参数化时代的数控加工与建造研究

李俊伟

摘 要：数控制造技术被一些建筑理论和实践的开拓者引入到建造实践中来。文章基于参数化建筑设计，介绍了数控技术下的参数化建筑建造工具，并对其发展趋势做出了展望。

关键词：参数化；数控加工技术；模具；建造

信息革命对于社会生产产生了极大的影响，全球信息化大背景下，建筑界出现了一批应用数字化计算机技术设计、生产、施工的建筑，一种基于参数化的建筑设计理念在建筑界形成了轰动。在这种思潮的推动下，数控制造技术被一些建筑理论和实践的开拓者引入到建造实践中来。文章基于参数化建筑设计，介绍了数控技术下的参数化建筑建造工具，并对其发展趋势做出了展望。

1 参数化建筑设计及发展历程

所谓参数化建筑设计，实际上是一种辅助设计的方式，它的原理是利用数学模型，将建筑设计中一些因素进行数据化，借助变化函数最后获得不同的函数结果，这些结果往往能够作为一种辅助结果说明，帮助设计者做出设计决策，形成设计方案结果。

参数化建筑设计并不陌生，在我国自古有之，例如秦代的度量衡的统一，宋代的建筑图纸设计。而参数化建筑设计最为重要的一次变革与发展则是近现代所爆发的信息革命：计算机技术的大规模应用，促使数字技术、网络技术、信息技术等新兴虚拟技术不断的发展，并融入到建筑设计领域中。传统的参数化设计与计算机技术进行结合后，使得建筑设计的精准性不断增加，而随着计算机数据处理模型的不断演化，利用数字模型来进一步量化建筑设计过程中的各项因素，形成数字化建筑设计，进一步的推进了参数化建筑设计，也取得了极好的设计效果。

2 基于数控技术下参数化建筑建造工具

近几年来，世界各地的建筑师和学生在研究和实践中探索计算机内的参数化设计向物质世界实体的转化，并使这一领域成为参数化设计研究的热点。这其中数控加工和建造是参数化设计建造方法的必然选择之一。数控加工是指计算机控制机床加工零件的方法，它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。基于数控技术下建筑建造工具主要包含了三维打印机、CNC数控机床，在参数化建筑模型制作和探索中起到了重要的作用。

2.1 三维打印机建造工具

三维打印机是一种快速成型技术，是上世纪后期发展起来的高新技术，现阶段，其技术体系已经发展的较为成熟，诸如三维喷涂粘接技术、选择性激光烧结技术都被广泛应用到生产实际之中。

在参数化建筑设计实践中，三维喷涂粘接技术（3DP）与建筑行业的特征具有较高的适应性。3DP技术是美国麻省理工学院开发的一种基于微滴喷射的技术，它不依赖激光，其原理类似于喷墨打印机。它使用粘接剂和粉末，通过切片处理，得到各截面的信息，再由喷头在材料粉层上有选择地喷撒粘接剂，喷射路径上的粉末被粘接在一起，其他地方仍为松散的粉末。该技术突破了传统数控加工的零件加工模式，该制作工艺的制作成本往往与产品的复杂程度无光，而更多的取决于其材料。

近年来，三维打印技术在建筑模型的建造中有着广泛的应用，市面上一些极为常见的三维打印已经能够制作一些缩小比例的模型。如果将三维打印技术应用到建筑的实际生产，必须要克服材料、以及机器打印空间的局限性。

2.2 CNC数控机床建造工具

数字控制机床是20世纪制造领域内一个极为轰动的技术发明，成为现代机械制造业的重要基础之一。数控技术集成了信息处理、电子技术、控制技术等技术，解决了制造业生产的诸多问题。

在参数化设计中，对于参数化设计的数控加工与建造实践和研究可以分为两类：第一类是对已经设计好的复杂曲面形态用各种数控技术进行加工和建造；第二类是基于数控设备特点和材料性能发展出一套建构逻辑，并以其为基础进行参数化设计，进而建造。

非线性形体的数字化建造通常用来解决一些复杂曲面的建造。例如在广州歌剧演排练厅的一些复杂构建的建造就应用了数控技术加工。该项目的加工和安装工艺如下：首先，建筑设计师提供三维数字模型，材料商则通过Master Cam软件将材料转化为工业语言，将具体的走刀路径、板材划分进行详细的设计。其次，对计算机内的3D模型进行数据分析，并对工作量以及模具量进行统计，确定分割加工方案。然后，利用数控设备进行模具加工，对于人造石材料进行相应的吸塑、热弯以及内外模压制作出组件，而对于复杂的建筑构件则采用人工抛光、实雕。最后，实体制作完成后，进行拼缝处理，并进行精确的定位安装。为了实现精确的定位安装，根据模型情况设计了转换层结构。构件在加工成型后将其稳固在模具上，根据安装结构图准确开出挂件的安装定位孔；需拼接的面要在厂拼缝完成后标画基准线，并根据模具图检测出厂产品精度。

基于数控建造逻辑的参数化设计，则是根据计算机的控制，按照指令程序对材料进行精确的加工，这种建造方式能够最大限度的发挥出计算机的逻辑智能优势，继而拓展对建筑的参数化设计的可能性。目前仍在处于探索的基于数控建造逻辑的参数化设计技术，主要有机械臂、智能机器人等。

机械臂与智能机器人是一种通用型的机器，具备有高度控制基础、可编程以及可操作的特性。只需要将建造逻辑通过程序表现，在计算机指令下，机械臂可以按照程序来进行简单的建筑施工装置，可以拿起一些传统的建设工具进行实际的施工建设。目前机械臂在建筑领域的应用主要集中在混凝土楼板面层施工（日本研发）、框架制作（美国研发）、弯曲砌墙方法（瑞士研发）。

3 参数化时代数控加工与建造的发展展望

在参数化时代，数控加工是由制造领域引入建筑领域，然而与制造业不同的是，建筑物构件往往十分庞大，且现场施工环境具备复杂性，施工材料也常常会产生变化，这就使得利用数控技术来进行建筑物构件的批量生产难以得到真实的实践，也使得数控技术在建筑领域的应用受到一定的局限。基于数控建造的实际约束瓶颈，未来数控加工与建造在参数化建筑的应用将会努力朝两个方向进行突破。其一就是进一步的研发出可供数控建造的新的建筑材料，其二就是尽可能的形成新的数控技术。

总而言之，随着信息化技术、数字技术的不断发展，数控技术与建筑技术将会得到更加深入的契合点，虽然在现阶段实现起来十分困难，但相信会在未来形成参数化设计、数控加工到建筑生产的整体数字建筑产业的升级优化。

参考文献

[1] 李宁.以“场”为切入点解释建筑现象、探索建筑设计的方法[A].2012年全国高等学校建筑院系建筑数字技术教学研讨会论文集[C].2012.

[2] 徐卫国.褶子思想，游牧理论——关于非线性建筑参数化设计访谈[J].世界建筑，2009（08）.

[3] 李文凯.建筑参数化设计的发展及应用的研究[J].中国新技术新产品，2015，23（18）.

[4] 高岩.参数化设计——更高效的设计技术和技法[J].世界建筑，2012（05）.