BIM+CNC在裝配式木結(jié)構(gòu)施工中的研究與應(yīng)用★

畢詠力 程一琳

(山西一建集團(tuán)有限公司,山西 太原 030012)

1 概述

木構(gòu)件數(shù)控技術(shù)在木材工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用廣泛,德國(guó)、意大利和日本等國(guó)家的木工機(jī)械制造廠商,相繼推出了種類繁多、技術(shù)先進(jìn)的數(shù)控鏤銑機(jī)和數(shù)控加工中心,并且形成了四維或五維空間的多坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)。目前,我國(guó)研制的木工數(shù)控鏤銑機(jī)和木工數(shù)控加工中心,大多具有三維空間聯(lián)動(dòng)加工功能,如果為了滿足四維或五維空間的加工要求而片面地追求數(shù)控系統(tǒng)多坐標(biāo)軸的數(shù)量,雖然能夠滿足加工要求,但是數(shù)控系統(tǒng)的成本會(huì)呈幾何級(jí)數(shù)的增加。

目前國(guó)外木工數(shù)控設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r:在木工數(shù)控設(shè)備的研究方面,日本的莊田公司最先將計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于木材加工機(jī)械產(chǎn)品中,生產(chǎn)出數(shù)控鏤銑機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展,德國(guó)、意大利、日本等國(guó)家的主要木工機(jī)械制造商相繼推出了技術(shù)先進(jìn)、功能齊全的數(shù)控鏤銑設(shè)備,并且形成了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢(shì)。其最具代表性的為:德國(guó)IMA公司的BIMA 210/310/410/610/810系列數(shù)控加工中心。機(jī)床采用工作臺(tái)固定,橫梁移動(dòng)的懸臂式框架結(jié)構(gòu),機(jī)床動(dòng)態(tài)性能好,裝卸工件方木。機(jī)床具有三軸三聯(lián)動(dòng)功能,單坐標(biāo)軸最大定位速度達(dá)80 m/min,最大工作速度達(dá)48 m/min,鏤銑主軸采用變頻調(diào)速,最高轉(zhuǎn)速達(dá)24 000 rpm,鏤銑主軸可以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)交換。

目前國(guó)內(nèi)木材加工使用數(shù)控加工技術(shù)的絕大部分是高檔實(shí)木和具有民族風(fēng)格的仿古家具,以及一些高檔的室內(nèi)裝飾裝修,將仿古木構(gòu)件使用數(shù)控加工的案例極少;國(guó)外木材數(shù)控加工主要用于板材自動(dòng)化生產(chǎn)與工藝品精雕。仿古木構(gòu)件的數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用尚屬空白。國(guó)內(nèi)木材加工數(shù)控機(jī)床自20世紀(jì)90年代末應(yīng)用研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)展,目前已經(jīng)有多家木工機(jī)械廠商和科研單位具有研制能力。例如:生產(chǎn)數(shù)控加工中心的有:國(guó)家林業(yè)局林業(yè)機(jī)械研究所、常州佳納機(jī)電有限公司和牡丹江木工機(jī)械股份有限公司;生產(chǎn)數(shù)控鏤銑機(jī)的有:上海家具機(jī)械廠、牡丹江木工機(jī)械股份有限公司、昆明四聯(lián)人造板機(jī)械有限公司、蘇福馬股份有限公司和國(guó)家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所。

BIM+CNC木構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)是將BIM技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于木材加工過(guò)程中,結(jié)合木材加工高速銑削的特性,實(shí)現(xiàn)加工刀具在各坐標(biāo)軸空間內(nèi)聯(lián)動(dòng)的直線插補(bǔ)或圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),以達(dá)到加工程序要求的精確位置和高速度,從而保證加工部件的質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)加工復(fù)雜的形狀,提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量與美感和技術(shù)附加值。

2 傳統(tǒng)建筑數(shù)字信息庫(kù)建設(shè)背景

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,體現(xiàn)中華傳統(tǒng)文化的仿古建筑大量興起,而其中對(duì)木構(gòu)件制作質(zhì)量與工期的要求越來(lái)越高,使用現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行制作與加工成為這類建筑的必然要求。

對(duì)應(yīng)行業(yè)、企業(yè)現(xiàn)狀:目前國(guó)內(nèi)木材加工使用數(shù)控加工技術(shù)的絕大部分是高檔實(shí)木和具有民族風(fēng)格的仿古家具,以及一些高檔的室內(nèi)裝飾裝修,將仿古木構(gòu)件使用數(shù)控加工的案例極少;國(guó)外木材數(shù)控加工主要用于板材自動(dòng)化生產(chǎn)與工藝品精雕。仿古木構(gòu)件的數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用尚屬空白。

順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì):隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,體現(xiàn)中華傳統(tǒng)文化的仿古建筑大量興起,而其中對(duì)木構(gòu)件制作質(zhì)量與工期的要求越來(lái)越高,使用現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行制作與加工,實(shí)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)工程裝配式施工成為這類建筑的必然要求。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段裝配式木結(jié)構(gòu)施工需求分析,從項(xiàng)目施工管理的不同角度出發(fā),目前該技術(shù)的應(yīng)用需重點(diǎn)解決的問(wèn)題分析如下:

1)擴(kuò)大加工設(shè)備尺寸,適應(yīng)加工大型木構(gòu)件的需求。

2)開(kāi)發(fā)研制適應(yīng)的裝夾工具,在加工過(guò)程中適應(yīng)大型木構(gòu)件加工過(guò)程中自身應(yīng)力的變化。

3)改進(jìn)完善編程設(shè)計(jì)適應(yīng)各類木材材質(zhì)與生長(zhǎng)紋路,細(xì)化編程刀路軌跡與動(dòng)作。

3 BIM+CNC技術(shù)在裝配式木結(jié)構(gòu)施工中的研究目的

通過(guò)BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)木構(gòu)件的高精度、參數(shù)化建模,采用CNC數(shù)控加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化加工,構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程越標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)效率越高,相應(yīng)的構(gòu)件成本將會(huì)下降。傳統(tǒng)木構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)建筑、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑施工領(lǐng)域在裝配式、綠色施工技術(shù)等方面的發(fā)展有非常好的輔助效果。

4 BIM+CNC技術(shù)應(yīng)用方案

4.1 研究與應(yīng)用目標(biāo)

通過(guò)將BIM技術(shù)與CNC技術(shù)融合應(yīng)用,構(gòu)建木結(jié)構(gòu)建筑的參數(shù)化BIM模型,通過(guò)刀路仿真模擬校驗(yàn),達(dá)到加工程序要求的精確、高速、高效,從而保證加工部件的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的加工,進(jìn)一步提高木構(gòu)件加工效率,提升木工加工成品率,創(chuàng)新土木工程施工工藝,提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量、美感和技術(shù)附加值,傳承中華傳統(tǒng)文化,提升國(guó)產(chǎn)數(shù)控設(shè)備的品質(zhì),傳承與創(chuàng)新木結(jié)構(gòu)工程施工工藝。

4.2 技術(shù)方案

通過(guò)將BIM與CNC技術(shù)融合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)木構(gòu)件的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)加工,在BIM建模的過(guò)程中對(duì)施工圖紙進(jìn)行仔細(xì)檢查,同時(shí)省去人工放樣時(shí)間,進(jìn)一步提升木構(gòu)件加工精細(xì)度及加工效率。通過(guò)數(shù)控加工技術(shù)可以減少對(duì)材料的損耗,節(jié)約自然資源的同時(shí)降低施工成本。

建立仿古木構(gòu)件數(shù)控加工研究中心,研究組成員主要包括:古建 BIM 技術(shù)研究人員,機(jī)械設(shè)備研究人員、編程人員、木工技師等。

關(guān)鍵技術(shù)的研究:

1)木結(jié)構(gòu)工程工藝復(fù)雜、施工難度大、精確度要求高。研究小組通過(guò)BIM建模軟件實(shí)現(xiàn)了各類仿古木構(gòu)件參數(shù)化建模,建立柱、梁、枋、斗拱、檁、角梁、童柱等族庫(kù)20 000萬(wàn)余件;參數(shù)化建?？梢孕ｒ?yàn)?zāi)緲?gòu)件榫卯的準(zhǔn)確性,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)同類型木構(gòu)件的快速建模(見(jiàn)圖1)。

建立的木構(gòu)件模型可直接導(dǎo)入刀路設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行數(shù)控刀路的設(shè)計(jì),使其能自動(dòng)識(shí)別模型并自動(dòng)生成合理刀路;同時(shí)進(jìn)行刀路的加工過(guò)程模擬確保加工的準(zhǔn)確度,減少因刀路問(wèn)題導(dǎo)致的材料浪費(fèi),誤工返工等問(wèn)題。BIM技術(shù)與數(shù)控加工技術(shù)的融合應(yīng)用,進(jìn)一步提高構(gòu)架加工成品的精準(zhǔn)度,進(jìn)一步提升項(xiàng)目施工中構(gòu)件的拼裝過(guò)程(如圖2所示)。

2)對(duì)市面現(xiàn)有數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行改良,研發(fā)定制適合傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑工程中構(gòu)件加工的夾裝工具,改進(jìn)完善刀路及刀頭的智能化控制,實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工設(shè)備適應(yīng)各類木材尺寸、木材材質(zhì)、木材紋路的加工方式,減少材料資源的浪費(fèi)。

開(kāi)展數(shù)控加工設(shè)備的研究與改造,滿足實(shí)際木結(jié)構(gòu)建筑施工需求,對(duì)現(xiàn)有CNC數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。研究小組已完成五軸數(shù)控機(jī)床,三軸數(shù)控機(jī)床的升級(jí)與改造,并對(duì)傳統(tǒng)木工加工機(jī)械設(shè)備(刨、銑、切割等)進(jìn)行升級(jí)改造,使其更加適用于硬度高、密度大的建筑用木材,如楠木、菠蘿格等(見(jiàn)圖3)。

其中五軸數(shù)控機(jī)床可實(shí)現(xiàn)最大尺寸木構(gòu)件加工的有效長(zhǎng)度為12 m,直徑為0.9 m(方木最大寬度為0.9 m),構(gòu)件加工尺寸誤差值不大于1 mm。在數(shù)控加工中心完成的成品構(gòu)件完成編號(hào)后運(yùn)抵項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)裝配式拼裝施工,占用施工場(chǎng)地小,按照構(gòu)件編號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝,降低了對(duì)勞務(wù)班組人員的素質(zhì)要求(見(jiàn)圖4)。

傳統(tǒng)手工加工不僅耗時(shí)同時(shí)對(duì)木工技師技術(shù)水平要求高。以檐柱為例,傳統(tǒng)手工加工,每加工1根檐柱,需要2位木工師 傅加工2 d才能完成;通過(guò)現(xiàn)階段研究完成的數(shù)控加工設(shè)備,僅需1個(gè)臺(tái)班就能完成1.5根～2根檐柱的加工(8 h/臺(tái)班,1人/臺(tái)班～2人/臺(tái)班),極大的縮短了加工時(shí)間,成品效果見(jiàn)圖5，圖6。

同時(shí),研究小組在現(xiàn)階段研究基礎(chǔ)上,結(jié)合施工時(shí)間過(guò)程中的實(shí)際需求,不斷進(jìn)行程序、刀路及設(shè)備的改進(jìn),實(shí)現(xiàn)構(gòu)件加工中斜角鉆削、鋸切、開(kāi)槽、銑榫、修邊、砂光、封邊等工藝一次裝夾即可完成,不斷提高數(shù)控加工中心的綜合性能(見(jiàn)圖7)。

該技術(shù)已在山西一建集團(tuán)安徽鳳陽(yáng)明中都文化旅游中心、太原太山景區(qū)游客接待中心、天龍山景區(qū)游客接待中心、明太原縣城等項(xiàng)目應(yīng)用,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.3 技術(shù)研究成果

通過(guò)對(duì)數(shù)控加工機(jī)床的改造,實(shí)現(xiàn)了大尺寸木構(gòu)件多角度、多維度的數(shù)字化、智能化加工;通過(guò)BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了木構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、參數(shù)化建模,模型精度高,在實(shí)現(xiàn)圖紙可視化審查的同時(shí),進(jìn)一步校驗(yàn)榫卯接口的制式、尺寸、位置等;通過(guò)將BIM技術(shù)與CNC技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了BIM模型自動(dòng)生成刀路模型,進(jìn)一步提升木構(gòu)件數(shù)控加工的準(zhǔn)確率與生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM+CNC技術(shù)在裝配式木結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用,通過(guò)將BIM技術(shù)與CNC技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了木構(gòu)件的高精度、高效率、數(shù)字化、智能化加工;解決了木結(jié)構(gòu)施工對(duì)木結(jié)構(gòu)專業(yè),特別是古建筑木結(jié)構(gòu)專業(yè)勞務(wù)人員的需求,降低勞務(wù)成本;通過(guò)BIM技術(shù)替代傳統(tǒng)人工放樣、下料、加工,可以實(shí)現(xiàn)材料的充分利用,進(jìn)一步減少材料損耗,節(jié)約自然資源,實(shí)現(xiàn)綠色施工。

BIM+CNC技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用對(duì)我省大力推進(jìn)裝配式建設(shè),推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),提高建筑行業(yè)科技水平,實(shí)現(xiàn)高污染產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗等舉措具有積極的促進(jìn)作用,同時(shí)也為建筑產(chǎn)業(yè)逐步向智能建造轉(zhuǎn)變起到了示范引領(lǐng)作用。