BIM+CNC在裝配式木結構施工中的研究與應用★

畢詠力 程一琳

(山西一建集團有限公司,山西 太原 030012)

1 概述

木構件數控技術在木材工業發達國家應用廣泛,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、技術先進的數控鏤銑機和數控加工中心,并且形成了四維或五維空間的多坐標軸聯動的發展趨勢。目前,我國研制的木工數控鏤銑機和木工數控加工中心,大多具有三維空間聯動加工功能,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控系統多坐標軸的數量,雖然能夠滿足加工要求,但是數控系統的成本會呈幾何級數的增加。

目前國外木工數控設備的發展狀況:在木工數控設備的研究方面,日本的莊田公司最先將計算機數控技術應用于木材加工機械產品中,生產出數控鏤銑機。隨著計算機數控技術的不斷發展,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先進、功能齊全的數控鏤銑設備,并且形成了系列化、標準化的發展趨勢。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構,機床動態性能好,裝卸工件方木。機床具有三軸三聯動功能,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速,最高轉速達24 000 rpm,鏤銑主軸可以實現刀具的自動交換。

目前國內木材加工使用數控加工技術的絕大部分是高檔實木和具有民族風格的仿古家具,以及一些高檔的室內裝飾裝修,將仿古木構件使用數控加工的案例極少;國外木材數控加工主要用于板材自動化生產與工藝品精雕。仿古木構件的數控加工技術研究與應用尚屬空白。國內木材加工數控機床自20世紀90年代末應用研究有了長足的進展,目前已經有多家木工機械廠商和科研單位具有研制能力。例如:生產數控加工中心的有:國家林業局林業機械研究所、常州佳納機電有限公司和牡丹江木工機械股份有限公司;生產數控鏤銑機的有:上海家具機械廠、牡丹江木工機械股份有限公司、昆明四聯人造板機械有限公司、蘇福馬股份有限公司和國家林業局北京林業機械研究所。

BIM+CNC木構件數控加工技術是將BIM技術結合計算機數控技術應用于木材加工過程中,結合木材加工高速銑削的特性,實現加工刀具在各坐標軸空間內聯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量和實現加工復雜的形狀,提高加工產品的質量與美感和技術附加值。

2 傳統建筑數字信息庫建設背景

隨著國民經濟的快速發展,體現中華傳統文化的仿古建筑大量興起,而其中對木構件制作質量與工期的要求越來越高,使用現代數控技術對木構件進行制作與加工成為這類建筑的必然要求。

對應行業、企業現狀:目前國內木材加工使用數控加工技術的絕大部分是高檔實木和具有民族風格的仿古家具,以及一些高檔的室內裝飾裝修,將仿古木構件使用數控加工的案例極少;國外木材數控加工主要用于板材自動化生產與工藝品精雕。仿古木構件的數控加工技術研究與應用尚屬空白。

順應技術發展趨勢:隨著國民經濟的快速發展,體現中華傳統文化的仿古建筑大量興起,而其中對木構件制作質量與工期的要求越來越高,使用現代數控技術對木構件進行制作與加工,實現木結構工程裝配式施工成為這類建筑的必然要求。

通過對現階段裝配式木結構施工需求分析,從項目施工管理的不同角度出發,目前該技術的應用需重點解決的問題分析如下:

1)擴大加工設備尺寸,適應加工大型木構件的需求。

2)開發研制適應的裝夾工具,在加工過程中適應大型木構件加工過程中自身應力的變化。

3)改進完善編程設計適應各類木材材質與生長紋路,細化編程刀路軌跡與動作。

3 BIM+CNC技術在裝配式木結構施工中的研究目的

通過BIM技術實現木構件的高精度、參數化建模,采用CNC數控加工技術實現構件數字化、標準化加工,構件生產過程越標準,生產效率越高,相應的構件成本將會下降。傳統木構件數控加工技術的研究與應用對傳統建筑、現代木結構建筑施工領域在裝配式、綠色施工技術等方面的發展有非常好的輔助效果。

4 BIM+CNC技術應用方案

4.1 研究與應用目標

通過將BIM技術與CNC技術融合應用,構建木結構建筑的參數化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量,實現復雜形狀的加工,進一步提高木構件加工效率,提升木工加工成品率,創新土木工程施工工藝,提高加工產品的質量、美感和技術附加值,傳承中華傳統文化,提升國產數控設備的品質,傳承與創新木結構工程施工工藝。

4.2 技術方案

通過將BIM與CNC技術融合應用,實現木構件的參數化標準加工,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,進一步提升木構件加工精細度及加工效率。通過數控加工技術可以減少對材料的損耗,節約自然資源的同時降低施工成本。

建立仿古木構件數控加工研究中心,研究組成員主要包括:古建 BIM 技術研究人員,機械設備研究人員、編程人員、木工技師等。

關鍵技術的研究:

1)木結構工程工藝復雜、施工難度大、精確度要求高。研究小組通過BIM建模軟件實現了各類仿古木構件參數化建模,建立柱、梁、枋、斗拱、檁、角梁、童柱等族庫20 000萬余件;參數化建模可以校驗木構件榫卯的準確性,同時可以實現同類型木構件的快速建模(見圖1)。

建立的木構件模型可直接導入刀路設計軟件中進行數控刀路的設計,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,減少因刀路問題導致的材料浪費,誤工返工等問題。BIM技術與數控加工技術的融合應用,進一步提高構架加工成品的精準度,進一步提升項目施工中構件的拼裝過程(如圖2所示)。

2)對市面現有數控加工設備進行改良,研發定制適合傳統木結構、現代木結構建筑工程中構件加工的夾裝工具,改進完善刀路及刀頭的智能化控制,實現數控加工設備適應各類木材尺寸、木材材質、木材紋路的加工方式,減少材料資源的浪費。

開展數控加工設備的研究與改造,滿足實際木結構建筑施工需求,對現有CNC數控加工設備進行優化改進。研究小組已完成五軸數控機床,三軸數控機床的升級與改造,并對傳統木工加工機械設備(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)。

其中五軸數控機床可實現最大尺寸木構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),構件加工尺寸誤差值不大于1 mm。在數控加工中心完成的成品構件完成編號后運抵項目現場,實現了施工現場裝配式拼裝施工,占用施工場地小,按照構件編號進行現場拼裝,降低了對勞務班組人員的素質要求(見圖4)。

傳統手工加工不僅耗時同時對木工技師技術水平要求高。以檐柱為例,傳統手工加工,每加工1根檐柱,需要2位木工師 傅加工2 d才能完成;通過現階段研究完成的數控加工設備,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,研究小組在現階段研究基礎上,結合施工時間過程中的實際需求,不斷進行程序、刀路及設備的改進,實現構件加工中斜角鉆削、鋸切、開槽、銑榫、修邊、砂光、封邊等工藝一次裝夾即可完成,不斷提高數控加工中心的綜合性能(見圖7)。

該技術已在山西一建集團安徽鳳陽明中都文化旅游中心、太原太山景區游客接待中心、天龍山景區游客接待中心、明太原縣城等項目應用,取得良好的經濟效益和社會效益。

4.3 技術研究成果

通過對數控加工機床的改造,實現了大尺寸木構件多角度、多維度的數字化、智能化加工;通過BIM技術實現了木構件的標準化、精細化、參數化建模,模型精度高,在實現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技術與CNC技術結合,實現了BIM模型自動生成刀路模型,進一步提升木構件數控加工的準確率與生產效率。

5 結語

BIM+CNC技術在裝配式木結構施工領域的研究與應用,通過將BIM技術與CNC技術結合,實現了木構件的高精度、高效率、數字化、智能化加工;解決了木結構施工對木結構專業,特別是古建筑木結構專業勞務人員的需求,降低勞務成本;通過BIM技術替代傳統人工放樣、下料、加工,可以實現材料的充分利用,進一步減少材料損耗,節約自然資源,實現綠色施工。

BIM+CNC技術的結合應用對我省大力推進裝配式建設,推動傳統產業轉型升級,提高建筑行業科技水平,實現高污染產業節能降耗等舉措具有積極的促進作用,同時也為建筑產業逐步向智能建造轉變起到了示范引領作用。