木結構建築有著源遠的曆史及龐大的結構體係,借助六軸機械臂高度靈活的運動性及開源硬件的拓展性可實現複雜木結構建造任務,並通過可視化編程技術開發標準程序輔助設計端與建造端模型數據轉化。首先,本文針對傳統木構加工工藝進行研究,在已有工藝基礎上與機械臂運動係統相連接,形成數字化建造技術工藝庫。以切割,開榫,銑削,開孔四種工藝為例,對數字建造工藝進行剖析與設計,通過實驗證明該工藝庫滿足木結構非標準化構件的成形加工及複雜節點建造,可實現高精度,高效率的自動化建造模式。將多種工藝進行耦合設計,利用自動化切換裝置形成多工具協同應用裝置,提高建造技術自動化工業水平。然後,在建造流程中穩定性方麵,對複雜木結構進行拆解分析,針對構件類型迥異問題提出一種多功能智能化固定裝置,其主要功能用於適配不同規格類型的木構件,利用回字形平台及多維夾持機構協同運行為不同構件提供最優的固定方案,避免構件在整個建造流程中因穩定性產生誤差。實驗研究表明該裝置具有較強的適用性,通過一體化設計借助不同夾持方案完成構件夾持任務。其後,借助參數化設計方法,在Rhino和Grasshopper軟件中通過可視化編程手段建立數字運行邏輯,從數字模型快速生形,自動適配工具,規劃路徑生成三方麵進行研究,將設計到建造全流程數據相關聯,實現係統信息數據閉環運行模式。此外,針對數字化銑削工藝存在問題,提出一種基於遺傳算法的內角切割工藝,借助錐形刀具對殘留圓弧內角進行切割,並設計標準程序用於計算刀具與相鄰平麵相切的傾斜角度,實驗研究證明該工藝可解決銑削工藝殘留圓弧內角問題。最後,將上述數字化木構建造技術進行實際案例應用,選取古建築中複雜的鬥拱結構進行設計建造,並借助Arduino和PLC技術對建造係統進行信號交互控製。建造結果表明提出的木構數字建造技術符合鬥拱加工需求,具有工程應用價值。

榫卯是中國傳統家具的精華,當下中國傳統家具的製作者,消費者對於榫卯的結構形成仍然情有獨鍾。但榫卯結構的加工成本很多,技術工人也日漸減少。因此,采用數字化技術加工榫卯很有必要,它具有安全,簡單,精度高,成本低等優勢。

基於數字化加工,設計了一種既保留傳統裝配優點又便於數控加工的新型粽角榫,並從加工效率和極限抗彎強度2個方麵驗證了該改良方式的合理性。首先分析了粽角榫加工現狀和數控加工的特征,總結出了榫卯數字化改良的4點原則;根據改良原則,設計了一款新型粽角榫;以櫸木為原料,利用UG軟件和五軸加工設備製作改良型粽角榫,同時采用人工製作傳統粽角榫試件;分別記錄改良型和傳統型粽角榫加工時長並進行對比;通過力學試驗,對改良型與傳統手工粽角榫進行了極限抗彎強度的比較。結果發現,在端麵尺寸均為40 mm×40 mm時,由於數控加工的改良型粽角榫尺寸精確且穩定,改良型粽角榫的平均抗彎強度較傳統粽角榫提高7。122%;改良榫卯的加工耗時僅為傳統手工的4。725%,加工效率顯著提升。本研究總結的榫卯優化原則為榫卯結構改良提供了依據,加工時長和力學強度的對比方法也將為判斷改良榫卯的優劣提供理論參考。

目的榫卯結構尺寸的確定是編寫榫卯數控加工代碼的前提,也是實現榫卯數控加工的基礎,但現有的通過反複修改榫卯幾何模型確定榫卯尺寸的方式,效率低,難度高,嚴重影響了榫卯數字化加工的發展。因此,有必要設計一種榫卯尺寸智能化確定的方法。方法以改良型格肩榫為例,首先利用參數化的設計思想,建立格肩榫的數學模型並提取了格肩榫尺寸參數;然後根據榫卯裝配體零件的特征,基於裝配約束,從位置關係和配合關係兩個角度,建立格肩榫尺寸參數間的關係函數;再基於工藝約束,從數控加工方式,市場調研結果和工藝知識這3個方麵,確定部分尺寸的取值範圍和預設參考值,並建立尺寸參數與工藝約束間的關聯函數;最後,以零件的斷麵尺寸為輸入參數,整合關聯函數,取值範圍和預設參考值,建立尺寸參數關聯函數表。結果通過建立榫卯數學模型,提取了榫卯各類尺寸參數;根據榫卯裝配和工藝約束,成功建立了榫卯尺寸參數間的函數關聯,並獲取了尺寸參數的取值範圍和預設推薦值;通過建立尺寸參數關聯函數表,實現了隻需輸入榫卯零件的斷麵尺寸,係統就可以自動輸出榫卯其他尺寸參數值。結論在裝配和工藝兩方麵綜合約束函數基礎上建立的榫卯尺寸智能確定方法,是對榫卯工藝知識的數字化整理和重用,不僅能實現榫卯尺寸的智能確定,也為實現榫卯乃至實木加工的智能製造提供了基礎條件。

中國傳統木構建築的營建過程中蘊含了豐富的建構文化,有待通過現代轉譯重新煥發新生,而數字化建築技術的發展恰恰為傳統建構轉譯提供了一種新的可能性。以傳統建構文化中建構方式和建造技術的轉譯作為設計策略,並采用參數化設計,拓撲優化結構找形,現代加工製造等技術手段,通過在案例"榫卯木構亭X-Form"中結構整體形態設計,獨立木架單元找形,局部結構構件的構造調整,基於力學性能的節點細部設計四個關鍵階段進行實踐研究,初步探索了一種注重結構理性與詩意表現的木構建築設計與建造方法,回應了當前社會對於傳統與未來對話的訴求。