管文超

上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司 上海 200072

自2016年以來(lái)，裝配化裝修因其預(yù)制構(gòu)（配）件體積小、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、生產(chǎn)運(yùn)輸便捷、安裝模式簡(jiǎn)單、誤差調(diào)整靈活等特點(diǎn)得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可。但隨著深層次的項(xiàng)目實(shí)踐，裝配化裝修的痛點(diǎn)問(wèn)題亦相繼顯現(xiàn)。在設(shè)計(jì)階段，限于其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的特性，設(shè)計(jì)師僅能基于標(biāo)準(zhǔn)裝飾部品進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶個(gè)性化需求難以滿足，限制其市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大。此外，施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常出現(xiàn)因設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)（配）件無(wú)法拼裝，必須返廠重制或現(xiàn)場(chǎng)整改的情況，造成項(xiàng)目工期延長(zhǎng)及成本增加。在施工階段，裝配化裝修預(yù)制構(gòu)（配）件體積小、數(shù)量龐大、材質(zhì)多樣等因素對(duì)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)管理水平有著較高的要求。同時(shí)，由于其工業(yè)化生產(chǎn)模式，大量構(gòu)（配）件在外觀上具有高度一致性，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中很難在堆場(chǎng)中迅速、準(zhǔn)確地找到相應(yīng)的構(gòu)（配）件，大幅降低裝配效率，增加用工成本。

導(dǎo)致上述痛點(diǎn)問(wèn)題的核心原因是當(dāng)下裝配化裝修技術(shù)體系的信息化程度尚不足以滿足建筑行業(yè)數(shù)字化改革的發(fā)展需求。BIM（建筑信息模型）技術(shù)可視化、參數(shù)化、模塊化、信息化等特征在解決裝配化裝修技術(shù)體系痛點(diǎn)問(wèn)題中有著天然的優(yōu)勢(shì)[1-2]。市場(chǎng)上各類BIM構(gòu)件族庫(kù)擁有數(shù)量龐大的基礎(chǔ)構(gòu)件，設(shè)計(jì)師可直接在構(gòu)件族庫(kù)中調(diào)取基礎(chǔ)構(gòu)件進(jìn)行組合，形成適用于裝配化裝修的多樣化部品模塊，并依據(jù)部品模塊的種類、性能、功能等指標(biāo)建立定制化部品庫(kù)以滿足用戶需求。在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙中的二維線條以三維立體的模型形式進(jìn)行展現(xiàn)，輔助設(shè)計(jì)師在動(dòng)態(tài)、直觀的視覺(jué)場(chǎng)景下進(jìn)行方案比選和設(shè)計(jì)論證。另外，通過(guò)在BIM軟件中進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)設(shè)置，結(jié)合構(gòu)件安裝工藝及工序，在設(shè)計(jì)階段即可進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的模擬預(yù)拼裝，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。在施工階段，基于BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)的結(jié)合，開(kāi)發(fā)出適用于裝配化裝修技術(shù)體系的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“科學(xué)存儲(chǔ)、快捷查詢、賬目清晰、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)”的信息化管理模式。

1 案例介紹

國(guó)家會(huì)展中心場(chǎng)館功能提升工程裝配化裝修項(xiàng)目，作為首屆中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)的主場(chǎng)館，具有項(xiàng)目工期緊、管理要求嚴(yán)、建設(shè)難度高等特點(diǎn)，且政治意義重大?？紤]到今后該場(chǎng)館再次實(shí)施類似功能提升工程時(shí)可重復(fù)利用裝飾構(gòu)配件，本裝飾工程要求所有裝飾飾面與基層均滿足“可裝、可拆、可運(yùn)、可藏、可換”。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)探索性地將BIM技術(shù)應(yīng)用于本項(xiàng)目裝配化裝修工程中，于4個(gè)月內(nèi)完成了34 000 m2的精裝設(shè)計(jì)及施工任務(wù)，為BIM技術(shù)在裝配化裝修領(lǐng)域的落地應(yīng)用起到了積極的可借鑒作用。

本工程在施工準(zhǔn)備階段，項(xiàng)目上應(yīng)用數(shù)字化建造技術(shù)主要表現(xiàn)在裝配化體系設(shè)計(jì)、裝配化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、一體化模型出圖應(yīng)用上；在施工過(guò)程中，采用了工程影像技術(shù)、半自動(dòng)裝配機(jī)器人、物流管理平臺(tái)、無(wú)甲醛施工技術(shù)等BIM及配套技術(shù)應(yīng)用。

2 三維掃描與逆向建模

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在工程伊始即對(duì)場(chǎng)館的整體鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維掃描作業(yè)，相較于市面上較為普遍的站點(diǎn)式掃描儀，本項(xiàng)目采用的移動(dòng)式掃描儀（圖1）可節(jié)約近50%的作業(yè)時(shí)間，2 h內(nèi)可完成1 000～1 500 m2區(qū)域的掃描作業(yè)。獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)拼接、去噪等后處理作業(yè)，生成點(diǎn)云模型（圖2），實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體的快速逆向建模，精準(zhǔn)獲取毫米級(jí)三維尺寸信息，為標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)板塊的裝飾構(gòu)件下單加工提供數(shù)據(jù)參考。在逆向建模所得現(xiàn)狀BIM模型及圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行既有場(chǎng)館改造的再設(shè)計(jì)、再施工，是實(shí)現(xiàn)既有建筑裝配化裝修的重要技術(shù)支撐。在竣工驗(yàn)收階段，通過(guò)比對(duì)分析現(xiàn)狀點(diǎn)云模型與既有竣工BIM模型，能夠快速發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)偏差數(shù)據(jù)，有效輔助工程質(zhì)量的檢測(cè)及驗(yàn)收。

圖1 移動(dòng)式三維掃描設(shè)備

圖2 現(xiàn)場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)與點(diǎn)云模型

相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量手段，三維掃描技術(shù)的應(yīng)用可以大幅提升測(cè)量精度與作業(yè)效率，并且已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了測(cè)量作業(yè)的范疇，衍生出逆向三維建模、輔助預(yù)制構(gòu)件加工、輔助工程質(zhì)量管理等各類數(shù)字化應(yīng)用。

3 基于BIM的設(shè)計(jì)方案比選及優(yōu)化

3.1 掛桿式單元吊頂設(shè)計(jì)

主場(chǎng)館論壇吊頂采用頂面弧形鋁板與弧形鋁方通吊頂相結(jié)合的形式。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用Rhino及Grasshopper軟件對(duì)吊頂進(jìn)行參數(shù)化建模（圖3），大幅提高異形曲面構(gòu)件的建模及調(diào)整效率，在有限的深化設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)盡可能比選出更優(yōu)質(zhì)的方案，并延續(xù)深化至加工圖。本項(xiàng)目在天花鋁方通的設(shè)計(jì)上采用工業(yè)化加工的方式，將鋁方通、轉(zhuǎn)換的鋼架及吊桿作為一個(gè)整體，在工廠組成單元模塊后，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體吊裝。

圖3 掛桿式單元吊頂參數(shù)化建模

3.2 裝配化隔墻系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案比選及優(yōu)化

本項(xiàng)目采用全裝配化超大板塊隔墻系統(tǒng)，采用移動(dòng)隔斷+隔墻單元板塊+穿孔木紋鋁板的3層式模塊化設(shè)計(jì)方案，板塊最大尺寸為1 500 mm×11 000 mm，主鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)為裝飾專業(yè)預(yù)留了3道鋼梁，用于在每2道鋼梁間設(shè)置單元隔墻（圖4、圖5）。

圖4 主鋼結(jié)構(gòu)BIM模型

圖5 超大尺寸板塊集成裝配化隔墻系統(tǒng)

墻面板塊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是超大尺寸集成化單元板塊設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在隔墻基層板塊上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將鋼架與輕鋼龍骨制成的框架，疊加巖棉以及火克板，組成一套超大尺寸的組合式單元板塊，其具有吸聲隔音、防火隔煙、安裝便捷、可拆可裝、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、反復(fù)利用的特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)吊裝后，利用螺栓將其上下部與主鋼結(jié)構(gòu)梁固定?；贐IM模型進(jìn)行性能化分析，計(jì)算得出此類設(shè)計(jì)方式可以有效增加45 dB以上的隔音效果及3 h以上的防火時(shí)間。由于墻面基層板塊中70%是標(biāo)準(zhǔn)板塊，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)工廠預(yù)制加工提前完成50%標(biāo)準(zhǔn)板塊的下單，有效提高了工作效率，縮短了項(xiàng)目整體工期。

同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于BIM模型對(duì)超大木紋鋁板飾面的安裝方案進(jìn)行了比選及優(yōu)化。方案一是直接利用連接件和螺栓固定，但通過(guò)BIM模型進(jìn)行模擬后發(fā)現(xiàn)其調(diào)節(jié)余地過(guò)小，轉(zhuǎn)角收頭難以處理。隨即考慮在鋼架外部搭設(shè)一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層來(lái)實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換，即方案二，然而基于BIM模型進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)換層相較于方案一多增加了1層鋼架構(gòu)支撐體系，雖安裝工藝較為便捷，但用鋼量增加40%，且人工因素占比大，無(wú)法保證工期。通過(guò)對(duì)多種安裝方案進(jìn)行施工模擬及論證，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最終選擇了掛桿接連的方式，即將飾面板直接掛在掛桿上，不但省去了人工安裝螺絲的工序，也便于拆除。經(jīng)計(jì)算，掛桿式安裝方案較方案一、方案二可節(jié)省約30%的安裝時(shí)間（圖6）。

圖6 基于BIM模型的板塊安裝方案對(duì)比

3.3 裝飾面板與基層的拆除節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化綠色可持續(xù)發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品全生命周期的價(jià)值最大化。當(dāng)進(jìn)博會(huì)結(jié)束后對(duì)場(chǎng)館進(jìn)行拆除時(shí)，90%的裝飾面板將進(jìn)行存儲(chǔ)以便在后續(xù)項(xiàng)目中重復(fù)利用。拆除節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在進(jìn)行施工前期的基層深化時(shí)即同步進(jìn)行，在制定飾面安裝方案時(shí)，不僅考慮其一次安裝的可行性，也考慮了其拆卸后進(jìn)行二次安裝的情況。具體工作流程為：將地毯拆除后，依據(jù)從上到下的原則進(jìn)行飾面拆除。將可用于二次搭建的構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，有損壞的部分則在模型中進(jìn)行記錄，便于進(jìn)行后期二次加工，而用于緊固的螺栓等零配件則統(tǒng)一報(bào)廢處理。

4 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件安裝施工工藝模擬

傳統(tǒng)施工交底一般在施工前由專業(yè)技術(shù)人員基于圖紙、專項(xiàng)技術(shù)方案等紙質(zhì)文件，通過(guò)會(huì)議、口述的形式向作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)性交代，常常流于形式，收效甚微。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正預(yù)制構(gòu)件安裝方案中存在的問(wèn)題，以期達(dá)到更好的施工交底效果，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于BIM模型分別對(duì)板塊的吊裝方案、固定方式及吊桿安裝節(jié)點(diǎn)制作了施工工藝模擬（圖7）。

圖7 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件安裝施工工藝模擬

基于深化設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)資料創(chuàng)建施工過(guò)程演示模型，包括工程實(shí)體、構(gòu)件節(jié)點(diǎn)、施工場(chǎng)布、臨時(shí)及永久設(shè)施安裝位置等，賦予模型真實(shí)的材質(zhì)信息，以動(dòng)畫(huà)或VR的形式，對(duì)復(fù)雜區(qū)域或難、重點(diǎn)部位的安裝工藝和整體工序進(jìn)行三維演示。其作用一是可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，優(yōu)化方案，避免在實(shí)際安裝過(guò)程中造成不必要的返工；二是可以直觀展現(xiàn)板件安裝完成后，其材質(zhì)、配色等裝飾風(fēng)格融入場(chǎng)館整體的視覺(jué)觀感，較傳統(tǒng)裝飾工程中通過(guò)材質(zhì)小樣及比色卡等進(jìn)行展現(xiàn)要更為直觀；三是作為可視化交底材料，直觀、清晰地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝工人進(jìn)行三維交底，便于其理解安裝工藝及工序，確保工程施工質(zhì)量。

5 裝配化專用器材研發(fā)

在安裝過(guò)程中，西廳墻面的木紋墻面鋁板的尺寸達(dá)到2 m×10 m，屬于超大板塊，純手工安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)于項(xiàng)目成員而言，近千塊的木紋墻面鋁板從運(yùn)輸?shù)桨惭b都是一大挑戰(zhàn)。為了便于此類超大板塊的集成安裝，公司自主研發(fā)了半自動(dòng)安裝機(jī)器人，通過(guò)半自動(dòng)機(jī)器人編程控制，可以做到起吊、移動(dòng)、精確定位等（圖8）。半自動(dòng)機(jī)器人的底部采用了麥克納姆輪的設(shè)計(jì)，利用了成角度的機(jī)械輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)換的分力來(lái)做到萬(wàn)向移動(dòng)。該技術(shù)是一種利用特殊輪配合編程使機(jī)械設(shè)備能夠向任意角度精確平移的技術(shù)，精確度達(dá)到±1 mm，配合激光定位系統(tǒng)。目前，此項(xiàng)裝配化器材已申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利6項(xiàng)。

圖8 超大墻面板塊機(jī)器人開(kāi)發(fā)與安裝

6 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)作為一項(xiàng)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、模型為載體、管理為核心的數(shù)字化技術(shù)，已成功應(yīng)用于多種類型的裝配化裝修工程中。在項(xiàng)目中，基于其可視化、參數(shù)化、模塊化、信息化等特點(diǎn)，使所有裝飾飾面與基層“可裝、可拆、可運(yùn)、可藏、可換”，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品全生命周期的價(jià)值最大化；同時(shí)，為裝配式裝修設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、施工、拆除的全過(guò)程管理提供統(tǒng)一的信息載體，共享與集成現(xiàn)場(chǎng)裝配信息、設(shè)計(jì)信息及工廠生產(chǎn)信息，促進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)度、施工方案、質(zhì)量、安全等的可視化、數(shù)字化、精細(xì)化管理，從而建立一整套裝配化裝飾數(shù)字化協(xié)同管理體系，賦能傳統(tǒng)裝飾行業(yè)，實(shí)現(xiàn)降本增效，促進(jìn)其轉(zhuǎn)型升級(jí)。

[1] 劉博.裝配式建筑過(guò)程中BIM技術(shù)的應(yīng)用探析[J].綠色環(huán)保建材, 2020(6):186-187.

[2] 尹曉娟.BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式建筑施工中的應(yīng)用[J].江西建材,

2020(4):112-114.