大型異形裝飾面施工中數(shù)字化建造技術(shù)的應(yīng)用

王利雄

上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 數(shù)字化建造技術(shù)簡介

在信息技術(shù)迅速發(fā)展的大環(huán)境下，傳統(tǒng)施工企業(yè)向精細(xì)化、數(shù)字化建造轉(zhuǎn)型升級的需求愈發(fā)迫切。BIM和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)正在引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

數(shù)字化建造技術(shù)是泛指將信息對象轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過電腦存儲、處理，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)闹T多軟硬件技術(shù)。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能科技、大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對于建筑設(shè)計(jì)的初期構(gòu)思、設(shè)計(jì)方案優(yōu)化和施工過程輔助等方面都發(fā)揮著巨大的作用[1-2]。從過程上看，數(shù)字化建造技術(shù)是建筑信息模型技術(shù)的綜合。數(shù)字化建造表達(dá)著建筑信息模型在測量、建造等實(shí)際過程的信息要點(diǎn)，是數(shù)字化、虛擬化、精細(xì)化控制建筑信息模型的深層次利用。

2 數(shù)字化建造技術(shù)在異形裝飾面工程中的應(yīng)用

本文以九棵樹（上海）未來藝術(shù)中心的異形木飾面飄帶（圖1）裝飾施工為例，闡述以BIM模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化建造技術(shù)在大型異形裝飾面的設(shè)計(jì)、加工、安裝、竣工交付階段中的應(yīng)用，展示裝飾專業(yè)技術(shù)與數(shù)字建造領(lǐng)域結(jié)合應(yīng)用所帶來的技術(shù)發(fā)展與突破。

圖1 九棵樹（上海）未來藝術(shù)中心1 200座主劇場紅色木飾面飄帶模型效果

2.1 數(shù)字化建造技術(shù)的實(shí)施工作流程

在大型異形裝飾面施工全階段，可采用以BIM模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化建造技術(shù)進(jìn)行模型深化、技術(shù)交底、下單加工、現(xiàn)場定位、現(xiàn)場安裝、跟蹤檢測、細(xì)節(jié)完善，最終實(shí)現(xiàn)成品交付（圖2）。在實(shí)施中，應(yīng)保證在不同階段進(jìn)行數(shù)字化控制，從而達(dá)到最終的精確施工。

2.2 數(shù)字化建造設(shè)計(jì)應(yīng)用

建筑裝飾領(lǐng)域的數(shù)字化建造設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在深化設(shè)計(jì)過程中，具體可分為三維掃描與逆向建模、參數(shù)化BIM模型設(shè)計(jì)、可視化展示、設(shè)計(jì)方案對比、專業(yè)間碰撞檢查等應(yīng)用。其目的是輔助編制詳細(xì)施工方案，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，優(yōu)化施工流程，事先解決施工過程中的技術(shù)措施、工藝做法、用料等問題，準(zhǔn)確表達(dá)施工工藝要求及施工作業(yè)空間，確保深化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的施工可行性，同時為全面的施工管理提供完整詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

2.2.1 三維掃描與逆向建模技術(shù)

精確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)是所有精細(xì)化裝飾施工的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)測量方式的精度不足、誤差較大，特別是異形裝飾面材料下單對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)要求更高。同時，傳統(tǒng)測量結(jié)果只能體現(xiàn)在二維圖紙上，無法直接指導(dǎo)深化設(shè)計(jì)與材料下單。

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測繪技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物數(shù)據(jù)。該技術(shù)可以真正做到直接從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無需進(jìn)行任何的實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。由于技術(shù)上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，故其最大特點(diǎn)就是精度高、速度快、逼近原形，是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施過程中，通過應(yīng)用三維激光掃描儀，在裝飾工程開展前采集現(xiàn)場實(shí)際的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型（圖3、圖4）及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)，整體誤差低于4 mm。精度高、速度快的測量方式為項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 數(shù)字化建造技術(shù)輔助大型異形裝飾面的工作流程

圖3 三維掃描得到的 土建點(diǎn)云模型

圖4 土建點(diǎn)云模型+裝飾面設(shè)計(jì)模型

2.2.2 基于BIM模型的深化設(shè)計(jì)

在深化設(shè)計(jì)前期，根據(jù)獲取的現(xiàn)場測量模型信息、原設(shè)計(jì)階段BIM模型進(jìn)行基于BIM模型的深化設(shè)計(jì)（圖5）。在這一過程中，除裝飾專業(yè)BIM模型外，建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等各專業(yè)的信息全部集中在一個平臺中，使專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間的協(xié)調(diào)變得快速與直觀。

通過現(xiàn)場采集的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與精裝設(shè)計(jì)模型進(jìn)行整合，了解裝飾面與現(xiàn)場結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系，確認(rèn)是否存在硬碰撞或安裝空間不足等問題（圖6）。發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)板及梁突出飾面、樓板挑出、裝飾面與機(jī)電管線碰撞等設(shè)計(jì)問題時，均可在產(chǎn)品加工前進(jìn)行妥善解決。

圖5 基層飾面深化模型與設(shè)計(jì)模型比對

圖6 異形裝飾面整合碰撞檢查報告

2.3 數(shù)字化建造施工應(yīng)用

異形裝飾面施工過程中的數(shù)字化應(yīng)用包含飾面板塊的劃分與信息提取、配合材料下單、工程量統(tǒng)計(jì)、三維放樣等應(yīng)用。由于基于BIM模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確、透明、共享、方便統(tǒng)計(jì)、方便協(xié)同的特點(diǎn)，因此可以為產(chǎn)品的下單及安裝提供強(qiáng)有力的支持。

2.3.1 基于BIM模型的飾面板塊劃分與信息提取

飾面板塊的分割應(yīng)考慮加工過程、運(yùn)輸過程及存儲過程中對尺寸、質(zhì)量的限制。可通過參數(shù)化BIM分析軟件（如Rhino＋Grasshooper、Dynamo等）進(jìn)行不同分塊方案的模擬，并與項(xiàng)目工程師溝通，確保分塊方式是加工、運(yùn)輸及安裝效果的最優(yōu)方案（圖7）。

圖7 基層飾面分塊及編號

在單元板塊生產(chǎn)加工階段，將三維線框的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至操作平臺，進(jìn)行單元數(shù)控加工，以保證精確度（圖8）。

圖8 樣板段分塊三維線框模型與背部鋼架模型示意

2.3.2 三維全站儀輔助安裝

光學(xué)經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常用儀器和工具，是工程施工放樣技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。圓曲線或曲線的施工放樣較復(fù)雜，其測量方式大多采用偏角法和切線支距法。這些方法很容易產(chǎn)生累積誤差，不僅有大量業(yè)內(nèi)計(jì)算，而且受地形限制，放樣速度慢，精度低；使用全站儀能使放樣過程簡化，精度提高，且不受地形限制，但建筑施工的現(xiàn)場環(huán)境一般較為復(fù)雜，全站儀坐標(biāo)放樣時往往需要反復(fù)移動目標(biāo)，且需要超過2人參與操作，施工效率仍然有待提高。

對于復(fù)雜曲面造型的裝飾面板放樣，應(yīng)用三維全站儀并基于精確的3D模型坐標(biāo)點(diǎn)，可以放樣出點(diǎn)、線、弧等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。單獨(dú)在模型中選取想要放線的點(diǎn)，能有效避免放樣錯誤造成的返工，不僅可以提高放樣精度，而且可以提高放樣的工作效率。

在板塊的具體安裝過程中，通過放樣機(jī)器人的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，提供實(shí)測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，達(dá)到毫米級精度。一般而言，第1個板塊的安裝是至關(guān)重要的，因此可以通過放樣機(jī)器人先確定第1個單元板塊的第1個坐標(biāo)點(diǎn)，再復(fù)核另外3個控制點(diǎn)。其他豎向及橫向板塊便可依次安裝。

2.4 數(shù)字化竣工交付

在竣工交付階段，可以使用掃描設(shè)備對裝飾面安裝位置進(jìn)行復(fù)核。同時，BIM模型中的數(shù)據(jù)能夠快速統(tǒng)計(jì)異形曲面造型的投影面積與實(shí)際展開面積，為工程結(jié)算提供精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4.1 安裝復(fù)核

木飾面飄帶的檢測工作是完全在安裝過程中進(jìn)行的。利用全站儀和手持式三維掃描儀全程跟蹤現(xiàn)場安裝，通過單塊、垂直、區(qū)域3個層面上的復(fù)核，有效保證整個飄帶的精確度。如有問題，可以在過程中及時調(diào)整。

2.4.2 輔助竣工圖提交及工程量統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目竣工后，需要提交結(jié)合所有變更信息、與現(xiàn)場實(shí)際一致的BIM模型。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，任何修改都反映在BIM模型中。由3D模型生成的2D圖紙更能體現(xiàn)最終竣工階段的信息?？⒐D交付階段，在竣工模型中創(chuàng)建相應(yīng)的剖面、平面、立面圖，添加尺寸標(biāo)注，并導(dǎo)出圖紙，由項(xiàng)目深化工程師完成最終的竣工圖交付。

工程竣工結(jié)算階段，核對工程量是最主要、最核心的工作。傳統(tǒng)的結(jié)算方式弊端很多，特別是針對異形裝飾面。人為重復(fù)工作量大、效率低下、信息流失嚴(yán)重、結(jié)算準(zhǔn)確率不高、現(xiàn)場比對困難、耗費(fèi)結(jié)算人員多、過程漫長等問題不斷涌現(xiàn)?；贐IM的三維模型可以直接從三維模型中提取工程量信息，能提高工程結(jié)算審核的準(zhǔn)確性與效率，可以較好地解決工程結(jié)算的通病。

3 結(jié)語

大型異形裝飾面的設(shè)計(jì)及施工，長期以來都是建筑裝飾工程領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。而以BIM模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化建造技術(shù)為行業(yè)的技術(shù)突破帶來了新的希望。在項(xiàng)目的深化設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用三維掃描技術(shù)，提升測量的效率與準(zhǔn)確性；通過對復(fù)雜裝飾面造型進(jìn)行BIM模型建立，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)方案比選、碰撞問題檢查等工作；生產(chǎn)加工過程中，通過BIM模型進(jìn)行精確分塊，導(dǎo)出圖紙后可直接下單；安裝環(huán)節(jié)中，應(yīng)用放樣機(jī)器人可為飾面板塊在三維方向上的定位提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)；在整體施工過程中，一改傳統(tǒng)的溝通方式，通過可視化模型進(jìn)行會議支持，提升信息傳遞準(zhǔn)確性，加快整個項(xiàng)目進(jìn)度。

在整個建筑裝飾工程全生命周期中應(yīng)用數(shù)字化建造技術(shù)，表現(xiàn)出了數(shù)字化建造領(lǐng)域的科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)前沿技術(shù)與專業(yè)應(yīng)用在建設(shè)行業(yè)的融合應(yīng)用，體現(xiàn)了科技引領(lǐng)支撐，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重要技術(shù)的突破。我們應(yīng)充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)與數(shù)字建造領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，形成一套業(yè)務(wù)落地、技術(shù)領(lǐng)先的數(shù)字化、裝配化、綠色化完整工作體系，為行業(yè)提供全面解決方案與更有價值的服務(wù)。