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建筑幕墻智能制造技術(shù)應(yīng)用

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建筑幕墻智能制造技術(shù)應(yīng)用

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(shù)(BIM技術(shù)、紅外激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建筑機器人、監(jiān)測機器人)在設(shè)計、加工、實施過程中的應(yīng)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(guān)鍵詞:幕墻;智能制造技術(shù);BIM技術(shù);虛擬現(xiàn)實技術(shù);建筑機器人

1建筑幕墻與智能制造技術(shù)

1.1建筑幕墻的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)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(xiàn)了各種各樣的問題。設(shè)計難度的加大,異形過多導致生產(chǎn)效率的降低、加工精度的不可控、節(jié)能環(huán)保的控制,安裝過程中的安全隱患,使用過程中的維護與監(jiān)測等,都成為了制約建筑幕墻發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

1.2智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對智能制造技術(shù)[1]的定義尚未明確。但說起智能制造技術(shù)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(xiàn)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(shù)包括智能設(shè)計、智能加工、智能安裝、智能監(jiān)測等幾大類。其中BIM技術(shù)、紅外激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建筑機器人、監(jiān)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(shù)相結(jié)合

當建筑幕墻采用智能制造技術(shù)時,很多疑難問題便迎刃而解。BIM技術(shù)的介入,能夠在設(shè)計過程中不斷對外觀效果進行優(yōu)化的同時,更加直觀地考慮到后期安裝產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(huán)路三段交界口處,總建筑面積約1.15×104m2,地上5層,局部設(shè)置地下室1層,建筑最高高度49.500m(鋼結(jié)構(gòu)罩棚頂)。其建設(shè)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(jié)構(gòu)平面呈“月牙形”,造型弧線優(yōu)美,實現(xiàn)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(tǒng)、立面弧形玻璃幕墻系統(tǒng),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(fù)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(shè)計階段中的智能設(shè)計

3.1BIM技術(shù)應(yīng)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(tǒng)、立面四棱錐雙曲鋁單板幕墻系統(tǒng)、雙曲拱梁檐口鋁單板系統(tǒng)、弧形玻璃幕墻+鋁單板造型飄帶系統(tǒng)。雙曲面隔音墻系統(tǒng),共計約27000m2;外立面幕墻均為雙曲面造型新穎獨特,其設(shè)計形式為超限設(shè)計、項目造型多為雙曲面。在國內(nèi)為頂級水平,屬于特殊復(fù)雜幕墻系統(tǒng),為此我們將智BIM技術(shù)引入本項目。

3.2設(shè)計優(yōu)化過程

為了滿足將建筑外立面造型和使用功能,應(yīng)用Rhino和Grasshopper軟件進行設(shè)計階段參數(shù)化協(xié)同設(shè)計,將此作為設(shè)計的初步資料提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)進行進一步分析,并在與結(jié)構(gòu)專業(yè)的配合中不斷優(yōu)化建筑形態(tài)。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(jié)構(gòu)檁條距離相等、翹起程度相等、與安裝位置對齊,來生成參數(shù)化模型,將復(fù)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)主體上,形似鳳凰的羽毛,經(jīng)過參數(shù)化的控制調(diào)整,將幕墻板塊擬合成盡量少的規(guī)格,使其既能實現(xiàn)復(fù)雜造型的要求,又有利于降低加工成本(圖3)。在幕墻設(shè)計三維模型基礎(chǔ)上,對屋面魚鱗狀鋁板和四棱錐鋁板幕墻進行深化設(shè)計,尤其是幕墻板塊連接經(jīng)過兩次深化為萬向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤,保證了四棱錐鋁板幕墻的安裝和調(diào)節(jié),起到了很好的效果(圖4)。最后通過設(shè)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(zhuǎn)。

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(tǒng)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(jié)構(gòu)高度都在變化。這就導致現(xiàn)場加工數(shù)據(jù)采集量及加工參數(shù)龐大。該項目采用以下智能加工技術(shù)攻克。(1)運用紅外線三維掃描技術(shù)對整個結(jié)構(gòu)進行掃描,得到每個點位的精確定位,相對傳統(tǒng)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(shù),通過Revit參數(shù)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(shù),精確控制尺寸等一系列空間定位參數(shù),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(tǒng)的應(yīng)用,為生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)材料人員調(diào)度管理、庫存管理、產(chǎn)品質(zhì)量把控、設(shè)備監(jiān)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(yīng)。(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(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

隨著人們意識到提高,虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)[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(xiàn)實技術(shù)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(fù)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(shù)的應(yīng)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(shù)對幕墻每個定位節(jié)點進行三維模擬定位,通過BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進行數(shù)據(jù)提取,建立雙曲面模型,指導現(xiàn)場定位工作,提高其準確性和工作效率。同時使用企業(yè)BIM平臺上傳模型,將計劃進度與實際進度和模型相關(guān)聯(lián),生成進度模擬動畫,實時監(jiān)控現(xiàn)場施工進度情況。及時進行動態(tài)糾偏,確保進度正常進行。項目管理人員通過企業(yè)BIM平臺發(fā)起整改協(xié)作,對現(xiàn)場危險源進行有效地控制,形成完整閉合。在企業(yè)BIM平臺上對所有協(xié)同事件進行統(tǒng)計,安全質(zhì)量隱患共發(fā)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