面向再建造的智能建造技術探索
——“冰立方”冰水轉換結構一體化數字設計與建造策略研究＊

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計與再建造

建造活動在其全生命周期過程中都不斷產生著資源的消耗和對自然環境的影響。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、翻修、拆除等帶來的廢棄物也成為了當前建筑活動需要重點關注的內容。據統計，當前世界生產和消費過程中，高達40%的廢棄物產生量來源于建造行為，世界范圍內20%～35%的負面環境因素則來源于這些廢棄物[1]。隨著當前我國對環境問題的關注以及碳達峰、碳中和等目標的提出，如何從建造、運營、維護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，探索更加高效、環保的綠色建造技術方法，也成為了當前建筑產業需要關注的至關重要的問題。

裝配式建筑的設計建造技術創新是當前建筑學領域的重要前沿方向，也一直以來是我國推廣標準化構件、標準化構造節點、綠色智能建造技術的重要戰略方向。在建筑生產和建造前期階段，裝配式技術倡導建筑構件的標準化、模數化，將建筑構件的制造過程從施工現場轉向預制工廠，同時使現場的施工過程轉變為以構件連接為主的裝配過程，很大程度上減少了施工現場作業的復雜程度和對環境的負面影響，減少了構件制造過程中的資源浪費，提高了建筑構件制造和安裝中的安全率和生產率。然而，從更加廣泛的全生命周期角度，建筑物建成之后的運營、維護與拆除階段對環境也有著更大的影響。例如，在美國2014 年相關數據中，建造和拆除廢物的年度總量達到4.84 億t，其中90%以上是拆除過程中產生的碎片[2]。因此，如何進一步有效地考慮建筑物的全生命周期利用和更新利用，也成為當前裝配式建筑發展中刻不容緩的問題。

在相關領域，建筑學界早在二戰以后已經產生了大量思考和嘗試。隨著20世紀初期對預制建筑技術的探索，20世紀60年代，荷蘭建筑師哈勃勒肯（N.John Habraken）提出了開放式建筑運動，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，并在以黑川紀章的中銀艙體大廈等大量實踐項目中進行嘗試（圖1）[3]。相關思想中，首先提及了建筑隨著使用和社會需求的變化應產生不同的變化，并可以通過替換得以重新應用，因此也為可拆卸式建筑設計和建造技術的思想奠定了基礎。在2000年后，裝配式建筑和綠色建筑思想開始得到整合。在美國能源與環境設計評價體系（LEED-NC）中，就將“減少建筑物全生命周期的（環境）影響”單獨列為評分標準，并規定“歷史建筑再利用”“廢棄建筑再更新”“建筑材料再循環”為加分選項。

1 中銀艙體大廈中提出的基于模塊化和可拆裝的建筑設計及建造方法

隨著相關理論的發展，特別是裝配式建筑設計技術的成熟以及數字建造技術的發展，可拆卸式設計（Design for Disassembly）成為當前可持續裝配式建筑研究領域的重要理論?？刹鹦妒皆O計以預制化設計為依托，將建筑部配件之間的關系以“層”的方式進行深入剖分，重點強調模塊化結構體系的建構與設計方法。同時，針對建造方式，可拆卸性設計強調現場干式裝配的節點構造設計，強調從標準化節點、簡化拆裝步驟、簡化拆裝工具等角度對裝配的過程進行優化。同樣，面向整個建筑拆裝的過程，可拆卸性設計也重點強調了結構構造的適應性、可逆性，以及構件單元適應運輸物流等模塊化設計方法。盡管如此，可拆卸性設計理論往往只關注于建筑體系的設計方法，對于建造技術本體的研究仍存在一定盲區。本研究基于這一問題，結合我國智能制造領域“再制造”等新興概念，試圖探討建筑“再建造”過程中的關鍵技術和技術組織方式，重點闡釋相關的技術方法在具體項目中的應用方式和潛力，并結合我國科技冬奧智能建造的具體案例展示相關技術細節。

1.2 “冰立方”中奧運遺產的“水冰轉換”

隨著我國“綠色辦奧”和可持續發展既有奧運場館等指導思想的提出，對現有奧運場館設施的可持續再利用，以承接新的冬季體育運動賽事，也成為了我國科技冬奧戰略在建筑領域的一個特色創新方向。2008年作為奧運跳水和游泳比賽場地的“水立方”也成為了世界首座實現了“水冰轉換”，并可在游泳場地和室內冰壺場館之間切換的奧運場館?！氨⒎健钡乃D換方案以可反復拆裝的離散化鋼結構支撐體系和移動式的制冰系統，與傳統冰壺競賽場地在永久混凝土底板上建造的方式不同，因此也帶來了預制裝配系統設計和建造體系的巨大難題。例如，冰壺運動對冰面、光線和空氣環境都有著十分嚴苛的要求，因此建造后的冰面必須極其平整，在接近60m×30m的范圍內任意兩點的誤差不能超過6mm（±3mm），還要有足夠堅固的結構作為支撐，避免過程中的結構震動。同時，由于場館正在作為后奧運的市民游泳活動和訓練場館使用，結構的轉換改造時間也對整個場館的日常運營產生著非常大的影響。在這些基礎之上，如何從“再建造”的角度對結構體系、構件系統、節點構造和建造技術等進行系統性的設計，成為了“冰立方”華麗轉身背后重要的設計和建造技術保障（圖2）。

2 “冰立方”智能化冰水轉換建造與最終完成的冰壺場館

2 “冰立方”冰水轉換可拆卸結構的設計思考

2.1 面向可拆卸的裝配式結構系統設計

預制建筑的拆卸是對構件連接的反向操作，因此與可拆卸式設計相關的大量研究主要集中在建筑構件連接方式的設計上。與傳統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件連接界面的完整性和獨立性。在傳統建筑結構體系、節點體系和建造技術中，由于大量現場濕作業和化學連接方式等難以呈現較為清晰的構件層次和界面，最終一體化的整體結構體系無法實現二次拆卸和再建造。即使在預制化程度較高的鋼結構領域，傳統的焊接、鋼和混凝土界面的預埋筋等構造方式也往往帶來難以拆卸的結果。

針對獨立拆分問題，可拆卸設計體系以快速安裝與無損拆卸為目標，明確強調了干作節點和施工技術在結構系統設計中的重要性。同時，除了傳統建筑構造體系中已廣泛應用干連接的圍護構件之外，結構構件中干作連接技術的適用性也是當前可拆卸設計體系的重要發展方向。在相關的節點連接構造和工藝中，鉸接、銷接、螺紋連接、型面連接等機械連接方式往往能夠提供較強的界面獨立性和可拆卸性。特別是在由多種材料共同組合而成的復合結構體系中，如鋼結構上覆混凝土板的承重結構中，由于結構有整體性的需求，傳統結構設計和建造體系往往對整體灌漿澆筑、配筋連接等有較強的依賴。而在新型的可拆卸體系中，可反復拆卸的構件變得小型化、離散化，而結構構造則更加復雜，往往通過組合利用子母接口、螺栓構造、拉結桿件等在多個方向限制結構的位移自由度，從而實現最終的結構穩定和靈活拆卸[4]（圖3）。相比傳統建造方式，研究表明可拆卸式建筑的環境影響會大大降低，經濟性等方面也有顯著優勢。當預制構件不可拆卸時，現場施工費用相比傳統方式大約高出10%～30%，而使用可拆卸構件并重復使用時，預制裝配式建筑的施工費用相比傳統建筑則會大約節省5%～20%[5]。

3 “冰立方”智能化冰水轉換體系的結構層級拆解設計

在“冰立方”的可拆卸裝配式鋼結構體系中，結構體系的主要作用是填平原有的泳池區域，提供一個可以快速建造的穩定基面，快速鋪設冰面制作所需要的設備，并最終完成高平整度的比賽用冰面。因此，整體的可拆卸結構被設計成了由薄壁H型鋼和輕質混凝土預制板組成的全預制系統?？紤]到建設中的運輸和搬運要求，結構跨度被相對減少，形成了2m×3m為基本模數單元的結構柱網。結構體系由結構柱-主梁-次梁-頂板組成的基本單元構成，所有構件之間由可拆卸的螺栓連接完成，考慮到結構整體剛性，在結構柱間增設了用于限制橫向位移的水平掃地桿和側向斜拉桿。同時，為了保障整體結構的最終平整度和精細調整的要求，在柱底、鋼結構次梁和混凝土頂板間設置了螺栓式精調單元，可以實現全局和局部標高精細化調整（圖4）。因此，整體結構最終覆蓋了60m×25m的場地范圍，結構體由2 600根薄壁H型鋼和1 570塊輕質混凝土板組成。同時，為了滿足最終的制冰條件，結構層的上方還設有隔離層（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利用的材料單元組成，保證了整體結構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造節點系統

2.2 可拆卸節點與拆卸次序設計

可拆卸結構的節點構造設計對結構反復安裝效果和施工過程難度起決定性的作用。同時，構件尺寸、拆解的精細化程度、構件拆裝次序的設計也對整體施工過程的總體周期控制、人工調配起到了重要影響。在“冰立方”的可拆卸裝配式鋼結構體系中，整體結構依照柱、梁、板的系統進行拆分設計，并結合兩層輔助調平裝置進行分層，從而決定了整體結構的拆分設計依據和拆卸次序設計依據（圖5）。

5 面向高效施工的拆解流程及工藝設計

首先，可拆卸結構整體落位于帶有防滑設計的可調節高度的球形鉸支座之上，現場施工前需將原泳池進行防水處理，完成清掃工作。通過現場全站儀定位放線，將球形鉸支座放置于定位點上，并調整螺紋高度統一；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定。隨后以每個柱跨為單位進行橫向掃地桿連接與斜向斜拉桿連接，以形成自穩定的支撐結構，整個過程僅需2～3名施工人員在短時間內即可完成；然后，施工人員依次將結構主梁、次梁置于柱頂界面，柱頂與主梁均由四角的螺栓構造進行連接，主梁和次梁間也由翼緣板上提前開孔的螺栓節點連接（圖6,7）。同時，為了保證安裝的誤差容許，各結構梁上的預設孔位均為長槽孔，允許1～2cm誤差；在安裝完成柱頂和主次梁之后，結構需初步調平，在其上繼續放置用于精細調平的螺紋裝置，底部和次梁在角部進行螺栓連接；最后，將1m×1m的預制混凝土板按序號安裝至次梁上，混凝土板四角預留螺紋孔洞，從結構下方可以進行快速的螺栓連接。

6 鋼立柱與斜撐節點

7 鋼立柱與鋼主次梁節點

2.3 可拆卸系統的數字化信息重建

由于“冰立方”的可拆卸建造提出了原構件反復利用、原位拆裝等目標，因此大量構件的拆裝過程規劃和建造流程設計是最為重要的問題。在現場施工中，除了可拆卸結構本身的分層設計、幾何和構造設計之外，建造屬性的介入（如質量跟蹤、運輸狀態跟蹤、施工現場落位、施工狀態跟蹤）和建造全生命周期的實時跟蹤也成為了整個可拆卸系統設計和執行中至關重要的內容。針對此問題，“冰立方”的冰水轉換體系結構利用BIM平臺體系作為主要數據平臺，通過引入自定義的族庫信息，結合參數化工具對每一個構件加入特殊的編號，并添加相應的建造過程屬性，最終可以實現整個系統每個構件全生命周期的建造信息管理（圖8）。

8 “冰立方”冰水轉換結構體系的定制化BIM族庫信息和施工數據添加

通過數字化輔助設計工具的介入，構件信息的設定和添加可以通過規則的設定，批量化地實現幾何信息和非幾何信息的編輯。其中，幾何數據以三維模型為基礎，通過構件類型、構件編碼、幾何描述等關鍵信息統一設計構件，并通過模塊化的信息統一管理。同時，構件信息的添加也呈現為一個分段的動態過程。在施工全生命周期階段中，構件的信息創建和維護包含3個階段——構件庫的設計及信息創建階段、構件的生產建造階段和拆卸后的維護管理階段。在工程設計過程中，設計人員在BIM平臺上從構件庫中選取構件進行模型的編輯，為構件添加編號信息和相關的深化設計信息。通過Revit平臺下的Rhinoinside-Revit技術，所有信息均可以通過參數的形式得以存儲和快速調整。信息完備后，整體BIM模型將會交付給施工運營單位，指導構件的生產、運輸、現場建造和后期維護過程，期間相關信息均通過族庫屬性添加至BIM模型中，并上傳到項目的信息管理平臺。同時，在施工運營階段，不同施工管理主體可以通過相關數據接口實時維護構件信息，以保障建筑全生命周期的動態可追溯。

3 面向快速冰水轉換的數字建造技術應用

當前對于可拆卸結構的設計，現場施工階段數字化建造技術的應用研究較少，因此對施工效率提升的技術方案研究成為推進可拆卸式建筑發展的重要抓手。在此研究中，就施工組織、信息管理、建造工具、建造技術、監測技術等進行了相關技術創新和測試。

3.1 面向數字建造管理的BIM信息系統

基于現場結構安裝的較高要求，本研究試圖精確記錄所有構件的安裝過程，從而能夠對整個建造過程進行數據采集，并通過數字孿生的方式，在現場指導工人的操作和后續的調平過程。因此，研究首先建立了一個基于BIM 數字模型體系的裝配式結構現場施工監測、反饋的系統平臺。整個平臺以Autodesk Revit 軟件為依托，通過自定義結構構件的族信息，在相關屬性信息中加入所需的工程狀態屬性（如運輸狀態、維修狀態、現場安裝狀態、調平狀態等），對快速拆裝中的構件信息進行記錄，并呈現于數字模型中（圖9）。同時，BIM 信息系統作為最終載體，一方面實現了建造全生命周期的信息展示，另一方面也通過不同的數據信息接口實現了多源數據的采集和整體分析，保障了對整個拆裝體系的智能化實時監控。

9 現場建造數字化系統的功能和接口示意圖

3.2 基于物聯網的構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，對結構構件信息的收集首先來源于現在布置的各類傳感設備。在本研究中，現場的信息感知包括兩個系統——基于物聯網的構件進出場信息感知和基于運動捕捉技術的構件坐標實時監控。對于構件的進出場狀態，本研究中利用了具有定位標簽功能的射頻識別芯片（RfID），通過對每個構件編號與芯片編號進行一一映射，便可以通過現場的RfID信號探測器監測相關構件的進出場狀態，并通過相關數據接口將構件狀態的信息變更記錄實時傳入總體的BIM模型中。在現場施工組織中，進出場數據以構件碼垛的形式進行記錄，即根據現場建造的先后順序從上到下碼垛堆放構件，從而方便原位安裝。同時，現場設物料堆放區，一旦物料碼垛進入現場堆放區，該芯片會被自動探測到，也會實時記錄并傳輸、儲存于系統中，對應構件的屬性狀態也會隨之改變。

除了可以通過物聯網技術實時感知構件狀態變化外，現場施工中仍涉及大量需要人工執行并上報維護的安裝信息，如各構件是否安裝完成、是否存在損傷等。對于此類構件信息，本研究通過一個在線的構建建造信息數據庫進行統一管理，數據庫統一記錄了每個構件的施工狀態，并保存每條記錄產生變化的時間標簽。為方便現場施工作業的便捷性，相關數據的維護、編輯功能采用微信小程序的方式完成。在現場每一個構件上，都通過對應的構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，施工經理可以通過批量掃碼的方式更改維護構件的安裝信息（圖10），部分與RfID芯片、運動捕捉標高探測等相關的數據，則可以通過BIM系統的軟件數據接口進行實時維護。

10 各構件信息二維碼及維護數據的微信小程序界面

11-13 物聯網技術輔助的現場施工實時監控實驗示范

3.3 大范圍、多點、實時的高精度數字化安裝輔助系統

由于本項目的特殊要求，施工過程的一個重大難點在于如何對現場1 568塊混凝土預制板的頂板標高進行高精度調平。由于冰面對平整度需求的特殊性，調平后的各塊混凝土板在全部施工范圍內的標高精度允許誤差為6mm，局部3m之內的標高誤差精度允許為2mm，因此需要實現高精度的構件標高信息監測。同時，由于結構本身的離散特性，對每一塊構件的調整都會涉及其他構件，因此還需要對多個構件的標高信息變化進行同步的實時監測，而這是傳統的施工監測技術（如水準儀、全站儀）難以實現的。在本項目中，為了實現大范圍、高精度的多點實時監測，研究引入了廣泛用于虛擬現實、運動、醫療、機器人等領域的運動捕捉感知技術，并將其與傳統施工技術相結合，實現對多個混凝土頂板三維標高的實時感知，并通過BIM軟件的相關接口進行數據傳輸和分析，與現場的大屏幕聯動，實時指導工人對各個頂板的標高進行調整（圖11?13）。

運動捕捉系統以基于視覺的三維坐標定位原理為基礎，通過在目標物體上放置紅外線反射力強的標志點（Marker），通過雙（多）目成像的定位原理感知目標物體的三維動態坐標信息變化（圖14,15）。因此，現場的標高監測系統是由多個紅外線運動捕捉相機組成的監測陣列，相機成一字形排列，通過交換機進行數據傳輸，并與現場BIM系統的計算機進行通信。通過在不同混凝土板頂部放置標志點小球，系統可以實現對頂板標高信息的高精度采集。

14 運動捕捉視覺監測系統

15 現場動態監測設備布置

由于本研究中運動捕捉系統的成像特性，在單邊排布的情況下，定位誤差隨著目標標志點和相機距離的增加而增加。同時，由于定位系統的坐標系特征，直接從運動捕捉系統中采集的坐標數據往往存在一定程度的扭轉和傾斜，因此難以直接反映目標的真實標高數據。根據相關研究，本項目中采用了運動捕捉技術和傳統測繪技術相協同擬合并優化的方法[6]，進一步保證數據的準確性。首先，利用全站儀對各軸線交點進行現場放線，在結構柱安裝完成后，運用水準儀對各個柱頂中心點的標高數據進行一次人工記錄。然后，部署好運動捕捉系統，再依據放線軸線初步標定坐標系，并利用標志點對各個柱頂中心點再進行一次運動捕捉自動采樣。因此，兩次采用的數據分別形成了一組由軸線頂點組成的基礎定位網格。通過迭代最近點優化（ICP）的誤差擬合算法，現場BIM系統對兩套網格點的坐標數據進行一次全局擬合，從而將運動捕捉系統的標高數據擬合至傳統定位方式測得的真實坐標系中，消除運動捕捉的數據誤差。通過相關前序實驗和現場測量驗證，本研究中18個運動捕捉相機組成的監測系統可以同步覆蓋15m×12m的測量范圍，定位誤差可以達到1mm以內。由全站儀、水準儀數據構成的全局定位點數據，也方便了運動捕捉相機平移至下一區域后整體標高數據的拼合和整合，從而保證現場施工中多點、高精度的標高數據實時采集和分析。

為了輔助相關施工調平過程，本研究在BIM系統中編寫建立了相關混凝土頂點標高的實時可視化輔助系統。通過在不同混凝土頂板上放置定位小球，可以實時獲得標志點的標高信息。如果小球位于頂板中心，該小球的Z方向坐標則被認為是結構頂板的整體標高，如果小球位于頂板交點，則精細顯示小球的X、Y、Z等數據，以點的方式進行呈現。因此，在現場施工中，施工人員可以首先在探測范圍內的所有結構頂部中心放置定位小球，同時通過三維標高輔助系統得到整體的安裝平整度偏差信息，并對調整方案進行初步設計。在標高輔助系統中，該數據以平面的方式進行呈現，中心點標高直接呈現為對應混凝土板的整體標高數據，通過該標高數據與模型預期數據的對比，實時顯示整個結構板的標高誤差，并通過設置誤差閾值的范圍，篩選超出閾值的混凝土頂板的坐標信息，以紅色實時標記（圖16）。對于結構頂板的微調，需要通過位于交點的精調裝置來實現，也可以通過將定位小球移至交點的方式完成。此時，輔助系統中的坐標會變為以點為代表的標高誤差值，通過現場大屏幕中的數字孿生模型進行同步呈現，施工人員可以快速地實現整個結構的精細化標高調整。

16 基于BIM 施工數據管理系統的實時、動態標高調整輔助系統

4 拆裝流程的動態監測及效果驗證

基于上述的整套現場施工全流程動態監測系統，基本實現了所有構件、關鍵流程的信息采集和分析。在現場施工中，通過BIM模型系統進行信息整合，并根據數字孿生模型加以數據呈現，可以有效地反映現場施工組織、管理中的優缺點，對整個結構的反復拆裝作業提供組織優化的必要基礎數據信息。同時，對不同施工流程的耗時信息的記錄，也可以幫助施工設計人員發現整個結構設計的關鍵缺陷問題，從而對系統進行評估和相關設計優化，也能對后續反復拆裝的施工作業進行優化。

現場數據的數字孿生模型通過BIM軟件中對應構件族的屬性信息進行組織，通過相應算法和接口，最終體現為結構數字孿生模型中顏色信息的改變。因此，在現場的施工管理人員可以對數據進行遠程監控，進而把控全流程的關鍵施工環節。最后，相關數據會被輸出為Excel文件的施工日志，從而實現對一次完整的拆裝施工全流程的可追溯的整體記錄。

最終的施工調平效果驗證方面，在現場施工中分別設置了大部分由運動捕捉系統進行輔助調平的試驗區和只經過人工初步調平的對比區，并引入第三方高精度測量工具“激光跟蹤儀”，對每一塊結構頂板的標高進行最終驗證。結果表明，經過標高監測和調平輔助的區域基本滿足項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）。與該區域相比，未監測區的標高誤差較大，區內大量測點低于全局期望標高，其誤差在–2～10mm范圍內，而這也和施工人員的測量數據和經驗直接相關。因此，本研究提出的標高監測方法的有效性和高效性得到了充分證實。

17 基于激光跟蹤儀的調平對比區域監測結果

5 總結與展望

在當前我國建筑產業發展戰略的推動下，“再建造”作為一種基于預制裝配化、可持續更新的新型建造理念，正逐漸成為一種具有高度發展前景的建筑系統概念。在當前相關可拆卸性建筑的基礎上，本文進一步對拆卸過程中的建造問題進行了回應，提出了面向可反復拆裝的建筑結構體系的智能化建造方法，并結合“冰立方”奧運場館快速場景切換的工程實例，展示了BIM動態管理系統、關鍵智能建造監測和分析技術的植入方式。在我國“科技冬奧、綠色辦奧”的總體目標指導下，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、可重復場景過渡，有效減少了結構施工時間，并確保了結構本身的高標準要求。在當前建筑行業追求數字化和可持續發展的時代，本研究提出的相關設計和施工方法有望為未來建筑技術的智能化變革做出貢獻。同時，本研究對相關傳感器應用和算法的研究仍處于實驗階段，相關設備較昂貴，安裝成本較高，也期望在未來研究中能加入更先進、性價比更高的傳感器，輔助優化施工過程中新的數字化技術的發展。

圖片來源

1 來源于文獻[3]

2,11?13 作者自攝

15,16 作者自攝

3?10,14,17 作者自繪