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青砖贴片及青瓦制作工艺研究

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董啸孙保燕王杨玚莫春华张小可

摘要：在古建筑保护及修复过程中，为不损伤现存古建筑结构并达到修旧如旧、新建如旧的效果，本文以现代非接触测绘技术和蓝天保卫战理念为基础，研发免烧环保高仿古建筑青砖贴片及小青瓦技术和产品，形成一套可产业化的制作工艺技术和工法。在乡村振兴、传统建筑修缮及重建中，实现刚性需求的建筑材料制作不占用耕地、免烧、环保、耐久、节能的目的。

Abstract： In the process of ancient building protection and restoration， in order not to damage the existing ancient building structure and achieve the effect of repairing the old as well as before， so based on the modern non-contact mapping technology and the concept of blue sky protection， the technology and products of the black brick patch and the small black tile with high imitation， unburned and environment-friendly are researched and developed to form a set of industrialized production technology and methods. In rural revitalization， traditional building repair and reconstruction， it realizes the goal of the rigid demand of building materials farmland-free， unburned， environmental protection， durable， and energy saving.

关键词：免烧;节能环保;高仿古建筑材料;非接触测绘

Key words： unburned;energy saving and environmental protection;high antique building materials;non-contact mapping

中图分类号：TU74? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）03-0174-03

0? 引言

传统普通烧结砖在各个生产流程均有着高污染高排放高能耗等的尖锐问题，在现今环境保护的大背景下，亟待开发一种环保无污染低排放节能的环保型建材，并通过各种有效手段保证在该产品生产的各个流程上都保证满足环境影响评价的标准体系。

现存的古建筑生存情况很不乐观，一是自然破残严重，二是人为破坏严重，三是修缮、改造和新建古建筑缺乏与之匹配的建筑材料[2]。虽然已经有改造的新建古建筑物采用烧制的青砖贴片，由于颜色、表面纹路与古代青砖相差很大，尤其是局部地方立面裝修时，采用涂料描绘“青砖灰缝”，极大的降低了古建筑群落的鉴赏价值[3]。

1? 主要研发内容

本项目利用先进的非接触测绘技术和三维激光扫描，对古建筑青砖（基石）和小青瓦等古建筑配件进行精细准确测量，建立精准的古建筑配件三维模型数据模型和数据库;采用现代环保材料制作高精度模具和浇筑生产高仿古建筑配件，代替传统的烧结青砖和小青瓦，直接完美贴于外墙面和屋面敷设，真正达到免烧、环保、节能、仿真的要求，形成一套可产业化的制作工艺技术和工法。

研发成果具有自主知识产权，处于国内先进水平，填补国内空白，解决了现在古建筑修缮、重建和乡村振兴中农村住宅建设中古建筑材料匮乏、新建筑材料严重缺乏古建筑历史韵味的共性难题。研发环保节能高仿古青砖（基石）贴片，直接贴于砖墙（或混凝土构件）外面，形成古建筑青砖墙（基石）效果，不对建筑墙体做任何改动，建设成本低，不占用耕地，无污染，且有一定的保温隔热效果;研发环保节能非烧结高仿古小青瓦，直接代替现在使用的黏土烧结小青瓦铺设屋面，解决现在使用的黏土烧结小青瓦占用土地、烧结污染、不耐久等问题。

2? 技术原理及方法

2.1 技术原理

第一步，使用三维激光扫描、光栅扫描、近景摄影测量、倾斜摄影等非接触测绘技术，以三维激光扫描、多基线数字近景摄影测量系统为主，辅以GPS和全站仪协同工作多设备共同工作，将实际物体数字化。第二步，通过对空间曲面轮廓线的提取，并根据轮廓线的匹配结果，实现残损物体的拼接复原。第三步，使用数字雕刻系统进行局部修整，以及数学形态学方法生成物体的三维数字点云，最终建立精确的3D模型。第四步利用逆向工程所建立的三维模型，利用3D打印技术进行打印，得到模型的母本。第五步，使用硅胶材料对模型进行翻模，得到高强度浇筑模型。第六步，利用先进的配方和工艺制作浆状体进行浇筑。第七步，初成品脱模后，经过养护和修整得到最终成品。

2.2 三维模型建立

2.1.1 非接触式测绘

本产品主要利用非接触式测绘技术，即三维激光扫描+三维光栅扫描+倾斜摄影测绘技术有机整合，实现多影像、多模式立体匹配，得到古建筑以及建筑配件等的三维电子信息模型。利用先进的非接触测绘技术（Noncontact mapping technology）和三维激光扫描（3-dlaser scanning），对古建筑以及建筑配件进行精细准确测量[4]，建立精准的建筑配件三维模型数据库。

2.1.2 多设备协同工作基线选择

采用非接触式测量模式技术，以三维激光扫描、多基线数字近景摄影测量系统为主，辅以GPS和全站仪协同工作，把各个设备采样数据有机集合形成所需要的大数据。

2.1.3 数学形态学方法在建筑测绘中的应用

运用数学形态学方法生成有利于进行特征提取、边缘检测的新图像，为建筑物影像特征点、线的半自动或自动提取提供支持。同时也可大大提高工作效率和精准性。采用RTS控制下的影像前后交替法平差获得大型（复杂）建筑物空间的几何分布，并通过在不同测站和不同角度处节点点位（检核点）的重复采集，获得检核点三维坐标和公共基线及数据采集的精度误差弥合等。

2.1.4 空间立体匹配技术的应用

利用空间立体匹配技术，使用三维激光设备得到数字化建筑物三维模型，提取空间曲面轮廓线，并根据轮廓线的匹配结果实现残损文物的拼接复原。该技术关键主要由曲面模型的匹配拼接、三维曲面模型的融合和曲面的三维编辑[5]，构造自动拼接与手工调整相结合的文物复原过程模型，最后将三维数字模型导入快速成型设备，得到微缩建筑实体进行检查，为文物的研究及保护提供准确的科学数据。

2.1.5 数字雕刻技术（3D打印）

上述建立的古建筑配件（青砖）三维数字点云，局部地方的锐度不够突出，需要用数字雕刻系统进行局部修整，充分展示古建筑（如大门、牌坊等构件）中繁复的文字、花纹等细节精湛的人工雕刻技艺。根据测量的几何数据，结合古建筑的“点、线、面”，利用数学形态学实现形态学分析和处理算法的并行，从而更加精确地建立出古建筑的3D模型。

2.2 族库的建立及维护

族库的建立应包括前期族构件的分类规划和族构件的创建、中期的应用和反馈和后期族库的拓展和维护三个阶段。

前期主要是族构件的创建和分类规划是工作量最大且繁琐的步骤，同时也是族库的支撑和根本，族库的数量和精细程度影响后期在工程项目的适用性和建模效率[6]。族构件创建完成以后，需进行族库的分类规划和审核，其必要性有三点：一是将工程构建的族文件及几何信息、功能信息、物理信息采用数据库的模式进行是管理的基础;二是引入索引技术将方便后期的快速检索;三是族在入库前进行审核，建立标准进行统一的规范，在影响族库的质量同时也解决着族库在不同操作人员的共享问题，方便应用时的快速出图。

中期的应用和反馈优势是在族库中检索方便可以提高工程师在整个工程的效率，只需从族库中直接调取所用的构件在逆向工程中进行装配，让工程师可以把工作重心放在装配过程和深化设计上，不必一直重复建模任务。应用的同时在工程项目中发现的问题可以进行反馈，即在应用初始族的过程中根据实际工程的需要不断完善和补充缺少的参数化构件，不断优化族库的数量和质量。

后期族库的拓展和维护即在族库建立后，可以把库上传到共享服务器，让工程信息可以得以共享，但同时为了保护族库的知识产权，系统管理员可以对使用族库的工程师进行权限管理，分配包括查看，编辑，删除等操作的权限。后期族库的拓展和维护是族库质量的保障，让族库处于不断更新状态，适应新工程不断拓展应用的需求。

2.3 免烧结仿古青砖贴片

2.3.1 现代制模技术、快速脱模技术

利用上述数字三维模型，解决数字雕刻（3D打印）中格式转换图元缺失问题，成功转换为3D打印设备能够完全传输的模型;然后采用数字雕刻技术（3D打印）打印以PLA（低熔点塑料）为材料的3D模型，形成初步的模型，以此模型为母本，进行硅胶翻模，制作高强度、变形小、使用次数多的浇筑模具。浇筑生产前，于硅胶模具内表面涂刷一层脱模剂，达到节能、减低成本、缩短工期的效果，以制作出高仿古建筑配件（青砖、基石、小青瓦）。

2.3.2 先进配方和工艺

高仿古建筑配件（青砖）要充分显示古代建筑配件（青砖）的表面纹路、色调、机理，又要具有一定的强度和耐久性，因此配方要充分考虑各种材料的相容性及综合性能最优化。初步选择使用的材料有建筑垃圾及砂、水泥、高强纤维、着色剂、纳米增粘剂、早强剂等。

由于产品产量和材料的特殊性，生产工艺采用半机械化生产，我们对工艺和必要的生产设备进行研发，采用轻质早强纤维砂浆浇筑技术、快硬轻质纤维砂浆制作工艺，在水泥净浆中加入高强度细纤维、纳米增塑剂等添加剂，使产品在14天内达到强度要求的90%，以期达到高效、节能环保、高质的要求。

2.3.3 仿古建筑配件制作

通过精细测量与数字建模，可以得到古建筑及各构件的精确数字模型。

在获取建筑物的三维立体模型尺寸后，按照古代建筑常规做法，经过计算机大量的复原计算，修复实际建筑物缺陷，达到理想化的建筑原貌。然后借助先进的数字雕刻技术或3D打印机，按照一定的缩放比例打印建筑物的立体模型，进行精细拼装、饰面，形成按比例缩小的建筑模型，供展览展出使用[7]。通过3D打印等方式即可利用原数字模型数据，从而保证制造出尺寸精准的仿制构件实物模型。

2.3.4 先进施工技术

研发的高仿古建筑配件（青砖）为具有一定面积的贴面材料（厚度10mm左右），为了保证整体墙面的统一，接口处采用马牙槽（梯形）接口，粘贴固定后要有相当的强度和耐久性，因此对现场施工有相当高的技术要求。初步研发确定采用水泥砂浆（加粘合剂）+固定措施，保证施工精度、整体稳定和耐久性。

3? 结束語

通过非接触测绘技术集成，构件信息化建模，精确制模，快速脱模等多个技术，试制免烧节能环保高仿古建筑青砖青石贴片和小青瓦，经实际试用，效果良好，得到了省市领导和游客的一致好评。

参考文献：

[1]赵培青.古建筑的保护和修缮探讨[J].文物鉴定与鉴赏，2019（17）：90-91.

[2][3]徐磊.古建筑保护与利用探究[J].文物鉴定与鉴赏，2019（07）：64-65.

[4]周术诚.三维复杂形状拼接与破碎物体复原技术研究[D].西北大学，2007.

[5]许志坚，陈少伟，罗远峰，蔚俏冬，焦柯.基于Revit的正向设计族库建设研究[J].土木建筑工程信息技术，2018，10（06）：102-106.

[6]刘珌卿.模具制造中3D打印技术的应用研究[J].现代工业经济和信息化，2019，9（08）：51-52.

[7]黎炜.建筑行业粉尘污染控制中政府作用研究[D].云南财经大学，2016.

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