大型機場航站樓大屋頂裝飾工程數(shù)字化建造技術(shù)

大型機場航站樓大屋頂裝飾工程數(shù)字化建造技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，中國航空航天局提出在“14.25”期間，重點推進民事領(lǐng)域的質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)大型航空樞紐等重要民間工具基礎(chǔ)設(shè)施。大型機場的高質(zhì)高效建設(shè)離不開工程數(shù)字化、信息化等技術(shù)的支撐，而機場航站樓的裝飾工程歷來都是裝飾行業(yè)中技術(shù)要求最高的領(lǐng)域之一?；贐IM技術(shù)進行正向設(shè)計、三維掃描、可視化模擬、數(shù)字化放樣等應(yīng)用已成為此類大型工程實施過程中常用的技術(shù)手段1項目前期測量及驗證考慮到大型機場航站樓大吊頂裝飾施工中普遍存在的重、難點問題，在該類工程中全程采用以BIM模型為基礎(chǔ)的相關(guān)數(shù)字化應(yīng)用。在項目前期，通過三維掃描對既有主體工程進行前期測量并逆向建模，結(jié)合設(shè)計模型進行整合比對；在項目中期，通過參數(shù)化設(shè)計、可視化模擬等數(shù)字化配套技術(shù)，進行深化設(shè)計、技術(shù)交底、下單加工、定位放線、現(xiàn)場安裝、跟蹤檢測、細(xì)節(jié)完善等工作；在項目后期，結(jié)合BIM模型及過程數(shù)據(jù)輔助竣工交付及成本核算。異形裝飾造型全數(shù)字化建造工作流程如圖1所示。2建筑高層建筑和屋頂裝飾的數(shù)字建造應(yīng)應(yīng)用于2.1整體設(shè)計難點分析1）吊頂范圍大，測量難度高。吊頂面積均在3萬m2）異形曲面多，深化設(shè)計難。吊頂均采用異形曲面造型，包含鋁板、蜂窩板、GRG等多種材料。傳統(tǒng)二維CAD深化設(shè)計已無法滿足施工需求，需借助工業(yè)化、數(shù)字化軟件來實現(xiàn)。3）構(gòu)件加工精度要求高。因吊頂均為異形曲面，若構(gòu)件加工精度無法保證，則拼裝時出現(xiàn)的累積誤差將使整個吊頂無法達到設(shè)計效果，從而造成大量返工及經(jīng)濟損失。4）安裝難度高，工期時間緊。機場航站樓吊頂屬超高空間吊頂，標(biāo)高均在10m以上，如此龐大的體量若采用傳統(tǒng)滿堂腳手架施工方案，則會產(chǎn)生巨大的施工成本，并且影響到其他工作面的開展，導(dǎo)致施工界面沖突及工期延長。2.2基于全站儀和三維激光掃描的現(xiàn)場測量北京大興國際機場航站樓（圖2）吊頂最高40m，成都天府國際機場及上海浦東國際機場衛(wèi)星廳吊頂高度也均在15～30m，均屬超高吊頂，無法采用傳統(tǒng)人工測量的方式進行深化設(shè)計前的現(xiàn)場測量。因此，我公司通過便攜式全站儀與三維激光掃描儀相結(jié)合的方式，對航站樓的結(jié)構(gòu)主體進行數(shù)字測繪。先利用全站儀定位采集坐標(biāo)，再用三維掃描儀對現(xiàn)場進行360°全方位數(shù)據(jù)采集，最后通過點云處理軟件，將坐標(biāo)與點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一，拼接成完整的基于真實坐標(biāo)系的點云數(shù)據(jù)模型。在多達2萬～3萬m2.3數(shù)字化模型創(chuàng)建過程將大吊頂現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)進行拼接、消噪、抽稀等后處理工作，形成點云模型后，通過逆向建模將點云模型逆向為實體Revit模型，實現(xiàn)將現(xiàn)場既有建筑還原為1∶1的數(shù)字三維模型。其后所有的裝飾表皮、背負(fù)鋼架、安裝構(gòu)件模型均在此模型基礎(chǔ)上建立。最后將完成的模型與其他專業(yè)模型進行整合，檢查碰撞問題，反饋至各個專業(yè)進行修正，完成裝飾面的二次調(diào)整，如圖3所示。通過數(shù)字化模型的創(chuàng)建，我們得到了與現(xiàn)場一致的孿生模型，這為后續(xù)三維深化設(shè)計工作提供了基礎(chǔ)。大吊頂深化設(shè)計工作主要分為基層骨架排布、安裝方式優(yōu)化、表面分割排板、收口節(jié)點細(xì)化、最后的產(chǎn)品出圖加工等。2.3.1面造型優(yōu)化處理本文所述的三個機場項目其大吊頂表皮都呈現(xiàn)出了流線型的曲面造型，在表皮分割時考慮到板塊的自身加工成本，因此將雙曲面造型簡化為單曲面，同時又要對原設(shè)計的美感進行最大程度的還原。因此，我公司利用Rhino&Grasshopper可視化編程建模平臺，對表皮進行參數(shù)化處理，分析出可進行優(yōu)化的單曲板塊，最后進行分割處理（圖4、圖5）。同時，正因為采用了參數(shù)化設(shè)計，項目工程師可以快速、高效地對表皮分割方式進行自動關(guān)聯(lián)的調(diào)整修改，避免了大量的重復(fù)工作。2.3.2球形節(jié)點位置定位成都天府國際機場（圖6）及北京大興國際機場（圖7）的大吊頂主鋼架由球形節(jié)點連接，由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致龍骨的連接點位必須在球形節(jié)點處布置，我公司基于前述逆向模型對球形節(jié)點的位置進行準(zhǔn)確定位，并且針對龍骨鋼架排布方式開發(fā)了排布腳本進行自動排布，確認(rèn)了每個連接點位的坐標(biāo)，最終正向?qū)С龆S排板布置圖，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。2.3.3大桁架轉(zhuǎn)換層安裝安裝細(xì)節(jié)的把控也是此類工程深化設(shè)計過程中的重點。在北京大興國際機場項目中，我公司采用鋼結(jié)構(gòu)圓盤與轉(zhuǎn)換層框的連接方式（圖8），有別于常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層固定或有向轉(zhuǎn)換節(jié)點的設(shè)計，大吊頂鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層采用轉(zhuǎn)換圓盤，具有更好的方向性，轉(zhuǎn)換層框架可以任意轉(zhuǎn)向并固定在轉(zhuǎn)換圓盤上，滿足吊頂鋁板造型走向不一的要求。通過鋼桁架球體預(yù)設(shè)連接件，制作方管轉(zhuǎn)換層，固定在鋼桁架上，轉(zhuǎn)換層施工完成后，板塊的安裝又回到常規(guī)的掛接龍骨吊頂?shù)淖龇?。為及時發(fā)現(xiàn)并改正預(yù)制構(gòu)件安裝方案中存在的問題，以及達到更好的施工交底效果，我公司基于BIM模型對相關(guān)工藝節(jié)點及連接方式進行仿真分析，通過工藝模擬以驗證節(jié)點設(shè)計的可行性。2.4數(shù)字化加工技術(shù)北京大興國際機場航展樓的大吊頂共由14萬塊漫反射裝飾板組成。我公司基于BIM模型的參數(shù)化腳本控制技術(shù)，在飾面板加工圖的出圖過程中，對面板進行自動化排序、編號、出圖、下單，相較于傳統(tǒng)二維繪制模式，數(shù)字化的加工圖下單方式更符合制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)需求，高效且準(zhǔn)確（圖9）。生產(chǎn)廠家在得到二維加工圖紙及三維BIM模型后，可直接提取模型特征數(shù)據(jù)導(dǎo)入機床，通過五軸聯(lián)動機床，直接對材料進行批量生產(chǎn)。完全工業(yè)化的生產(chǎn)加工模式不僅節(jié)省了出圖時間，更縮短了項目的生產(chǎn)加工周期。2.5拼接坐標(biāo)批量數(shù)據(jù)輸出在裝飾面板安裝定位過程中，我公司在BIM模型中將上萬個連接件的安裝點坐標(biāo)和鋁板拼接坐標(biāo)批量導(dǎo)出，按照相應(yīng)的格式匯總編輯后導(dǎo)入全站儀，即可對現(xiàn)場的安裝坐標(biāo)進行精確放樣，使施工現(xiàn)場可以取消滿堂腳手架的搭設(shè)，只需配合曲臂車等移動式登高設(shè)備進行板塊安裝即可（圖10），在保證安裝效率和精度的同時，降低了施工成本和工期時間。3施工技術(shù)優(yōu)勢在北京大興國際機場、成都天府國際機場以及上海浦東國際機場衛(wèi)星廳航站樓大吊頂裝飾工程的建設(shè)過程中，以BIM模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化建造技術(shù)輔助項目順利實施，通過數(shù)字化場景下的現(xiàn)場測量、設(shè)計、施工、加工、安裝等傳統(tǒng)工作，攻克了現(xiàn)場測量精度與產(chǎn)品加工精度兩大難題，使大吊頂?shù)难b飾施工得以順利進行，形成以下技術(shù)優(yōu)勢：1）數(shù)字化設(shè)計。將三維數(shù)字模型作為連接產(chǎn)品設(shè)計與數(shù)控加工的紐帶，且模型中的數(shù)據(jù)可直接傳遞使用，無需重復(fù)輸入數(shù)據(jù)，減少人為失誤，提升加工效率和精度。2）工業(yè)化生產(chǎn)?；贐IM模型可批量生成精確的加工圖，導(dǎo)入機床直接進行工業(yè)化生產(chǎn)，結(jié)合先進的測量儀器，實現(xiàn)高精度的出圖、生產(chǎn)、安裝，完全還原設(shè)計方案。3）無腳手架施工。通過數(shù)字仿真技術(shù)及先進的輔助安裝機具，摒棄傳統(tǒng)的腳手架施工方案，從而實現(xiàn)對成本的控制和工期的縮減。本文針對復(fù)雜的大型機場航站樓吊