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数控建造技术模糊了设计与建造之间的界限，促使建筑师直接参与并组织建造过程。东南大学建筑运算与应用研究所基于计算机编程技术与数控加工设备，对数控建造过程进行了持续探索。本文以四个案例来具体阐述其探索过程和思考。

数控工艺探索
——基于编程技术的建筑数控加工过程创新
Exploring Digital Craft: Innovation of Fabrication Process in Digital Architecture


一　材料、数控设备、加工过程的契合

数控建造项目一开始就要选择材料和对应的加工设备。材料的某一个特征参数（例如硬度）就足以左右一个设计方案能否成立。加工设备的某一个技术参数的限制（例如加工幅面）也有可能导致整个方案不成立。加工时间和材料成本也是决定性因素。此外，对加工过程的统筹规划、对多种加工设备的配合使用也是设计方案的关键。加工过程中的物理过程往往具有细微而复杂的不确定性（譬如刀具在材料表面留下的肌理很难预测），所以一种加工工艺需要经历多次实验才能趋于成熟。

传统工艺和数控工艺都需要对材料、加工设备、加工过程进行统一思考。但两者有着不同的追求：传统工艺可以不断重复和改善既有的成功案例；而数控工艺总是在寻求前所未有的方法与流程。所以数控工艺开发的重点在于把材料、加工设备和加工过程整合到新的设计方案中。有创意的设计方案往往会对材料和加工设备进行非常规的使用从而达到意想不到的效果。下面以四个案例来具体阐述我们对数控工艺的探索。

二　DOME•V

由于DOME•V是一个处于具体环境中（东南大学前工院中庭）的构筑物，因此设计师需要考虑行人如何进入，如何穿过构筑物，以及如何在其内部停留。该设计项目虽小，却涵盖了建筑设计中的各种典型要素：空间需求、结构稳定性、材料、建造技术。DOME•V结合了薄金属板材料、激光切割和金属弯折工艺。如何把薄金属板制成一个稳定的构筑物是DOME•V项目面临的主要问题。经过研究，我们采取了两个层面的措施：在整体形态上最大限度地减少剪力；在局部把金属板弯折成三维的立体结构以增加局部的力学稳定性。

DOME•V整体形态采用了悬链线模型，使曲面的表面剪力趋于零。在曲面生成的过程中同时考虑了两个出入口，使最终的形体兼顾空间需求和力学特性。随后把曲面划分成单元体。单元体的生成算法整合了两类因素：①单元体开口的疏密、方向与构筑物内人的视线需求相符；②上部单元较纤细，下部单元较粗壮，优化整个构筑物的重量分布。单元体的尺寸设定还要与不锈钢板的长宽幅面相协调。如果单元体普遍比较大，一块不锈钢板上就只能容纳一两个单元体（平面展开形状），这会导致大面积的边角料，而增加材料成本。

整个加工建造过程以如下方式组织：①在Java程序中计算构筑物的整体形态，划分单元体，把单元体展开成平面形状，输出对应的矢量图形；②激光切割机把所有单元体的平面形状切割出来，包括编号的切割和折痕处的虚线切割；③手动弯折平面单元体使其成为三维单元体，并用铆钉枪进行固定；④组装所有单元体，完成构筑物的搭建。

工艺中有两个关键点：首先，不锈钢板不宜太厚也不宜太薄。太厚很难弯折，太薄会降低整体稳定性，项目最终选用了1 mm的不绣钢板。其次，我们采取了两种技术来确保手动弯折的精确性：①特意设计的重叠部分（俗称“耳朵”）能够在弯折过程中提示弯折是否到位，因此弯折后的三维单元体中每一个角度都是确定的；②弯折处间隙性地开洞（形似虚线），适当降低弯折处的强度，使最后的折痕比较“挺”。

DOME•V由不绣钢板制成，占地面积约10 m2，材料费用约3万元，加工时间5天，组装时间5天（3人）。如果采用更大幅面的激光雕刻机，其材料成本可以降到约2 000元/m2，加工时间也可有所缩短。由此说明，完全个性化、定制化的构筑物并不昂贵，以编程驱动的数控建造项目是精确、经济而高效的。






三　筑•墙
……

四　槃
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五　南京青奥“国际风情街”幕墙

南京青奥“国际风情街”幕墙工程是大尺度数控建造的一个范例。该建筑的5个面（4个立面及顶面）都由特殊的不绣钢面板组成，整体上呈现出复杂的图案。因此，其每一块面板的开孔尺寸各不相同，都是通过计算机程序来定制的。整个建筑有7 000多块面板，包含逾130万个开孔，数据庞大，用传统的手工画图方式很难实现。所以只有通过计算机编程和CNC技术才能精确高效地完成这样的工程。

该项目使用二维图像作为数据输入源。在计算机程序（基于Java）中建立图像中每个像素点的灰度值到三维建筑表皮上开孔的映射关系。每一块面板上，菱形折板的角度和开孔的大小直接与图像中的像素点相对应，使幕墙在整体上呈现出和输入图片相似的视觉效果。

整个幕墙工程的操作流程比较复杂，依赖于甲方、设计师、加工厂与组装队伍等多方面的协作。得益于数字技术，幕墙从设计、加工到最后组装，都严格地依据同一套数据来进行，保证了整个工程快速有效的完成。工艺流程主要由以下几个步骤组成：①主程序将甲方指定的图像转化为立面面板数据，并生成机器所需的数据（矢量图或G-Code）；②激光切割机切割钢板，形成平面的菱形构件，再由折弯机加工成特定的角度；③冲床把钢板加工成开孔面板，包括给菱形构件预留的开孔；④菱形构件固定并焊接在开孔面板上，面板单元体完成；⑤把面板安装在建筑立面上，幕墙工程完成。

该项目意外地展现出了定制化建造的优势。在我们提交图纸后不久，青奥指挥部要求更换立面呈现的图案，因此所有面板中的开孔和弯折细节都须改变。我们把新的图案输入程序，在两分钟内重新生成7 000多张加工图纸（实为数据）。这种灵活性是传统绘图模式所不具备的。青奥工程采用了系统化的“数字链”生成设计技术，将人为误差降至最低，程序控制范围涵盖了设计、加工及节点生成的方方面面。虽然整个幕墙工程十分繁复，但我们建立的缜密的数控加工方法精确地控制了最终产品的每一个细节。




六　结语

以上四个数控建造项目都反映出数控加工技术的一些共同点：①加工方法、材料特性与产品特点相契合；②统一的数据贯穿工程的所有阶段（设计、加工、建造等）；③通过编写程序严格地控制加工过程中的每一个细节。

这些特点促使建筑师转变传统的角色。以前建筑师更关注工程的“前半段”，对施工建造等“后半段”控制力非常有限。但在数控建造项目中，建造与设计密不可分。这势必要求设计师实质性地掌握计算机程序、材料、加工设备等技术因素。定制化、个性化建造是必然的趋势，例如BIM技术在建筑界的长足发展就是一个佐证。随着传统制造业、建筑业的回落，数字化制造（建造）技术即将成为产业的推动力。它一方面与用户需求息息相关（定制），另一方面也会推动相关产业中技术与人员的重新配置。