佛教建筑复杂艺术铜装饰设计及建造技术

作者:孙晓阳
单位:中国建筑第八工程局有限公司总承包公司
摘要:南京牛首山佛顶宫核心区域“禅境大观”内南北侧10m高仿真无忧铜树、菩提铜树主要由树干、树枝、树叶、花4部分组成,采用三维数字化设计、3D打印翻模电镀、H62黄铜冲压等传统工艺与现代技术,大幅缩短工期,降低费用,且无污染、无辐射,工程质量良好,提升佛教艺术空间设计与施工水平。
关键词:佛教建筑铜装饰三维数字化3D打印施工技术
作者简介:孙晓阳,高级工程师,国家一级注册建造师,国家注册安全工程师,E-mail:xuanyuanyang@163.com。
基金:中建八局科技研发课题(2013-04)。 -页码-:109-112

1 工程概况

无忧树、菩提树、娑罗树为佛教传统的重要象征物,佛教建筑内常需布置树木。受气候、光照、水分等因素的制约,鲜活树木在室内不易成活,往往需运用现代科技手段和新型材料模仿树木形态并制作装饰树,可在特定场合模拟真实效果。

南京牛首山佛顶宫是集旅游、观演、供奉、展览和佛教文化体验等功能于一体的现代佛教建筑,室内禅境花园设有无忧树和菩提树2棵大型艺术铜树(见图1),树高约10m,树冠最大宽度8~8.5m,最大胸径0.8~1m,树叶由18,22,25,32cm 4种规格任意组合进行搭配布置。采用三维数字化设计、3D打印翻模电镀、H62黄铜冲压等传统工艺与现代技术,设计及制作工艺复杂、精度高、安装难度大。通过研发与技术攻关,克服佛教建筑复杂仿真铜装饰施工过程中的各种难题,并总结相关施工技术。

图1 实景

图1 实景

 

2 工程特点与难点

1)弘扬建筑文化底蕴,以佛教名树为主要造型,利用传统工艺结合现代技术,造型层次感强,工序衔接紧密,施工快捷。

2)在传统工艺基础上进行改进与创新,采用犀牛软件建立三维数字化模型;对树进行整体艺术效果设计;提取三维数据,3D打印1∶15主树干模型,根据打印模型1∶1翻制石膏模,3D打印1∶1主树干上的副树枝,将分段树枝根据树木形态进行组合,体现整体效果;采用有限元软件对构件各工况下的稳定性进行分析,完成主树干及较大树枝钢架的设计。

3)树干、树枝采用砂型铸造,末端较细树枝采用精密铸造;3D打印花后,翻制树脂并电镀铜成型;树叶采用H62黄铜冲压成型,通过多种成型制作工艺使树木形象逼真美观。

4)利用数字化模型指导安装,结合树木形态、走向、定位距离及空间坐标进行安装,实现多种方法控制,保证安装精度。

5)树叶与树枝采用铆钉连接,无需焊接,避免因焊接、打磨造成局部过热而变形,保留树枝原始状态;采用装配式作业,标准化程度高,安装方便快捷,大大缩短工期。

6)树干分段焊接,采用铜材制作,减少石材、木材的使用,绿色环保。

3 关键技术及工艺

施工工艺流程如图2所示。

图2 施工工艺流程

图2 施工工艺流程

 

1)三维数字化建模

以无忧树为例,根据其自然生长特性,采用三维数字化模型进行整体艺术效果设计,如图3所示。

2)主钢架设计

图3 无忧树艺术效果

图3 无忧树艺术效果

 

为提高树整体稳定性,对整树钢结构进行荷载核算,其中钢结构设置区域如图4a所示,按树干轴线建立线单元,并导入SAP2000软件中进行分析,通过核算可知,钢结构需在图4b中深色线所示的树干中增设。树干内部由主钢架、副支架组成(见图4c)。在树枝直径较大的部分内设主钢架支撑,保证铜树结构的稳定,根据树枝直径将钢管分为3种尺寸,2级树干根部选择159×9钢管,主树干根部选择500×16钢管,其他需加强位置选择273×14钢管。

图4 树干及树枝钢结构设计

图4 树干及树枝钢结构设计

 

3)3D打印树枝及翻制石膏模

3D打印1∶15主树干模型,根据打印模型,翻制1∶1石膏模;根据树枝相同的部分制作玻璃钢模,后期采用一模几铸的砂铸方案;局部树枝直接按1∶1进行3D打印,如图5所示。

4)树干、树枝铸造

采取砂型铸造、精密铸造及压铸相结合的方法,树干和树枝采用砂型铸造,局部小树枝采用精密铸造。砂型铸造部分材质为锡青铜C90300,铸型涂料采用水墨石基涂料。主树干铸造壁厚8mm,其余铸造壁厚6mm,内部布置钢架加以固定,整体贴皮厚5mm。浇筑温度1 180~1 200℃。

综合考虑铸造、运输、安装、焊接的便利,根据实际情况,将主树干分为31段,其他树枝根据铸造工艺进行分块。在每个树枝分块端口处画出3个标记点,便于后期安装定位。

图5 树干及树枝

图5 树干及树枝

 

采用精密铸造的树枝无需分段,部分铸造成实心,部分铸造成空心,空心部分蜡型厚3mm,浇筑温度1 180~1 200℃。

5)3D打印花及电镀花

利用3D打印的无忧花模型翻制树脂模型(见图6),然后在树脂模型上进行电镀,在提高无忧花逼真度的同时降低质量、提高整树稳定性。

图6 无忧花

图6 无忧花

 

6)冲压H62黄铜树叶

树叶采用3D打印,确认规格、形态后利用H62黄铜冲压成型,通过精密模具控制精度达微米级,厚约0.4mm,如图7所示。

图7 树叶

图7 树叶

 

7)树干主钢架连接

建立统一的测控坐标系和安装基准,根据图纸安装预埋板,主树干使用全站仪对每段树枝端口标记点进行定位,点位与三维模型一致,确保树枝安装后的线条流畅。

钢结构与铜树枝交叉作业施工,即安装一段钢结构后将该段对应的铜树枝进行安装,将第1节树干吊入主钢架,安装就位并核准后,遵循先安装钢架再套入树干的方式依次安装铸件。

树干与钢架采用螺栓固定的方式连接,保证树干不松动,方便钢架间的焊接。

8)铜壁板测量定位

自下而上分层安装,使关键壁板定位准确,保证艺术形象。安装内部钢架树枝时,该段钢结构安装就位后,将铜树枝套入内部钢架,以每段树枝端口标记点为基准,进行树枝端口间的拼焊。

9)安装副支架

树枝测量定位并预焊后,在壁板内部安装副支架,副支架采用电弧焊连接,并通过副支架将树枝固定在主钢架上。

10)树叶、树枝连接

根据效果图艺术形态,大树枝采用手工钨极氩弧焊双面焊接的方式与树干连接。小树枝与大树枝铆接,同时铸造树枝、树叶根部和叶柄。冲压树叶时,在树叶端口处冲压长约20mm的铜片,并卷成与树枝根部尺寸匹配的圆管。连接过程中,将树叶末端插入树枝中,通过铆钉将树叶连到树枝上,如图8所示。

图8 树叶铆接

图8 树叶铆接

 

11)打磨修饰及表面处理

分段树枝焊接完成后先对焊缝部分进行打磨,再对铜树枝表面进行整体打磨修饰。表面处理包括铜壁板外表面涂装着色和内部钢结构长效防腐,对主钢架、副支架及壁板外表面进行防腐、涂装施工,树干及树枝表面均采用金属氟碳喷涂,树叶正面及背面色彩应有层次感,进行化学着色处理,树叶着色后将其安至叶柄。

12)成品保护

脚手架拆除前,采用无黏性聚乙烯薄膜或复合彩条布覆盖,避免再次污染。

4 注意事项

1)壁板主钢架、材料、外形、尺寸及变形等应符合设计要求,树干应摆放整齐、平稳转运,防止因存放、运输不当产生的变形。

2)及时清理施工产生的废料,如材料保护膜、铜屑等,对产生的各种固体废弃物进行集中处理。

3)构件尽量采用工厂化加工,减少现场二次加工,减少材料损耗,降低加工、锻造铜板对环境造成的污染,并控制强噪声作业时间,避免夜间敲击铁器发出巨响。

4)清理完成后的铸件进行飞边、毛刺及披缝处理,将铸件外表面用20目砂盘进行半抛光修饰,并用钢丝刷刷1遍,保证树干上的纹路清晰、过渡自然,局部树干上不平整的位置需用小铣刀或錾子进行精修。

5)将所有焊缝外表面修磨平整后,修饰焊缝与周围壁板艺术过渡位置。对产生焊接变形的焊缝应先进行焊缝校形,再进行焊缝打磨,避免将焊缝部位打磨成塌边。

6)焊接前清除焊缝两侧各10mm内母材表面氧化物,用丙酮清理油污,然后用四氯化碳或无水乙醇清洗,除去表面焊丝油污。

7)喷涂氟碳漆,在合理的温度、湿度下进行涂装,施工温度应为5~35℃,湿度≤85%,漆膜应丰满、光洁,保证必要的涂层厚度。

5 结语

对南京牛首山佛顶宫复杂艺术铜装饰进行设计及建造,采用三维数字化设计、3D打印等现代技术,并结合铸造、锻造、冲压、电镀等传统工艺,实现传统技术的数字化智慧建造,大幅缩短工期、降低费用。施工过程无污染、无辐射,节能环保,且工程质量良好,提升了佛教艺术空间设计和建造水平。

 

参考文献[1] 中国建筑科学研究院有限公司.建筑装饰装修工程施工质量验收规范:GB 50210—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.
[2]中国建筑股份有限公司,中建钢构有限公司.钢结构工程施工规范:GB 50755—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3]中国寰球工程公司.工业建筑防腐蚀设计规范:GB 50046—2008[S].北京:中国计划出版社,2008.
Technology for the Design and Construction of Complex Art Copper Decoration in Buddhist Building
SUN Xiaoyang
(China Construction Eighth Engineering Bureau Co.,Ltd.General Contracting Co.)
Abstract: A 10-meter-high simulated worry-free copper tree and a bodhi tree in the core of the Usnisa Palace in the Niushou Mountain Park in Nanjing are mainly composed of trunk,branches,leaves,and flowers. This paper adopts three-dimensional digital design,3 D printing flip die plating,H62 brass stamping and other traditional processes and modern technologies. These technologies have significantly shortened the construction period,reduced costs,and had no pollution or radiation,ensured good engineering quality,and improved the design and construction level of the buddhist art space.
Keywords: buddhist buildings; copper decoration; three-dimensional digitization; 3D printing; construction
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