計算機輔助建造技術(shù)（CAM）在風景園林規(guī)劃設(shè)計階段的應用探索

馮瀟 王文韜FENG Xiao WANG Wen-tao

計算機輔助建造技術(shù)（CAM）在風景園林規(guī)劃設(shè)計階段的應用探索

馮瀟 王文韜
FENG Xiao WANG Wen-tao

計算機輔助建造技術(shù)（CAM）是利用計算機技術(shù)和三維成型技術(shù)進行輔助生產(chǎn)和建造的一系列技術(shù)的統(tǒng)稱。對當前較為普及的CAM輸出技術(shù)如激光雕刻、CNC數(shù)控機床和3D打印的運作原理和輸入流程進行了簡介，并且闡述了CAM技術(shù)在風景園林規(guī)劃設(shè)計階段中的應用潛力：對場地條件進行清晰直觀的再現(xiàn)；對設(shè)計草案進行反復多次的實物推敲；對設(shè)計方案進行理性量化的物理驗證；對設(shè)計成果進行快速精確的實物表現(xiàn)等。最后，認為CAM技術(shù)有望彌合風景園林從場地到規(guī)劃設(shè)計再到場地過程中的信息錯位，讓風景園林規(guī)劃設(shè)計擁有三個維度的實體操作平臺。

計算機輔助建造（CAM）；數(shù)字化建造；激光雕刻；CNC數(shù)控機床；3D打印

修回日期：2016-02-04

1　前言

1.1計算機輔助建造技術(shù)

計算機輔助建造簡稱CAM（Computer Aided Manufacturing），在建筑學界常被稱作數(shù)字化建造（Digital Fabrication），是利用計算機技術(shù)和三維成型技術(shù)進行輔助設(shè)計和建造的一系列技術(shù)的統(tǒng)稱。

CAM系統(tǒng)運作的工序可以分為輸入和輸出兩部分，輸入部分是指將建造目標轉(zhuǎn)化為工序動作代碼的過程：即將建造目標的三維數(shù)字模型，轉(zhuǎn)化、編譯成三維成型工具的動作路線和工序內(nèi)容代碼（如CNC數(shù)控機床的輸出信息是刀具加工時的運動軌跡工序）。輸出部分是指由數(shù)控三維成型工具（如激光雕刻機、CNC數(shù)控機床、3D打印機、工業(yè)機器人等）依據(jù)工序代碼將數(shù)字模型加工裝配成實體的過程。

1.2本文的研究領(lǐng)域

如果我們將風景園林的全周期過程拆分成規(guī)劃設(shè)計、實施建造、管理養(yǎng)護3個階段的話，CAM技術(shù)的應用可以貫穿其始終。CAM技術(shù)在實施建造階段的應用已經(jīng)不是新鮮事：在瑞士，基于衛(wèi)星定位的工程車輛根據(jù)數(shù)控程序進行地形土方作業(yè)（圖1）；在美國麻省理工大學（MIT），工業(yè)機器人將巨型石材加工成石拱并拼裝成紀念碑（圖2）；在荷蘭阿姆斯特丹，擁有3D打印外立面的會議建筑已經(jīng)建成并投入使用（圖3）。

由于篇幅所限，本文重點探討CAM技術(shù)在風景園林規(guī)劃設(shè)計階段中的應用，即在實施建造階段和管理養(yǎng)護階段之前，CAM技術(shù)能夠給風景園林師們提供怎樣的幫助。

2　CAM部分輸出技術(shù)簡介

CAM技術(shù)平臺是極具開放性的，任何基于數(shù)控技術(shù)的輸出設(shè)備都可以被運用到這個平臺上，并且根據(jù)設(shè)計和建造的需要隨時進行替換。本文只介紹一些在風景園林規(guī)劃設(shè)計階段容易推廣和運用的輸出技術(shù)。

2.1激光雕刻

激光雕刻是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，激光為加工媒介，對于板材進行二維輪廓切割和雕刻的技術(shù)。［1］

激光雕刻機運作的原理是：首先通過電力產(chǎn)生激光束，激光束經(jīng)透鏡聚焦后照射到板材表面，處在激光焦點位置的板材因急劇升溫而迅速的融化，當激光頭沿一定路徑運動時，即可在板材表面雕刻出圖案或完成板材切割。激光雕刻以激光為“刀具”，加工過程中不與加工材料有物理接觸，根據(jù)激光頭灼燒時間的長短，可在板材上劃線或直接切割，非常適合薄板的加工。激光雕刻幾乎可以對任何材料進行加工，常見的材料為有機玻璃、塑料、玻璃、竹木、泡沫塑料、布料、皮革、橡膠板、石材、PVC板、石材、紙張、金屬板、噴塑金屬等。但受到激光發(fā)射器功率的限制，激光雕刻的耗材主要以非金屬材料為主。

作為應用時間較長的一種CAM輸出工具，激光雕刻機在建筑學和城鄉(xiāng)規(guī)劃學的運用已經(jīng)相當成熟，是許多高校和模型公司加工制作模型的主要輸出工具。由于激光雕刻機主要適用于平面板材切割和圖案雕刻，因此它主要是一種二維平面輸出設(shè)備（圖4）。

2.2CNC數(shù)控機床

CNC數(shù)控機床（Computer numericalcontrol machine tools）是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該系統(tǒng)能夠處理具有控制編碼的程序，將其譯碼成為工序動作并加工材料，是一種三維實體輸出設(shè)備。［2］

CNC運作的方式是一個對材料做減法的過程，其工作原理是通過具有3軸或4軸的夾具和銑削刀具，按照嚴格設(shè)計好的刀路進行有先后順序的粗雕及精雕，逐步切削材料至設(shè)計目標。CNC可以雕刻的耗材主要為泡沫板、塑料、木材等軟質(zhì)材料，裝備合金刀頭的CNC數(shù)控機床也能銑削金屬材料。

由于大型CNC過于昂貴的成本、繁瑣的操作流程，使得一般設(shè)計人員很難接觸到這樣的設(shè)備。近年來，廣泛的市場需求促成了數(shù)控機床的小型化及民用化。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）建筑系的LVML實驗室、德國安哈爾特應用技術(shù)大學（AUAS）都開發(fā)出自己的CNC“迷你機”，即小型化、簡單化的CNC，它造價低廉，既便攜，可移動，又不需要較多的操作經(jīng)驗。由于該裝置工作時相對安靜且封閉，鋒利的刀頭和銑削產(chǎn)生的碎片都被包裹在裝置中，運行安全系數(shù)較高，可以方便的適用于學校和設(shè)計工作室，用以探索風景園林的參數(shù)化設(shè)計以及復雜多樣的空間結(jié)構(gòu)（圖5）。

2.33D打印

3D打印是近幾年發(fā)展最為迅猛的CAM技術(shù)，它以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造模型，這種技術(shù)幾乎可以輸出任何形狀的三維模型。［3］

3D打印機采用了分層加工、堆疊成型的原理來完成三維實體打印：根據(jù)打印精度，3D打印機將數(shù)字模型切割為0.05-0.2mm的層，從最底層開始，根據(jù)截面信息，逐層打印，當打印完當前層后，模型下移層厚高度（相當于打印頭上移層厚高度）后打印其上面一層，以此循環(huán)直至打印完成。根據(jù)塑形方式及耗材的不同，可將3D打印分為擠壓、層壓、光聚合、粉末粘合、熱燒結(jié)等幾種類型。但基于成本、功耗、便捷程度等角度考慮，目前最常見的打印類型為擠壓式及光聚合式兩種，前者以PLA聚乳酸及ABS塑料作為打印耗材，打印出模型外表有拉絲痕跡；后者以光敏樹脂作為打印耗材，“打印噴頭”為激光光束，定位點精準且小，打印的模型表面平整光滑。

3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)整體打印一次成型，有著CNC數(shù)控機床及激光雕刻機不能比擬的便捷性。但相對于CNC數(shù)控機床和激光雕刻機，3D打印的容錯性最低，若出現(xiàn)虛打等問題只能重新打?。淮蛴r長隨打印精度的增加而呈現(xiàn)指數(shù)級增長；但隨著技術(shù)的進步，3D打印技術(shù)有望逐步克服上述的缺點。另外，市面上小型化的3D打印機已經(jīng)相當普及，耗材的價格也非常平易近人，可以說3D打印機已經(jīng)進入了平民化時代，完全可以在高校和設(shè)計機構(gòu)中推廣和普及（圖6）。

3　CAM的輸入技術(shù)流程

3.1建立三維數(shù)字模型

CAM的輸入首先是三維數(shù)字模型的建模。有別于一般三維數(shù)字建模，CAM模型各組件的構(gòu)造要能滿足后期組裝的便利性及穩(wěn)固性要求。在以往建模中，模型各組件銜接均“嚴絲合縫”，但在輸出實物模型之前，需根據(jù)輸出設(shè)備及材料特性在組件接縫處做出一定比例的空隙，以便于模型拼裝，若空隙過小，模型無法拼裝，若空隙過大，模型則不夠穩(wěn)固。

3.2將三維數(shù)字模型模型轉(zhuǎn)換為G代碼

G代碼（G-code），是一種數(shù)字化控制代碼，是CAM輸出設(shè)備的工序指令。［4］不論何種CAM輸出設(shè)備，均由計算機控制雕刻頭（CNC刀頭/3D打印機噴頭/激光雕刻頭）按照事先設(shè)定的軌跡進行運動，G代碼即為計算機的控制指令。G代碼由控制代碼和點坐標構(gòu)成，點坐標引導機器雕刻頭沿預定軌跡運行，完成工序動作。

激光雕刻機一般以打印機形式安裝到計算機上，我們只需要在AutoCad軟件中畫好雕刻和切割路徑，并設(shè)置成不同顏色，調(diào)整機器設(shè)置中不同顏色對應的激光功率、移動速度等便可發(fā)送至機器，機器會自動生成G代碼后自動打印。

CNC數(shù)控機床的G代碼生成過程最為復雜，首先需要根據(jù)機床尺寸確定雕刻板材尺寸，之后將數(shù)字模型各組件排布至可雕刻區(qū)域，需要雕刻的面朝上，各組件之間應留有安全間隙。模型排布好后，導入到G代碼生成軟件（如PowerMill）中，設(shè)置雕刻刀頭、夾具、轉(zhuǎn)速、刀具補償及偏置、進給速度、安全高度、步距、切入切出位置等參數(shù)，按照粗雕--精雕的順序完成刀路設(shè)計，即可導出G代碼（圖7）。

3D打印機需將建好的三維數(shù)字模型導入諸如Cura這樣的G代碼生成軟件，依次設(shè)置打印層厚、噴頭溫度、打印速度、填充率等參數(shù)，就會自動生成G代碼，輸入3D打印機即可打印（圖8）。

4　CAM在風景園林規(guī)劃設(shè)計階段中的應用革新

4.1現(xiàn)場再現(xiàn)——對于場地條件進行清晰直觀的再現(xiàn)

風景園林規(guī)劃設(shè)計的第一個階段就是相地，即獲取場地基礎(chǔ)信息并對其加以解讀的過程。在這個階段，目前獲取場地基礎(chǔ)信息的方式主要以實地踏勘和向有關(guān)部門索取資料（如地形圖、航片、水文資料、地理資料、植被資料等）為主。這些場地基礎(chǔ)信息的表達方式往往是以二維圖像和文字描述形式呈現(xiàn)的，比如風景園林師的方案草圖通常是建立在一張二維地形圖上的，這種二維地形圖遺失了大量三維場景中的要素，諸如復雜地形的空間感、植被信息和水文信息等，很難對現(xiàn)場進行直觀而全面的再現(xiàn)。

可見，由于場地信息表達方式的缺陷，許多項目是在設(shè)計師沒有充分掌握和理解基地信息（特別是豎向信息）的情況下展開的，導致設(shè)計無法與場地充分對接，造成不必要的設(shè)計反復和工程浪費。

而CAM技術(shù)能夠幫助風景園林師從設(shè)計的初始階段就充分掌控場地信息。風景園林師可以借助大尺度3D激光掃描儀來獲取場地地理信息，或使用小型無人機（UAV）來拍攝場地的航空影像，再將所得到的數(shù)字信息進行整理匯總，形成三維數(shù)字模型。接下來可以用CNC數(shù)控機床、3D打印機等CAM工具將數(shù)字模型輸出為物理實體來指導規(guī)劃設(shè)計。

北京林業(yè)大學風景園林規(guī)劃設(shè)計研究院的研究團隊對廣東省惠州市巽寮旅游度假區(qū)一塊面域約76hm2的自然山林地進行了數(shù)字信息收集，并利用小型CNC數(shù)控機床輸出該地塊1:2 000的地形實體模型。在這個過程中，現(xiàn)場極為復雜的地貌能夠通過實體模型進行直觀而充分的呈現(xiàn)，使我們能夠直觀考量和分析設(shè)計基地，建立更加精確的空間參考系，為設(shè)計的推進提供了堅實的基礎(chǔ)（圖9）。

4.2設(shè)計推敲——對于設(shè)計草案進行反復多次的實物推敲

通常風景園林師習慣在二維草圖上進行設(shè)計草案的推敲，通過層層疊加的半透明紙，設(shè)計方案被反復推敲演進成型。然而，二維草圖雖然能夠給設(shè)計方案提供一個最基礎(chǔ)的操作平臺，卻嚴重缺乏對于豎向的直觀推演能力。風景園林是建立在地表之上的，豎向設(shè)計是風景園林規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻，將三維的地貌用二維等高線表達出來、再通過二維等高線推敲豎向設(shè)計的方式猶如隔靴搔癢，無法給風景園林師提供一個直觀的設(shè)計操作平臺。

CAM技術(shù)則使三維實體設(shè)計操作平臺成為可能。為了讓風景園林師能夠在基地與方案之間建立一種直接的空間思維上的聯(lián)系，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）建筑系的LVML實驗室發(fā)展出一套名為沙盒（Sandbox）的操作平臺。首先，研究人員將設(shè)計基址的地形生成數(shù)字三維模型，再將其轉(zhuǎn)化為負模并用CNC數(shù)控機床雕刻出來。接下來，負模被倒扣在一個盛滿粘性沙子的模型工作臺上，壓實再揭開負模后，沙子就形成了設(shè)計基址的原始三維模型。設(shè)計師可以在這個原始地形模型的基礎(chǔ)上用雕刀和小鏟之類的工具進行反復的推敲，以形成理想的設(shè)計方案。沙盒上裝有小型3D掃描儀，可以將沙子模型隨時轉(zhuǎn)化成為數(shù)字模型，進行存儲并且利用專業(yè)軟件生成二維等高線。若設(shè)計師認為對于方案的推敲不理想，則可以利用負模使沙子回歸原形并重新來過（圖10 ）。［5］

ETH的實踐證明，人們面對三維實物時往往能夠發(fā)揮更強大的創(chuàng)造力，手工的控制更能夠直接反映設(shè)計師對于空間的直覺和潛意識。因此，極有必要推廣這種能夠讓設(shè)計方案從抽象的二維圖像中解脫出來的三維實體設(shè)計操作平臺。

4.3設(shè)計驗證——對于設(shè)計方案進行理性量化的物理驗證

一直以來，風景園林師迫切需要在設(shè)計過程中進行物理驗證和量化評價。由于風景園林設(shè)計方案在建成后必須面對重力、風、土、水、動植物、人等多種自然和人工作用的影響，要做出更加科學的設(shè)計，就必須酌情對設(shè)計方案進行分析、驗證和優(yōu)化（如水文模擬、徑流計算、重力沉降、土方平衡等）。

雖然當代的數(shù)字化模擬技術(shù)能夠輔助我們對設(shè)計方案進行較為科學的分析和精確的模擬（比如GIS 和Arcgis等軟件能夠進行大尺度土地利用、土壤、地形、植被等量化分析；Flow3d和Xflow等軟件能夠?qū)Τ毕?、河流、湖泊、濕地等液態(tài)流體及風、大氣等氣態(tài)流體進行分析；Processing和Swarm等利用涌現(xiàn)理論的軟件能夠進行交通與活動類分析等），但是這些復雜的電腦程序往往需要花大量時間才能掌握，另外其運作時猶如黑箱操作一般的過程顯的很不直觀。

實踐證明，由CAM技術(shù)建立的實體模型完全可以用來進行更為直觀的物理驗證。ETH的LVML實驗室曾利用CNC數(shù)控機床將幾組設(shè)計草案的數(shù)字模型雕刻成實體模型，再邀請水文專家在模型表面進行各種流體分析如沖蝕分析、沉淀分析等。通過物理實驗生成的量化指標能夠在設(shè)計階段就對方案做出理性的評估，指導設(shè)計師對方案作出相對應的調(diào)整，再通過反復的測試來逐步優(yōu)化設(shè)計成果（圖11）。

4.4設(shè)計表現(xiàn)——對于設(shè)計成果進行快速精確的實物表現(xiàn)

一個設(shè)計方案的感染力在很大程度上取決于設(shè)計成果的表現(xiàn)手段，不同于在二維屏幕上展示的效果圖和虛擬動畫，三維實體模型所具備的全面的表現(xiàn)力和直觀的視覺沖擊力不言而喻。在CAM技術(shù)未普及的時代，三維實物模型往往由設(shè)計機構(gòu)委托專業(yè)模型公司進行制作，除去模型公司高昂的制作費用和較長的制作周期，設(shè)計師還在很大程度上喪失了對模型的控制力。

另一方面，隨著參數(shù)化設(shè)計方法的普及，景觀的形態(tài)已經(jīng)越來越多的從較為簡單的幾何形體轉(zhuǎn)變?yōu)閺碗s的非線性連續(xù)曲面，這種形體已經(jīng)很難用傳統(tǒng)的方法進行準確的輸出。

隨著CAM技術(shù)的普及，設(shè)計機構(gòu)完全有能力自己制作實物表現(xiàn)模型。北京林業(yè)大學風景園林規(guī)劃設(shè)計研究院的團隊發(fā)展出一套實物表現(xiàn)模型的制作方案：設(shè)計成果的數(shù)字模型被拆分成地表、構(gòu)筑物和植被三部分，CNC數(shù)控機床被用來銑削地表模型；3D打印機可以輸出具有更復雜結(jié)構(gòu)（特別是非線性連續(xù)曲面）的構(gòu)筑物（圖12）；激光雕刻機能夠在整塊海綿上加工出代表植被的樹叢。將這三個部分拼合起來，就形成了一個設(shè)計成果的實物表現(xiàn)模型。

CAM模型雖然方便快捷，其細節(jié)表現(xiàn)力仍然嚴重不足。設(shè)計師可以根據(jù)項目要求來對CAM模型進行更多的細節(jié)處理，從而更直觀地表現(xiàn)設(shè)計意圖。德國德累斯頓工業(yè)大學的團隊，在3D打印機輸出的模型表面，通過手工處理來刻畫巖層結(jié)構(gòu)的侵蝕效果，并模擬出巖石表面的雪和地表徑流的，從而更好的傳遞細部信息，類似這種處理表皮的方式能夠使CAM模型在科學與藝術(shù)之間找到一個平衡點。

5　總結(jié)

風景園林規(guī)劃設(shè)計是一個基于場地進行規(guī)劃設(shè)計再回歸場地的過程，在這個過程中，由于規(guī)劃設(shè)計之前風景園林師較難獲得全面且直觀的現(xiàn)場信息，規(guī)劃設(shè)計成果又不容易得到理性量化的驗證，使得最終反饋到現(xiàn)場的設(shè)計方案存在較大的誤差。而CAM技術(shù)則避免了現(xiàn)場信息的大量缺失，植物、地形、水文等信息可以被直觀地理解；設(shè)計進程中方案的各種假設(shè)又可通過CAM模型來“試錯”，將問題隨時反饋給設(shè)計師，既提高了工作效率，又避免許多重要信息被遺漏或錯位。最后，傳統(tǒng)的設(shè)計平臺主要在二維平面上操作設(shè)計方案，CAM技術(shù)使得在三維實體空間直觀的操作設(shè)計方案成為可能。

因此，CAM技術(shù)有望彌合風景園林從場地到規(guī)劃設(shè)計再到場地過程中的信息錯位，并且讓風景園林在規(guī)劃設(shè)計階段真正擁有三個維度的實體操作平臺。

注釋：

圖1引自：彼得·派切克，李雱，郭湧.豎向工程——智慧造景、3D機械控制系統(tǒng)、雨洪管理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015：243. 圖2引自：袁烽，阿希姆·門格斯，尼爾·里奇.建筑機器人建造［M］.上海：同濟大學出版社，2015：93.圖3引自：EUROPE BUILDING［EB/OL］.（2015-8-10）［2015-12-1］. http://www.dusarchitects.com/projects.php?categorieid=publicbuildings.圖 10、 圖 11引 自：James Melsom. Landscape Visualization and Modeling Lab［EB/OL］.（2009-02）［2015-12-1］.http://girot.arch.ethz.ch/landscape-education/chair-structure/landscapevisualization-lab.其余圖片均為作者拍攝和繪制。

［1］激光切割機［DB/MT］. （2015-8-15） ［2015-12-1］. http://baike.baidu.com/link?url=rB68_ejEk3ZQVWdLyYV-4PgXPcjSzk15pidQi5oumdnmh6rlIixrVfg_fgNCTmQTN-xNcf6K-Fse-8S5Lsc1Ua.

［2］Numerical control ［DB/MT］. （2015-07）［2015-12-1］.https://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_control.

［3］3D Printing ［DB/MT］. （2015-7-15）［2015-12-1］.https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing.

［4］G-code ［DB/MT］. （2015-10-22）［2015-12-1］.https://en.wikipedia.org/wiki/G-code.

［5］Pia Fricker， Christophe Girot， Georg Munkel. How to Teach ’New Tools’ in Landscape Architecture in the Digital Overload ［J］.Computation and Performance，2014，（2）：546-553.

The Potential of Computer-aided Manufacturing （CAM） Technology in Planning and Design Phase of Landscape Architecture

Computer-aided manufacturing （CAM） is the series of technology which are used to aid to production and construction process. In this paper， the application and input process of current CAM techniques， such as laser cutting， computer numerical control tools and 3D printing are presented. In addition， we outlines the potential of CAM technology used in planning and design phase of Landscape Architecture： representing the site conditions in a highly accurate and visualized way； ameliorating the draft design repeatedly with physical models； accurate physical verification of landscape design； and quickly and accurately representing the design via physical models， etc. Finally， it is believed that CAM technology is able to correct the missed data between site condition collecting，landscape designing and constructing process， served as a platform for landscape architecture planning and design in three dimensions.

Computer-Aided Manufacturing （CAM）； Digital Fabrication； Laser Cutting； Computer Numerical Control （CNC）； 3D Printing

北京高等學校青年英才計劃項目：風景園林數(shù)字化輔助分析評價平臺運用及教學研究（YETP0745）

TU986

A

1673-1530（2016）02-0020-06

10.14085/j.fjyl.2016.02.0020.06

2015-12-16

馮瀟/1981年生/男/新疆人/博士/北京林業(yè)大學園林學院副教授/北京林業(yè)大學風景園林規(guī)劃設(shè)計研究院副院長/研究方向：風景園林規(guī)劃與設(shè)計（北京100083）

王文韜/1987年生/男/山東人/碩士/北京林業(yè)大學風景園林規(guī)劃設(shè)計研究院數(shù)字景觀研究中心主任研究員（北京100083）

Fund Item: Beijing Higher Education Young Elite Teacher Project：Study on the digital platform of computer aided analysis & evaluation technology on landscape Architecture （YETP0745）