王 劍 郭曉紅 王玉曉 陳會平 李海迪 董翔宇 王秀輝

中國建筑第二工程局有限公司 遼寧 沈陽 110016

當(dāng)今社會發(fā)展迅速，越來越多的大跨度鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房工程應(yīng)運(yùn)而生。保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際安裝精度，消除累積誤差影響著整個鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量和施工周期，更關(guān)系著整個工程的安全性[1-6]。

由于受運(yùn)輸或吊裝等條件限制，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般在工廠內(nèi)分類進(jìn)行制作后運(yùn)送至施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝。在此過程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造精度和拼接精度的把控是鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)質(zhì)量控制的難點(diǎn)，直接影響最終廠房的成形效果、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、耐久性和安全性。

在以往鋼結(jié)構(gòu)廠房施工中，大多運(yùn)用傳統(tǒng)的全站儀、鋼尺和檢驗(yàn)?zāi)０宓葘?gòu)件進(jìn)行檢測，再進(jìn)行整體預(yù)拼，不僅所需場地面積大，預(yù)拼過程煩瑣，且拼接精度無法把控，施工效率不高。本工程通過采用Tekla軟件深化設(shè)計(jì)＋三維掃描復(fù)測技術(shù)＋BIM智能測量技術(shù)，達(dá)到對整個鋼結(jié)構(gòu)工程全過程的高精度測量和定位，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)工程施工過程中的拼裝精度、安裝精度和施工效率，取得了理想的效果。

1 工程概況

本工程地處遼寧省沈陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)寶馬大道1號，占地面積為254 884.6 m2，總建筑面積為293 784 m2。車間建筑層數(shù)為1層，局部2層。主車間高跨區(qū)為13.15 m，低跨區(qū)為11.65 m，建筑主體部分為鋼柱鋼桁架結(jié)構(gòu)，餐廳和局部輔房部分為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂機(jī)械間部分采用鋼架結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目總用鋼量為3.2萬 t，鋼結(jié)構(gòu)柱數(shù)量為2 982根，鋼柱最大高度為19.05 m，最大鋼結(jié)構(gòu)柱的質(zhì)量為10.07 t，最大鋼結(jié)構(gòu)桁架跨度為30 m，最大鋼結(jié)構(gòu)桁架的質(zhì)量為41.5 t。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多且尺寸較大，易產(chǎn)生施工誤差，是采用該項(xiàng)技術(shù)的主要原因。

2 技術(shù)重難點(diǎn)

通過Tekla軟件進(jìn)行高精度建模，對整個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行深化、出圖，滿足工廠預(yù)制加工要求；用三維掃描儀對掃描構(gòu)件從不同的角度進(jìn)行三維數(shù)據(jù)捕捉，調(diào)整三維掃描儀相機(jī)的方向，對鋼構(gòu)件進(jìn)行全方位掃描。生成實(shí)體三維模型，將實(shí)體三維模型導(dǎo)入Tekla三維深化模型進(jìn)行對比檢查，分析預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工精度；通過BIM技術(shù)建立測量信息模型，通過移動端將測量信息模型導(dǎo)入智能全站儀設(shè)備，指導(dǎo)現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)安裝施工。利用BIMS項(xiàng)目管理平臺將現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題上傳云平臺進(jìn)行全過程跟蹤，保證后續(xù)施工質(zhì)量。

3 施工工藝流程

3.1 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)圖，使用Tekla軟件進(jìn)行三維實(shí)體模擬建造，準(zhǔn)確高效地搭建出與設(shè)計(jì)尺寸完全吻合的三維實(shí)體模型（圖1），自動生成所需的一切深化圖紙及資料。

圖1 深化設(shè)計(jì)模型

3.2 精確控制加工鋼構(gòu)件

1）下料：采用精密數(shù)控切割機(jī)切割桿件，對接坡口采用半自動切割機(jī)精密切割（圖2），最后將做好的桿件用三維掃描儀進(jìn)行復(fù)測，將不符合精度要求的單體桿件進(jìn)行校正修改，直到每個單體桿件符合精度要求。

圖2 鋼構(gòu)件下料示意

2）根據(jù)Tekla深化設(shè)計(jì)圖將下料完成的桿件放在相應(yīng)位置，同時用三維掃描儀掃描鋼構(gòu)件桿件坐標(biāo)點(diǎn)，確保桿件位置準(zhǔn)確，進(jìn)而保證組裝的精確性。

3）焊接：焊接各單體桿件的對接焊口。

3.3 三維掃描儀高精度掃描鋼構(gòu)件

鋼構(gòu)件組裝焊接后，利用三維掃描儀實(shí)測鋼構(gòu)件的幾何數(shù)據(jù)。掃描復(fù)測樣品選取同一批次出廠的2～3個成品構(gòu)件，掃描儀采用全局?jǐn)z影測量系統(tǒng)搭配手持式三維掃描儀，通過掃描鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的多幅2D圖像，計(jì)算出物體表面關(guān)鍵幾何信息，獲得物體3D數(shù)據(jù)。具體操作要點(diǎn)如下：

1）確保穩(wěn)定的三維掃描環(huán)境。進(jìn)行三維掃描首先須確保三維掃描儀建立在一個穩(wěn)定的環(huán)境中（避免強(qiáng)光和逆光對射，三維掃描儀的穩(wěn)固性等），要最大限度地減少環(huán)境破壞，確保三維掃描結(jié)果不會受到外部因素的影響。

2）三維掃描儀校準(zhǔn)。在三維掃描前，對機(jī)器進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中，要根據(jù)三維掃描儀預(yù)先設(shè)置的掃描模式，計(jì)算出掃描設(shè)備相對于掃描對象的位置。校準(zhǔn)掃描儀時，根據(jù)掃描對象調(diào)整設(shè)備系統(tǒng)設(shè)置的三維掃描環(huán)境。正確的相機(jī)設(shè)置會影響掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此必須確保曝光設(shè)置是正確的。嚴(yán)格按照制造商的說明進(jìn)行校準(zhǔn)工作，仔細(xì)校正不準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)無誤后，可通過三維掃描儀掃描已知三維數(shù)據(jù)的測量物體來檢查比對，如果發(fā)現(xiàn)掃描儀掃描的精度無法實(shí)現(xiàn)，需要重新校準(zhǔn)掃描儀。

3）對掃描鋼構(gòu)件表面進(jìn)行處理。使用亞光白色顯像劑覆蓋被掃描構(gòu)件的表面，在掃描構(gòu)件上噴上薄薄的一層顯像劑，目的是更好地掃描出構(gòu)件的三維特征，數(shù)據(jù)也會更精確。

4）開始掃描工作。準(zhǔn)備工作完成后便可以對鋼構(gòu)件進(jìn)行掃描了。用三維掃描儀對掃描構(gòu)件從不同的角度進(jìn)行三維數(shù)據(jù)捕捉，調(diào)整三維掃描儀相機(jī)的方向，對鋼構(gòu)件進(jìn)行全方位的掃描。

5）點(diǎn)云處理。對鋼構(gòu)件表面掃描完成后，系統(tǒng)會自動生成構(gòu)件的三維點(diǎn)云圖形。操作人員需對掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪點(diǎn)（多余的點(diǎn)云）去除以及平滑處理。

6）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。點(diǎn)云處理完后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)軟件自動將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成STL文件，便于之后與其他3D軟件對接。

3.4 三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tekla

將鋼構(gòu)件的3D模型，即STL文件，用Tekla軟件打開，逆向建模得到構(gòu)件實(shí)測模型（圖3）。

圖3 鋼構(gòu)件逆向建模實(shí)測模型

3.5 實(shí)測模型與理論模型比較

將理論模型導(dǎo)入三維圖形軟件中，合理地插入實(shí)測整體預(yù)拼裝坐標(biāo)系。采用擬合方法，將構(gòu)件實(shí)測模擬拼裝模型與拼裝工藝圖的理論模型進(jìn)行比對（圖4），得到分段構(gòu)件和端口的加工誤差以及構(gòu)件間的連接誤差。

圖4 實(shí)測模型與理論模型比對

3.6 鋼構(gòu)件高精度校正修改

統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，對于不符合規(guī)范允許的公差和現(xiàn)場安裝精度的分段構(gòu)件或零件，修改校正后重新測量、拼裝、比對，直至符合精度要求。

3.7 得到符合拼裝精度要求的實(shí)測模型

將校正后的實(shí)測模型按照設(shè)計(jì)軸線、標(biāo)高等對應(yīng)位置在Tekla軟件內(nèi)拼裝好（圖5），作為整體模型存檔，準(zhǔn)備下一道工序。

圖5 符合拼裝精度要求的實(shí)測模型

3.8 BIM＋智能全站儀測量放線

3.8.1 建立坐標(biāo)系

1）將Tekla深化模型分區(qū)輸出為IFC格式文件，使用Revit打開IFC文件，文件保存格式為.rvt。

2）打開Autodesk Point Layout面板創(chuàng)建坐標(biāo)系，在平面圖中任選一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，第二點(diǎn)確定坐標(biāo)系且輸入兩點(diǎn)實(shí)際距離，命名坐標(biāo)系，如果輸入的值不正確，或者選擇了不正確的點(diǎn)，軟件將顯示錯誤消息并提示重試。

3.8.2 設(shè)置控制點(diǎn)、放樣點(diǎn)

在Revit布局選項(xiàng)卡—APL面板—控制點(diǎn)設(shè)置模型控制點(diǎn)，構(gòu)建控制點(diǎn)時必須指定點(diǎn)編號和點(diǎn)描述，此控制點(diǎn)為模型中智能全站儀放置的位置。

3.8.3 導(dǎo)出點(diǎn)模型

1）導(dǎo)出當(dāng)前2D或3D視圖中的所有點(diǎn)?？梢允褂谩安眉魠^(qū)域”或“視圖范圍”修改視圖。導(dǎo)出的點(diǎn)選擇在當(dāng)前2D平面視圖中完成，并且僅導(dǎo)出在該視圖中可見的點(diǎn)。

2）在“導(dǎo)出指向文件”對話框中，指定設(shè)置。指定文件類型；指定用于設(shè)置小數(shù)點(diǎn)位數(shù)的導(dǎo)出精度；選擇“坐標(biāo)系統(tǒng)”以確保選擇了想要導(dǎo)出的坐標(biāo)系統(tǒng)；指定文件名和位置。選擇BIM 360字段創(chuàng)建附件，將附件鏈接到一個問題或任務(wù)；可選擇在BIM 360登錄對話框中，輸入用戶名和密碼；可選擇要附加問題或任務(wù)的字段項(xiàng)目；可在對話框中選擇問題或任務(wù)。導(dǎo)出完成時出現(xiàn)一條消息，單擊OK。

3.8.4 云端上傳、下載信息模型

將放樣點(diǎn)數(shù)據(jù)模型上傳至BIM360 Document，通過BIM360 layout APP將包含點(diǎn)的云端模型下載/同步到設(shè)備。

3.8.5 現(xiàn)場設(shè)站、放樣

1）將移動應(yīng)用程序與智能全站儀配對，導(dǎo)入APL/CSV控制點(diǎn)文件到全站儀設(shè)備。

2）設(shè)置全站儀：在施工現(xiàn)場將全站儀安裝在三腳架上，并用安裝螺栓固定；使用激光直線將全站儀與控制點(diǎn)對準(zhǔn)；用數(shù)字水平儀和三軸水平儀調(diào)節(jié)全站儀，使儀器達(dá)到水平狀態(tài)；檢查鉛錘是否對準(zhǔn)控制點(diǎn)，必要時用安裝螺栓調(diào)整。

3）按程序提示在施工現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)站，設(shè)站方式可選擇后方交會和已知點(diǎn)。

①占用點(diǎn)的設(shè)置程序（圖6）。通過全站儀和后視儀占領(lǐng)一個已知的控制點(diǎn)到另一個已知的控制點(diǎn)，確定儀器在現(xiàn)場的實(shí)際方位。

圖6 占用點(diǎn)設(shè)置程序

②參考點(diǎn)的設(shè)置程序（圖7）。將全站儀設(shè)置在一個隨機(jī)的位置，并參考2～3個已知的控制點(diǎn)來三角測量全站儀的當(dāng)前位置，提高全站儀的測量精度，減小測量誤差。

圖7 參考點(diǎn)設(shè)置程序

4）完成設(shè)站后，手持棱鏡和智能全站儀的實(shí)際位置將顯示在移動應(yīng)用程序BIM360 layout中，現(xiàn)實(shí)中移動棱鏡，三維模型中虛擬棱鏡同步移動。

5）完成設(shè)站工作后，根據(jù)移動端信息模型選擇需要進(jìn)行放樣的點(diǎn)位，智能全站儀會在需要放樣的柱腳引出激光點(diǎn)，若放樣點(diǎn)位遇到障礙物，可使用移動棱鏡繞開障礙物，當(dāng)移動棱鏡與設(shè)置放樣點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）差值為零時，完成此位置放樣。

3.9 云平臺輔助驗(yàn)收

配合BIMS項(xiàng)目管理平臺將現(xiàn)場安裝不符合要求的鋼構(gòu)件問題上傳至云端，相關(guān)現(xiàn)場管理人員及時跟蹤問題并進(jìn)行整改。

4 結(jié)語

本工程以大型鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作安裝為研究對象，提高了鋼結(jié)構(gòu)工程的過程拼裝精度和安裝精度。通過BIM與智能測量技術(shù)的結(jié)合，有效減少了施工誤差帶來的返工，提高了施工效率，同時將BIM數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場結(jié)合，提高了工程的信息化水平。

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[3] 沈鍇,劉鑫.BIM+測量機(jī)器人在抗浮錨桿施工中的應(yīng)用［J］.建筑施工,2020,42(10):1974-1976.

[4] 張陸杰.BIM技術(shù)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工管理中的應(yīng)用分析[J].綠色環(huán)保建材,2018(1):133;135.

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