大型主題樂園的綠色智慧建造關鍵技術

歸豪域 上海市建筑裝飾工程集團有限公司高級工程師

大型主題樂園樂園是指集休閑、娛樂、展示、餐飲等多功能，建筑外表皮呈現多種高逼真仿真材料，并帶有鮮明故事情節與主題的文創建筑群。它的設計采用非線性的思維方式，建筑物表面形制多采用波浪形不規則曲線、多曲面組合等要素，建筑空間起伏交錯，建筑層次明顯，且空間結構多呈異形結構體，排列極其不規則，帶有強烈的視覺沖擊與沉浸式空間感。

但傳統建筑裝飾工程施工工藝無法滿足其構件的多樣性、個性化、藝術性，因此采用智能化的數字設計技術、三維定位與高精度打印技術、高逼真主題抹灰技術、藝術上色工藝、智能化數字資產運維等技術來全方位解決大型主題樂園室內外高逼真仿真效果、多專業協調管控與日后的系統維護。

目前，國內尚未形成完善的大型主題樂園智能化藝術建造技術體系，本論文的論點將以上海迪士尼夢幻城堡，這座國內首座真正意義上的大型主題建筑的實踐經驗為論述背景，首次將行業內前沿的智能建造技術做集中梳理，供各位同行借鑒。

為滿足上海迪士尼夢幻城堡的主題要求，必須采用傳統手工制作藝術構件，因為手工作業能夠生動細膩、栩栩如生地體現高仿真效果，最大程度地滿足設計要求。但是手工作業工序繁復、耗時耗力，對質量管理者要求極高，且完成效果完全依賴于人工，這種高度的依賴性可謂“牽一發而動全身”，對項目執行非常不利。因此，亟需尋找更智能高效的方法解決此行業難題。項目組通過無數次調研、實踐、數據對比，最終實現對項目模型高精度的控制、通過人工智能加工代替工人手工作業，引入三維掃描、三維打印、三維CNC 雕刻技術，自主研發了直塑機器人，高效完成了建造任務。

1 基于藝術造型構筑物的三維精確定位與掃描技術

1.1 三維精確定位與掃描技術應用基礎

三維精確定位與掃描技術適用于復雜裝飾構件，裝飾藝術構件結構復雜、曲線與曲面交替，空間錯落有致，在傳統測量工具精度無法滿足精度的前提下應用此技術更為合適。

1.2 三維精確定位與掃描技術的應用技術原理與方法

三維激光掃描技術以激光測距技術為基礎，通過獲取儀器發射的激光脈沖反射回來的時間確定距離信息，從而確定掃描點的三維坐標。根據設定的掃描范圍，對空間以一定的取樣密度獲取不同點的三維坐標，通過傳動裝置的掃描運動對物體進行全方位掃描，獲得物體的全部空間信息[1]。掃描分為多個站，最后將不同掃描站的點數據拼接起來得到完整的模型數據，為此，在建筑四周放置便于三維激光掃描儀識別的同名控制點，同名控制點布設是否合理將直接決定點云數據配準的精度。

1.3 點云數據獲取技術

通過對掃描所獲取的點云數據圖進行建模，能夠得到構件的精確模型。在建模之前必須對原始數據進行處理，三維激光掃描儀獲取的原始數據為一系列離散的點云數據，它們記錄了測量物體表面離散點的空間信息和某些物理參量，其信息量很大。它不僅儲存了物體的空間信息，還包括強度信息及顏色灰度信息等，一般為便于后期處理，需要將點云數據中冗余的無用數據刪除，減少數據量[2]。

利用云數據建模之前需要進行坐標系統的轉換，使其在同一坐標之下。三維激光掃描技術掃描全面、超距離、精度高、效率高，繪制現狀圖準確，內容反映全面，通過三維激光設備的使用，測量工作者對異形構件真正做到了全方位的信息收集，測繪速度與精度均大大提高，這些也保證了智能加工的進行。

2 基于復雜藝術類裝飾構件的高精度三維打印技術

2.1 高精度三維打印技術的應用原理

三維打印機從實現了三維數字模型到材料添加點的轉換，將虛擬與現實迅速連接，是一種快速制造技術。目前，由于三維打印技術的諸多優越性，被普遍認為是未來工業技術發展的重要戰略方向。項目組采用了高精確度的數字化建模技術，可以直接打印產品，大大提高了效率的同時，保證了設計效果與工藝質量。采用直接打印模具與產品的方式，能夠將產品模具包括其支撐全部打印，有效地避免了模具在拆模過程中造成的損壞，可重復使用，減少了反復加工模具的次數。

2.2 全數字化的智能高精度三維測量及逆向建模技術

突破了傳統的單點測量方法，應用三維掃描設備高精度地重建建筑實物數據。通過快速的三維數據采集及模型重構，精度高、速度快的特點。其掃描生成的三維激光點云數據還可進行計量、分析、仿真、模擬、展示、監測、虛擬現實等各種后處理工作。通過數字化的測量方式有利于實現數據的有效利用，為后續項目的后續數字化設計、智能化加工制造的實現奠定基礎。

3 基于大型主題樂園全過程數字資產管控技術

3.1 數字資產全過程管控技術應用范圍

上海迪士尼夢幻城堡的室內外立面上，有著一萬多件造型精美的藝術構件。涉及到制作周期與運輸等多重壓力，若采用傳統人工管理模式，存在資料冗長繁雜、查詢速度緩慢、無法自動進行對比計算等缺陷，無法滿足大型公共場所對于藝術構件從計劃到生產再到運營維護的全過程管理。因此項目組采用了全過程數字資產管控技術，數字管理來快速了解藝術構件的生產狀態；有序安排現場堆放場地和工廠倉庫的利用；合理協調藝術構件廠家生產進度與現場安裝進度之間的關系；科學分析藝術構件安裝效率和安裝質量；提供維護運營階段藝術構件的相關信息。

3.2 數字資產全過程管控技術應用意義

采用數字資產全過程管控在上海迪士尼夢幻世界裝飾工程中具有以下重要意義。（1）數字資產保存產品信息全面，大幅度減少傳統儲存厚重繁雜的紙質版的信息保存方式，大大降低了資料保管的難度和工作量，也更便于查詢和了解。（2）全面掌握產品狀態，對超出計劃的產品進行及時的跟蹤和處理。（3）實現物料信息、庫存信息共享，信息傳遞實時，便于部門協調配合，也能科學安排生產效率、安裝效率，合理協調各級倉庫庫存。（4）提高工作效率，降低管理成本，縮短生產和安裝工期。（5）提高工程管理水平，保證工程質量。（6）快捷方便的找到維修所需信息，減少運營維護成本。

3.3 數字資產全過程管控技術應用效果

通過使用該系統能夠達到藝術構件加工數字管理的效果主要體現在以下幾方面：（1）通過軟件能在PC 端查閱相關構件的信息（如編號、照片/圖紙等）。（2）通過軟件能在PC 端迅速了解某個產品當前的狀態。（3）通過軟件能在PC 端查詢任意倉庫或處于某一狀態（如已安裝完成）的產品數量。（4）通過軟件可以進行任何一個產品的計劃時間與實際耗費時間的對比，并對超過計劃時間較久的產品進行自動提醒功能。（5）使用手機APP 能夠進行二維碼掃描、信息查詢和信息錄入功能。

3.4 建筑藝術裝飾構件數字化信息分類技術

3.4.1 二維碼物流信息錄入技術

二維碼信息為粘貼在產品包裝顯眼處的標簽和二維碼所表達的信息。應包含產品編號、下單編號、產品尺寸、產品類型、圖紙編號、應用單體等。

3.4.2 多品類材料信息錄入技術

材料信息為錄入服務器數據庫進行保存的所需的材料信息。在產品生產之前根據深化圖紙盡可能收集產品編號、尺寸、類型、略圖、產品數量、圖紙編號、三維圖或照片、使用單體、下單編號、母模數量及保管地、模具數量及保管地等信息，并在其導入數據庫，以備管理材料進出各級倉庫之用。

3.4.3 下單信息錄入技術

下單信息應包括下單編號、下單時間、產品編號、產品數量、下單人。

3.4.4 計劃信息錄入技術

計劃信息為下單時間、廠家入庫時間、現場入庫時間、領用出庫時間、安裝完成時間、安裝驗收時間等關鍵節點的計劃時間[3]。并將其與實際時間進行對比，以檢查、督促、調整實際生產和安裝計劃。

4 基于大型主題樂園高逼真藝術飾面與構件的三維雕刻技術

4.1 三維雕刻技術原理

雕刻與打印是兩個目的相同，方法卻截然不同的快速制造方法。雕刻是將材料中多余的部分去除，是精簡的過程；打印是從零開始，逐層疊加制作出構件，是一個不斷累積的過程。三維CNC 雕刻技術是一種將傳統雕刻技術與現代數控加工中的自動化技術相結合的產物，它既秉承了傳統雕刻細膩生動、靈活自如的特點， 同時又兼具自動化的智能和精確性。目前，使用 CNC 雕刻技術和 CNC雕刻機已經成為雕刻行業的一種潮流。

4.2 三維雕刻技術特點

CNC 雕刻以“等量切削”技術為核心，主要目標是提高雕刻效率和雕刻精度，減少小刀具的磨損率，在實際加工中的表現為“ 高轉速、快進給、小進給、勻切削、高效率”。它有如下特點。

尺寸小、專業性強：CNC 雕刻對象的特點是圖案復雜、細節表現生動，多為異形結構體。要實現這樣的加工要求,則必須使用小尺寸的刀具作為基本加工刀具, 在很多情況下, CNC 雕刻機使用的雕刻刀具刀尖直徑不足 0.5 mm 甚至到0.1 mm 以下。使用小刀具進行精細雕刻是 CNC 雕刻的一個最基本的特征,刀具是保證 CNC 雕刻成品精細和加工效率高的最為關鍵因素之一[4]。

高精度、高轉速：由于 CNC 雕刻使用小尺寸的刀具銑削加工, 所用刀具的直徑小, 加工中為保證刀具的切削線速度和切削能力, 勢必要提高刀具的旋轉速度,使用具有高轉速能力的主軸電機。主軸電機旋轉速度高, 可為小刀具提供高的切削速度, 并確保小刀具在雕刻中能有較好的切削能力。

高效平穩：CNC 雕刻控制系統采用了行進的微步細分控制算法, 機床運動高速平穩, 分辨率高, 可達 0.003 mm/步。另外, 也有部份機型使用伺服驅動單元,機床各項性能指標又有較大幅度的提高。

4.3 復雜藝術構件圖形處理及雕刻技術

處理數據圖形文件： CNC 雕刻由計算機控制實現，計算機控制機床執行部件工作是靠數值化的加工指令來控制的。也就是說操作人員必須利用專業的雕刻設計軟件，按照雕刻加工的要求，繪制出準確的尺寸、形狀和位置關系的雕刻加工數據圖形。也可以利用三維掃描和圖片幫助建立模型。對圖形進行處理，首先進行網格化處理，找出破面，尖角的區域，再據網格化結構進行去除釘狀物，填充孔、松弛、平滑處理、減少噪音等處理；最后進行手動補面、構造曲面，最終轉出STP 圖形。

生成刀具路徑：CNC 雕刻機能夠合理準確地把工件加工出來，靠的是一系列的正確合理的控制指令，這一指令對于精雕機就是刀具路徑。計算機軟件是按照操作員規劃的工藝和雕刻設計圖進行刀具路徑計算的。

五軸雕刻技術：CNC 雕刻機是使用刀具進行雕刻的，其加工原理是切削加工，雕刻刀具的運動軌跡是由計算機自動計算的，這種計算是建立在刀具尺寸和圖形邊界的基礎上，雕刻加工過程是自動化的。雕刻過程中首先進行對刀，根據采用與編程方法，進行對刀，然后再進行粗加工，大致雕刻出構件輪廓，待輪廓雕刻完畢之后再進行精細加工。

5 基于大型主題樂園主題抹灰工藝的“直塑機器人”仿真塑形技術

5.1 直塑機器人工作原理

針對在大型主題樂園工程的主題抹灰中遇到的難點，項目組開發了適合建筑裝飾行業的“直塑機器人”，將機器人智能系統與噴射技術相結合，在基層上垂直分層疊加具有雕塑飾面效果的肌理墻面，全面代替人工進行作業，大量降低人工成本和管理成本，改善施工環境，有利于環境保護。

機器人的模型信息及檢驗標準以三維掃描技術與三維軟件的數字信息為標準，提高了施工精度，使驗收工作有據可循,機器人智能化技術是帶動整個建筑裝飾行業轉型的第一步[5]。

5.2 直塑機器人控制系統

項目組將研究內容分為大型交互軟件平臺、人機交互系統、機械系統、控制系統、傳感系統、噴涂材料以及噴涂設備的研究。其中，大型交互軟件平臺的主要功能是實現BIM、三維掃描云數據、sketchup 及其它設計軟件與機器人文件相互轉換，各設計軟件與機器人文件的格式已經形成標準化，轉換平臺的研究成熟度較高；人機交互系統、機械系統、控制系統、傳感系統則是組成機器人的主要部分，是一般工業機器人設計中必不可少的環節，而工業機器人的應用研究國內已初具雛形，因此，開發直塑機器人已經具有較高的成熟度。

6 結語

大型主題樂園具有建筑風格主題化、建筑空間多樣化、裝飾飾面藝術化、游藝設施多元化、戶外生態景觀綠色化等特性；現階段，我國大型主題樂園項目建造經驗較少，且相關工藝標準與技術規程空白，藝術裝飾工程建造技術匱乏、沒有成熟的綠色生態景觀系統、缺乏大型娛樂設施安裝系統及大型項目一體化管控平臺等行業技術問題突出。

為滿足大型主題樂園裝飾效果、安全性等建造要求與綠色智能建造的發展需求，解決行業提出的諸多技術瓶頸。項目組通過多年協同攻關，形成了基于大型主題樂園藝術裝飾建造的核心技術體系并開展相關工程實踐。本套成果在主題樂園及文旅建筑工程的應用已成熟且廣泛，項目組在古建筑異地重生項目、老建筑修繕領域也有成功應用案例，其行業推廣價值廣泛，社會及經濟效益顯著，為同類建筑領域的藝術加工與建造技術提供了有利借鑒與技術支撐，填補了藝術裝飾裝修領域建造技術的行業空白，為水泥制品替代大量自然資源提供了新思路。