本文摘要：摘要：在古建筑保護及修復過程中，為不損傷現(xiàn)存古建筑結(jié)構(gòu)并達到修舊如舊、新建如舊的效果，本文以現(xiàn)代非接觸測繪技術和藍天保衛(wèi)戰(zhàn)理念為基礎，研發(fā)免燒環(huán)保高仿古建筑青磚貼片及小青瓦技術和產(chǎn)品，形成一套可產(chǎn)業(yè)化的制作工藝技術和工法。在鄉(xiāng)村振興、傳統(tǒng)
摘要：在古建筑保護及修復過程中，為不損傷現(xiàn)存古建筑結(jié)構(gòu)并達到修舊如舊、新建如舊的效果，本文以現(xiàn)代非接觸測繪技術和藍天保衛(wèi)戰(zhàn)理念為基礎，研發(fā)免燒環(huán)保高仿古建筑青磚貼片及小青瓦技術和產(chǎn)品，形成一套可產(chǎn)業(yè)化的制作工藝技術和工法。在鄉(xiāng)村振興、傳統(tǒng)建筑修繕及重建中，實現(xiàn)剛性需求的建筑材料制作不占用耕地、免燒、環(huán)保、耐久、節(jié)能的目的。
0引言
傳統(tǒng)普通燒結(jié)磚在各個生產(chǎn)流程均有著高污染高排放高能耗等的尖銳問題，在現(xiàn)今環(huán)境保護的大背景下，亟待開發(fā)一種環(huán)保無污染低排放節(jié)能的環(huán)保型建材，并通過各種有效手段保證在該產(chǎn)品生產(chǎn)的各個流程上都保證滿足環(huán)境影響評價的標準體系�，F(xiàn)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(jīng)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[3]。
1主要研發(fā)內(nèi)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(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫;采用現(xiàn)代環(huán)保材料制作高精度模具和澆筑生產(chǎn)高仿古建筑配件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燒結(jié)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(huán)保、節(jié)能、仿真的要求，形成一套可產(chǎn)業(yè)化的制作工藝技術和工法。
研發(fā)成果具有自主知識產(chǎn)權(quán)，處于國內(nèi)先進水平，填補國內(nèi)空白，解決了現(xiàn)在古建筑修繕、重建和鄉(xiāng)村振興中農(nóng)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(fā)環(huán)保節(jié)能高仿古青磚(基石)貼片，直接貼于磚墻(或混凝土構(gòu)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(fā)環(huán)保節(jié)能非燒結(jié)高仿古小青瓦，直接代替現(xiàn)在使用的黏土燒結(jié)小青瓦鋪設屋面，解決現(xiàn)在使用的黏土燒結(jié)小青瓦占用土地、燒結(jié)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(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)為主，輔以GPS和全站儀協(xié)同工作多設備共同工作，將實際物體數(shù)字化。第二步，通過對空間曲面輪廓線的提取，并根據(jù)輪廓線的匹配結(jié)果，實現(xiàn)殘損物體的拼接復原。第三步，使用數(shù)字雕刻系統(tǒng)進行局部修整，以及數(shù)學形態(tài)學方法生成物體的三維數(shù)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(jīng)過養(yǎng)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(chǎn)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(xiàn)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(Noncontactmappingtechnology)和三維激光掃描(3-dlaserscanning)，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(shù)據(jù)庫。
2.1.2多設備協(xié)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(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)為主，輔以GPS和全站儀協(xié)同工作，把各個設備采樣數(shù)據(jù)有機集合形成所需要的大數(shù)據(jù)。
2.1.3數(shù)學形態(tài)學方法在建筑測繪中的應用
運用數(shù)學形態(tài)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)字化建筑物三維模型，提取空間曲面輪廓線，并根據(jù)輪廓線的匹配結(jié)果實現(xiàn)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(gòu)造自動拼接與手工調(diào)整相結(jié)合的文物復原過程模型，最后將三維數(shù)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(shù)據(jù)。
2.1.5數(shù)字雕刻技術(3D打印)
上述建立的古建筑配件(青磚)三維數(shù)字點云，局部地方的銳度不夠突出，需要用數(shù)字雕刻系統(tǒng)進行局部修整，充分展示古建筑(如大門、牌坊等構(gòu)件)中繁復的文字、花紋等細節(jié)精湛的人工雕刻技藝。根據(jù)測量的幾何數(shù)據(jù)，結(jié)合古建筑的“點、線、面”，利用數(shù)學形態(tài)學實現(xiàn)形態(tài)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。
2.2族庫的建立及維護
族庫的建立應包括前期族構(gòu)件的分類規(guī)劃和族構(gòu)件的創(chuàng)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(gòu)件的創(chuàng)建和分類規(guī)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(shù)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(gòu)件創(chuàng)建完成以后，需進行族庫的分類規(guī)劃和審核，其必要性有三點：一是將工程構(gòu)建的族文件及幾何信息、功能信息、物理信息采用數(shù)據(jù)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(tǒng)一的規(guī)范，在影響族庫的質(zhì)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(yōu)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(diào)取所用的構(gòu)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(fā)現(xiàn)的問題可以進行反饋，即在應用初始族的過程中根據(jù)實際工程的需要不斷完善和補充缺少的參數(shù)化構(gòu)件，不斷優(yōu)化族庫的數(shù)量和質(zhì)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(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)管理員可以對使用族庫的工程師進行權(quán)限管理，分配包括查看，編輯，刪除等操作的權(quán)限。后期族庫的拓展和維護是族庫質(zhì)量的保障，讓族庫處于不斷更新狀態(tài)，適應新工程不斷拓展應用的需求。
2.3免燒結(jié)仿古青磚貼片
2.3.1現(xiàn)代制模技術、快速脫模技術
利用上述數(shù)字三維模型，解決數(shù)字雕刻(3D打印)中格式轉(zhuǎn)換圖元缺失問題，成功轉(zhuǎn)換為3D打印設備能夠完全傳輸?shù)哪Ｐ?然后采用數(shù)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(shù)多的澆筑模具。澆筑生產(chǎn)前，于硅膠模具內(nèi)表面涂刷一層脫模劑，達到節(jié)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)。
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(diào)、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(yōu)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(chǎn)品產(chǎn)量和材料的特殊性，生產(chǎn)工藝采用半機械化生產(chǎn)，我們對工藝和必要的生產(chǎn)設備進行研發(fā)，采用輕質(zhì)早強纖維砂漿澆筑技術、快硬輕質(zhì)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(chǎn)品在14天內(nèi)達到強度要求的90%，以期達到高效、節(jié)能環(huán)保、高質(zhì)的要求。
2.3.3仿古建筑配件制作
通過精細測量與數(shù)字建模，可以得到古建筑及各構(gòu)件的精確數(shù)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(guī)做法，經(jīng)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(shù)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(shù)字模型數(shù)據(jù)，從而保證制造出尺寸精準的仿制構(gòu)件實物模型。
2.3.4先進施工技術
研發(fā)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(tǒng)一，接口處采用馬牙槽(梯形)接口，粘貼固定后要有相當?shù)膹姸群湍途眯�，因此對現(xiàn)場施工有相當高的技術要求。初步研發(fā)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(wěn)定和耐久性。
3結(jié)束語
通過非接觸測繪技術集成，構(gòu)件信息化建模，精確制模，快速脫模等多個技術，試制免燒節(jié)能環(huán)保高仿古建筑青磚青石貼片和小青瓦，經(jīng)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：
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[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(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2019，9(08)：51-52.
[7]黎煒.建筑行業(yè)粉塵污染控制中政府作用研究[D].云南財經(jīng)大學，2016.
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