大型异形装饰面施工中数字化建造技术的应用

王利雄

上海市建筑装饰工程集团有限公司 上海 200072

1 数字化建造技术简介

在信息技术迅速发展的大环境下，传统施工企业向精细化、数字化建造转型升级的需求愈发迫切。BIM和云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等信息技术正在引领产业转型升级。

数字化建造技术是泛指将信息对象转化成数字信号，通过电脑存储、处理，由计算机网络进行传输的诸多软硬件技术。其中，虚拟现实技术、智能科技、大型数据库系统以及计算机网络对于建筑设计的初期构思、设计方案优化和施工过程辅助等方面都发挥着巨大的作用[1-2]。从过程上看，数字化建造技术是建筑信息模型技术的综合。数字化建造表达着建筑信息模型在测量、建造等实际过程的信息要点，是数字化、虚拟化、精细化控制建筑信息模型的深层次利用。

2 数字化建造技术在异形装饰面工程中的应用

本文以九棵树（上海）未来艺术中心的异形木饰面飘带（图1）装饰施工为例，阐述以BIM模型为基础的数字化建造技术在大型异形装饰面的设计、加工、安装、竣工交付阶段中的应用，展示装饰专业技术与数字建造领域结合应用所带来的技术发展与突破。

图1 九棵树（上海）未来艺术中心1 200座主剧场红色木饰面飘带模型效果

2.1 数字化建造技术的实施工作流程

在大型异形装饰面施工全阶段，可采用以BIM模型为基础的数字化建造技术进行模型深化、技术交底、下单加工、现场定位、现场安装、跟踪检测、细节完善，最终实现成品交付（图2）。在实施中，应保证在不同阶段进行数字化控制，从而达到最终的精确施工。

2.2 数字化建造设计应用

建筑装饰领域的数字化建造设计主要体现在深化设计过程中，具体可分为三维扫描与逆向建模、参数化BIM模型设计、可视化展示、设计方案对比、专业间碰撞检查等应用。其目的是辅助编制详细施工方案，指导现场施工，优化施工流程，事先解决施工过程中的技术措施、工艺做法、用料等问题，准确表达施工工艺要求及施工作业空间，确保深化设计基础上的施工可行性，同时为全面的施工管理提供完整详细的数据。

2.2.1 三维扫描与逆向建模技术

精确的现场数据是所有精细化装饰施工的基础。传统测量方式的精度不足、误差较大，特别是异形装饰面材料下单对于现场数据要求更高。同时，传统测量结果只能体现在二维图纸上，无法直接指导深化设计与材料下单。

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，能够完整并高精度地重建扫描实物数据。该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何的实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。由于技术上突破了传统的单点测量方法，故其最大特点就是精度高、速度快、逼近原形，是目前国内外测绘领域研究的热点之一。在实际项目实施过程中，通过应用三维激光扫描仪，在装饰工程开展前采集现场实际的结构数据信息，进而快速重构出目标的三维模型（图3、图4）及线、面、体、空间等各种制图数据，整体误差低于4 mm。精度高、速度快的测量方式为项目的顺利实施奠定了扎实的基础。

图2 数字化建造技术辅助大型异形装饰面的工作流程

图3 三维扫描得到的 土建点云模型

图4 土建点云模型+装饰面设计模型

2.2.2 基于BIM模型的深化设计

在深化设计前期，根据获取的现场测量模型信息、原设计阶段BIM模型进行基于BIM模型的深化设计（图5）。在这一过程中，除装饰专业BIM模型外，建筑、结构、机电等各专业的信息全部集中在一个平台中，使专业内、专业间的协调变得快速与直观。

通过现场采集的结构数据与精装设计模型进行整合，了解装饰面与现场结构之间的空间关系，确认是否存在硬碰撞或安装空间不足等问题（图6）。发现结构板及梁突出饰面、楼板挑出、装饰面与机电管线碰撞等设计问题时，均可在产品加工前进行妥善解决。

图5 基层饰面深化模型与设计模型比对

图6 异形装饰面整合碰撞检查报告

2.3 数字化建造施工应用

异形装饰面施工过程中的数字化应用包含饰面板块的划分与信息提取、配合材料下单、工程量统计、三维放样等应用。由于基于BIM模型的基础数据具有准确、透明、共享、方便统计、方便协同的特点，因此可以为产品的下单及安装提供强有力的支持。

2.3.1 基于BIM模型的饰面板块划分与信息提取

饰面板块的分割应考虑加工过程、运输过程及存储过程中对尺寸、质量的限制。可通过参数化BIM分析软件（如Rhino＋Grasshooper、Dynamo等）进行不同分块方案的模拟，并与项目工程师沟通，确保分块方式是加工、运输及安装效果的最优方案（图7）。

图7 基层饰面分块及编号

在单元板块生产加工阶段，将三维线框的坐标转换至操作平台，进行单元数控加工，以保证精确度（图8）。

图8 样板段分块三维线框模型与背部钢架模型示意

2.3.2 三维全站仪辅助安装

光学经纬仪、水准仪等常用仪器和工具，是工程施工放样技术发展的基础。圆曲线或曲线的施工放样较复杂，其测量方式大多采用偏角法和切线支距法。这些方法很容易产生累积误差，不仅有大量业内计算，而且受地形限制，放样速度慢，精度低；使用全站仪能使放样过程简化，精度提高，且不受地形限制，但建筑施工的现场环境一般较为复杂，全站仪坐标放样时往往需要反复移动目标，且需要超过2人参与操作，施工效率仍然有待提高。

对于复杂曲面造型的装饰面板放样，应用三维全站仪并基于精确的3D模型坐标点，可以放样出点、线、弧等复杂结构。单独在模型中选取想要放线的点，能有效避免放样错误造成的返工，不仅可以提高放样精度，而且可以提高放样的工作效率。

在板块的具体安装过程中，通过放样机器人的实时动态定位技术，提供实测站点在指定坐标系中的三维定位结果，达到毫米级精度。一般而言，第1个板块的安装是至关重要的，因此可以通过放样机器人先确定第1个单元板块的第1个坐标点，再复核另外3个控制点。其他竖向及横向板块便可依次安装。

2.4 数字化竣工交付

在竣工交付阶段，可以使用扫描设备对装饰面安装位置进行复核。同时，BIM模型中的数据能够快速统计异形曲面造型的投影面积与实际展开面积，为工程结算提供精确的数据基础。

2.4.1 安装复核

木饰面飘带的检测工作是完全在安装过程中进行的。利用全站仪和手持式三维扫描仪全程跟踪现场安装，通过单块、垂直、区域3个层面上的复核，有效保证整个飘带的精确度。如有问题，可以在过程中及时调整。

2.4.2 辅助竣工图提交及工程量统计

项目竣工后，需要提交结合所有变更信息、与现场实际一致的BIM模型。在项目实施过程中，任何修改都反映在BIM模型中。由3D模型生成的2D图纸更能体现最终竣工阶段的信息。竣工图交付阶段，在竣工模型中创建相应的剖面、平面、立面图，添加尺寸标注，并导出图纸，由项目深化工程师完成最终的竣工图交付。

工程竣工结算阶段，核对工程量是最主要、最核心的工作。传统的结算方式弊端很多，特别是针对异形装饰面。人为重复工作量大、效率低下、信息流失严重、结算准确率不高、现场比对困难、耗费结算人员多、过程漫长等问题不断涌现。基于BIM的三维模型可以直接从三维模型中提取工程量信息，能提高工程结算审核的准确性与效率，可以较好地解决工程结算的通病。

3 结语

大型异形装饰面的设计及施工，长期以来都是建筑装饰工程领域的一大难点。而以BIM模型为基础的数字化建造技术为行业的技术突破带来了新的希望。在项目的深化设计阶段，运用三维扫描技术，提升测量的效率与准确性；通过对复杂装饰面造型进行BIM模型建立，能够实现设计方案比选、碰撞问题检查等工作；生产加工过程中，通过BIM模型进行精确分块，导出图纸后可直接下单；安装环节中，应用放样机器人可为饰面板块在三维方向上的定位提供可靠的数据依据；在整体施工过程中，一改传统的沟通方式，通过可视化模型进行会议支持，提升信息传递准确性，加快整个项目进度。

在整个建筑装饰工程全生命周期中应用数字化建造技术，表现出了数字化建造领域的科技创新，实现前沿技术与专业应用在建设行业的融合应用，体现了科技引领支撑，实现了关键环节与重要技术的突破。我们应充分发挥专业技术与数字建造领域的技术优势，形成一套业务落地、技术领先的数字化、装配化、绿色化完整工作体系，为行业提供全面解决方案与更有价值的服务。