基于數字孿生的發泡陶瓷復雜曲面建筑表皮智能建造體系

1相關概念及背景

1.1發泡陶瓷復雜建筑表皮

發泡陶瓷（FoamedCeramics）——以礦山尾礦、工業固廢料等無機礦物為主要原料，添加特殊的發泡劑，采用濕法或干法制料，經布料成型、窯爐高溫（1150＼～1200^°C ）燒成，可用于建筑物非承重內外隔墻及外墻的輕質新型板材，是一種具有高孔隙率的閉孔的綠色循環陶瓷材料，且具有輕質高強、保溫隔熱、變形系數小、防水防火、抗老化的特點。

發泡陶瓷板材經切割、雕刻等工序，可二次加工成建筑裝飾構件，作為裝飾性細部的門窗套、線腳、支托、山花、斗拱、浮雕、立雕等部件使用。

近兩年，發泡陶瓷更是被用于制作復雜曲面建筑表皮，這是一種特殊的裝飾構件。以往，復雜曲面建筑表皮由UHPC（超高性能混凝土）GRC（玻璃纖維增強水泥）、GRG（玻璃纖維增強石膏）FRP（玻璃鋼）等材料制成，但都比較昂貴，因為制作模具的造價和時間成本較高。鋁單板和石材也可以制成復雜曲面建筑表皮，雖然無需模具，但加工難度和安裝難度都大，造價依然高企。發泡陶瓷無需模具，一旦加工出來即可立即送往工地安裝，且輕質而使安裝費用降低。更促使業主和設計師下定決心使用發泡陶瓷的是，發泡陶瓷可以幾十米不留明縫，因為發泡陶瓷作為高溫燒結材料其干縮值幾乎為零，非常穩定，不存在收縮開裂。

1.2復雜建筑形態

近代建筑，無論形式多么繁復，最終都可以用平面圖、立面圖、剖面圖、局部大樣圖（構件詳圖）來基本精確地描述，這也得益于近代建筑工程學和工程制圖學的發展。但能用平立剖面圖精準表達的，一般都是線性建筑。然而，隨著經濟的發展和審美的變化，開始產生復雜的非線性建筑。丹麥設計師約恩·烏松（ JornUtzon 于1957年設計了悉尼歌劇院，2003年他獲得“普利茲克獎”時評審團對他的評語是“設計了一幢超越他時代的建筑物，遠遠領先于可以運用的技術”。得益于復雜性科學和數字科技的進一步發展，從20世紀90年代開始非線性建筑蓬勃涌現，例如西班牙畢爾巴鄂古根海姆美術館（1997，弗蘭克·蓋里）、荷蘭霍夫多爾普汽車站（2003，NIO）加拿大夢露大廈（2006，馬巖松）阿塞拜疆的蓋達爾·阿利耶夫文化中心（2007，扎哈·哈迪德）北京國家體育場即鳥巢（2008，赫爾佐格和德梅?。┑鹊取Ｌ貏e是扎哈·哈迪德依靠數字技術實現的大量建筑作品，驗證了20世紀末建筑評論家查爾斯·詹克斯的預言：“非線性建筑將在復雜科學的引導下，成為下一個千年一場重要的建筑運動。\"

1.3基于數字孿生技術的智能建造

利用參數化三維軟件及數字編程技術，可以方便地生成非線性復雜建筑形體，在三維空間中推敲細節、修改和定位不規則曲面、精確傳遞設計文件、控制建造到運維的全過程，甚至最近的AI智能生形和渲染，計算機輔助設計發揮著愈來愈強大的作用，帶來深刻的變革。

但復雜建筑的形態，最終需要建筑表皮予以呈現。但面對使用數字技術生成的非線性復雜建筑，現今建筑表皮構件的生產和安裝工藝卻顯得落后。一方面，表皮構件廠商仍然使用傳統二維CAD圖紙進行曲面構件生產，造成構件尺寸和形狀不精確、無法預先碰撞試驗而導致現場修改或返廠；另一方面，施工企業基于二維

模型設計 模型分解 1 構件生產 現場組裝

1 1 二

二二 == 建筑 截取 二 1 1 建筑 復 離散 建構 1 1 表皮構型 背附 轉化 中 刀路圖 1 二 生產 二一二 -上- 實體構 件組 運輸 表皮 一

======= 整體數字模型 碰撞 力學驗算 ----------- 二二-十--二--+-- 機 ---+--------- ------ 存 構件安裝 ======現場復核 ----- 滑生成 生成？ 竣 運設計模型 虛實模型一致性評價 建造模型 生成 工 交付 維！ 模 模型 型

CAD圖紙進行曲面構件定位、安裝，導致安裝不準確、工期拖延、安裝費用上升。

針對以上現狀，本文在系統分析了復雜曲面建筑表皮的構成和建造流程后，基于數字孿生原理和現實情況初步構建了“過渡階段”的發泡陶瓷復雜曲面建筑表皮的智能建造體系，對該體系的5個特征進行了闡述，對體系中主結構、管線、背附龍骨和表皮這4個關鍵要素的建模方式、數據采集和實時映射進行分析?；谝陨铣晒?，對數據與模型融合技術、實體型表皮離散技術、實體型表皮生產排版技術、背附龍骨生成和驗算技術、模型碰撞測試調整技術、虛實模型一致性評價技術這6項關鍵技術進行了研究，通過案例證明了這些關鍵技術的必要性和可行性，從而為基于數字孿生的智能建造體系的全面實現奠定了更為堅實的基礎。

2數字李生技術在智能建造體系中的作用

數字孿生技術，是通過構建高保真的虛擬動態模型，實現對物理實體全生命周期狀態與行為的數字化映射與仿真分析。而數字孿生應用于智能建造，需要解決以下四個問題：

2.1多源數據采集與傳輸

作為物理與虛擬空間的交互紐帶，建造場景的數據體系具有顯著的多源異構特征。施工現場的復雜環境擾動、人員動態操作變量以及設備多模態傳感數據，對數據采集的完整性與實時性提出雙重挑戰。當前依托三維掃描技術、5G通信網絡與微型智能傳感器陣列，已實現海量異構數據的實時同步傳輸，為構建虛實交互通道奠

定硬件基礎。

2.2高精度建模與仿真

基于BIM與點云掃描等多源數據融合技術，構建具有時空演化特性的四維數字孿生模型。該模型通過參數化建模引擎與物理引擎的協同運算，不僅可靜態還原建筑實體的幾何特征，更能動態模擬施工過程中的材料形變、人機協同、工期變化等復雜系統行為。

2.3智能數據治理

構建三級數據治理架構：基礎層實施數據清洗、數據融合、特征降維等預處理；分析層運用深度學習、知識圖譜等技術實現數據價值挖掘；決策層通過D-S證據理論進行多維度數據融合，建立面向施工管理的決策知識庫。

2.4工程智能應用

基于數字孿生平臺構建“感知-分析-決策\"閉環系統，依托虛擬空間強大的數據庫、算法庫、知識庫、數據處理能力，針對物理空間實際需求形成三大應用領域：過程監控、風險管控、工藝優化。

該技術體系通過持續的數據－模型迭代優化，正在推動智能建造向自感知、自決策的智能化階段演進。

3復雜表皮智能建造體系的組成

本文所指的基于數字孿生的發泡陶瓷復雜建筑曲面表皮的智能建造體系，可用圖1表達。

對圖1中涉及的重要概念，做以下詳細說明：

3.1幾何模型設計

模型設計，通常是建筑師或裝飾設計師的工作。傳統設計過程中，一般基于模型渲染成效果圖提供給非專業用戶評審，之后數字幾何模型便被束之高閣。近年來，隨著BIM技術在建筑領域日漸成熟，且建筑日趨復雜，幾何模型將逐步取代傳統平立剖的施工圖，并在設計、構件生產、現場施工過程中位于核心地位。

3.2幾何模型分解

模型分解工作的內容包括，表皮構件的離散和轉化、背附龍骨線框圖和實體模型的構建、模型智能碰撞測試等。模型分解工作的作用，是將表皮及背附龍骨分解成能夠投入生產和安裝的組件。

3.3模型智能碰撞測試

在模型設計和分解階段，我們重構了表皮模型，并建立了背附龍骨模型，這兩個模型與建筑結構和管線是否會存在干涉，就需要進行模型之間的碰撞測試。否則，一旦表皮構件進行工廠化生產，到現場才發現干涉和沖突，將產生巨大損失并延誤工期。

3.4表皮構件的工廠化生產

構件生產的基本流程是：原材料分型采購一—精雕圖和刀路圖生成—在CNC機床和其他設備上加工—編號標記——試拼裝——包裝。

基于降低成本的原則，將整個表皮分解出以下幾種：平面構件、單曲單面加工構件、單曲雙面加工構件、雙曲單面加工構件、雙曲雙面加工構件。以上構件所需加工設備不同，其加工難度和加工成本是次第提高的。核心加工設備是雕刻機（CNC機床），雙曲構件通常需要雕刻機才能完成。平面構件通常使用橋切機和薄板機即可加工完成。

3.5表皮系統的現場組裝

現場組裝的工作流程，包括背附龍骨的搭建、表皮構件的安裝、表面涂裝工藝等。

曲面表皮構件在現場組裝之前，應檢查主體結構（包括預設管線）給表皮系統預留的空間是否過小或過大，這在碰撞測試工序中予以完成。如果空間不足，應修減主體結構超出部分，或擴展表皮模型并重新離散和生產部分表皮構件；如果空間過大，通?？梢杂娩摻Y構設置轉換層。

3.6虛實模型一致性評價

虛模型既包括建筑表皮設計模型、結構和管線設計模型，也可以包括離散分解出的用于生產的構件小模型（精雕圖），還可以包括背附龍骨設計模型。實模型既包括安裝完畢的表皮、結構和管線的物理實體點云模型（或重建的包圍盒模型），也包括生產過程中形成的表皮構件（組件），還包括現場燒焊的背附龍骨實體。這是評價表皮系統準確性的重要步驟，主要分為構件生產一致性評價、安裝過程一致性評價和竣工一致性評價。無論何種評估，都離不開建造模型生成、比對調整技術和評估標準這三要素。

3.7竣工模型和運維模型

竣工模型以管線敷設完畢且表面涂裝完成為節點較為適宜，此時不會有太多裝飾物，便于評價安裝效果，并方便后續運維使用。運維模型則是一組長期變動的數字模型，每一次表皮或管線的較大改動，都應該修正一次運維模型并存檔。

4曲面表皮智能建造體系的特征

自由曲面（或雙曲面）建筑表皮，是一種典型且日益流行的復雜建筑表皮，因其空間復雜性而急需建立基于數字孿生的智能建造系統?；跀底謱\生的曲面建筑表皮智能建造系統是數字孿生技術驅動的低偏差、超寫真的仿真系統，集成各種先進技術并實現建造和運維過程的便捷和可控。其特征至少包括：

4.1虛實結合

基于數字孿生的曲面表皮智能建造系統是物理表皮建造系統的數字化體現，實現物理實體與虛擬數字孿生體的雙向精準映射。

4.2可視化

虛擬仿真的建造過程可實現建造過程中曲面表皮的幾何、物理、狀態的高度可視化，輔助建造參與人員的高效、準確的決策。

4.3精準性

以往通過多張平面圖紙對復雜曲面建筑表皮的描述，難以準確地反映此類表皮的全部兒何和物理特征，基于數字孿生的智能建造系統將解決這一精準性問題。

4.4交互性和實時性

通過物聯網技術，部署在曲面表皮的傳感器可收集構件生產、安裝和運維過程中的數據，也可通過定期掃描建立點云模型收集幾何及物理數據，建立智能化動態交互，實現全生命周期的狀態分析和建造決策。最終，提高曲面表皮的建造效率、延長其使用壽命。

4.5先進技術集成性

通過數字孿生、概率統計、有限元分析、大數據分析、機器學習、深度學習等各種先進技術的集成，對曲面建筑表皮的建造和運維全過程實施數字化、智能化提升，實現高效準確生產、故障診斷和壽命預測，減少建造過程的不確定因素，對建造成果的準確性進行評估，提高建造效率、降低建造和維護成本。

5基于數字李生的曲面表皮關鍵要素模型

在復雜曲面建筑表皮的建造過程中，與基于數字孿生的智能建造相關的關鍵要素包括：建筑表皮、結構、管線、背附龍骨等，本文參考熊明蘭提出的基于數字孿生的民機運行安全系統關鍵要素建模的方法，結合建筑表皮智能建造的特點，構造了建筑表皮智能建造的數字孿生模型如下：

D_Teonstruct={D_Tepidermis，D_Tstructure，D_Tpipeline，D_TReel} D_Tepidemis 建筑表皮模型；

DTstructure 建筑結構模型；

DTpipeline 管線模型;

D_Iked 背附龍骨模型。

以上4種關鍵要素的數字孿生模型的基礎一般是矢量化的3D幾何模型，同時還需包含數字實時交互接口及該要素提供的功能作用。就各關鍵要素進一步說明如下：

建筑表皮是最需要關注的核心系統，為使本系統的孿生模型與物理模型保持一致，就需要保證其幾何特征、建造過程和運行狀態與物理實體保持一致，通過虛實接口獲取數據，完成運行任務。

建筑結構的幾何尺寸和運行狀態對表皮的影響較大，現實情況中，建筑結構的物理實體常常偏離虛擬模型，甚至刺破表皮，導致表皮難以實現或被迫修改。

管線有時也會對建筑表皮產生影響，管線常常因為各種原因在安裝過程中修改，如果不加以控制，也會刺破表皮或干擾背附龍骨的安裝。

背附龍骨緊貼建筑表皮背面，其精度直接影響背附龍骨的安裝精度和效率，需嚴密監控其制作安裝過程

6基于數字李生復雜建筑表皮的關鍵技術

復雜建筑表皮，在構件生產和現場安裝過程中有眾多難點，需要在以下關鍵技術上找到切實可行的提高效率、減少錯誤的方法，而數字孿生相關技術則在這些關鍵技術中發揮著至關重要的作用。

6.1數據與幾何模型融合技術

通過掃描儀、傳感器、遙感衛星、相機等設備產生的數據，設計師用平面設計軟件生成的圖紙和材質信息，現場各工種的施工日志和會議紀要，材料和技術供應商提交的技術資料，這些龐大、繁雜的多源異構數據，需要與數字幾何模型融合，才能使數字模型成為實體的數字孿生，才能發揮應有的作用。融合技術包括：點云融合、紋理映射、網格變形、特征提取與匹配、體素融合、數據驅動的參數調整、機器學習輔助融合等等。

6.2實體型表皮離散技術

表皮離散技術廣泛用于交通工具蒙皮、建筑幕墻、服裝布料裁切、家具等制造業。但大多將表皮視為沒有厚度的理想皮。發泡陶瓷需要有 40～50mm 均厚，且希望通過每個單元構件之間的交接縫更迅速地定位。因此，發泡陶瓷曲面表皮構件的離散技術，需要更適合的算法予以開發。

6.3實體型表皮生產排版技術

很多生產排版技術針對的是厚度可以忽略的材料，而發泡陶瓷曲面表皮構件的厚度不可忽略，因此生產排版算法即發生質的變化。自前僅有少數發泡陶瓷加工廠商掌握了此項技術的人工排版方法，智能化排版技術尚處于萌芽階段。

6.4背附龍骨生成和驗算技術

大多數曲面表皮材料，都需要背附龍骨給予找型和支撐。而曲面表皮的復雜性，導致其背附龍骨的設計也較為復雜，如何智能生成復雜的龍骨體系，并智能驗算、分解，是提高效率的關鍵課題之一。

6.5模型碰撞測試調整技術

在模型設計和分解階段，我們重構的表皮模型，并建立了背附龍骨模型，這兩個模型與建筑結構和管線是否會存在干涉，就需要進行模型之間的碰撞測試，并予以高效調整。否則，一旦表皮構件進行工廠化生產，到現場才發現干涉和沖突，將產生巨大損失并延誤工期。

以上海某研發中心曲面吊頂項目為例。該項目中，發泡陶瓷表皮構件生產廠商—廣東置信新材料有限公司一—首先解析了該項目背景與碰撞問題，對建筑曲面表皮碰撞的雙目標調整模型進行了構建。投資方可根據項目資金流、施工進度等約束條件，進行多維度方案比選，實現工程可行解的智能決策。

6.6虛實模型一致性評價技術

虛實模型一致性評價，是評價表皮系統準確性的重要步驟，主要分為構件生產一致性評估、安裝過程一致性評估和竣工一致性評估。關于第三種評估，目前國際上僅有平面墻體或線性構件的驗收評價方法，對于曲面表皮的驗收標準和智能評價方法，本文以福州某天橋曲面造型項目舉例說明。

首先對竣工后的建筑表皮進行三維掃描，在各方認可的精度條件下，將掃描得到的建成模型等同于實體，以便與原設計模型進行比對、評價。設計模型則應取竣工前各方確認最終效果的版本。

建成模型與設計模型的差距，用法向量偏差表示，評價前給出標準。初步定為四級標準：法向量偏差 gt; 20mm 定義為1類偏差， 10mmlt; 法向量偏差 ?20mm 定義為 I 類偏差， 5mmlt; 法向量偏差 ?10mm 定義為Ⅲ類偏差，法向量偏差 ?5mm 定義為無偏差。并將此法向量偏差近似為建成模型與設計模型的同一位置的一對有限元質心間的距離。之后經過虛實模型匹配、網絡分割、質心距離計算、三類偏差計分，得到表1

再通過以下公式計算總體評分：

事先各方可確定評價標準：綜合指標分值G在[0.80）區間判定為“不合格”，需全部返工，且甲方還將對乙方延誤工期及其他損失按結算造價的 30% 進行處罰；在[80，90）區間判定為“合格”，僅需將I類、Ⅱ類偏差進行返工，甲方對乙方按實結算；在[90，95]區間判定為“良好”，甲方按結算總造價的 3% 對乙方進行額外獎勵，乙方需將I類、Ⅱ類偏差進行返工；在[95，100]區間判定為“優秀”，甲方按結算總造價的 10% 對乙方進行額外獎勵，乙方需將I類、Ⅱ類偏差進行返工。本工程計算出總體評分 G=95.80 分，可以判定為“優秀”。

7展望

復雜曲面建筑表皮的智能建造體系還遠未搭建完成，相關技術仍處于初期階段，亟待各相關方加大投入予以研發和應用。

例如，模型碰撞調整技術，除了目前的成本和工期雙目標管控，還可以引入表皮形態改變最小化、安全性等多目標；除了結構件和表皮，還可引入管線等構件，從而使碰撞調整技術更符合工程實際應用需要。

再例如，數據與幾何模型的融合技術、實體型表皮離散技術、實體型表皮生產排版技術、背附龍骨生成和驗算技術，目前都存在不夠智能的問題。因為相應的算法、軟件插件的缺乏，這類技術還需要大量技術人員手動輸入、比對、調整。

再例如，增強現實技術（AugmentedReality，AR）與智能建造相結合，在復雜空間定位、多系統協調等多方面可以發揮優勢和潛力。比如戴上AR眼鏡，人們可以看到虛擬的原建筑設計表皮（構件）與現實施工環境的疊合視景，這樣可以在現場對即將安裝的表皮構件進行精準定位，為復雜形體的設計建造提供了方便的實施手段?？梢灶A言，建造師、建筑師的工作內容及手段將發生巨大的變化。

隨著數字技術的進一步發展，越來越多的技術手段將被應用于建筑工程，建造效率的提高和成本的降低也將促使更多形態個性化、美觀實用的建筑出現，新質生產力必將使中國房地產和公共建筑的未來更有希望。

參考文獻

[1]黃惠寧.2019我國發泡陶瓷產業現狀及技術分析[J].佛山陶瓷，2019（280）：1-4.

[2]柳培玉，艾明星，張馨元等.T/CECS921-2021《發泡陶瓷裝飾構件應用技術規程》標準解讀[J].磚瓦，2023（426）：53-55.

[3]王運剛.發泡陶瓷建筑裝飾構件[J].佛山陶瓷，2023，33（09）：1-5+8

[4]程婧婷，林建群，劉楊.非線性建筑形態審美的心理空間格局[J].新建筑，2019（1）：104-107

[5]劉占省.智能建造方法與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2023

[6]熊明蘭，王華偉.基于數字孿生的民機運行安全框架體系設計[J].計算機集成制造系統，2022，28（8）：2291-2301

[7]徐衛國.數字建筑設計與建造的發展前景[J]當代建筑，2020（02）：20-22

[8]羅丹，徐衛國.虛擬現實與建筑實踐[J].建筑技藝，2017（9）：75-77