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免燒環保古建筑青磚貼片制作技術原理及方法

時間:2020-01-22 10:34作者:董嘯 孫保燕 王楊玚
本文導讀:這是一篇關于免燒環保古建筑青磚貼片制作技術原理及方法的文章,傳統普通燒結磚在各個生產流程均有著高污染高排放高能耗等的尖銳問題,在現今環境保護的大背景下,亟待開發一種環保無污染低排放節能的環保型建材,并通過各種有效手段保證在該產品生產的各個流程上都保證滿足環境影

  摘    要: 在古建筑保護及修復過程中,為不損傷現存古建筑結構并達到修舊如舊、新建如舊的效果,本文以現代非接觸測繪技術和藍天保衛戰理念為基礎,研發免燒環保高仿古建筑青磚貼片及小青瓦技術和產品,形成一套可產業化的制作工藝技術和工法。在鄉村振興、傳統建筑修繕及重建中,實現剛性需求的建筑材料制作不占用耕地、免燒、環保、耐久、節能的目的。

  關鍵詞: 免燒; 節能環保; 高仿古建筑材料; 非接觸測繪;

  Abstract: In the process of ancient building protection and restoration, in order not to damage the existing ancient building structure and achieve the effect of repairing the old as well as before, so based on the modern non-contact mapping technology and the concept of blue sky protection, the technology and products of the black brick patch and the small black tile with high imitation, unburned and environment-friendly are researched and developed to form a set of industrialized production technology and methods. In rural revitalization,traditional building repair and reconstruction, it realizes the goal of the rigid demand of building materials farmland-free, unburned,environmental protection, durable, and energy saving.

  Keyword: unburned; energy saving and environmental protection; high antique building materials; non-contact mapping;

  0、 引言

  傳統普通燒結磚在各個生產流程均有著高污染高排放高能耗等的尖銳問題,在現今環境保護的大背景下,亟待開發一種環保無污染低排放節能的環保型建材,并通過各種有效手段保證在該產品生產的各個流程上都保證滿足環境影響評價的標準體系。

  現存的古建筑生存情況很不樂觀,一是自然破殘嚴重,二是人為破壞嚴重,三是修繕、改造和新建古建筑缺乏與之匹配的建筑材料[2]。雖然已經有改造的新建古建筑物采用燒制的青磚貼片,由于顏色、表面紋路與古代青磚相差很大,尤其是局部地方立面裝修時,采用涂料描繪“青磚灰縫”,極大的降低了古建筑群落的鑒賞價值[2]。

  1、 主要研發內容

  本項目利用先進的非接觸測繪技術和三維激光掃描,對古建筑青磚(基石)和小青瓦等古建筑配件進行精細準確測量,建立精準的古建筑配件三維模型數據模型和數據庫;采用現代環保材料制作高精度模具和澆筑生產高仿古建筑配件,代替傳統的燒結青磚和小青瓦,直接完美貼于外墻面和屋面敷設,真正達到免燒、環保、節能、仿真的要求,形成一套可產業化的制作工藝技術和工法。
 

免燒環保古建筑青磚貼片制作技術原理及方法
 

  研發成果具有自主知識產權,處于國內先進水平,填補國內空白,解決了現在古建筑修繕、重建和鄉村振興中農村住宅建設中古建筑材料匱乏、新建筑材料嚴重缺乏古建筑歷史韻味的共性難題。研發環保節能高仿古青磚(基石)貼片,直接貼于磚墻(或混凝土構件)外面,形成古建筑青磚墻(基石)效果,不對建筑墻體做任何改動,建設成本低,不占用耕地,無污染,且有一定的保溫隔熱效果;研發環保節能非燒結高仿古小青瓦,直接代替現在使用的黏土燒結小青瓦鋪設屋面,解決現在使用的黏土燒結小青瓦占用土地、燒結污染、不耐久等問題。

  2、 技術原理及方法

  2.1、 技術原理

  第一步,使用三維激光掃描、光柵掃描、近景攝影測量、傾斜攝影等非接觸測繪技術,以三維激光掃描、多基線數字近景攝影測量系統為主,輔以GPS和全站儀協同工作多設備共同工作,將實際物體數字化。第二步,通過對空間曲面輪廓線的提取,并根據輪廓線的匹配結果,實現殘損物體的拼接復原。第三步,使用數字雕刻系統進行局部修整,以及數學形態學方法生成物體的三維數字點云,最終建立精確的3D模型。第四步利用逆向工程所建立的三維模型,利用3D打印技術進行打印,得到模型的母本。第五步,使用硅膠材料對模型進行翻模,得到高強度澆筑模型。第六步,利用先進的配方和工藝制作漿狀體進行澆筑。第七步,初成品脫模后,經過養護和修整得到最終成品。

  2.2、三維模型建立

  2.1.1、 非接觸式測繪

  本產品主要利用非接觸式測繪技術,即三維激光掃描+三維光柵掃描+傾斜攝影測繪技術有機整合,實現多影像、多模式立體匹配,得到古建筑以及建筑配件等的三維電子信息模型。利用先進的非接觸測繪技術(Noncontact mapping technology)和三維激光掃描(3-dlaser scanning),對古建筑以及建筑配件進行精細準確測量[4],建立精準的建筑配件三維模型數據庫。

  2.1.2、 多設備協同工作基線選擇

  采用非接觸式測量模式技術,以三維激光掃描、多基線數字近景攝影測量系統為主,輔以GPS和全站儀協同工作,把各個設備采樣數據有機集合形成所需要的大數據。

  2.1.3、 數學形態學方法在建筑測繪中的應用

  運用數學形態學方法生成有利于進行特征提取、邊緣檢測的新圖像,為建筑物影像特征點、線的半自動或自動提取提供支持。同時也可大大提高工作效率和精準性。采用RTS控制下的影像前后交替法平差獲得大型(復雜)建筑物空間的幾何分布,并通過在不同測站和不同角度處節點點位(檢核點)的重復采集,獲得檢核點三維坐標和公共基線及數據采集的精度誤差彌合等。

  2.1.4 、空間立體匹配技術的應用

  利用空間立體匹配技術,使用三維激光設備得到數字化建筑物三維模型,提取空間曲面輪廓線,并根據輪廓線的匹配結果實現殘損文物的拼接復原。該技術關鍵主要由曲面模型的匹配拼接、三維曲面模型的融合和曲面的三維編輯[5],構造自動拼接與手工調整相結合的文物復原過程模型,最后將三維數字模型導入快速成型設備,得到微縮建筑實體進行檢查,為文物的研究及保護提供準確的科學數據。

  2.1.5、 數字雕刻技術(3D打印)

  上述建立的古建筑配件(青磚)三維數字點云,局部地方的銳度不夠突出,需要用數字雕刻系統進行局部修整,充分展示古建筑(如大門、牌坊等構件)中繁復的文字、花紋等細節精湛的人工雕刻技藝。根據測量的幾何數據,結合古建筑的“點、線、面”,利用數學形態學實現形態學分析和處理算法的并行,從而更加精確地建立出古建筑的3D模型。

  圖1 修整完成的小青瓦數字模型
圖1 修整完成的小青瓦數字模型

  2.2、 族庫的建立及維護

  族庫的建立應包括前期族構件的分類規劃和族構件的創建、中期的應用和反饋和后期族庫的拓展和維護三個階段。

  前期主要是族構件的創建和分類規劃是工作量最大且繁瑣的步驟,同時也是族庫的支撐和根本,族庫的數量和精細程度影響后期在工程項目的適用性和建模效率[6]。族構件創建完成以后,需進行族庫的分類規劃和審核,其必要性有三點:一是將工程構建的族文件及幾何信息、功能信息、物理信息采用數據庫的模式進行是管理的基礎;二是引入索引技術將方便后期的快速檢索;三是族在入庫前進行審核,建立標準進行統一的規范,在影響族庫的質量同時也解決著族庫在不同操作人員的共享問題,方便應用時的快速出圖。

  中期的應用和反饋優勢是在族庫中檢索方便可以提高工程師在整個工程的效率,只需從族庫中直接調取所用的構件在逆向工程中進行裝配,讓工程師可以把工作重心放在裝配過程和深化設計上,不必一直重復建模任務。應用的同時在工程項目中發現的問題可以進行反饋,即在應用初始族的過程中根據實際工程的需要不斷完善和補充缺少的參數化構件,不斷優化族庫的數量和質量。

  后期族庫的拓展和維護即在族庫建立后,可以把庫上傳到共享服務器,讓工程信息可以得以共享,但同時為了保護族庫的知識產權,系統管理員可以對使用族庫的工程師進行權限管理,分配包括查看,編輯,刪除等操作的權限。后期族庫的拓展和維護是族庫質量的保障,讓族庫處于不斷更新狀態,適應新工程不斷拓展應用的需求。

  圖2 族庫的建立與維護流程
圖2 族庫的建立與維護流程

  2.3、 免燒結仿古青磚貼片

  2.3.1、 現代制模技術、快速脫模技術

  利用上述數字三維模型,解決數字雕刻(3D打印)中格式轉換圖元缺失問題,成功轉換為3D打印設備能夠完全傳輸的模型;然后采用數字雕刻技術(3D打印)打印以PLA(低熔點塑料)為材料的3D模型,形成初步的模型,以此模型為母本,進行硅膠翻模,制作高強度、變形小、使用次數多的澆筑模具。澆筑生產前,于硅膠模具內表面涂刷一層脫模劑,達到節能、減低成本、縮短工期的效果,以制作出高仿古建筑配件(青磚、基石、小青瓦)。

  圖3 硅膠模具
圖3 硅膠模具

  2.3.2、 先進配方和工藝

  高仿古建筑配件(青磚)要充分顯示古代建筑配件(青磚)的表面紋路、色調、機理,又要具有一定的強度和耐久性,因此配方要充分考慮各種材料的相容性及綜合性能最優化。初步選擇使用的材料有建筑垃圾及砂、水泥、高強纖維、著色劑、納米增粘劑、早強劑等。

  由于產品產量和材料的特殊性,生產工藝采用半機械化生產,我們對工藝和必要的生產設備進行研發,采用輕質早強纖維砂漿澆筑技術、快硬輕質纖維砂漿制作工藝,在水泥凈漿中加入高強度細纖維、納米增塑劑等添加劑,使產品在14天內達到強度要求的90%,以期達到高效、節能環保、高質的要求。

  2.3.3、 仿古建筑配件制作

  通過精細測量與數字建模,可以得到古建筑及各構件的精確數字模型。

  在獲取建筑物的三維立體模型尺寸后,按照古代建筑常規做法,經過計算機大量的復原計算,修復實際建筑物缺陷,達到理想化的建筑原貌。然后借助先進的數字雕刻技術或3D打印機,按照一定的縮放比例打印建筑物的立體模型,進行精細拼裝、飾面,形成按比例縮小的建筑模型,供展覽展出使用[7]。通過3D打印等方式即可利用原數字模型數據,從而保證制造出尺寸精準的仿制構件實物模型。

  圖4“福字”實物模型及成品
圖4“福字”實物模型及成品

  2.3.4、 先進施工技術

  研發的高仿古建筑配件(青磚)為具有一定面積的貼面材料(厚度10mm左右),為了保證整體墻面的統一,接口處采用馬牙槽(梯形)接口,粘貼固定后要有相當的強度和耐久性,因此對現場施工有相當高的技術要求。初步研發確定采用水泥砂漿(加粘合劑)+固定措施,保證施工精度、整體穩定和耐久性。

  3、 結束語

  通過非接觸測繪技術集成,構件信息化建模,精確制模,快速脫模等多個技術,試制免燒節能環保高仿古建筑青磚青石貼片和小青瓦,經實際試用,效果良好,得到了省市領導和游客的一致好評。

  參考文獻

  [1]趙培青.古建筑的保護和修繕探討[J].文物鑒定與鑒賞,2019(17):90-91.
  [2][3]徐磊.古建筑保護與利用探究[J].文物鑒定與鑒賞,2019(07):64-65.
  [4]周術誠.三維復雜形狀拼接與破碎物體復原技術研究[D].西北大學,2007.
  [5]許志堅,陳少偉,羅遠峰,蔚俏冬,焦柯.基于Revit的正向設計族庫建設研究[J].土木建筑工程信息技術,2018,10(06):102-106.
  [6]劉珌卿.模具制造中3D打印技術的應用研究[J].現代工業經濟和信息化,2019,9(08):51-52.
  [7]黎煒.建筑行業粉塵污染控制中政府作用研究[D].云南財經大學,2016.

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