青磚貼片及青瓦制作工藝研究

董嘯 孫保燕 王楊玚 莫春華 張小可

摘要：在古建筑保護(hù)及修復(fù)過(guò)程中，為不損傷現(xiàn)存古建筑結(jié)構(gòu)并達(dá)到修舊如舊、新建如舊的效果，本文以現(xiàn)代非接觸測(cè)繪技術(shù)和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)理念為基礎(chǔ)，研發(fā)免燒環(huán)保高仿古建筑青磚貼片及小青瓦技術(shù)和產(chǎn)品，形成一套可產(chǎn)業(yè)化的制作工藝技術(shù)和工法。在鄉(xiāng)村振興、傳統(tǒng)建筑修繕及重建中，實(shí)現(xiàn)剛性需求的建筑材料制作不占用耕地、免燒、環(huán)保、耐久、節(jié)能的目的。

Abstract： In the process of ancient building protection and restoration， in order not to damage the existing ancient building structure and achieve the effect of repairing the old as well as before， so based on the modern non-contact mapping technology and the concept of blue sky protection， the technology and products of the black brick patch and the small black tile with high imitation， unburned and environment-friendly are researched and developed to form a set of industrialized production technology and methods. In rural revitalization， traditional building repair and reconstruction， it realizes the goal of the rigid demand of building materials farmland-free， unburned， environmental protection， durable， and energy saving.

關(guān)鍵詞：免燒;節(jié)能環(huán)保;高仿古建筑材料;非接觸測(cè)繪

Key words： unburned;energy saving and environmental protection;high antique building materials;non-contact mapping

中圖分類號(hào)：TU74? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）03-0174-03

0? 引言

傳統(tǒng)普通燒結(jié)磚在各個(gè)生產(chǎn)流程均有著高污染高排放高能耗等的尖銳問(wèn)題，在現(xiàn)今環(huán)境保護(hù)的大背景下，亟待開(kāi)發(fā)一種環(huán)保無(wú)污染低排放節(jié)能的環(huán)保型建材，并通過(guò)各種有效手段保證在該產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)流程上都保證滿足環(huán)境影響評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

現(xiàn)存的古建筑生存情況很不樂(lè)觀，一是自然破殘嚴(yán)重，二是人為破壞嚴(yán)重，三是修繕、改造和新建古建筑缺乏與之匹配的建筑材料[2]。雖然已經(jīng)有改造的新建古建筑物采用燒制的青磚貼片，由于顏色、表面紋路與古代青磚相差很大，尤其是局部地方立面裝修時(shí)，采用涂料描繪“青磚灰縫”，極大的降低了古建筑群落的鑒賞價(jià)值[3]。

1? 主要研發(fā)內(nèi)容

本項(xiàng)目利用先進(jìn)的非接觸測(cè)繪技術(shù)和三維激光掃描，對(duì)古建筑青磚（基石）和小青瓦等古建筑配件進(jìn)行精細(xì)準(zhǔn)確測(cè)量，建立精準(zhǔn)的古建筑配件三維模型數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫(kù);采用現(xiàn)代環(huán)保材料制作高精度模具和澆筑生產(chǎn)高仿古建筑配件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燒結(jié)青磚和小青瓦，直接完美貼于外墻面和屋面敷設(shè)，真正達(dá)到免燒、環(huán)保、節(jié)能、仿真的要求，形成一套可產(chǎn)業(yè)化的制作工藝技術(shù)和工法。

研發(fā)成果具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，解決了現(xiàn)在古建筑修繕、重建和鄉(xiāng)村振興中農(nóng)村住宅建設(shè)中古建筑材料匱乏、新建筑材料嚴(yán)重缺乏古建筑歷史韻味的共性難題。研發(fā)環(huán)保節(jié)能高仿古青磚（基石）貼片，直接貼于磚墻（或混凝土構(gòu)件）外面，形成古建筑青磚墻（基石）效果，不對(duì)建筑墻體做任何改動(dòng)，建設(shè)成本低，不占用耕地，無(wú)污染，且有一定的保溫隔熱效果;研發(fā)環(huán)保節(jié)能非燒結(jié)高仿古小青瓦，直接代替現(xiàn)在使用的黏土燒結(jié)小青瓦鋪設(shè)屋面，解決現(xiàn)在使用的黏土燒結(jié)小青瓦占用土地、燒結(jié)污染、不耐久等問(wèn)題。

2? 技術(shù)原理及方法

2.1 技術(shù)原理

第一步，使用三維激光掃描、光柵掃描、近景攝影測(cè)量、傾斜攝影等非接觸測(cè)繪技術(shù)，以三維激光掃描、多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)為主，輔以GPS和全站儀協(xié)同工作多設(shè)備共同工作，將實(shí)際物體數(shù)字化。第二步，通過(guò)對(duì)空間曲面輪廓線的提取，并根據(jù)輪廓線的匹配結(jié)果，實(shí)現(xiàn)殘損物體的拼接復(fù)原。第三步，使用數(shù)字雕刻系統(tǒng)進(jìn)行局部修整，以及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法生成物體的三維數(shù)字點(diǎn)云，最終建立精確的3D模型。第四步利用逆向工程所建立的三維模型，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行打印，得到模型的母本。第五步，使用硅膠材料對(duì)模型進(jìn)行翻模，得到高強(qiáng)度澆筑模型。第六步，利用先進(jìn)的配方和工藝制作漿狀體進(jìn)行澆筑。第七步，初成品脫模后，經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)和修整得到最終成品。

2.2 三維模型建立

2.1.1 非接觸式測(cè)繪

本產(chǎn)品主要利用非接觸式測(cè)繪技術(shù)，即三維激光掃描+三維光柵掃描+傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)多影像、多模式立體匹配，得到古建筑以及建筑配件等的三維電子信息模型。利用先進(jìn)的非接觸測(cè)繪技術(shù)（Noncontact mapping technology）和三維激光掃描（3-dlaser scanning），對(duì)古建筑以及建筑配件進(jìn)行精細(xì)準(zhǔn)確測(cè)量[4]，建立精準(zhǔn)的建筑配件三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1.2 多設(shè)備協(xié)同工作基線選擇

采用非接觸式測(cè)量模式技術(shù)，以三維激光掃描、多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)為主，輔以GPS和全站儀協(xié)同工作，把各個(gè)設(shè)備采樣數(shù)據(jù)有機(jī)集合形成所需要的大數(shù)據(jù)。

2.1.3 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法在建筑測(cè)繪中的應(yīng)用

運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法生成有利于進(jìn)行特征提取、邊緣檢測(cè)的新圖像，為建筑物影像特征點(diǎn)、線的半自動(dòng)或自動(dòng)提取提供支持。同時(shí)也可大大提高工作效率和精準(zhǔn)性。采用RTS控制下的影像前后交替法平差獲得大型（復(fù)雜）建筑物空間的幾何分布，并通過(guò)在不同測(cè)站和不同角度處節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位（檢核點(diǎn)）的重復(fù)采集，獲得檢核點(diǎn)三維坐標(biāo)和公共基線及數(shù)據(jù)采集的精度誤差彌合等。

2.1.4 空間立體匹配技術(shù)的應(yīng)用

利用空間立體匹配技術(shù)，使用三維激光設(shè)備得到數(shù)字化建筑物三維模型，提取空間曲面輪廓線，并根據(jù)輪廓線的匹配結(jié)果實(shí)現(xiàn)殘損文物的拼接復(fù)原。該技術(shù)關(guān)鍵主要由曲面模型的匹配拼接、三維曲面模型的融合和曲面的三維編輯[5]，構(gòu)造自動(dòng)拼接與手工調(diào)整相結(jié)合的文物復(fù)原過(guò)程模型，最后將三維數(shù)字模型導(dǎo)入快速成型設(shè)備，得到微縮建筑實(shí)體進(jìn)行檢查，為文物的研究及保護(hù)提供準(zhǔn)確的科學(xué)數(shù)據(jù)。

2.1.5 數(shù)字雕刻技術(shù)（3D打?。?/p>

上述建立的古建筑配件（青磚）三維數(shù)字點(diǎn)云，局部地方的銳度不夠突出，需要用數(shù)字雕刻系統(tǒng)進(jìn)行局部修整，充分展示古建筑（如大門、牌坊等構(gòu)件）中繁復(fù)的文字、花紋等細(xì)節(jié)精湛的人工雕刻技藝。根據(jù)測(cè)量的幾何數(shù)據(jù)，結(jié)合古建筑的“點(diǎn)、線、面”，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)現(xiàn)形態(tài)學(xué)分析和處理算法的并行，從而更加精確地建立出古建筑的3D模型。

2.2 族庫(kù)的建立及維護(hù)

族庫(kù)的建立應(yīng)包括前期族構(gòu)件的分類規(guī)劃和族構(gòu)件的創(chuàng)建、中期的應(yīng)用和反饋和后期族庫(kù)的拓展和維護(hù)三個(gè)階段。

前期主要是族構(gòu)件的創(chuàng)建和分類規(guī)劃是工作量最大且繁瑣的步驟，同時(shí)也是族庫(kù)的支撐和根本，族庫(kù)的數(shù)量和精細(xì)程度影響后期在工程項(xiàng)目的適用性和建模效率[6]。族構(gòu)件創(chuàng)建完成以后，需進(jìn)行族庫(kù)的分類規(guī)劃和審核，其必要性有三點(diǎn)：一是將工程構(gòu)建的族文件及幾何信息、功能信息、物理信息采用數(shù)據(jù)庫(kù)的模式進(jìn)行是管理的基礎(chǔ);二是引入索引技術(shù)將方便后期的快速檢索;三是族在入庫(kù)前進(jìn)行審核，建立標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范，在影響族庫(kù)的質(zhì)量同時(shí)也解決著族庫(kù)在不同操作人員的共享問(wèn)題，方便應(yīng)用時(shí)的快速出圖。

中期的應(yīng)用和反饋優(yōu)勢(shì)是在族庫(kù)中檢索方便可以提高工程師在整個(gè)工程的效率，只需從族庫(kù)中直接調(diào)取所用的構(gòu)件在逆向工程中進(jìn)行裝配，讓工程師可以把工作重心放在裝配過(guò)程和深化設(shè)計(jì)上，不必一直重復(fù)建模任務(wù)。應(yīng)用的同時(shí)在工程項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題可以進(jìn)行反饋，即在應(yīng)用初始族的過(guò)程中根據(jù)實(shí)際工程的需要不斷完善和補(bǔ)充缺少的參數(shù)化構(gòu)件，不斷優(yōu)化族庫(kù)的數(shù)量和質(zhì)量。

后期族庫(kù)的拓展和維護(hù)即在族庫(kù)建立后，可以把庫(kù)上傳到共享服務(wù)器，讓工程信息可以得以共享，但同時(shí)為了保護(hù)族庫(kù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)管理員可以對(duì)使用族庫(kù)的工程師進(jìn)行權(quán)限管理，分配包括查看，編輯，刪除等操作的權(quán)限。后期族庫(kù)的拓展和維護(hù)是族庫(kù)質(zhì)量的保障，讓族庫(kù)處于不斷更新?tīng)顟B(tài)，適應(yīng)新工程不斷拓展應(yīng)用的需求。

2.3 免燒結(jié)仿古青磚貼片

2.3.1 現(xiàn)代制模技術(shù)、快速脫模技術(shù)

利用上述數(shù)字三維模型，解決數(shù)字雕刻（3D打?。┲懈袷睫D(zhuǎn)換圖元缺失問(wèn)題，成功轉(zhuǎn)換為3D打印設(shè)備能夠完全傳輸?shù)哪Ｐ?然后采用數(shù)字雕刻技術(shù)（3D打?。┐蛴∫訮LA（低熔點(diǎn)塑料）為材料的3D模型，形成初步的模型，以此模型為母本，進(jìn)行硅膠翻模，制作高強(qiáng)度、變形小、使用次數(shù)多的澆筑模具。澆筑生產(chǎn)前，于硅膠模具內(nèi)表面涂刷一層脫模劑，達(dá)到節(jié)能、減低成本、縮短工期的效果，以制作出高仿古建筑配件（青磚、基石、小青瓦）。

2.3.2 先進(jìn)配方和工藝

高仿古建筑配件（青磚）要充分顯示古代建筑配件（青磚）的表面紋路、色調(diào)、機(jī)理，又要具有一定的強(qiáng)度和耐久性，因此配方要充分考慮各種材料的相容性及綜合性能最優(yōu)化。初步選擇使用的材料有建筑垃圾及砂、水泥、高強(qiáng)纖維、著色劑、納米增粘劑、早強(qiáng)劑等。

由于產(chǎn)品產(chǎn)量和材料的特殊性，生產(chǎn)工藝采用半機(jī)械化生產(chǎn)，我們對(duì)工藝和必要的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，采用輕質(zhì)早強(qiáng)纖維砂漿澆筑技術(shù)、快硬輕質(zhì)纖維砂漿制作工藝，在水泥凈漿中加入高強(qiáng)度細(xì)纖維、納米增塑劑等添加劑，使產(chǎn)品在14天內(nèi)達(dá)到強(qiáng)度要求的90%，以期達(dá)到高效、節(jié)能環(huán)保、高質(zhì)的要求。

2.3.3 仿古建筑配件制作

通過(guò)精細(xì)測(cè)量與數(shù)字建模，可以得到古建筑及各構(gòu)件的精確數(shù)字模型。

在獲取建筑物的三維立體模型尺寸后，按照古代建筑常規(guī)做法，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)大量的復(fù)原計(jì)算，修復(fù)實(shí)際建筑物缺陷，達(dá)到理想化的建筑原貌。然后借助先進(jìn)的數(shù)字雕刻技術(shù)或3D打印機(jī)，按照一定的縮放比例打印建筑物的立體模型，進(jìn)行精細(xì)拼裝、飾面，形成按比例縮小的建筑模型，供展覽展出使用[7]。通過(guò)3D打印等方式即可利用原數(shù)字模型數(shù)據(jù)，從而保證制造出尺寸精準(zhǔn)的仿制構(gòu)件實(shí)物模型。

2.3.4 先進(jìn)施工技術(shù)

研發(fā)的高仿古建筑配件（青磚）為具有一定面積的貼面材料（厚度10mm左右），為了保證整體墻面的統(tǒng)一，接口處采用馬牙槽（梯形）接口，粘貼固定后要有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和耐久性，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工有相當(dāng)高的技術(shù)要求。初步研發(fā)確定采用水泥砂漿（加粘合劑）+固定措施，保證施工精度、整體穩(wěn)定和耐久性。

3? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)非接觸測(cè)繪技術(shù)集成，構(gòu)件信息化建模，精確制模，快速脫模等多個(gè)技術(shù)，試制免燒節(jié)能環(huán)保高仿古建筑青磚青石貼片和小青瓦，經(jīng)實(shí)際試用，效果良好，得到了省市領(lǐng)導(dǎo)和游客的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

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