張少帥，吳東方，李浩坤，王道亮，魏李照

(陜西建工第五建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，大量體現(xiàn)時(shí)代氣息和具有文化內(nèi)涵的異形建筑，如多段圓弧形結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn),給測(cè)量施工帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確地對(duì)弧形結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量定位是弧形建筑施工的重難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)異形混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)分部工程施工技術(shù)如測(cè)量技術(shù)的專(zhuān)項(xiàng)研究依舊較少。李強(qiáng)等[1]在富陽(yáng)北支江水上運(yùn)動(dòng)中心異形結(jié)構(gòu)工程施工測(cè)量中詳細(xì)闡述了從布設(shè)到測(cè)量的過(guò)程，并提出相應(yīng)的施工方案，保證了施工的連續(xù)性和均衡性。黃曙亮等[2]在北京銀河SOHO中心的測(cè)量工作中利用Revit軟件對(duì)圖紙上的曲線(xiàn)特征點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型庫(kù)，現(xiàn)場(chǎng)放樣時(shí)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入全站儀，直接進(jìn)行放樣。鄒利群等[3]基于琴臺(tái)美術(shù)館任意雙曲面殼體屋蓋工程，借助測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行BIM放樣，驗(yàn)證了測(cè)量機(jī)器人放樣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。曹啟光等[4]在異形鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量施工中提出在鋼結(jié)構(gòu)定位安裝中使用BIM+RTS測(cè)量機(jī)器人的測(cè)量方法，有效提高了放樣精度及工作效率。方睿等[5-6]基于Revit二次開(kāi)發(fā)對(duì)異形結(jié)構(gòu)放樣及變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行深入研究，驗(yàn)證了Revit二次開(kāi)發(fā)放樣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

各案例證明BIM技術(shù)在施工測(cè)量中有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行BIM技術(shù)結(jié)合異形結(jié)構(gòu)測(cè)量施工研究，能有效提升異形建筑測(cè)量效率及精度。然而，對(duì)于多段圓弧結(jié)構(gòu)測(cè)量的研究文獻(xiàn)仍較少，鑒于此，本文結(jié)合陜西青年職業(yè)學(xué)院新校區(qū)項(xiàng)目，通過(guò)分析BIM技術(shù)+測(cè)量機(jī)器人工藝原理，分析其在多段圓弧結(jié)構(gòu)測(cè)量的應(yīng)用，以期為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

陜西青年職業(yè)學(xué)院新校區(qū)位于西安市長(zhǎng)安區(qū)常寧新區(qū)神禾三路以南，項(xiàng)目占地面積12.67萬(wàn)m2，建筑面積11.62萬(wàn)m2，包括試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)樓、教學(xué)樓、綜合樓、圖書(shū)館、教師辦公用房、師生活動(dòng)用房、會(huì)堂等多種建筑，主體為框架結(jié)構(gòu)，地上5層，局部有地下室，項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 陜西青年職業(yè)學(xué)院新校區(qū)項(xiàng)目效果

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

2.1 工程特點(diǎn)

本項(xiàng)目由12棟單體組成，其中5棟樓均為不同圓心圓弧結(jié)構(gòu)。平面定位精度要求高，測(cè)量定位過(guò)程中坐標(biāo)數(shù)據(jù)多、實(shí)測(cè)工作量大。

2.2 工程難點(diǎn)

1)本工程外立面由多段圓弧組成，外立面弧度的不斷變換形成大量無(wú)規(guī)律空間點(diǎn)，無(wú)法有效通過(guò)傳統(tǒng)方法定位點(diǎn)引測(cè)出空間點(diǎn)平面投影與樓層軸網(wǎng)的位置關(guān)系。

2)圓弧形建筑結(jié)構(gòu)因其外部造型復(fù)雜、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)變換大，往往需要大量的定位點(diǎn)，且大部分定位點(diǎn)并不能通過(guò)已有的施工圖紙資料獲取，需通過(guò)一定的輔助手段才能實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)換部位控制點(diǎn)的平面定位。

3)圓弧形建筑控制點(diǎn)由平面引測(cè)至空間，往往缺少有效的引測(cè)參照，空間定位通常無(wú)法直接確定，且易出現(xiàn)定位誤差。

3 測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工藝原理

傳統(tǒng)弧形結(jié)構(gòu)測(cè)量放線(xiàn)工作主要依據(jù)解析幾何法先進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算，再使用經(jīng)緯儀與鋼卷尺進(jìn)行聯(lián)合放線(xiàn)。與其他幾種方法相比較，基于BIM+測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行多段弧形結(jié)構(gòu)放樣測(cè)量具有測(cè)量精度高、速度快、內(nèi)業(yè)計(jì)算量小的特點(diǎn)，其工藝原理如圖2所示[7-8]。施工中，先確認(rèn)放樣工作內(nèi)容，再建立 BIM 3D模型，通過(guò)調(diào)整模型坐標(biāo)系，提取放樣點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入測(cè)量機(jī)器人手簿，最后在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)測(cè)量機(jī)器人，進(jìn)行建筑物放樣測(cè)量。

圖2 工藝原理

3.2 設(shè)置項(xiàng)目基點(diǎn)

施工時(shí)用水準(zhǔn)儀將甲方提供的BM1，BM2標(biāo)高傳遞到D1，D2，D3區(qū)域，1號(hào)實(shí)訓(xùn)樓、2號(hào)教學(xué)樓及周邊地下車(chē)庫(kù)以D1標(biāo)高作為±0.000以下施工標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，6號(hào)綜合樓及周邊地下車(chē)庫(kù)以D2標(biāo)高作為±0.000以下施工標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，并標(biāo)明絕對(duì)高程，便于在施工中使用，如圖3所示。

圖3 項(xiàng)目基點(diǎn)設(shè)置

3.3 BIM模型建立及數(shù)據(jù)處理

項(xiàng)目將BIM模型與智能型全站儀進(jìn)行集成應(yīng)用，具體配置如表1所示。

表1 測(cè)量?jī)x器配置

3.3.1坐標(biāo)定位

在Auto CAD場(chǎng)地平面圖中調(diào)出并解鎖項(xiàng)目基點(diǎn)及測(cè)量點(diǎn)，使用Revit軟件，以項(xiàng)目樣板方式鏈接原始定位圖，將項(xiàng)目定位圖的任一已知坐標(biāo)點(diǎn)置于項(xiàng)目基點(diǎn)并鎖定。點(diǎn)擊項(xiàng)目基點(diǎn)及測(cè)量點(diǎn)輸入已知點(diǎn)坐標(biāo)，Revit建模坐標(biāo)定位如圖4所示。

圖4 Revit建模坐標(biāo)定位

3.3.2BIM 3D模型建立

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)定建模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則及圖紙，使用Revit2016軟件進(jìn)行精細(xì)化模型建立。建立多段圓弧混凝土結(jié)構(gòu)3D模型，如圖5所示。

圖5 BIM 3D模型

3.3.3創(chuàng)建并調(diào)整放樣點(diǎn)

按構(gòu)件類(lèi)型創(chuàng)建放樣點(diǎn)，根據(jù)不同構(gòu)件類(lèi)型放樣點(diǎn)建立不同族庫(kù)。多段圓弧結(jié)構(gòu)具有多段復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，其部分點(diǎn)位布設(shè)如圖6所示。因此通過(guò)Revit自定義移動(dòng)功能，分次移動(dòng)圓弧弦線(xiàn)中點(diǎn)并量取至圓弧垂直距離進(jìn)行調(diào)整，使多段圓弧形成近似圓弧形狀，最終創(chuàng)建完成所有需要放樣的點(diǎn)位。

圖6 多段圓弧結(jié)構(gòu)部分點(diǎn)位布設(shè)

3.3.4坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

由于Revit2016中的定位模型坐標(biāo)系與現(xiàn)場(chǎng)施工坐標(biāo)系原點(diǎn)和坐標(biāo)軸指向不一致，因此，BIM模型創(chuàng)建完成后需將放樣點(diǎn)屬性的坐標(biāo)系、坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)。使用文獻(xiàn)[5]的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，將模型坐標(biāo)系換算為施工坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換模型為：

(1)

式中：x，y為施工坐標(biāo)；x0，y0為模型坐標(biāo)；Δx，Δy為平移參數(shù)；m為縮放因子；θ為旋轉(zhuǎn)角。

完成BIM放樣點(diǎn)的創(chuàng)建后，對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，隱藏不需要的圖元信息，并將模型轉(zhuǎn)為IFC格式輸出。

3.4 測(cè)量機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)量

BIM坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理完成后，需在測(cè)量機(jī)器人放樣系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)站、任務(wù)創(chuàng)建及放樣實(shí)施。測(cè)量機(jī)器人選用徠卡TS50，該儀器精度高、性能穩(wěn)定，可自動(dòng)搜索目標(biāo)、精確照準(zhǔn)目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并具有計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)異性能。

機(jī)器人測(cè)量放樣系統(tǒng)主要由軟件和硬件組成。軟件用于從Revit軟件中選取放樣點(diǎn)坐標(biāo)和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)將經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換的Revit模型坐標(biāo)數(shù)據(jù)讀取導(dǎo)入平板電腦中；硬件用于施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣。

3.4.1儀器設(shè)站原理

放樣測(cè)量時(shí)，從場(chǎng)地已知點(diǎn)出發(fā)，采用后方交匯法進(jìn)行設(shè)站。使用平板電腦選取測(cè)量弧形結(jié)構(gòu)部分各圓心位置及各段圓弧起止點(diǎn)位，設(shè)站原理如圖7所示。

圖7 設(shè)站原理

3.4.2儀器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)站

BIM坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理完成后，首先，需在測(cè)量機(jī)器人放樣系統(tǒng)中進(jìn)行任務(wù)創(chuàng)建。其次，在徠卡TS50主菜單程序中打開(kāi)測(cè)量功能，進(jìn)入開(kāi)始測(cè)量界面，進(jìn)行設(shè)站工作，并輸入設(shè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、使用棱鏡高度、點(diǎn)坐標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

主要步驟如下：①在Autodesk Revit軟件中安裝插件Trimble Field Points，使用插件在模型中選取并設(shè)置點(diǎn)位；②在圓弧結(jié)構(gòu)每隔1m標(biāo)記1個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，拾取待放樣的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)編號(hào)并生成點(diǎn)坐標(biāo)列表；③將所有坐標(biāo)點(diǎn)和3D模型導(dǎo)入平板電腦，在平板電腦上安裝Trimble Field Link軟件；④在放樣系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣，同時(shí)完成坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記，指揮現(xiàn)場(chǎng)放樣點(diǎn)設(shè)置。

3.4.3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣

利用測(cè)量機(jī)器人手簿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣，在手簿中可實(shí)時(shí)瀏覽導(dǎo)入的BIM 3D模型。在手簿中選取設(shè)定好的多段圓弧放樣點(diǎn)，全程由平板電腦和放樣軟件控制，按手簿中的放樣點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示圓弧點(diǎn)位編號(hào)、坐標(biāo)及三維可視化模型數(shù)據(jù)，平板電腦中動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前棱鏡桿位置和目標(biāo)位置信息，施工人員根據(jù)距離差別數(shù)值移動(dòng)棱鏡桿直至兩者距離差別在允許范圍內(nèi)，即可確定放樣點(diǎn)位并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記。

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

測(cè)量機(jī)器人支持現(xiàn)場(chǎng)拍照，可自動(dòng)保存放樣數(shù)據(jù)和生成放樣報(bào)告。在施工過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多次復(fù)測(cè)校核，確保點(diǎn)位精確，保證施工整體放樣效果。

4 實(shí)施效果

4.1 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為驗(yàn)證BIM放樣軟件的精度，本文隨機(jī)選取背景工程結(jié)構(gòu)中的10組坐標(biāo)，將測(cè)量的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。放樣偏差基本在1mm以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了測(cè)量放樣精度滿(mǎn)足要求。

4.2 效果分析

1)實(shí)測(cè)效率高 以半數(shù)圓弧梁為例，總長(zhǎng)度60m，共60個(gè)點(diǎn)位，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理1人用時(shí)1h，現(xiàn)場(chǎng)人工投入2人，共用時(shí)2h。傳統(tǒng)測(cè)量方法內(nèi)業(yè)處理點(diǎn)位提取1人用時(shí)4h，現(xiàn)場(chǎng)放樣4人，用時(shí)16h。因此，使用BIM+測(cè)量機(jī)器人可極大地降低測(cè)量工作人力及時(shí)間的投入，效率顯著提高。

2)測(cè)量精度高 GB 50026—2020《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》及 GB/T 12898—2009《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》要求使用水準(zhǔn)儀設(shè)備精度為±3mm，經(jīng)緯儀設(shè)備精度為±2mm，鋼尺設(shè)備精度為±1mm，2m靠尺設(shè)備精度為±1mm，塞尺設(shè)備精度為±1mm，在測(cè)量過(guò)程中還存在人為因素導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人測(cè)量精度可達(dá)到±1mm，且不存在人為因素導(dǎo)致測(cè)量誤差增大，較傳統(tǒng)人工實(shí)測(cè)實(shí)量方式優(yōu)勢(shì)明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

將BIM+測(cè)量機(jī)器人技術(shù)綜合應(yīng)用于陜西青年職業(yè)學(xué)院弧形混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)量施工中，通過(guò)建立BIM模型，并將其坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為施工坐標(biāo)，最后將施工坐標(biāo)導(dǎo)入測(cè)量機(jī)器人工作簿，指導(dǎo)實(shí)際測(cè)量放樣施工。工程實(shí)踐證明，該技術(shù)對(duì)類(lèi)似測(cè)點(diǎn)多、精度要求高的異形結(jié)構(gòu)工程具有良好的應(yīng)用價(jià)值，能提升工程管理信息化水平，大大提高多段圓弧異形結(jié)構(gòu)測(cè)量放樣精度及施工效率。