朱洪波

（同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

0 引言

隨著《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，帶動了全社會普遍關(guān)注對智能制造人才的培養(yǎng)。在土木工程專業(yè)領(lǐng)域，許多高校陸續(xù)開設(shè)了以BIM 和“3D 打印”技術(shù)為代表的相關(guān)實(shí)踐課程，有些研發(fā)了基于BIM技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)素材并應(yīng)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)［1］，或以CDIOF（構(gòu)思＋設(shè)計(jì)＋實(shí)施＋運(yùn)行）思想指導(dǎo)BIM 學(xué)習(xí)和應(yīng)用［2］，總結(jié)出BIM在實(shí)踐課程中的關(guān)鍵影響因素及其適用范圍［3］。也有高校將BIM 引入傳統(tǒng)相關(guān)課程，如“土木工程施工”中［4］，利用BIM 強(qiáng)大的信息功能及其“模擬性、可視化和協(xié)調(diào)性”引導(dǎo)學(xué)生通過三維建模來提高空間想象力［5］，或搭建“實(shí)體＋虛擬仿真”的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，設(shè)置“知識、建模、程序編輯與操作、應(yīng)用與評價”或“培訓(xùn)應(yīng)用、虛擬軟件研發(fā)體驗(yàn)、成果展示”等教學(xué)模塊，并將其進(jìn)行物理空間分區(qū)［6-7］。有些還將其與“裝配式建筑技術(shù)”課程［8］、校企合作和實(shí)踐基地資源等融合開展［9］。相對來說，開展3D打印課程建設(shè)的報道較少，因其對材料的流變性、打印工藝甚至工作環(huán)境、指導(dǎo)水平的要求較高［10］，不易獲得滿意的完整作品，并且其打印裝備亟待優(yōu)化和改進(jìn)［11］，另外，硬件投入大、軟件配套難和打印周期長等都是制約其快速形成實(shí)驗(yàn)課程的障礙［12］，有建議將其與同類科研項(xiàng)目結(jié)合來建設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，不失為一種有效方法［13］，但可推廣性有限。事實(shí)上，國內(nèi)外的建筑3D打印技術(shù)尚不成熟且在不斷發(fā)展，其雖備受關(guān)注但并不適用于所有高校的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)。本文探索采用數(shù)控雕刻技術(shù)制備水泥基裝飾制品，并將其建設(shè)成為土木工程材料專業(yè)學(xué)生的智能制造實(shí)踐課程，取得良好效果。

1 數(shù)控雕刻儀器

1.1 硬 件

目前，數(shù)控雕刻設(shè)備的生產(chǎn)制造與使用工藝技術(shù)較為成熟，型號齊全，可選擇的功能搭配較多，便于建設(shè)單位根據(jù)所需確定設(shè)備選型及其配置。其基本功能是進(jìn)行平面雕刻，可獲得浮雕式裝飾制品，線條與紋理細(xì)膩，藝術(shù)表現(xiàn)力充分；如果增加配件，還可完成三維立體雕刻作品。同濟(jì)大學(xué)先后購置2 種型號的數(shù)控雕刻機(jī)，如圖1 所示。

圖1 數(shù)控雕刻機(jī)

該類設(shè)備對安裝和使用環(huán)境的要求不高，根據(jù)不同型號（型號決定了一次性雕刻成型作品的最大尺寸）只需提供相應(yīng)的、有電源的配套空間即可，并且可選220 V（小型，適用于對雕刻頭阻力不大的雕刻加工）或380 V（大型，可提供較大動力，雕刻高硬度材料和高速雕刻）電源，安裝、調(diào)試后即可使用，供應(yīng)商一般都提供詳細(xì)的紙質(zhì)和視頻操作指南，幫助教師和學(xué)生快速上手、熟練掌握。同時，供應(yīng)商還會提供或從網(wǎng)上免費(fèi)獲得簡易雕刻程序，讓初學(xué)者很快就能制造出具有一定實(shí)用性或觀賞性的雕刻作品，從而立即樹立信心和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

1.2 實(shí)際應(yīng)用

該類機(jī)械在木雕、石刻等建材或瓷雕、玉雕、金雕等其他各領(lǐng)域早已廣泛應(yīng)用，所生產(chǎn)的雕花家具、石碑篆刻、廣告銘牌、金玉瓷器、藝術(shù)掛件等實(shí)用產(chǎn)品已很常見，從網(wǎng)上可看到各類相關(guān)產(chǎn)品，如圖2 所示。

圖2 各種雕刻產(chǎn)品

1.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)投入

（1）主要設(shè)備。作者學(xué)校購置了配置齊全的2 種型號數(shù)控雕刻機(jī)，單價分別不到3 萬元和7 萬元。相對于動輒10 萬元以上的砂漿或混凝土3D 打印機(jī)械來說，雕刻機(jī)設(shè)備投入大幅度降低。

（2）設(shè)備耗材。主要來自雕刻頭的磨損更換，其一般只有圓珠筆芯大小，各種材質(zhì)的雕刻頭售價從幾元到幾十元不等，根據(jù)所雕刻板材的硬度不同選擇雕刻頭材質(zhì)，一般每個雕刻頭可支撐多個小件作品的全程加工，總體消耗不大。

（3）雕刻板材。常用木質(zhì)、金屬質(zhì)、石材、瓷磚、水泥板等板材，對其基本要求是結(jié)構(gòu)致密、均勻、無纖維節(jié)理、無氣孔、無裂紋，以免雕刻出的紋理細(xì)膩程度受到影響，除非有意利用材料自身的不均質(zhì)性來體現(xiàn)特殊的圖案背景效果。滿足要求的木板一般為硬質(zhì)的紅木、棗木、榆木等，比一般木板要貴一些。各種適合雕刻的板材均在市場上有售，尺寸型號豐富，方便易得。

（4）轉(zhuǎn)換作品圖案的CN代碼。簡單圖案可教會學(xué)生按照轉(zhuǎn)換步驟自行完成，如果課程無需學(xué)生掌握該技能也可委托完成，目前市場上有專業(yè)機(jī)構(gòu)或公司代為轉(zhuǎn)換，根據(jù)圖案的復(fù)雜程度不同而收費(fèi)不等，簡單的常見圖案如木雕常用的祥云邊框圖案、磚雕上常見的“福、壽、佛”等字＋花邊圖案等，甚至免費(fèi)或收費(fèi)低至十幾元。當(dāng)然，復(fù)雜的大型圖案轉(zhuǎn)換費(fèi)用可能高達(dá)每件幾千元。建設(shè)單位可預(yù)先準(zhǔn)備圖集，供學(xué)生自主選擇。

2 雕刻與成型工藝

浮雕作品雕刻操作的工藝過程如下：

（1）選擇要呈現(xiàn)的藝術(shù)或裝飾產(chǎn)品圖案。這些圖案可以是自行設(shè)計(jì)的或拍攝照片的電子文件，無論其以何種格式保存，均要先將其轉(zhuǎn)換為雕刻機(jī)可執(zhí)行的CN代碼程序文件，打開雕刻機(jī)主機(jī)及其控制系統(tǒng)軟件，將雕刻頭移動到初始位置并在程序中設(shè)定為工作“起點(diǎn)”，然后找到并執(zhí)行該文件即可由機(jī)器自動完成雕刻過程。

（2）選擇適當(dāng)?shù)牡窨贪宀?。板材厚度根?jù)其材質(zhì)的力學(xué)性能、平面尺寸、雕刻深度以及對板材抗彎性能的要求來確定，當(dāng)然還要適應(yīng)設(shè)備的最大加工尺寸要求，并且要選擇硬度足夠的雕刻頭。對于超出設(shè)備尺寸限制的作品，可通過分塊雕刻來完成。

（3）成型工藝。根據(jù)是否單品或批量生產(chǎn)該圖案作品，一般分為直接雕刻成型和翻模澆筑成型兩種方式。對于單品通常在適當(dāng)?shù)陌宀闹现苯拥窨坛龀善?；而對于批量作品可利用雕刻圖案通過翻模、澆筑成型，其翻模材料目前市場上常用模具硅膠，其為流動性較好的液態(tài)，可充分填充于雕刻作品的各種紋理之中，在其配套固化劑的作用下經(jīng)過一定時間固化，再向該硅膠模具內(nèi)澆筑成型材料如水泥漿，即可得到復(fù)制的批量產(chǎn)品。因?yàn)榉９に嚥⒉焕弥苯拥窨痰陌宀倪M(jìn)行澆筑，所以可選擇硬度較小的板材作為雕刻模板。作者通過大量嘗試建議采用石膏板，可在建材市場購置石膏粉自行澆筑不同厚度的板材，其成本極低，并且對雕刻頭的磨損較小，可得到非常細(xì)膩的紋理。

（4）雕刻程序。雕刻作品的CN代碼被稱為運(yùn)行雕刻機(jī)的“路徑”，有專門的教程指導(dǎo)轉(zhuǎn)換，但該工作需要耐心且耗時較長，根據(jù)不同的訓(xùn)練要求可讓學(xué)生學(xué)會轉(zhuǎn)換方法，也可委托轉(zhuǎn)換。

3 教學(xué)實(shí)踐

3.1 學(xué)科競賽

利用6040 小型雕刻機(jī)，借助大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（SITP）和學(xué)科競賽等機(jī)會，既鍛煉師資隊(duì)伍并熟悉裝備習(xí)性，也先后支持了多批次、多層次（國家級、市級、校級和企業(yè)）的競賽項(xiàng)目，利用該儀器完成設(shè)計(jì)和制作創(chuàng)意作品。在由作者單位主辦的年度賽事《全國土木工程材料創(chuàng)作品設(shè)計(jì)大賽》和由企業(yè)承辦的上海地區(qū)《材料創(chuàng)意大賽》中，依托該設(shè)備完成大量參賽作品；同時，學(xué)生還將數(shù)控雕刻工藝應(yīng)用于由美國土木工程協(xié)會舉辦的《中太平洋地區(qū)大學(xué)生土木工程競賽》，用于制作“水泥輕舟”。另外，作者還將該工藝用于國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目中，開發(fā)出系列水泥基藝術(shù)人造石產(chǎn)品并開展了產(chǎn)業(yè)化推廣。

由學(xué)生分別按照“分區(qū)雕刻＋翻模＋組合后澆筑”方法（圖中有拼縫）和一次雕刻成型制作的部分水泥作品見圖3。

圖3 學(xué)生制作的水泥藝術(shù)人造石作品

通過嘗試，指導(dǎo)教師完全掌握了相關(guān)工藝、設(shè)備和軟件等關(guān)鍵技術(shù)，并形成了系統(tǒng)、完善的雕刻工藝技術(shù)規(guī)范；同時也充分了解了利用該技術(shù)指導(dǎo)學(xué)生開展智能制造訓(xùn)練的各種方法，并建立了指導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)意設(shè)計(jì)、過程監(jiān)督和效果評價等系統(tǒng)管理模式，為后續(xù)正式立項(xiàng)成為本科生專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)課程

（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置。該項(xiàng)目與分別采用金屬、高分子和水泥等材料開展的3D 打印實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一起被列入材料類“專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程”中的“材料智能制造實(shí)驗(yàn)”課程，面向全校各專業(yè)學(xué)生自選，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱定為“數(shù)控雕刻成型水泥基裝飾材料實(shí)驗(yàn)”。

（2）課程培養(yǎng)目標(biāo)。定位為“了解和掌握現(xiàn)代水泥基材料智能制造技術(shù)和裝備，運(yùn)用數(shù)理化和材料專業(yè)基礎(chǔ)知識，設(shè)計(jì)和制備建筑裝飾材料”，通過課程培養(yǎng)學(xué)生在該技術(shù)領(lǐng)域的“創(chuàng)造、動手、實(shí)驗(yàn)操作和成果表達(dá)能力”。

（3）針對課程培養(yǎng)目標(biāo)的指標(biāo)點(diǎn)。結(jié)合教育部“工程認(rèn)證”的工作要求，制訂了詳細(xì)的教學(xué)任務(wù)指標(biāo)點(diǎn)細(xì)則，包括運(yùn)用數(shù)學(xué)知識建模、文獻(xiàn)收集與分析總結(jié)、制訂針對復(fù)雜工程問題（個性化裝飾圖案和效果）的解決方案、制訂科學(xué)可行的實(shí)驗(yàn)方案以及熟練掌握或利用數(shù)控雕刻儀器、設(shè)備、場地開展實(shí)驗(yàn)并保障安全，等。

（4）具體實(shí)施。

A.課程內(nèi)容。分為理論、設(shè)計(jì)、實(shí)操和總結(jié)四大板塊。理論部分主要包含可用于建筑領(lǐng)域的各種制造工藝、原理、主要裝備、采用的軟件和制備方法等；設(shè)計(jì)部分包括立體圖案的選擇與設(shè)計(jì)和制備材料設(shè)計(jì)，前者包括運(yùn)用教程將各種圖案轉(zhuǎn)換為CN 代碼的知識，后者的材料設(shè)計(jì)主要針對建材專業(yè)學(xué)生并用于“翻模”成型工藝，要求學(xué)生按照所學(xué)土木工程材料基礎(chǔ)知識，設(shè)計(jì)澆筑成型水泥板材的膠凝材料、骨料、增韌增強(qiáng)材料以及顏色外觀等，其中還重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了目前市場上較為流行的、“清水混凝土”的材料設(shè)計(jì)及其制備方法，另外還要克服大面、薄壁的水泥板材作品到后期容易出現(xiàn)的翹曲、變形問題；實(shí)操部分包括設(shè)備的基本操作要領(lǐng)，如雕刻頭定位、換刀（雕刻頭）、暫停、圖案拼接、成品修飾以及設(shè)備的常用功能知識等；總結(jié)部分除了實(shí)驗(yàn)報告以外，特別重視學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)的收獲和體會，并以固定的“實(shí)驗(yàn)報告”格式明確該部分所占考核的比重。

B.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。根據(jù)材料與非材料專業(yè)的學(xué)生，分兩種模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，兩種模式下均提前發(fā)給學(xué)生相關(guān)視頻使其初步認(rèn)識相關(guān)知識，并要求各實(shí)驗(yàn)小組提前選好擬雕刻的裝飾圖案。對于非材料專業(yè)學(xué)生，其主要學(xué)習(xí)目的和要求是了解建筑及其材料制備中的智能建造知識，以及關(guān)鍵設(shè)備和制造工藝，教學(xué)內(nèi)容具有科普性質(zhì)，因此其課程主要分為理論＋實(shí)踐兩大環(huán)節(jié)，各安排2 次（每次2 課時）課程，并且其雕刻作品一般為簡單圖案，如簡筆畫、動漫截圖、規(guī)則圖形等。理論課后要求學(xué)生在課下完成雕刻作品圖案的CN代碼轉(zhuǎn)換，在實(shí)踐環(huán)節(jié)集中講解相關(guān)課程內(nèi)容并演示操作方法，然后利用課余時間分組、依次完成上機(jī)雕刻操作。對于材料專業(yè)的學(xué)生則增加了翻模澆筑材料設(shè)計(jì)的內(nèi)容，所以正式的課時量為5 次10 學(xué)時，即按照課程內(nèi)容的四大板塊各安排1 次并增加1 次澆筑硅膠模具和成型水泥石的實(shí)驗(yàn)操作，相應(yīng)地每次課后任務(wù)也更豐富，比如所選的圖案更復(fù)雜，導(dǎo)致CN代碼轉(zhuǎn)換工作量更大，特別是對翻模澆筑材料的設(shè)計(jì)部分，要求采用輕質(zhì)超高性能混凝土UHPC 材料并要達(dá)到“清水混凝土”的外觀，最后成型的作品板材厚度應(yīng)盡可能薄但又足夠堅(jiān)固、不易在搬運(yùn)中斷裂，滿足可懸掛、安裝的基本要求，等等。

C.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目保障。首先，關(guān)鍵設(shè)備雕刻機(jī)的數(shù)量配備根據(jù)各校條件設(shè)置，只要有一臺即可開課，但要求實(shí)驗(yàn)室的開放程度較高，能夠利用夜間、周末等課余時間供上課學(xué)生完成作品雕刻。一般單件作品均可在一個夜晚全部完成，更多的雕刻機(jī)復(fù)套數(shù)當(dāng)然更有利于該課程所有學(xué)生集中完成實(shí)驗(yàn)操作。其次，要求師資能力充沛，既要具有充分的理論知識，又要熟練掌握硬件操作和設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)等配套工作，進(jìn)而能夠高效、準(zhǔn)確地指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)操訓(xùn)練并糾偏、糾錯，當(dāng)然還要提前準(zhǔn)備好雕刻頭等易損件和雕刻板材、翻模硅膠、澆筑材料等。

4 教學(xué)效果

4.1 實(shí)踐項(xiàng)目

（1）借助數(shù)控雕刻實(shí)踐課程開展的多項(xiàng)各級大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目獲得很高的結(jié)題驗(yàn)收評價。

（2）利用雕刻工藝制作的土木工程材料創(chuàng)意作品屢獲學(xué)科競賽大獎，多件作品被其他單位選中做科技展品。

（3）通過雕刻工藝所建造的水泥輕舟外觀相比傳統(tǒng)手工涂抹方法顯著改善，并成為參加該美國賽事的關(guān)鍵技術(shù)亮點(diǎn)之一，為本校多次獲得分賽區(qū)冠軍做出了重要貢獻(xiàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)課程

（1）基于數(shù)控雕刻工藝所設(shè)計(jì)的土木工程材料智能制造實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，作為重點(diǎn)內(nèi)容列入新的《實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱》。

（2）該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目備受學(xué)生喜愛，選課踴躍，首次開課就有很多非材料專業(yè)學(xué)生選修該實(shí)驗(yàn)課程。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)性、綜合性和開發(fā)性、創(chuàng)造性等目前國家倡導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教改方向。尤其針對建材專業(yè)學(xué)生的項(xiàng)目內(nèi)容，不僅涉及了現(xiàn)代智能制造技術(shù)，還要求學(xué)生綜合運(yùn)用水泥、混凝土專業(yè)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行作品澆筑板材的材料設(shè)計(jì)，將多學(xué)科知識有機(jī)地融入一項(xiàng)具有藝術(shù)性和趣味性的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)踐中顯示出對學(xué)生較強(qiáng)的吸引力。

5 結(jié)語

基于數(shù)控雕刻技術(shù)的水泥基材料智能制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐表明：

（1）相對于土木工程材料智能制造如3D 打印實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來說，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的投入少、見效快，師生都更容易迅速掌握操作要領(lǐng)，并且能夠制備出具有觀賞性、藝術(shù)性或?qū)嵱眯缘淖髌?，顯著增加課程對學(xué)生的吸引力。

（2）將現(xiàn)代智能制造技術(shù)與土木工程材料基本知識有機(jī)融合，既可綜合訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)備操作、作品外觀設(shè)計(jì)、數(shù)字建模和軟件應(yīng)用等各種動手能力，同時也可鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用土木工程材料基礎(chǔ)知識的能力，充分體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)性、綜合性和開發(fā)性、創(chuàng)造性。

（3）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)需要指導(dǎo)教師具有充分的理論知識并能夠熟練掌握硬件操作和設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)等配套工作，同時還要求實(shí)驗(yàn)室的開放程度較高，便于學(xué)生利用課余時間完成作品的雕刻工作。