn)往往是比較困難的，鑒于此，均勻地對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)模型施加荷載，以便開(kāi)展試驗(yàn)研究是尤為重要的，具體如下：

(1)制作與穹頂結(jié)構(gòu)模型適配的帶有凹面的基座。此基座的特點(diǎn)是：其凹面要與穹頂結(jié)構(gòu)模型的曲面殼狀適配(能包裹穹頂結(jié)構(gòu)模型)，其要具有一定的強(qiáng)度和剛度，能夠提供均勻的反力。

(2)將穹頂結(jié)構(gòu)模型反向放置于所述基座的凹面里，使其頂部置于所述凹面中，優(yōu)選地，為了使所述凹面和穹頂結(jié)構(gòu)模型充分、緊密接觸，以利于力均勻傳遞，在二者之間設(shè)置了一層膠墊層。

(3)在穹頂結(jié)構(gòu)模型中均勻布置位移傳感器，用以采集試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)模型各部位的受力情況和位移變化情況，以利于開(kāi)展后續(xù)研究工作。

(4)布置快速高清攝像裝置，用以記錄試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)各部位的變化情況、破壞情況及破壞形式，以利后續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究工作。

(5)將放置有穹頂結(jié)構(gòu)模型的基座放置于壓力試驗(yàn)機(jī)中，在穹頂結(jié)構(gòu)模型的底部放置一塊輕質(zhì)隔板，此隔板具有一定的強(qiáng)度和剛度，其作用是在試驗(yàn)中將壓力試驗(yàn)機(jī)提供的力均勻地施加到穹頂結(jié)構(gòu)模型中，隔板要求輕質(zhì)的原因是避免在試驗(yàn)開(kāi)始前，由于隔板的重量使穹頂結(jié)構(gòu)模型先受力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)帶來(lái)誤差。

(6)啟動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，其底座慢慢上升，其上壓板與放置在穹頂結(jié)構(gòu)模型底部的輕質(zhì)隔板接觸并使其受力，這樣，壓力試驗(yàn)機(jī)使所述輕質(zhì)隔板受力，輕質(zhì)隔板將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型，穹頂結(jié)構(gòu)模型將力傳遞給基座，此時(shí)，根據(jù)作用力與反作用力的原理，所述基座將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型，使其均勻受力，達(dá)到試驗(yàn)的目的，便于后續(xù)研究工作的開(kāi)展。

在這一具體實(shí)施例中，這種基于3D打印技術(shù)的建筑空間結(jié)構(gòu)研究方法具體為：

（1）選擇打印材料，如選擇一種樹(shù)脂材料作為打印材料；

(2)建立穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型，穹頂結(jié)構(gòu)模型1跨度統(tǒng)一為180mm，壁厚為3mm；高度分別為50mm、77mm、90mm、110mm以及124mm，如圖2所示；

(3)打印穹頂結(jié)構(gòu)模型，將上述建立的穹頂結(jié)構(gòu)三維電子模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，接著，設(shè)置3D打印機(jī)的打印層厚度、打印速度及打印溫度等工作參數(shù)，然后對(duì)導(dǎo)入的穹頂結(jié)構(gòu)模型1進(jìn)行打??；

試驗(yàn)時(shí)，按如下步驟來(lái)進(jìn)行：

(1)制作與穹頂結(jié)構(gòu)模型1適配的帶有凹面的基座2。優(yōu)選地，本申請(qǐng)專(zhuān)利選擇混凝土基座，原因是取材方便，制作簡(jiǎn)便，且其強(qiáng)度和剛度滿足要求；凹面的大小與上述穹頂結(jié)構(gòu)模型1適配，凹面的深度選擇為上述穹頂結(jié)構(gòu)模型1高度的1/3，如圖3所示。需要說(shuō)明的是，所述基座的制作材料可以根據(jù)試驗(yàn)需求選擇為鋼材或者其他能夠滿足強(qiáng)度和剛度要求的材料，并不僅限于混凝土；所述基座凹面的深度并不僅限于穹頂結(jié)構(gòu)模型高度的1/3，可以根據(jù)研究的需求，而對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，比如選擇不同的凹面深度，使穹頂結(jié)構(gòu)模型1的受力部位不同，進(jìn)而研究其破壞情況。

(2)將所述穹頂結(jié)構(gòu)模型1反向放置于所述基座2的凹面里，使其頂部置于所述凹面中，優(yōu)選地，為了使所述凹面和穹頂結(jié)構(gòu)模型充分、緊密接觸，以利于力均勻傳遞，在二者之間設(shè)置了一層膠墊層。

(3)在所述穹頂結(jié)構(gòu)模型中均勻布置位移傳感器 ，用以采集試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)模型各部位的受力情況和位移變化情況，以利于開(kāi)展后續(xù)研究工作。

(4)布置快速高清攝像裝置，用以記錄試驗(yàn)過(guò)程中穹頂結(jié)構(gòu)模型1各部位的變化情況、破壞情況及破壞形式，以利后續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究工作。

(5)將放置有穹頂結(jié)構(gòu)模型1的混凝土基座2放置于壓力試驗(yàn)機(jī)中，在穹頂結(jié)構(gòu)模型1的底部放置一塊輕質(zhì)隔板3，此隔板具有一定的強(qiáng)度和剛度，其作用是在試驗(yàn)中將壓力試驗(yàn)機(jī)提供的力均勻地施加到穹頂結(jié)構(gòu)模型1中。

(6)啟動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，其底座慢慢上升，其上壓板與放置在穹頂結(jié)構(gòu)模型底部的輕質(zhì)隔板3接觸并使其受力，這樣，壓力試驗(yàn)機(jī)使所述輕質(zhì)隔板3受力，輕質(zhì)隔板3將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型1，穹頂結(jié)構(gòu)模型1將力傳遞給混凝土基座2，此時(shí)，根據(jù)作用力與反作用力的原理，所述混凝土基座2將所受的力均勻地傳遞給穹頂結(jié)構(gòu)模型1，使其均勻受力，達(dá)到試驗(yàn)的目的，便于后續(xù)研究工作的開(kāi)展。

本發(fā)明不僅可以對(duì)統(tǒng)一壁厚和跨度但高度不同的穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，以研究不同矢跨比對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)的影響；同時(shí)也可以對(duì)不同壁厚、不同跨度、不同高度等單一情況及其組合進(jìn)行試驗(yàn)，以針對(duì)不同情況開(kāi)展后續(xù)研究工作。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體實(shí)現(xiàn)方式對(duì)本發(fā)明做的進(jìn)一步闡述，不應(yīng)認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)只局限于以上說(shuō)明。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，均應(yīng)視為有本發(fā)明所提交的權(quán)利要求確定的保護(hù)范圍之內(nèi)。