蔡磊磊

(北京拓普康商貿(mào)有限公司，北京 101102)

1 引 言

BIM技術(shù)目前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、施工和土木基礎(chǔ)設(shè)施等行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)的大型建筑承包商已經(jīng)在一些大的項(xiàng)目中全部或部分分項(xiàng)工程引入了BIM信息化施工管理技術(shù)，并在不斷積極探索和應(yīng)用各類BIM技術(shù)，對(duì)工程施工的各個(gè)環(huán)節(jié)和各個(gè)工種進(jìn)行滲透和擴(kuò)展，讓施工過(guò)程更加智能高效，以帶來(lái)更好的工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，修建地鐵和軌道交通對(duì)于改善城市交通環(huán)境具有不可忽視的作用。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2017年12月，中國(guó)大陸建成投運(yùn)地鐵的城市已達(dá)31個(gè)，數(shù)十個(gè)城市的地鐵和軌道交通還在持續(xù)修建中。這些地鐵項(xiàng)目中有一些已經(jīng)全部或分項(xiàng)工程引入了BIM信息化施工管理的工作流程，因此也必須相應(yīng)地引入適用于BIM工作流程的工程設(shè)備及測(cè)量定位設(shè)備。作為地鐵施工的一個(gè)重要而基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，工程現(xiàn)場(chǎng)的各類建筑、結(jié)構(gòu)和MEP機(jī)電設(shè)施設(shè)備的精確施工定位，成為一個(gè)可以跟BIM模型相結(jié)合的熱點(diǎn)應(yīng)用方向，用來(lái)提升施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量作業(yè)人員的工作效率和定位精度。因此BIM放樣機(jī)器人在這類項(xiàng)目中就大有用武之地。本文介紹了BIM放樣機(jī)器人的工作流程，結(jié)合某地鐵車站施工實(shí)踐，闡述了BIM機(jī)器人用于快速定位BIM模型中的三層土建施工控制點(diǎn)和大量結(jié)構(gòu)及管道設(shè)備放樣點(diǎn)的作業(yè)方法，并對(duì)放樣精度進(jìn)行檢核。

2 BIM放樣機(jī)器人工作流程

Topcon LN100(Layout Navigator的縮寫，直譯為放樣領(lǐng)航員)是一款專門的BIM放樣機(jī)器人，也是一臺(tái)高度簡(jiǎn)化和智能的測(cè)量機(jī)器人，具備3°范圍的自動(dòng)整平功能、20 Hz定位數(shù)據(jù)更新速率，100 m半徑的棱鏡跟蹤功能，專門為建筑施工放樣而設(shè)計(jì)。LN100支持Autodesk(歐特克)公司開發(fā)的BIM 360 Layout建筑施工放樣軟件，如圖1所示，該軟件是一款手簿移動(dòng)端應(yīng)用程序，可以利用BIM 360云端的數(shù)據(jù)同步服務(wù)，目前是基于IOS系統(tǒng)開發(fā)的，因此手簿使用iPad平板電腦即可。實(shí)現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)從設(shè)計(jì)到工地的無(wú)縫對(duì)接，為施工人員提供了一個(gè)結(jié)合設(shè)計(jì)模型和放樣操作的高效單人測(cè)量系統(tǒng)。

圖1 LN100搭配BIM 360 Layout軟件

采用BIM放樣機(jī)器人進(jìn)行建筑物放樣，主要包括放樣點(diǎn)位的設(shè)計(jì)和提取、模型數(shù)據(jù)云端同步、實(shí)際放樣等。

2.1 放樣點(diǎn)位的設(shè)計(jì)和提取

內(nèi)業(yè)人員先使用AUTODESK Revit、Navisworks、CAD或其他BIM建模軟件完成放樣設(shè)施的模型設(shè)計(jì)，然后再使用點(diǎn)位提取插件Autodesk Point Layout在模型中添加和提取好設(shè)計(jì)的若干控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)，如圖2所示，如果點(diǎn)位較多，可以批量提取。

圖2 設(shè)計(jì)模型中提取點(diǎn)位

2.2 模型數(shù)據(jù)云端同步

將帶有海量點(diǎn)位信息的BIM模型上傳至云端服務(wù)器；現(xiàn)場(chǎng)施工放樣人員在作業(yè)前，需在平板電腦上打開BIM 360數(shù)據(jù)同步軟件，登錄云端服務(wù)器，將設(shè)計(jì)模型下載至軟件，云端模型上傳和下載如圖3所示。

圖3 云端模型上傳和下載

2.3 實(shí)際放樣

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員將安裝有BIM 360 Layout應(yīng)用程序的平板電腦利用WiFi與Topcon LN100放樣機(jī)器人連接上，選取下載好的放樣模型，然后通過(guò)軟件提供的設(shè)站方式(后視定向和后方交會(huì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況任選其一)完成測(cè)站設(shè)置，便可以開始點(diǎn)位放樣工作；根據(jù)軟件中實(shí)時(shí)顯示并提示棱鏡所處3D模型的位置及距離設(shè)計(jì)點(diǎn)的偏移量數(shù)據(jù)，LN100即可迅速引導(dǎo)棱鏡到工地現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)計(jì)位置，精確定位控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)，儀器設(shè)站和模型點(diǎn)放樣如圖4所示。

圖4 儀器設(shè)站和模型點(diǎn)放樣

3 工程應(yīng)用案例

某地鐵車站施工全面引入了先進(jìn)的BIM建筑施工技術(shù)和理念，整個(gè)車站的3層建筑結(jié)構(gòu)空間及其相關(guān)站廳附屬設(shè)施均設(shè)計(jì)了專業(yè)的BIM模型供施工各環(huán)節(jié)、各參與方協(xié)同作業(yè)、共享使用，施工方在工程建設(shè)的許多環(huán)節(jié)和專業(yè)引入了一整套BIM解決方案，在施工測(cè)量環(huán)節(jié)也使用LN100 BIM放樣機(jī)器人來(lái)開展測(cè)量定位工作。在該地鐵站施工過(guò)程中，BIM機(jī)器人用來(lái)快速定位車站BIM模型中的3層土建施工控制點(diǎn)和大量結(jié)構(gòu)及管道設(shè)備放樣點(diǎn)，地鐵車站的綜合BIM模型如圖5所示。

圖5 地鐵車站的綜合BIM模型

實(shí)地作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)只需要一名作業(yè)人員即可開展放樣工作：首先，在現(xiàn)場(chǎng)任意一個(gè)通視條件良好的位置架設(shè)LN100儀器，開機(jī)后儀器會(huì)自動(dòng)整平，無(wú)須任何人工干預(yù)和操作，人員只需操作平板電腦通過(guò)WiFi連接儀器，進(jìn)入BIM 360 Layout軟件的設(shè)站界面，采用后視法或后方交會(huì)法設(shè)站，設(shè)站原理跟全站儀完全一致，設(shè)站完成后，車站的BIM模型中隨即出現(xiàn)LN100儀器和放樣對(duì)中桿及棱鏡的三維仿真模型，且位置與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置精確吻合，這時(shí)作業(yè)人員對(duì)手中真實(shí)棱鏡的任何移動(dòng)都會(huì)在軟件界面中被同步模擬顯示，也就是說(shuō)出現(xiàn)了兩個(gè)完全一致且實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)的位置空間——現(xiàn)實(shí)作業(yè)空間和軟件模擬空間，BIM放樣機(jī)器人地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 BIM放樣機(jī)器人地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)

然后，即可在車站三維模型中任意選擇所需的設(shè)計(jì)點(diǎn)位，開始直觀立體的放樣工作，如圖7所示為BIM放樣軟件界面，任意一個(gè)放樣點(diǎn)被選中后，軟件會(huì)立刻顯示棱鏡距離該放樣點(diǎn)的空間三維偏移量(前后、左右、上下)數(shù)值，精確到毫米，引導(dǎo)作業(yè)員快速移動(dòng)到放樣點(diǎn)所在位置，這個(gè)過(guò)程中LN100能夠始終保持對(duì)360°棱鏡的高速自動(dòng)跟蹤、持續(xù)測(cè)量(每秒20次的測(cè)量數(shù)據(jù)更新率)，作業(yè)人員根據(jù)軟件中直觀的模型動(dòng)態(tài)變化、視圖智能切換以及聲音、圖標(biāo)、色彩等多重提示，便能迅速確定放樣點(diǎn)位置，平面和高程精度都可以控制在 ±1.5 mm；在一處設(shè)站即可放樣通視視野內(nèi)所有目標(biāo)點(diǎn)；第二種放樣模式：在調(diào)取放樣點(diǎn)后，可操縱儀器先精確地轉(zhuǎn)動(dòng)到放樣方向，作業(yè)員再根據(jù)儀器的指向和紅綠放樣導(dǎo)向光快速到達(dá)放樣方向，儀器迅速重新鎖定棱鏡，引導(dǎo)作業(yè)員快速確定放樣點(diǎn)位置；如果有必要，還可以臨時(shí)在模型中捕捉和添加特征點(diǎn)位進(jìn)行放樣。

圖7 BIM放樣軟件界面

放樣完成的坐標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)至BIM模型，便于上傳回云端，利用內(nèi)業(yè)軟件對(duì)放樣點(diǎn)精度進(jìn)行檢查和評(píng)估。圖8為放樣點(diǎn)位精度檢查。

圖8 放樣點(diǎn)位精度檢查

上述整個(gè)放樣流程，不需要專業(yè)的測(cè)繪人員操作，只需簡(jiǎn)單掌握測(cè)量設(shè)站的原理和空間直角坐標(biāo)系知識(shí)即可，降低了推廣使用的難度，精度也有保證，因此對(duì)于施工人員具有較好的適用性。

4 結(jié) 語(yǔ)

測(cè)量機(jī)器人已經(jīng)誕生了二三十年時(shí)間，雖然還未大范圍普及，但已不是什么稀奇的測(cè)量設(shè)備，但先進(jìn)的放樣機(jī)器人硬件結(jié)合直觀的模型放樣軟件，實(shí)現(xiàn)完全的智能單人BIM測(cè)量系統(tǒng)，還是近年來(lái)剛剛開始流行的測(cè)繪新技術(shù)和新趨勢(shì)，其目標(biāo)直指BIM工程現(xiàn)場(chǎng)的施工放樣流程，同時(shí)降低了對(duì)作業(yè)人員的專業(yè)要求，再加上便利的數(shù)據(jù)流同步與共享，使得現(xiàn)場(chǎng)模型定位工作高效便捷，同時(shí)精度也能滿足設(shè)計(jì)要求。

實(shí)踐證明這類裝備和技術(shù)可以適用并滿足此類BIM項(xiàng)目的實(shí)際需求，可以在各項(xiàng)BIM工程項(xiàng)目尤其是地鐵建設(shè)工程中推廣應(yīng)用。隨著建筑和基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)的發(fā)展浪潮，BIM放樣機(jī)器人的應(yīng)用必將日益廣泛。