參數化時代的數控加工與建造研究

李俊偉

摘 要：數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。文章基于參數化建筑設計，介紹了數控技術下的參數化建筑建造工具，并對其發展趨勢做出了展望。

關鍵詞：參數化；數控加工技術；模具；建造

信息革命對于社會生產產生了極大的影響，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設計、生產、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。在這種思潮的推動下，數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。文章基于參數化建筑設計，介紹了數控技術下的參數化建筑建造工具，并對其發展趨勢做出了展望。

1 參數化建筑設計及發展歷程

所謂參數化建筑設計，實際上是一種輔助設計的方式，它的原理是利用數學模型，將建筑設計中一些因素進行數據化，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展則是近現代所爆發的信息革命：計算機技術的大規模應用，促使數字技術、網絡技術、信息技術等新興虛擬技術不斷的發展，并融入到建筑設計領域中。傳統的參數化設計與計算機技術進行結合后，使得建筑設計的精準性不斷增加，而隨著計算機數據處理模型的不斷演化，利用數字模型來進一步量化建筑設計過程中的各項因素，形成數字化建筑設計，進一步的推進了參數化建筑設計，也取得了極好的設計效果。

2 基于數控技術下參數化建筑建造工具

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的參數化設計向物質世界實體的轉化，并使這一領域成為參數化設計研究的熱點。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、精度高等問題和實現高效化和自動化加工的有效途徑。基于數控技術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，是上世紀后期發展起來的高新技術，現階段，其技術體系已經發展的較為成熟，諸如三維噴涂粘接技術、選擇性激光燒結技術都被廣泛應用到生產實際之中。

在參數化建筑設計實踐中，三維噴涂粘接技術（3DP）與建筑行業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，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世紀制造領域內一個極為轟動的技術發明，成為現代機械制造業的重要基礎之一。數控技術集成了信息處理、電子技術、控制技術等技術，解決了制造業生產的諸多問題。

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

非線性形體的數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建的建造就應用了數控技術加工。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字模型，材料商則通過Master Cam軟件將材料轉化為工業語言，將具體的走刀路徑、板材劃分進行詳細的設計。其次，對計算機內的3D模型進行數據分析，并對工作量以及模具量進行統計，確定分割加工方案。然后，利用數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，并根據模具圖檢測出廠產品精度。

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行精確的加工，這種建造方式能夠最大限度的發揮出計算機的邏輯智能優勢，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，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，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）、框架制作（美國研發）、彎曲砌墻方法（瑞士研發）。

3 參數化時代數控加工與建造的發展展望

在參數化時代，數控加工是由制造領域引入建筑領域，然而與制造業不同的是，建筑物構件往往十分龐大，且現場施工環境具備復雜性，施工材料也常常會產生變化，這就使得利用數控技術來進行建筑物構件的批量生產難以得到真實的實踐，也使得數控技術在建筑領域的應用受到一定的局限。基于數控建造的實際約束瓶頸，未來數控加工與建造在參數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。

總而言之，隨著信息化技術、數字技術的不斷發展，數控技術與建筑技術將會得到更加深入的契合點，雖然在現階段實現起來十分困難，但相信會在未來形成參數化設計、數控加工到建筑生產的整體數字建筑產業的升級優化。

參考文獻

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