仿生異型斜向開合建筑建造關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】熊貓塔為造型酷似“春筍”仿生異形建筑，整體由形狀各異的鋼結(jié)構(gòu)弧形構(gòu)件及月牙格柵編織而成。其造型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件數(shù)量眾多，導(dǎo)致其設(shè)計、材料加工、現(xiàn)場安裝中遇到諸多技術(shù)難題；從仿生異型空間結(jié)構(gòu)建造技術(shù)、斜向開合體系建造技術(shù)、異形建筑結(jié)構(gòu)精度控制技術(shù)三個維度解析整個仿生異形斜向開合建筑涉及的關(guān)鍵建造技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】仿生異形建筑; “春筍”結(jié)構(gòu); 斜向開合體系; 可開啟格柵

【中圖分類號】TU242.6A

0 引言

仿生建筑是動、植物界某些功能組織和形象構(gòu)成為研究對象，探尋自然界中科學(xué)合理的建造規(guī)律，并通過這些研究成果的運(yùn)用來豐富和完善建筑的形態(tài)的處理手法，促進(jìn)建筑形體結(jié)構(gòu)及建筑功能布局等［1］的更為合理和美觀。

仿生建筑是一種貼近自然、符合科學(xué)規(guī)律的建筑形式。因其設(shè)計巧妙、外觀獨(dú)特、結(jié)構(gòu)合理及節(jié)約能源等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用［2］。

在全球仿生建筑掠影［3］中介紹了部分知名仿生建筑，已知的仿生建筑有仿四葉草、花瓣、鳥巢等，仿生建筑結(jié)構(gòu)涵蓋膜結(jié)構(gòu)、殼結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)等。

本論文依托熊貓塔項(xiàng)目作為研究載體，熊貓塔塔身由720塊形狀各異的鋼結(jié)構(gòu)弧形構(gòu)件編織而成，外部柱網(wǎng)為由下向上逐漸向后收緊的斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)建而成。形狀類似“春筍”造型，寓意熊貓最愛的竹筍，與整個熊貓基地主題文化相互呼應(yīng)。

其外部柱網(wǎng)采用空間斜交曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由螺旋扭轉(zhuǎn)的多根空間彎曲圓管桿件交叉組成而成，彎曲圓管徑厚較大，且鋼柱布置必須與建筑雙曲面形態(tài)相吻合，對構(gòu)件加工精度要求較高。受鋼結(jié)構(gòu)空間定位、自穩(wěn)定性差、焊接變形等多因素影響，現(xiàn)場裝配定位困難、裝配定位精度低、裝配效率低等諸多問題，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)部分施工難度較大。

在熊貓塔頂部設(shè)計有形狀類似芙蓉花瓣的懸挑觀光平臺，內(nèi)部懸挑觀光平臺外包裹金色GPR裝飾材料，整體呈芙蓉花瓣?duì)钤煨?；涉及面積5117 m2，是目前國內(nèi)單體GRP用量最大的建筑。花瓣設(shè)計造型復(fù)雜，且每層觀景平臺由大小不同的芙蓉花瓣構(gòu)成使得每個觀景平臺的GRP裝飾板尺寸均為“唯一性”，導(dǎo)致深化設(shè)計、材料精加工，現(xiàn)場實(shí)施過程復(fù)雜，施工效率低，安裝精度難以控制等。

整個仿生異型斜向開合建筑構(gòu)件數(shù)量眾多，以現(xiàn)場拼接、組裝為主，曲面桿件多、構(gòu)件長度大、空間曲線各異，對材料加工及現(xiàn)場施工提出了較高技術(shù)要求。

仿生建筑中關(guān)于建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的較多，但是關(guān)于施工類研究偏少，特別是建造技術(shù)研究?，F(xiàn)場設(shè)計、材料加工及安裝過程中必然使用多項(xiàng)建造技術(shù)，因篇幅有限，本論文著重從施工技術(shù)的角度對仿“春筍”就主要核心的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

熊貓觀光瞭望塔位于成都大熊貓繁育研究基地核心區(qū)域，建筑總高度為70 m，其中建筑標(biāo)準(zhǔn)層高度為49.95 m，建筑層數(shù)為地下1層，地上9層。是城北地區(qū)的制高點(diǎn)、地標(biāo)和視覺中心。

塔身由720塊形狀各異的鋼結(jié)構(gòu)弧形構(gòu)件編織而成，后部豎直，前部傾斜逐漸內(nèi)收，外形猶如一個偏置的“春筍”；通體重達(dá)1300 t，建筑總高度為70 m，其中建筑標(biāo)準(zhǔn)層高度為49.95 m，建筑層數(shù)為地下1層，地上9層。

內(nèi)部有懸挑觀光平臺，平臺外包裹金色GPR裝飾材料，整體呈芙蓉花瓣?duì)钤煨?。樓板共?1片，按等差遞減排列的樓板，簇?fù)硇纬梢欢涠浣鹕饺鼗ā?/p>

外圍設(shè)計月牙格柵幕墻，格柵總數(shù)為672根，其中塔冠由75根可活動的桿件組成，最長桿件約13 m，每根桿件按照一定規(guī)律進(jìn)行開啟和關(guān)閉，形成完美的開啟效果（圖1）。

2 項(xiàng)目存在的關(guān)鍵技術(shù)難題

2.1 仿生異型斜向空間結(jié)構(gòu)建造難度大

熊貓塔結(jié)構(gòu)外部春筍狀柱網(wǎng)屬于空間斜交曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由螺旋扭轉(zhuǎn)的多根桿件交叉組成而成，其單根構(gòu)件屬于空間彎曲圓管，徑厚較大，且鋼柱布置必須與建筑雙曲面形態(tài)相吻合，導(dǎo)致對構(gòu)件加工精度要求高；單根的空間彎曲圓管裝配定位困難、裝配效率低、以及裝配定位精度低。

內(nèi)部懸挑觀光平臺造酷似芙蓉花瓣，其施工難度在于懸挑平臺外部GRP裝飾板的施工，總體GRP板用量約5117 m2，是目前國內(nèi)單體GRP用量最大的建筑?；ò暝O(shè)計造型復(fù)雜，且每層觀景平臺由大小不同的芙蓉花瓣構(gòu)成使得每個觀景平臺的GRP裝飾板尺寸均為“唯一性”，每個模具不能復(fù)制，若按照傳統(tǒng)方法加工安裝，放樣、深化出圖、拆模、做模、生產(chǎn)、倒模、精加工，整個過程復(fù)雜，施工效率低。同時安裝傳統(tǒng)方法GRP板材安裝時需要先安裝龍骨再安裝板材，施工流程復(fù)雜，安裝精度難以控制。

2.2 斜向開合體系建造缺乏理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)

“春筍”狀的斜向開合體系設(shè)計不同于常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)，分析過程中每個構(gòu)件既要考慮在閉合狀態(tài)下按照常規(guī)建筑物在風(fēng)荷載、自重荷載等結(jié)構(gòu)荷載下的結(jié)構(gòu)安全分析；又要考慮其在開合過程中構(gòu)件在動力作用下自身強(qiáng)度變形以及其對主體結(jié)構(gòu)的影響；還要考慮節(jié)點(diǎn)反復(fù)開合的磨損情況。

依托研究的熊貓觀光瞭望塔頂部是通過頂部69根開合格柵按照一定角度組合合并形成不同的開合效果達(dá)到模擬春筍發(fā)芽剝殼的擬態(tài)效果，所有組成仿生“春筍”狀的格柵構(gòu)件均為斜向開合（圖5）。

春筍擬態(tài)需要結(jié)構(gòu)模擬春筍發(fā)芽，而開合結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)不再是純粹的建筑結(jié)構(gòu)體系，是建筑與機(jī)械相結(jié)合的綜合體系。尤其是斜向開合體系，體系的開合方式、角度，轉(zhuǎn)動節(jié)點(diǎn)受力性能及磨損性，固定節(jié)點(diǎn)、機(jī)械傳動方式等在傳統(tǒng)的設(shè)計和施工資料里無可以直接借鑒的資料，導(dǎo)致現(xiàn)場設(shè)計和實(shí)施困難。

2.3 獨(dú)特的造型導(dǎo)致構(gòu)件安裝精度控制困難

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工中，大多運(yùn)用傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀、鋼尺等對構(gòu)件進(jìn)行測量放線，對于空間曲面結(jié)構(gòu)拼接精度無法把控，施工效率低，精度控制低。

熊貓塔外圈斜柱為彎扭構(gòu)件，空間定位坐標(biāo)復(fù)雜，整體精度要求較高，既要控制絕對位置又要保證相對精度，三維曲線放樣和空間全三維測量難度很大;結(jié)構(gòu)在自重、環(huán)境溫度、日照、焊接影響作用下將產(chǎn)生復(fù)雜且不可忽略的變形。

3 涉及的關(guān)鍵技術(shù)研究思路

3.1 仿生異型斜向空間結(jié)構(gòu)建造技術(shù)研究

主要從（①春筍狀立體曲面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；②芙蓉花狀內(nèi)觀景平臺裝飾）加工及安裝兩方面進(jìn)行建造技術(shù)研究。

3.2 斜向開合體系建造技術(shù)研究

主要從斜向開合系統(tǒng)的研究試驗(yàn)及雙曲螺旋大跨月牙開合格施工兩方面進(jìn)行建造技術(shù)研究。

3.3 異形結(jié)構(gòu)精度控制技術(shù)研究

主要從BIM＋測量機(jī)器人全自動測量放線控制技術(shù)及基于三維激光掃描的仿生異型結(jié)構(gòu)安裝精度控制技術(shù)進(jìn)行研究。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 仿生異型斜向空間結(jié)構(gòu)建造技術(shù)

本技術(shù)主要分為主體鋼結(jié)構(gòu)曲面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建造以及芙蓉花瓣內(nèi)觀景平臺的建造兩大部分內(nèi)容。

4.1.1 空間網(wǎng)格模塊拆解

鋼框架結(jié)構(gòu)按照每2層進(jìn)行模塊分段；鋼柱分段處分在結(jié)構(gòu)樓層上1.3 m處，便于焊接施工；局部分段可依據(jù)施工需求適當(dāng)調(diào)整?？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模塊劃分豎向以每層進(jìn)行劃分，通過預(yù)制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安裝連接（圖3）。

4.1.2 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工技術(shù)

4.1.2.1 BIM模型創(chuàng)建

根據(jù)建筑設(shè)計提供的建筑形態(tài)模型，沿用Rhino+Grasshopper參數(shù)化創(chuàng)建塔身的空間整體鋼結(jié)構(gòu)模型。由于熊貓塔外形似一個螺旋向上且不斷縮小的春筍，塔體內(nèi)部的每層的芙蓉花造型不一且尺寸也在不斷縮小，為了實(shí)現(xiàn)熊貓塔春筍造型以及觀光瞭望的使用功能要求，采用Rhino+Grasshopper參數(shù)化進(jìn)行“春筍幕墻與芙蓉樓板”的設(shè)計找形。將找形模型共享給結(jié)構(gòu)設(shè)計師進(jìn)行分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)同配合下完成熊貓塔建筑模型。

根據(jù)圖紙使用Tkela軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建，為保證熊貓塔設(shè)計的安全性、適用性、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性，將熊貓塔結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Midas等軟件中進(jìn)行有限元分析。以此判斷塔體結(jié)構(gòu)體系是否合理、整體性是否良好、安全儲備是否充足、結(jié)構(gòu)用鋼量及經(jīng)濟(jì)性是否合理（圖4、圖5）。

4.1.2.2 結(jié)構(gòu)模塊自動拆解

基于BIM軟件模型數(shù)據(jù)，開發(fā)了結(jié)構(gòu)模塊自動拆分程序。該程序可以綜合考慮吊裝能力、運(yùn)輸能力、分段要求、幾何特征等約束控制參數(shù)，對異型空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化自動拆分，智能輸出施工分塊方案、各分塊重量、重心位置等關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)全自動拆分。

同時該軟件配合鋼結(jié)構(gòu)BIM深化設(shè)計，可調(diào)用節(jié)點(diǎn)庫，對分段位置的節(jié)點(diǎn)等實(shí)現(xiàn)自動深化，快速形成單元塊模型信息，提高了拆分速度，快速形成加工模型。該軟件采用C#語言進(jìn)行開發(fā)，可以自動調(diào)用深化軟件TEKLA 的相關(guān)節(jié)點(diǎn)庫，對分段節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動坡口等深化，配合TEKLA軟件使用，可以快速生成分段模型，效率比傳統(tǒng)分段提高2個數(shù)量級（圖6）。

實(shí)施時將結(jié)構(gòu)模型依據(jù)簡化高空對接難度的原則進(jìn)行劃分，同時兼顧考慮運(yùn)輸、模塊尺寸、模塊重量等，整體上劃分為斜撐模塊、外立面網(wǎng)格模塊、鋼平臺模塊三種類型。

4.1.2.3 數(shù)字化加工

基于全過程信息化管控平臺的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工，通過主動集成，架構(gòu)了整合部件制造數(shù)字化模型、管理信息化模型等多專業(yè)多環(huán)節(jié)融為一體信息化管理平臺；將制造機(jī)器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到制造用料、過程監(jiān)管等細(xì)節(jié)控制中，通過合理調(diào)配，促進(jìn)資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)了全流程數(shù)字化制造，顯著提升了制造精度和效率，降低制造成本（圖7）。

利用TEKLA模型文件和數(shù)據(jù)接口，借助二次開發(fā)技術(shù)自動提取構(gòu)件幾何、位形和結(jié)構(gòu)特征等數(shù)據(jù)信息，并生成格式化特征數(shù)據(jù)文件。然后基于三維建模軟件，利用自動建模函數(shù)、開發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、自動建模與裝配等軟件功能模塊，重構(gòu)和復(fù)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化校驗(yàn)。待深化設(shè)計后，將深化數(shù)據(jù)導(dǎo)入XSuperNEST進(jìn)行智能鋼板排版下料，下料信息導(dǎo)入切割機(jī)床進(jìn)行板材自動切割。在自動焊接機(jī)中導(dǎo)入構(gòu)件尺寸信息及焊接強(qiáng)度要求，完成構(gòu)件自動焊接。

基于雙向彎曲圓管鋼結(jié)構(gòu)需要擬合為若干個平面彎圓連續(xù)構(gòu)件的工藝需求，以及鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計階段手工擬合的低效率、不可控、效果差等缺點(diǎn)，采用 PIPE2002 相貫線編程軟件對三維線模型進(jìn)行編程，生成相貫口的切割數(shù)據(jù)，并將其輸入數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行管件的相貫線切割。

4.1.3 曲面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模塊化安裝

整個吊裝過程主要分為六個階段：第一步：下部結(jié)構(gòu)吊裝，第二步、內(nèi)部電梯井吊裝，第三步、第一個模塊單元吊裝，第四步：第二個模塊單元吊裝，第五步：一層模塊單元吊裝完成，第六步：重復(fù)上述步驟依次吊裝后續(xù)樓層第七步：全部結(jié)構(gòu)單元吊裝完成（圖8～圖13）。

4.1.4 數(shù)字化加工及模塊化安裝技術(shù)

4.1.4.1 GRP裝飾板模塊化加工技術(shù)

芙蓉花狀內(nèi)觀景平臺裝飾，通過BIM技術(shù)，構(gòu)建異形GRP構(gòu)件模型，在異形GRP構(gòu)件制作過程中，將各GRP構(gòu)件的支撐龍骨預(yù)制于GRP構(gòu)件結(jié)構(gòu)中，通過焊接預(yù)埋、優(yōu)質(zhì)進(jìn)口帝斯曼樹脂和玻纖布粘貼包裹成一體。

基于各GRP構(gòu)件在主體結(jié)構(gòu)上的安裝位置設(shè)置，于主體結(jié)構(gòu)上分別設(shè)置連接機(jī)構(gòu)，通過各連接機(jī)構(gòu)與各GRP構(gòu)件中支撐龍骨的連接，實(shí)現(xiàn)GRP構(gòu)件的模塊化快速安裝，同時進(jìn)行無縫安裝，從而免除了傳統(tǒng)方法中先在主體結(jié)構(gòu)上安裝龍骨的流程，特別是針對各異形GRP構(gòu)件的異形龍骨的安裝，大大提升了GRP結(jié)構(gòu)的安裝效率。最大限度的還原設(shè)計意圖。

4.1.4.2 GRP裝飾板模塊化安裝技術(shù)

由于曲面造型引起的每個點(diǎn)位三軸坐標(biāo)都在變化，GRP板片每片板的形狀尺寸都是不同的，因此每塊板片的定位都必須非常準(zhǔn)確，安裝定位圖需要標(biāo)示每片板片各角點(diǎn)三維坐標(biāo)（圖14～圖16）。

GRP板安裝之前，先按照面材編號整理，將預(yù)制在GRP板內(nèi)的鍍鋅連接件通過焊接連接在鋼結(jié)構(gòu)上，依據(jù)控制線進(jìn)行標(biāo)高，左右調(diào)節(jié)。

4.2 斜向開合體系建造關(guān)鍵技術(shù)研究

通過理論與試驗(yàn)研究來要驗(yàn)證斜向開合體系開啟關(guān)閉系統(tǒng)的可行性，驗(yàn)證桿件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、活動桿件底座的強(qiáng)度、機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行的效果以及測算支座磨損發(fā)展速度等。因涉及已投遞的核心論文，此不在詳細(xì)簡紹具體研究，請后續(xù)詳見《仿生建筑異形斜向開合體系理論仿真與試驗(yàn)研究》論文。

4.2.1 雙曲螺旋大跨月牙格柵建造技術(shù)

4.2.1.1 數(shù)字化加工

因單根格柵最大長度達(dá)13.4 m，自重超600 kg。為保證格柵安裝效果及后期的安全性，選用高精度的參數(shù)化數(shù)字加工技術(shù)，將設(shè)計確認(rèn)后的格柵模型進(jìn)行參數(shù)化下料。在Catia中將格柵進(jìn)行分區(qū)編號，按分區(qū)編號導(dǎo)出格柵加工圖及料表、鋁合金型材加工圖及料表、格柵支座加工圖及料表（圖17）。

4.2.1.2 數(shù)字化加工

為了加快施工進(jìn)度的同時保證各構(gòu)件加工質(zhì)量，在制作變截面焊接矩形鋼板構(gòu)件時，采用“參數(shù)化下料+數(shù)控切割機(jī)+專用平臺測量定位+技術(shù)人員復(fù)核”的模式，提升變截面焊接矩形鋼板構(gòu)件的制作精度。從TEKLA模型中直接提取各構(gòu)件的材質(zhì)、尺寸等數(shù)據(jù)導(dǎo)入XSuperNEST進(jìn)行智能鋼板排版下料，下料信息導(dǎo)入切割機(jī)床進(jìn)行板材自動切割。在自動焊接機(jī)中導(dǎo)入構(gòu)件尺寸信息及焊接強(qiáng)度要求，完成構(gòu)件自動焊接。

4.2.1.3 格柵飾面板優(yōu)化

將整體式鋁型材深化為：型材+鋁板+型材的組合形式。解決原設(shè)計外包裝飾層為整體式鋁合金型材，不便于現(xiàn)場安裝及加工難度大、造價高的問題。

4.2.2 雙曲螺旋大跨月牙格柵安裝技術(shù)

由于最高作業(yè)高度將近70 m，單體格柵跨度過大，且造型復(fù)雜多樣，所以在高空作業(yè)時，作業(yè)人的安全、格柵安裝的精度及速度無法得到很好的保障。因此采用模塊化安裝，對月牙格柵在平整場地內(nèi)，進(jìn)行模塊化組裝，即先進(jìn)行月牙格柵面材（鋁板+鋁型材）及泛光照明設(shè)備組裝，后進(jìn)行月牙格柵整體裝配式吊裝，在保證作業(yè)人員安全的同時，大大提高安裝效率及精度。

4.3 斜向開合建筑建造精度控制技術(shù)

由于開合體系是機(jī)械與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合體系，其安裝精度要求更高于傳統(tǒng)的建筑鋼結(jié)構(gòu)；若結(jié)構(gòu)安裝偏差較大，會加大構(gòu)件支座磨損，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致構(gòu)件運(yùn)動過程發(fā)生偏位，甚至互相碰撞，出現(xiàn)安全事故。

利用測量機(jī)器人與激光三維掃描儀相互結(jié)合，對仿生擬態(tài)斜向開合建筑的建造過程控制點(diǎn)進(jìn)行精確測定；其次是利用容錯能力高，具有多向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)能力的萬向轉(zhuǎn)接件進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得滿足了施工的需要。

4.3.1 BIM＋智能全站儀全自動測量放線控制技術(shù)

4.3.1.1 實(shí)施思路

在BIM模型中設(shè)置現(xiàn)場控制點(diǎn)坐標(biāo)和建筑物結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)坐標(biāo)。即在BIM模型中創(chuàng)建放樣控制點(diǎn)。將控制點(diǎn)導(dǎo)入全站儀交互軟件。將智能全站儀放入施工現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，確定其現(xiàn)場坐標(biāo)。

通過軟件將BIM模型中的控制點(diǎn)通過智能全站儀進(jìn)行放線，利用其發(fā)射的紅外激光自動照準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)放線功能。

4.3.1.2 具體實(shí)施

（1）建立坐標(biāo)系。

將Tekla深化模型分區(qū)輸出為IFC格式文件，使用Revit打開IFC文件，文件保存格式為rvt。打開Autodesk Point Layout面板創(chuàng)建坐標(biāo)系，在平面圖中任選一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，第二點(diǎn)確定坐標(biāo)系且輸入兩點(diǎn)實(shí)際距離，命名坐標(biāo)系。

（2）設(shè)置控制點(diǎn)、放樣點(diǎn)。在Revit布局選項(xiàng)卡—APL面板—控制點(diǎn)設(shè)置模型控制點(diǎn)，構(gòu)建控制點(diǎn)時必須指定點(diǎn)編號和點(diǎn)描述，此控制點(diǎn)為模型中智能全站儀放置的位置。

（3）導(dǎo)出點(diǎn)模型。在2D平面視圖中完成，導(dǎo)出在該視圖中可見的點(diǎn)。同時在“導(dǎo)出指向文件”對話框中，指定導(dǎo)出精度及想要導(dǎo)出的坐標(biāo)系統(tǒng)，最后將將放樣點(diǎn)數(shù)據(jù)模型同步到設(shè)備。

（4）現(xiàn)場設(shè)站、放樣。將移動應(yīng)用程序與智能全站儀配對，導(dǎo)入APL/CSV控制點(diǎn)文件到全站儀設(shè)備。選擇后方交會和已知點(diǎn)在施工現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)站，完成設(shè)站后，手持棱鏡和智能全站儀的實(shí)際位置將顯示在移動應(yīng)用程序BIM360 layout中，現(xiàn)實(shí)中移動棱鏡，三維模型中虛擬棱鏡同步移動，根據(jù)移動端信息模型選擇需要進(jìn)行放樣的點(diǎn)位，智能全站儀會在需要放樣的柱腳引出激光點(diǎn)，若放樣點(diǎn)位遇到障礙物，可使用移動棱鏡繞開障礙物，當(dāng)移動棱鏡與設(shè)置放樣點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）差值為零時，完成放樣。

4.3.1.3 實(shí)施效果

通過現(xiàn)場實(shí)施數(shù)據(jù)采集分析，放樣精度能實(shí)現(xiàn)控制在2 mm左右，傳統(tǒng)放樣需要至少兩個人，采用BIM+智能全站儀一體化放樣，一個人每天可以完成數(shù)百個點(diǎn)位的精確定位，同時測量放線效率是傳統(tǒng)方法的6～7倍。

4.3.2 基于三維激光掃描安裝精度控制技術(shù)

4.3.2.1 三維激光掃描技術(shù)

利用行業(yè)先進(jìn)的三維掃描技術(shù)，提高測量效率、測量速度、測量精度以及數(shù)字化的獨(dú)特優(yōu)勢，避免技術(shù)人員在懸空狀態(tài)下無法設(shè)置反射棱鏡，從而實(shí)現(xiàn)就空間測量。通過高密度的數(shù)據(jù)網(wǎng)格存儲目標(biāo)測物的空間坐標(biāo)和表面信息，可以對待測物體進(jìn)行更詳細(xì)地描述。

其工作原理是通過激光測距系統(tǒng)獲取掃描儀到待測物體的距離，再通過測角系統(tǒng)獲取掃描儀至待測物體的水平角和垂直角，進(jìn)而計算出待測物體的三維坐標(biāo)信息（圖18）。

4.3.2.2 鋼結(jié)構(gòu)安裝精度控制技術(shù)

平均每兩層鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，使用FARO Focuss350三維激光掃描儀對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，基于點(diǎn)云三維方式獲取目標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)，從而建立鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，用于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)差，及各專業(yè)模型修正，保證各專業(yè)生產(chǎn)的材料在現(xiàn)場順利安裝（圖19）。

將掃描獲取的鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型與鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計模型對比分析，判斷現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后的實(shí)際偏差，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)行現(xiàn)場糾偏。將鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差控制在允許范圍內(nèi)，確保后續(xù)幕墻、精裝修等專業(yè)能順利進(jìn)行（圖20）。

4.3.2.3 格柵安裝精度控制技術(shù)

在鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，為了節(jié)省測量時間及提高掃描的精度，我們重新制定掃描計劃，按樓層將三維掃描分為8次進(jìn)行。（2～3層第一次，4～5層第二次，5～6層第三次，7～8層第四次，9層第五次，首層結(jié)構(gòu)第六次，10層及塔冠第七次，室外景觀樓梯第八次。）

掃描時，首先使用法如FARO Focuss350三維激光掃描儀對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，基于點(diǎn)云三維方式獲取目標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)，從而建立鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型。通過掃描后的鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型與下料模型對比分析進(jìn)行修正。將鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差控制在允許范圍內(nèi)，確保后續(xù)格柵幕墻等專業(yè)能夠順利進(jìn)行施工。

5 結(jié)束語

本論文主要從仿生異型斜向空間結(jié)構(gòu)建造技術(shù)、斜向開合體系建造關(guān)鍵技術(shù)、仿生異形建筑建造精度控制技術(shù)三個維度進(jìn)行解析整個仿生異形建筑的關(guān)鍵建造技術(shù)。

仿生異型斜向鋼結(jié)構(gòu)建筑數(shù)字化建造技術(shù)，在常用國內(nèi)外類似施工技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新突破，深入研究施工過程模擬、模塊化生產(chǎn)、模塊化吊裝、三維掃描、虛擬預(yù)拼裝等多個關(guān)鍵施工技術(shù)。將復(fù)雜螺旋雙曲面空間網(wǎng)格拆分為模塊單元，在工廠進(jìn)行組裝，同時輔以三維掃描、虛擬預(yù)拼裝、自動放線機(jī)器人、BIM等技術(shù)手段，將原本大量的復(fù)雜高空對接轉(zhuǎn)換為模塊高空組裝，降低施工難度、提高施工精度，縮短安裝工期。

應(yīng)用基于BIM的虛擬仿真技術(shù)+三維掃描復(fù)測技術(shù)＋BIM智能測量機(jī)器人技術(shù)等信息技術(shù)手段指導(dǎo)建造過程，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與常規(guī)工藝的結(jié)合，結(jié)構(gòu)安裝精度符合規(guī)范要求，安裝過程安全有序，外觀線型流暢美觀。

通過對仿生擬態(tài)斜向開合建筑的施工、設(shè)計等建造關(guān)鍵技術(shù)的研究，解決熊貓塔設(shè)計及施工中存在的難題，達(dá)到提高工效、降低成本、確保安全和質(zhì)量的目的，為其他學(xué)者今后在類似仿生異形建筑施工中提供借鑒學(xué)習(xí)和借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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