參數(shù)化時代的數(shù)控加工與建造研究

李俊偉

摘 要：數(shù)控制造技術被一些建筑理論和實踐的開拓者引入到建造實踐中來。文章基于參數(shù)化建筑設計，介紹了數(shù)控技術下的參數(shù)化建筑建造工具，并對其發(fā)展趨勢做出了展望。

關鍵詞：參數(shù)化；數(shù)控加工技術；模具；建造

信息革命對于社會生產(chǎn)產(chǎn)生了極大的影響，全球信息化大背景下，建筑界出現(xiàn)了一批應用數(shù)字化計算機技術設計、生產(chǎn)、施工的建筑，一種基于參數(shù)化的建筑設計理念在建筑界形成了轟動。在這種思潮的推動下，數(shù)控制造技術被一些建筑理論和實踐的開拓者引入到建造實踐中來。文章基于參數(shù)化建筑設計，介紹了數(shù)控技術下的參數(shù)化建筑建造工具，并對其發(fā)展趨勢做出了展望。

1 參數(shù)化建筑設計及發(fā)展歷程

所謂參數(shù)化建筑設計，實際上是一種輔助設計的方式，它的原理是利用數(shù)學模型，將建筑設計中一些因素進行數(shù)據(jù)化，借助變化函數(shù)最后獲得不同的函數(shù)結(jié)果，這些結(jié)果往往能夠作為一種輔助結(jié)果說明，幫助設計者做出設計決策，形成設計方案結(jié)果。

參數(shù)化建筑設計并不陌生，在我國自古有之，例如秦代的度量衡的統(tǒng)一，宋代的建筑圖紙設計。而參數(shù)化建筑設計最為重要的一次變革與發(fā)展則是近現(xiàn)代所爆發(fā)的信息革命：計算機技術的大規(guī)模應用，促使數(shù)字技術、網(wǎng)絡技術、信息技術等新興虛擬技術不斷的發(fā)展，并融入到建筑設計領域中。傳統(tǒng)的參數(shù)化設計與計算機技術進行結(jié)合后，使得建筑設計的精準性不斷增加，而隨著計算機數(shù)據(jù)處理模型的不斷演化，利用數(shù)字模型來進一步量化建筑設計過程中的各項因素，形成數(shù)字化建筑設計，進一步的推進了參數(shù)化建筑設計，也取得了極好的設計效果。

2 基于數(shù)控技術下參數(shù)化建筑建造工具

近幾年來，世界各地的建筑師和學生在研究和實踐中探索計算機內(nèi)的參數(shù)化設計向物質(zhì)世界實體的轉(zhuǎn)化，并使這一領域成為參數(shù)化設計研究的熱點。這其中數(shù)控加工和建造是參數(shù)化設計建造方法的必然選擇之一。數(shù)控加工是指計算機控制機床加工零件的方法，它是解決零件品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等問題和實現(xiàn)高效化和自動化加工的有效途徑?；跀?shù)控技術下建筑建造工具主要包含了三維打印機、CNC數(shù)控機床，在參數(shù)化建筑模型制作和探索中起到了重要的作用。

2.1 三維打印機建造工具

三維打印機是一種快速成型技術，是上世紀后期發(fā)展起來的高新技術，現(xiàn)階段，其技術體系已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，諸如三維噴涂粘接技術、選擇性激光燒結(jié)技術都被廣泛應用到生產(chǎn)實際之中。

在參數(shù)化建筑設計實踐中，三維噴涂粘接技術（3DP）與建筑行業(yè)的特征具有較高的適應性。3DP技術是美國麻省理工學院開發(fā)的一種基于微滴噴射的技術，它不依賴激光，其原理類似于噴墨打印機。它使用粘接劑和粉末，通過切片處理，得到各截面的信息，再由噴頭在材料粉層上有選擇地噴撒粘接劑，噴射路徑上的粉末被粘接在一起，其他地方仍為松散的粉末。該技術突破了傳統(tǒng)數(shù)控加工的零件加工模式，該制作工藝的制作成本往往與產(chǎn)品的復雜程度無光，而更多的取決于其材料。

近年來，三維打印技術在建筑模型的建造中有著廣泛的應用，市面上一些極為常見的三維打印已經(jīng)能夠制作一些縮小比例的模型。如果將三維打印技術應用到建筑的實際生產(chǎn)，必須要克服材料、以及機器打印空間的局限性。

2.2 CNC數(shù)控機床建造工具

數(shù)字控制機床是20世紀制造領域內(nèi)一個極為轟動的技術發(fā)明，成為現(xiàn)代機械制造業(yè)的重要基礎之一。數(shù)控技術集成了信息處理、電子技術、控制技術等技術，解決了制造業(yè)生產(chǎn)的諸多問題。

在參數(shù)化設計中，對于參數(shù)化設計的數(shù)控加工與建造實踐和研究可以分為兩類：第一類是對已經(jīng)設計好的復雜曲面形態(tài)用各種數(shù)控技術進行加工和建造；第二類是基于數(shù)控設備特點和材料性能發(fā)展出一套建構(gòu)邏輯，并以其為基礎進行參數(shù)化設計，進而建造。

非線性形體的數(shù)字化建造通常用來解決一些復雜曲面的建造。例如在廣州歌劇演排練廳的一些復雜構(gòu)建的建造就應用了數(shù)控技術加工。該項目的加工和安裝工藝如下：首先，建筑設計師提供三維數(shù)字模型，材料商則通過Master Cam軟件將材料轉(zhuǎn)化為工業(yè)語言，將具體的走刀路徑、板材劃分進行詳細的設計。其次，對計算機內(nèi)的3D模型進行數(shù)據(jù)分析，并對工作量以及模具量進行統(tǒng)計，確定分割加工方案。然后，利用數(shù)控設備進行模具加工，對于人造石材料進行相應的吸塑、熱彎以及內(nèi)外模壓制作出組件，而對于復雜的建筑構(gòu)件則采用人工拋光、實雕。最后，實體制作完成后，進行拼縫處理，并進行精確的定位安裝。為了實現(xiàn)精確的定位安裝，根據(jù)模型情況設計了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。構(gòu)件在加工成型后將其穩(wěn)固在模具上，根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)圖準確開出掛件的安裝定位孔；需拼接的面要在廠拼縫完成后標畫基準線，并根據(jù)模具圖檢測出廠產(chǎn)品精度。

基于數(shù)控建造邏輯的參數(shù)化設計，則是根據(jù)計算機的控制，按照指令程序?qū)Σ牧线M行精確的加工，這種建造方式能夠最大限度的發(fā)揮出計算機的邏輯智能優(yōu)勢，繼而拓展對建筑的參數(shù)化設計的可能性。目前仍在處于探索的基于數(shù)控建造邏輯的參數(shù)化設計技術，主要有機械臂、智能機器人等。

機械臂與智能機器人是一種通用型的機器，具備有高度控制基礎、可編程以及可操作的特性。只需要將建造邏輯通過程序表現(xiàn)，在計算機指令下，機械臂可以按照程序來進行簡單的建筑施工裝置，可以拿起一些傳統(tǒng)的建設工具進行實際的施工建設。目前機械臂在建筑領域的應用主要集中在混凝土樓板面層施工（日本研發(fā)）、框架制作（美國研發(fā)）、彎曲砌墻方法（瑞士研發(fā)）。

3 參數(shù)化時代數(shù)控加工與建造的發(fā)展展望

在參數(shù)化時代，數(shù)控加工是由制造領域引入建筑領域，然而與制造業(yè)不同的是，建筑物構(gòu)件往往十分龐大，且現(xiàn)場施工環(huán)境具備復雜性，施工材料也常常會產(chǎn)生變化，這就使得利用數(shù)控技術來進行建筑物構(gòu)件的批量生產(chǎn)難以得到真實的實踐，也使得數(shù)控技術在建筑領域的應用受到一定的局限?；跀?shù)控建造的實際約束瓶頸，未來數(shù)控加工與建造在參數(shù)化建筑的應用將會努力朝兩個方向進行突破。其一就是進一步的研發(fā)出可供數(shù)控建造的新的建筑材料，其二就是盡可能的形成新的數(shù)控技術。

總而言之，隨著信息化技術、數(shù)字技術的不斷發(fā)展，數(shù)控技術與建筑技術將會得到更加深入的契合點，雖然在現(xiàn)階段實現(xiàn)起來十分困難，但相信會在未來形成參數(shù)化設計、數(shù)控加工到建筑生產(chǎn)的整體數(shù)字建筑產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化。

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