李 佳
上海市建筑装饰工程集团有限公司 上海 200072
1.1 技术背景
大型公共建筑空间类型广泛，建筑空间复杂，其装饰建造具有构配件复杂、饰面材质丰富、安装精度要求高等特点。随着我国城市化进程的推进，我国大型公共建筑装饰建造技术发展迅速，但依然存在工程体量大、工期时间紧、人工作业多、现场安装质量取决于工人技术水平等问题。目前，国内公共建筑装饰仍处于全产业链集成度相对较低的水平，缺乏相对成熟的数字化融合工业化建造协同体系。
近年来，大型公共建筑装饰建造工期越来越短、档次越来越高，其建造发展模式从以传统手工作业为主逐步过渡为以工业化制造、装配化安装为主的智能化、机械化建造模式。通过数字化技术在装饰工程领域的融合应用，借助BIM技术、三维扫描、AR/VR/MR、物联网等前沿技术手段，可以有效促进设计、加工、安装、验收等施工全过程的效能提升，同时，积极改善施工作业形态，减轻劳动强度，尽可能多地减少人工繁杂作业。
因此，采用数字化手段赋能传统装饰建造，开展适用于大型公共建筑的精细化建造与管控技术研究和工程应用，对于提高大型公共建筑装饰建造质量水平、提升建造速度、降低人工劳动强度，实现施工的高效化、工艺的精细化、工程的品质化和管理的信息化，引领建筑装饰行业向数字化和工业化融合发展方向升级转型具有重要的实际意义[1-8]。
1.2 项目依托
研究依托上海中心城区某历史保留建筑综合改造室内功能提升项目。项目原1、2、3号仓库现今改造成新的集会议、展览、休闲于一体的综合类建筑。室内打造成具有国际会议、公共文化展览等多功能性空间，主要涉及的重要空间有主会场、宴会厅、多功能厅、迎宾厅、会见厅以及峰会厅等。
依托于该项目，基于精细化建造和短周期建造的发展需求，针对大型公共建筑饰面造型复杂、贵重材料繁多的特点，为应对150 d如期竣工工期紧、51 070 m2装饰面积工程体量大、材料运输难度大等重、难点问题，采用数字化融合工业化的手段，对大型公共建筑异形复杂饰面全过程精细化建造及管控技术进行研究与工程应用。
2.1 基于无人机航拍的外墙无接触查勘技术
既有建筑现场勘查工作体量大、难度高，外立面情况复杂，需精准选择修缮工艺，并且项目位于路况复杂地段，施工措施安全性要求进一步升级。
为应对外立面保护性修缮的要求，通过无人机航拍对大楼进行无接触式的勘查，对一些构造复杂的部位、人工无法拍摄的视角拍摄高清照片，降低人工勘查的成本，提高勘查阶段的效率。
基于倾斜摄影技术对建筑外立面进行360°全方位航拍，为项目提供全面的可视化资料，具体反映项目和周边建筑群的全貌。
基于无人机勘查影像完成720°全景的制作，通过网页平台完成外立面轻量化可交互模型的快速重构，采用720°全景快速重构的外立面模型传达的外立面信息具有完整性和连贯性，采用瓦片式加载模式的轻量化模型也可减少数据存储压力（图1）。
图1 全景模型
2.2 基于三维扫描的室内高大空间实景复原技术
考虑到室内超大空间和复杂空间数据测量存在测量困难、误差大、耗时耗力等难点，针对项目现场大空间和复杂空间两种类型的测量工作，使用三维激光扫描技术进行现场实测扫描，对面积超2 000 m2的复杂大空间运用三维扫描技术进行测量，8 h完成高效率、高精度实景复原。对获取的数据进行整理和分析，为装饰深化设计提供精确、全面数据。整合BIM深化模型与三维扫描模型并进行对比、转化和协调，有助于辅助工程质量检查、减少返工。
采用地面架站式三维扫描系统，过程无需借助其他大型辅助设施，如脚手架、爬梯等，实施安全系数也更高（图2）。
图2 室内高大空间三维扫描复原模型
3.1 基于虚拟现实及3D打印的可视化方案设计技术
3.1.1 基于虚拟现实技术的可视化方案设计技术
为了更加直观地了解室内装饰的最终设计效果，对项目的复杂大空间进行虚拟现实场景制作，且虚拟现实制作与BIM实施基本同步，虚拟现实随BIM及深化设计推进而同步推进。图3为主会场星空顶的虚拟现实场景模拟。虚拟现实技术的应用可使项目各方身临其境，直观评估各设计方案、施工方案的特点，灵活调整设计方案，避免决策失误，提高沟通效率，减少因沟通问题产生的返工。
图3 虚拟现实全景图配合设计选型
3.1.2 基于3D打印技术的可视化方案设计技术
在深化设计阶段，通过3D打印技术在实体层面上帮助设计进行方案的比选工作，精准的主会场概念模型将模型引入设计方案比选的时间大大提前，通过3D打印实体模型明确地反映出设计存在的问题，重复修改设计迭代直到最终完善为止，调整过后模型效果如图4所示。VR技术结合3D打印技术应用于方案设计阶段，有利于提高设计和施工的质量、降低成本、提高建筑工程效率。
图4 主会场星空顶调整后概念模型
3.2 异形装饰面BIM参数化设计技术
项目主会场设计引入了星空的理念，以六边形为单元组成矩阵拟合成一个拱形的穹顶空间，星空顶造型每个六边形大小都是渐变的，且整体还有弧形过渡，对深化设计与制作加工都提出了考验。参数化设计具有精确性与高效率，因此在大空间突破性采用全参数化设计方法，通过对星空顶设计方案中六边形喇叭口造型的研究，对其孔径大小、表面弯曲程度、倾斜程度等变量参数进行控制，将设计结果与程序、算法、参数之间形成联动，原先静态设计的过程转变成动态设计过程，这比搭积木方式的手工建模更具效率、精准、逻辑性。利用可视化编程建模平台，通过对变量参数的调整和程序的适当修改，可以在短时间内生成主会场参数化模型，快速呈现设计效果，使设计师高效地完成设计过程推敲和成果的对比遴选（图5）。
图5 参数化模型修改前后对比
4.1 主材下单数字化
通过主材下单数字化策划，生成高精度的电子文档直接交付厂家进行主材下单，替代现场测量或制模等传统下单方法，实现主材下单数字化。
4.2 数据交互
借助BIM技术，可实现预制构件由参数化设计模型向加工信息模型的数据交互。项目基于参数化模型和数据交互技术，对六边形产品表皮进行自动化批量化编号，同时对每块板块单独生成一个平面加工图纸。自动化的出图方式在保证图纸精度的同时，减少了6 d以上出图时间。通过BIM模型和信息化管理平台实现了由设计到构件工业化生产的信息交互。
4.3 CNC雕刻设备
在构件生产加工阶段，可以充分利用BIM模型进行构件生产场地的模拟，并对接数控加工设备，将产品进行参数展平化设计，即将三维构造展开为二维平面图形，利用模型数据编写加工程序单，导入三轴雕刻机，实现构件数字化、自动化加工。项目会见厅墙面选用国内首见的超大型山水画浮雕木饰面，对木饰面山水画纹理进行高精度模型创建，将模型数据导入数控雕刻机床内，进行微米级点阵雕刻，相比手工雕刻实现压缩加工总时长达4/5。雕刻的数据准确性高，更适合于装饰工程项目大批量运用。峰会厅采用石材-金属复合造型饰面结构轻量化墙体，采用先进的数控设备对石材荒料进行水刀成形切割，可以快速、精准地对石材进行加工，在保障曲面板块的尺寸精度的同时，节省了石材荒料选择时的厚度，在大批量加工时可提高产能以及节约成本。
5.1 基于施工工艺仿真模拟的安装工艺与节点优化技术
项目存在大量大空间高空安装作业，为了解决施工出现的信息传达偏差和进度计划存在的问题，优化施工方案、减少返工和整改并且提高效率，采用工艺仿真模拟技术对重点工程的重难点部位进行安装工艺模拟。
项目完成了宴会厅、主会场、多功能厅的动画模拟，对宴会厅石材柱子的安装方式进行了优化，把原先工作空间狭小的区域通过整体吊装、钢结构承插节点和收口螺栓固定等方式的优化，减少了焊接工作量。
对主会场板块安装方式通过动画模拟进行调整，将原先单元板块螺丝固定方式调整优化为滑动调节方式。
对多功能厅移动轨道通过动画模拟增加滑轮设计，提高了安装的速度，简化了调节难度。
通过可视化施工交底及施工模拟，把传统二维深化图纸的工作提前到模拟阶段，比选安装工艺，提高沟通效率，优化节点构造，模拟现场施工，进而确保了安装工作的顺利开展并避免不必要的返工（图6～图9）。
图6 主会场天花板安装动画模拟
图7 主会场墙板安装动画模拟
图8 宴会厅动画模拟
图9 多功能厅动画模拟
5.2 高精度定位技术辅助安装
对于曲面及异形饰面，相应的平面图纸难以表达构件的定位。为了准确表达构件的定位安装，在项目大空间区域的曲面及异形饰面板块的精准安装中运用全站仪定位测量技术，采用坐标点配合全站仪通过打点方式定位模型，测设点直接跟坐标原点关联，避免过多的标注点与轴线距离的工作。通过提取构件的坐标点信息，通过已知坐标求点来控制龙骨安装角度，实现精准定位。
5.3 增强现实技术辅助安装验收
项目大空间区域多，主会场大空间曲面板块安装定位难，而通过红外线和人工测量的方式对大空间和曲面造型只能做到一个相似形状，借助AR技术进行施工质量检测，其检测结果更加全面、客观，可以用来辅助安装定位和质量检查，为交底和验收环节提供可视化的参考和指导。
为控制大空间装饰面的安装质量，采用AR技术对主会场进行安装质量检查，通过模型导入移动平板电脑，将BIM模型与施工现场1∶1匹配叠加，借助陀螺仪实现现场厘米级定位。如图10所示，采用AR技术，利用手持iPad对项目主会场墙顶一体金属面板基层龙骨及单元安装辅助施工及检测验收，可实时查看完成面效果，误差约为5 mm。
图10 手持iPad现场辅助现场安装验收
5.4 施工全过程延时摄影技术应用
从项目一进场就进行了延时摄影拍摄，从项目的开始至结束全过程，记录下每个关键场馆的施工过程、重要空间的安装工序、重难点部位的安装过程和安装方法，包括外立面墙面施工拍摄、1#楼会见厅超大板块雕刻木皮金属复合饰面制作及安装拍摄、1#楼峰会厅多边形复合饰面制作及安装拍摄、2#楼主会场吊顶安装拍摄、2#楼宴会厅墙面刺绣硬包及柱体石材安装拍摄、3#楼多功能厅墙面及暗门安装及施工拍摄、3#楼小展厅锥体抹灰施工工艺拍摄等。通过几分钟的视频快速呈现从基础设施的搭建到最终饰面的安装过程，为后续工艺复盘、改造追溯、宣传展示提供重要资料。
6.1 参数化标准节点数据库研发与应用
当项目进入深化设计工作时，经常会遇到个人能力知识孤岛、不同维度信息分散、节点深化缺少规范标准等相关问题。
对此，采用信息化手段，建立一套较完整、可更新、成体系、方便使用的深化设计施工参数化标准节点数据库并进行深入应用，打造装饰工程BIM正向设计技术路线，通过云端管理打破知识孤岛，上传建立知识图谱进行资源共享，提供快速搜索模式让沉淀的模型数据发挥最大价值，汇聚二维图纸和三维模型信息形成多维联动，整体提高装饰工程节点深化效率，促进图纸深化信息化管理。
6.2 基于BIM模型的物联网管控平台研发与应用
为应对项目复杂大空间装配化安装要求，并做到所有构件可装、可拆、可运、可藏、可换，基于BIM＋二维码无线射频技术研发了装饰构配件物流管理平台，对装饰构配件进行信息化溯源管控。从厂家生产的源头开始将由BIM模型导出的编码粘贴至构配件上，产品出库后扫描进入管理平台，从物流储存到现场安装全程进行监控，后续拆除和二次搭建阶段同样运用此管理平台进行管控。通过物联网管理平台辅助装饰主材物流精细化管理，实现构配件生产可控、运输可查、安装可视，使得生产运输过程中的损耗率降低，提升管理效率，进一步促进装饰工程数字化与工业化的深度融合。
在整个项目的建设过程中，运用无人机、三维扫描、可视化、VR、3D打印、CNC雕刻、AR、延时摄影、物联网等技术，将数字化融合到装饰工程建造前期查勘、初步设计、方案策划、深化设计、材料下单、工厂加工、现场安装、质量验收、过程管控等全过程，在装饰节点产品设计过程中，打造了装饰工程从参数化建模、方案比选、深化模型、生成加工图、产品生产、到现场安装的BIM正向设计技术路线，建立了建饰工程大型公共建筑复杂饰面精细化建造及管控体系，并为后续大型公共建筑装饰建造提供了从设计、加工、安装、验收、管控的全过程精细化建造及管控方案。进一步推进了装饰领域数字化与工业化建造的深度交叉融合发展。
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