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  • 论文摘要

     

    智慧建造,是依靠IT技术、云技术、新型建造设备等资源,降低重复人工劳动,使建造过程处于智能技术的精准控制下,实现人力难以达到甚至无法达到的高效建造模式。在江西省景德镇御窑博物馆项目中,中建一局团队利用Hololens全息眼镜、三维放样机器人以及三维激光扫描仪等智能建造设备,整合优化,形成一套质量控制全过程解决方案。

     

     

    1 前言

    目前,国内建筑施工行业BIM技术日渐普及,尤其是在一些大型龙头企业,工程师们已经可以熟练掌握BIM技术,能够对施工内容提前进行模拟分析、风险预判等。在智慧建造过程中,提前利用BIM模型进行设计、优化、预判,并及时规避风险,完成构件预制加工图纸和节点模型,大大推进了建筑产业现代化。

    通过云平台、物联网技术对构件进行安装跟踪、节点监控,提升多方监管效率,减少因设计或施工误差产生的资源浪费,有效节省人力、物力和时间成本,实现绿色建造??⒐ぱ槭战锥?,利用三维扫描技术、实景建模等智能技术,快速对已完成建筑进行复核(包括各种异形结构),所搭建和积累的模型及数据,能对接后续的运维管理,实现生态建造。

     

    2 智慧建造

    智慧建造包含两个要素:软件和硬件。一方面,国内软件厂商正在自行研发适应国内项目情况的智能化解决方案;另一方面,国外的软硬件厂商也凭借先进的技术抢占国内市场,但目前也并未形成完善的智慧建造应用流程和评价标准。

    现阶段,施工行业中智慧建造的实施还主要集中在高大精尖的重点项目,而这些新技术应用的定位更多是探索研究,从其投入成本更多地被计入科技研发项目,而不是项目措施费就能看出。目前,智慧建造技术还处在各企业研究阶段,相对于追求应用效果,更侧重于新技术的尝试和经验总结。

    由于建筑行业在过去几十年间处于传统的手工作业阶段,随着国内经济、IT、工业化技术的急速发展,建筑业属于较晚跟上信息化潮流的行业,智慧建造的发展还处于初步探索阶段,距离能够成熟地利用各种技术来对施工进行全方位的智能建造还有很长距离。但是,随着进入施工领域的从业人员素质越来越高,市场环境越来越蓬勃,智慧建造对企业的市场品牌影响力有目共睹,智慧建造将成为各大施工企业争相抢占的技术鳌头。

     

    3 工程应用

    景德镇御窑博物馆位于江西省景德镇市珠山区御窑厂遗址周边,于2016年正式开工,建筑面积10400m2(见图1)。御窑博物馆主体取用了御窑的拱形元素,通过8个体量、高度、朝向、双曲率等均不同的单拱体组合而成,地下局部2层,双曲面拱体结构从地下1层升起,最高点为9m,整个结构体系半藏于地下。

    项目团队通过BIM技术结合智能设备,不仅改变了深化模型交底的方式,提高了信息传递效率,还将异形BIM带入了施工现场和实测实量工作中,提升了异形结构施工效率,保证了施工质量。

    针对双曲面异形结构独特的施工要求,项目部根据施工流程节点,将Hololens全息眼镜、三维放样机器人及三维激光扫描仪分别运用于施工的前期模型交底、中期施工控制、后期实测实量阶段(见图2)。

     

    3.1 模型深化

    1)结构  主要利用设计方提供的犀牛模型,通过3Dmax和Sketchup软件的互导,得到dwg格式文件,再导入Revit中建立双曲面拱体模型,结合机电模型,在Revit中进行碰撞综合,修改得到结构深化模型(见图3)。

    2)机电  由于项目结构异形,机电管线在拱体和弧形幕墙龙骨间的安装是难点,基于Revit的MEP板块,结合二次开发插件,进行机电专业深化工作,建立了包含支吊架在内的LOD350深化模型,用以指导施工(见图4)。

    3)窑砖、幕墙节点  本工程包含全球首创的干挂窑砖幕墙体系,因结构的多曲率龙骨和干挂工艺难以用二维设计进行深化工作,项目部采用犀牛和Revit进行三维节点深化,指导窑砖和幕墙的生产及安装(见图5)。

    4)滑轨式可调模架体系  现浇多向曲率拱体结构模架体系,在Revit模型中进行节点可视化模拟和优化。

    3.2  MR混合现实技术交底

    在双曲面拱体结构中,拱体本身、幕墙节点以及机电管线因异形空间制约,使传统BIM交底无法将施工节点展示出来,因此,项目团队借助Hololens全息眼镜,精准呈现模型施工做法(见图6)。

    项目团队将深化后的BIM模型,通过Sketchup插件导入Hololens设备之中,然后佩戴Hololens通过“夹取”手势操作,即可将模型呈现在视野里,并通过手势对齐进行尺度、位置及方向的改变,还可进行构件信息读取。

    1)协同交底  项目部专业工程师利用Hololens,将重要的施工BIM节点模型导入设备中,通过电脑同屏功能,将相关技术交底结合文件形式做详细讲解,免去施工分包通过自行想象来施工造成的误差。同时,Hololens的远程协同功能让身处异地的设计师与工程师同步看到模型,通过语音??椴斡虢刑致郏?)。

    2)现场交底  在施工过程中,通过手势操作,将拱体模型、幕墙施工节点模型以及机电支吊架模型调整为1∶1比例,找到模型与现场的重合角点,形成身临其境的模型场景,发现模型贴合不密实的问题,及时反馈给幕墙专业分包进行模型修改(见图8)。

    3.3 放样机器人

    放样机器人实质上是一个能够利用BIM模型进行三维空间放样的智能型全站仪,主要由智能触控手簿、智能全站仪本体、反光棱镜等组成。

    1操作流程  Trimble Realworks

    插件中,通过抓取控制点,生成清单,同模型一并导入手簿中,即可操控机器人进行放线测量工作(见图9)。

    由于放样控制点密集,首先需要编制项目级的放样基点编号列表并确定命名规则。将双曲面拱体BIM模型天宝T.O.P插件处理完成之后,将模型导入放样机器人的手簿中,手簿自动读取三维模型和放样控制点列表。

    在施工现场,使用BIM放样机器人捕捉场地控制点,自动建立现场坐标系。通过手簿选取BIM模型中所需放样点,机器人即发射可见激光射向模型中的指定点位,激光射程在100m内均能满足精度要求。对于单个拱体的任何部位,尤其是拱顶,悬空侧窗等人力无法达到或危险系数较高的地方,都可进行激光放线和测量工作,解决了在二维模式下难以完成的双曲面拱体结构放线难题(见图10,11)。

    为保证拱体混凝土浇筑的表面效果,拱体部分使用特殊双侧覆膜多层板,模板表面反射率较高,经?;岢鱿旨す獠饩辔薹ǚ蠢∈莸那榭?,需不断调整机器人点位,通过改变反射角来避免该情况发生。对比传统放线方式,基于BIM的智能放样机器人可直接读取多曲面拱体三维模型信息,自动存储放样及校核报告,自动化程度高。

    2)效能评估  放线机器人能够导入三维模型,选取模型任意点进行激光(棱镜)放线工作,能够提高异形构造、复杂机电管线定位精度,减少放线工作中的人为操作环节。在放线定位调整校对时,不存在普通全站仪2s的人工误差。综合计算,每100m普通全站仪综合误差在1cm左右,放线机器人仅在5mm之内。此外,因简化了放线流程,放线机器人预计每天能测130点,提高了人工效率。

    3.4 三维激光扫描实测实量

    对于双曲面拱形结构的实测实量技术,目前在行业内尚无可寻的参考方法与规范,以5号拱为例,通过三维扫描技术对拱体进行实测实量(见图12)。在扫描工作开始前,先对扫描拱体周围进行勘察,确定拱体周围的遮挡物及内部空间情况。然后,在拱体内部张贴标靶纸,利用放样机器人测出每个标靶纸的三维坐标,作为后期点云与BIM模型的拟合点(见图13)。

    为保证扫描的点云模型生成后,能与BIM模型在同一个坐标系内,通过标靶球作为公用识别点,保证对任意测站点至少有 3 个标靶与其通视。不同平面的标靶球能够在多站进行自动拼接,并提供三维空间坐标信息(见图14)。

    待仪器架好后,对架设站点进行最大范围扫描,避免死角,并对仪器进行调平,保证后期点云模型的水平对正,由于5号拱为较小拱体,因此扫描模式设置为室内10m(见图15)。

    扫描过程持续5~9min不等,整个5号拱的扫描工作,包括搬运、标靶纸张贴、标靶球设定,共持续3h(见图16)。

    用扫描仪对已完成的双曲面结构进行三维扫描,在Trimble Realworks中自动将多站点云模型进行拼接调整,将得到的完整拱体点云模型与BIM模型叠合,生成了实测实量色块偏差图(见图17)。该过程在高配的工作站不间断运行情况下,持续1d即可完成,可快速全面地获得实测实量结果,并出具准确度报告,极大地提高了实测实量效率。

    截至目前,御窑博物馆结构主体、拱体窑砖砌筑和干挂已全部完工,8个拱体建筑初露端倪,正在进行拱内机电安装和幕墙工程以及配套修缮工程的施工(见图18)。景德镇御窑博物馆建成后将成为景德镇对话世界的新名片,复兴千年古镇、重塑世界瓷都的新地标。

     

    4  结语

    智慧建造在基于BIM技术的基础上,实现建造过程的智慧化,各方主体协同工作,信息数据有效共享,企业管理精细科学,建造模式集约高效。相对传统施工方式而言,智慧建造利用BIM 模型,将建筑、结构、机电等各专业协同在一起,对发现的问题及时沟通、解决,实现各专业无缝对接。在智能建造的理想情况下,云技术的沟通协同软件平台,充分利用移动端、云端和计算机终端的数据联合,快速搜集、处理并自动储存和梳理在项目实施过程中的所有信息,节省大量人力,不仅能提前进行技术风险预判模拟,还能大大提升技术信息传递效率。同时,各种智能设备的普及,使施工精度及效率得到提升,改变了传统建筑业凭借经验、技巧和密集劳动进行生产的老旧模式。

    伴随着中国特色社会主义进入新时代,在新环境下,建筑企业只有不断转变生产方式、坚持技术创新、持续信息化建设,突破以往传统管理技术手段的瓶颈,才能在竞争中加速变革,在变革中提升优势。

     

     

     

     

     

     

    文/中建一局华江建设有限公司 万仁威 张 东 韩 阳 吕小龙

                                               中国建筑一局(集团)有限公司华北公司 肖晓娇 

     

     

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