李 佳

上海市建筑裝飾工程集團(tuán)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(fù)雜，其裝飾建造具有構(gòu)配件復(fù)雜、飾面材質(zhì)豐富、安裝精度要求高等特點(diǎn)。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)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(shí)間緊、人工作業(yè)多、現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量取決于工人技術(shù)水平等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)公共建筑裝飾仍處于全產(chǎn)業(yè)鏈集成度相對(duì)較低的水平，缺乏相對(duì)成熟的數(shù)字化融合工業(yè)化建造協(xié)同體系。

近年來(lái)，大型公共建筑裝飾建造工期越來(lái)越短、檔次越來(lái)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(guò)渡為以工業(yè)化制造、裝配化安裝為主的智能化、機(jī)械化建造模式。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)在裝飾工程領(lǐng)域的融合應(yīng)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(jìn)設(shè)計(jì)、加工、安裝、驗(yàn)收等施工全過(guò)程的效能提升，同時(shí)，積極改善施工作業(yè)形態(tài)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(kāi)展適用于大型公共建筑的精細(xì)化建造與管控技術(shù)研究和工程應(yīng)用，對(duì)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(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)施工的高效化、工藝的精細(xì)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(jí)轉(zhuǎn)型具有重要的實(shí)際意義[1-8]。

1.2 項(xiàng)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(xiàng)目。項(xiàng)目原1、2、3號(hào)倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)今改造成新的集會(huì)議、展覽、休閑于一體的綜合類建筑。室內(nèi)打造成具有國(guó)際會(huì)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(huì)場(chǎng)、宴會(huì)廳、多功能廳、迎賓廳、會(huì)見(jiàn)廳以及峰會(huì)廳等。

依托于該項(xiàng)目，基于精細(xì)化建造和短周期建造的發(fā)展需求，針對(duì)大型公共建筑飾面造型復(fù)雜、貴重材料繁多的特點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)150 d如期竣工工期緊、51 070 m2裝飾面積工程體量大、材料運(yùn)輸難度大等重、難點(diǎn)問(wèn)題，采用數(shù)字化融合工業(yè)化的手段，對(duì)大型公共建筑異形復(fù)雜飾面全過(guò)程精細(xì)化建造及管控技術(shù)進(jìn)行研究與工程應(yīng)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(wú)人機(jī)航拍的外墻無(wú)接觸查勘技術(shù)

既有建筑現(xiàn)場(chǎng)勘查工作體量大、難度高，外立面情況復(fù)雜，需精準(zhǔn)選擇修繕工藝，并且項(xiàng)目位于路況復(fù)雜地段，施工措施安全性要求進(jìn)一步升級(jí)。

為應(yīng)對(duì)外立面保護(hù)性修繕的要求，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍對(duì)大樓進(jìn)行無(wú)接觸式的勘查，對(duì)一些構(gòu)造復(fù)雜的部位、人工無(wú)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(duì)建筑外立面進(jìn)行360°全方位航拍，為項(xiàng)目提供全面的可視化資料，具體反映項(xiàng)目和周邊建筑群的全貌。

基于無(wú)人機(jī)勘查影像完成720°全景的制作，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)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(dá)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(chǔ)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(shí)景復(fù)原技術(shù)

考慮到室內(nèi)超大空間和復(fù)雜空間數(shù)據(jù)測(cè)量存在測(cè)量困難、誤差大、耗時(shí)耗力等難點(diǎn)，針對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)大空間和復(fù)雜空間兩種類型的測(cè)量工作，使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掃描，對(duì)面積超2 000 m2的復(fù)雜大空間運(yùn)用三維掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，8 h完成高效率、高精度實(shí)景復(fù)原。對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，為裝飾深化設(shè)計(jì)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(jìn)行對(duì)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(guò)程無(wú)需借助其他大型輔助設(shè)施，如腳手架、爬梯等，實(shí)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(fù)原模型

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

3.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)及3D打印的可視化方案設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視化方案設(shè)計(jì)技術(shù)

為了更加直觀地了解室內(nèi)裝飾的最終設(shè)計(jì)效果，對(duì)項(xiàng)目的復(fù)雜大空間進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景制作，且虛擬現(xiàn)實(shí)制作與BIM實(shí)施基本同步，虛擬現(xiàn)實(shí)隨BIM及深化設(shè)計(jì)推進(jìn)而同步推進(jìn)。圖3為主會(huì)場(chǎng)星空頂?shù)奶摂M現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用可使項(xiàng)目各方身臨其境，直觀評(píng)估各設(shè)計(jì)方案、施工方案的特點(diǎn)，靈活調(diào)整設(shè)計(jì)方案，避免決策失誤，提高溝通效率，減少因溝通問(wèn)題產(chǎn)生的返工。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)全景圖配合設(shè)計(jì)選型

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

在深化設(shè)計(jì)階段，通過(guò)3D打印技術(shù)在實(shí)體層面上幫助設(shè)計(jì)進(jìn)行方案的比選工作，精準(zhǔn)的主會(huì)場(chǎng)概念模型將模型引入設(shè)計(jì)方案比選的時(shí)間大大提前，通過(guò)3D打印實(shí)體模型明確地反映出設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，重復(fù)修改設(shè)計(jì)迭代直到最終完善為止，調(diào)整過(guò)后模型效果如圖4所示。VR技術(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)應(yīng)用于方案設(shè)計(jì)階段，有利于提高設(shè)計(jì)和施工的質(zhì)量、降低成本、提高建筑工程效率。

圖4 主會(huì)場(chǎng)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(jì)技術(shù)

項(xiàng)目主會(huì)場(chǎng)設(shè)計(jì)引入了星空的理念，以六邊形為單元組成矩陣擬合成一個(gè)拱形的穹頂空間，星空頂造型每個(gè)六邊形大小都是漸變的，且整體還有弧形過(guò)渡，對(duì)深化設(shè)計(jì)與制作加工都提出了考驗(yàn)。參數(shù)化設(shè)計(jì)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(jì)方法，通過(guò)對(duì)星空頂設(shè)計(jì)方案中六邊形喇叭口造型的研究，對(duì)其孔徑大小、表面彎曲程度、傾斜程度等變量參數(shù)進(jìn)行控制，將設(shè)計(jì)結(jié)果與程序、算法、參數(shù)之間形成聯(lián)動(dòng)，原先靜態(tài)設(shè)計(jì)的過(guò)程轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程，這比搭積木方式的手工建模更具效率、精準(zhǔn)、邏輯性。利用可視化編程建模平臺(tái)，通過(guò)對(duì)變量參數(shù)的調(diào)整和程序的適當(dāng)修改，可以在短時(shí)間內(nèi)生成主會(huì)場(chǎng)參數(shù)化模型，快速呈現(xiàn)設(shè)計(jì)效果，使設(shè)計(jì)師高效地完成設(shè)計(jì)過(guò)程推敲和成果的對(duì)比遴選（圖5）。

圖5 參數(shù)化模型修改前后對(duì)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(guò)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(jìn)行主材下單，替代現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或制模等傳統(tǒng)下單方法，實(shí)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(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件由參數(shù)化設(shè)計(jì)模型向加工信息模型的數(shù)據(jù)交互。項(xiàng)目基于參數(shù)化模型和數(shù)據(jù)交互技術(shù)，對(duì)六邊形產(chǎn)品表皮進(jìn)行自動(dòng)化批量化編號(hào)，同時(shí)對(duì)每塊板塊單獨(dú)生成一個(gè)平面加工圖紙。自動(dòng)化的出圖方式在保證圖紙精度的同時(shí)，減少了6 d以上出圖時(shí)間。通過(guò)BIM模型和信息化管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了由設(shè)計(jì)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(jìn)行構(gòu)件生產(chǎn)場(chǎng)地的模擬，并對(duì)接數(shù)控加工設(shè)備，將產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)展平化設(shè)計(jì)，即將三維構(gòu)造展開(kāi)為二維平面圖形，利用模型數(shù)據(jù)編寫加工程序單，導(dǎo)入三軸雕刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件數(shù)字化、自動(dòng)化加工。項(xiàng)目會(huì)見(jiàn)廳墻面選用國(guó)內(nèi)首見(jiàn)的超大型山水畫浮雕木飾面，對(duì)木飾面山水畫紋理進(jìn)行高精度模型創(chuàng)建，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控雕刻機(jī)床內(nèi)，進(jìn)行微米級(jí)點(diǎn)陣雕刻，相比手工雕刻實(shí)現(xiàn)壓縮加工總時(shí)長(zhǎng)達(dá)4/5。雕刻的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，更適合于裝飾工程項(xiàng)目大批量運(yùn)用。峰會(huì)廳采用石材-金屬?gòu)?fù)合造型飾面結(jié)構(gòu)輕量化墻體，采用先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備對(duì)石材荒料進(jìn)行水刀成形切割，可以快速、精準(zhǔn)地對(duì)石材進(jìn)行加工，在保障曲面板塊的尺寸精度的同時(shí)，節(jié)省了石材荒料選擇時(shí)的厚度，在大批量加工時(shí)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(yīng)用

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

項(xiàng)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(dá)偏差和進(jìn)度計(jì)劃存在的問(wèn)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(duì)重點(diǎn)工程的重難點(diǎn)部位進(jìn)行安裝工藝模擬。

項(xiàng)目完成了宴會(huì)廳、主會(huì)場(chǎng)、多功能廳的動(dòng)畫模擬，對(duì)宴會(huì)廳石材柱子的安裝方式進(jìn)行了優(yōu)化，把原先工作空間狹小的區(qū)域通過(guò)整體吊裝、鋼結(jié)構(gòu)承插節(jié)點(diǎn)和收口螺栓固定等方式的優(yōu)化，減少了焊接工作量。

對(duì)主會(huì)場(chǎng)板塊安裝方式通過(guò)動(dòng)畫模擬進(jìn)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(dòng)調(diào)節(jié)方式。

對(duì)多功能廳移動(dòng)軌道通過(guò)動(dòng)畫模擬增加滑輪設(shè)計(jì)，提高了安裝的速度，簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)難度。

通過(guò)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(diǎn)構(gòu)造，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，進(jìn)而確保了安裝工作的順利開(kāi)展并避免不必要的返工（圖6～圖9）。

圖6 主會(huì)場(chǎng)天花板安裝動(dòng)畫模擬

圖7 主會(huì)場(chǎng)墻板安裝動(dòng)畫模擬

圖8 宴會(huì)廳動(dòng)畫模擬

圖9 多功能廳動(dòng)畫模擬

5.2 高精度定位技術(shù)輔助安裝

對(duì)于曲面及異形飾面，相應(yīng)的平面圖紙難以表達(dá)構(gòu)件的定位。為了準(zhǔn)確表達(dá)構(gòu)件的定位安裝，在項(xiàng)目大空間區(qū)域的曲面及異形飾面板塊的精準(zhǔn)安裝中運(yùn)用全站儀定位測(cè)量技術(shù)，采用坐標(biāo)點(diǎn)配合全站儀通過(guò)打點(diǎn)方式定位模型，測(cè)設(shè)點(diǎn)直接跟坐標(biāo)原點(diǎn)關(guān)聯(lián)，避免過(guò)多的標(biāo)注點(diǎn)與軸線距離的工作。通過(guò)提取構(gòu)件的坐標(biāo)點(diǎn)信息，通過(guò)已知坐標(biāo)求點(diǎn)來(lái)控制龍骨安裝角度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

5.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助安裝驗(yàn)收

項(xiàng)目大空間區(qū)域多，主會(huì)場(chǎng)大空間曲面板塊安裝定位難，而通過(guò)紅外線和人工測(cè)量的方式對(duì)大空間和曲面造型只能做到一個(gè)相似形狀，借助AR技術(shù)進(jìn)行施工質(zhì)量檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果更加全面、客觀，可以用來(lái)輔助安裝定位和質(zhì)量檢查，為交底和驗(yàn)收環(huán)節(jié)提供可視化的參考和指導(dǎo)。

為控制大空間裝飾面的安裝質(zhì)量，采用AR技術(shù)對(duì)主會(huì)場(chǎng)進(jìn)行安裝質(zhì)量檢查，通過(guò)模型導(dǎo)入移動(dòng)平板電腦，將BIM模型與施工現(xiàn)場(chǎng)1∶1匹配疊加，借助陀螺儀實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)厘米級(jí)定位。如圖10所示，采用AR技術(shù)，利用手持iPad對(duì)項(xiàng)目主會(huì)場(chǎng)墻頂一體金屬面板基層龍骨及單元安裝輔助施工及檢測(cè)驗(yàn)收，可實(shí)時(shí)查看完成面效果，誤差約為5 mm。

圖10 手持iPad現(xiàn)場(chǎng)輔助現(xiàn)場(chǎng)安裝驗(yàn)收

5.4 施工全過(guò)程延時(shí)攝影技術(shù)應(yīng)用

從項(xiàng)目一進(jìn)場(chǎng)就進(jìn)行了延時(shí)攝影拍攝，從項(xiàng)目的開(kāi)始至結(jié)束全過(guò)程，記錄下每個(gè)關(guān)鍵場(chǎng)館的施工過(guò)程、重要空間的安裝工序、重難點(diǎn)部位的安裝過(guò)程和安裝方法，包括外立面墻面施工拍攝、1#樓會(huì)見(jiàn)廳超大板塊雕刻木皮金屬?gòu)?fù)合飾面制作及安裝拍攝、1#樓峰會(huì)廳多邊形復(fù)合飾面制作及安裝拍攝、2#樓主會(huì)場(chǎng)吊頂安裝拍攝、2#樓宴會(huì)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(guò)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(guò)程，為后續(xù)工藝復(fù)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(xì)化管控技術(shù)

6.1 參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)研發(fā)與應(yīng)用

當(dāng)項(xiàng)目進(jìn)入深化設(shè)計(jì)工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到個(gè)人能力知識(shí)孤島、不同維度信息分散、節(jié)點(diǎn)深化缺少規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)問(wèn)題。

對(duì)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(jì)施工參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行深入應(yīng)用，打造裝飾工程BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線，通過(guò)云端管理打破知識(shí)孤島，上傳建立知識(shí)圖譜進(jìn)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(jià)值，匯聚二維圖紙和三維模型信息形成多維聯(lián)動(dòng)，整體提高裝飾工程節(jié)點(diǎn)深化效率，促進(jìn)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(tái)研發(fā)與應(yīng)用

為應(yīng)對(duì)項(xiàng)目復(fù)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(yùn)、可藏、可換，基于BIM＋二維碼無(wú)線射頻技術(shù)研發(fā)了裝飾構(gòu)配件物流管理平臺(tái)，對(duì)裝飾構(gòu)配件進(jìn)行信息化溯源管控。從廠家生產(chǎn)的源頭開(kāi)始將由BIM模型導(dǎo)出的編碼粘貼至構(gòu)配件上，產(chǎn)品出庫(kù)后掃描進(jìn)入管理平臺(tái)，從物流儲(chǔ)存到現(xiàn)場(chǎng)安裝全程進(jìn)行監(jiān)控，后續(xù)拆除和二次搭建階段同樣運(yùn)用此管理平臺(tái)進(jìn)行管控。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)輔助裝飾主材物流精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)構(gòu)配件生產(chǎn)可控、運(yùn)輸可查、安裝可視，使得生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中的損耗率降低，提升管理效率，進(jìn)一步促進(jìn)裝飾工程數(shù)字化與工業(yè)化的深度融合。

7 結(jié)語(yǔ)

在整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中，運(yùn)用無(wú)人機(jī)、三維掃描、可視化、VR、3D打印、CNC雕刻、AR、延時(shí)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(jì)、方案策劃、深化設(shè)計(jì)、材料下單、工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝、質(zhì)量驗(yàn)收、過(guò)程管控等全過(guò)程，在裝飾節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)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(chǎng)安裝的BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線，建立了建飾工程大型公共建筑復(fù)雜飾面精細(xì)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(jì)、加工、安裝、驗(yàn)收、管控的全過(guò)程精細(xì)化建造及管控方案。進(jìn)一步推進(jìn)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。