畢詠力 程一琳

(山西一建集團有限公司,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)達國家應(yīng)用廣泛,德國、意大利和日本等國家的木工機械制造廠商,相繼推出了種類繁多、技術(shù)先進的數(shù)控鏤銑機和數(shù)控加工中心,并且形成了四維或五維空間的多坐標軸聯(lián)動的發(fā)展趨勢。目前,我國研制的木工數(shù)控鏤銑機和木工數(shù)控加工中心,大多具有三維空間聯(lián)動加工功能,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)的成本會呈幾何級數(shù)的增加。

目前國外木工數(shù)控設(shè)備的發(fā)展狀況: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算機數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于木材加工機械產(chǎn)品中,生產(chǎn)出數(shù)控鏤銑機。隨著計算機數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展,德國、意大利、日本等國家的主要木工機械制造商相繼推出了技術(shù)先進、功能齊全的數(shù)控鏤銑設(shè)備,并且形成了系列化、標準化的發(fā)展趨勢。其最具代表性的為:德國IMA公司的BIMA 210/310/410/610/810系列數(shù)控加工中心。機床采用工作臺固定,橫梁移動的懸臂式框架結(jié)構(gòu),機床動態(tài)性能好,裝卸工件方木。機床具有三軸三聯(lián)動功能,單坐標軸最大定位速度達80 m/min,最大工作速度達48 m/min,鏤銑主軸采用變頻調(diào)速,最高轉(zhuǎn)速達24 000 rpm,鏤銑主軸可以實現(xiàn)刀具的自動交換。

目前國內(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;國外木材數(shù)控加工主要用于板材自動化生產(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。國內(nèi)木材加工數(shù)控機床自20世紀90年代末應(yīng)用研究有了長足的進展,目前已經(jīng)有多家木工機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:國家林業(yè)局林業(yè)機械研究所、常州佳納機電有限公司和牡丹江木工機械股份有限公司;生產(chǎn)數(shù)控鏤銑機的有:上海家具機械廠、牡丹江木工機械股份有限公司、昆明四聯(lián)人造板機械有限公司、蘇福馬股份有限公司和國家林業(yè)局北京林業(yè)機械研究所。

BIM+CNC木構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)是將BIM技術(shù)結(jié)合計算機數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于木材加工過程中,結(jié)合木材加工高速銑削的特性,實現(xiàn)加工刀具在各坐標軸空間內(nèi)聯(lián)動的直線插補或圓弧插補運動,以達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)字信息庫建設(shè)背景

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

對應(yīng)行業(yè)、企業(yè)現(xiàn)狀:目前國內(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;國外木材數(shù)控加工主要用于板材自動化生產(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:隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,體現(xiàn)中華傳統(tǒng)文化的仿古建筑大量興起,而其中對木構(gòu)件制作質(zhì)量與工期的要求越來越高,使用現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)對木構(gòu)件進行制作與加工,實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)工程裝配式施工成為這類建筑的必然要求。

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

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

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

3)改進完善編程設(shè)計適應(yīng)各類木材材質(zhì)與生長紋路,細化編程刀路軌跡與動作。

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BIM技術(shù)實現(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)實現(xiàn)構(gòu)件數(shù)字化、標準化加工,構(gòu)件生產(chǎn)過程越標準,生產(chǎn)效率越高,相應(yīng)的構(gòu)件成本將會下降。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

通過將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,通過刀路仿真模擬校驗,達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,實現(xiàn)復(fù)雜形狀的加工,進一步提高木構(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

通過將BIM與CNC技術(shù)融合應(yīng)用,實現(xiàn)木構(gòu)件的參數(shù)化標準加工,在BIM建模的過程中對施工圖紙進行仔細檢查,同時省去人工放樣時間,進一步提升木構(gòu)件加工精細度及加工效率。通過數(shù)控加工技術(shù)可以減少對材料的損耗,節(jié)約自然資源的同時降低施工成本。

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BIM建模軟件實現(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20 000萬余件;參數(shù)化建?？梢孕ｒ?zāi)緲?gòu)件榫卯的準確性,同時可以實現(xiàn)同類型木構(gòu)件的快速建模(見圖1)。

建立的木構(gòu)件模型可直接導(dǎo)入刀路設(shè)計軟件中進行數(shù)控刀路的設(shè)計,使其能自動識別模型并自動生成合理刀路;同時進行刀路的加工過程模擬確保加工的準確度,減少因刀路問題導(dǎo)致的材料浪費,誤工返工等問題。BIM技術(shù)與數(shù)控加工技術(shù)的融合應(yīng)用,進一步提高構(gòu)架加工成品的精準度,進一步提升項目施工中構(gòu)件的拼裝過程(如圖2所示)。

2)對市面現(xiàn)有數(shù)控加工設(shè)備進行改良,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,改進完善刀路及刀頭的智能化控制,實現(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。

開展數(shù)控加工設(shè)備的研究與改造,滿足實際木結(jié)構(gòu)建筑施工需求,對現(xiàn)有CNC數(shù)控加工設(shè)備進行優(yōu)化改進。研究小組已完成五軸數(shù)控機床,三軸數(shù)控機床的升級與改造,并對傳統(tǒng)木工加工機械設(shè)備(刨、銑、切割等)進行升級改造,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(見圖3)。

其中五軸數(shù)控機床可實現(xiàn)最大尺寸木構(gòu)件加工的有效長度為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)件完成編號后運抵項目現(xiàn)場,實現(xiàn)了施工現(xiàn)場裝配式拼裝施工,占用施工場地小,按照構(gòu)件編號進行現(xiàn)場拼裝,降低了對勞務(wù)班組人員的素質(zhì)要求(見圖4)。

傳統(tǒng)手工加工不僅耗時同時對木工技師技術(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;通過現(xiàn)階段研究完成的數(shù)控加工設(shè)備,僅需1個臺班就能完成1.5根～2根檐柱的加工(8 h/臺班,1人/臺班～2人/臺班),極大的縮短了加工時間,成品效果見圖5，圖6。

同時,研究小組在現(xiàn)階段研究基礎(chǔ)上,結(jié)合施工時間過程中的實際需求,不斷進行程序、刀路及設(shè)備的改進,實現(xiàn)構(gòu)件加工中斜角鉆削、鋸切、開槽、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(見圖7)。

該技術(shù)已在山西一建集團安徽鳳陽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、明太原縣城等項目應(yīng)用,取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4.3 技術(shù)研究成果

通過對數(shù)控加工機床的改造,實現(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BIM技術(shù)實現(xiàn)了木構(gòu)件的標準化、精細化、參數(shù)化建模,模型精度高,在實現(xiàn)圖紙可視化審查的同時,進一步校驗榫卯接口的制式、尺寸、位置等;通過將BIM技術(shù)與CNC技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)了BIM模型自動生成刀路模型,進一步提升木構(gòu)件數(shù)控加工的準確率與生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

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,通過將BIM技術(shù)與CNC技術(shù)結(jié)合,實現(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BIM技術(shù)替代傳統(tǒng)人工放樣、下料、加工,可以實現(xiàn)材料的充分利用,進一步減少材料損耗,節(jié)約自然資源,實現(xiàn)綠色施工。

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