建筑幕墻智能制造技術(shù)應(yīng)用
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摘要：文章以“成都露天音樂公園項目”為研究載體，在大體量雙曲面鋁板公共建筑幕墻工程實施過程中，對智能制造技術(shù)(BIM技術(shù)、紅外激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建筑機器人、監(jiān)測機器人)在設(shè)計、加工、實施過程中的應(yīng)用展開分析，解決此類項目施工難度帶來的問題的同時滿足了安全、工期、成本上的要求。
關(guān)鍵詞：幕墻;智能制造技術(shù);BIM技術(shù);虛擬現(xiàn)實技術(shù);建筑機器人
1建筑幕墻與智能制造技術(shù)
1．1建筑幕墻的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，大體量公共場館、高層建筑也越來越多，而這些場館和大廈往往都離不開建筑幕墻的裝飾與保護。建筑幕墻在施工過程中也出現(xiàn)了各種各樣的問題。設(shè)計難度的加大，異形過多導(dǎo)致生產(chǎn)效率的降低、加工精度的不可控、節(jié)能環(huán)保的控制，安裝過程中的安全隱患，使用過程中的維護與監(jiān)測等，都成為了制約建筑幕墻發(fā)展的關(guān)鍵性因素。
1．2智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
目前國內(nèi)外對智能制造技術(shù)［1］的定義尚未明確。但說起智能制造技術(shù)就離不開人工智能，人工智能就是通過人類在計算機上的操作以實現(xiàn)智能的目的。在“十三五”期間，我國不斷加大對智能制造的投入，同時加大人工智能研究力度。智能制造技術(shù)包括智能設(shè)計、智能加工、智能安裝、智能監(jiān)測等幾大類。其中BIM技術(shù)、紅外激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建筑機器人、監(jiān)測機器人是眾多實施手段中的幾種。
1．3建筑幕墻與智能制造技術(shù)相結(jié)合
當(dāng)建筑幕墻采用智能制造技術(shù)時，很多疑難問題便迎刃而解。BIM技術(shù)的介入，能夠在設(shè)計過程中不斷對外觀效果進(jìn)行優(yōu)化的同時，更加直觀地考慮到后期安裝產(chǎn)生的碰撞問題，同時增強安裝的可實施性，能夠在滿足加工精度的同時，提高加工效率。紅外線掃描技術(shù)能夠解決大量空間定位問題，機器人的介入，解決人力投入的同時，提高生產(chǎn)安裝效率，降低失誤率，減少安全隱患。
2工程概況
成都露天音樂公園項目，位于北星大道與北三環(huán)路三段交界口處，總建筑面積約1．15×104m2，地上5層，局部設(shè)置地下室1層，建筑最高高度49．500m(鋼結(jié)構(gòu)罩棚頂)。其建設(shè)核心為主舞臺，主舞臺建筑外形如“一只展翅高飛的鳳凰”，罩棚鋼結(jié)構(gòu)平面呈“月牙形”，造型弧線優(yōu)美，實現(xiàn)幕墻曲面的平滑過渡。主舞臺幕墻主要有屋面魚鱗疊加狀鋁單板幕墻、立面四棱錐雙曲面鋁單板幕墻(面積約5500m2)、雙曲拱梁檐口鋁單板系統(tǒng)、立面弧形玻璃幕墻系統(tǒng)，其中四棱錐鋁板幕墻共由1743塊，每塊板由2塊不同尺寸的凸起三角形鋁板組合而成，每塊尺寸大小、角度及安裝定位坐標(biāo)點都是變值。大型復(fù)雜懸挑空間四棱錐鋁板幕墻，最高安裝高度49．76m，工期緊，加工與安裝難度大(圖1、圖2)。
3設(shè)計階段中的智能設(shè)計
3．1BIM技術(shù)應(yīng)用的確定
本項目幕墻主要有屋面魚鱗疊加鋁單板+TPO防水系統(tǒng)、立面四棱錐雙曲鋁單板幕墻系統(tǒng)、雙曲拱梁檐口鋁單板系統(tǒng)、弧形玻璃幕墻+鋁單板造型飄帶系統(tǒng)。雙曲面隔音墻系統(tǒng)，共計約27000m2;外立面幕墻均為雙曲面造型新穎獨特，其設(shè)計形式為超限設(shè)計、項目造型多為雙曲面。在國內(nèi)為頂級水平，屬于特殊復(fù)雜幕墻系統(tǒng)，為此我們將智BIM技術(shù)引入本項目。
3．2設(shè)計優(yōu)化過程
為了滿足將建筑外立面造型和使用功能，應(yīng)用Rhino和Grasshopper軟件進(jìn)行設(shè)計階段參數(shù)化協(xié)同設(shè)計，將此作為設(shè)計的初步資料提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行進(jìn)一步分析，并在與結(jié)構(gòu)專業(yè)的配合中不斷優(yōu)化建筑形態(tài)。運用Dynamo進(jìn)行合理排版，依照施工原則，通過軟件控制每塊板到鋼結(jié)構(gòu)檁條距離相等、翹起程度相等、與安裝位置對齊，來生成參數(shù)化模型，將復(fù)雜雙曲面，簡化為等大小的，距每個安裝檁條相同距離的平板。外立面錐形鱗片幕墻板塊直接懸掛在單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主體上，形似鳳凰的羽毛，經(jīng)過參數(shù)化的控制調(diào)整，將幕墻板塊擬合成盡量少的規(guī)格，使其既能實現(xiàn)復(fù)雜造型的要求，又有利于降低加工成本(圖3)。在幕墻設(shè)計三維模型基礎(chǔ)上，對屋面魚鱗狀鋁板和四棱錐鋁板幕墻進(jìn)行深化設(shè)計，尤其是幕墻板塊連接經(jīng)過兩次深化為萬向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，保證了四棱錐鋁板幕墻的安裝和調(diào)節(jié)，起到了很好的效果(圖4)。最后通過設(shè)計BIM模型直接生成平立剖面圖、軸測圖、坐標(biāo)表、曲面及曲線方程等，將模型和圖紙向施工階段流轉(zhuǎn)。
4材料加工階段中的智能加工
四棱錐鋁板幕墻總體造型為雙曲面，共1743塊，每塊大小、角點定位都是變值，屋面魚鱗疊加鋁板系統(tǒng)由3340塊魚鱗鋁板組成，搭接方式為雙向瓦片疊加原理式幕墻形式，每塊板四個角點距離鋼結(jié)構(gòu)高度都在變化。這就導(dǎo)致現(xiàn)場加工數(shù)據(jù)采集量及加工參數(shù)龐大。該項目采用以下智能加工技術(shù)攻克。(1)運用紅外線三維掃描技術(shù)對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，得到每個點位的精確定位，相對傳統(tǒng)點位定位，大大提高了效率與精度(圖5)。(2)鋁板的加工運用BIM技術(shù)，通過Revit參數(shù)化鋁板模型導(dǎo)入Rhino(犀牛)軟件中，通過GH插件導(dǎo)出各塊鋁板及基材的空間參數(shù)，精確控制尺寸等一系列空間定位參數(shù)，形成鋁型材、鋁單板的加工圖及提料單(圖6)。(3)加工廠通過MES系統(tǒng)的應(yīng)用，為生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)材料人員調(diào)度管理、庫存管理、產(chǎn)品質(zhì)量把控、設(shè)備監(jiān)測與維修管理、材料采購管理、加工成本控制等方面提供強有的利支持撐，保證了項目材料的及時供應(yīng)。(4)采用紅外線全自動裁板機下料切割;下料時將加工圖直接導(dǎo)入加工中心，自動按圖紙進(jìn)行裁板，精確度高，工作效率高。
5樣板加工階段中的智能安裝
5．1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用
隨著人們意識到提高，虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)［3］得到了社會各界的認(rèn)可，人們可以通過在虛擬三維世界得到最直觀立體的感受，讓人有身臨其境的感覺。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬金屬幕墻及屋面樣板加工，對安裝工作人員進(jìn)行交底，使得原本復(fù)雜特殊工藝流程，變得更加直觀易懂。減少了交底時間的同時，加深了對工程認(rèn)識，起到了事半功倍的作用(圖7)。
5．2BIM技術(shù)的應(yīng)用
雙曲造型四棱錐鋁單板精度控制困難，工作效率低下。采用BIM技術(shù)對幕墻每個定位節(jié)點進(jìn)行三維模擬定位，通過BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，建立雙曲面模型，指導(dǎo)現(xiàn)場定位工作，提高其準(zhǔn)確性和工作效率。同時使用企業(yè)BIM平臺上傳模型，將計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度和模型相關(guān)聯(lián)，生成進(jìn)度模擬動畫，實時監(jiān)控現(xiàn)場施工進(jìn)度情況。及時進(jìn)行動態(tài)糾偏，確保進(jìn)度正常進(jìn)行。項目管理人員通過企業(yè)BIM平臺發(fā)起整改協(xié)作，對現(xiàn)場危險源進(jìn)行有效地控制，形成完整閉合。在企業(yè)BIM平臺上對所有協(xié)同事件進(jìn)行統(tǒng)計，安全質(zhì)量隱患共發(fā)起382條，整改率100%。
作者:付增龍 張九華 單位:五冶集團裝飾工程有限公司
