建筑幕墙智能制造技术应用

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摘要：文章以“成都露天音乐公园项目”为研究载体，在大体量双曲面铝板公共建筑幕墙工程实施过程中，对智能制造技术(BIM技术、红外激光扫描技术、虚拟现实技术、建筑机器人、监测机器人)在设计、加工、实施过程中的应用展开分析，解决此类项目施工难度带来的问题的同时满足了安全、工期、成本上的要求。

关键词：幕墙;智能制造技术;BIM技术;虚拟现实技术;建筑机器人

1建筑幕墙与智能制造技术

1．1建筑幕墙的发展现状

随着国内经济的发展，大体量公共场馆、高层建筑也越来越多，而这些场馆和大厦往往都离不开建筑幕墙的装饰与保护。建筑幕墙在施工过程中也出现了各种各样的问题。设计难度的加大，异形过多导致生产效率的降低、加工精度的不可控、节能环保的控制，安装过程中的安全隐患，使用过程中的维护与监测等，都成为了制约建筑幕墙发展的关键性因素。

1．2智能制造技术的发展现状

目前国内外对智能制造技术［1］的定义尚未明确。但说起智能制造技术就离不开人工智能，人工智能就是通过人类在计算机上的操作以实现智能的目的。在“十三五”期间，我国不断加大对智能制造的投入，同时加大人工智能研究力度。智能制造技术包括智能设计、智能加工、智能安装、智能监测等几大类。其中BIM技术、红外激光扫描技术、虚拟现实技术、建筑机器人、监测机器人是众多实施手段中的几种。

1．3建筑幕墙与智能制造技术相结合

当建筑幕墙采用智能制造技术时，很多疑难问题便迎刃而解。BIM技术的介入，能够在设计过程中不断对外观效果进行优化的同时，更加直观地考虑到后期安装产生的碰撞问题，同时增强安装的可实施性，能够在满足加工精度的同时，提高加工效率。红外线扫描技术能够解决大量空间定位问题，机器人的介入，解决人力投入的同时，提高生产安装效率，降低失误率，减少安全隐患。

2工程概况

成都露天音乐公园项目，位于北星大道与北三环路三段交界口处，总建筑面积约1．15×104m2，地上5层，局部设置地下室1层，建筑最高高度49．500m(钢结构罩棚顶)。其建设核心为主舞台，主舞台建筑外形如“一只展翅高飞的凤凰”，罩棚钢结构平面呈“月牙形”，造型弧线优美，实现幕墙曲面的平滑过渡。主舞台幕墙主要有屋面鱼鳞叠加状铝单板幕墙、立面四棱锥双曲面铝单板幕墙(面积约5500m2)、双曲拱梁檐口铝单板系统、立面弧形玻璃幕墙系统，其中四棱锥铝板幕墙共由1743块，每块板由2块不同尺寸的凸起三角形铝板组合而成，每块尺寸大小、角度及安装定位坐标点都是变值。大型复杂悬挑空间四棱锥铝板幕墙，最高安装高度49．76m，工期紧，加工与安装难度大(图1、图2)。

3设计阶段中的智能设计

3．1BIM技术应用的确定

本项目幕墙主要有屋面鱼鳞叠加铝单板+TPO防水系统、立面四棱锥双曲铝单板幕墙系统、双曲拱梁檐口铝单板系统、弧形玻璃幕墙+铝单板造型飘带系统。双曲面隔音墙系统，共计约27000m2;外立面幕墙均为双曲面造型新颖独特，其设计形式为超限设计、项目造型多为双曲面。在国内为顶级水平，属于特殊复杂幕墙系统，为此我们将智BIM技术引入本项目。

3．2设计优化过程

为了满足将建筑外立面造型和使用功能，应用Rhino和Grasshopper软件进行设计阶段参数化协同设计，将此作为设计的初步资料提供给结构专业进行进一步分析，并在与结构专业的配合中不断优化建筑形态。运用Dynamo进行合理排版，依照施工原则，通过软件控制每块板到钢结构檩条距离相等、翘起程度相等、与安装位置对齐，来生成参数化模型，将复杂双曲面，简化为等大小的，距每个安装檩条相同距离的平板。外立面锥形鳞片幕墙板块直接悬挂在单层网格结构主体上，形似凤凰的羽毛，经过参数化的控制调整，将幕墙板块拟合成尽量少的规格，使其既能实现复杂造型的要求，又有利于降低加工成本(图3)。在幕墙设计三维模型基础上，对屋面鱼鳞状铝板和四棱锥铝板幕墙进行深化设计，尤其是幕墙板块连接经过两次深化为万向调节转盘，保证了四棱锥铝板幕墙的安装和调节，起到了很好的效果(图4)。最后通过设计BIM模型直接生成平立剖面图、轴测图、坐标表、曲面及曲线方程等，将模型和图纸向施工阶段流转。

4材料加工阶段中的智能加工

四棱锥铝板幕墙总体造型为双曲面，共1743块，每块大小、角点定位都是变值，屋面鱼鳞叠加铝板系统由3340块鱼鳞铝板组成，搭接方式为双向瓦片叠加原理式幕墙形式，每块板四个角点距离钢结构高度都在变化。这就导致现场加工数据采集量及加工参数庞大。该项目采用以下智能加工技术攻克。(1)运用红外线三维扫描技术对整个结构进行扫描，得到每个点位的精确定位，相对传统点位定位，大大提高了效率与精度(图5)。(2)铝板的加工运用BIM技术，通过Revit参数化铝板模型导入Rhino(犀牛)软件中，通过GH插件导出各块铝板及基材的空间参数，精确控制尺寸等一系列空间定位参数，形成铝型材、铝单板的加工图及提料单(图6)。(3)加工厂通过MES系统的应用，为生产计划管理、生产材料人员调度管理、库存管理、产品质量把控、设备监测与维修管理、材料采购管理、加工成本控制等方面提供强有的利支持撑，保证了项目材料的及时供应。(4)采用红外线全自动裁板机下料切割;下料时将加工图直接导入加工中心，自动按图纸进行裁板，精确度高，工作效率高。

5样板加工阶段中的智能安装

5．1虚拟现实技术的应用

随着人们意识到提高，虚拟现实(VR)技术［3］得到了社会各界的认可，人们可以通过在虚拟三维世界得到最直观立体的感受，让人有身临其境的感觉。采用虚拟现实技术模拟金属幕墙及屋面样板加工，对安装工作人员进行交底，使得原本复杂特殊工艺流程，变得更加直观易懂。减少了交底时间的同时，加深了对工程认识，起到了事半功倍的作用(图7)。

5．2BIM技术的应用

双曲造型四棱锥铝单板精度控制困难，工作效率低下。采用BIM技术对幕墙每个定位节点进行三维模拟定位，通过BIM技术对钢结构网架进行数据提取，建立双曲面模型，指导现场定位工作，提高其准确性和工作效率。同时使用企业BIM平台上传模型，将计划进度与实际进度和模型相关联，生成进度模拟动画，实时监控现场施工进度情况。及时进行动态纠偏，确保进度正常进行。项目管理人员通过企业BIM平台发起整改协作，对现场危险源进行有效地控制，形成完整闭合。在企业BIM平台上对所有协同事件进行统计，安全质量隐患共发起382条，整改率100%。

作者:付增龙 张九华 单位:五冶集团装饰工程有限公司