大型機場航站樓大吊頂裝飾工程數字化建造技術

管文超

上海市建筑裝飾工程集團有限公司 上海 200072

隨著我國國民經濟的飛速發展，城市化進程不斷加快，中國民航局提出將于“十四五”時期全力推動民航領域高質量發展，加快大型航空樞紐等民航重大基礎設施項目的建設工作。大型機場的高質高效建設離不開工程數字化、信息化等技術的支撐，而機場航站樓的裝飾工程歷來都是裝飾行業中技術要求最高的領域之一。基于BIM技術進行正向設計、三維掃描、可視化模擬、數字化放樣等應用已成為此類大型工程實施過程中常用的技術手段[1-5]。本文以北京大興國際機場、成都天府國際機場以及上海浦東國際機場衛星廳航站樓大吊頂的裝飾工程為例，簡述數字化建造技術在機場類項目中的應用探索及工程實踐。

1 異形裝飾造型全數字化建造工作流程

考慮到大型機場航站樓大吊頂裝飾施工中普遍存在的重、難點問題，在該類工程中全程采用以BIM模型為基礎的相關數字化應用。在項目前期，通過三維掃描對既有主體工程進行前期測量并逆向建模，結合設計模型進行整合比對；在項目中期，通過參數化設計、可視化模擬等數字化配套技術，進行深化設計、技術交底、下單加工、定位放線、現場安裝、跟蹤檢測、細節完善等工作；在項目后期，結合BIM模型及過程數據輔助竣工交付及成本核算。異形裝飾造型全數字化建造工作流程如圖1所示。

圖1 異形裝飾造型全數字化建造工作流程

2 航站樓大吊頂裝飾工程數字化建造應用實踐

2.1 難、特點分析

1）吊頂范圍大，測量難度高。吊頂面積均在3萬 m2以上，機場室內跨度均超100 m，要使整跨吊頂安裝后能完全閉合，形成一個封閉整體，則需進行十分精確的前期測量定位工作，傳統的室內測量器具已無法實現項目的需求。

2）異形曲面多，深化設計難。吊頂均采用異形曲面造型，包含鋁板、蜂窩板、GRG等多種材料。傳統二維CAD深化設計已無法滿足施工需求，需借助工業化、數字化軟件來實現。

3）構件加工精度要求高。因吊頂均為異形曲面，若構件加工精度無法保證，則拼裝時出現的累積誤差將使整個吊頂無法達到設計效果，從而造成大量返工及經濟損失。

4）安裝難度高，工期時間緊。機場航站樓吊頂屬超高空間吊頂，標高均在10 m以上，如此龐大的體量若采用傳統滿堂腳手架施工方案，則會產生巨大的施工成本，并且影響到其他工作面的開展，導致施工界面沖突及工期延長。

2.2 三維掃描與逆向建模

北京大興國際機場航站樓（圖2）吊頂最高40 m，成都天府國際機場及上海浦東國際機場衛星廳吊頂高度也均在15～30 m，均屬超高吊頂，無法采用傳統人工測量的方式進行深化設計前的現場測量。因此，我公司通過便攜式全站儀與三維激光掃描儀相結合的方式，對航站樓的結構主體進行數字測繪。先利用全站儀定位采集坐標，再用三維掃描儀對現場進行360°全方位數據采集，最后通過點云處理軟件，將坐標與點云數據統一，拼接成完整的基于真實坐標系的點云數據模型。在多達2萬～3萬 m2的大空間內，采用了多臺掃描儀與全站儀協同工作的模式，對每個機場都進行了3 d以上的采集工作，確保采集的數據精度控制在1 mm誤差內。

圖2 北京大興國際機場三維測量鋼架模型（左）與建筑實體（右）

2.3 基于BIM模型的正向設計

將大吊頂現場掃描數據進行拼接、消噪、抽稀等后處理工作，形成點云模型后，通過逆向建模將點云模型逆向為實體Revit模型，實現將現場既有建筑還原為1∶1的數字三維模型。其后所有的裝飾表皮、背負鋼架、安裝構件模型均在此模型基礎上建立。最后將完成的模型與其他專業模型進行整合，檢查碰撞問題，反饋至各個專業進行修正，完成裝飾面的二次調整，如圖3所示。

圖3 成都天府國際機場三維掃描模型、逆向模型比對分析及二次調整

通過數字化模型的創建，我們得到了與現場一致的孿生模型，這為后續三維深化設計工作提供了基礎。大吊頂深化設計工作主要分為基層骨架排布、安裝方式優化、表面分割排板、收口節點細化、最后的產品出圖加工等。

2.3.1 大吊頂飾面板參數化分塊出圖

本文所述的三個機場項目其大吊頂表皮都呈現出了流線型的曲面造型，在表皮分割時考慮到板塊的自身加工成本，因此將雙曲面造型簡化為單曲面，同時又要對原設計的美感進行最大程度的還原。因此，我公司利用Rhino &Grasshopper可視化編程建模平臺，對表皮進行參數化處理，分析出可進行優化的單曲板塊，最后進行分割處理（圖4、圖5）。同時，正因為采用了參數化設計，項目工程師可以快速、高效地對表皮分割方式進行自動關聯的調整修改，避免了大量的重復工作。

圖4 上海浦東國際機場衛星廳參數化飾面排布

圖5 飾面板參數化出圖

2.3.2 基層龍骨數字化排布

成都天府國際機場（圖6）及北京大興國際機場（圖7）的大吊頂主鋼架由球形節點連接，由于網架結構的特殊性導致龍骨的連接點位必須在球形節點處布置，我公司基于前述逆向模型對球形節點的位置進行準確定位，并且針對龍骨鋼架排布方式開發了排布腳本進行自動排布，確認了每個連接點位的坐標，最終正向導出二維排板布置圖，指導現場施工。

圖6 成都天府國際機場龍骨排布

圖7 北京大興國際機場龍骨排布

2.3.3 關鍵節點施工模擬

安裝細節的把控也是此類工程深化設計過程中的重點。在北京大興國際機場項目中，我公司采用鋼結構圓盤與轉換層框的連接方式（圖8），有別于常規鋼結構轉換層固定或有向轉換節點的設計，大吊頂鋼結構轉換層采用轉換圓盤，具有更好的方向性，轉換層框架可以任意轉向并固定在轉換圓盤上，滿足吊頂鋁板造型走向不一的要求。通過鋼桁架球體預設連接件，制作方管轉換層，固定在鋼桁架上，轉換層施工完成后，板塊的安裝又回到常規的掛接龍骨吊頂的做法。為及時發現并改正預制構件安裝方案中存在的問題，以及達到更好的施工交底效果，我公司基于BIM模型對相關工藝節點及連接方式進行仿真分析，通過工藝模擬以驗證節點設計的可行性。

圖8 北京大興國際機場球節點與轉換層連接方案

2.4 數字化出圖與生產加工

北京大興國際機場航展樓的大吊頂共由14萬塊漫反射裝飾板組成。我公司基于BIM模型的參數化腳本控制技術，在飾面板加工圖的出圖過程中，對面板進行自動化排序、編號、出圖、下單，相較于傳統二維繪制模式，數字化的加工圖下單方式更符合制造業的標準需求，高效且準確（圖9）。生產廠家在得到二維加工圖紙及三維BIM模型后，可直接提取模型特征數據導入機床，通過五軸聯動機床，直接對材料進行批量生產。完全工業化的生產加工模式不僅節省了出圖時間，更縮短了項目的生產加工周期。

圖9 北京大興國際機場大吊頂面板排板出圖加工流程

2.5 全數字化安裝定位

在裝飾面板安裝定位過程中，我公司在BIM模型中將上萬個連接件的安裝點坐標和鋁板拼接坐標批量導出，按照相應的格式匯總編輯后導入全站儀，即可對現場的安裝坐標進行精確放樣，使施工現場可以取消滿堂腳手架的搭設，只需配合曲臂車等移動式登高設備進行板塊安裝即可（圖10），在保證安裝效率和精度的同時，降低了施工成本和工期時間。

圖10 裝飾基層、面板精確定位、無腳手架安裝

3 結語

在北京大興國際機場、成都天府國際機場以及上海浦東國際機場衛星廳航站樓大吊頂裝飾工程的建設過程中，以BIM模型為基礎的數字化建造技術輔助項目順利實施，通過數字化場景下的現場測量、設計、施工、加工、安裝等傳統工作，攻克了現場測量精度與產品加工精度兩大難題，使大吊頂的裝飾施工得以順利進行，形成以下技術優勢：

1）數字化設計。將三維數字模型作為連接產品設計與數控加工的紐帶，且模型中的數據可直接傳遞使用，無需重復輸入數據，減少人為失誤，提升加工效率和精度。

2）工業化生產。基于BIM模型可批量生成精確的加工圖，導入機床直接進行工業化生產，結合先進的測量儀器，實現高精度的出圖、生產、安裝，完全還原設計方案。

3）無腳手架施工。通過數字仿真技術及先進的輔助安裝機具，摒棄傳統的腳手架施工方案，從而實現對成本的控制和工期的縮減。

本文針對復雜的大型機場航站樓吊頂空間，通過數字技術的探索和數字設備的整合應用，形成完善的異形裝飾造型全數字化建造工作流程，將裝飾工業化與數字建造相結合，實現了裝飾工程精確測量、精細深化、精致加工、精準安裝等全過程的精細化施工，提升了工程質量，實現了降本增效，體現了科技引領支撐重大項目，實現了關鍵環節與重要領域的技術突破。