大型主题乐园的绿色智慧建造关键技术

归豪域 上海市建筑装饰工程集团有限公司高级工程师

大型主题乐园乐园是指集休闲、娱乐、展示、餐饮等多功能，建筑外表皮呈现多种高逼真仿真材料，并带有鲜明故事情节与主题的文创建筑群。它的设计采用非线性的思维方式，建筑物表面形制多采用波浪形不规则曲线、多曲面组合等要素，建筑空间起伏交错，建筑层次明显，且空间结构多呈异形结构体，排列极其不规则，带有强烈的视觉冲击与沉浸式空间感。

但传统建筑装饰工程施工工艺无法满足其构件的多样性、个性化、艺术性，因此采用智能化的数字设计技术、三维定位与高精度打印技术、高逼真主题抹灰技术、艺术上色工艺、智能化数字资产运维等技术来全方位解决大型主题乐园室内外高逼真仿真效果、多专业协调管控与日后的系统维护。

目前，国内尚未形成完善的大型主题乐园智能化艺术建造技术体系，本论文的论点将以上海迪士尼梦幻城堡，这座国内首座真正意义上的大型主题建筑的实践经验为论述背景，首次将行业内前沿的智能建造技术做集中梳理，供各位同行借鉴。

为满足上海迪士尼梦幻城堡的主题要求，必须采用传统手工制作艺术构件，因为手工作业能够生动细腻、栩栩如生地体现高仿真效果，最大程度地满足设计要求。但是手工作业工序繁复、耗时耗力，对质量管理者要求极高，且完成效果完全依赖于人工，这种高度的依赖性可谓“牵一发而动全身”，对项目执行非常不利。因此，亟需寻找更智能高效的方法解决此行业难题。项目组通过无数次调研、实践、数据对比，最终实现对项目模型高精度的控制、通过人工智能加工代替工人手工作业，引入三维扫描、三维打印、三维CNC 雕刻技术，自主研发了直塑机器人，高效完成了建造任务。

1 基于艺术造型构筑物的三维精确定位与扫描技术

1.1 三维精确定位与扫描技术应用基础

三维精确定位与扫描技术适用于复杂装饰构件，装饰艺术构件结构复杂、曲线与曲面交替，空间错落有致，在传统测量工具精度无法满足精度的前提下应用此技术更为合适。

1.2 三维精确定位与扫描技术的应用技术原理与方法

三维激光扫描技术以激光测距技术为基础，通过获取仪器发射的激光脉冲反射回来的时间确定距离信息，从而确定扫描点的三维坐标。根据设定的扫描范围，对空间以一定的取样密度获取不同点的三维坐标，通过传动装置的扫描运动对物体进行全方位扫描，获得物体的全部空间信息[1]。扫描分为多个站，最后将不同扫描站的点数据拼接起来得到完整的模型数据，为此，在建筑四周放置便于三维激光扫描仪识别的同名控制点，同名控制点布设是否合理将直接决定点云数据配准的精度。

1.3 点云数据获取技术

通过对扫描所获取的点云数据图进行建模，能够得到构件的精确模型。在建模之前必须对原始数据进行处理，三维激光扫描仪获取的原始数据为一系列离散的点云数据，它们记录了测量物体表面离散点的空间信息和某些物理参量，其信息量很大。它不仅储存了物体的空间信息，还包括强度信息及颜色灰度信息等，一般为便于后期处理，需要将点云数据中冗余的无用数据删除，减少数据量[2]。

利用云数据建模之前需要进行坐标系统的转换，使其在同一坐标之下。三维激光扫描技术扫描全面、超距离、精度高、效率高，绘制现状图准确，内容反映全面，通过三维激光设备的使用，测量工作者对异形构件真正做到了全方位的信息收集，测绘速度与精度均大大提高，这些也保证了智能加工的进行。

2 基于复杂艺术类装饰构件的高精度三维打印技术

2.1 高精度三维打印技术的应用原理

三维打印机从实现了三维数字模型到材料添加点的转换，将虚拟与现实迅速连接，是一种快速制造技术。目前，由于三维打印技术的诸多优越性，被普遍认为是未来工业技术发展的重要战略方向。项目组采用了高精确度的数字化建模技术，可以直接打印产品，大大提高了效率的同时，保证了设计效果与工艺质量。采用直接打印模具与产品的方式，能够将产品模具包括其支撑全部打印，有效地避免了模具在拆模过程中造成的损坏，可重复使用，减少了反复加工模具的次数。

2.2 全数字化的智能高精度三维测量及逆向建模技术

突破了传统的单点测量方法，应用三维扫描设备高精度地重建建筑实物数据。通过快速的三维数据采集及模型重构，精度高、速度快的特点。其扫描生成的三维激光点云数据还可进行计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等各种后处理工作。通过数字化的测量方式有利于实现数据的有效利用，为后续项目的后续数字化设计、智能化加工制造的实现奠定基础。

3 基于大型主题乐园全过程数字资产管控技术

3.1 数字资产全过程管控技术应用范围

上海迪士尼梦幻城堡的室内外立面上，有着一万多件造型精美的艺术构件。涉及到制作周期与运输等多重压力，若采用传统人工管理模式，存在资料冗长繁杂、查询速度缓慢、无法自动进行对比计算等缺陷，无法满足大型公共场所对于艺术构件从计划到生产再到运营维护的全过程管理。因此项目组采用了全过程数字资产管控技术，数字管理来快速了解艺术构件的生产状态；有序安排现场堆放场地和工厂仓库的利用；合理协调艺术构件厂家生产进度与现场安装进度之间的关系；科学分析艺术构件安装效率和安装质量；提供维护运营阶段艺术构件的相关信息。

3.2 数字资产全过程管控技术应用意义

采用数字资产全过程管控在上海迪士尼梦幻世界装饰工程中具有以下重要意义。（1）数字资产保存产品信息全面，大幅度减少传统储存厚重繁杂的纸质版的信息保存方式，大大降低了资料保管的难度和工作量，也更便于查询和了解。（2）全面掌握产品状态，对超出计划的产品进行及时的跟踪和处理。（3）实现物料信息、库存信息共享，信息传递实时，便于部门协调配合，也能科学安排生产效率、安装效率，合理协调各级仓库库存。（4）提高工作效率，降低管理成本，缩短生产和安装工期。（5）提高工程管理水平，保证工程质量。（6）快捷方便的找到维修所需信息，减少运营维护成本。

3.3 数字资产全过程管控技术应用效果

通过使用该系统能够达到艺术构件加工数字管理的效果主要体现在以下几方面：（1）通过软件能在PC 端查阅相关构件的信息（如编号、照片/图纸等）。（2）通过软件能在PC 端迅速了解某个产品当前的状态。（3）通过软件能在PC 端查询任意仓库或处于某一状态（如已安装完成）的产品数量。（4）通过软件可以进行任何一个产品的计划时间与实际耗费时间的对比，并对超过计划时间较久的产品进行自动提醒功能。（5）使用手机APP 能够进行二维码扫描、信息查询和信息录入功能。

3.4 建筑艺术装饰构件数字化信息分类技术

3.4.1 二维码物流信息录入技术

二维码信息为粘贴在产品包装显眼处的标签和二维码所表达的信息。应包含产品编号、下单编号、产品尺寸、产品类型、图纸编号、应用单体等。

3.4.2 多品类材料信息录入技术

材料信息为录入服务器数据库进行保存的所需的材料信息。在产品生产之前根据深化图纸尽可能收集产品编号、尺寸、类型、略图、产品数量、图纸编号、三维图或照片、使用单体、下单编号、母模数量及保管地、模具数量及保管地等信息，并在其导入数据库，以备管理材料进出各级仓库之用。

3.4.3 下单信息录入技术

下单信息应包括下单编号、下单时间、产品编号、产品数量、下单人。

3.4.4 计划信息录入技术

计划信息为下单时间、厂家入库时间、现场入库时间、领用出库时间、安装完成时间、安装验收时间等关键节点的计划时间[3]。并将其与实际时间进行对比，以检查、督促、调整实际生产和安装计划。

4 基于大型主题乐园高逼真艺术饰面与构件的三维雕刻技术

4.1 三维雕刻技术原理

雕刻与打印是两个目的相同，方法却截然不同的快速制造方法。雕刻是将材料中多余的部分去除，是精简的过程；打印是从零开始，逐层叠加制作出构件，是一个不断累积的过程。三维CNC 雕刻技术是一种将传统雕刻技术与现代数控加工中的自动化技术相结合的产物，它既秉承了传统雕刻细腻生动、灵活自如的特点， 同时又兼具自动化的智能和精确性。目前，使用 CNC 雕刻技术和 CNC雕刻机已经成为雕刻行业的一种潮流。

4.2 三维雕刻技术特点

CNC 雕刻以“等量切削”技术为核心，主要目标是提高雕刻效率和雕刻精度，减少小刀具的磨损率，在实际加工中的表现为“ 高转速、快进给、小进给、匀切削、高效率”。它有如下特点。

尺寸小、专业性强：CNC 雕刻对象的特点是图案复杂、细节表现生动，多为异形结构体。要实现这样的加工要求,则必须使用小尺寸的刀具作为基本加工刀具, 在很多情况下, CNC 雕刻机使用的雕刻刀具刀尖直径不足 0.5 mm 甚至到0.1 mm 以下。使用小刀具进行精细雕刻是 CNC 雕刻的一个最基本的特征,刀具是保证 CNC 雕刻成品精细和加工效率高的最为关键因素之一[4]。

高精度、高转速：由于 CNC 雕刻使用小尺寸的刀具铣削加工, 所用刀具的直径小, 加工中为保证刀具的切削线速度和切削能力, 势必要提高刀具的旋转速度,使用具有高转速能力的主轴电机。主轴电机旋转速度高, 可为小刀具提供高的切削速度, 并确保小刀具在雕刻中能有较好的切削能力。

高效平稳：CNC 雕刻控制系统采用了行进的微步细分控制算法, 机床运动高速平稳, 分辨率高, 可达 0.003 mm/步。另外, 也有部份机型使用伺服驱动单元,机床各项性能指标又有较大幅度的提高。

4.3 复杂艺术构件图形处理及雕刻技术

处理数据图形文件： CNC 雕刻由计算机控制实现，计算机控制机床执行部件工作是靠数值化的加工指令来控制的。也就是说操作人员必须利用专业的雕刻设计软件，按照雕刻加工的要求，绘制出准确的尺寸、形状和位置关系的雕刻加工数据图形。也可以利用三维扫描和图片帮助建立模型。对图形进行处理，首先进行网格化处理，找出破面，尖角的区域，再据网格化结构进行去除钉状物，填充孔、松弛、平滑处理、减少噪音等处理；最后进行手动补面、构造曲面，最终转出STP 图形。

生成刀具路径：CNC 雕刻机能够合理准确地把工件加工出来，靠的是一系列的正确合理的控制指令，这一指令对于精雕机就是刀具路径。计算机软件是按照操作员规划的工艺和雕刻设计图进行刀具路径计算的。

五轴雕刻技术：CNC 雕刻机是使用刀具进行雕刻的，其加工原理是切削加工，雕刻刀具的运动轨迹是由计算机自动计算的，这种计算是建立在刀具尺寸和图形边界的基础上，雕刻加工过程是自动化的。雕刻过程中首先进行对刀，根据采用与编程方法，进行对刀，然后再进行粗加工，大致雕刻出构件轮廓，待轮廓雕刻完毕之后再进行精细加工。

5 基于大型主题乐园主题抹灰工艺的“直塑机器人”仿真塑形技术

5.1 直塑机器人工作原理

针对在大型主题乐园工程的主题抹灰中遇到的难点，项目组开发了适合建筑装饰行业的“直塑机器人”，将机器人智能系统与喷射技术相结合，在基层上垂直分层叠加具有雕塑饰面效果的肌理墙面，全面代替人工进行作业，大量降低人工成本和管理成本，改善施工环境，有利于环境保护。

机器人的模型信息及检验标准以三维扫描技术与三维软件的数字信息为标准，提高了施工精度，使验收工作有据可循,机器人智能化技术是带动整个建筑装饰行业转型的第一步[5]。

5.2 直塑机器人控制系统

项目组将研究内容分为大型交互软件平台、人机交互系统、机械系统、控制系统、传感系统、喷涂材料以及喷涂设备的研究。其中，大型交互软件平台的主要功能是实现BIM、三维扫描云数据、sketchup 及其它设计软件与机器人文件相互转换，各设计软件与机器人文件的格式已经形成标准化，转换平台的研究成熟度较高；人机交互系统、机械系统、控制系统、传感系统则是组成机器人的主要部分，是一般工业机器人设计中必不可少的环节，而工业机器人的应用研究国内已初具雏形，因此，开发直塑机器人已经具有较高的成熟度。

6 结语

大型主题乐园具有建筑风格主题化、建筑空间多样化、装饰饰面艺术化、游艺设施多元化、户外生态景观绿色化等特性；现阶段，我国大型主题乐园项目建造经验较少，且相关工艺标准与技术规程空白，艺术装饰工程建造技术匮乏、没有成熟的绿色生态景观系统、缺乏大型娱乐设施安装系统及大型项目一体化管控平台等行业技术问题突出。

为满足大型主题乐园装饰效果、安全性等建造要求与绿色智能建造的发展需求，解决行业提出的诸多技术瓶颈。项目组通过多年协同攻关，形成了基于大型主题乐园艺术装饰建造的核心技术体系并开展相关工程实践。本套成果在主题乐园及文旅建筑工程的应用已成熟且广泛，项目组在古建筑异地重生项目、老建筑修缮领域也有成功应用案例，其行业推广价值广泛，社会及经济效益显著，为同类建筑领域的艺术加工与建造技术提供了有利借鉴与技术支撑，填补了艺术装饰装修领域建造技术的行业空白，为水泥制品替代大量自然资源提供了新思路。