工业4.0背景下数字化砖构应用

2017-05-05朱琳

艺术科技 2016年11期

朱琳

摘要：工业4.0是在2011年德国政府在高技术战略2020中发布的一项全新的工业发展战略概念。主要是以智能制造为主的工业革命，在传统的制造技术基础上，与互联网技术相结合，实现智能工厂生产方式及更大竞争力的目的。更大竞争力指的是智能工厂中的几点要素，包括自动化、高效率、低消耗、低成本及高精度等。本文主要以工业4.0为背景，研究数字化砖构的现实应用。

关键词：工业4.0；数字化；砖构应用

数字化砖构指的是将传统的材料砖应用到现代建筑中，数字化砖构的两大前提是：数字化创新了砖的传统型，并且促进了砖的美学性；数字化创新了砖模块构造，使砖朝着复杂化及性能化的方向发展。由此可见数字化砖构在现社会中有着重要的作用，不仅创新了传统，还连接了未来。

1 浅析工业4.0

工业4.0也可以被称作“第四次工业革命”，它起源于2011年，由德国政府在汉诺威工业博览会确定的《高技术战略2020》中未来的十大项目之一，在其发展的过程中已经成为国家战略，创新了传统工业领域的研究与开发。

工业4.0实现了集中式控制转变为分散式增强型控制的目的，它的最终目标是创建一个具有较强灵活性、数字化、个性化的产品服务生产模式。在此模式中，将会创新传统的行业界限，出现不同的全新合作形式及领域，行业产业链将会重新组合。

工业4.0主要有两个主题，分别是智能工厂和智能生产。智能工厂指的是智能化的生产系统及过程，还包括网络化、分散化的生产设施；智能生产指的是行业企业中的生产管理、人与机器之间的互动和工业生产过程中3D技术的运用等。工业4.0吸引了众多的中小企业，使其能够在生产中使用智能化生产技术，从中获得相关的利益。同样这些中小企业在使用智能化生产技术的过程中也逐渐成为其的供应者和创造者。[1]

工业4.0四方面的优势：其一，产业集成。工业4.0中的工件、装备及其他部件都可以进行数据及信息互换，创新了集中式控制系统，成为分散式职能控制系统。在工作中依旧使用中央电脑进行，元件可以互相联网，自由配置，且整个过程中简单优化，并且能够独立完成订单生产中的不同需求；其二，产业集成的基础就是集成自动化，它具有状态监测、诊断及电气与气功自动化的特点，其中包括中断控制器、网络服务器的IT服务及压力传感器等；其三，物联网。工业4.0时代创新了混乱的现场总线现象，今后工业的发展将会是一个基于实施能力以太网的互联网协议。互联网协议具有简单的优势，在未来工业生产中不必再为设计机器的时间而费时费力；其四，简单便捷。工业4.0时代中，机器人能够辅助人类完成生产，智能传感器使机器人与人类一样，能够了解环境的变化，选择不同的路径，在任何環境中都能够有效的做出判断。[2]

2 砖

2.1 传统制造业的发展

在德国法兰克福展示中心有一座高为21米的动态雕像，雕像为一个锤击工人用锤子一下一下地敲击着一块金属。象征着我们的世界是由工人创造的，这座雕像是艺术家乔纳森.波洛夫斯基为了表示他对工人们的敬仰之情而创造的。随着时间的流逝和世界的不断改变，传统的抡着锤子的工人已经在此过程中逐渐消失。欧洲模具展是一项法兰克福举办的最大规模的贸易展览会，其中并没有一些要靠人们辅助且沾满油渍的老旧机器，而是一些由美国、欧洲及亚洲制造的具有自动化、赶紧的机械工具，人们可以坐在电脑前操作这些机械工具，其中锤子已经消逝。

在2011年举办的欧洲模具展中，3D打印技术终亮相，创新了传统由扭曲、敲击等一系列工具生产的过程，3D打印技术可以直接生产产品，我们可以将它称作“添加技术”。美国的一家三维公司就是用3D打印机只做了一把精美的锤子，由于锤子代表这工业革命的生产工具，在它被3D打印机创造出来的那一刻，就象征着传统的劳动制造时代已经过去了，迎来的是数字化、工业化的时代。[3]

2.2 砖的传统性

在建筑行业有这么一句话：“建筑学是由两块砖被认真排放在一起的那一刻开始的。”这句话出自德国著名的现代主义建筑大师密斯之口，砖是建筑行业中传统的材料，和工业制造中的锤子一样，都是行业的代表。

砖是社会及人类在发展过程中最为完善的建筑材料，在人类近万年的发展过程中，砖也不断地完善，包括重量、尺寸、材料、比例等等。在我国，砖也有着悠久的历史。在传统建筑设计与制造过程中，砖是最基础的材料，其重量及尺寸都适合工人的操作，在砌砖的过程中，对重量、砂浆的控制及砖的对齐都取决于墙面的视觉效果。这种传统的工业生产形势为人类表现了建筑的成品视觉，这也是建筑设计师与人们喜爱砌砖建筑的原因，砌砖建筑整体规整、具有仔细的细节，在创建成功之后的建筑纹理还会随着使用时间和墙面空间的变化而变化。那么锤子被3D打印技术创造的今天，砖又会发生着怎样的变化呢？[4]

3 砖的现代化与数字化

3.1 砖在建筑中的维护作用

密斯将“钢结构和玻璃”作为现代摩天楼建筑的构成，建筑设计的材料主要有两种：填充围护和框架结构。砖在传统中被密斯认为是建筑学的基础及要点，在建筑学发展迅速的过程中，砖由原本建筑的基础变为了现代建筑的维护材料，也从结构变为了填充，从承重变为了贴面。砖的现代化转变直接的反映了建筑工程由传统的手工业转变为了现代化的大型工业集约化。在机械化及工业化的背景下，建筑施工中砖的优点被逐渐取代，但是缺点也逐渐的显露出来。在手工业被机器取代的时代中，砖在建筑工程中的地位以不如之前，但是砌砖房子作为地域化的建筑形象深固在人们心中，所以面砖也取代了砖在大规模的建筑中被人们广泛应用。基层砖作为建筑物体维护内胆的作用，面层砖作为建筑物体美化的作用。

在传统的建筑工程中，砖有多功能性及统一性，同时还具有围合、保温等功能，可以构建一座建筑物。在现代建筑工业中，砖由面砖替代。面砖具有整齐、美化、可复制的特点。在社会不断演化的过程中，复制技术也在不断地演化，其主要特点是复制产品精美、复制产品被大量生产。在此过程中，面砖的出现被广泛应用在城市中的建筑物中，但是设计者与使用者及受众的距离在无形中被越拉越远，面砖也犹如3D打印技术创造出来的锤子，代表了传统工业的生产。[5]

3.2 砖在建筑中的美学应用

在现社会的建筑中，砖已经被全新的建筑材料及方式所代替，这也是社会发展的需求。砖创新了传统结构系统的束缚，从材料及性能方面发展了其他的特质，比如砖的美学化。在砌砖过程中，美学化主要表现为其具有多样化的表面及纹理。传统砌砖逻辑主要是以“顺”和“丁”为基础，在时代发展的过程中出现了多种的砌砖逻辑，比如五顺一丁、三顺一丁等等，但是他们的本质还是在于砖和砖之间的平行与垂直。[6]

比如上海AU SPACE厂房的改造。此项目前身与1940年创建，是上海第一个棉纺织厂。对此项目的改造首先进行改造计划：使用混凝土空心砖，这种砖有一种柔顺感，能够表现出人们对其的历史纪念，另外创新了传统砖墙的表现，使原本棱角分明的效果成为了丝柔顺滑的效果。在这个项目设计中，数字化有着重要的作用。以数字化为基础，创新传统材料的表现是一件复杂的事情，主要在于传统砖的思维逻辑已经深深驻扎在人们的心中，但是数字化砖的特点是连续性和非线性，这种模式在设计中突破了传统砖墙面的意境。另外，数字化砖面的实现是将设计元素为基础，将其转化为数据进行整理与联系，这使原本没有任何关联的设计元素“砖墙”与“丝绸”有了相互转换的可能性。在此项目中可以看出来，在砌砖中以丝绸中的灰度质感与砖的旋转角度为基础，在灰度与角度两者之间创建数学练习，从而实现转化的目的，使砖墙面具有丝绸般柔滑的效果。[7]

3.3 砖的曲面曲度

设计翻译至数字媒介到建筑的过程，镶嵌铺装是尤为重要的。曲面指的是数字媒介使用指定的数字当时进行描述，在抽象化的环境中逻辑性被翻译出来时，就需要借助一定的建造技术，在此过程中，个体被指定为二维平面材料，整个建筑建造包括平面和曲面（详情见图1）。

一般曲面的施工及成本都比平面要难控制，镶嵌拼接是最简单的方式。在进行曲面拼接过程中，不同的材料会出现不同的效果，这就像较高分辨率打印出的图像完整细腻，较低分辨率打印出的图像不清晰。在进行数字化加工时，没有抽象的绝对曲面，任何曲面都考虑拟合曲面的加工方式及材料。

在此过程中，砖还是最基础且最具潜力的材料。由于砖具有较好的拟合曲面曲度，还能够使曲面具有独特的质感，并且具有尺寸小的特点。在数字化背景下，尺寸小就代表短促曲面拟合线，表示其与设计的曲线能够更加接近，使建筑建造中的翻译信息更加完整。此翻译是通过砖进行的，使建筑物的抽象曲面与受众群体有较好的共鸣及表现能力。[8]

3.4 数字化砖构的应用案例

比如编程砌筑墙体。砖砌墙体是劳动密集背景下的产物，在现社会中被人们逐渐遗忘，那么砖怎样才能够恢复自身的作用，被广泛应用到大型建筑中？在现代建筑业中使用机器人无疑是最有效的方式，不仅可以提高施工的精度及生產率，还能够完成较为复杂的砌筑设计。通过工业机器人的成熟性，能够有效实现曲面砖墙的放线定位。砖在意义上还是传统的砖，但是砖的摆放形式进行了创新。

在设计墙体模型中融入数学公式，使每一块砖的角度和位置都能够通过数学算法来实现和描述，那么砖面的建筑就可以通过计算机编程得到结果。机器人实现了设计程序的过程，最终呈现给众人加工过程及结果。建筑设计师可以根据不同砖的不同属性进行指定不同的程序，工业机器人在建筑过程中不会因为砖的不同而浪费时间，这点是通过人工实现不了的[9]（详细见图2）。

在进行编程砌砖过程中，砖通过传统建筑将其中的特性进一步的放大。就算机器人在砌砖过程中非常灵巧，墙面还是要保持稳定并且能够承载足够的负荷，所以算法的设计要以建筑的构造为基础。研究人员全面掌握了砖的砌筑构造、高度、强度、稳定性及摆放形式，进而推算物理圆形，以算法为前提，使最终结果得到最优化。

为了使砖和砖之间能够相互固定，可以实现砖的固定构造。由于砖在不同的空间位置及角度都有所不同，这就使砖重叠的各个部分都各不相同。那么可以根据算法进行推算，在砖重叠的部分分别布置四条平行固定条，以墙体为中心相互对称，使建筑有较好的稳定性。固定条在砖与砖之间具有抗剪强度及抗压强度，具有较好的性能。

在2011年，苏黎世联邦理工学院带领学生在纽约结构使用机器人砌墙技术，创建了一面长约22米的异形曲面砖墙。这面墙由7000块砖构成，实现了墙面的曲折环绕。三维方向砖的不同旋转角度及进深为受众带来了一定的视觉效果，由工业机器人与传统砖块营造出了一种神奇的风景。[10]

4 结语

在现代建筑中，砖的构建文化有着重要的作用，数字化砖构方式创新了砖的传统性，并且使砖能够流传至今，并且合理运用在现社会中的建筑建造中。砖具有较强的现代性，目前数字化思想对于砖的理解还可进一步的研究，数字化还具有更深层次的挖掘空间，其建造工具及设计方式的创新也能够为数字化砖构带来全新的可能。

参考文献：

[1] 袁烽，张立名.砖的数字化建构[J].世界建筑，2014（7）：26-29.

[2] 彭俊松.工业4.0驱动下的制造业数字化转型[M].机械工业出版社，2016.

[3] 宋拥政.工业4.0下数字化、智能化、网络化的钣金加工技术展望[J].金属加工：热加工，2014（23）：39-40.

[4] 金和平，潘建初.水利水电工业4.0应用及展望——三峡集团物联网数字化技术应用实践[J].工业技术创新，2015，2（5）：569-575.

[5] 赵霞.建筑工业4.0视角下基于BIM的建筑集成设计方法研究[D].北京交通大学， 2015.

[6] 郝静，张凯.基于“工业4.0”背景下的高校数字化工厂实践平台建设研究[J].价值工程，2016（30）.