本發明專利技術公開了一種基于3D打印的原始村落建筑修復方法及系統，涉及古建筑修復領域，其中方法步驟包括：對待修復建筑進行掃描，獲取待修復建筑的數值模型，數值模型包括：建筑的外觀、內部結構以及損壞部分的具體情況；基于待修復建筑的原始材料和環境條件，選擇3D打印材料，3D打印材料具有與待修復建筑材料相近的物理特性和化學特性，用于確保修復部分與原有建筑的兼容性；基于構建的數值模型，設計修復方案；修復方案包括確定完全替換部分以及加固修補部分；基于修復方案，打印修復部件并將修復部件安裝到待修復建筑上。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及古建筑修復領域，具體涉及一種基于3d打印的原始村落建筑修復方法及系統。
技術介紹
1、在當前的文物保護和歷史建筑修復領域，傳統的修復方法往往面臨著材料難以匹配、工藝復雜、成本高昂以及修復效果難以預測等問題。隨著科技的發展，尤其是3d打印技術的進步，為傳統修復方法帶來了革命性的變革。3d打印技術以其高精度、可定制化、快速原型制作等優勢，為歷史建筑修復提供了新的解決方案。然而，如何有效地利用3d打印技術進行歷史建筑的修復，確保修復后的建筑既安全又美觀，同時保留其歷史價值，成為了一個亟待解決的問題。
2、傳統的3d打印修復方法通常依賴于簡單的幾何模型和有限的材料選擇，這限制了修復工作的精確性和效果。此外，由于缺乏對歷史建筑復雜結構的深入理解，傳統方法往往難以實現與原有建筑的完美融合。因此，需要一種更為先進的修復方案，能夠綜合考慮建筑的結構特性、材料特性以及美學要求，以實現高效、精準、美觀的修復效果。
技術實現思路
1、為解決上述背景中的技術問題，本專利技術通過高精度的3d掃描技術獲取建筑的詳細數值模型，包括外觀、內部結構和損壞部分的具體情況。然后，基于原始建筑的材料和環境條件，選擇具有相近物理和化學特性的3d打印材料，以確保修復部分與原有建筑的兼容性。通過構建的數值模型，設計出一套詳細的修復方案，包括確定完全替換部分以及加固修補部分。最后，根據修復方案，打印出修復部件并將其安裝到待修復建筑上。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了如下方案：
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p>3、一種基于3d打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，步驟包括：4、對待修復建筑進行掃描，獲取所述待修復建筑的數值模型，所述數值模型包括：建筑的外觀、內部結構以及損壞部分的具體情況；
5、基于待修復建筑的原始材料和環境條件，選擇3d打印材料，3d打印材料具有與待修復建筑材料相近的物理特性和化學特性，用于確保修復部分與原有建筑的兼容性；
6、基于構建的所述數值模型，設計修復方案；所述修復方案包括確定完全替換部分以及加固修補部分；
7、基于所述修復方案，打印修復部件并將所述修復部件安裝到待修復建筑上。
8、優選的，對待修復建筑進行掃描的方法包括：利用3d掃描設備對建筑進行全面的掃描；在掃描時，通過多角度、多方位對建筑進行全面掃描；同時，對建筑的內部結構進行掃描，包括墻體內部、樓板和梁柱。
9、優選的，完成掃描后，利用掃描結果構建3d模型；步驟包括：
10、(1)點云預處理
11、用于提高點云數據的質量，減少噪聲，優化后續處理，采用基于局部密度的方法，計算每個點的局部密度，如果某個點的密度顯著低于其鄰域點的平均密度，則認為該點為離群點并將其移除；
12、(2)特征提取
13、首先通過計算每個點的局部幾何特征來生成特征描述子，對于每個點p，計算其法向量np和鄰域內的點pi的法向量ni；接著，定義特征描述子f(p)為這些法向量之間的相對方向和距離的統計量，描述子表示為：
14、f(p)＝∑i∈n(p)wi·(αi，βi，γi)，
15、式中，n(p)為p的鄰域點集合；wi表示基于距離的權重；αi、βi、γi分別是點p和鄰域點pi之間的相對方向角；
16、通過上述步驟，可以為每個點生成一個特征描述子，用于點云的匹配和識別，從而在3d建模中提供豐富的幾何信息；
17、(3)表面重建
18、采用泊松方程求解，生成平滑的3d表面，公式如下：
19、
20、式中，n表示點云的法向量場，是一個向量場，描述了點云表面每一點的法向量；表示法向量場的散度，是一個標量場，描述了法向量場在每一點的發散程度。
21、優選的，完成掃描后，在3d模型構建完成之后，進行靜力分析，用于后續的修復方案設計，步驟包括：
22、應力分析：
23、
24、式中，σ表示應力；f表示作用力；a表示受力面積；
25、評估材料的變形情況：
26、
27、式中，∈表示應變，是一個無量綱的比例值，表示物體在受力時單位長度的變形量；δl表示變形量，即物體在受力后長度的變化量；l表示構件長度；
28、評估建筑的整體變形情況：
29、u＝k-1f，
30、式中，u表示位移向量；k-1表示整體剛度矩陣的逆矩陣；f表示荷載向量；
31、評估建筑在荷載作用下的穩定性：
32、
33、式中，pcr表示表臨界荷載；e表示彈性模量；i表示截面慣性矩；k有效長度系數；l表示構件長度。
34、優選的，在靜力分析之后，對損壞部分進行標注，用于明確修復的重點區域和具體需求；同時進行進行多次驗證和校正，包括現場比對和專家評審。
35、優選的，在設計修復方案，采用卷積神經網絡構建預測模型，來優化修復方案；其中，預測模型包括：輸入層、卷積層、池化層、扁平化層、全連接層和輸出層；
36、輸入層用于接收修復案例的圖像數據；
37、卷積層包括三層卷積，分別為第一層卷積：使用32個3x3的卷積核，步長為1，激活函數采用relu，用于提取圖像的基本特征；第二層卷積：使用64個3x3的卷積核，步長為1，激活函數采用relu，用于捕捉更復雜的特征；第三層卷積：使用128個3x3的卷積核，步長為1，激活函數為relu，用于識別更高級的特征；
38、池化層，使用2x2的最大池化，步長為2，用于降低特征維度，減少計算量；
39、扁平化層，用于將多維特征圖扁平化為一維，以便輸入到全連接層；
40、全連接層包括：第一層全連接：128個神經元，激活函數為relu，用于進一步處理扁平化后的特征；第二層全連接：64個神經元，激活函數為relu，用于減少模型的復雜度，提高泛化能力；
41、輸出層：包含多個神經元，每個神經元對應一種修復策略或材料選擇，激活函數為softmax，用于多分類問題。
42、優選的，所述預測模型的損失函數使用交叉熵損失函數；訓練采用adam優化器，設置學習率為0.001，動量為0.9，自適應學習率調整。
43、本專利技術還提供了基于3d打印的原始村落建筑修復系統，所述系統用于實現上述方法，包括：掃描模塊、選取模塊、設計模塊和打印模塊；
44、所述掃描模塊用于對待修復建筑進行掃描，獲取所述待修復建筑的數值模型，所述數值模型包括：建筑的外觀、內部結構以及損壞部分的具體情況；
45、所述選取模塊用于基于待修復建筑的原始材料和環境條件，選擇3d打印材料，3d打印材料具有與待修復建筑材料相近的物理特性和化學特性，用于確保修復部分與原有建筑的兼容性；
46、所述設計模塊用于基于構建的所述數值模型，設計修復方案；所述修復方案包括確定完全替換部分以及本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種基于3D打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，步驟包括：
2.根據權利要求1所述的基于3D打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，對待修復建筑進行掃描的方法包括：利用3D掃描設備對建筑進行全面的掃描；在掃描時，通過多角度、多方位對建筑進行全面掃描；同時，對建筑的內部結構進行掃描，包括墻體內部、樓板和梁柱。
3.根據權利要求2所述的基于3D打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，完成掃描后，利用掃描結果構建3D模型；步驟包括：
4.根據權利要求3所述的基于3D打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，完成掃描后，在3D模型構建完成之后，進行靜力分析，用于后續的修復方案設計，步驟包括：
5.根據權利要求4所述的基于3D打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，在靜力分析之后，對損壞部分進行標注，用于明確修復的重點區域和具體需求；同時進行進行多次驗證和校正，包括現場比對和專家評審。
6.根據權利要求1所述的基于3D打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，在設計修復方案，采用卷積神經網絡構建預測模型，來優化修復方案；其中，預測模型包括：輸入層、卷積層、池化層、扁平化層、全連接層和輸出層；
7.根據權利要求6所述的基于3D打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，所述預測模型的損失函數使用交叉熵損失函數；訓練采用Adam優化器，設置學習率為0.001，動量為0.9，自適應學習率調整。
8.基于3D打印的原始村落建筑修復系統，所述系統用于實現權利要求1-7任一項所述的方法，其特征在于，包括：掃描模塊、選取模塊、設計模塊和打印模塊；
9.根據權利要求8所述的基于3D打印的原始村落建筑修復系統，其特征在于，所述掃描模塊的工作流程包括：利用3D掃描設備對建筑進行全面的掃描；在掃描時，通過多角度、多方位對建筑進行全面掃描；同時，對建筑的內部結構進行掃描，包括墻體內部、樓板和梁柱。
10.根據權利要求9所述的基于3D打印的原始村落建筑修復系統，其特征在于，完成掃描后，利用掃描結果構建3D模型；步驟包括：
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【技術特征摘要】
1.一種基于3d打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，步驟包括：
2.根據權利要求1所述的基于3d打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，對待修復建筑進行掃描的方法包括：利用3d掃描設備對建筑進行全面的掃描；在掃描時，通過多角度、多方位對建筑進行全面掃描；同時，對建筑的內部結構進行掃描，包括墻體內部、樓板和梁柱。
3.根據權利要求2所述的基于3d打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，完成掃描后，利用掃描結果構建3d模型；步驟包括：
4.根據權利要求3所述的基于3d打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，完成掃描后，在3d模型構建完成之后，進行靜力分析，用于后續的修復方案設計，步驟包括：
5.根據權利要求4所述的基于3d打印的原始村落建筑修復方法，其特征在于，在靜力分析之后，對損壞部分進行標注，用于明確修復的重點區域和具體需求；同時進行進行多次驗證和校正，包括現場比對和專家評審。
6.根據權利要求1所述的基于3d打印的原始村落建筑修復方法...
【專利技術屬性】
技術研發人員：晏舒婷，
申請(專利權)人：武漢工程大學，
類型：發明
國別省市：
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