面向再建造的智能建造技术探索——“冰立方”冰水转换结构一体化数字设计与建造策略研究＊

王祥 李洋 周子淇 吕雪源 袁烽 陈蕾

1 研究背景

1.1 装配式建筑可拆卸设计与再建造

建造活动在其全生命周期过程中都不断产生着资源的消耗和对自然环境的影响。除直接的材料使用和建造活动带来的资源消耗外，建筑物的维护、翻修、拆除等带来的废弃物也成为了当前建筑活动需要重点关注的内容。据统计，当前世界生产和消费过程中，高达40%的废弃物产生量来源于建造行为，世界范围内20%～35%的负面环境因素则来源于这些废弃物[1]。随着当前我国对环境问题的关注以及碳达峰、碳中和等目标的提出，如何从建造、运营、维护和拆卸等全生命周期的视角去建立新的具有适变性的建筑系统，探索更加高效、环保的绿色建造技术方法，也成为了当前建筑产业需要关注的至关重要的问题。

装配式建筑的设计建造技术创新是当前建筑学领域的重要前沿方向，也一直以来是我国推广标准化构件、标准化构造节点、绿色智能建造技术的重要战略方向。在建筑生产和建造前期阶段，装配式技术倡导建筑构件的标准化、模数化，将建筑构件的制造过程从施工现场转向预制工厂，同时使现场的施工过程转变为以构件连接为主的装配过程，很大程度上减少了施工现场作业的复杂程度和对环境的负面影响，减少了构件制造过程中的资源浪费，提高了建筑构件制造和安装中的安全率和生产率。然而，从更加广泛的全生命周期角度，建筑物建成之后的运营、维护与拆除阶段对环境也有着更大的影响。例如，在美国2014 年相关数据中，建造和拆除废物的年度总量达到4.84 亿t，其中90%以上是拆除过程中产生的碎片[2]。因此，如何进一步有效地考虑建筑物的全生命周期利用和更新利用，也成为当前装配式建筑发展中刻不容缓的问题。

在相关领域，建筑学界早在二战以后已经产生了大量思考和尝试。随着20世纪初期对预制建筑技术的探索，20世纪60年代，荷兰建筑师哈勃勒肯（N.John Habraken）提出了开放式建筑运动，提倡个人参与式的灵活建造；同样在60年代，以日本建筑师丹下健三为代表的建筑师提出新陈代谢理论，并在以黑川纪章的中银舱体大厦等大量实践项目中进行尝试（图1）[3]。相关思想中，首先提及了建筑随着使用和社会需求的变化应产生不同的变化，并可以通过替换得以重新应用，因此也为可拆卸式建筑设计和建造技术的思想奠定了基础。在2000年后，装配式建筑和绿色建筑思想开始得到整合。在美国能源与环境设计评价体系（LEED-NC）中，就将“减少建筑物全生命周期的（环境）影响”单独列为评分标准，并规定“历史建筑再利用”“废弃建筑再更新”“建筑材料再循环”为加分选项。

1 中银舱体大厦中提出的基于模块化和可拆装的建筑设计及建造方法

随着相关理论的发展，特别是装配式建筑设计技术的成熟以及数字建造技术的发展，可拆卸式设计（Design for Disassembly）成为当前可持续装配式建筑研究领域的重要理论。可拆卸式设计以预制化设计为依托，将建筑部配件之间的关系以“层”的方式进行深入剖分，重点强调模块化结构体系的建构与设计方法。同时，针对建造方式，可拆卸性设计强调现场干式装配的节点构造设计，强调从标准化节点、简化拆装步骤、简化拆装工具等角度对装配的过程进行优化。同样，面向整个建筑拆装的过程，可拆卸性设计也重点强调了结构构造的适应性、可逆性，以及构件单元适应运输物流等模块化设计方法。尽管如此，可拆卸性设计理论往往只关注于建筑体系的设计方法，对于建造技术本体的研究仍存在一定盲区。本研究基于这一问题，结合我国智能制造领域“再制造”等新兴概念，试图探讨建筑“再建造”过程中的关键技术和技术组织方式，重点阐释相关的技术方法在具体项目中的应用方式和潜力，并结合我国科技冬奥智能建造的具体案例展示相关技术细节。

1.2 “冰立方”中奥运遗产的“水冰转换”

随着我国“绿色办奥”和可持续发展既有奥运场馆等指导思想的提出，对现有奥运场馆设施的可持续再利用，以承接新的冬季体育运动赛事，也成为了我国科技冬奥战略在建筑领域的一个特色创新方向。2008年作为奥运跳水和游泳比赛场地的“水立方”也成为了世界首座实现了“水冰转换”，并可在游泳场地和室内冰壶场馆之间切换的奥运场馆。“冰立方”的水冰转换方案以可反复拆装的离散化钢结构支撑体系和移动式的制冰系统，与传统冰壶竞赛场地在永久混凝土底板上建造的方式不同，因此也带来了预制装配系统设计和建造体系的巨大难题。例如，冰壶运动对冰面、光线和空气环境都有着十分严苛的要求，因此建造后的冰面必须极其平整，在接近60m×30m的范围内任意两点的误差不能超过6mm（±3mm），还要有足够坚固的结构作为支撑，避免过程中的结构震动。同时，由于场馆正在作为后奥运的市民游泳活动和训练场馆使用，结构的转换改造时间也对整个场馆的日常运营产生着非常大的影响。在这些基础之上，如何从“再建造”的角度对结构体系、构件系统、节点构造和建造技术等进行系统性的设计，成为了“冰立方”华丽转身背后重要的设计和建造技术保障（图2）。

2 “冰立方”智能化冰水转换建造与最终完成的冰壶场馆

2 “冰立方”冰水转换可拆卸结构的设计思考

2.1 面向可拆卸的装配式结构系统设计

预制建筑的拆卸是对构件连接的反向操作，因此与可拆卸式设计相关的大量研究主要集中在建筑构件连接方式的设计上。与传统建筑的拆毁过程不同，可再利用的装配式建筑的可拆解性很大程度上取决于构件连接界面的完整性和独立性。在传统建筑结构体系、节点体系和建造技术中，由于大量现场湿作业和化学连接方式等难以呈现较为清晰的构件层次和界面，最终一体化的整体结构体系无法实现二次拆卸和再建造。即使在预制化程度较高的钢结构领域，传统的焊接、钢和混凝土界面的预埋筋等构造方式也往往带来难以拆卸的结果。

针对独立拆分问题，可拆卸设计体系以快速安装与无损拆卸为目标，明确强调了干作节点和施工技术在结构系统设计中的重要性。同时，除了传统建筑构造体系中已广泛应用干连接的围护构件之外，结构构件中干作连接技术的适用性也是当前可拆卸设计体系的重要发展方向。在相关的节点连接构造和工艺中，铰接、销接、螺纹连接、型面连接等机械连接方式往往能够提供较强的界面独立性和可拆卸性。特别是在由多种材料共同组合而成的复合结构体系中，如钢结构上覆混凝土板的承重结构中，由于结构有整体性的需求，传统结构设计和建造体系往往对整体灌浆浇筑、配筋连接等有较强的依赖。而在新型的可拆卸体系中，可反复拆卸的构件变得小型化、离散化，而结构构造则更加复杂，往往通过组合利用子母接口、螺栓构造、拉结杆件等在多个方向限制结构的位移自由度，从而实现最终的结构稳定和灵活拆卸[4]（图3）。相比传统建造方式，研究表明可拆卸式建筑的环境影响会大大降低，经济性等方面也有显著优势。当预制构件不可拆卸时，现场施工费用相比传统方式大约高出10%～30%，而使用可拆卸构件并重复使用时，预制装配式建筑的施工费用相比传统建筑则会大约节省5%～20%[5]。

3 “冰立方”智能化冰水转换体系的结构层级拆解设计

在“冰立方”的可拆卸装配式钢结构体系中，结构体系的主要作用是填平原有的泳池区域，提供一个可以快速建造的稳定基面，快速铺设冰面制作所需要的设备，并最终完成高平整度的比赛用冰面。因此，整体的可拆卸结构被设计成了由薄壁H型钢和轻质混凝土预制板组成的全预制系统。考虑到建设中的运输和搬运要求，结构跨度被相对减少，形成了2m×3m为基本模数单元的结构柱网。结构体系由结构柱-主梁-次梁-顶板组成的基本单元构成，所有构件之间由可拆卸的螺栓连接完成，考虑到结构整体刚性，在结构柱间增设了用于限制横向位移的水平扫地杆和侧向斜拉杆。同时，为了保障整体结构的最终平整度和精细调整的要求，在柱底、钢结构次梁和混凝土顶板间设置了螺栓式精调单元，可以实现全局和局部标高精细化调整（图4）。因此，整体结构最终覆盖了60m×25m的场地范围，结构体由2 600根薄壁H型钢和1 570块轻质混凝土板组成。同时，为了满足最终的制冰条件，结构层的上方还设有隔离层（PE膜材）、保温层（两层挤塑板材）、防滑层（PE膜、防滑膜）和制冰层（制冰管架和制冰管）。所有附属功能层均由可拆卸和反复利用的材料单元组成，保证了整体结构的完全可拆卸性和可再利用性。

4 面向拆解的装配式螺栓构造节点系统

2.2 可拆卸节点与拆卸次序设计

可拆卸结构的节点构造设计对结构反复安装效果和施工过程难度起决定性的作用。同时，构件尺寸、拆解的精细化程度、构件拆装次序的设计也对整体施工过程的总体周期控制、人工调配起到了重要影响。在“冰立方”的可拆卸装配式钢结构体系中，整体结构依照柱、梁、板的系统进行拆分设计，并结合两层辅助调平装置进行分层，从而决定了整体结构的拆分设计依据和拆卸次序设计依据（图5）。

5 面向高效施工的拆解流程及工艺设计

首先，可拆卸结构整体落位于带有防滑设计的可调节高度的球形铰支座之上，现场施工前需将原泳池进行防水处理，完成清扫工作。通过现场全站仪定位放线，将球形铰支座放置于定位点上，并调整螺纹高度统一；其后，可将所有钢柱置于球形铰支座之上，并由施工人员辅助以保持稳定。随后以每个柱跨为单位进行横向扫地杆连接与斜向斜拉杆连接，以形成自稳定的支撑结构，整个过程仅需2～3名施工人员在短时间内即可完成；然后，施工人员依次将结构主梁、次梁置于柱顶界面，柱顶与主梁均由四角的螺栓构造进行连接，主梁和次梁间也由翼缘板上提前开孔的螺栓节点连接（图6,7）。同时，为了保证安装的误差容许，各结构梁上的预设孔位均为长槽孔，允许1～2cm误差；在安装完成柱顶和主次梁之后，结构需初步调平，在其上继续放置用于精细调平的螺纹装置，底部和次梁在角部进行螺栓连接；最后，将1m×1m的预制混凝土板按序号安装至次梁上，混凝土板四角预留螺纹孔洞，从结构下方可以进行快速的螺栓连接。

6 钢立柱与斜撑节点

7 钢立柱与钢主次梁节点

2.3 可拆卸系统的数字化信息重建

由于“冰立方”的可拆卸建造提出了原构件反复利用、原位拆装等目标，因此大量构件的拆装过程规划和建造流程设计是最为重要的问题。在现场施工中，除了可拆卸结构本身的分层设计、几何和构造设计之外，建造属性的介入（如质量跟踪、运输状态跟踪、施工现场落位、施工状态跟踪）和建造全生命周期的实时跟踪也成为了整个可拆卸系统设计和执行中至关重要的内容。针对此问题，“冰立方”的冰水转换体系结构利用BIM平台体系作为主要数据平台，通过引入自定义的族库信息，结合参数化工具对每一个构件加入特殊的编号，并添加相应的建造过程属性，最终可以实现整个系统每个构件全生命周期的建造信息管理（图8）。

8 “冰立方”冰水转换结构体系的定制化BIM族库信息和施工数据添加

通过数字化辅助设计工具的介入，构件信息的设定和添加可以通过规则的设定，批量化地实现几何信息和非几何信息的编辑。其中，几何数据以三维模型为基础，通过构件类型、构件编码、几何描述等关键信息统一设计构件，并通过模块化的信息统一管理。同时，构件信息的添加也呈现为一个分段的动态过程。在施工全生命周期阶段中，构件的信息创建和维护包含3个阶段——构件库的设计及信息创建阶段、构件的生产建造阶段和拆卸后的维护管理阶段。在工程设计过程中，设计人员在BIM平台上从构件库中选取构件进行模型的编辑，为构件添加编号信息和相关的深化设计信息。通过Revit平台下的Rhinoinside-Revit技术，所有信息均可以通过参数的形式得以存储和快速调整。信息完备后，整体BIM模型将会交付给施工运营单位，指导构件的生产、运输、现场建造和后期维护过程，期间相关信息均通过族库属性添加至BIM模型中，并上传到项目的信息管理平台。同时，在施工运营阶段，不同施工管理主体可以通过相关数据接口实时维护构件信息，以保障建筑全生命周期的动态可追溯。

3 面向快速冰水转换的数字建造技术应用

当前对于可拆卸结构的设计，现场施工阶段数字化建造技术的应用研究较少，因此对施工效率提升的技术方案研究成为推进可拆卸式建筑发展的重要抓手。在此研究中，就施工组织、信息管理、建造工具、建造技术、监测技术等进行了相关技术创新和测试。

3.1 面向数字建造管理的BIM信息系统

基于现场结构安装的较高要求，本研究试图精确记录所有构件的安装过程，从而能够对整个建造过程进行数据采集，并通过数字孪生的方式，在现场指导工人的操作和后续的调平过程。因此，研究首先建立了一个基于BIM 数字模型体系的装配式结构现场施工监测、反馈的系统平台。整个平台以Autodesk Revit 软件为依托，通过自定义结构构件的族信息，在相关属性信息中加入所需的工程状态属性（如运输状态、维修状态、现场安装状态、调平状态等），对快速拆装中的构件信息进行记录，并呈现于数字模型中（图9）。同时，BIM 信息系统作为最终载体，一方面实现了建造全生命周期的信息展示，另一方面也通过不同的数据信息接口实现了多源数据的采集和整体分析，保障了对整个拆装体系的智能化实时监控。

9 现场建造数字化系统的功能和接口示意图

3.2 基于物联网的构件全生命周期管理和安装流程组织

在具体的施工全流程中，对结构构件信息的收集首先来源于现在布置的各类传感设备。在本研究中，现场的信息感知包括两个系统——基于物联网的构件进出场信息感知和基于运动捕捉技术的构件坐标实时监控。对于构件的进出场状态，本研究中利用了具有定位标签功能的射频识别芯片（RfID），通过对每个构件编号与芯片编号进行一一映射，便可以通过现场的RfID信号探测器监测相关构件的进出场状态，并通过相关数据接口将构件状态的信息变更记录实时传入总体的BIM模型中。在现场施工组织中，进出场数据以构件码垛的形式进行记录，即根据现场建造的先后顺序从上到下码垛堆放构件，从而方便原位安装。同时，现场设物料堆放区，一旦物料码垛进入现场堆放区，该芯片会被自动探测到，也会实时记录并传输、储存于系统中，对应构件的属性状态也会随之改变。

除了可以通过物联网技术实时感知构件状态变化外，现场施工中仍涉及大量需要人工执行并上报维护的安装信息，如各构件是否安装完成、是否存在损伤等。对于此类构件信息，本研究通过一个在线的构建建造信息数据库进行统一管理，数据库统一记录了每个构件的施工状态，并保存每条记录产生变化的时间标签。为方便现场施工作业的便捷性，相关数据的维护、编辑功能采用微信小程序的方式完成。在现场每一个构件上，都通过对应的构件名称和位置编号布置了二维码贴纸，每一个施工步骤完成后，施工经理可以通过批量扫码的方式更改维护构件的安装信息（图10），部分与RfID芯片、运动捕捉标高探测等相关的数据，则可以通过BIM系统的软件数据接口进行实时维护。

10 各构件信息二维码及维护数据的微信小程序界面

11-13 物联网技术辅助的现场施工实时监控实验示范

3.3 大范围、多点、实时的高精度数字化安装辅助系统

由于本项目的特殊要求，施工过程的一个重大难点在于如何对现场1 568块混凝土预制板的顶板标高进行高精度调平。由于冰面对平整度需求的特殊性，调平后的各块混凝土板在全部施工范围内的标高精度允许误差为6mm，局部3m之内的标高误差精度允许为2mm，因此需要实现高精度的构件标高信息监测。同时，由于结构本身的离散特性，对每一块构件的调整都会涉及其他构件，因此还需要对多个构件的标高信息变化进行同步的实时监测，而这是传统的施工监测技术（如水准仪、全站仪）难以实现的。在本项目中，为了实现大范围、高精度的多点实时监测，研究引入了广泛用于虚拟现实、运动、医疗、机器人等领域的运动捕捉感知技术，并将其与传统施工技术相结合，实现对多个混凝土顶板三维标高的实时感知，并通过BIM软件的相关接口进行数据传输和分析，与现场的大屏幕联动，实时指导工人对各个顶板的标高进行调整（图11−13）。

运动捕捉系统以基于视觉的三维坐标定位原理为基础，通过在目标物体上放置红外线反射力强的标志点（Marker），通过双（多）目成像的定位原理感知目标物体的三维动态坐标信息变化（图14,15）。因此，现场的标高监测系统是由多个红外线运动捕捉相机组成的监测阵列，相机成一字形排列，通过交换机进行数据传输，并与现场BIM系统的计算机进行通信。通过在不同混凝土板顶部放置标志点小球，系统可以实现对顶板标高信息的高精度采集。

14 运动捕捉视觉监测系统

15 现场动态监测设备布置

由于本研究中运动捕捉系统的成像特性，在单边排布的情况下，定位误差随着目标标志点和相机距离的增加而增加。同时，由于定位系统的坐标系特征，直接从运动捕捉系统中采集的坐标数据往往存在一定程度的扭转和倾斜，因此难以直接反映目标的真实标高数据。根据相关研究，本项目中采用了运动捕捉技术和传统测绘技术相协同拟合并优化的方法[6]，进一步保证数据的准确性。首先，利用全站仪对各轴线交点进行现场放线，在结构柱安装完成后，运用水准仪对各个柱顶中心点的标高数据进行一次人工记录。然后，部署好运动捕捉系统，再依据放线轴线初步标定坐标系，并利用标志点对各个柱顶中心点再进行一次运动捕捉自动采样。因此，两次采用的数据分别形成了一组由轴线顶点组成的基础定位网格。通过迭代最近点优化（ICP）的误差拟合算法，现场BIM系统对两套网格点的坐标数据进行一次全局拟合，从而将运动捕捉系统的标高数据拟合至传统定位方式测得的真实坐标系中，消除运动捕捉的数据误差。通过相关前序实验和现场测量验证，本研究中18个运动捕捉相机组成的监测系统可以同步覆盖15m×12m的测量范围，定位误差可以达到1mm以内。由全站仪、水准仪数据构成的全局定位点数据，也方便了运动捕捉相机平移至下一区域后整体标高数据的拼合和整合，从而保证现场施工中多点、高精度的标高数据实时采集和分析。

为了辅助相关施工调平过程，本研究在BIM系统中编写建立了相关混凝土顶点标高的实时可视化辅助系统。通过在不同混凝土顶板上放置定位小球，可以实时获得标志点的标高信息。如果小球位于顶板中心，该小球的Z方向坐标则被认为是结构顶板的整体标高，如果小球位于顶板交点，则精细显示小球的X、Y、Z等数据，以点的方式进行呈现。因此，在现场施工中，施工人员可以首先在探测范围内的所有结构顶部中心放置定位小球，同时通过三维标高辅助系统得到整体的安装平整度偏差信息，并对调整方案进行初步设计。在标高辅助系统中，该数据以平面的方式进行呈现，中心点标高直接呈现为对应混凝土板的整体标高数据，通过该标高数据与模型预期数据的对比，实时显示整个结构板的标高误差，并通过设置误差阈值的范围，筛选超出阈值的混凝土顶板的坐标信息，以红色实时标记（图16）。对于结构顶板的微调，需要通过位于交点的精调装置来实现，也可以通过将定位小球移至交点的方式完成。此时，辅助系统中的坐标会变为以点为代表的标高误差值，通过现场大屏幕中的数字孪生模型进行同步呈现，施工人员可以快速地实现整个结构的精细化标高调整。

16 基于BIM 施工数据管理系统的实时、动态标高调整辅助系统

4 拆装流程的动态监测及效果验证

基于上述的整套现场施工全流程动态监测系统，基本实现了所有构件、关键流程的信息采集和分析。在现场施工中，通过BIM模型系统进行信息整合，并根据数字孪生模型加以数据呈现，可以有效地反映现场施工组织、管理中的优缺点，对整个结构的反复拆装作业提供组织优化的必要基础数据信息。同时，对不同施工流程的耗时信息的记录，也可以帮助施工设计人员发现整个结构设计的关键缺陷问题，从而对系统进行评估和相关设计优化，也能对后续反复拆装的施工作业进行优化。

现场数据的数字孪生模型通过BIM软件中对应构件族的属性信息进行组织，通过相应算法和接口，最终体现为结构数字孪生模型中颜色信息的改变。因此，在现场的施工管理人员可以对数据进行远程监控，进而把控全流程的关键施工环节。最后，相关数据会被输出为Excel文件的施工日志，从而实现对一次完整的拆装施工全流程的可追溯的整体记录。

最终的施工调平效果验证方面，在现场施工中分别设置了大部分由运动捕捉系统进行辅助调平的试验区和只经过人工初步调平的对比区，并引入第三方高精度测量工具“激光跟踪仪”，对每一块结构顶板的标高进行最终验证。结果表明，经过标高监测和调平辅助的区域基本满足项目对全局和局部高程误差的要求，整体精度控制在–1.5～1.5mm之间（图17）。与该区域相比，未监测区的标高误差较大，区内大量测点低于全局期望标高，其误差在–2～10mm范围内，而这也和施工人员的测量数据和经验直接相关。因此，本研究提出的标高监测方法的有效性和高效性得到了充分证实。

17 基于激光跟踪仪的调平对比区域监测结果

5 总结与展望

在当前我国建筑产业发展战略的推动下，“再建造”作为一种基于预制装配化、可持续更新的新型建造理念，正逐渐成为一种具有高度发展前景的建筑系统概念。在当前相关可拆卸性建筑的基础上，本文进一步对拆卸过程中的建造问题进行了回应，提出了面向可反复拆装的建筑结构体系的智能化建造方法，并结合“冰立方”奥运场馆快速场景切换的工程实例，展示了BIM动态管理系统、关键智能建造监测和分析技术的植入方式。在我国“科技冬奥、绿色办奥”的总体目标指导下，该研究成功助力中国国家游泳中心从2008年夏季游泳场馆到2022年冬季冰壶场馆的快速、可重复场景过渡，有效减少了结构施工时间，并确保了结构本身的高标准要求。在当前建筑行业追求数字化和可持续发展的时代，本研究提出的相关设计和施工方法有望为未来建筑技术的智能化变革做出贡献。同时，本研究对相关传感器应用和算法的研究仍处于实验阶段，相关设备较昂贵，安装成本较高，也期望在未来研究中能加入更先进、性价比更高的传感器，辅助优化施工过程中新的数字化技术的发展。

图片来源

1 来源于文献[3]

2,11−13 作者自摄

15,16 作者自摄

3−10,14,17 作者自绘