工業4.0背景下數字化磚構應用

朱琳

摘 要：工業4.0是在2011年德國政府在高技術戰略2020中發布的一項全新的工業發展戰略概念。主要是以智能制造為主的工業革命，在傳統的制造技術基礎上，與互聯網技術相結合，實現智能工廠生產方式及更大競爭力的目的。更大競爭力指的是智能工廠中的幾點要素，包括自動化、高效率、低消耗、低成本及高精度等。本文主要以工業4.0為背景，研究數字化磚構的現實應用。

關鍵詞：工業4.0；數字化；磚構應用

數字化磚構指的是將傳統的材料磚應用到現代建筑中，數字化磚構的兩大前提是：數字化創新了磚的傳統型，并且促進了磚的美學性；數字化創新了磚模塊構造，使磚朝著復雜化及性能化的方向發展。由此可見數字化磚構在現社會中有著重要的作用，不僅創新了傳統，還連接了未來。

1 淺析工業4.0

工業4.0也可以被稱作“第四次工業革命”，它起源于2011年，由德國政府在漢諾威工業博覽會確定的《高技術戰略2020》中未來的十大項目之一，在其發展的過程中已經成為國家戰略，創新了傳統工業領域的研究與開發。

工業4.0實現了集中式控制轉變為分散式增強型控制的目的，它的最終目標是創建一個具有較強靈活性、數字化、個性化的產品服務生產模式。在此模式中，將會創新傳統的行業界限，出現不同的全新合作形式及領域，行業產業鏈將會重新組合。

工業4.0主要有兩個主題，分別是智能工廠和智能生產。智能工廠指的是智能化的生產系統及過程，還包括網絡化、分散化的生產設施；智能生產指的是行業企業中的生產管理、人與機器之間的互動和工業生產過程中3D技術的運用等。工業4.0吸引了眾多的中小企業，使其能夠在生產中使用智能化生產技術，從中獲得相關的利益。同樣這些中小企業在使用智能化生產技術的過程中也逐漸成為其的供應者和創造者。[1]

工業4.0四方面的優勢：其一，產業集成。工業4.0中的工件、裝備及其他部件都可以進行數據及信息互換，創新了集中式控制系統，成為分散式職能控制系統。在工作中依舊使用中央電腦進行，元件可以互相聯網，自由配置，且整個過程中簡單優化，并且能夠獨立完成訂單生產中的不同需求；其二，產業集成的基礎就是集成自動化，它具有狀態監測、診斷及電氣與氣功自動化的特點，其中包括中斷控制器、網絡服務器的IT服務及壓力傳感器等；其三，物聯網。工業4.0時代創新了混亂的現場總線現象，今后工業的發展將會是一個基于實施能力以太網的互聯網協議?；ヂ摼W協議具有簡單的優勢，在未來工業生產中不必再為設計機器的時間而費時費力；其四，簡單便捷。工業4.0時代中，機器人能夠輔助人類完成生產，智能傳感器使機器人與人類一樣，能夠了解環境的變化，選擇不同的路徑，在任何環境中都能夠有效的做出判斷。[2]

2 磚

2.1 傳統制造業的發展

在德國法蘭克福展示中心有一座高為21米的動態雕像，雕像為一個錘擊工人用錘子一下一下地敲擊著一塊金屬。象征著我們的世界是由工人創造的，這座雕像是藝術家喬納森.波洛夫斯基為了表示他對工人們的敬仰之情而創造的。隨著時間的流逝和世界的不斷改變，傳統的掄著錘子的工人已經在此過程中逐漸消失。歐洲模具展是一項法蘭克福舉辦的最大規模的貿易展覽會，其中并沒有一些要靠人們輔助且沾滿油漬的老舊機器，而是一些由美國、歐洲及亞洲制造的具有自動化、趕緊的機械工具，人們可以坐在電腦前操作這些機械工具，其中錘子已經消逝。

在2011年舉辦的歐洲模具展中，3D打印技術終亮相，創新了傳統由扭曲、敲擊等一系列工具生產的過程，3D打印技術可以直接生產產品，我們可以將它稱作“添加技術”。美國的一家三維公司就是用3D打印機只做了一把精美的錘子，由于錘子代表這工業革命的生產工具，在它被3D打印機創造出來的那一刻，就象征著傳統的勞動制造時代已經過去了，迎來的是數字化、工業化的時代。[3]

2.2 磚的傳統性

在建筑行業有這么一句話：“建筑學是由兩塊磚被認真排放在一起的那一刻開始的?！边@句話出自德國著名的現代主義建筑大師密斯之口，磚是建筑行業中傳統的材料，和工業制造中的錘子一樣，都是行業的代表。

磚是社會及人類在發展過程中最為完善的建筑材料，在人類近萬年的發展過程中，磚也不斷地完善，包括重量、尺寸、材料、比例等等。在我國，磚也有著悠久的歷史。在傳統建筑設計與制造過程中，磚是最基礎的材料，其重量及尺寸都適合工人的操作，在砌磚的過程中，對重量、砂漿的控制及磚的對齊都取決于墻面的視覺效果。這種傳統的工業生產形勢為人類表現了建筑的成品視覺，這也是建筑設計師與人們喜愛砌磚建筑的原因，砌磚建筑整體規整、具有仔細的細節，在創建成功之后的建筑紋理還會隨著使用時間和墻面空間的變化而變化。那么錘子被3D打印技術創造的今天，磚又會發生著怎樣的變化呢？[4]

3 磚的現代化與數字化

3.1 磚在建筑中的維護作用

密斯將“鋼結構和玻璃”作為現代摩天樓建筑的構成，建筑設計的材料主要有兩種：填充圍護和框架結構。磚在傳統中被密斯認為是建筑學的基礎及要點，在建筑學發展迅速的過程中，磚由原本建筑的基礎變為了現代建筑的維護材料，也從結構變為了填充，從承重變為了貼面。磚的現代化轉變直接的反映了建筑工程由傳統的手工業轉變為了現代化的大型工業集約化。在機械化及工業化的背景下，建筑施工中磚的優點被逐漸取代，但是缺點也逐漸的顯露出來。在手工業被機器取代的時代中，磚在建筑工程中的地位以不如之前，但是砌磚房子作為地域化的建筑形象深固在人們心中，所以面磚也取代了磚在大規模的建筑中被人們廣泛應用?；鶎哟u作為建筑物體維護內膽的作用，面層磚作為建筑物體美化的作用。

在傳統的建筑工程中，磚有多功能性及統一性，同時還具有圍合、保溫等功能，可以構建一座建筑物。在現代建筑工業中，磚由面磚替代。面磚具有整齊、美化、可復制的特點。在社會不斷演化的過程中，復制技術也在不斷地演化，其主要特點是復制產品精美、復制產品被大量生產。在此過程中，面磚的出現被廣泛應用在城市中的建筑物中，但是設計者與使用者及受眾的距離在無形中被越拉越遠，面磚也猶如3D打印技術創造出來的錘子，代表了傳統工業的生產。[5]

3.2 磚在建筑中的美學應用

在現社會的建筑中，磚已經被全新的建筑材料及方式所代替，這也是社會發展的需求。磚創新了傳統結構系統的束縛，從材料及性能方面發展了其他的特質，比如磚的美學化。在砌磚過程中，美學化主要表現為其具有多樣化的表面及紋理。傳統砌磚邏輯主要是以“順”和“丁”為基礎，在時代發展的過程中出現了多種的砌磚邏輯，比如五順一丁、三順一丁等等，但是他們的本質還是在于磚和磚之間的平行與垂直。[6]

比如上海AU SPACE廠房的改造。此項目前身與1940年創建，是上海第一個棉紡織廠。對此項目的改造首先進行改造計劃：使用混凝土空心磚，這種磚有一種柔順感，能夠表現出人們對其的歷史紀念，另外創新了傳統磚墻的表現，使原本棱角分明的效果成為了絲柔順滑的效果。在這個項目設計中，數字化有著重要的作用。以數字化為基礎，創新傳統材料的表現是一件復雜的事情，主要在于傳統磚的思維邏輯已經深深駐扎在人們的心中，但是數字化磚的特點是連續性和非線性，這種模式在設計中突破了傳統磚墻面的意境。另外，數字化磚面的實現是將設計元素為基礎，將其轉化為數據進行整理與聯系，這使原本沒有任何關聯的設計元素“磚墻”與“絲綢”有了相互轉換的可能性。在此項目中可以看出來，在砌磚中以絲綢中的灰度質感與磚的旋轉角度為基礎，在灰度與角度兩者之間創建數學練習，從而實現轉化的目的，使磚墻面具有絲綢般柔滑的效果。[7]

3.3 磚的曲面曲度

設計翻譯至數字媒介到建筑的過程，鑲嵌鋪裝是尤為重要的。曲面指的是數字媒介使用指定的數字當時進行描述，在抽象化的環境中邏輯性被翻譯出來時，就需要借助一定的建造技術，在此過程中，個體被指定為二維平面材料，整個建筑建造包括平面和曲面（詳情見圖1）。

一般曲面的施工及成本都比平面要難控制，鑲嵌拼接是最簡單的方式。在進行曲面拼接過程中，不同的材料會出現不同的效果，這就像較高分辨率打印出的圖像完整細膩，較低分辨率打印出的圖像不清晰。在進行數字化加工時，沒有抽象的絕對曲面，任何曲面都考慮擬合曲面的加工方式及材料。

在此過程中，磚還是最基礎且最具潛力的材料。由于磚具有較好的擬合曲面曲度，還能夠使曲面具有獨特的質感，并且具有尺寸小的特點。在數字化背景下，尺寸小就代表短促曲面擬合線，表示其與設計的曲線能夠更加接近，使建筑建造中的翻譯信息更加完整。此翻譯是通過磚進行的，使建筑物的抽象曲面與受眾群體有較好的共鳴及表現能力。[8]

3.4 數字化磚構的應用案例

比如編程砌筑墻體。磚砌墻體是勞動密集背景下的產物，在現社會中被人們逐漸遺忘，那么磚怎樣才能夠恢復自身的作用，被廣泛應用到大型建筑中？在現代建筑業中使用機器人無疑是最有效的方式，不僅可以提高施工的精度及生產率，還能夠完成較為復雜的砌筑設計。通過工業機器人的成熟性，能夠有效實現曲面磚墻的放線定位。磚在意義上還是傳統的磚，但是磚的擺放形式進行了創新。

在設計墻體模型中融入數學公式，使每一塊磚的角度和位置都能夠通過數學算法來實現和描述，那么磚面的建筑就可以通過計算機編程得到結果。機器人實現了設計程序的過程，最終呈現給眾人加工過程及結果。建筑設計師可以根據不同磚的不同屬性進行指定不同的程序，工業機器人在建筑過程中不會因為磚的不同而浪費時間，這點是通過人工實現不了的[9]（詳細見圖2）。

在進行編程砌磚過程中，磚通過傳統建筑將其中的特性進一步的放大。就算機器人在砌磚過程中非常靈巧，墻面還是要保持穩定并且能夠承載足夠的負荷，所以算法的設計要以建筑的構造為基礎。研究人員全面掌握了磚的砌筑構造、高度、強度、穩定性及擺放形式，進而推算物理圓形，以算法為前提，使最終結果得到最優化。

為了使磚和磚之間能夠相互固定，可以實現磚的固定構造。由于磚在不同的空間位置及角度都有所不同，這就使磚重疊的各個部分都各不相同。那么可以根據算法進行推算，在磚重疊的部分分別布置四條平行固定條，以墻體為中心相互對稱，使建筑有較好的穩定性。固定條在磚與磚之間具有抗剪強度及抗壓強度，具有較好的性能。

在2011年，蘇黎世聯邦理工學院帶領學生在紐約結構使用機器人砌墻技術，創建了一面長約22米的異形曲面磚墻。這面墻由7000塊磚構成，實現了墻面的曲折環繞。三維方向磚的不同旋轉角度及進深為受眾帶來了一定的視覺效果，由工業機器人與傳統磚塊營造出了一種神奇的風景。[10]

4 結語

在現代建筑中，磚的構建文化有著重要的作用，數字化磚構方式創新了磚的傳統性，并且使磚能夠流傳至今，并且合理運用在現社會中的建筑建造中。磚具有較強的現代性，目前數字化思想對于磚的理解還可進一步的研究，數字化還具有更深層次的挖掘空間，其建造工具及設計方式的創新也能夠為數字化磚構帶來全新的可能。

參考文獻：

[1] 袁烽，張立名.磚的數字化建構[J].世界建筑，2014（7）：26-29.

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[5] 趙霞.建筑工業4.0視角下基于BIM的建筑集成設計方法研究[D].北京交通大學， 2015.

[6] 郝靜，張凱.基于“工業4.0”背景下的高校數字化工廠實踐平臺建設研究[J].價值工程，2016（30）.

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[8] 王晶.新時代工業建筑[J].華東科技（學術版），2016（1）：52-53.

[9] 包龍生，孟玲劍，李偉，等.鋼箱梁橋牽引滑梁設計與施工關鍵技術[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2015（2）：259-266.

[10] 魏曉東.《工業4.0與兩化融合》講座 第一講 工業革命與工業4.0[J].自動化博覽，2015（11）.