建筑幕墻智能制造技術應用

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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(BIM技術、紅外激光掃描技術、虛擬現實技術、建筑機器人、監測機器人)在設計、加工、實施過程中的應用展開分析，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。

關鍵詞：幕墻;智能制造技術;BIM技術;虛擬現實技術;建筑機器人

1建筑幕墻與智能制造技術

1．1建筑幕墻的發展現狀

隨著國內經濟的發展，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了各種各樣的問題。設計難度的加大，異形過多導致生產效率的降低、加工精度的不可控、節能環保的控制，安裝過程中的安全隱患，使用過程中的維護與監測等，都成為了制約建筑幕墻發展的關鍵性因素。

1．2智能制造技術的發展現狀

目前國內外對智能制造技術［1］的定義尚未明確。但說起智能制造技術就離不開人工智能，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。智能制造技術包括智能設計、智能加工、智能安裝、智能監測等幾大類。其中BIM技術、紅外激光掃描技術、虛擬現實技術、建筑機器人、監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相結合

當建筑幕墻采用智能制造技術時，很多疑難問題便迎刃而解。BIM技術的介入，能夠在設計過程中不斷對外觀效果進行優化的同時，更加直觀地考慮到后期安裝產生的碰撞問題，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路三段交界口處，總建筑面積約1．15×104m2，地上5層，局部設置地下室1層，建筑最高高度49．500m(鋼結構罩棚頂)。其建設核心為主舞臺，主舞臺建筑外形如“一只展翅高飛的鳳凰”，罩棚鋼結構平面呈“月牙形”，造型弧線優美，實現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、立面弧形玻璃幕墻系統，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點都是變值。大型復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設計階段中的智能設計

3．1BIM技術應用的確定

本項目幕墻主要有屋面魚鱗疊加鋁單板+TPO防水系統、立面四棱錐雙曲鋁單板幕墻系統、雙曲拱梁檐口鋁單板系統、弧形玻璃幕墻+鋁單板造型飄帶系統。雙曲面隔音墻系統，共計約27000m2;外立面幕墻均為雙曲面造型新穎獨特，其設計形式為超限設計、項目造型多為雙曲面。在國內為頂級水平，屬于特殊復雜幕墻系統，為此我們將智BIM技術引入本項目。

3．2設計優化過程

為了滿足將建筑外立面造型和使用功能，應用Rhino和Grasshopper軟件進行設計階段參數化協同設計，將此作為設計的初步資料提供給結構專業進行進一步分析，并在與結構專業的配合中不斷優化建筑形態。運用Dynamo進行合理排版，依照施工原則，通過軟件控制每塊板到鋼結構檁條距離相等、翹起程度相等、與安裝位置對齊，來生成參數化模型，將復雜雙曲面，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格結構主體上，形似鳳凰的羽毛，經過參數化的控制調整，將幕墻板塊擬合成盡量少的規格，使其既能實現復雜造型的要求，又有利于降低加工成本(圖3)。在幕墻設計三維模型基礎上，對屋面魚鱗狀鋁板和四棱錐鋁板幕墻進行深化設計，尤其是幕墻板塊連接經過兩次深化為萬向調節轉盤，保證了四棱錐鋁板幕墻的安裝和調節，起到了很好的效果(圖4)。最后通過設計BIM模型直接生成平立剖面圖、軸測圖、坐標表、曲面及曲線方程等，將模型和圖紙向施工階段流轉。

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構高度都在變化。這就導致現場加工數據采集量及加工參數龐大。該項目采用以下智能加工技術攻克。(1)運用紅外線三維掃描技術對整個結構進行掃描，得到每個點位的精確定位，相對傳統點位定位，大大提高了效率與精度(圖5)。(2)鋁板的加工運用BIM技術，通過Revit參數化鋁板模型導入Rhino(犀牛)軟件中，通過GH插件導出各塊鋁板及基材的空間參數，精確控制尺寸等一系列空間定位參數，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系統的應用，為生產計劃管理、生產材料人員調度管理、庫存管理、產品質量把控、設備監測與維修管理、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。(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入加工中心，自動按圖紙進行裁板，精確度高，工作效率高。

5樣板加工階段中的智能安裝

5．1虛擬現實技術的應用

隨著人們意識到提高，虛擬現實(VR)技術［3］得到了社會各界的認可，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。采用虛擬現實技術模擬金屬幕墻及屋面樣板加工，對安裝工作人員進行交底，使得原本復雜特殊工藝流程，變得更加直觀易懂。減少了交底時間的同時，加深了對工程認識，起到了事半功倍的作用(圖7)。

5．2BIM技術的應用

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技術對幕墻每個定位節點進行三維模擬定位，通過BIM技術對鋼結構網架進行數據提取，建立雙曲面模型，指導現場定位工作，提高其準確性和工作效率。同時使用企業BIM平臺上傳模型，將計劃進度與實際進度和模型相關聯，生成進度模擬動畫，實時監控現場施工進度情況。及時進行動態糾偏，確保進度正常進行。項目管理人員通過企業BIM平臺發起整改協作，對現場危險源進行有效地控制，形成完整閉合。在企業BIM平臺上對所有協同事件進行統計，安全質量隱患共發起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