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  • 大界智造|南京园博园数字建造工程实践

      作为中国领先的智能建造方案提供商,大界通过建筑机器人软硬件技术,使建造更加智能化、柔性化和数字化。2020年10月,大界完成南京园博园2号口胶合木吊顶项目。该项目面积1600平方米,造型复杂,工期紧张,需要在1个月左右完成,传统建造方式难以实现。大界通过软硬件数字化系统,协同多家生态工厂,建立项目管理体系,动态调整生产要素,优化配置资源,在40天内高效精准地完成项目从设计到建造的全流程,为之后驾驭结构更复杂,体量更庞大的工程项目积攒了经验。

      1. 项目起源 | 为建筑师提供智能建造解决方案

      2019年底, 大界受建筑师委托,负责南京园博园2号口室外造型吊顶的深化与建造, 该项目结构造型复杂, 建筑师希望寻求新兴机器人建造技术结合设计方案, 一是解决复杂项目施工落地问题,二是打造精品亮点工程。

    △ 建筑师设计概念

      南京园博园2号口三面环山,周围有着丰富的地质景观、乡村聚落、工业遗存以及诸多人类改造自然的线性痕迹。建筑师希望以一种对环境最低干预的方式和更为轻松的态度与自然共处,为新时代的园博会留下一条和谐乐观的人类痕迹。

      基于这个概念, 建筑师将自然界的有机形态融入到方案设计中, 模仿山丘起伏的地质纹理,打造大型的异形曲面吊顶。面对这样结构复杂、造型多变的有机建筑,不仅增加深化设计的工作难度,而且在工程实现上也极具挑战性。

    △ 建筑师手稿

      目前BIM (Building Information Modeling) 技术在建筑设计和管理阶段的应用已高度数字化,但在生产建造端,由于缺少通用的工业软件打通建筑三维模型与机器设备的生产信息,仍依靠二维图纸指导工人作业,无法有效保障大尺度非标构件的加工精度。大界开发的建筑工业软件ROBIM,直接联通机器人的生产加工,实现设计到建造的自动化, 为建筑师提供更优质的智能建造服务。




    △ 近7000片造型各异的木梁形成的最终效果

       2. 方案设计 | 参数化建模, 一键更新方案

      在概念设计阶段,大界数字化设计团队首先对纹理特征进行分析, 通过编程的方式模拟山丘表面质感,对建筑造型提供形状建议,在满足结构支撑体系的同时,最大程度符合建筑师的设计理念。

      团队将造型拆分成层次丰富的地质纹理, 通过随机分布的凹凸变化来生成整体建筑形态, 再将其切分成430榀木梁, 针对不同区域的木梁给予纹理上的高度变化, 以达到设计师追求的整体随机感。


    △ 概念生成

       3. 设计深化 | 具备生产信息的BIM模型

      在确认初步方案及报价的可行性后,大界开始搭建项目团队,推动工程的落地。为了进一步优化工程和造价,大界深化方案设计师基于参数化设计,完善BIM模型,对构件进行智能化拆分,将长达6-18米的大型木构件拆解成适应数控机床设备(<2.5米)和机器人的加工尺寸范围(>2.5米)。

      其次,遵循少规格、多组合的原则,深化团队对整体形态再次优化。为了控制木梁整体荷载重量, 团队通过采用“两大夹三小”的片状组合方式代替原先全尺寸方案,大幅度减少木梁使用面积,减轻了自重, 同时也节省了材料。

    △ 木梁拆分

      最后,在ROBIM上,对各构件类型、尺寸进行自动定位和编号,便于后续生产加工。同时,对排料进行优化,提高材料利用率。

    △ 构件算法生成

      完成深化设计后,大界携手结构咨询团队,选择钢结构作为承重构件和基本骨骼,与木梁有机整合统一,完善大跨度屋面体系,进一步提高结构的安全性、合理性与经济性。

      钢龙骨深化主要有三部分:

      建立钢结构模型

      调整钢构件关系和深化细节

      局部调整以及复核吊挂件和连接件的设计

    △ 有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)

      结构设计的难点在于需要贴合下方木梁表面的复杂造型,以及排风装置、水电管道安装和钢管的多角度相接。因此团队在ROBIM上导入模型,对其尺寸、位置进行多次模拟、仿真、复核和修正,确保在工厂预制时焊接和造型的准确性,同时避免发生干涉碰撞,减少现场整改几率,有效控制工程造价,提高经济效益。

    △ 单榀木梁的内部构造

       4. 加工生产 | 无图纸生产, 多设备协同

      该项目共有木梁430榀,1460组,近7000片木梁,合计加工原材料用量约300立方米。大界协同多家生态工厂(钢材,木材,五金构件),通过ROBIM直接将三维设计模型对接至生产制造,节省制作施工图的时间,同时利用数字孪生技术,实现对生产过程的测试、验证和优化,改善生产流程,合理为工厂设计排产计划,确保项目按期高质量完成。

    △ 建筑工业软件ROBIM

      项目经理对工厂生产全流程进行精细化管理,通过下发工序级任务排程,调度工人和机械设备进行高效精准作业,实现工程质量前期预控和过程管控,减少返工量。

      原材→烘干→开材→打齿→指接→胶合→成板

      成板→刨光→切割→打磨→成片

      成片→拼装→上漆→成组

      由于胶合木梁加工工序环环相扣,为了在短时间内推动工厂产能最大化,项目经理帮助工厂梳理整个生产流程,并建立流程监管体系,确保原料板材制作环节有质量地提速,不影响下一道工序的加工。

    △ 机器人自动化加工

      在生产过程中曾受到国庆长假、工厂停电以及疫情的影响,出现产能下降、物料运输不及时等情况,项目经理迅速作出动态调整,制定对策,把控进度:

      借助大界云工厂平台,将前置工序(胶合与刨光)分发至多家木结构工厂进行协同加工,通过交叉产能的优势最大程度保证每日可供切割板的数量。

      建立构件工序标号系统及追踪,进行实时纠偏,避免发货工期的耽误。

      对木结构加工工艺进行优化和升级,包括进刀量、主轴转速、加工速度及抬刀速度等,生产效率提高一倍。

      协调工厂排班,根据每日产能进行人员的错峰安排。将头尾两道工序:开材与组装实现以两日为周期的轮班。

    △ 工厂协同生产

       5. 现场安装 | 40天内实现生产与安装

      在工厂预制好的组件,运输到施工现场,不到10天内完成1600平米钢木结构吊顶的安装。

    △ 施工现场

      为了合理安排施工工序,确保项目有序推进,项目经理对工人以及各种机械设备进行统筹协调。通过分批次错峰施工的方式,提高安装效率。钢桁架按相应批次运至施工现场后,工人按照编号将其迅速吊装至建筑主体上,进行高精度焊接,保证后续木梁节点对位准确。

    △ 工人快速安装

      团队首次尝试将AR/VR技术应用到项目中,规范构件安装环节。通过自动获取木梁的尺寸、安装位置等信息,帮助工人快速实现拼接。

      在施工过程中遇到材料损坏等问题,大界设计团队及时提供技术支持,将新的数字模型发送至工厂,让工厂对构件重新加工并运输到现场,不影响工程进度。

      6. 展望未来 | 基于云工厂的矩阵生产

      南京园博园2号口项目,是大界建造尺度上的新突破。未来,基于大界部署的软硬件数字化系统,大界将更有信心和能力去承接更大尺度和体量的建筑工程项目,并且通过多工厂多工艺灵活配合,对生产任务快速拆解,实现项目设计建造全生命周期的管理、协同和优化,全面推进建筑工业化进程。

    △ 矩阵生产网络

      CREDITS

      项目业主:江苏园博园建设开发有限公司

      建设单位:中国建筑第八工程局有限公司

      设计公司:南京同道建筑设计有限公司&反几

      主持建筑师:雒建利

      设计团队:李松 戴璟 甘昊 丁孟雄 孙倩 冯啸 王迅 吴亚明

      建筑、室内施工图设计:南京长江都市建筑设计股份有限公司

      结构顾问:Bespoke 必思博工程设计咨询(上海)有限公司

      Florian-Rochereau  李策

      智能建造顾问团队:上海大界机器人科技有限公司

      赖冠廷 高文渊 王若蒙 徐子杰 王振嘉 Maria Razzhivina 陈司亘 梁恉豪 刘春翔 聂佳康

      生态工厂:苏州菲特威尔木结构房屋有限公司 浙江通能电梯配件有限公司 南通佳冠建筑劳务有限公司

      项目位置:江苏省南京市江宁区湖山路与圣湖西路交叉口

      项目面积:1600平方米

      项目时间:2020年9月-10月

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