计算机辅助建造技术（CAM）在风景园林规划设计阶段的应用探索

冯潇 王文韬FENG Xiao WANG Wen-tao

计算机辅助建造技术（CAM）在风景园林规划设计阶段的应用探索

冯潇 王文韬
FENG Xiao WANG Wen-tao

计算机辅助建造技术（CAM）是利用计算机技术和三维成型技术进行辅助生产和建造的一系列技术的统称。对当前较为普及的CAM输出技术如激光雕刻、CNC数控机床和3D打印的运作原理和输入流程进行了简介，并且阐述了CAM技术在风景园林规划设计阶段中的应用潜力：对场地条件进行清晰直观的再现；对设计草案进行反复多次的实物推敲；对设计方案进行理性量化的物理验证；对设计成果进行快速精确的实物表现等。最后，认为CAM技术有望弥合风景园林从场地到规划设计再到场地过程中的信息错位，让风景园林规划设计拥有三个维度的实体操作平台。

计算机辅助建造（CAM）；数字化建造；激光雕刻；CNC数控机床；3D打印

修回日期：2016-02-04

1　前言

1.1计算机辅助建造技术

计算机辅助建造简称CAM（Computer Aided Manufacturing），在建筑学界常被称作数字化建造（Digital Fabrication），是利用计算机技术和三维成型技术进行辅助设计和建造的一系列技术的统称。

CAM系统运作的工序可以分为输入和输出两部分，输入部分是指将建造目标转化为工序动作代码的过程：即将建造目标的三维数字模型，转化、编译成三维成型工具的动作路线和工序内容代码（如CNC数控机床的输出信息是刀具加工时的运动轨迹工序）。输出部分是指由数控三维成型工具（如激光雕刻机、CNC数控机床、3D打印机、工业机器人等）依据工序代码将数字模型加工装配成实体的过程。

1.2本文的研究领域

如果我们将风景园林的全周期过程拆分成规划设计、实施建造、管理养护3个阶段的话，CAM技术的应用可以贯穿其始终。CAM技术在实施建造阶段的应用已经不是新鲜事：在瑞士，基于卫星定位的工程车辆根据数控程序进行地形土方作业（图1）；在美国麻省理工大学（MIT），工业机器人将巨型石材加工成石拱并拼装成纪念碑（图2）；在荷兰阿姆斯特丹，拥有3D打印外立面的会议建筑已经建成并投入使用（图3）。

由于篇幅所限，本文重点探讨CAM技术在风景园林规划设计阶段中的应用，即在实施建造阶段和管理养护阶段之前，CAM技术能够给风景园林师们提供怎样的帮助。

2　CAM部分输出技术简介

CAM技术平台是极具开放性的，任何基于数控技术的输出设备都可以被运用到这个平台上，并且根据设计和建造的需要随时进行替换。本文只介绍一些在风景园林规划设计阶段容易推广和运用的输出技术。

2.1激光雕刻

激光雕刻是以数控技术为基础，激光为加工媒介，对于板材进行二维轮廓切割和雕刻的技术。［1］

激光雕刻机运作的原理是：首先通过电力产生激光束，激光束经透镜聚焦后照射到板材表面，处在激光焦点位置的板材因急剧升温而迅速的融化，当激光头沿一定路径运动时，即可在板材表面雕刻出图案或完成板材切割。激光雕刻以激光为“刀具”，加工过程中不与加工材料有物理接触，根据激光头灼烧时间的长短，可在板材上划线或直接切割，非常适合薄板的加工。激光雕刻几乎可以对任何材料进行加工，常见的材料为有机玻璃、塑料、玻璃、竹木、泡沫塑料、布料、皮革、橡胶板、石材、PVC板、石材、纸张、金属板、喷塑金属等。但受到激光发射器功率的限制，激光雕刻的耗材主要以非金属材料为主。

作为应用时间较长的一种CAM输出工具，激光雕刻机在建筑学和城乡规划学的运用已经相当成熟，是许多高校和模型公司加工制作模型的主要输出工具。由于激光雕刻机主要适用于平面板材切割和图案雕刻，因此它主要是一种二维平面输出设备（图4）。

2.2CNC数控机床

CNC数控机床（Computer numericalcontrol machine tools）是一种装有程序控制系统的自动化机床。该系统能够处理具有控制编码的程序，将其译码成为工序动作并加工材料，是一种三维实体输出设备。［2］

CNC运作的方式是一个对材料做减法的过程，其工作原理是通过具有3轴或4轴的夹具和铣削刀具，按照严格设计好的刀路进行有先后顺序的粗雕及精雕，逐步切削材料至设计目标。CNC可以雕刻的耗材主要为泡沫板、塑料、木材等软质材料，装备合金刀头的CNC数控机床也能铣削金属材料。

由于大型CNC过于昂贵的成本、繁琐的操作流程，使得一般设计人员很难接触到这样的设备。近年来，广泛的市场需求促成了数控机床的小型化及民用化。瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）建筑系的LVML实验室、德国安哈尔特应用技术大学（AUAS）都开发出自己的CNC“迷你机”，即小型化、简单化的CNC，它造价低廉，既便携，可移动，又不需要较多的操作经验。由于该装置工作时相对安静且封闭，锋利的刀头和铣削产生的碎片都被包裹在装置中，运行安全系数较高，可以方便的适用于学校和设计工作室，用以探索风景园林的参数化设计以及复杂多样的空间结构（图5）。

2.33D打印

3D打印是近几年发展最为迅猛的CAM技术，它以数字模型为基础，通过逐层打印的方式来构造模型，这种技术几乎可以输出任何形状的三维模型。［3］

3D打印机采用了分层加工、堆叠成型的原理来完成三维实体打印：根据打印精度，3D打印机将数字模型切割为0.05-0.2mm的层，从最底层开始，根据截面信息，逐层打印，当打印完当前层后，模型下移层厚高度（相当于打印头上移层厚高度）后打印其上面一层，以此循环直至打印完成。根据塑形方式及耗材的不同，可将3D打印分为挤压、层压、光聚合、粉末粘合、热烧结等几种类型。但基于成本、功耗、便捷程度等角度考虑，目前最常见的打印类型为挤压式及光聚合式两种，前者以PLA聚乳酸及ABS塑料作为打印耗材，打印出模型外表有拉丝痕迹；后者以光敏树脂作为打印耗材，“打印喷头”为激光光束，定位点精准且小，打印的模型表面平整光滑。

3D打印能够实现整体打印一次成型，有着CNC数控机床及激光雕刻机不能比拟的便捷性。但相对于CNC数控机床和激光雕刻机，3D打印的容错性最低，若出现虚打等问题只能重新打印；打印时长随打印精度的增加而呈现指数级增长；但随着技术的进步，3D打印技术有望逐步克服上述的缺点。另外，市面上小型化的3D打印机已经相当普及，耗材的价格也非常平易近人，可以说3D打印机已经进入了平民化时代，完全可以在高校和设计机构中推广和普及（图6）。

3　CAM的输入技术流程

3.1建立三维数字模型

CAM的输入首先是三维数字模型的建模。有别于一般三维数字建模，CAM模型各组件的构造要能满足后期组装的便利性及稳固性要求。在以往建模中，模型各组件衔接均“严丝合缝”，但在输出实物模型之前，需根据输出设备及材料特性在组件接缝处做出一定比例的空隙，以便于模型拼装，若空隙过小，模型无法拼装，若空隙过大，模型则不够稳固。

3.2将三维数字模型模型转换为G代码

G代码（G-code），是一种数字化控制代码，是CAM输出设备的工序指令。［4］不论何种CAM输出设备，均由计算机控制雕刻头（CNC刀头/3D打印机喷头/激光雕刻头）按照事先设定的轨迹进行运动，G代码即为计算机的控制指令。G代码由控制代码和点坐标构成，点坐标引导机器雕刻头沿预定轨迹运行，完成工序动作。

激光雕刻机一般以打印机形式安装到计算机上，我们只需要在AutoCad软件中画好雕刻和切割路径，并设置成不同颜色，调整机器设置中不同颜色对应的激光功率、移动速度等便可发送至机器，机器会自动生成G代码后自动打印。

CNC数控机床的G代码生成过程最为复杂，首先需要根据机床尺寸确定雕刻板材尺寸，之后将数字模型各组件排布至可雕刻区域，需要雕刻的面朝上，各组件之间应留有安全间隙。模型排布好后，导入到G代码生成软件（如PowerMill）中，设置雕刻刀头、夹具、转速、刀具补偿及偏置、进给速度、安全高度、步距、切入切出位置等参数，按照粗雕--精雕的顺序完成刀路设计，即可导出G代码（图7）。

3D打印机需将建好的三维数字模型导入诸如Cura这样的G代码生成软件，依次设置打印层厚、喷头温度、打印速度、填充率等参数，就会自动生成G代码，输入3D打印机即可打印（图8）。

4　CAM在风景园林规划设计阶段中的应用革新

4.1现场再现——对于场地条件进行清晰直观的再现

风景园林规划设计的第一个阶段就是相地，即获取场地基础信息并对其加以解读的过程。在这个阶段，目前获取场地基础信息的方式主要以实地踏勘和向有关部门索取资料（如地形图、航片、水文资料、地理资料、植被资料等）为主。这些场地基础信息的表达方式往往是以二维图像和文字描述形式呈现的，比如风景园林师的方案草图通常是建立在一张二维地形图上的，这种二维地形图遗失了大量三维场景中的要素，诸如复杂地形的空间感、植被信息和水文信息等，很难对现场进行直观而全面的再现。

可见，由于场地信息表达方式的缺陷，许多项目是在设计师没有充分掌握和理解基地信息（特别是竖向信息）的情况下展开的，导致设计无法与场地充分对接，造成不必要的设计反复和工程浪费。

而CAM技术能够帮助风景园林师从设计的初始阶段就充分掌控场地信息。风景园林师可以借助大尺度3D激光扫描仪来获取场地地理信息，或使用小型无人机（UAV）来拍摄场地的航空影像，再将所得到的数字信息进行整理汇总，形成三维数字模型。接下来可以用CNC数控机床、3D打印机等CAM工具将数字模型输出为物理实体来指导规划设计。

北京林业大学风景园林规划设计研究院的研究团队对广东省惠州市巽寮旅游度假区一块面域约76hm2的自然山林地进行了数字信息收集，并利用小型CNC数控机床输出该地块1:2 000的地形实体模型。在这个过程中，现场极为复杂的地貌能够通过实体模型进行直观而充分的呈现，使我们能够直观考量和分析设计基地，建立更加精确的空间参考系，为设计的推进提供了坚实的基础（图9）。

4.2设计推敲——对于设计草案进行反复多次的实物推敲

通常风景园林师习惯在二维草图上进行设计草案的推敲，通过层层叠加的半透明纸，设计方案被反复推敲演进成型。然而，二维草图虽然能够给设计方案提供一个最基础的操作平台，却严重缺乏对于竖向的直观推演能力。风景园林是建立在地表之上的，竖向设计是风景园林规划设计的基础，其重要性不言而喻，将三维的地貌用二维等高线表达出来、再通过二维等高线推敲竖向设计的方式犹如隔靴搔痒，无法给风景园林师提供一个直观的设计操作平台。

CAM技术则使三维实体设计操作平台成为可能。为了让风景园林师能够在基地与方案之间建立一种直接的空间思维上的联系，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）建筑系的LVML实验室发展出一套名为沙盒（Sandbox）的操作平台。首先，研究人员将设计基址的地形生成数字三维模型，再将其转化为负模并用CNC数控机床雕刻出来。接下来，负模被倒扣在一个盛满粘性沙子的模型工作台上，压实再揭开负模后，沙子就形成了设计基址的原始三维模型。设计师可以在这个原始地形模型的基础上用雕刀和小铲之类的工具进行反复的推敲，以形成理想的设计方案。沙盒上装有小型3D扫描仪，可以将沙子模型随时转化成为数字模型，进行存储并且利用专业软件生成二维等高线。若设计师认为对于方案的推敲不理想，则可以利用负模使沙子回归原形并重新来过（图10 ）。［5］

ETH的实践证明，人们面对三维实物时往往能够发挥更强大的创造力，手工的控制更能够直接反映设计师对于空间的直觉和潜意识。因此，极有必要推广这种能够让设计方案从抽象的二维图像中解脱出来的三维实体设计操作平台。

4.3设计验证——对于设计方案进行理性量化的物理验证

一直以来，风景园林师迫切需要在设计过程中进行物理验证和量化评价。由于风景园林设计方案在建成后必须面对重力、风、土、水、动植物、人等多种自然和人工作用的影响，要做出更加科学的设计，就必须酌情对设计方案进行分析、验证和优化（如水文模拟、径流计算、重力沉降、土方平衡等）。

虽然当代的数字化模拟技术能够辅助我们对设计方案进行较为科学的分析和精确的模拟（比如GIS 和Arcgis等软件能够进行大尺度土地利用、土壤、地形、植被等量化分析；Flow3d和Xflow等软件能够对潮汐、河流、湖泊、湿地等液态流体及风、大气等气态流体进行分析；Processing和Swarm等利用涌现理论的软件能够进行交通与活动类分析等），但是这些复杂的电脑程序往往需要花大量时间才能掌握，另外其运作时犹如黑箱操作一般的过程显的很不直观。

实践证明，由CAM技术建立的实体模型完全可以用来进行更为直观的物理验证。ETH的LVML实验室曾利用CNC数控机床将几组设计草案的数字模型雕刻成实体模型，再邀请水文专家在模型表面进行各种流体分析如冲蚀分析、沉淀分析等。通过物理实验生成的量化指标能够在设计阶段就对方案做出理性的评估，指导设计师对方案作出相对应的调整，再通过反复的测试来逐步优化设计成果（图11）。

4.4设计表现——对于设计成果进行快速精确的实物表现

一个设计方案的感染力在很大程度上取决于设计成果的表现手段，不同于在二维屏幕上展示的效果图和虚拟动画，三维实体模型所具备的全面的表现力和直观的视觉冲击力不言而喻。在CAM技术未普及的时代，三维实物模型往往由设计机构委托专业模型公司进行制作，除去模型公司高昂的制作费用和较长的制作周期，设计师还在很大程度上丧失了对模型的控制力。

另一方面，随着参数化设计方法的普及，景观的形态已经越来越多的从较为简单的几何形体转变为复杂的非线性连续曲面，这种形体已经很难用传统的方法进行准确的输出。

随着CAM技术的普及，设计机构完全有能力自己制作实物表现模型。北京林业大学风景园林规划设计研究院的团队发展出一套实物表现模型的制作方案：设计成果的数字模型被拆分成地表、构筑物和植被三部分，CNC数控机床被用来铣削地表模型；3D打印机可以输出具有更复杂结构（特别是非线性连续曲面）的构筑物（图12）；激光雕刻机能够在整块海绵上加工出代表植被的树丛。将这三个部分拼合起来，就形成了一个设计成果的实物表现模型。

CAM模型虽然方便快捷，其细节表现力仍然严重不足。设计师可以根据项目要求来对CAM模型进行更多的细节处理，从而更直观地表现设计意图。德国德累斯顿工业大学的团队，在3D打印机输出的模型表面，通过手工处理来刻画岩层结构的侵蚀效果，并模拟出岩石表面的雪和地表径流的，从而更好的传递细部信息，类似这种处理表皮的方式能够使CAM模型在科学与艺术之间找到一个平衡点。

5　总结

风景园林规划设计是一个基于场地进行规划设计再回归场地的过程，在这个过程中，由于规划设计之前风景园林师较难获得全面且直观的现场信息，规划设计成果又不容易得到理性量化的验证，使得最终反馈到现场的设计方案存在较大的误差。而CAM技术则避免了现场信息的大量缺失，植物、地形、水文等信息可以被直观地理解；设计进程中方案的各种假设又可通过CAM模型来“试错”，将问题随时反馈给设计师，既提高了工作效率，又避免许多重要信息被遗漏或错位。最后，传统的设计平台主要在二维平面上操作设计方案，CAM技术使得在三维实体空间直观的操作设计方案成为可能。

因此，CAM技术有望弥合风景园林从场地到规划设计再到场地过程中的信息错位，并且让风景园林在规划设计阶段真正拥有三个维度的实体操作平台。

注释：

图1引自：彼得·派切克，李雱，郭湧.竖向工程——智慧造景、3D机械控制系统、雨洪管理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2015：243. 图2引自：袁烽，阿希姆·门格斯，尼尔·里奇.建筑机器人建造［M］.上海：同济大学出版社，2015：93.图3引自：EUROPE BUILDING［EB/OL］.（2015-8-10）［2015-12-1］. http://www.dusarchitects.com/projects.php?categorieid=publicbuildings.图 10、 图 11引 自：James Melsom. Landscape Visualization and Modeling Lab［EB/OL］.（2009-02）［2015-12-1］.http://girot.arch.ethz.ch/landscape-education/chair-structure/landscapevisualization-lab.其余图片均为作者拍摄和绘制。

［1］激光切割机［DB/MT］. （2015-8-15） ［2015-12-1］. http://baike.baidu.com/link?url=rB68_ejEk3ZQVWdLyYV-4PgXPcjSzk15pidQi5oumdnmh6rlIixrVfg_fgNCTmQTN-xNcf6K-Fse-8S5Lsc1Ua.

［2］Numerical control ［DB/MT］. （2015-07）［2015-12-1］.https://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_control.

［3］3D Printing ［DB/MT］. （2015-7-15）［2015-12-1］.https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing.

［4］G-code ［DB/MT］. （2015-10-22）［2015-12-1］.https://en.wikipedia.org/wiki/G-code.

［5］Pia Fricker， Christophe Girot， Georg Munkel. How to Teach ’New Tools’ in Landscape Architecture in the Digital Overload ［J］.Computation and Performance，2014，（2）：546-553.

The Potential of Computer-aided Manufacturing （CAM） Technology in Planning and Design Phase of Landscape Architecture

Computer-aided manufacturing （CAM） is the series of technology which are used to aid to production and construction process. In this paper， the application and input process of current CAM techniques， such as laser cutting， computer numerical control tools and 3D printing are presented. In addition， we outlines the potential of CAM technology used in planning and design phase of Landscape Architecture： representing the site conditions in a highly accurate and visualized way； ameliorating the draft design repeatedly with physical models； accurate physical verification of landscape design； and quickly and accurately representing the design via physical models， etc. Finally， it is believed that CAM technology is able to correct the missed data between site condition collecting，landscape designing and constructing process， served as a platform for landscape architecture planning and design in three dimensions.

Computer-Aided Manufacturing （CAM）； Digital Fabrication； Laser Cutting； Computer Numerical Control （CNC）； 3D Printing

北京高等学校青年英才计划项目：风景园林数字化辅助分析评价平台运用及教学研究（YETP0745）

TU986

A

1673-1530（2016）02-0020-06

10.14085/j.fjyl.2016.02.0020.06

2015-12-16

冯潇/1981年生/男/新疆人/博士/北京林业大学园林学院副教授/北京林业大学风景园林规划设计研究院副院长/研究方向：风景园林规划与设计（北京100083）

王文韬/1987年生/男/山东人/硕士/北京林业大学风景园林规划设计研究院数字景观研究中心主任研究员（北京100083）

Fund Item: Beijing Higher Education Young Elite Teacher Project：Study on the digital platform of computer aided analysis & evaluation technology on landscape Architecture （YETP0745）