參數化時(shí)代的數控加工與建造研究論文
摘 要：數控制造技術(shù)被一些建筑理論和實(shí)踐的開(kāi)拓者引入到建造實(shí)踐中來(lái)。文章基于參數化建筑設計，介紹了數控技術(shù)下的參數化建筑建造工具，并對其發(fā)展趨勢做出了展望。
關(guān)鍵詞：參數化；數控加工技術(shù)；模具；建造
信息革命對于社會(huì )生產(chǎn)產(chǎn)生了極大的影響，全球信息化大背景下，建筑界出現了一批應用數字化計算機技術(shù)設計、生產(chǎn)、施工的建筑，一種基于參數化的建筑設計理念在建筑界形成了轟動(dòng)。在這種思潮的推動(dòng)下，數控制造技術(shù)被一些建筑理論和實(shí)踐的開(kāi)拓者引入到建造實(shí)踐中來(lái)。文章基于參數化建筑設計，介紹了數控技術(shù)下的參數化建筑建造工具，并對其發(fā)展趨勢做出了展望。
1 參數化建筑設計及發(fā)展歷程
所謂參數化建筑設計，實(shí)際上是一種輔助設計的方式，它的原理是利用數學(xué)模型，將建筑設計中一些因素進(jìn)行數據化，借助變化函數最后獲得不同的函數結果，這些結果往往能夠作為一種輔助結果說(shuō)明，幫助設計者做出設計決策，形成設計方案結果。
參數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一，宋代的建筑圖紙設計。而參數化建筑設計最為重要的一次變革與發(fā)展則是近現代所爆發(fā)的信息革命：計算機技術(shù)的大規模應用，促使數字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、信息技術(shù)等新興虛擬技術(shù)不斷的發(fā)展，并融入到建筑設計領(lǐng)域中。傳統的參數化設計與計算機技術(shù)進(jìn)行結合后，使得建筑設計的精準性不斷增加，而隨著(zhù)計算機數據處理模型的不斷演化，利用數字模型來(lái)進(jìn)一步量化建筑設計過(guò)程中的各項因素，形成數字化建筑設計，進(jìn)一步的推進(jìn)了參數化建筑設計，也取得了極好的設計效果。
2 基于數控技術(shù)下參數化建筑建造工具
近幾年來(lái)，世界各地的建筑師和學(xué)生在研究和實(shí)踐中探索計算機內的參數化設計向物質(zhì)世界實(shí)體的轉化，并使這一領(lǐng)域成為參數化設計研究的熱點(diǎn)。這其中數控加工和建造是參數化設計建造方法的必然選擇之一。數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(wèn)題和實(shí)現高效化和自動(dòng)化加工的有效途徑�；跀悼丶夹g(shù)下建筑建造工具主要包含了三維打印機、CNC數控機床，在參數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(shù)，是上世紀后期發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，現階段，其技術(shù)體系已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，諸如三維噴涂粘接技術(shù)、選擇性激光燒結技術(shù)都被廣泛應用到生產(chǎn)實(shí)際之中。
在參數化建筑設計實(shí)踐中，三維噴涂粘接技術(shù)（3DP）與建筑行業(yè)的特征具有較高的適應性。3DP技術(shù)是美國麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的一種基于微滴噴射的技術(shù)，它不依賴(lài)激光，其原理類(lèi)似于噴墨打印機。它使用粘接劑和粉末，通過(guò)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(shù)突破了傳統數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(wú)光，而更多的取決于其材料。
近年來(lái)，三維打印技術(shù)在建筑模型的建造中有著(zhù)廣泛的應用，市面上一些極為常見(jiàn)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(shù)應用到建筑的實(shí)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數控機床建造工具
數字控制機床是20世紀制造領(lǐng)域內一個(gè)極為轟動(dòng)的技術(shù)發(fā)明，成為現代機械制造業(yè)的重要基礎之一。數控技術(shù)集成了信息處理、電子技術(shù)、控制技術(shù)等技術(shù)，解決了制造業(yè)生產(chǎn)的諸多問(wèn)題。
在參數化設計中，對于參數化設計的數控加工與建造實(shí)踐和研究可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是對已經(jīng)設計好的復雜曲面形態(tài)用各種數控技術(shù)進(jìn)行加工和建造；第二類(lèi)是基于數控設備特點(diǎn)和材料性能發(fā)展出一套建構邏輯，并以其為基礎進(jìn)行參數化設計，進(jìn)而建造。
非線(xiàn)性形體的數字化建造通常用來(lái)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建的建造就應用了數控技術(shù)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字模型，材料商則通過(guò)Master Cam軟件將材料轉化為工業(yè)語(yǔ)言，將具體的走刀路徑、板材劃分進(jìn)行詳細的設計。其次，對計算機內的3D模型進(jìn)行數據分析，并對工作量以及模具量進(jìn)行統計，確定分割加工方案。然后，利用數控設備進(jìn)行模具加工，對于人造石材料進(jìn)行相應的吸塑、熱彎以及內外模壓制作出組件，而對于復雜的建筑構件則采用人工拋光、實(shí)雕。最后，實(shí)體制作完成后，進(jìn)行拼縫處理，并進(jìn)行精確的定位安裝。為了實(shí)現精確的定位安裝，根據模型情況設計了轉換層結構。構件在加工成型后將其穩固在模具上，根據安裝結構圖準確開(kāi)出掛件的安裝定位孔；需拼接的面要在廠(chǎng)拼縫完成后標畫(huà)基準線(xiàn)，并根據模具圖檢測出廠(chǎng)產(chǎn)品精度。
基于數控建造邏輯的參數化設計，則是根據計算機的控制，按照指令程序對材料進(jìn)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化設計的可能性。目前仍在處于探索的基于數控建造邏輯的參數化設計技術(shù)，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(guò)程序表現，在計算機指令下，機械臂可以按照程序來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的建筑施工裝置，可以拿起一些傳統的建設工具進(jìn)行實(shí)際的施工建設。目前機械臂在建筑領(lǐng)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 參數化時(shí)代數控加工與建造的發(fā)展展望
在參數化時(shí)代，數控加工是由制造領(lǐng)域引入建筑領(lǐng)域，然而與制造業(yè)不同的是，建筑物構件往往十分龐大，且現場(chǎng)施工環(huán)境具備復雜性，施工材料也常常會(huì )產(chǎn)生變化，這就使得利用數控技術(shù)來(lái)進(jìn)行建筑物構件的批量生產(chǎn)難以得到真實(shí)的實(shí)踐，也使得數控技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應用受到一定的局限�；跀悼亟ㄔ斓膶�(shí)際約束瓶頸，未來(lái)數控加工與建造在參數化建筑的應用將會(huì )努力朝兩個(gè)方向進(jìn)行突破。其一就是進(jìn)一步的研發(fā)出可供數控建造的新的建筑材料，其二就是盡可能的形成新的數控技術(shù)。
總而言之，隨著(zhù)信息化技術(shù)、數字技術(shù)的不斷發(fā)展，數控技術(shù)與建筑技術(shù)將會(huì )得到更加深入的契合點(diǎn)，雖然在現階段實(shí)現起來(lái)十分困難，但相信會(huì )在未來(lái)形成參數化設計、數控加工到建筑生產(chǎn)的整體數字建筑產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化。
參考文獻
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