3D数字化技术与钢结构模组化技术在剧场建设中的应用.doc
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1、3D数字化技术与钢结构模组化技术在剧场建设中的应用1.3D数字化技术及其应用 1.1 3D数字化技术概述 3D数字化技术是对机械4C(CAD/CAE/CAPP/CAM)技术和建筑信息模型(Building InformationModeling,BIM)技术的一个统称。 在机械行业,CAD/CAE/CAPP/CAM技术已发展了几十年,尤其CAD和CAE技术已被广大的工程技术人员所掌握。UG NX、Pro/E、CATIA、SOHDWORKS等设计工具也在机械设计行业内得到广泛应用。这些设计软件各有所长,均具有建立模型、进行运动学模拟和碰撞分析的基本功能。同时,通过与NASTRAN、ANSYS等有
2、限元分析工具的接口,可以对机械结构进行静力分析和动力分析。 在建筑行业,BIM技术在近几年发展很快,从政府管理层面,也在大力推动。目前几乎所有重大建设项目都引入了BIM。与机械CAD/CAM的工作程序类似,首先需要建立建筑项目的3D数字模型,以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础,通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。 习惯上,机械和建筑分属于两大行业。在CAD技术长足发展的今天,这两大行业的数字平台有了相互融合。比如CATIA在最基本的航空/航天模块之外,开发了专用的建筑工程模块;另外,开发Pro/E的核心团队还开发了目前建筑工程中广泛使用的Autodesk REVIT。 在剧
3、场建设项目中,机械专业的4C技术和建筑专业的BIM技术,往往在混合使用,而参与项目的专业承包商又往往分属于以上两个领域。对这两种分属于两大技术领域、底层技术又十分相似的数字化技术,经常由于专业称呼的不同而造成沟通效率降低,甚至导致误解而造成损失。所以,在实践中,把这两种技术统称为3D数字化技术,同时面对各专业技术与管理人员,淡化其行业特征。 1.2 3D数字化技术应用(以CATIA平台为例) CATIA(Computer Aided Three-dimensionalInteractive Application),是法国达索公司多年前针对阵风战机而开发的一款CAD/CAE/CAPP/CAM平
4、台。 CATIA具有优秀的曲面造型能力,很早就在西班牙的毕尔巴鄂古根海姆博物馆项目外墙设计中得到应用。 2009年,CATIA用于安徽九华山地藏菩萨露天铜像项目,在国内把3D数字化技术引入建筑工程复杂曲面处理是比较早的。 该项目的相关技术路径为:(1)由设计师或艺术家塑造1:100小样;(2)通过3D数字扫描仪建立小样的数字点云图;(3)将点云图导入CATIA平台,完善成插值曲面;(4)在CATIA平台上将造型放大到1:1,以后的工作都在平台上进行;(5)对细节进行数字化调整,必要时进行局部1:1塑形,再次扫描补充数据;(6)按照加工安装工艺能力,对数字模型进行表面分割;(7)依据分割结果数据
5、指导工厂生产和现场安装。 可以说,CATIA提供了完备的曲面处理手段。 目前很多剧场建筑外形设计视觉冲击力极强,甚至很多采用了设计师随意手绘曲线的轮廓,按照建筑业惯用的平面图/立面图/剖面图的方式已无法准确表达建筑外形,只能采用3D数字化模型曲面来描述。 以上简述了针对复杂曲面的处理示例,对于舞台实体道具也可以采用类似方式处理。 1.3 3D数字化模型的输出 (1)输出到平面图纸,作为生产加工依据,与原先的图纸表达方式相仿,但是大大提高了设计准确程度。 (2)输出至数控切割机进行零件板料切割。在机械设备的框架制造、建筑钢结构制作、建筑幕墙下料等工艺阶段,应用广泛。 (3)输出到3D打印机,进行
6、3D打印。 (4)输出到其他造型设备。 我们开发了专用的5轴数控机床用于大尺度3D模型的输出。模型材料可选用各种常用材料,但目前材料硬度不超过铝材。最常用的是EPc泡沫塑料。该设备最大单体输出模块为1m1m2m,精度0.1mm。大于此尺寸的模块,目前采用3D数字模型切割分块一分别输出一后期粘接的处理方式。同时正在开发有效工作半径1.5m、高度6m的悬臂式5轴数控机床,精度目标0.5mm,用于大尺度模型的一次性成型。 1.4 3D数字化技术与剧场项目的结合 3D数字化技术对剧场项目提供了全面深入的技术和管理支持。 首先,是其可视化。由于建立了剧场项目完整的3D数字化模型,能够表达使用者所要求的细
7、节,“所见即所得”。对于普通管理人员来讲,读懂建筑设计图纸有一定的困难,很难发现其中的不合理情况,但3D数字化技术提供了可视化的途径,将以往图纸线条式的表达形成三维的立体模型展示在人们面前。在3D数字化模型中,由于整个过程都是可视化的,不仅可以用来进行效果图的展示及报表的生成,更重要的是,项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行,对于提高管理效率意义重大。 其次,是碰撞检查。利用3D数字化技术,在项目前期可以进行碰撞检查,提前发现设计各专业之间空间使用的冲突,优化工程设计,减少在建筑施工阶段的错误损失,减少返工,优化管线排布方案。施工人员也可以利用碰撞优化后的方案,进
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- 数字化 技术 钢结构 模组化 剧场 建设 中的 应用
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