工業(yè)4.0背景下數(shù)字化磚構應用

朱琳

摘 要：工業(yè)4.0是在2011年德國政府在高技術戰(zhàn)略2020中發(fā)布的一項全新的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略概念。主要是以智能制造為主的工業(yè)革命，在傳統(tǒng)的制造技術基礎上，與互聯(lián)網(wǎng)技術相結合，實現(xiàn)智能工廠生產(chǎn)方式及更大競爭力的目的。更大競爭力指的是智能工廠中的幾點要素，包括自動化、高效率、低消耗、低成本及高精度等。本文主要以工業(yè)4.0為背景，研究數(shù)字化磚構的現(xiàn)實應用。

關鍵詞：工業(yè)4.0；數(shù)字化；磚構應用

數(shù)字化磚構指的是將傳統(tǒng)的材料磚應用到現(xiàn)代建筑中，數(shù)字化磚構的兩大前提是：數(shù)字化創(chuàng)新了磚的傳統(tǒng)型，并且促進了磚的美學性；數(shù)字化創(chuàng)新了磚模塊構造，使磚朝著復雜化及性能化的方向發(fā)展。由此可見數(shù)字化磚構在現(xiàn)社會中有著重要的作用，不僅創(chuàng)新了傳統(tǒng)，還連接了未來。

1 淺析工業(yè)4.0

工業(yè)4.0也可以被稱作“第四次工業(yè)革命”，它起源于2011年，由德國政府在漢諾威工業(yè)博覽會確定的《高技術戰(zhàn)略2020》中未來的十大項目之一，在其發(fā)展的過程中已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略，創(chuàng)新了傳統(tǒng)工業(yè)領域的研究與開發(fā)。

工業(yè)4.0實現(xiàn)了集中式控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹皆鰪娦涂刂频哪康模淖罱K目標是創(chuàng)建一個具有較強靈活性、數(shù)字化、個性化的產(chǎn)品服務生產(chǎn)模式。在此模式中，將會創(chuàng)新傳統(tǒng)的行業(yè)界限，出現(xiàn)不同的全新合作形式及領域，行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈將會重新組合。

工業(yè)4.0主要有兩個主題，分別是智能工廠和智能生產(chǎn)。智能工廠指的是智能化的生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，還包括網(wǎng)絡化、分散化的生產(chǎn)設施；智能生產(chǎn)指的是行業(yè)企業(yè)中的生產(chǎn)管理、人與機器之間的互動和工業(yè)生產(chǎn)過程中3D技術的運用等。工業(yè)4.0吸引了眾多的中小企業(yè)，使其能夠在生產(chǎn)中使用智能化生產(chǎn)技術，從中獲得相關的利益。同樣這些中小企業(yè)在使用智能化生產(chǎn)技術的過程中也逐漸成為其的供應者和創(chuàng)造者。[1]

工業(yè)4.0四方面的優(yōu)勢：其一，產(chǎn)業(yè)集成。工業(yè)4.0中的工件、裝備及其他部件都可以進行數(shù)據(jù)及信息互換，創(chuàng)新了集中式控制系統(tǒng)，成為分散式職能控制系統(tǒng)。在工作中依舊使用中央電腦進行，元件可以互相聯(lián)網(wǎng)，自由配置，且整個過程中簡單優(yōu)化，并且能夠獨立完成訂單生產(chǎn)中的不同需求；其二，產(chǎn)業(yè)集成的基礎就是集成自動化，它具有狀態(tài)監(jiān)測、診斷及電氣與氣功自動化的特點，其中包括中斷控制器、網(wǎng)絡服務器的IT服務及壓力傳感器等；其三，物聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)4.0時代創(chuàng)新了混亂的現(xiàn)場總線現(xiàn)象，今后工業(yè)的發(fā)展將會是一個基于實施能力以太網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議具有簡單的優(yōu)勢，在未來工業(yè)生產(chǎn)中不必再為設計機器的時間而費時費力；其四，簡單便捷。工業(yè)4.0時代中，機器人能夠輔助人類完成生產(chǎn)，智能傳感器使機器人與人類一樣，能夠了解環(huán)境的變化，選擇不同的路徑，在任何環(huán)境中都能夠有效的做出判斷。[2]

2 磚

2.1 傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展

在德國法蘭克福展示中心有一座高為21米的動態(tài)雕像，雕像為一個錘擊工人用錘子一下一下地敲擊著一塊金屬。象征著我們的世界是由工人創(chuàng)造的，這座雕像是藝術家喬納森.波洛夫斯基為了表示他對工人們的敬仰之情而創(chuàng)造的。隨著時間的流逝和世界的不斷改變，傳統(tǒng)的掄著錘子的工人已經(jīng)在此過程中逐漸消失。歐洲模具展是一項法蘭克福舉辦的最大規(guī)模的貿(mào)易展覽會，其中并沒有一些要靠人們輔助且沾滿油漬的老舊機器，而是一些由美國、歐洲及亞洲制造的具有自動化、趕緊的機械工具，人們可以坐在電腦前操作這些機械工具，其中錘子已經(jīng)消逝。

在2011年舉辦的歐洲模具展中，3D打印技術終亮相，創(chuàng)新了傳統(tǒng)由扭曲、敲擊等一系列工具生產(chǎn)的過程，3D打印技術可以直接生產(chǎn)產(chǎn)品，我們可以將它稱作“添加技術”。美國的一家三維公司就是用3D打印機只做了一把精美的錘子，由于錘子代表這工業(yè)革命的生產(chǎn)工具，在它被3D打印機創(chuàng)造出來的那一刻，就象征著傳統(tǒng)的勞動制造時代已經(jīng)過去了，迎來的是數(shù)字化、工業(yè)化的時代。[3]

2.2 磚的傳統(tǒng)性

在建筑行業(yè)有這么一句話：“建筑學是由兩塊磚被認真排放在一起的那一刻開始的。”這句話出自德國著名的現(xiàn)代主義建筑大師密斯之口，磚是建筑行業(yè)中傳統(tǒng)的材料，和工業(yè)制造中的錘子一樣，都是行業(yè)的代表。

磚是社會及人類在發(fā)展過程中最為完善的建筑材料，在人類近萬年的發(fā)展過程中，磚也不斷地完善，包括重量、尺寸、材料、比例等等。在我國，磚也有著悠久的歷史。在傳統(tǒng)建筑設計與制造過程中，磚是最基礎的材料，其重量及尺寸都適合工人的操作，在砌磚的過程中，對重量、砂漿的控制及磚的對齊都取決于墻面的視覺效果。這種傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)形勢為人類表現(xiàn)了建筑的成品視覺，這也是建筑設計師與人們喜愛砌磚建筑的原因，砌磚建筑整體規(guī)整、具有仔細的細節(jié)，在創(chuàng)建成功之后的建筑紋理還會隨著使用時間和墻面空間的變化而變化。那么錘子被3D打印技術創(chuàng)造的今天，磚又會發(fā)生著怎樣的變化呢？[4]

3 磚的現(xiàn)代化與數(shù)字化

3.1 磚在建筑中的維護作用

密斯將“鋼結構和玻璃”作為現(xiàn)代摩天樓建筑的構成，建筑設計的材料主要有兩種：填充圍護和框架結構。磚在傳統(tǒng)中被密斯認為是建筑學的基礎及要點，在建筑學發(fā)展迅速的過程中，磚由原本建筑的基礎變?yōu)榱爽F(xiàn)代建筑的維護材料，也從結構變?yōu)榱颂畛洌瑥某兄刈優(yōu)榱速N面。磚的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變直接的反映了建筑工程由傳統(tǒng)的手工業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榱爽F(xiàn)代化的大型工業(yè)集約化。在機械化及工業(yè)化的背景下，建筑施工中磚的優(yōu)點被逐漸取代，但是缺點也逐漸的顯露出來。在手工業(yè)被機器取代的時代中，磚在建筑工程中的地位以不如之前，但是砌磚房子作為地域化的建筑形象深固在人們心中，所以面磚也取代了磚在大規(guī)模的建筑中被人們廣泛應用。基層磚作為建筑物體維護內(nèi)膽的作用，面層磚作為建筑物體美化的作用。

在傳統(tǒng)的建筑工程中，磚有多功能性及統(tǒng)一性，同時還具有圍合、保溫等功能，可以構建一座建筑物。在現(xiàn)代建筑工業(yè)中，磚由面磚替代。面磚具有整齊、美化、可復制的特點。在社會不斷演化的過程中，復制技術也在不斷地演化，其主要特點是復制產(chǎn)品精美、復制產(chǎn)品被大量生產(chǎn)。在此過程中，面磚的出現(xiàn)被廣泛應用在城市中的建筑物中，但是設計者與使用者及受眾的距離在無形中被越拉越遠，面磚也猶如3D打印技術創(chuàng)造出來的錘子，代表了傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)。[5]

3.2 磚在建筑中的美學應用

在現(xiàn)社會的建筑中，磚已經(jīng)被全新的建筑材料及方式所代替，這也是社會發(fā)展的需求。磚創(chuàng)新了傳統(tǒng)結構系統(tǒng)的束縛，從材料及性能方面發(fā)展了其他的特質(zhì)，比如磚的美學化。在砌磚過程中，美學化主要表現(xiàn)為其具有多樣化的表面及紋理。傳統(tǒng)砌磚邏輯主要是以“順”和“丁”為基礎，在時代發(fā)展的過程中出現(xiàn)了多種的砌磚邏輯，比如五順一丁、三順一丁等等，但是他們的本質(zhì)還是在于磚和磚之間的平行與垂直。[6]

比如上海AU SPACE廠房的改造。此項目前身與1940年創(chuàng)建，是上海第一個棉紡織廠。對此項目的改造首先進行改造計劃：使用混凝土空心磚，這種磚有一種柔順感，能夠表現(xiàn)出人們對其的歷史紀念，另外創(chuàng)新了傳統(tǒng)磚墻的表現(xiàn)，使原本棱角分明的效果成為了絲柔順滑的效果。在這個項目設計中，數(shù)字化有著重要的作用。以數(shù)字化為基礎，創(chuàng)新傳統(tǒng)材料的表現(xiàn)是一件復雜的事情，主要在于傳統(tǒng)磚的思維邏輯已經(jīng)深深駐扎在人們的心中，但是數(shù)字化磚的特點是連續(xù)性和非線性，這種模式在設計中突破了傳統(tǒng)磚墻面的意境。另外，數(shù)字化磚面的實現(xiàn)是將設計元素為基礎，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)進行整理與聯(lián)系，這使原本沒有任何關聯(lián)的設計元素“磚墻”與“絲綢”有了相互轉(zhuǎn)換的可能性。在此項目中可以看出來，在砌磚中以絲綢中的灰度質(zhì)感與磚的旋轉(zhuǎn)角度為基礎，在灰度與角度兩者之間創(chuàng)建數(shù)學練習，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的目的，使磚墻面具有絲綢般柔滑的效果。[7]

3.3 磚的曲面曲度

設計翻譯至數(shù)字媒介到建筑的過程，鑲嵌鋪裝是尤為重要的。曲面指的是數(shù)字媒介使用指定的數(shù)字當時進行描述，在抽象化的環(huán)境中邏輯性被翻譯出來時，就需要借助一定的建造技術，在此過程中，個體被指定為二維平面材料，整個建筑建造包括平面和曲面（詳情見圖1）。

一般曲面的施工及成本都比平面要難控制，鑲嵌拼接是最簡單的方式。在進行曲面拼接過程中，不同的材料會出現(xiàn)不同的效果，這就像較高分辨率打印出的圖像完整細膩，較低分辨率打印出的圖像不清晰。在進行數(shù)字化加工時，沒有抽象的絕對曲面，任何曲面都考慮擬合曲面的加工方式及材料。

在此過程中，磚還是最基礎且最具潛力的材料。由于磚具有較好的擬合曲面曲度，還能夠使曲面具有獨特的質(zhì)感，并且具有尺寸小的特點。在數(shù)字化背景下，尺寸小就代表短促曲面擬合線，表示其與設計的曲線能夠更加接近，使建筑建造中的翻譯信息更加完整。此翻譯是通過磚進行的，使建筑物的抽象曲面與受眾群體有較好的共鳴及表現(xiàn)能力。[8]

3.4 數(shù)字化磚構的應用案例

比如編程砌筑墻體。磚砌墻體是勞動密集背景下的產(chǎn)物，在現(xiàn)社會中被人們逐漸遺忘，那么磚怎樣才能夠恢復自身的作用，被廣泛應用到大型建筑中？在現(xiàn)代建筑業(yè)中使用機器人無疑是最有效的方式，不僅可以提高施工的精度及生產(chǎn)率，還能夠完成較為復雜的砌筑設計。通過工業(yè)機器人的成熟性，能夠有效實現(xiàn)曲面磚墻的放線定位。磚在意義上還是傳統(tǒng)的磚，但是磚的擺放形式進行了創(chuàng)新。

在設計墻體模型中融入數(shù)學公式，使每一塊磚的角度和位置都能夠通過數(shù)學算法來實現(xiàn)和描述，那么磚面的建筑就可以通過計算機編程得到結果。機器人實現(xiàn)了設計程序的過程，最終呈現(xiàn)給眾人加工過程及結果。建筑設計師可以根據(jù)不同磚的不同屬性進行指定不同的程序，工業(yè)機器人在建筑過程中不會因為磚的不同而浪費時間，這點是通過人工實現(xiàn)不了的[9]（詳細見圖2）。

在進行編程砌磚過程中，磚通過傳統(tǒng)建筑將其中的特性進一步的放大。就算機器人在砌磚過程中非常靈巧，墻面還是要保持穩(wěn)定并且能夠承載足夠的負荷，所以算法的設計要以建筑的構造為基礎。研究人員全面掌握了磚的砌筑構造、高度、強度、穩(wěn)定性及擺放形式，進而推算物理圓形，以算法為前提，使最終結果得到最優(yōu)化。

為了使磚和磚之間能夠相互固定，可以實現(xiàn)磚的固定構造。由于磚在不同的空間位置及角度都有所不同，這就使磚重疊的各個部分都各不相同。那么可以根據(jù)算法進行推算，在磚重疊的部分分別布置四條平行固定條，以墻體為中心相互對稱，使建筑有較好的穩(wěn)定性。固定條在磚與磚之間具有抗剪強度及抗壓強度，具有較好的性能。

在2011年，蘇黎世聯(lián)邦理工學院帶領學生在紐約結構使用機器人砌墻技術，創(chuàng)建了一面長約22米的異形曲面磚墻。這面墻由7000塊磚構成，實現(xiàn)了墻面的曲折環(huán)繞。三維方向磚的不同旋轉(zhuǎn)角度及進深為受眾帶來了一定的視覺效果，由工業(yè)機器人與傳統(tǒng)磚塊營造出了一種神奇的風景。[10]

4 結語

在現(xiàn)代建筑中，磚的構建文化有著重要的作用，數(shù)字化磚構方式創(chuàng)新了磚的傳統(tǒng)性，并且使磚能夠流傳至今，并且合理運用在現(xiàn)社會中的建筑建造中。磚具有較強的現(xiàn)代性，目前數(shù)字化思想對于磚的理解還可進一步的研究，數(shù)字化還具有更深層次的挖掘空間，其建造工具及設計方式的創(chuàng)新也能夠為數(shù)字化磚構帶來全新的可能。

參考文獻：

[1] 袁烽，張立名.磚的數(shù)字化建構[J].世界建筑，2014（7）：26-29.

[2] 彭俊松.工業(yè)4.0驅(qū)動下的制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型[M].機械工業(yè)出版社，2016.

[3] 宋擁政.工業(yè)4.0下數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的鈑金加工技術展望[J].金屬加工：熱加工，2014（23）：39-40.

[4] 金和平，潘建初.水利水電工業(yè)4.0應用及展望——三峽集團物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化技術應用實踐[J].工業(yè)技術創(chuàng)新，2015，2（5）：569-575.

[5] 趙霞.建筑工業(yè)4.0視角下基于BIM的建筑集成設計方法研究[D].北京交通大學， 2015.

[6] 郝靜，張凱.基于“工業(yè)4.0”背景下的高校數(shù)字化工廠實踐平臺建設研究[J].價值工程，2016（30）.

[7] 陳日飆.工業(yè)4.0背景下建筑產(chǎn)業(yè)化的思考[J].深圳土木與建筑，2015（3）：18-20.

[8] 王晶.新時代工業(yè)建筑[J].華東科技（學術版），2016（1）：52-53.

[9] 包龍生，孟玲劍，李偉，等.鋼箱梁橋牽引滑梁設計與施工關鍵技術[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2015（2）：259-266.

[10] 魏曉東.《工業(yè)4.0與兩化融合》講座 第一講 工業(yè)革命與工業(yè)4.0[J].自動化博覽，2015（11）.