BIM+数控加工技术在仿古建筑施工领域的研究与应用
山西一建集团有限公司
BIM+数控加工技术在仿古建筑施工领域的研究与应用
山西一建集团有限公司
一、企业简介
山西一建集团有限公司(简称山西一建)为国有控股大型综合建筑施工企业。公司于1952年始创于北京，时直属建工部，后几经更名，隶属变迁，1978年划归山西改为山西省第一建筑工程公司。2012年6月，公司改制为集团有限责任公司，注册地太原。
集团公司拥有建筑工程施工总承包特级及工程设计建筑行业甲级资质,市政公用工程施工总承包一级资质以及园林古建、钢结构、地基与基础、建筑装修装饰设计施工一体化四项工程专业承包一级资质。此外，还有建筑智能化、机电安装、水利水电工程、铁路工程、电力、消防、冶炼工程施工及建筑幕墙工程设计与施工一体化等多项资质。
公司园林古建专业在全国和省内具有很高的知名度和较强的市场竞争优势，园林古建成为公司一大优势专业，技术实力雄厚。公司拥有古建专业国家级工法4项、省级工法18项，创国家级QC成果10项、省级5项、创建国家级科技示范工程1项、省级示范工程4项，甘肃省建筑科技成果奖1项，获得国家优质工程奖1项，甘肃省飞天奖2项。古建工程遍及天津、甘肃、山东和省内各地。以古建优势为依托，公司先后承建了鹳雀楼复建工程、天津市精武镇霍元甲旅游项目工程(天津市重点工程)、甘肃舍利塔、临汾华门等20余项园林古建工程，业绩显赫。公司为中国古建学会理事单位，成立的2个园林古建专业分公司，发展势头迅猛，实力日趋雄厚。
集团公司正在以加强战略管理，推进企业多元化发展，构建以房建为主，园林古建、钢结构、装饰装修、房地产和铁路工程为优势专业的多元板块体系，深化产权制度改革，推进资本运营，扩大经济规模，提升企业综合经营实力。公司坚持人才强企战略，以雄厚的技术管理实力，保证优质、高效完成现代化的高、精、尖、难、特工程。公司严格质量品牌管理，与各方完美合作，打造精品工程，帮助业主实现期待的价值。公司以“成为国内深受信赖的知名建筑品牌”为愿景，以“建造满意工程，创造发展机遇，营造和谐空间”为使命，以“共建、共享、共赢”为企业的核心价值观，以“富裕员工、回报股东、发展企业”为经营宗旨，深化改革，创新管理，为新老客户和合作伙伴提供至诚、至精、至美的优质服务，始终追求合作共赢，携手发展，共同缔造美好生活!
二、项目实施背景
对应行业、企业现状：目前国内木材加工使用数控加工技术的绝大部分是高档实木和具有民族风格的仿古家具，以及一些高档的室内装饰装修，将仿古木构件使用数控加工的案例极少;国外木材数控加工主要用于板材自动化生产与工艺品精雕。仿古木构件的数控加工技术研究与应用尚属空白。
顺应技术发展趋势：仿古木构件数控加工技术是将计算机数控技术应用于木材加工过程中，结合木材加工高速铣削的特性，实现加工刀具在各坐标轴空间内联动的直线插补或圆弧插补运动，以达到加工程序要求的精确位置和高速度，从而保证加工部件的质量和实现加工复杂的形状，提高加工产品的质量。
三、主要研究目标
木工数控技术在木材工业发达国家应用广泛，德国、意大利和日本等国家的木工机械制造厂商，相继推出了种类繁多、技术先进的数控镂铣机和数控加工中心，并且形成了四维或五维空间的多坐标轴联动的发展趋势。目前，我国大陆研制的木工数控镂铣机和木工数控加工中心，大多具有三维空间联动加工功能，如果为了满足四维或五维空间的加工要求而片面地追求数控系统多坐标轴的数量，虽然能够满足加工要求，但是数控系统的成本会呈几何级数的增加。
目前市场上的木材加工数控机床大部分是针对家具加工的，对于仿古木构加工需要解决以下问题：
1、扩大加工设备尺寸，适应加工大型木构件的需求。
2、开发研制适应的装夹工具，在加工过程中适应大型木构件加工过程中自身应力的变化。
3、改进完善编程设计适应各类木材材质与生长纹路，细化编程刀路轨迹与动作。
随着国民经济的快速发展，体现中华传统文化的仿古建筑大量兴起，而其中对木构件制作质量与工期的要求越来越高，使用现代数控技术对木构件进行制作与加工成为这类建筑的必然要求。
1、使用数控加工技术可将所有仿古木构件参数化，形成仿古建筑的三维模型。
2、使用数控加工技术可高质量、标准化、大批量的生产各类仿古木构件。
3、使用数控加工技术制作仿古木构件成品率高，经济效益可观。
4、使用数控加工技术可以工厂化生产、施工现场只需装配，实现绿色施工。
本项目主要通过将 BIM 技术与数控加工技术融合应用，提高木构件加工效率，提升木工加工成品率，构建仿古建筑的参数化模型，创新土木工程施工工艺。以达到加工程序要求的精确位置和高速度，从而保证加工部件的质量和实现加工复杂的形状，提高加工产品的质量与美感和技术附加值。
四、案例实施的方法和内容
仿古木构件数控加工技术研究与应用项目通过将将BIM技术、模拟技术、数控加工技术的融合应用，实现木构件的参数化标准加工，在BIM 建模的过程中对施工图纸进行仔细检查，同时省去人工放样时间，进一步提升木构件加工精细度及加工效率，降低施工成本。在现代化加工的基础上，进一步减少材料资源的浪费，实现智慧施工、绿色施工。
通过应用BIM技术实现了参数化建模;借助刀路模拟技术实现了数控加工全过程模拟预演定制研发数控加工设备实现了传统木构件的精准快速自动加工，进一步提升木构件加工精细度及加工效率。
五、案例实施阶段及成果
通过将 BIM 技术与数控加工技术融合应用，实现木构件的参数化标准加工，在BIM 建模的过程中对施工图纸进行仔细检查，同时省去人工放样时间，进一步提升木构件加工精细度及加工效率。通过数控加工技术可以减少对材料的损耗，节约自然资源的同时降低施工成本。
山西一建集团建立了仿古木构件数控加工研究中心，研究组成员主要包括：古建 BIM 技术研究人员，机械设备研究人员、编程人员、木工技师等。研究数控加工设备，满足实际古建筑施工需要，对现阶段研究成果持续改进。目前研究小组已研发定制 5 轴数控机床 1 台，3 轴数控机床 3 台，并对传统木工加工机械设备(刨、铣、切割等)进行升级改造，使其更加适用于硬度高、密度大的建筑用木材，如楠木、菠萝格等。
现阶段5轴数控机床可实现最大尺寸木构件加工的有效长度为 12m,直径为0.9m(方木最大宽度为 0.9m)，构件加工尺寸误差 值≤1mm。传统手工加工不仅耗时同时对木工技师技术水平要求高。以檐柱为例，传统手工加工，每加工1根檐柱，需要2位木工师傅加工2天才能完成;通过现阶段研究完成的数控加工设备，仅需1个台班就能完成1.5—2根檐柱的加工(8小时 /台班，1-2人/台班)，极大的缩短了加工时间。研究小组将在现阶段研究基础上，结合施工时间过程中的实际需求，不断进行程序、刀路及设备的改进，实现构件加工中斜角钻削、锯切、开槽、铣榫、修边、砂光、封边等工艺一次装夹即可完成，不断数控加工中心的综合性能。
通过BIM软件对构件进行详细拆分同时建立参数化模型，得到的模型转化为二维线画图，生成数控机床可识别刀路文件。
将刀路文件加载至数控加工模拟软件中进行加工刀路校验，模拟数控加工过程刀路行程。确保加工过程的准确度，减少因刀路问题导致的材料浪费，误工返工等问题。
模拟并确认的刀路文件，导入数控加工设备中，进行构件自动化加工。模拟并确认的刀路文件，导入数控加工设备中，进行构件自动化加工。
建立仿古木构件数控加工研究技术中心。同时，经过项目大批量木构件加工的检验，确保该技术满足古建施工项目的实际施工生产需求，并根据该技术的应用成熟情况，适时建立构件数控加工中心，实现仿古木构件自动化生产线的流水作业。
六、总结
仿古木构件的数控加工大多数功能可以在现有国内数控机床上实现，我公司也已研发定制了数台单元加工中心机床，并在明太原县城复建、安徽风阳明中都项目上进行了应用，国产机床在操作上更适合仿古木构件。即圆雕(六面实体雕)、浮雕上体现更好，目前较差的主要是镂空雕方面，这部分我们使用机械与人工结合的方式完成。同时也将我们的应用经验与需求总结提供给机械制造研发单位改进，共同提升国家的装备制造能力。
随着国家综合国力的提升，各类仿古建筑应用大量兴起，仿古木构件的数控加工一定会成为传统建筑与现代工艺相结合的典范，进行相关的研究与应用也必将前景广阔、大有可为。
