論文摘要

 

智慧建造,是依靠IT技術、云技術、新型建造設備等資源,降低重復人工勞動,使建造過程處于智能技術的精準控制下,實現人力難以達到甚至無法達到的高效建造模式。在江西省景德鎮御窯博物館項目中,中建一局團隊利用Hololens全息眼鏡、三維放樣機器人以及三維激光掃描儀等智能建造設備,整合優化,形成一套質量控制全過程解決方案。

 

 

1 前言

目前,國內建筑施工行業BIM技術日漸普及,尤其是在一些大型龍頭企業,工程師們已經可以熟練掌握BIM技術,能夠對施工內容提前進行模擬分析、風險預判等。在智慧建造過程中,提前利用BIM模型進行設計、優化、預判,并及時規避風險,完成構件預制加工圖紙和節點模型,大大推進了建筑產業現代化。

通過云平臺、物聯網技術對構件進行安裝跟蹤、節點監控,提升多方監管效率,減少因設計或施工誤差產生的資源浪費,有效節省人力、物力和時間成本,實現綠色建造。竣工驗收階段,利用三維掃描技術、實景建模等智能技術,快速對已完成建筑進行復核(包括各種異形結構),所搭建和積累的模型及數據,能對接后續的運維管理,實現生態建造。

 

2 智慧建造

智慧建造包含兩個要素:軟件和硬件。一方面,國內軟件廠商正在自行研發適應國內項目情況的智能化解決方案;另一方面,國外的軟硬件廠商也憑借先進的技術搶占國內市場,但目前也并未形成完善的智慧建造應用流程和評價標準。

現階段,施工行業中智慧建造的實施還主要集中在高大精尖的重點項目,而這些新技術應用的定位更多是探索研究,從其投入成本更多地被計入科技研發項目,而不是項目措施費就能看出。目前,智慧建造技術還處在各企業研究階段,相對于追求應用效果,更側重于新技術的嘗試和經驗總結。

由于建筑行業在過去幾十年間處于傳統的手工作業階段,隨著國內經濟、IT、工業化技術的急速發展,建筑業屬于較晚跟上信息化潮流的行業,智慧建造的發展還處于初步探索階段,距離能夠成熟地利用各種技術來對施工進行全方位的智能建造還有很長距離。但是,隨著進入施工領域的從業人員素質越來越高,市場環境越來越蓬勃,智慧建造對企業的市場品牌影響力有目共睹,智慧建造將成為各大施工企業爭相搶占的技術鰲頭。

 

3 工程應用

景德鎮御窯博物館位于江西省景德鎮市珠山區御窯廠遺址周邊,于2016年正式開工,建筑面積10400m2(見圖1)。御窯博物館主體取用了御窯的拱形元素,通過8個體量、高度、朝向、雙曲率等均不同的單拱體組合而成,地下局部2層,雙曲面拱體結構從地下1層升起,最高點為9m,整個結構體系半藏于地下。

項目團隊通過BIM技術結合智能設備,不僅改變了深化模型交底的方式,提高了信息傳遞效率,還將異形BIM帶入了施工現場和實測實量工作中,提升了異形結構施工效率,保證了施工質量。

針對雙曲面異形結構獨特的施工要求,項目部根據施工流程節點,將Hololens全息眼鏡、三維放樣機器人及三維激光掃描儀分別運用于施工的前期模型交底、中期施工控制、后期實測實量階段(見圖2)。

 

3.1 模型深化

1)結構  主要利用設計方提供的犀牛模型,通過3Dmax和Sketchup軟件的互導,得到dwg格式文件,再導入Revit中建立雙曲面拱體模型,結合機電模型,在Revit中進行碰撞綜合,修改得到結構深化模型(見圖3)。

2)機電  由于項目結構異形,機電管線在拱體和弧形幕墻龍骨間的安裝是難點,基于Revit的MEP板塊,結合二次開發插件,進行機電專業深化工作,建立了包含支吊架在內的LOD350深化模型,用以指導施工(見圖4)。

3)窯磚、幕墻節點  本工程包含全球首創的干掛窯磚幕墻體系,因結構的多曲率龍骨和干掛工藝難以用二維設計進行深化工作,項目部采用犀牛和Revit進行三維節點深化,指導窯磚和幕墻的生產及安裝(見圖5)。

4)滑軌式可調模架體系  現澆多向曲率拱體結構模架體系,在Revit模型中進行節點可視化模擬和優化。

3.2  MR混合現實技術交底

在雙曲面拱體結構中,拱體本身、幕墻節點以及機電管線因異形空間制約,使傳統BIM交底無法將施工節點展示出來,因此,項目團隊借助Hololens全息眼鏡,精準呈現模型施工做法(見圖6)。

項目團隊將深化后的BIM模型,通過Sketchup插件導入Hololens設備之中,然后佩戴Hololens通過“夾取”手勢操作,即可將模型呈現在視野里,并通過手勢對齊進行尺度、位置及方向的改變,還可進行構件信息讀取。

1)協同交底  項目部專業工程師利用Hololens,將重要的施工BIM節點模型導入設備中,通過電腦同屏功能,將相關技術交底結合文件形式做詳細講解,免去施工分包通過自行想象來施工造成的誤差。同時,Hololens的遠程協同功能讓身處異地的設計師與工程師同步看到模型,通過語音模塊參與進行討論(見圖7)。

2)現場交底  在施工過程中,通過手勢操作,將拱體模型、幕墻施工節點模型以及機電支吊架模型調整為1∶1比例,找到模型與現場的重合角點,形成身臨其境的模型場景,發現模型貼合不密實的問題,及時反饋給幕墻專業分包進行模型修改(見圖8)。

3.3 放樣機器人

放樣機器人實質上是一個能夠利用BIM模型進行三維空間放樣的智能型全站儀,主要由智能觸控手簿、智能全站儀本體、反光棱鏡等組成。

1操作流程  Trimble Realworks

插件中,通過抓取控制點,生成清單,同模型一并導入手簿中,即可操控機器人進行放線測量工作(見圖9)。

由于放樣控制點密集,首先需要編制項目級的放樣基點編號列表并確定命名規則。將雙曲面拱體BIM模型天寶T.O.P插件處理完成之后,將模型導入放樣機器人的手簿中,手簿自動讀取三維模型和放樣控制點列表。

在施工現場,使用BIM放樣機器人捕捉場地控制點,自動建立現場坐標系。通過手簿選取BIM模型中所需放樣點,機器人即發射可見激光射向模型中的指定點位,激光射程在100m內均能滿足精度要求。對于單個拱體的任何部位,尤其是拱頂,懸空側窗等人力無法達到或危險系數較高的地方,都可進行激光放線和測量工作,解決了在二維模式下難以完成的雙曲面拱體結構放線難題(見圖10,11)。

為保證拱體混凝土澆筑的表面效果,拱體部分使用特殊雙側覆膜多層板,模板表面反射率較高,經常會出現激光測距無法反饋數據的情況,需不斷調整機器人點位,通過改變反射角來避免該情況發生。對比傳統放線方式,基于BIM的智能放樣機器人可直接讀取多曲面拱體三維模型信息,自動存儲放樣及校核報告,自動化程度高。

2)效能評估  放線機器人能夠導入三維模型,選取模型任意點進行激光(棱鏡)放線工作,能夠提高異形構造、復雜機電管線定位精度,減少放線工作中的人為操作環節。在放線定位調整校對時,不存在普通全站儀2s的人工誤差。綜合計算,每100m普通全站儀綜合誤差在1cm左右,放線機器人僅在5mm之內。此外,因簡化了放線流程,放線機器人預計每天能測130點,提高了人工效率。

3.4 三維激光掃描實測實量

對于雙曲面拱形結構的實測實量技術,目前在行業內尚無可尋的參考方法與規范,以5號拱為例,通過三維掃描技術對拱體進行實測實量(見圖12)。在掃描工作開始前,先對掃描拱體周圍進行勘察,確定拱體周圍的遮擋物及內部空間情況。然后,在拱體內部張貼標靶紙,利用放樣機器人測出每個標靶紙的三維坐標,作為后期點云與BIM模型的擬合點(見圖13)。

為保證掃描的點云模型生成后,能與BIM模型在同一個坐標系內,通過標靶球作為公用識別點,保證對任意測站點至少有 3 個標靶與其通視。不同平面的標靶球能夠在多站進行自動拼接,并提供三維空間坐標信息(見圖14)。

待儀器架好后,對架設站點進行最大范圍掃描,避免死角,并對儀器進行調平,保證后期點云模型的水平對正,由于5號拱為較小拱體,因此掃描模式設置為室內10m(見圖15)。

掃描過程持續5~9min不等,整個5號拱的掃描工作,包括搬運、標靶紙張貼、標靶球設定,共持續3h(見圖16)。

用掃描儀對已完成的雙曲面結構進行三維掃描,在Trimble Realworks中自動將多站點云模型進行拼接調整,將得到的完整拱體點云模型與BIM模型疊合,生成了實測實量色塊偏差圖(見圖17)。該過程在高配的工作站不間斷運行情況下,持續1d即可完成,可快速全面地獲得實測實量結果,并出具準確度報告,極大地提高了實測實量效率。

截至目前,御窯博物館結構主體、拱體窯磚砌筑和干掛已全部完工,8個拱體建筑初露端倪,正在進行拱內機電安裝和幕墻工程以及配套修繕工程的施工(見圖18)。景德鎮御窯博物館建成后將成為景德鎮對話世界的新名片,復興千年古鎮、重塑世界瓷都的新地標。

 

4  結語

智慧建造在基于BIM技術的基礎上,實現建造過程的智慧化,各方主體協同工作,信息數據有效共享,企業管理精細科學,建造模式集約高效。相對傳統施工方式而言,智慧建造利用BIM 模型,將建筑、結構、機電等各專業協同在一起,對發現的問題及時溝通、解決,實現各專業無縫對接。在智能建造的理想情況下,云技術的溝通協同軟件平臺,充分利用移動端、云端和計算機終端的數據聯合,快速搜集、處理并自動儲存和梳理在項目實施過程中的所有信息,節省大量人力,不僅能提前進行技術風險預判模擬,還能大大提升技術信息傳遞效率。同時,各種智能設備的普及,使施工精度及效率得到提升,改變了傳統建筑業憑借經驗、技巧和密集勞動進行生產的老舊模式。

伴隨著中國特色社會主義進入新時代,在新環境下,建筑企業只有不斷轉變生產方式、堅持技術創新、持續信息化建設,突破以往傳統管理技術手段的瓶頸,才能在競爭中加速變革,在變革中提升優勢。

 

 

 

 

 

 

文/中建一局華江建設有限公司 萬仁威 張 東 韓 陽 呂小龍

                                           中國建筑一局(集團)有限公司華北公司 肖曉嬌 

 

 

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