傳統木構件智能化加工施工技術

賈李林 山西一建集團有限公司

1 前言

鳳陽明中都文化旅游中心總建筑面積14808.5m2，由廡殿重檐式建筑、廡殿式建筑、歇山式建筑、懸山式建筑、硬山式建筑等組成。單體建筑最高建筑高度19.1m，其中木結構中承重結構用木材為菠蘿格，次要構件采用杉木。菠蘿格是一種高檔的防腐木，木材密度大，氣干密度0.80kg/m3～9.4kg/m3，未烘干密度達到1.3kg/m3，質地堅硬，扔進水里即下沉；加工難度大，紋理交錯；結構粗、質量硬、強度高；干縮甚小。鋸、刨加工困難。

本工程主要以木結構為主，結構復雜，結構形式眾多，構件數量繁多，共計使用27個單體建筑，45959個構件。工期緊、結構復雜、木構件規格數量多，加工難度大，施工周期長。既要按照圖紙及營造要求，同時又要減少損耗，降低成本，滿足仿古建筑外觀風格藝術性。傳統建筑木構件智能化加工技術的研究，主要是采用智能化加工技術在鳳陽縣明中都文化旅游中心工程施工中的木構件加工技術的研究與應用，本工程為群體性仿古建筑群，各單體建筑風格不一，卻又相互映襯，形成整體明代官式古建風格建筑群。

現階段的傳統古建筑操作工呈現超齡化，且人數逐年下降，倒逼行業機械化、智能化水平的提升，智能化加工代替人工成為引領木構件加工行業未來的發展方向，傳統施工技術和工藝一直延續至今，是中華傳統文化的瑰寶。但面對現代仿古建筑體量規模的加大，現在智能科技的日新月異，如何更好地將現代智能化技術運用于傳統建筑施工中，更好、更快地完成施工建設，滿足結構功能要求，達到一次成型，成為創新和發展大木構件智能化加工的重要方向。

本工程中大木構件施工的工藝特點是木制構件專用數控機床，在加工鐵件機床的基礎上進行優化重組，不斷優化改進，對于電機、刀頭、旋轉速度等技術參數與木構件加工進行匹配，不斷優化調整，將數控機床修改為只對古建筑木構件加工服務的數控機床。

根據構件的特點，選擇相應的機器和刀具，將BIM古建模型轉換到數控設備編程軟件中，設置對應刀具并對刀路路徑進行編程。達到BIM模型、數控機床編程、木構件三者的融合統一。此加工技術秉承了傳統建筑的特色，又節約了人工，提高精度、縮短工期形成了現代獨特的加工工藝。

2 整體流程

熟悉圖紙→分析構件→仿古構件深化設計、選材→BIM模型轉換為數控機床程序語言→調試、制作樣板→加工規格料→分件制作→試裝擺驗→成批量加工、捆綁存放。

2.1 熟悉圖紙

通過熟悉圖紙及技術交底，詳細了解建筑物的功能做法、構造特點、設計意圖及有無特殊的使用要求。熟悉各構件的扣搭、安裝順序，熟悉各組構件組成。熟悉圖紙上構件長、寬、厚是否與傳統權衡尺寸一致，避免誤操作。核實個別部位的特殊做法，核實做法的年代要求，熟悉不同年代的不同做法。

2.2 分析構件

精細化建模能夠在建模的過程當中探討大木結構一些復雜部位，提前研究采用何種卯榫以及構件的疊放次序，相當于預先在計算機中進行了結構模擬，這樣就排除了實際當中等構件加工結束才發現矛盾事項的遺憾。

有了精確化的模型，就免去了從二維圖紙轉化到三維現實的思維過程，這樣每一個BIM模型中所對應的位置都一目了然。并且利用BIM技術還可以提前探討木結構的安裝方案。確定先裝哪個構件，后裝哪個構件。利用BIM自身的模型體積計算功能，配合材料密度，可以精確求出構件的重量，從而為后續安裝設計合適的起重工具。

在REVIT軟件中，只需要將明細表中加上“體積”參數，構件的體積就可以在明細表當中顯示出來。

2.3 仿古構件深化設計、選材

仿古構件深化設計：圖紙上并沒有標明榫卯連接的細部做法，按照大木匠的口傳身教對各部位的木構件榫卯部分進行深化設計，按照傳統做法確定木構件的組合連接方式，既要保證結構整體的安全性，又要符合圖紙設計要求，所以應在構件加工制作前進行構件的二次深化設計，確保構件質量要求的同時滿足構件對整體工程建筑藝術的效果的要求。

構件選材：所有的仿古木構件均應先進行加工原材的選擇，所選原材既要符合構件尺寸的出材，也要保證構件滿足規范要求。不允許有蟲蛀、裂縫、髓心等缺陷，木構件用材一般采用天然生長的菠蘿格、杉木風干材為制作原料，根據各分件對材質的不同要求，其用材的標準應符合各構件用材標準表的要求。

2.4 BIM模型轉換為數控機床程序語言

Revite模型軟件直接通過Outdesk inventor軟件格式轉換成程序語言，再配以專業編程且兼具數控機床知識的人員，對程序語言進行調整修改，并將程序輸入數控機床實際模擬操作刀頭路徑。

2.5 調試、制作樣板

用數控機床在三合板、五合板上進行試加工，不斷調整刀頭的路徑，再在木頭上試雕，每次雕出來，同圖紙上BIM模型進行尺寸對比，通過程序微調使機械加工的構件尺寸、位置、角度與BIM模型完全吻合。

2.6 加工規格料

根據構件的尺寸、數量加工規格木料。配料要求平直方正、尺寸準確，各種指標符合國家標準規定。各類規格料的加工其數量及長短應留出適當余量。加工好的規格料要求分類碼放待用。

2.7 分件制作

構件中的斗拱構件，平鑿依線剔鑿銷子卯眼，卯眼垂直方正，深淺一致。曲折面鋸解加工后必須用凈刨凈光，加工面直順方正，平滑光滑。異形曲線部分的加工必須保證松緊適宜，略虛不漲。制作成型后的半成品除安裝時必須留用的墨線外一律用凈刨刨光，不得留有墨跡污漬、斧印、刨痕。

2.8 試裝擺驗

各部分構件按圖紙進行試拼，尤其是斗拱，將斗栱放于平穩處，檢查刻口、“鼻子”及墊栱板槽卯的留置是否正確。安裝橫向栱子，注意松緊適宜，水平高低位置準確，與座斗“割方”。在橫向栱子的升、斗臺位置栽槽升子木銷；在栱身位置栽固定銷子，木銷尺寸略漲于卯眼尺寸，抹適量乳膠楔入固定，銷子出頭長度適宜，并于端頭做四面“壓棱”。安裝各層縱向構件，注意松緊適宜，水平高低位置準確。成攢斗拱每層構件安裝后，依大樣核對尺寸，各構件找方，確認無誤后在每層構件的背（上）部標寫斗拱編號。編號內容包括位置、層數、名稱、序號等。

各類仿古木構件均應采用1∶1BIM模型加工，以確保構件的外觀尺寸的精度，從而減少構件間的累計誤差。對已加工完成的構件應進行預拼裝，并對預拼裝構件進行拼裝后的整體質量檢查，分別對拼裝構件進行拼裝累計誤差檢查，對檢查合格后的構件進行編號、記錄位置。特別是斗拱類組合構件，檢查完畢后以“攢”為單位進行編號。所有仿古構件在吊裝及安裝過程中應按編號位置進行，不得隨意進行調整、更換。

2.9 成批量加工、捆綁存放

按照預定程序進行批量加工，加工好的半成品構件用專用打包繩將擺驗后的斗拱上下捆綁牢固，分類碼放在指定的存放地點。存放地點要求具備通風、防雨、防火和安全的功能。

3 安全文明措施

3.1 防止對大氣污染的措施

（1）施工階段，定時對道路進行灑水降塵，控制粉塵污染。

（2）建筑結構內的施工廢磚，采用搭設封閉式臨時專用垃圾道運輸或采用容器吊運或袋裝，嚴禁隨意凌空拋散，施工垃圾應及時清運，并適量灑水，減少粉塵對空氣的污染。

3.2 防止施工噪聲污染措施

（1）盡量選擇噪聲小的施工設備，加工車間（工作棚）應對機械噪聲采取封堵、限時使用等措施，使其達到相應的環境噪聲標準要求。

（2）施工過程中及時回收現場所剩的短料、散料，并歸類堆放以便再用。

（3）施工中產生的各種固體廢棄物集中處理。

（4）經常保持場容達標，現場有節水、節電措施。

（5）加工車間（工作棚）要求通風并有有效的排塵裝置，避免加工中產生的粉塵對加工人員造成傷害。

（6）加工車間和施工現場應設專人每日清掃木屑、刨花，倒入指定地點，并用苫布苫蓋。避免環境污染，減少火災隱患。

3.3 廢棄物管理措施

（1）施工現場設立專門的廢棄物臨時貯存堆放場地，堆放場設置要防護嚴密，不得亂堆亂放，每天定期清運。

（2）廢棄物的運輸保證不散撒、不混放，現場廢磚送到指定的垃圾中轉場所進行處理。對可回收邊角料做到再回收利用。

3.4 安全保證措施

（1）施工前依據現場實際情況，編制有針對性的專項安全方案，經審批后以書面形式向操作班組進行安全技術交底。

（2）在建筑物周圍搭設牢固可靠的上人跑道，便于操作人員上下班行走。

（3）所有電動工具的安全防護裝置必須齊全有效。

（4）隨時檢查所用設備運轉情況，使其漏電保護裝置處于良好狀態。

（5）圓盤鋸、帶鋸、曲線鋸、平刨等較大型電動工具必須安裝在具備防砸、防雨功能的加工車間（工作棚）內。

（6）現場準備足夠的滅火器等消防器材，架體上作業空間要足夠大，且用50mm厚架板繞鋪一周，架板鋪設緊密，無探頭板。

（7）因為醫院每天就診患者都要來回經過大門附近，支搭腳手架時，應在支搭區域有可能墜物周邊用警戒線圍起來，并懸掛警示標牌。

（8）從事高空作業人員要有定期體檢，凡患高血壓、心臟病以及其他不適于高空作業疾病的人員，不得從事高空作業。