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现代科技与亭子制作探讨

作者: 更新时间:2019/10/19 10:10:24

凉亭作为园林景观小品,不但可供避雨休息,也是点缀园林空间、烘托园林观赏主体的关键造景元素,还是中华诗词文化传承的载体,是文人墨客赋词泼墨、抒发情感的场所。因此,园林造景一直遵循“无亭不园”、“江山无限景,都取一亭中”的不成文规制。

但有别于普通木结构建筑,仿古凉亭需要考虑传统古亭的规制、审美习惯和加工、安装等技术要点,迄今为止,仿古凉亭设计、制造和安装,绝大多数仍需依靠民间古建匠人的手工完成,大大限制了其在园林景观建造中的推广和应用,也导致了很多景区的钢筋混凝土仿古凉亭大行其道。不仅与国家发展绿色环保旅游设施的政策相背离,也大大降低了景区的文化品位。


1仿古凉亭设计制造面临的问题

1.1设计

我国古代木结构建筑造型虽然美观别致,但形制却很繁复,且构件种类繁多。对于建筑物的设计表达多为文言文描述和造型草图,没有标准的工程图纸,对建筑细节的表现,也缺乏系统和科学的规定。当时很多木结构建筑设计体现的是设计人员的个性发挥,忽略了设计语言和方法的科学传承,造成了我国绝大多数的古木建筑“风格迥异,复制困难”,设计方法和技巧仍延续口口相传、师传徒的古老方式,对后世木结构建筑的传承和发展,造成了极大的不便。

流传至今的木结构设计名著,如《营造法式》、《鲁班经》和清工部《工程做法则例》中,虽附有绝大多数设计图纸,但均非按现代设计人员所熟识的标准制图规则和标注方法绘制,所用的尺寸非现代的公制,给仿制和重新设计工作带来困难。

1.2原材料

我国古代木结构建筑绝大多数都是梁柱、榫卯结合式的建筑结构,需要耗费大量大径级、质地坚硬、通直且无明显缺陷的优质天然木材,以满足其承重、开榫头和榫眼的加工要求。然而,目前世界上绝大多数国家使用的木材来源于人工林,普遍存在木材质地松软、径级偏小的缺点,无法满足仿古木结构建筑用材的需求,客观上也造成了我国仿古木结构建筑无材可用的窘境。

1.3加工制造

目前,我国仿古木结构建筑的加工制造仍以手工辅以部分简易加工机械制作为主,加工精度一般得不到保证,尺寸偏差大,极易造成装配难度加大等问题。另外,由于仿古木结构建筑构件多、形状复杂,对加工人员的制作经验和操作熟练度也是一个极大的考验。

近几年来发展迅速的数控加工中心,虽在加工精度和效率方面有了长足进展,但这些设备多数缺少先进的硬件标准和通讯协议,与其配套的专业设计软件大多是基于不同程序语言,导致其通用性和可移植性受限。在实际生产过程中,常常需要将事先设计好的CAD图纸进行一定的转换或部分修改,才能与设备对接加工,客观上了限制了这类先进设备优势的发挥。

亭子加工


2应用先进制造技术设计和制造仿古木结构凉亭

2.1设计

工业4.0的一个显著特点是,打破了传统产品设计部门和生产部门问的界限,使产品在设计阶段即可充分地与生产和安装阶段直接进行对接。在四角仿古凉亭的设计阶段,除构思设计过程主要依靠设计人员外,制图方法、绘图效果及出图种类,均与传统设计有很大区别。

1)制图方法和绘图效果

不再需按传统计算机辅助制图软件(如CAD)中,将零部件图和装配图分开绘制,具备工业4.0特性的设计软件仅需制图人员按从下往上(从凉亭的基座至宝顶)或从上往下(从凉亭的宝顶至基座)逐级依次绘制即可。整个凉亭设计图绘制完成后,单个构件的拆解图和各构件间的装配图,均可按需显示或打印出图;并且在制图过程中,可直接三维绘图(图la)和显示材质效果(图lb),解决了传统三维构件在二维绘图环境下表现困难的难题。

2)可出图形种类

相比于传统制图软件,具备工业4.0特性的设计软件可以按需生成总体效果图(图la),也可以再经3D渲染软件,生成最终展示(图le)和装配图(图2)。此外,还可直接生成加工对象的总物料单(图3)和加工对象中每个构件的加工设备参数(图4),为后续被加工对象的物料准备、加工和安装,提供详尽的参数。

由此可见,具有工业4.0特点的仿古凉亭,在设计阶段即已将成品效果图、部件装配图、物料清单和加工参数等传统设计步骤集成,大幅减少甚至免除了后续繁复的人工备料、制造工艺安排和设备安排等生产准备工作,大大加速了设计的进程。

2.2加工制造

工业4.0另一个显著的特点是智能制造,使设备不仅“会说话”,而且设备与设备之间“使用同一种语言,,I5|。设计软件和电脑与生产加工设备直接通讯对接,设计阶段生成的产品零部件加工参数,可由生产部门的设备直接接受和执行。表现在:

1)产品在设计完成后,直接生成加工物料清单,生产环节直接照单购买材料和备料即可,无需传统生产方式中繁琐的物料计算、平衡和优化。

2)生产设备采用多功能数控加工中心,无论待加工零部件形状有多复杂,如图5所示的凉亭顶面椽条的支撑垫块,其多异形面决定了亭顶的弧度,只要在设计阶段生成设备加工参数时,软件没有报错(即加工设备所配备的刀具等能满足加工要求),则该零部件均可在加工中心一次完成加工而无需转场再加工,避免了传统加工需使用多台加工设备、易造成基准点偏移和加工效率低下的弊端。

3)可精确计算单一构件的加工时间,为生产部门安排生产计划和各部门间的协调配合,提供直接的决策依据,生产的组织管理更加科学和高效。

4)在构件未加工前,通过加工参数和设备实际状态的校对,再次确认整个加工进程,以避免加工错误的发生。即使构件在加工过程中发现错误,也可以在线修正,最大限度地避免废件的产生。另外,优质大径级长尺度圆形梁柱构件原材料的稀缺,一直是阻碍仿古建筑推广的原因之一。在现代木材加工工艺和高精度装备的支撑下,通过将小径材缺陷剔除、指接接长、拼宽拼厚、刨圆等集成加工工艺,完全可以解决优质大径级原料的供应难题。


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