傳統(tǒng)木構(gòu)件智能化加工施工技術(shù)

賈李林 山西一建集團(tuán)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(jié)構(gòu)中承重結(jié)構(gòu)用木材為菠蘿格，次要構(gòu)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(dá)到1.3kg/m3，質(zhì)地堅(jiān)硬，扔進(jìn)水里即下沉；加工難度大，紋理交錯(cuò)；結(jié)構(gòu)粗、質(zhì)量硬、強(qiáng)度高；干縮甚小。鋸、刨加工困難。

本工程主要以木結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式眾多，構(gòu)件數(shù)量繁多，共計(jì)使用27個(gè)單體建筑，45959個(gè)構(gòu)件。工期緊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、木構(gòu)件規(guī)格數(shù)量多，加工難度大，施工周期長(zhǎng)。既要按照?qǐng)D紙及營(yíng)造要求，同時(shí)又要減少損耗，降低成本，滿足仿古建筑外觀風(fēng)格藝術(shù)性。傳統(tǒng)建筑木構(gòu)件智能化加工技術(shù)的研究，主要是采用智能化加工技術(shù)在鳳陽縣明中都文化旅游中心工程施工中的木構(gòu)件加工技術(shù)的研究與應(yīng)用，本工程為群體性仿古建筑群，各單體建筑風(fēng)格不一，卻又相互映襯，形成整體明代官式古建風(fēng)格建筑群。

現(xiàn)階段的傳統(tǒng)古建筑操作工呈現(xiàn)超齡化，且人數(shù)逐年下降，倒逼行業(yè)機(jī)械化、智能化水平的提升，智能化加工代替人工成為引領(lǐng)木構(gòu)件加工行業(yè)未來的發(fā)展方向，傳統(tǒng)施工技術(shù)和工藝一直延續(xù)至今，是中華傳統(tǒng)文化的瑰寶。但面對(duì)現(xiàn)代仿古建筑體量規(guī)模的加大，現(xiàn)在智能科技的日新月異，如何更好地將現(xiàn)代智能化技術(shù)運(yùn)用于傳統(tǒng)建筑施工中，更好、更快地完成施工建設(shè)，滿足結(jié)構(gòu)功能要求，達(dá)到一次成型，成為創(chuàng)新和發(fā)展大木構(gòu)件智能化加工的重要方向。

本工程中大木構(gòu)件施工的工藝特點(diǎn)是木制構(gòu)件專用數(shù)控機(jī)床，在加工鐵件機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化重組，不斷優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)于電機(jī)、刀頭、旋轉(zhuǎn)速度等技術(shù)參數(shù)與木構(gòu)件加工進(jìn)行匹配，不斷優(yōu)化調(diào)整，將數(shù)控機(jī)床修改為只對(duì)古建筑木構(gòu)件加工服務(wù)的數(shù)控機(jī)床。

根據(jù)構(gòu)件的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的機(jī)器和刀具，將BIM古建模型轉(zhuǎn)換到數(shù)控設(shè)備編程軟件中，設(shè)置對(duì)應(yīng)刀具并對(duì)刀路路徑進(jìn)行編程。達(dá)到BIM模型、數(shù)控機(jī)床編程、木構(gòu)件三者的融合統(tǒng)一。此加工技術(shù)秉承了傳統(tǒng)建筑的特色，又節(jié)約了人工，提高精度、縮短工期形成了現(xiàn)代獨(dú)特的加工工藝。

2 整體流程

熟悉圖紙→分析構(gòu)件→仿古構(gòu)件深化設(shè)計(jì)、選材→BIM模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床程序語言→調(diào)試、制作樣板→加工規(guī)格料→分件制作→試裝擺驗(yàn)→成批量加工、捆綁存放。

2.1 熟悉圖紙

通過熟悉圖紙及技術(shù)交底，詳細(xì)了解建筑物的功能做法、構(gòu)造特點(diǎn)、設(shè)計(jì)意圖及有無特殊的使用要求。熟悉各構(gòu)件的扣搭、安裝順序，熟悉各組構(gòu)件組成。熟悉圖紙上構(gòu)件長(zhǎng)、寬、厚是否與傳統(tǒng)權(quán)衡尺寸一致，避免誤操作。核實(shí)個(gè)別部位的特殊做法，核實(shí)做法的年代要求，熟悉不同年代的不同做法。

2.2 分析構(gòu)件

精細(xì)化建模能夠在建模的過程當(dāng)中探討大木結(jié)構(gòu)一些復(fù)雜部位，提前研究采用何種卯榫以及構(gòu)件的疊放次序，相當(dāng)于預(yù)先在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模擬，這樣就排除了實(shí)際當(dāng)中等構(gòu)件加工結(jié)束才發(fā)現(xiàn)矛盾事項(xiàng)的遺憾。

有了精確化的模型，就免去了從二維圖紙轉(zhuǎn)化到三維現(xiàn)實(shí)的思維過程，這樣每一個(gè)BIM模型中所對(duì)應(yīng)的位置都一目了然。并且利用BIM技術(shù)還可以提前探討木結(jié)構(gòu)的安裝方案。確定先裝哪個(gè)構(gòu)件，后裝哪個(gè)構(gòu)件。利用BIM自身的模型體積計(jì)算功能，配合材料密度，可以精確求出構(gòu)件的重量，從而為后續(xù)安裝設(shè)計(jì)合適的起重工具。

在REVIT軟件中，只需要將明細(xì)表中加上“體積”參數(shù)，構(gòu)件的體積就可以在明細(xì)表當(dāng)中顯示出來。

2.3 仿古構(gòu)件深化設(shè)計(jì)、選材

仿古構(gòu)件深化設(shè)計(jì)：圖紙上并沒有標(biāo)明榫卯連接的細(xì)部做法，按照大木匠的口傳身教對(duì)各部位的木構(gòu)件榫卯部分進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，按照傳統(tǒng)做法確定木構(gòu)件的組合連接方式，既要保證結(jié)構(gòu)整體的安全性，又要符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，所以應(yīng)在構(gòu)件加工制作前進(jìn)行構(gòu)件的二次深化設(shè)計(jì)，確保構(gòu)件質(zhì)量要求的同時(shí)滿足構(gòu)件對(duì)整體工程建筑藝術(shù)的效果的要求。

構(gòu)件選材：所有的仿古木構(gòu)件均應(yīng)先進(jìn)行加工原材的選擇，所選原材既要符合構(gòu)件尺寸的出材，也要保證構(gòu)件滿足規(guī)范要求。不允許有蟲蛀、裂縫、髓心等缺陷，木構(gòu)件用材一般采用天然生長(zhǎng)的菠蘿格、杉木風(fēng)干材為制作原料，根據(jù)各分件對(duì)材質(zhì)的不同要求，其用材的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合各構(gòu)件用材標(biāo)準(zhǔn)表的要求。

2.4 BIM模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床程序語言

Revite模型軟件直接通過Outdesk inventor軟件格式轉(zhuǎn)換成程序語言，再配以專業(yè)編程且兼具數(shù)控機(jī)床知識(shí)的人員，對(duì)程序語言進(jìn)行調(diào)整修改，并將程序輸入數(shù)控機(jī)床實(shí)際模擬操作刀頭路徑。

2.5 調(diào)試、制作樣板

用數(shù)控機(jī)床在三合板、五合板上進(jìn)行試加工，不斷調(diào)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(jìn)行尺寸對(duì)比，通過程序微調(diào)使機(jī)械加工的構(gòu)件尺寸、位置、角度與BIM模型完全吻合。

2.6 加工規(guī)格料

根據(jù)構(gòu)件的尺寸、數(shù)量加工規(guī)格木料。配料要求平直方正、尺寸準(zhǔn)確，各種指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。各類規(guī)格料的加工其數(shù)量及長(zhǎng)短應(yīng)留出適當(dāng)余量。加工好的規(guī)格料要求分類碼放待用。

2.7 分件制作

構(gòu)件中的斗拱構(gòu)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(shí)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(yàn)

各部分構(gòu)件按圖紙進(jìn)行試拼，尤其是斗拱，將斗栱放于平穩(wěn)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(zhǔn)確，與座斗“割方”。在橫向栱子的升、斗臺(tái)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(zhǎng)度適宜，并于端頭做四面“壓棱”。安裝各層縱向構(gòu)件，注意松緊適宜，水平高低位置準(zhǔn)確。成攢斗拱每層構(gòu)件安裝后，依大樣核對(duì)尺寸，各構(gòu)件找方，確認(rèn)無誤后在每層構(gòu)件的背（上）部標(biāo)寫斗拱編號(hào)。編號(hào)內(nèi)容包括位置、層數(shù)、名稱、序號(hào)等。

各類仿古木構(gòu)件均應(yīng)采用1∶1BIM模型加工，以確保構(gòu)件的外觀尺寸的精度，從而減少構(gòu)件間的累計(jì)誤差。對(duì)已加工完成的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行預(yù)拼裝，并對(duì)預(yù)拼裝構(gòu)件進(jìn)行拼裝后的整體質(zhì)量檢查，分別對(duì)拼裝構(gòu)件進(jìn)行拼裝累計(jì)誤差檢查，對(duì)檢查合格后的構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)、記錄位置。特別是斗拱類組合構(gòu)件，檢查完畢后以“攢”為單位進(jìn)行編號(hào)。所有仿古構(gòu)件在吊裝及安裝過程中應(yīng)按編號(hào)位置進(jìn)行，不得隨意進(jìn)行調(diào)整、更換。

2.9 成批量加工、捆綁存放

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

3 安全文明措施

3.1 防止對(duì)大氣污染的措施

（1）施工階段，定時(shí)對(duì)道路進(jìn)行灑水降塵，控制粉塵污染。

（2）建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的施工廢磚，采用搭設(shè)封閉式臨時(shí)專用垃圾道運(yùn)輸或采用容器吊運(yùn)或袋裝，嚴(yán)禁隨意凌空拋散，施工垃圾應(yīng)及時(shí)清運(yùn)，并適量灑水，減少粉塵對(duì)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(shè)備，加工車間（工作棚）應(yīng)對(duì)機(jī)械噪聲采取封堵、限時(shí)使用等措施，使其達(dá)到相應(yīng)的環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）施工過程中及時(shí)回收現(xiàn)場(chǎng)所剩的短料、散料，并歸類堆放以便再用。

（3）施工中產(chǎn)生的各種固體廢棄物集中處理。

（4）經(jīng)常保持場(chǎng)容達(dá)標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)有節(jié)水、節(jié)電措施。

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

（6）加工車間和施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)設(shè)專人每日清掃木屑、刨花，倒入指定地點(diǎn)，并用苫布苫蓋。避免環(huán)境污染，減少火災(zāi)隱患。

3.3 廢棄物管理措施

（1）施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立專門的廢棄物臨時(shí)貯存堆放場(chǎng)地，堆放場(chǎng)設(shè)置要防護(hù)嚴(yán)密，不得亂堆亂放，每天定期清運(yùn)。

（2）廢棄物的運(yùn)輸保證不散撒、不混放，現(xiàn)場(chǎng)廢磚送到指定的垃圾中轉(zhuǎn)場(chǎng)所進(jìn)行處理。對(duì)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，編制有針對(duì)性的專項(xiàng)安全方案，經(jīng)審批后以書面形式向操作班組進(jìn)行安全技術(shù)交底。

（2）在建筑物周圍搭設(shè)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(dòng)工具的安全防護(hù)裝置必須齊全有效。

（4）隨時(shí)檢查所用設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使其漏電保護(hù)裝置處于良好狀態(tài)。

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

（6）現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備足夠的滅火器等消防器材，架體上作業(yè)空間要足夠大，且用50mm厚架板繞鋪一周，架板鋪設(shè)緊密，無探頭板。

（7）因?yàn)獒t(yī)院每天就診患者都要來回經(jīng)過大門附近，支搭腳手架時(shí)，應(yīng)在支搭區(qū)域有可能墜物周邊用警戒線圍起來，并懸掛警示標(biāo)牌。

（8）從事高空作業(yè)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(yè)疾病的人員，不得從事高空作業(yè)。