馬勇軍 李鵬堯 單 雨 尹紫紅

(1.中鐵十二局集團電氣化工程有限公司 天津 300308； 2.西南交通大學 成都 610031)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是當下的熱門話題，它以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，可對工程項目相關(guān)信息進行詳盡表達[1]，目前已應(yīng)用通用BIM軟件Revit來進行綜合管道支吊架布設(shè)設(shè)計。

在設(shè)計階段，盡管Revit軟件具有強大的篩選圖元、隱藏圖元的功能[2]，但由于支吊架布設(shè)具有很高的隨機性，因此在已建好的管網(wǎng)模型中布設(shè)支吊架仍是一個費時費力的工序。在現(xiàn)場施工階段，由于管道數(shù)量大、分布廣、種類繁多，支吊架布設(shè)顯得尤為繁瑣，存在人工作業(yè)重復性多、工作效率低、作業(yè)成本高、精度控制低、錯誤率高、安全隱患大、作業(yè)環(huán)境差等缺點[3]。

本文以成都地鐵5號線機電安裝工程為背景，從設(shè)計和施工2個階段對支吊架的自動布設(shè)進行研究探討。在設(shè)計階段，該布設(shè)系統(tǒng)運用其基于Revit軟件開發(fā)的自動布設(shè)程序初步確定支吊架布設(shè)位置。并將初期布設(shè)位置進行受力分析并對各專業(yè)管道進行碰撞檢查，經(jīng)改進得出優(yōu)化方案。在施工階段，其能通過激光掃描技術(shù)對管道模型進行掃描采集數(shù)據(jù)，形成一個基于BIM的隧道實況立體模型。并將現(xiàn)場掃描模型與在Revit中所建模型進行整合統(tǒng)一,確定支吊架在現(xiàn)場布設(shè)的具體位置。運用TCA自動全站儀對支吊架安裝部位進行現(xiàn)場定位放樣，實現(xiàn)支吊架的自動布設(shè)。

1 支吊架自動布設(shè)程序

1.1 支吊架布設(shè)平臺開發(fā)

本系統(tǒng)以Revit為平臺，利用Visual C++進行二次開發(fā)生成支吊架輔助布置程序。在Revit程序中建立接口進行對接，將BIM三維機電模型導入支吊架輔助布置系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動識別管道模型并根據(jù)支吊架布置原則對支吊架進行定位布置[4]。其中，支吊架布設(shè)流程見圖1。

圖1 程序框架圖

1.2 支吊架布設(shè)模擬

以Revit為平臺，Visual C++作為開發(fā)工具，在程序中建立不同類型支吊架模型數(shù)據(jù)庫。對管道先進行功能分類及管道受力分析。接后程序進行自動計算并形成布設(shè)方案，并自動預布設(shè)。程序?qū)艿篮椭У跫芡瑫r進行碰撞檢查[4]。

1.3 布設(shè)方案優(yōu)化

在對管道和支吊架進行碰撞檢查后，程序?qū)⒆詣臃治鲋У跫苁芰η闆r及管道在受力后的變形以對支吊架布置方案進行優(yōu)化。

在智能布置支吊架后進行受力檢查時，發(fā)現(xiàn)風管受力變形較大，有發(fā)生向下垂直位移的趨勢，需對支吊架方案進行優(yōu)化。對管道受力變形較大的位置進行增加支吊架布設(shè)，在該部位已有支吊架上增加分支強化固定。經(jīng)上述優(yōu)化設(shè)計后，再次運行碰撞檢查，此時支吊架受力達到最優(yōu)。

2 點云數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集原理

三維激光掃描儀從被測物體中提取的數(shù)據(jù)包括:①各點位的水平方向偏角和豎直方向偏角;②各點位與儀器之間的距離;③各點位的反射強度.其中水平方向偏角和豎直方向偏角是由連續(xù)轉(zhuǎn)動的反射棱鏡角度值計算而得;各點位到儀器之間的距離是由激光束的傳播時間計算而得。根據(jù)各個點位的距離信息和角度信息確定它們的三維坐標,根據(jù)反射強度對各個點位進行顏色匹配[5]。假設(shè)一個點位P，其空間關(guān)系如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀定位原理

其中:α為激光束的水平方向角，θ為激光速的豎直方向角，S為P點位到儀器的斜距。P點位的坐標計算方法為

x=Scosθsinα

y=Scosθcosα

z=Ssinα

2.2 掃描儀系統(tǒng)硬件的空間布局

將激光發(fā)射器發(fā)射口對準帶標志點的兩正交平板，將相機置于光源的任意一側(cè)進行點云捕捉，基于正交平板對線激光的往返時間進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。將激光發(fā)射器和相機位置擺設(shè)好后，將相機拍攝方向聚焦在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)臺邊緣的中心，此時激光掃描軸線與相機拍攝軸線的夾角大致為45°；激光發(fā)射器的發(fā)射下限為50°，上限為80°，轉(zhuǎn)臺式掃描儀系統(tǒng)硬件的空間布局見圖3[6]。

圖3 掃描儀系統(tǒng)空間布局圖

2.3 現(xiàn)場三維掃描成像

在施工現(xiàn)場，通過對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行全方位三維掃描還原隧道在支吊架布設(shè)前的原始狀況，準確反映隧道偏差值。本項目采用萊卡超高速三維激光掃描儀P20。其掃描流程為：將掃描儀架設(shè)在最適掃描位置，將標靶架設(shè)在控制點上進行掃描，每一站必須至少掃描2個標靶。

2.4 建立三維點云

利用三維掃描儀對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行全方位掃描后，從不同方位上獲取點云并進行點云匹配；鎖定點云重疊區(qū)域通過特定算法將綜合管道各方向上的點云數(shù)據(jù)進行匹配拼接，整合數(shù)據(jù)，獲得完整的綜合管道點云[7]。利用Cyclone軟件的GEGISTER模塊可全自動完成站點拼接工作。其效果圖見圖4。

圖4 自動拼接點云

三維激光掃描儀自動通過點云庫調(diào)出綜合管道各個點的三維坐標信息，與系統(tǒng)固定空間直角坐標系相匹配后得到現(xiàn)場結(jié)構(gòu)基于該坐標系的參數(shù)化立體模型。其效果圖見圖5。

圖5 三維掃描效果圖

2.5 數(shù)據(jù)整合分析

為保證支吊架布設(shè)滿足設(shè)計標準，將點云形成的三維模型與Revit所設(shè)計的模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式進行對比分析，將存在信息出入的數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場情況進行修改調(diào)整，得出最終的支吊架布設(shè)方案。

3 支吊架現(xiàn)場點位布設(shè)

在完成綜合管道支吊架布設(shè)最終方案后，利用定位裝置對TCA自動全站儀支吊架的布置進行現(xiàn)場放樣，通過對支吊架鉆孔的放樣來標記支吊架安裝的水平位置和垂直位置。

TCA自動全站儀是多維一體的三維坐標測量儀器，其主要功能包括電子角度測量、電子距離測量、計算機綜合計算和數(shù)據(jù)儲存。

3.1 點位布設(shè)原理

TCA自動全站儀主要以及坐標原理為基礎(chǔ)對測量功能進行設(shè)計開發(fā)。在實際操作過程中,全站儀一般安置在一個右手空間坐標系下,該坐標系以測試點Q作為原點,Z軸方向指向鉛錘方向,X軸,Y軸共同組成水平面[8]。最后根據(jù)極坐標定位原理獲取三維坐標，坐標計算如下

x=Scosβcoα

y=Scosβsinα

式中:S為斜距；α，β分別為水平角、垂直角;R為地球曲率半徑值；k為大氣折光系數(shù)。

3.2 點位放樣

施工現(xiàn)場進行作業(yè)時，在事先規(guī)定的控制點固定TCA全站儀，用電子氣泡整平儀器。隨后進行測站定向工作：

1) 在儀器中輸入儀器固定控制點點號GPS1，確認后輸入全站儀高度；接著輸入后視控制點點號GPS2，最后輸入后視控制點棱鏡的高度。

2) 將望遠鏡瞄準后視點棱鏡位置，然后進行測量確認。

3) 定向起算邊長的檢核：采用TCA全站儀的放樣功能，放樣測站后視點GPS2，核實檢查測點數(shù)據(jù)誤差是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

4) 在TCA全站儀里輸入放樣點點號，全站儀將自動顯示放樣點與測站點的方向和距離偏差。

5) 將水平度盤旋轉(zhuǎn)到放樣點方向，并鎖定水平度盤，使用望遠鏡粗瞄。

6) 立尺員自行調(diào)整360°棱鏡，立樁并利用RCS遙控系統(tǒng)進行自助放樣。確定支吊架鉆孔的空間位置和具體走向。

4 自動走行定位

在對支吊架布設(shè)點位進行現(xiàn)場放樣后，需要根據(jù)這些現(xiàn)場點位的實際情況確定一條合理的走行線路來進行點位鉆孔。

4.1 傳感器捕捉點位

為使全自動鉆孔機準確定位在運用TCA自動全站儀放樣而得到的支吊架布設(shè)點位，施工人員在鉆孔機前方布置了5組超聲波傳感器，分別朝向鉆孔機的北、西、東、西北和東北方。首先，鎖定1個控制口發(fā)射1個不小于10 μs高頻信號，模塊會緊接著發(fā)送6個60 kHz左右的超聲波；MSP430F149單片機開始進入待接收信號狀態(tài)，由這5組超聲波傳感器發(fā)送的各個支吊架布設(shè)點位的超聲波信號返回后會直接存入單片機。

4.2 走行路線分析

由超聲波傳感器捕捉到的每一個點信號傳入MSP430F149單片機，單片機便會輸出1個持續(xù)的電頻信號，該電頻信號的持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，亦即該點位相對于全自動鉆孔機走行起點的距離。當對所有支吊架點位距離和方位角分析結(jié)束后，MSP430F149單片機可利用其PC端協(xié)同分析出鉆孔機最適走行線路。

4.3 走行驅(qū)動

在MSP430F149單片機完成路徑規(guī)劃后，全自動鉆孔機便可依照規(guī)劃路徑逐一到達支吊架布設(shè)指定點位。該鉆孔機采用QZ-DCC9010直流電機控制走行方向；驅(qū)動方面，全自動鉆孔機采用DCC8005電機驅(qū)動器。

該鉆孔機的動力底盤由MSP430F149單片機的ECU接收超聲波傳感器返回信號將速度信息傳送給驅(qū)動器，驅(qū)動器帶動步進電機給鉆孔機提供前進動力，由電機控制油門從而控制鉆孔機的運行速度，在油門開度達到恒定的同時，該鉆孔機的運行速度達到恒定[8]。其油門控制流程見圖6。

圖6 油門控制流程圖

4.4 定點鉆孔

全自動鉆孔機通過識別超聲波信號自動走行到支吊架布設(shè)點位后，其鉆桿通過機械拉伸和變幅將帶有活門的鉆頭對準指定的鉆孔點位。該鉆孔機利用動力扭轉(zhuǎn)裝置給鉆桿提供一定的扭矩使鉆桿產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，使鉆頭產(chǎn)生該高程上的圓孔；動力裝置提供動力，使鉆孔深度直至指定孔深。

5 結(jié)語

1) 以Revit軟件為平臺，Visual C++為開發(fā)工具，進行二次開發(fā)，添加管道支吊架輔助布置程序，建立接口對接，形成了1個基于BIM的支吊架布設(shè)程序，在設(shè)計階段，該程序可以保存所有構(gòu)件的基本信息并形成數(shù)據(jù)庫，輔助設(shè)計人員快

速、便捷、高效地對支吊架進行受力分析并確定支吊架布設(shè)位置。

2) 將上述程序與現(xiàn)場施工所運用的三維掃描技術(shù)、TCA自動放樣技術(shù)及走形定位技術(shù)相結(jié)合，形成一個基于BIM的支吊架自動布設(shè)系統(tǒng)，可解決當下人工布置支吊架中存在的支吊架分布廣、數(shù)量大、種類繁多、人工作業(yè)重復性多、工作效率低、作業(yè)成本高、精度控制低、錯誤率高、安全隱患大、作業(yè)環(huán)境差等問題。

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