數(shù)字化賦能大型公共建筑全過程精細化建造及管控

李 佳

上海市建筑裝飾工程集團有限公司 上海 200072

1 研究背景

1.1 技術(shù)背景

大型公共建筑空間類型廣泛，建筑空間復雜，其裝飾建造具有構(gòu)配件復雜、飾面材質(zhì)豐富、安裝精度要求高等特點。隨著我國城市化進程的推進，我國大型公共建筑裝飾建造技術(shù)發(fā)展迅速，但依然存在工程體量大、工期時間緊、人工作業(yè)多、現(xiàn)場安裝質(zhì)量取決于工人技術(shù)水平等問題。目前，國內(nèi)公共建筑裝飾仍處于全產(chǎn)業(yè)鏈集成度相對較低的水平，缺乏相對成熟的數(shù)字化融合工業(yè)化建造協(xié)同體系。

近年來，大型公共建筑裝飾建造工期越來越短、檔次越來越高，其建造發(fā)展模式從以傳統(tǒng)手工作業(yè)為主逐步過渡為以工業(yè)化制造、裝配化安裝為主的智能化、機械化建造模式。通過數(shù)字化技術(shù)在裝飾工程領(lǐng)域的融合應用，借助BIM技術(shù)、三維掃描、AR/VR/MR、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)手段，可以有效促進設(shè)計、加工、安裝、驗收等施工全過程的效能提升，同時，積極改善施工作業(yè)形態(tài)，減輕勞動強度，盡可能多地減少人工繁雜作業(yè)。

因此，采用數(shù)字化手段賦能傳統(tǒng)裝飾建造，開展適用于大型公共建筑的精細化建造與管控技術(shù)研究和工程應用，對于提高大型公共建筑裝飾建造質(zhì)量水平、提升建造速度、降低人工勞動強度，實現(xiàn)施工的高效化、工藝的精細化、工程的品質(zhì)化和管理的信息化，引領(lǐng)建筑裝飾行業(yè)向數(shù)字化和工業(yè)化融合發(fā)展方向升級轉(zhuǎn)型具有重要的實際意義[1-8]。

1.2 項目依托

研究依托上海中心城區(qū)某歷史保留建筑綜合改造室內(nèi)功能提升項目。項目原1、2、3號倉庫現(xiàn)今改造成新的集會議、展覽、休閑于一體的綜合類建筑。室內(nèi)打造成具有國際會議、公共文化展覽等多功能性空間，主要涉及的重要空間有主會場、宴會廳、多功能廳、迎賓廳、會見廳以及峰會廳等。

依托于該項目，基于精細化建造和短周期建造的發(fā)展需求，針對大型公共建筑飾面造型復雜、貴重材料繁多的特點，為應對150 d如期竣工工期緊、51 070 m2裝飾面積工程體量大、材料運輸難度大等重、難點問題，采用數(shù)字化融合工業(yè)化的手段，對大型公共建筑異形復雜飾面全過程精細化建造及管控技術(shù)進行研究與工程應用。

2 非接觸式外立面勘查及室內(nèi)模型快速重構(gòu)技術(shù)

2.1 基于無人機航拍的外墻無接觸查勘技術(shù)

既有建筑現(xiàn)場勘查工作體量大、難度高，外立面情況復雜，需精準選擇修繕工藝，并且項目位于路況復雜地段，施工措施安全性要求進一步升級。

為應對外立面保護性修繕的要求，通過無人機航拍對大樓進行無接觸式的勘查，對一些構(gòu)造復雜的部位、人工無法拍攝的視角拍攝高清照片，降低人工勘查的成本，提高勘查階段的效率。

基于傾斜攝影技術(shù)對建筑外立面進行360°全方位航拍，為項目提供全面的可視化資料，具體反映項目和周邊建筑群的全貌。

基于無人機勘查影像完成720°全景的制作，通過網(wǎng)頁平臺完成外立面輕量化可交互模型的快速重構(gòu)，采用720°全景快速重構(gòu)的外立面模型傳達的外立面信息具有完整性和連貫性，采用瓦片式加載模式的輕量化模型也可減少數(shù)據(jù)存儲壓力（圖1）。

圖1 全景模型

2.2 基于三維掃描的室內(nèi)高大空間實景復原技術(shù)

考慮到室內(nèi)超大空間和復雜空間數(shù)據(jù)測量存在測量困難、誤差大、耗時耗力等難點，針對項目現(xiàn)場大空間和復雜空間兩種類型的測量工作，使用三維激光掃描技術(shù)進行現(xiàn)場實測掃描，對面積超2 000 m2的復雜大空間運用三維掃描技術(shù)進行測量，8 h完成高效率、高精度實景復原。對獲取的數(shù)據(jù)進行整理和分析，為裝飾深化設(shè)計提供精確、全面數(shù)據(jù)。整合BIM深化模型與三維掃描模型并進行對比、轉(zhuǎn)化和協(xié)調(diào)，有助于輔助工程質(zhì)量檢查、減少返工。

采用地面架站式三維掃描系統(tǒng)，過程無需借助其他大型輔助設(shè)施，如腳手架、爬梯等，實施安全系數(shù)也更高（圖2）。

圖2 室內(nèi)高大空間三維掃描復原模型

3 融合數(shù)字孿生的方案設(shè)計及參數(shù)化設(shè)計技術(shù)

3.1 基于虛擬現(xiàn)實及3D打印的可視化方案設(shè)計技術(shù)

3.1.1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的可視化方案設(shè)計技術(shù)

為了更加直觀地了解室內(nèi)裝飾的最終設(shè)計效果，對項目的復雜大空間進行虛擬現(xiàn)實場景制作，且虛擬現(xiàn)實制作與BIM實施基本同步，虛擬現(xiàn)實隨BIM及深化設(shè)計推進而同步推進。圖3為主會場星空頂?shù)奶摂M現(xiàn)實場景模擬。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用可使項目各方身臨其境，直觀評估各設(shè)計方案、施工方案的特點，靈活調(diào)整設(shè)計方案，避免決策失誤，提高溝通效率，減少因溝通問題產(chǎn)生的返工。

圖3 虛擬現(xiàn)實全景圖配合設(shè)計選型

3.1.2 基于3D打印技術(shù)的可視化方案設(shè)計技術(shù)

在深化設(shè)計階段，通過3D打印技術(shù)在實體層面上幫助設(shè)計進行方案的比選工作，精準的主會場概念模型將模型引入設(shè)計方案比選的時間大大提前，通過3D打印實體模型明確地反映出設(shè)計存在的問題，重復修改設(shè)計迭代直到最終完善為止，調(diào)整過后模型效果如圖4所示。VR技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)應用于方案設(shè)計階段，有利于提高設(shè)計和施工的質(zhì)量、降低成本、提高建筑工程效率。

圖4 主會場星空頂調(diào)整后概念模型

3.2 異形裝飾面BIM參數(shù)化設(shè)計技術(shù)

項目主會場設(shè)計引入了星空的理念，以六邊形為單元組成矩陣擬合成一個拱形的穹頂空間，星空頂造型每個六邊形大小都是漸變的，且整體還有弧形過渡，對深化設(shè)計與制作加工都提出了考驗。參數(shù)化設(shè)計具有精確性與高效率，因此在大空間突破性采用全參數(shù)化設(shè)計方法，通過對星空頂設(shè)計方案中六邊形喇叭口造型的研究，對其孔徑大小、表面彎曲程度、傾斜程度等變量參數(shù)進行控制，將設(shè)計結(jié)果與程序、算法、參數(shù)之間形成聯(lián)動，原先靜態(tài)設(shè)計的過程轉(zhuǎn)變成動態(tài)設(shè)計過程，這比搭積木方式的手工建模更具效率、精準、邏輯性。利用可視化編程建模平臺，通過對變量參數(shù)的調(diào)整和程序的適當修改，可以在短時間內(nèi)生成主會場參數(shù)化模型，快速呈現(xiàn)設(shè)計效果，使設(shè)計師高效地完成設(shè)計過程推敲和成果的對比遴選（圖5）。

圖5 參數(shù)化模型修改前后對比

4 基于數(shù)據(jù)交互技術(shù)及數(shù)控設(shè)備的產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)加工技術(shù)

4.1 主材下單數(shù)字化

通過主材下單數(shù)字化策劃，生成高精度的電子文檔直接交付廠家進行主材下單，替代現(xiàn)場測量或制模等傳統(tǒng)下單方法，實現(xiàn)主材下單數(shù)字化。

4.2 數(shù)據(jù)交互

借助BIM技術(shù)，可實現(xiàn)預制構(gòu)件由參數(shù)化設(shè)計模型向加工信息模型的數(shù)據(jù)交互。項目基于參數(shù)化模型和數(shù)據(jù)交互技術(shù)，對六邊形產(chǎn)品表皮進行自動化批量化編號，同時對每塊板塊單獨生成一個平面加工圖紙。自動化的出圖方式在保證圖紙精度的同時，減少了6 d以上出圖時間。通過BIM模型和信息化管理平臺實現(xiàn)了由設(shè)計到構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的信息交互。

4.3 CNC雕刻設(shè)備

在構(gòu)件生產(chǎn)加工階段，可以充分利用BIM模型進行構(gòu)件生產(chǎn)場地的模擬，并對接數(shù)控加工設(shè)備，將產(chǎn)品進行參數(shù)展平化設(shè)計，即將三維構(gòu)造展開為二維平面圖形，利用模型數(shù)據(jù)編寫加工程序單，導入三軸雕刻機，實現(xiàn)構(gòu)件數(shù)字化、自動化加工。項目會見廳墻面選用國內(nèi)首見的超大型山水畫浮雕木飾面，對木飾面山水畫紋理進行高精度模型創(chuàng)建，將模型數(shù)據(jù)導入數(shù)控雕刻機床內(nèi)，進行微米級點陣雕刻，相比手工雕刻實現(xiàn)壓縮加工總時長達4/5。雕刻的數(shù)據(jù)準確性高，更適合于裝飾工程項目大批量運用。峰會廳采用石材-金屬復合造型飾面結(jié)構(gòu)輕量化墻體，采用先進的數(shù)控設(shè)備對石材荒料進行水刀成形切割，可以快速、精準地對石材進行加工，在保障曲面板塊的尺寸精度的同時，節(jié)省了石材荒料選擇時的厚度，在大批量加工時可提高產(chǎn)能以及節(jié)約成本。

5 施工階段數(shù)字化技術(shù)應用

5.1 基于施工工藝仿真模擬的安裝工藝與節(jié)點優(yōu)化技術(shù)

項目存在大量大空間高空安裝作業(yè)，為了解決施工出現(xiàn)的信息傳達偏差和進度計劃存在的問題，優(yōu)化施工方案、減少返工和整改并且提高效率，采用工藝仿真模擬技術(shù)對重點工程的重難點部位進行安裝工藝模擬。

項目完成了宴會廳、主會場、多功能廳的動畫模擬，對宴會廳石材柱子的安裝方式進行了優(yōu)化，把原先工作空間狹小的區(qū)域通過整體吊裝、鋼結(jié)構(gòu)承插節(jié)點和收口螺栓固定等方式的優(yōu)化，減少了焊接工作量。

對主會場板塊安裝方式通過動畫模擬進行調(diào)整，將原先單元板塊螺絲固定方式調(diào)整優(yōu)化為滑動調(diào)節(jié)方式。

對多功能廳移動軌道通過動畫模擬增加滑輪設(shè)計，提高了安裝的速度，簡化了調(diào)節(jié)難度。

通過可視化施工交底及施工模擬，把傳統(tǒng)二維深化圖紙的工作提前到模擬階段，比選安裝工藝，提高溝通效率，優(yōu)化節(jié)點構(gòu)造，模擬現(xiàn)場施工，進而確保了安裝工作的順利開展并避免不必要的返工（圖6～圖9）。

圖6 主會場天花板安裝動畫模擬

圖7 主會場墻板安裝動畫模擬

圖8 宴會廳動畫模擬

圖9 多功能廳動畫模擬

5.2 高精度定位技術(shù)輔助安裝

對于曲面及異形飾面，相應的平面圖紙難以表達構(gòu)件的定位。為了準確表達構(gòu)件的定位安裝，在項目大空間區(qū)域的曲面及異形飾面板塊的精準安裝中運用全站儀定位測量技術(shù)，采用坐標點配合全站儀通過打點方式定位模型，測設(shè)點直接跟坐標原點關(guān)聯(lián)，避免過多的標注點與軸線距離的工作。通過提取構(gòu)件的坐標點信息，通過已知坐標求點來控制龍骨安裝角度，實現(xiàn)精準定位。

5.3 增強現(xiàn)實技術(shù)輔助安裝驗收

項目大空間區(qū)域多，主會場大空間曲面板塊安裝定位難，而通過紅外線和人工測量的方式對大空間和曲面造型只能做到一個相似形狀，借助AR技術(shù)進行施工質(zhì)量檢測，其檢測結(jié)果更加全面、客觀，可以用來輔助安裝定位和質(zhì)量檢查，為交底和驗收環(huán)節(jié)提供可視化的參考和指導。

為控制大空間裝飾面的安裝質(zhì)量，采用AR技術(shù)對主會場進行安裝質(zhì)量檢查，通過模型導入移動平板電腦，將BIM模型與施工現(xiàn)場1∶1匹配疊加，借助陀螺儀實現(xiàn)現(xiàn)場厘米級定位。如圖10所示，采用AR技術(shù)，利用手持iPad對項目主會場墻頂一體金屬面板基層龍骨及單元安裝輔助施工及檢測驗收，可實時查看完成面效果，誤差約為5 mm。

圖10 手持iPad現(xiàn)場輔助現(xiàn)場安裝驗收

5.4 施工全過程延時攝影技術(shù)應用

從項目一進場就進行了延時攝影拍攝，從項目的開始至結(jié)束全過程，記錄下每個關(guān)鍵場館的施工過程、重要空間的安裝工序、重難點部位的安裝過程和安裝方法，包括外立面墻面施工拍攝、1#樓會見廳超大板塊雕刻木皮金屬復合飾面制作及安裝拍攝、1#樓峰會廳多邊形復合飾面制作及安裝拍攝、2#樓主會場吊頂安裝拍攝、2#樓宴會廳墻面刺繡硬包及柱體石材安裝拍攝、3#樓多功能廳墻面及暗門安裝及施工拍攝、3#樓小展廳錐體抹灰施工工藝拍攝等。通過幾分鐘的視頻快速呈現(xiàn)從基礎(chǔ)設(shè)施的搭建到最終飾面的安裝過程，為后續(xù)工藝復盤、改造追溯、宣傳展示提供重要資料。

6 基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)的精細化管控技術(shù)

6.1 參數(shù)化標準節(jié)點數(shù)據(jù)庫研發(fā)與應用

當項目進入深化設(shè)計工作時，經(jīng)常會遇到個人能力知識孤島、不同維度信息分散、節(jié)點深化缺少規(guī)范標準等相關(guān)問題。

對此，采用信息化手段，建立一套較完整、可更新、成體系、方便使用的深化設(shè)計施工參數(shù)化標準節(jié)點數(shù)據(jù)庫并進行深入應用，打造裝飾工程BIM正向設(shè)計技術(shù)路線，通過云端管理打破知識孤島，上傳建立知識圖譜進行資源共享，提供快速搜索模式讓沉淀的模型數(shù)據(jù)發(fā)揮最大價值，匯聚二維圖紙和三維模型信息形成多維聯(lián)動，整體提高裝飾工程節(jié)點深化效率，促進圖紙深化信息化管理。

6.2 基于BIM模型的物聯(lián)網(wǎng)管控平臺研發(fā)與應用

為應對項目復雜大空間裝配化安裝要求，并做到所有構(gòu)件可裝、可拆、可運、可藏、可換，基于BIM＋二維碼無線射頻技術(shù)研發(fā)了裝飾構(gòu)配件物流管理平臺，對裝飾構(gòu)配件進行信息化溯源管控。從廠家生產(chǎn)的源頭開始將由BIM模型導出的編碼粘貼至構(gòu)配件上，產(chǎn)品出庫后掃描進入管理平臺，從物流儲存到現(xiàn)場安裝全程進行監(jiān)控，后續(xù)拆除和二次搭建階段同樣運用此管理平臺進行管控。通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺輔助裝飾主材物流精細化管理，實現(xiàn)構(gòu)配件生產(chǎn)可控、運輸可查、安裝可視，使得生產(chǎn)運輸過程中的損耗率降低，提升管理效率，進一步促進裝飾工程數(shù)字化與工業(yè)化的深度融合。

7 結(jié)語

在整個項目的建設(shè)過程中，運用無人機、三維掃描、可視化、VR、3D打印、CNC雕刻、AR、延時攝影、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，將數(shù)字化融合到裝飾工程建造前期查勘、初步設(shè)計、方案策劃、深化設(shè)計、材料下單、工廠加工、現(xiàn)場安裝、質(zhì)量驗收、過程管控等全過程，在裝飾節(jié)點產(chǎn)品設(shè)計過程中，打造了裝飾工程從參數(shù)化建模、方案比選、深化模型、生成加工圖、產(chǎn)品生產(chǎn)、到現(xiàn)場安裝的BIM正向設(shè)計技術(shù)路線，建立了建飾工程大型公共建筑復雜飾面精細化建造及管控體系，并為后續(xù)大型公共建筑裝飾建造提供了從設(shè)計、加工、安裝、驗收、管控的全過程精細化建造及管控方案。進一步推進了裝飾領(lǐng)域數(shù)字化與工業(yè)化建造的深度交叉融合發(fā)展。