【摘 要】
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由于可快速完成从设计模型向施工产品的转换,3D打印技术在园林景观建造及古建筑修复等定制化场景具有独特的优势。然而现阶段建筑打印采用的水平逐层堆积工艺和相应的路径规划方法难以满足自由曲面的打印需求。为解决自由曲面建筑打印的路径规划问题,本文提出了一种基于等参数线离散点连接的建筑曲面打印方法,并开发了建筑打印虚拟作业系统,在实际施工前对打印过程进行验证仿真,确保打印质量。提出了一种BIM（建筑信息模型
【基金项目】
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2018年度国家重点研发计划建筑机器人重点专项,“面向典型建筑施工与构件加工的机器人应用示范”（2018YFB1306905）；
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由于可快速完成从设计模型向施工产品的转换,3D打印技术在园林景观建造及古建筑修复等定制化场景具有独特的优势。然而现阶段建筑打印采用的水平逐层堆积工艺和相应的路径规划方法难以满足自由曲面的打印需求。为解决自由曲面建筑打印的路径规划问题,本文提出了一种基于等参数线离散点连接的建筑曲面打印方法,并开发了建筑打印虚拟作业系统,在实际施工前对打印过程进行验证仿真,确保打印质量。提出了一种BIM（建筑信息模型）驱动的建筑打印数字孪生应用框架。为解决虚拟模型驱动物理空间机器人的问题,开发了BIM信息提取软件及机器人数控代码生成软件。通过物理空间感知技术修正虚拟模型,开发了基于Open GL的虚拟作业场景,实现了施工现场的可视化重建。针对目前建筑打印中曲面形式的单一和曲面拟合的阶梯效应问题,提出了一种基于曲面等参数线法离散点集连接的路径规划算法。提出了一种搜索方向优化的贪心算法连接打印件表层离散点,并采用优化的混合模拟退火遗传算法连接打印件中间层离散点,使曲面打印件在表面路径规律平整的同时提升构件的整体强度。为解决计算机难以处理线条宽度及高度渐变的打印图案的路径规划的问题,提出了一种基于力反馈手控器的画笔式曲线打印方法。解决了手控器向打印机末端工作空间的匹配问题,设计了基于人工势场的力反馈功能提升画笔式打印的操作体验,并采用Savitzky-Golay滤波器对力反馈引入的高频噪声进行平滑处理。开发了建筑打印虚拟作业系统,集成BIM信息提取、打印路径规划、虚拟打印仿真、打印机器人操作等功能,实现虚拟空间与物理空间的互操作。最后通过实验验证本文所提算法及虚拟作业系统的可行性。实验结果表明,本文所提出的曲面打印方法可提高建筑曲面构件的打印质量,同时,基于BIM和数字孪生理念设计的建筑打印虚拟作业系统可有效地缩短建筑设计到施工的周期。
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