管文超

上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司 上海 200072

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，中國(guó)民航局提出將于“十四五”時(shí)期全力推動(dòng)民航領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展，加快大型航空樞紐等民航重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的建設(shè)工作。大型機(jī)場(chǎng)的高質(zhì)高效建設(shè)離不開工程數(shù)字化、信息化等技術(shù)的支撐，而機(jī)場(chǎng)航站樓的裝飾工程歷來(lái)都是裝飾行業(yè)中技術(shù)要求最高的領(lǐng)域之一?；贐IM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)、三維掃描、可視化模擬、數(shù)字化放樣等應(yīng)用已成為此類大型工程實(shí)施過程中常用的技術(shù)手段[1-5]。本文以北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)、成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)以及上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳航站樓大吊頂?shù)难b飾工程為例，簡(jiǎn)述數(shù)字化建造技術(shù)在機(jī)場(chǎng)類項(xiàng)目中的應(yīng)用探索及工程實(shí)踐。

1 異形裝飾造型全數(shù)字化建造工作流程

考慮到大型機(jī)場(chǎng)航站樓大吊頂裝飾施工中普遍存在的重、難點(diǎn)問題，在該類工程中全程采用以BIM模型為基礎(chǔ)的相關(guān)數(shù)字化應(yīng)用。在項(xiàng)目前期，通過三維掃描對(duì)既有主體工程進(jìn)行前期測(cè)量并逆向建模，結(jié)合設(shè)計(jì)模型進(jìn)行整合比對(duì)；在項(xiàng)目中期，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)、可視化模擬等數(shù)字化配套技術(shù)，進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、技術(shù)交底、下單加工、定位放線、現(xiàn)場(chǎng)安裝、跟蹤檢測(cè)、細(xì)節(jié)完善等工作；在項(xiàng)目后期，結(jié)合BIM模型及過程數(shù)據(jù)輔助竣工交付及成本核算。異形裝飾造型全數(shù)字化建造工作流程如圖1所示。

圖1 異形裝飾造型全數(shù)字化建造工作流程

2 航站樓大吊頂裝飾工程數(shù)字化建造應(yīng)用實(shí)踐

2.1 難、特點(diǎn)分析

1）吊頂范圍大，測(cè)量難度高。吊頂面積均在3萬(wàn) m2以上，機(jī)場(chǎng)室內(nèi)跨度均超100 m，要使整跨吊頂安裝后能完全閉合，形成一個(gè)封閉整體，則需進(jìn)行十分精確的前期測(cè)量定位工作，傳統(tǒng)的室內(nèi)測(cè)量器具已無(wú)法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的需求。

2）異形曲面多，深化設(shè)計(jì)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(tǒng)二維CAD深化設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足施工需求，需借助工業(yè)化、數(shù)字化軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）構(gòu)件加工精度要求高。因吊頂均為異形曲面，若構(gòu)件加工精度無(wú)法保證，則拼裝時(shí)出現(xiàn)的累積誤差將使整個(gè)吊頂無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)效果，從而造成大量返工及經(jīng)濟(jì)損失。

4）安裝難度高，工期時(shí)間緊。機(jī)場(chǎng)航站樓吊頂屬超高空間吊頂，標(biāo)高均在10 m以上，如此龐大的體量若采用傳統(tǒng)滿堂腳手架施工方案，則會(huì)產(chǎn)生巨大的施工成本，并且影響到其他工作面的開展，導(dǎo)致施工界面沖突及工期延長(zhǎng)。

2.2 三維掃描與逆向建模

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓（圖2）吊頂最高40 m，成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)及上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳吊頂高度也均在15～30 m，均屬超高吊頂，無(wú)法采用傳統(tǒng)人工測(cè)量的方式進(jìn)行深化設(shè)計(jì)前的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。因此，我公司通過便攜式全站儀與三維激光掃描儀相結(jié)合的方式，對(duì)航站樓的結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行數(shù)字測(cè)繪。先利用全站儀定位采集坐標(biāo)，再用三維掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行360°全方位數(shù)據(jù)采集，最后通過點(diǎn)云處理軟件，將坐標(biāo)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一，拼接成完整的基于真實(shí)坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。在多達(dá)2萬(wàn)～3萬(wàn) m2的大空間內(nèi)，采用了多臺(tái)掃描儀與全站儀協(xié)同工作的模式，對(duì)每個(gè)機(jī)場(chǎng)都進(jìn)行了3 d以上的采集工作，確保采集的數(shù)據(jù)精度控制在1 mm誤差內(nèi)。

圖2 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)三維測(cè)量鋼架模型（左）與建筑實(shí)體（右）

2.3 基于BIM模型的正向設(shè)計(jì)

將大吊頂現(xiàn)場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、消噪、抽稀等后處理工作，形成點(diǎn)云模型后，通過逆向建模將點(diǎn)云模型逆向?yàn)閷?shí)體Revit模型，實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)既有建筑還原為1∶1的數(shù)字三維模型。其后所有的裝飾表皮、背負(fù)鋼架、安裝構(gòu)件模型均在此模型基礎(chǔ)上建立。最后將完成的模型與其他專業(yè)模型進(jìn)行整合，檢查碰撞問題，反饋至各個(gè)專業(yè)進(jìn)行修正，完成裝飾面的二次調(diào)整，如圖3所示。

圖3 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)三維掃描模型、逆向模型比對(duì)分析及二次調(diào)整

通過數(shù)字化模型的創(chuàng)建，我們得到了與現(xiàn)場(chǎng)一致的孿生模型，這為后續(xù)三維深化設(shè)計(jì)工作提供了基礎(chǔ)。大吊頂深化設(shè)計(jì)工作主要分為基層骨架排布、安裝方式優(yōu)化、表面分割排板、收口節(jié)點(diǎn)細(xì)化、最后的產(chǎn)品出圖加工等。

2.3.1 大吊頂飾面板參數(shù)化分塊出圖

本文所述的三個(gè)機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目其大吊頂表皮都呈現(xiàn)出了流線型的曲面造型，在表皮分割時(shí)考慮到板塊的自身加工成本，因此將雙曲面造型簡(jiǎn)化為單曲面，同時(shí)又要對(duì)原設(shè)計(jì)的美感進(jìn)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(tái)，對(duì)表皮進(jìn)行參數(shù)化處理，分析出可進(jìn)行優(yōu)化的單曲板塊，最后進(jìn)行分割處理（圖4、圖5）。同時(shí)，正因?yàn)椴捎昧藚?shù)化設(shè)計(jì)，項(xiàng)目工程師可以快速、高效地對(duì)表皮分割方式進(jìn)行自動(dòng)關(guān)聯(lián)的調(diào)整修改，避免了大量的重復(fù)工作。

圖4 上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳參數(shù)化飾面排布

圖5 飾面板參數(shù)化出圖

2.3.2 基層龍骨數(shù)字化排布

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)（圖6）及北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)（圖7）的大吊頂主鋼架由球形節(jié)點(diǎn)連接，由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致龍骨的連接點(diǎn)位必須在球形節(jié)點(diǎn)處布置，我公司基于前述逆向模型對(duì)球形節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并且針對(duì)龍骨鋼架排布方式開發(fā)了排布腳本進(jìn)行自動(dòng)排布，確認(rèn)了每個(gè)連接點(diǎn)位的坐標(biāo)，最終正向?qū)С龆S排板布置圖，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖6 成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)龍骨排布

圖7 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)龍骨排布

2.3.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工模擬

安裝細(xì)節(jié)的把控也是此類工程深化設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)。在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目中，我公司采用鋼結(jié)構(gòu)圓盤與轉(zhuǎn)換層框的連接方式（圖8），有別于常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層固定或有向轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，大吊頂鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層采用轉(zhuǎn)換圓盤，具有更好的方向性，轉(zhuǎn)換層框架可以任意轉(zhuǎn)向并固定在轉(zhuǎn)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(yù)設(shè)連接件，制作方管轉(zhuǎn)換層，固定在鋼桁架上，轉(zhuǎn)換層施工完成后，板塊的安裝又回到常規(guī)的掛接龍骨吊頂?shù)淖龇?。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題，以及達(dá)到更好的施工交底效果，我公司基于BIM模型對(duì)相關(guān)工藝節(jié)點(diǎn)及連接方式進(jìn)行仿真分析，通過工藝模擬以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可行性。

圖8 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)球節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)換層連接方案

2.4 數(shù)字化出圖與生產(chǎn)加工

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航展樓的大吊頂共由14萬(wàn)塊漫反射裝飾板組成。我公司基于BIM模型的參數(shù)化腳本控制技術(shù)，在飾面板加工圖的出圖過程中，對(duì)面板進(jìn)行自動(dòng)化排序、編號(hào)、出圖、下單，相較于傳統(tǒng)二維繪制模式，數(shù)字化的加工圖下單方式更符合制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)需求，高效且準(zhǔn)確（圖9）。生產(chǎn)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(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)床，通過五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，直接對(duì)材料進(jìn)行批量生產(chǎn)。完全工業(yè)化的生產(chǎn)加工模式不僅節(jié)省了出圖時(shí)間，更縮短了項(xiàng)目的生產(chǎn)加工周期。

圖9 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)大吊頂面板排板出圖加工流程

2.5 全數(shù)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(wàn)個(gè)連接件的安裝點(diǎn)坐標(biāo)和鋁板拼接坐標(biāo)批量導(dǎo)出，按照相應(yīng)的格式匯總編輯后導(dǎo)入全站儀，即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安裝坐標(biāo)進(jìn)行精確放樣，使施工現(xiàn)場(chǎng)可以取消滿堂腳手架的搭設(shè)，只需配合曲臂車等移動(dòng)式登高設(shè)備進(jìn)行板塊安裝即可（圖10），在保證安裝效率和精度的同時(shí)，降低了施工成本和工期時(shí)間。

圖10 裝飾基層、面板精確定位、無(wú)腳手架安裝

3 結(jié)語(yǔ)

在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)、成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)以及上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)衛(wèi)星廳航站樓大吊頂裝飾工程的建設(shè)過程中，以BIM模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化建造技術(shù)輔助項(xiàng)目順利實(shí)施，通過數(shù)字化場(chǎng)景下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工、加工、安裝等傳統(tǒng)工作，攻克了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度與產(chǎn)品加工精度兩大難題，使大吊頂?shù)难b飾施工得以順利進(jìn)行，形成以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1）數(shù)字化設(shè)計(jì)。將三維數(shù)字模型作為連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與數(shù)控加工的紐帶，且模型中的數(shù)據(jù)可直接傳遞使用，無(wú)需重復(fù)輸入數(shù)據(jù)，減少人為失誤，提升加工效率和精度。

2）工業(yè)化生產(chǎn)。基于BIM模型可批量生成精確的加工圖，導(dǎo)入機(jī)床直接進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，結(jié)合先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)高精度的出圖、生產(chǎn)、安裝，完全還原設(shè)計(jì)方案。

3）無(wú)腳手架施工。通過數(shù)字仿真技術(shù)及先進(jìn)的輔助安裝機(jī)具，摒棄傳統(tǒng)的腳手架施工方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)成本的控制和工期的縮減。

本文針對(duì)復(fù)雜的大型機(jī)場(chǎng)航站樓吊頂空間，通過數(shù)字技術(shù)的探索和數(shù)字設(shè)備的整合應(yīng)用，形成完善的異形裝飾造型全數(shù)字化建造工作流程，將裝飾工業(yè)化與數(shù)字建造相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了裝飾工程精確測(cè)量、精細(xì)深化、精致加工、精準(zhǔn)安裝等全過程的精細(xì)化施工，提升了工程質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了降本增效，體現(xiàn)了科技引領(lǐng)支撐重大項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重要領(lǐng)域的技術(shù)突破。