大型主題樂園的綠色智慧建造關(guān)鍵技術(shù)

歸豪域 上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司高級工程師

大型主題樂園樂園是指集休閑、娛樂、展示、餐飲等多功能，建筑外表皮呈現(xiàn)多種高逼真仿真材料，并帶有鮮明故事情節(jié)與主題的文創(chuàng)建筑群。它的設(shè)計(jì)采用非線性的思維方式，建筑物表面形制多采用波浪形不規(guī)則曲線、多曲面組合等要素，建筑空間起伏交錯(cuò)，建筑層次明顯，且空間結(jié)構(gòu)多呈異形結(jié)構(gòu)體，排列極其不規(guī)則，帶有強(qiáng)烈的視覺沖擊與沉浸式空間感。

但傳統(tǒng)建筑裝飾工程施工工藝無法滿足其構(gòu)件的多樣性、個(gè)性化、藝術(shù)性，因此采用智能化的數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)、三維定位與高精度打印技術(shù)、高逼真主題抹灰技術(shù)、藝術(shù)上色工藝、智能化數(shù)字資產(chǎn)運(yùn)維等技術(shù)來全方位解決大型主題樂園室內(nèi)外高逼真仿真效果、多專業(yè)協(xié)調(diào)管控與日后的系統(tǒng)維護(hù)。

目前，國內(nèi)尚未形成完善的大型主題樂園智能化藝術(shù)建造技術(shù)體系，本論文的論點(diǎn)將以上海迪士尼夢幻城堡，這座國內(nèi)首座真正意義上的大型主題建筑的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為論述背景，首次將行業(yè)內(nèi)前沿的智能建造技術(shù)做集中梳理，供各位同行借鑒。

為滿足上海迪士尼夢幻城堡的主題要求，必須采用傳統(tǒng)手工制作藝術(shù)構(gòu)件，因?yàn)槭止ぷ鳂I(yè)能夠生動(dòng)細(xì)膩、栩栩如生地體現(xiàn)高仿真效果，最大程度地滿足設(shè)計(jì)要求。但是手工作業(yè)工序繁復(fù)、耗時(shí)耗力，對質(zhì)量管理者要求極高，且完成效果完全依賴于人工，這種高度的依賴性可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，對項(xiàng)目執(zhí)行非常不利。因此，亟需尋找更智能高效的方法解決此行業(yè)難題。項(xiàng)目組通過無數(shù)次調(diào)研、實(shí)踐、數(shù)據(jù)對比，最終實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目模型高精度的控制、通過人工智能加工代替工人手工作業(yè)，引入三維掃描、三維打印、三維CNC 雕刻技術(shù)，自主研發(fā)了直塑機(jī)器人，高效完成了建造任務(wù)。

1 基于藝術(shù)造型構(gòu)筑物的三維精確定位與掃描技術(shù)

1.1 三維精確定位與掃描技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

三維精確定位與掃描技術(shù)適用于復(fù)雜裝飾構(gòu)件，裝飾藝術(shù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲線與曲面交替，空間錯(cuò)落有致，在傳統(tǒng)測量工具精度無法滿足精度的前提下應(yīng)用此技術(shù)更為合適。

1.2 三維精確定位與掃描技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)原理與方法

三維激光掃描技術(shù)以激光測距技術(shù)為基礎(chǔ)，通過獲取儀器發(fā)射的激光脈沖反射回來的時(shí)間確定距離信息，從而確定掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)定的掃描范圍，對空間以一定的取樣密度獲取不同點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過傳動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng)對物體進(jìn)行全方位掃描，獲得物體的全部空間信息[1]。掃描分為多個(gè)站，最后將不同掃描站的點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接起來得到完整的模型數(shù)據(jù)，為此，在建筑四周放置便于三維激光掃描儀識別的同名控制點(diǎn)，同名控制點(diǎn)布設(shè)是否合理將直接決定點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

通過對掃描所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖進(jìn)行建模，能夠得到構(gòu)件的精確模型。在建模之前必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，三維激光掃描儀獲取的原始數(shù)據(jù)為一系列離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，它們記錄了測量物體表面離散點(diǎn)的空間信息和某些物理參量，其信息量很大。它不僅儲存了物體的空間信息，還包括強(qiáng)度信息及顏色灰度信息等，一般為便于后期處理，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中冗余的無用數(shù)據(jù)刪除，減少數(shù)據(jù)量[2]。

利用云數(shù)據(jù)建模之前需要進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，使其在同一坐標(biāo)之下。三維激光掃描技術(shù)掃描全面、超距離、精度高、效率高，繪制現(xiàn)狀圖準(zhǔn)確，內(nèi)容反映全面，通過三維激光設(shè)備的使用，測量工作者對異形構(gòu)件真正做到了全方位的信息收集，測繪速度與精度均大大提高，這些也保證了智能加工的進(jìn)行。

2 基于復(fù)雜藝術(shù)類裝飾構(gòu)件的高精度三維打印技術(shù)

2.1 高精度三維打印技術(shù)的應(yīng)用原理

三維打印機(jī)從實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字模型到材料添加點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，將虛擬與現(xiàn)實(shí)迅速連接，是一種快速制造技術(shù)。目前，由于三維打印技術(shù)的諸多優(yōu)越性，被普遍認(rèn)為是未來工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向。項(xiàng)目組采用了高精確度的數(shù)字化建模技術(shù)，可以直接打印產(chǎn)品，大大提高了效率的同時(shí)，保證了設(shè)計(jì)效果與工藝質(zhì)量。采用直接打印模具與產(chǎn)品的方式，能夠?qū)a(chǎn)品模具包括其支撐全部打印，有效地避免了模具在拆模過程中造成的損壞，可重復(fù)使用，減少了反復(fù)加工模具的次數(shù)。

2.2 全數(shù)字化的智能高精度三維測量及逆向建模技術(shù)

突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，應(yīng)用三維掃描設(shè)備高精度地重建建筑實(shí)物數(shù)據(jù)。通過快速的三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，精度高、速度快的特點(diǎn)。其掃描生成的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)等各種后處理工作。通過數(shù)字化的測量方式有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效利用，為后續(xù)項(xiàng)目的后續(xù)數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能化加工制造的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

3 基于大型主題樂園全過程數(shù)字資產(chǎn)管控技術(shù)

3.1 數(shù)字資產(chǎn)全過程管控技術(shù)應(yīng)用范圍

上海迪士尼夢幻城堡的室內(nèi)外立面上，有著一萬多件造型精美的藝術(shù)構(gòu)件。涉及到制作周期與運(yùn)輸?shù)榷嘀貕毫Γ舨捎脗鹘y(tǒng)人工管理模式，存在資料冗長繁雜、查詢速度緩慢、無法自動(dòng)進(jìn)行對比計(jì)算等缺陷，無法滿足大型公共場所對于藝術(shù)構(gòu)件從計(jì)劃到生產(chǎn)再到運(yùn)營維護(hù)的全過程管理。因此項(xiàng)目組采用了全過程數(shù)字資產(chǎn)管控技術(shù)，數(shù)字管理來快速了解藝術(shù)構(gòu)件的生產(chǎn)狀態(tài)；有序安排現(xiàn)場堆放場地和工廠倉庫的利用；合理協(xié)調(diào)藝術(shù)構(gòu)件廠家生產(chǎn)進(jìn)度與現(xiàn)場安裝進(jìn)度之間的關(guān)系；科學(xué)分析藝術(shù)構(gòu)件安裝效率和安裝質(zhì)量；提供維護(hù)運(yùn)營階段藝術(shù)構(gòu)件的相關(guān)信息。

3.2 數(shù)字資產(chǎn)全過程管控技術(shù)應(yīng)用意義

采用數(shù)字資產(chǎn)全過程管控在上海迪士尼夢幻世界裝飾工程中具有以下重要意義。（1）數(shù)字資產(chǎn)保存產(chǎn)品信息全面，大幅度減少傳統(tǒng)儲存厚重繁雜的紙質(zhì)版的信息保存方式，大大降低了資料保管的難度和工作量，也更便于查詢和了解。（2）全面掌握產(chǎn)品狀態(tài)，對超出計(jì)劃的產(chǎn)品進(jìn)行及時(shí)的跟蹤和處理。（3）實(shí)現(xiàn)物料信息、庫存信息共享，信息傳遞實(shí)時(shí)，便于部門協(xié)調(diào)配合，也能科學(xué)安排生產(chǎn)效率、安裝效率，合理協(xié)調(diào)各級倉庫庫存。（4）提高工作效率，降低管理成本，縮短生產(chǎn)和安裝工期。（5）提高工程管理水平，保證工程質(zhì)量。（6）快捷方便的找到維修所需信息，減少運(yùn)營維護(hù)成本。

3.3 數(shù)字資產(chǎn)全過程管控技術(shù)應(yīng)用效果

通過使用該系統(tǒng)能夠達(dá)到藝術(shù)構(gòu)件加工數(shù)字管理的效果主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）通過軟件能在PC 端查閱相關(guān)構(gòu)件的信息（如編號、照片/圖紙等）。（2）通過軟件能在PC 端迅速了解某個(gè)產(chǎn)品當(dāng)前的狀態(tài)。（3）通過軟件能在PC 端查詢?nèi)我鈧}庫或處于某一狀態(tài)（如已安裝完成）的產(chǎn)品數(shù)量。（4）通過軟件可以進(jìn)行任何一個(gè)產(chǎn)品的計(jì)劃時(shí)間與實(shí)際耗費(fèi)時(shí)間的對比，并對超過計(jì)劃時(shí)間較久的產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)提醒功能。（5）使用手機(jī)APP 能夠進(jìn)行二維碼掃描、信息查詢和信息錄入功能。

3.4 建筑藝術(shù)裝飾構(gòu)件數(shù)字化信息分類技術(shù)

3.4.1 二維碼物流信息錄入技術(shù)

二維碼信息為粘貼在產(chǎn)品包裝顯眼處的標(biāo)簽和二維碼所表達(dá)的信息。應(yīng)包含產(chǎn)品編號、下單編號、產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品類型、圖紙編號、應(yīng)用單體等。

3.4.2 多品類材料信息錄入技術(shù)

材料信息為錄入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存的所需的材料信息。在產(chǎn)品生產(chǎn)之前根據(jù)深化圖紙盡可能收集產(chǎn)品編號、尺寸、類型、略圖、產(chǎn)品數(shù)量、圖紙編號、三維圖或照片、使用單體、下單編號、母模數(shù)量及保管地、模具數(shù)量及保管地等信息，并在其導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，以備管理材料進(jìn)出各級倉庫之用。

3.4.3 下單信息錄入技術(shù)

下單信息應(yīng)包括下單編號、下單時(shí)間、產(chǎn)品編號、產(chǎn)品數(shù)量、下單人。

3.4.4 計(jì)劃信息錄入技術(shù)

計(jì)劃信息為下單時(shí)間、廠家入庫時(shí)間、現(xiàn)場入庫時(shí)間、領(lǐng)用出庫時(shí)間、安裝完成時(shí)間、安裝驗(yàn)收時(shí)間等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的計(jì)劃時(shí)間[3]。并將其與實(shí)際時(shí)間進(jìn)行對比，以檢查、督促、調(diào)整實(shí)際生產(chǎn)和安裝計(jì)劃。

4 基于大型主題樂園高逼真藝術(shù)飾面與構(gòu)件的三維雕刻技術(shù)

4.1 三維雕刻技術(shù)原理

雕刻與打印是兩個(gè)目的相同，方法卻截然不同的快速制造方法。雕刻是將材料中多余的部分去除，是精簡的過程；打印是從零開始，逐層疊加制作出構(gòu)件，是一個(gè)不斷累積的過程。三維CNC 雕刻技術(shù)是一種將傳統(tǒng)雕刻技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)控加工中的自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它既秉承了傳統(tǒng)雕刻細(xì)膩生動(dòng)、靈活自如的特點(diǎn)， 同時(shí)又兼具自動(dòng)化的智能和精確性。目前，使用 CNC 雕刻技術(shù)和 CNC雕刻機(jī)已經(jīng)成為雕刻行業(yè)的一種潮流。

4.2 三維雕刻技術(shù)特點(diǎn)

CNC 雕刻以“等量切削”技術(shù)為核心，主要目標(biāo)是提高雕刻效率和雕刻精度，減少小刀具的磨損率，在實(shí)際加工中的表現(xiàn)為“ 高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、小進(jìn)給、勻切削、高效率”。它有如下特點(diǎn)。

尺寸小、專業(yè)性強(qiáng)：CNC 雕刻對象的特點(diǎn)是圖案復(fù)雜、細(xì)節(jié)表現(xiàn)生動(dòng)，多為異形結(jié)構(gòu)體。要實(shí)現(xiàn)這樣的加工要求,則必須使用小尺寸的刀具作為基本加工刀具, 在很多情況下, CNC 雕刻機(jī)使用的雕刻刀具刀尖直徑不足 0.5 mm 甚至到0.1 mm 以下。使用小刀具進(jìn)行精細(xì)雕刻是 CNC 雕刻的一個(gè)最基本的特征,刀具是保證 CNC 雕刻成品精細(xì)和加工效率高的最為關(guān)鍵因素之一[4]。

高精度、高轉(zhuǎn)速：由于 CNC 雕刻使用小尺寸的刀具銑削加工, 所用刀具的直徑小, 加工中為保證刀具的切削線速度和切削能力, 勢必要提高刀具的旋轉(zhuǎn)速度,使用具有高轉(zhuǎn)速能力的主軸電機(jī)。主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度高, 可為小刀具提供高的切削速度, 并確保小刀具在雕刻中能有較好的切削能力。

高效平穩(wěn)：CNC 雕刻控制系統(tǒng)采用了行進(jìn)的微步細(xì)分控制算法, 機(jī)床運(yùn)動(dòng)高速平穩(wěn), 分辨率高, 可達(dá) 0.003 mm/步。另外, 也有部份機(jī)型使用伺服驅(qū)動(dòng)單元,機(jī)床各項(xiàng)性能指標(biāo)又有較大幅度的提高。

4.3 復(fù)雜藝術(shù)構(gòu)件圖形處理及雕刻技術(shù)

處理數(shù)據(jù)圖形文件： CNC 雕刻由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制機(jī)床執(zhí)行部件工作是靠數(shù)值化的加工指令來控制的。也就是說操作人員必須利用專業(yè)的雕刻設(shè)計(jì)軟件，按照雕刻加工的要求，繪制出準(zhǔn)確的尺寸、形狀和位置關(guān)系的雕刻加工數(shù)據(jù)圖形。也可以利用三維掃描和圖片幫助建立模型。對圖形進(jìn)行處理，首先進(jìn)行網(wǎng)格化處理，找出破面，尖角的區(qū)域，再據(jù)網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)進(jìn)行去除釘狀物，填充孔、松弛、平滑處理、減少噪音等處理；最后進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)面、構(gòu)造曲面，最終轉(zhuǎn)出STP 圖形。

生成刀具路徑：CNC 雕刻機(jī)能夠合理準(zhǔn)確地把工件加工出來，靠的是一系列的正確合理的控制指令，這一指令對于精雕機(jī)就是刀具路徑。計(jì)算機(jī)軟件是按照操作員規(guī)劃的工藝和雕刻設(shè)計(jì)圖進(jìn)行刀具路徑計(jì)算的。

五軸雕刻技術(shù)：CNC 雕刻機(jī)是使用刀具進(jìn)行雕刻的，其加工原理是切削加工，雕刻刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算的，這種計(jì)算是建立在刀具尺寸和圖形邊界的基礎(chǔ)上，雕刻加工過程是自動(dòng)化的。雕刻過程中首先進(jìn)行對刀，根據(jù)采用與編程方法，進(jìn)行對刀，然后再進(jìn)行粗加工，大致雕刻出構(gòu)件輪廓，待輪廓雕刻完畢之后再進(jìn)行精細(xì)加工。

5 基于大型主題樂園主題抹灰工藝的“直塑機(jī)器人”仿真塑形技術(shù)

5.1 直塑機(jī)器人工作原理

針對在大型主題樂園工程的主題抹灰中遇到的難點(diǎn)，項(xiàng)目組開發(fā)了適合建筑裝飾行業(yè)的“直塑機(jī)器人”，將機(jī)器人智能系統(tǒng)與噴射技術(shù)相結(jié)合，在基層上垂直分層疊加具有雕塑飾面效果的肌理墻面，全面代替人工進(jìn)行作業(yè)，大量降低人工成本和管理成本，改善施工環(huán)境，有利于環(huán)境保護(hù)。

機(jī)器人的模型信息及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以三維掃描技術(shù)與三維軟件的數(shù)字信息為標(biāo)準(zhǔn)，提高了施工精度，使驗(yàn)收工作有據(jù)可循,機(jī)器人智能化技術(shù)是帶動(dòng)整個(gè)建筑裝飾行業(yè)轉(zhuǎn)型的第一步[5]。

5.2 直塑機(jī)器人控制系統(tǒng)

項(xiàng)目組將研究內(nèi)容分為大型交互軟件平臺、人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、噴涂材料以及噴涂設(shè)備的研究。其中，大型交互軟件平臺的主要功能是實(shí)現(xiàn)BIM、三維掃描云數(shù)據(jù)、sketchup 及其它設(shè)計(jì)軟件與機(jī)器人文件相互轉(zhuǎn)換，各設(shè)計(jì)軟件與機(jī)器人文件的格式已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)換平臺的研究成熟度較高；人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)則是組成機(jī)器人的主要部分，是一般工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，而工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用研究國內(nèi)已初具雛形，因此，開發(fā)直塑機(jī)器人已經(jīng)具有較高的成熟度。

6 結(jié)語

大型主題樂園具有建筑風(fēng)格主題化、建筑空間多樣化、裝飾飾面藝術(shù)化、游藝設(shè)施多元化、戶外生態(tài)景觀綠色化等特性；現(xiàn)階段，我國大型主題樂園項(xiàng)目建造經(jīng)驗(yàn)較少，且相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)程空白，藝術(shù)裝飾工程建造技術(shù)匱乏、沒有成熟的綠色生態(tài)景觀系統(tǒng)、缺乏大型娛樂設(shè)施安裝系統(tǒng)及大型項(xiàng)目一體化管控平臺等行業(yè)技術(shù)問題突出。

為滿足大型主題樂園裝飾效果、安全性等建造要求與綠色智能建造的發(fā)展需求，解決行業(yè)提出的諸多技術(shù)瓶頸。項(xiàng)目組通過多年協(xié)同攻關(guān)，形成了基于大型主題樂園藝術(shù)裝飾建造的核心技術(shù)體系并開展相關(guān)工程實(shí)踐。本套成果在主題樂園及文旅建筑工程的應(yīng)用已成熟且廣泛，項(xiàng)目組在古建筑異地重生項(xiàng)目、老建筑修繕領(lǐng)域也有成功應(yīng)用案例，其行業(yè)推廣價(jià)值廣泛，社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益顯著，為同類建筑領(lǐng)域的藝術(shù)加工與建造技術(shù)提供了有利借鑒與技術(shù)支撐，填補(bǔ)了藝術(shù)裝飾裝修領(lǐng)域建造技術(shù)的行業(yè)空白，為水泥制品替代大量自然資源提供了新思路。