面向再建造的智能建造技術(shù)探索
——“冰立方”冰水轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一體化數(shù)字設(shè)計(jì)與建造策略研究＊

王祥 李洋 周子淇 呂雪源 袁烽 陳蕾

1 研究背景

1.1 裝配式建筑可拆卸設(shè)計(jì)與再建造

建造活動在其全生命周期過程中都不斷產(chǎn)生著資源的消耗和對自然環(huán)境的影響。除直接的材料使用和建造活動帶來的資源消耗外，建筑物的維護(hù)、翻修、拆除等帶來的廢棄物也成為了當(dāng)前建筑活動需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前世界生產(chǎn)和消費(fèi)過程中，高達(dá)40%的廢棄物產(chǎn)生量來源于建造行為，世界范圍內(nèi)20%～35%的負(fù)面環(huán)境因素則來源于這些廢棄物[1]。隨著當(dāng)前我國對環(huán)境問題的關(guān)注以及碳達(dá)峰、碳中和等目標(biāo)的提出，如何從建造、運(yùn)營、維護(hù)和拆卸等全生命周期的視角去建立新的具有適變性的建筑系統(tǒng)，探索更加高效、環(huán)保的綠色建造技術(shù)方法，也成為了當(dāng)前建筑產(chǎn)業(yè)需要關(guān)注的至關(guān)重要的問題。

裝配式建筑的設(shè)計(jì)建造技術(shù)創(chuàng)新是當(dāng)前建筑學(xué)領(lǐng)域的重要前沿方向，也一直以來是我國推廣標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)造節(jié)點(diǎn)、綠色智能建造技術(shù)的重要戰(zhàn)略方向。在建筑生產(chǎn)和建造前期階段，裝配式技術(shù)倡導(dǎo)建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化，將建筑構(gòu)件的制造過程從施工現(xiàn)場轉(zhuǎn)向預(yù)制工廠，同時使現(xiàn)場的施工過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐詷?gòu)件連接為主的裝配過程，很大程度上減少了施工現(xiàn)場作業(yè)的復(fù)雜程度和對環(huán)境的負(fù)面影響，減少了構(gòu)件制造過程中的資源浪費(fèi)，提高了建筑構(gòu)件制造和安裝中的安全率和生產(chǎn)率。然而，從更加廣泛的全生命周期角度，建筑物建成之后的運(yùn)營、維護(hù)與拆除階段對環(huán)境也有著更大的影響。例如，在美國2014 年相關(guān)數(shù)據(jù)中，建造和拆除廢物的年度總量達(dá)到4.84 億t，其中90%以上是拆除過程中產(chǎn)生的碎片[2]。因此，如何進(jìn)一步有效地考慮建筑物的全生命周期利用和更新利用，也成為當(dāng)前裝配式建筑發(fā)展中刻不容緩的問題。

在相關(guān)領(lǐng)域，建筑學(xué)界早在二戰(zhàn)以后已經(jīng)產(chǎn)生了大量思考和嘗試。隨著20世紀(jì)初期對預(yù)制建筑技術(shù)的探索，20世紀(jì)60年代，荷蘭建筑師哈勃勒肯（N.John Habraken）提出了開放式建筑運(yùn)動，提倡個人參與式的靈活建造；同樣在60年代，以日本建筑師丹下健三為代表的建筑師提出新陳代謝理論，并在以黑川紀(jì)章的中銀艙體大廈等大量實(shí)踐項(xiàng)目中進(jìn)行嘗試（圖1）[3]。相關(guān)思想中，首先提及了建筑隨著使用和社會需求的變化應(yīng)產(chǎn)生不同的變化，并可以通過替換得以重新應(yīng)用，因此也為可拆卸式建筑設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的思想奠定了基礎(chǔ)。在2000年后，裝配式建筑和綠色建筑思想開始得到整合。在美國能源與環(huán)境設(shè)計(jì)評價體系（LEED-NC）中，就將“減少建筑物全生命周期的（環(huán)境）影響”單獨(dú)列為評分標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定“歷史建筑再利用”“廢棄建筑再更新”“建筑材料再循環(huán)”為加分選項(xiàng)。

1 中銀艙體大廈中提出的基于模塊化和可拆裝的建筑設(shè)計(jì)及建造方法

隨著相關(guān)理論的發(fā)展，特別是裝配式建筑設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟以及數(shù)字建造技術(shù)的發(fā)展，可拆卸式設(shè)計(jì)（Design for Disassembly）成為當(dāng)前可持續(xù)裝配式建筑研究領(lǐng)域的重要理論?？刹鹦妒皆O(shè)計(jì)以預(yù)制化設(shè)計(jì)為依托，將建筑部配件之間的關(guān)系以“層”的方式進(jìn)行深入剖分，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)模塊化結(jié)構(gòu)體系的建構(gòu)與設(shè)計(jì)方法。同時，針對建造方式，可拆卸性設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場干式裝配的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)從標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)、簡化拆裝步驟、簡化拆裝工具等角度對裝配的過程進(jìn)行優(yōu)化。同樣，面向整個建筑拆裝的過程，可拆卸性設(shè)計(jì)也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)構(gòu)造的適應(yīng)性、可逆性，以及構(gòu)件單元適應(yīng)運(yùn)輸物流等模塊化設(shè)計(jì)方法。盡管如此，可拆卸性設(shè)計(jì)理論往往只關(guān)注于建筑體系的設(shè)計(jì)方法，對于建造技術(shù)本體的研究仍存在一定盲區(qū)。本研究基于這一問題，結(jié)合我國智能制造領(lǐng)域“再制造”等新興概念，試圖探討建筑“再建造”過程中的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)組織方式，重點(diǎn)闡釋相關(guān)的技術(shù)方法在具體項(xiàng)目中的應(yīng)用方式和潛力，并結(jié)合我國科技冬奧智能建造的具體案例展示相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。

1.2 “冰立方”中奧運(yùn)遺產(chǎn)的“水冰轉(zhuǎn)換”

隨著我國“綠色辦奧”和可持續(xù)發(fā)展既有奧運(yùn)場館等指導(dǎo)思想的提出，對現(xiàn)有奧運(yùn)場館設(shè)施的可持續(xù)再利用，以承接新的冬季體育運(yùn)動賽事，也成為了我國科技冬奧戰(zhàn)略在建筑領(lǐng)域的一個特色創(chuàng)新方向。2008年作為奧運(yùn)跳水和游泳比賽場地的“水立方”也成為了世界首座實(shí)現(xiàn)了“水冰轉(zhuǎn)換”，并可在游泳場地和室內(nèi)冰壺場館之間切換的奧運(yùn)場館?！氨⒎健钡乃D(zhuǎn)換方案以可反復(fù)拆裝的離散化鋼結(jié)構(gòu)支撐體系和移動式的制冰系統(tǒng)，與傳統(tǒng)冰壺競賽場地在永久混凝土底板上建造的方式不同，因此也帶來了預(yù)制裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造體系的巨大難題。例如，冰壺運(yùn)動對冰面、光線和空氣環(huán)境都有著十分嚴(yán)苛的要求，因此建造后的冰面必須極其平整，在接近60m×30m的范圍內(nèi)任意兩點(diǎn)的誤差不能超過6mm（±3mm），還要有足夠堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)作為支撐，避免過程中的結(jié)構(gòu)震動。同時，由于場館正在作為后奧運(yùn)的市民游泳活動和訓(xùn)練場館使用，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換改造時間也對整個場館的日常運(yùn)營產(chǎn)生著非常大的影響。在這些基礎(chǔ)之上，如何從“再建造”的角度對結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和建造技術(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，成為了“冰立方”華麗轉(zhuǎn)身背后重要的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)保障（圖2）。

2 “冰立方”智能化冰水轉(zhuǎn)換建造與最終完成的冰壺場館

2 “冰立方”冰水轉(zhuǎn)換可拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思考

2.1 面向可拆卸的裝配式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)制建筑的拆卸是對構(gòu)件連接的反向操作，因此與可拆卸式設(shè)計(jì)相關(guān)的大量研究主要集中在建筑構(gòu)件連接方式的設(shè)計(jì)上。與傳統(tǒng)建筑的拆毀過程不同，可再利用的裝配式建筑的可拆解性很大程度上取決于構(gòu)件連接界面的完整性和獨(dú)立性。在傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)體系、節(jié)點(diǎn)體系和建造技術(shù)中，由于大量現(xiàn)場濕作業(yè)和化學(xué)連接方式等難以呈現(xiàn)較為清晰的構(gòu)件層次和界面，最終一體化的整體結(jié)構(gòu)體系無法實(shí)現(xiàn)二次拆卸和再建造。即使在預(yù)制化程度較高的鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的焊接、鋼和混凝土界面的預(yù)埋筋等構(gòu)造方式也往往帶來難以拆卸的結(jié)果。

針對獨(dú)立拆分問題，可拆卸設(shè)計(jì)體系以快速安裝與無損拆卸為目標(biāo)，明確強(qiáng)調(diào)了干作節(jié)點(diǎn)和施工技術(shù)在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性。同時，除了傳統(tǒng)建筑構(gòu)造體系中已廣泛應(yīng)用干連接的圍護(hù)構(gòu)件之外，結(jié)構(gòu)構(gòu)件中干作連接技術(shù)的適用性也是當(dāng)前可拆卸設(shè)計(jì)體系的重要發(fā)展方向。在相關(guān)的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造和工藝中，鉸接、銷接、螺紋連接、型面連接等機(jī)械連接方式往往能夠提供較強(qiáng)的界面獨(dú)立性和可拆卸性。特別是在由多種材料共同組合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系中，如鋼結(jié)構(gòu)上覆混凝土板的承重結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)有整體性的需求，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造體系往往對整體灌漿澆筑、配筋連接等有較強(qiáng)的依賴。而在新型的可拆卸體系中，可反復(fù)拆卸的構(gòu)件變得小型化、離散化，而結(jié)構(gòu)構(gòu)造則更加復(fù)雜，往往通過組合利用子母接口、螺栓構(gòu)造、拉結(jié)桿件等在多個方向限制結(jié)構(gòu)的位移自由度，從而實(shí)現(xiàn)最終的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和靈活拆卸[4]（圖3）。相比傳統(tǒng)建造方式，研究表明可拆卸式建筑的環(huán)境影響會大大降低，經(jīng)濟(jì)性等方面也有顯著優(yōu)勢。當(dāng)預(yù)制構(gòu)件不可拆卸時，現(xiàn)場施工費(fèi)用相比傳統(tǒng)方式大約高出10%～30%，而使用可拆卸構(gòu)件并重復(fù)使用時，預(yù)制裝配式建筑的施工費(fèi)用相比傳統(tǒng)建筑則會大約節(jié)省5%～20%[5]。

3 “冰立方”智能化冰水轉(zhuǎn)換體系的結(jié)構(gòu)層級拆解設(shè)計(jì)

在“冰立方”的可拆卸裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)體系的主要作用是填平原有的泳池區(qū)域，提供一個可以快速建造的穩(wěn)定基面，快速鋪設(shè)冰面制作所需要的設(shè)備，并最終完成高平整度的比賽用冰面。因此，整體的可拆卸結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成了由薄壁H型鋼和輕質(zhì)混凝土預(yù)制板組成的全預(yù)制系統(tǒng)。考慮到建設(shè)中的運(yùn)輸和搬運(yùn)要求，結(jié)構(gòu)跨度被相對減少，形成了2m×3m為基本模數(shù)單元的結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)。結(jié)構(gòu)體系由結(jié)構(gòu)柱-主梁-次梁-頂板組成的基本單元構(gòu)成，所有構(gòu)件之間由可拆卸的螺栓連接完成，考慮到結(jié)構(gòu)整體剛性，在結(jié)構(gòu)柱間增設(shè)了用于限制橫向位移的水平掃地桿和側(cè)向斜拉桿。同時，為了保障整體結(jié)構(gòu)的最終平整度和精細(xì)調(diào)整的要求，在柱底、鋼結(jié)構(gòu)次梁和混凝土頂板間設(shè)置了螺栓式精調(diào)單元，可以實(shí)現(xiàn)全局和局部標(biāo)高精細(xì)化調(diào)整（圖4）。因此，整體結(jié)構(gòu)最終覆蓋了60m×25m的場地范圍，結(jié)構(gòu)體由2 600根薄壁H型鋼和1 570塊輕質(zhì)混凝土板組成。同時，為了滿足最終的制冰條件，結(jié)構(gòu)層的上方還設(shè)有隔離層（PE膜材）、保溫層（兩層擠塑板材）、防滑層（PE膜、防滑膜）和制冰層（制冰管架和制冰管）。所有附屬功能層均由可拆卸和反復(fù)利用的材料單元組成，保證了整體結(jié)構(gòu)的完全可拆卸性和可再利用性。

4 面向拆解的裝配式螺栓構(gòu)造節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

2.2 可拆卸節(jié)點(diǎn)與拆卸次序設(shè)計(jì)

可拆卸結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)反復(fù)安裝效果和施工過程難度起決定性的作用。同時，構(gòu)件尺寸、拆解的精細(xì)化程度、構(gòu)件拆裝次序的設(shè)計(jì)也對整體施工過程的總體周期控制、人工調(diào)配起到了重要影響。在“冰立方”的可拆卸裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中，整體結(jié)構(gòu)依照柱、梁、板的系統(tǒng)進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，并結(jié)合兩層輔助調(diào)平裝置進(jìn)行分層，從而決定了整體結(jié)構(gòu)的拆分設(shè)計(jì)依據(jù)和拆卸次序設(shè)計(jì)依據(jù)（圖5）。

5 面向高效施工的拆解流程及工藝設(shè)計(jì)

首先，可拆卸結(jié)構(gòu)整體落位于帶有防滑設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)高度的球形鉸支座之上，現(xiàn)場施工前需將原泳池進(jìn)行防水處理，完成清掃工作。通過現(xiàn)場全站儀定位放線，將球形鉸支座放置于定位點(diǎn)上，并調(diào)整螺紋高度統(tǒng)一；其后，可將所有鋼柱置于球形鉸支座之上，并由施工人員輔助以保持穩(wěn)定。隨后以每個柱跨為單位進(jìn)行橫向掃地桿連接與斜向斜拉桿連接，以形成自穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，整個過程僅需2～3名施工人員在短時間內(nèi)即可完成；然后，施工人員依次將結(jié)構(gòu)主梁、次梁置于柱頂界面，柱頂與主梁均由四角的螺栓構(gòu)造進(jìn)行連接，主梁和次梁間也由翼緣板上提前開孔的螺栓節(jié)點(diǎn)連接（圖6,7）。同時，為了保證安裝的誤差容許，各結(jié)構(gòu)梁上的預(yù)設(shè)孔位均為長槽孔，允許1～2cm誤差；在安裝完成柱頂和主次梁之后，結(jié)構(gòu)需初步調(diào)平，在其上繼續(xù)放置用于精細(xì)調(diào)平的螺紋裝置，底部和次梁在角部進(jìn)行螺栓連接；最后，將1m×1m的預(yù)制混凝土板按序號安裝至次梁上，混凝土板四角預(yù)留螺紋孔洞，從結(jié)構(gòu)下方可以進(jìn)行快速的螺栓連接。

6 鋼立柱與斜撐節(jié)點(diǎn)

7 鋼立柱與鋼主次梁節(jié)點(diǎn)

2.3 可拆卸系統(tǒng)的數(shù)字化信息重建

由于“冰立方”的可拆卸建造提出了原構(gòu)件反復(fù)利用、原位拆裝等目標(biāo)，因此大量構(gòu)件的拆裝過程規(guī)劃和建造流程設(shè)計(jì)是最為重要的問題。在現(xiàn)場施工中，除了可拆卸結(jié)構(gòu)本身的分層設(shè)計(jì)、幾何和構(gòu)造設(shè)計(jì)之外，建造屬性的介入（如質(zhì)量跟蹤、運(yùn)輸狀態(tài)跟蹤、施工現(xiàn)場落位、施工狀態(tài)跟蹤）和建造全生命周期的實(shí)時跟蹤也成為了整個可拆卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和執(zhí)行中至關(guān)重要的內(nèi)容。針對此問題，“冰立方”的冰水轉(zhuǎn)換體系結(jié)構(gòu)利用BIM平臺體系作為主要數(shù)據(jù)平臺，通過引入自定義的族庫信息，結(jié)合參數(shù)化工具對每一個構(gòu)件加入特殊的編號，并添加相應(yīng)的建造過程屬性，最終可以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)每個構(gòu)件全生命周期的建造信息管理（圖8）。

8 “冰立方”冰水轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系的定制化BIM族庫信息和施工數(shù)據(jù)添加

通過數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)工具的介入，構(gòu)件信息的設(shè)定和添加可以通過規(guī)則的設(shè)定，批量化地實(shí)現(xiàn)幾何信息和非幾何信息的編輯。其中，幾何數(shù)據(jù)以三維模型為基礎(chǔ)，通過構(gòu)件類型、構(gòu)件編碼、幾何描述等關(guān)鍵信息統(tǒng)一設(shè)計(jì)構(gòu)件，并通過模塊化的信息統(tǒng)一管理。同時，構(gòu)件信息的添加也呈現(xiàn)為一個分段的動態(tài)過程。在施工全生命周期階段中，構(gòu)件的信息創(chuàng)建和維護(hù)包含3個階段——構(gòu)件庫的設(shè)計(jì)及信息創(chuàng)建階段、構(gòu)件的生產(chǎn)建造階段和拆卸后的維護(hù)管理階段。在工程設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員在BIM平臺上從構(gòu)件庫中選取構(gòu)件進(jìn)行模型的編輯，為構(gòu)件添加編號信息和相關(guān)的深化設(shè)計(jì)信息。通過Revit平臺下的Rhinoinside-Revit技術(shù)，所有信息均可以通過參數(shù)的形式得以存儲和快速調(diào)整。信息完備后，整體BIM模型將會交付給施工運(yùn)營單位，指導(dǎo)構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場建造和后期維護(hù)過程，期間相關(guān)信息均通過族庫屬性添加至BIM模型中，并上傳到項(xiàng)目的信息管理平臺。同時，在施工運(yùn)營階段，不同施工管理主體可以通過相關(guān)數(shù)據(jù)接口實(shí)時維護(hù)構(gòu)件信息，以保障建筑全生命周期的動態(tài)可追溯。

3 面向快速冰水轉(zhuǎn)換的數(shù)字建造技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前對于可拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)場施工階段數(shù)字化建造技術(shù)的應(yīng)用研究較少，因此對施工效率提升的技術(shù)方案研究成為推進(jìn)可拆卸式建筑發(fā)展的重要抓手。在此研究中，就施工組織、信息管理、建造工具、建造技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)等進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和測試。

3.1 面向數(shù)字建造管理的BIM信息系統(tǒng)

基于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安裝的較高要求，本研究試圖精確記錄所有構(gòu)件的安裝過程，從而能夠?qū)φ麄€建造過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)字孿生的方式，在現(xiàn)場指導(dǎo)工人的操作和后續(xù)的調(diào)平過程。因此，研究首先建立了一個基于BIM 數(shù)字模型體系的裝配式結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工監(jiān)測、反饋的系統(tǒng)平臺。整個平臺以Autodesk Revit 軟件為依托，通過自定義結(jié)構(gòu)構(gòu)件的族信息，在相關(guān)屬性信息中加入所需的工程狀態(tài)屬性（如運(yùn)輸狀態(tài)、維修狀態(tài)、現(xiàn)場安裝狀態(tài)、調(diào)平狀態(tài)等），對快速拆裝中的構(gòu)件信息進(jìn)行記錄，并呈現(xiàn)于數(shù)字模型中（圖9）。同時，BIM 信息系統(tǒng)作為最終載體，一方面實(shí)現(xiàn)了建造全生命周期的信息展示，另一方面也通過不同的數(shù)據(jù)信息接口實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的采集和整體分析，保障了對整個拆裝體系的智能化實(shí)時監(jiān)控。

9 現(xiàn)場建造數(shù)字化系統(tǒng)的功能和接口示意圖

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)件全生命周期管理和安裝流程組織

在具體的施工全流程中，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息的收集首先來源于現(xiàn)在布置的各類傳感設(shè)備。在本研究中，現(xiàn)場的信息感知包括兩個系統(tǒng)——基于物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)件進(jìn)出場信息感知和基于運(yùn)動捕捉技術(shù)的構(gòu)件坐標(biāo)實(shí)時監(jiān)控。對于構(gòu)件的進(jìn)出場狀態(tài)，本研究中利用了具有定位標(biāo)簽功能的射頻識別芯片（RfID），通過對每個構(gòu)件編號與芯片編號進(jìn)行一一映射，便可以通過現(xiàn)場的RfID信號探測器監(jiān)測相關(guān)構(gòu)件的進(jìn)出場狀態(tài)，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)接口將構(gòu)件狀態(tài)的信息變更記錄實(shí)時傳入總體的BIM模型中。在現(xiàn)場施工組織中，進(jìn)出場數(shù)據(jù)以構(gòu)件碼垛的形式進(jìn)行記錄，即根據(jù)現(xiàn)場建造的先后順序從上到下碼垛堆放構(gòu)件，從而方便原位安裝。同時，現(xiàn)場設(shè)物料堆放區(qū)，一旦物料碼垛進(jìn)入現(xiàn)場堆放區(qū)，該芯片會被自動探測到，也會實(shí)時記錄并傳輸、儲存于系統(tǒng)中，對應(yīng)構(gòu)件的屬性狀態(tài)也會隨之改變。

除了可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時感知構(gòu)件狀態(tài)變化外，現(xiàn)場施工中仍涉及大量需要人工執(zhí)行并上報維護(hù)的安裝信息，如各構(gòu)件是否安裝完成、是否存在損傷等。對于此類構(gòu)件信息，本研究通過一個在線的構(gòu)建建造信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一記錄了每個構(gòu)件的施工狀態(tài)，并保存每條記錄產(chǎn)生變化的時間標(biāo)簽。為方便現(xiàn)場施工作業(yè)的便捷性，相關(guān)數(shù)據(jù)的維護(hù)、編輯功能采用微信小程序的方式完成。在現(xiàn)場每一個構(gòu)件上，都通過對應(yīng)的構(gòu)件名稱和位置編號布置了二維碼貼紙，每一個施工步驟完成后，施工經(jīng)理可以通過批量掃碼的方式更改維護(hù)構(gòu)件的安裝信息（圖10），部分與RfID芯片、運(yùn)動捕捉標(biāo)高探測等相關(guān)的數(shù)據(jù)，則可以通過BIM系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)接口進(jìn)行實(shí)時維護(hù)。

10 各構(gòu)件信息二維碼及維護(hù)數(shù)據(jù)的微信小程序界面

11-13 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輔助的現(xiàn)場施工實(shí)時監(jiān)控實(shí)驗(yàn)示范

3.3 大范圍、多點(diǎn)、實(shí)時的高精度數(shù)字化安裝輔助系統(tǒng)

由于本項(xiàng)目的特殊要求，施工過程的一個重大難點(diǎn)在于如何對現(xiàn)場1 568塊混凝土預(yù)制板的頂板標(biāo)高進(jìn)行高精度調(diào)平。由于冰面對平整度需求的特殊性，調(diào)平后的各塊混凝土板在全部施工范圍內(nèi)的標(biāo)高精度允許誤差為6mm，局部3m之內(nèi)的標(biāo)高誤差精度允許為2mm，因此需要實(shí)現(xiàn)高精度的構(gòu)件標(biāo)高信息監(jiān)測。同時，由于結(jié)構(gòu)本身的離散特性，對每一塊構(gòu)件的調(diào)整都會涉及其他構(gòu)件，因此還需要對多個構(gòu)件的標(biāo)高信息變化進(jìn)行同步的實(shí)時監(jiān)測，而這是傳統(tǒng)的施工監(jiān)測技術(shù)（如水準(zhǔn)儀、全站儀）難以實(shí)現(xiàn)的。在本項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測，研究引入了廣泛用于虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動、醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域的運(yùn)動捕捉感知技術(shù)，并將其與傳統(tǒng)施工技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對多個混凝土頂板三維標(biāo)高的實(shí)時感知，并通過BIM軟件的相關(guān)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和分析，與現(xiàn)場的大屏幕聯(lián)動，實(shí)時指導(dǎo)工人對各個頂板的標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整（圖11?13）。

運(yùn)動捕捉系統(tǒng)以基于視覺的三維坐標(biāo)定位原理為基礎(chǔ)，通過在目標(biāo)物體上放置紅外線反射力強(qiáng)的標(biāo)志點(diǎn)（Marker），通過雙（多）目成像的定位原理感知目標(biāo)物體的三維動態(tài)坐標(biāo)信息變化（圖14,15）。因此，現(xiàn)場的標(biāo)高監(jiān)測系統(tǒng)是由多個紅外線運(yùn)動捕捉相機(jī)組成的監(jiān)測陣列，相機(jī)成一字形排列，通過交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并與現(xiàn)場BIM系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。通過在不同混凝土板頂部放置標(biāo)志點(diǎn)小球，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對頂板標(biāo)高信息的高精度采集。

14 運(yùn)動捕捉視覺監(jiān)測系統(tǒng)

15 現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測設(shè)備布置

由于本研究中運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的成像特性，在單邊排布的情況下，定位誤差隨著目標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)和相機(jī)距離的增加而增加。同時，由于定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系特征，直接從運(yùn)動捕捉系統(tǒng)中采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)往往存在一定程度的扭轉(zhuǎn)和傾斜，因此難以直接反映目標(biāo)的真實(shí)標(biāo)高數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究，本項(xiàng)目中采用了運(yùn)動捕捉技術(shù)和傳統(tǒng)測繪技術(shù)相協(xié)同擬合并優(yōu)化的方法[6]，進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。首先，利用全站儀對各軸線交點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場放線，在結(jié)構(gòu)柱安裝完成后，運(yùn)用水準(zhǔn)儀對各個柱頂中心點(diǎn)的標(biāo)高數(shù)據(jù)進(jìn)行一次人工記錄。然后，部署好運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，再依據(jù)放線軸線初步標(biāo)定坐標(biāo)系，并利用標(biāo)志點(diǎn)對各個柱頂中心點(diǎn)再進(jìn)行一次運(yùn)動捕捉自動采樣。因此，兩次采用的數(shù)據(jù)分別形成了一組由軸線頂點(diǎn)組成的基礎(chǔ)定位網(wǎng)格。通過迭代最近點(diǎn)優(yōu)化（ICP）的誤差擬合算法，現(xiàn)場BIM系統(tǒng)對兩套網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次全局?jǐn)M合，從而將運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的標(biāo)高數(shù)據(jù)擬合至傳統(tǒng)定位方式測得的真實(shí)坐標(biāo)系中，消除運(yùn)動捕捉的數(shù)據(jù)誤差。通過相關(guān)前序?qū)嶒?yàn)和現(xiàn)場測量驗(yàn)證，本研究中18個運(yùn)動捕捉相機(jī)組成的監(jiān)測系統(tǒng)可以同步覆蓋15m×12m的測量范圍，定位誤差可以達(dá)到1mm以內(nèi)。由全站儀、水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)構(gòu)成的全局定位點(diǎn)數(shù)據(jù)，也方便了運(yùn)動捕捉相機(jī)平移至下一區(qū)域后整體標(biāo)高數(shù)據(jù)的拼合和整合，從而保證現(xiàn)場施工中多點(diǎn)、高精度的標(biāo)高數(shù)據(jù)實(shí)時采集和分析。

為了輔助相關(guān)施工調(diào)平過程，本研究在BIM系統(tǒng)中編寫建立了相關(guān)混凝土頂點(diǎn)標(biāo)高的實(shí)時可視化輔助系統(tǒng)。通過在不同混凝土頂板上放置定位小球，可以實(shí)時獲得標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)高信息。如果小球位于頂板中心，該小球的Z方向坐標(biāo)則被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)頂板的整體標(biāo)高，如果小球位于頂板交點(diǎn)，則精細(xì)顯示小球的X、Y、Z等數(shù)據(jù)，以點(diǎn)的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。因此，在現(xiàn)場施工中，施工人員可以首先在探測范圍內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)頂部中心放置定位小球，同時通過三維標(biāo)高輔助系統(tǒng)得到整體的安裝平整度偏差信息，并對調(diào)整方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。在標(biāo)高輔助系統(tǒng)中，該數(shù)據(jù)以平面的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，中心點(diǎn)標(biāo)高直接呈現(xiàn)為對應(yīng)混凝土板的整體標(biāo)高數(shù)據(jù)，通過該標(biāo)高數(shù)據(jù)與模型預(yù)期數(shù)據(jù)的對比，實(shí)時顯示整個結(jié)構(gòu)板的標(biāo)高誤差，并通過設(shè)置誤差閾值的范圍，篩選超出閾值的混凝土頂板的坐標(biāo)信息，以紅色實(shí)時標(biāo)記（圖16）。對于結(jié)構(gòu)頂板的微調(diào)，需要通過位于交點(diǎn)的精調(diào)裝置來實(shí)現(xiàn)，也可以通過將定位小球移至交點(diǎn)的方式完成。此時，輔助系統(tǒng)中的坐標(biāo)會變?yōu)橐渣c(diǎn)為代表的標(biāo)高誤差值，通過現(xiàn)場大屏幕中的數(shù)字孿生模型進(jìn)行同步呈現(xiàn)，施工人員可以快速地實(shí)現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的精細(xì)化標(biāo)高調(diào)整。

16 基于BIM 施工數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實(shí)時、動態(tài)標(biāo)高調(diào)整輔助系統(tǒng)

4 拆裝流程的動態(tài)監(jiān)測及效果驗(yàn)證

基于上述的整套現(xiàn)場施工全流程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了所有構(gòu)件、關(guān)鍵流程的信息采集和分析。在現(xiàn)場施工中，通過BIM模型系統(tǒng)進(jìn)行信息整合，并根據(jù)數(shù)字孿生模型加以數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，可以有效地反映現(xiàn)場施工組織、管理中的優(yōu)缺點(diǎn)，對整個結(jié)構(gòu)的反復(fù)拆裝作業(yè)提供組織優(yōu)化的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。同時，對不同施工流程的耗時信息的記錄，也可以幫助施工設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵缺陷問題，從而對系統(tǒng)進(jìn)行評估和相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化，也能對后續(xù)反復(fù)拆裝的施工作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型通過BIM軟件中對應(yīng)構(gòu)件族的屬性信息進(jìn)行組織，通過相應(yīng)算法和接口，最終體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生模型中顏色信息的改變。因此，在現(xiàn)場的施工管理人員可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)而把控全流程的關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)。最后，相關(guān)數(shù)據(jù)會被輸出為Excel文件的施工日志，從而實(shí)現(xiàn)對一次完整的拆裝施工全流程的可追溯的整體記錄。

最終的施工調(diào)平效果驗(yàn)證方面，在現(xiàn)場施工中分別設(shè)置了大部分由運(yùn)動捕捉系統(tǒng)進(jìn)行輔助調(diào)平的試驗(yàn)區(qū)和只經(jīng)過人工初步調(diào)平的對比區(qū)，并引入第三方高精度測量工具“激光跟蹤儀”，對每一塊結(jié)構(gòu)頂板的標(biāo)高進(jìn)行最終驗(yàn)證。結(jié)果表明，經(jīng)過標(biāo)高監(jiān)測和調(diào)平輔助的區(qū)域基本滿足項(xiàng)目對全局和局部高程誤差的要求，整體精度控制在–1.5～1.5mm之間（圖17）。與該區(qū)域相比，未監(jiān)測區(qū)的標(biāo)高誤差較大，區(qū)內(nèi)大量測點(diǎn)低于全局期望標(biāo)高，其誤差在–2～10mm范圍內(nèi)，而這也和施工人員的測量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)直接相關(guān)。因此，本研究提出的標(biāo)高監(jiān)測方法的有效性和高效性得到了充分證實(shí)。

17 基于激光跟蹤儀的調(diào)平對比區(qū)域監(jiān)測結(jié)果

5 總結(jié)與展望

在當(dāng)前我國建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的推動下，“再建造”作為一種基于預(yù)制裝配化、可持續(xù)更新的新型建造理念，正逐漸成為一種具有高度發(fā)展前景的建筑系統(tǒng)概念。在當(dāng)前相關(guān)可拆卸性建筑的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步對拆卸過程中的建造問題進(jìn)行了回應(yīng)，提出了面向可反復(fù)拆裝的建筑結(jié)構(gòu)體系的智能化建造方法，并結(jié)合“冰立方”奧運(yùn)場館快速場景切換的工程實(shí)例，展示了BIM動態(tài)管理系統(tǒng)、關(guān)鍵智能建造監(jiān)測和分析技術(shù)的植入方式。在我國“科技冬奧、綠色辦奧”的總體目標(biāo)指導(dǎo)下，該研究成功助力中國國家游泳中心從2008年夏季游泳場館到2022年冬季冰壺場館的快速、可重復(fù)場景過渡，有效減少了結(jié)構(gòu)施工時間，并確保了結(jié)構(gòu)本身的高標(biāo)準(zhǔn)要求。在當(dāng)前建筑行業(yè)追求數(shù)字化和可持續(xù)發(fā)展的時代，本研究提出的相關(guān)設(shè)計(jì)和施工方法有望為未來建筑技術(shù)的智能化變革做出貢獻(xiàn)。同時，本研究對相關(guān)傳感器應(yīng)用和算法的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，相關(guān)設(shè)備較昂貴，安裝成本較高，也期望在未來研究中能加入更先進(jìn)、性價比更高的傳感器，輔助優(yōu)化施工過程中新的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展。

圖片來源

1 來源于文獻(xiàn)[3]

2,11?13 作者自攝

15,16 作者自攝

3?10,14,17 作者自繪