摘    要：　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程質(zhì)量的好壞與施工放樣大有關(guān)聯(lián)，測(cè)量工程與測(cè)量?jī)x器也在不斷更新，促使施工放樣工作越來(lái)越簡(jiǎn)化，精度越來(lái)越高。結(jié)合某高鐵樞紐火車(chē)站施工放樣項(xiàng)目，詳細(xì)探討基于BIM技術(shù)的測(cè)量機(jī)器人智能施工放樣的方法。針對(duì)異形鋼結(jié)構(gòu)鋼梁狹窄設(shè)站空間受限及鋼結(jié)構(gòu)工程施工速度快等問(wèn)題，闡述了基于測(cè)量機(jī)器人設(shè)站方式及詳細(xì)的放樣方法與步驟，利用移動(dòng)終端直接在BIM模型上選取放樣點(diǎn)，并利用儀器自動(dòng)追蹤功能簡(jiǎn)化了放樣流程。BIM模型與測(cè)量機(jī)器人的相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)位的快速放樣，極大的提高了放樣效率。

　　關(guān)鍵詞：　BIM技術(shù); 測(cè)量機(jī)器人; 放樣; 三維模型;

　　Abstract：　With the continuous development of science and technology,the quality of engineering is closely related to the construction of the stakeout.The measurement engineering and measuring instruments are also constantly updated,which makes the construction of the stakeout work more and more simplified and the precision is higher and higher.Combined with a high-speed railway station construction and lofting project,the method of intelligent construction and placement of measuring robot based on BIM technology is discussed in detail.Aiming at the problem that the narrow space of the steel beam of the special-shaped steel structure is limited and the construction speed of the steel structure is fast,the method and steps of setting up the station based on the measurement robot and the detailed stakeout method are described.The mobile terminal is used to directly select the stakeout point on the BIM model.The instrument's automatic tracking function simplifies the stakeout process.The combination of the BIM model and the measuring robot achieves rapid stakeout of the points and greatly improves the efficiency of the stakeout.

　　Keyword：　building information modeling(BIM)technology; measuring robot; setting out; three dimensional(3D) model;

　　0 、引言

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大型鋼結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目需求逐漸增多，所采用的施工方法也日新月異。在測(cè)量放樣領(lǐng)域，傳統(tǒng)放樣方法有經(jīng)緯儀放樣、全站儀放樣和GPS-RTK放樣。傳統(tǒng)的測(cè)量放樣多數(shù)使用的是二維的、不很直觀的圖紙。一般工程在施工高峰時(shí)，測(cè)量放線(xiàn)任務(wù)異常艱辛，由于工作面交叉，工作量大，受到儀器、環(huán)境、人為因素影響，精度出現(xiàn)偏差情況較多，進(jìn)而影響后繼施工[1,2,3]。如果造成放樣錯(cuò)誤，將引起工程返工或者設(shè)計(jì)變更，將增加成本和延緩工程進(jìn)度。而且鋼構(gòu)的復(fù)雜性、工作面交叉、工作量大、精度要求高等特點(diǎn)，也給傳統(tǒng)的放樣工作帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。鋼結(jié)構(gòu)放樣工作儀器需要架設(shè)在懸空的鋼梁上，由于鋼梁的寬度有限，往往導(dǎo)致儀器架設(shè)好之后沒(méi)有多余的空間留給測(cè)量員去操作；其次，在高空放樣，人員容易發(fā)生滑落，威脅到人的生命安全；第三，相較于地面，在細(xì)窄的鋼梁上的放樣速度更慢，而鋼結(jié)構(gòu)所需的放樣點(diǎn)位眾多，導(dǎo)致放樣的速度跟不上施工進(jìn)度，延緩工期，增加施工成本。

　　當(dāng)前，BIM(Building Information Modeling）技術(shù)的迅猛發(fā)展，在建筑行業(yè)[4,5]、施工成本控制[6,7]及施工質(zhì)量控制[8,9]得到廣泛的應(yīng)用。全站儀機(jī)器人結(jié)合BIM技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)施工圖紙數(shù)據(jù)創(chuàng)建成BIM模型[10]，將模型帶入現(xiàn)場(chǎng)，可直接通過(guò)三維模型操控測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)放樣，放樣效率高，且操作更安全[11,12,13,14]。為探討基于BIM技術(shù)測(cè)量機(jī)器人在鋼結(jié)構(gòu)放樣中的放樣技術(shù)流程，本文結(jié)合紅島高鐵站“浪花”屋面施工放樣案例，對(duì)設(shè)站空間受限、放樣點(diǎn)數(shù)眾多、工作量大、放樣效率低等問(wèn)題，提出測(cè)量機(jī)器人設(shè)站方式，并利用自動(dòng)追蹤功能簡(jiǎn)化放樣流程。使BIM模型與測(cè)量機(jī)器人相結(jié)合，將BIM技術(shù)應(yīng)用于施工放樣過(guò)程中，極大的提高了放樣效率。

　　1 、放樣原理

　　利用電子手簿上的藍(lán)牙功能與全站儀測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行連接，通過(guò)Trimble Access外業(yè)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)全站儀的智能操作。測(cè)量員在現(xiàn)場(chǎng)可直接利用BIM模型進(jìn)行放樣。具體步驟見(jiàn)下：

　　(1）從BIM模型中選擇放樣點(diǎn)，并創(chuàng)建放樣點(diǎn)。

　　(2）將BIM模型及所有的放樣點(diǎn)導(dǎo)入Trimble Access軟件中。

　　(3）進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)平板電腦選取BIM模型中所需放樣點(diǎn)，指揮機(jī)器人發(fā)射紅外激光自動(dòng)照準(zhǔn)現(xiàn)實(shí)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)點(diǎn)即所得”，從而將BIM模型精確的反應(yīng)到施工現(xiàn)場(chǎng)。

　　2 、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

　　本項(xiàng)目位于青蘭高速旁的濟(jì)青樞紐高鐵火車(chē)站，其融合高鐵、城際鐵路、地鐵、城市公交和出租車(chē)等諸多功能的大型綜合性交通樞紐。建筑面積70 000m2。南北兩側(cè)屋頂為由多個(gè)不規(guī)則雙曲面拼接而成的浪花形狀的異形結(jié)構(gòu)，其骨架部分全部由鋼梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成，從下到上共有四個(gè)部分組成：主體鋼構(gòu)、次鋼構(gòu)、主龍骨以及次龍骨。主龍骨與次龍骨是為了調(diào)節(jié)主體鋼構(gòu)以及次鋼構(gòu)由于組裝、焊接和涂裝等工序產(chǎn)生的偏差，使主體鋼結(jié)構(gòu)與曲面鋁板進(jìn)行匹配。本次研究主要針對(duì)連接主龍骨與次龍骨的圓盤(pán)放樣研究，所需放樣點(diǎn)數(shù)8 000個(gè)左右。由于鋼梁較細(xì)且懸空，儀器架設(shè)和人員操作的空間受限，采用傳統(tǒng)的全站儀放樣施工進(jìn)度緩慢，因此現(xiàn)場(chǎng)引進(jìn)測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能施工放樣，充分利用BIM的優(yōu)勢(shì)，提高放樣效率，發(fā)揮其工程價(jià)值。

　　3 、數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　根據(jù)建筑設(shè)計(jì)師提供的CAD三維設(shè)計(jì)圖，構(gòu)建三維模型，由于放樣只需兩層龍骨的模型數(shù)據(jù)以及圓盤(pán)的模型數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將不需要的圖元信息進(jìn)行隱藏，并將模型轉(zhuǎn)為IFC格式輸出。標(biāo)記待放樣點(diǎn)，輸出CSV格式數(shù)據(jù)。具體流程如圖1所示。

　　圖1 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

　　本次放樣針對(duì)主要針對(duì)圓盤(pán)底座的放樣，圓盤(pán)的目的是調(diào)節(jié)由于主鋼構(gòu)及主龍骨因?yàn)槠唇蛹庸ぎa(chǎn)生的偏移，放樣點(diǎn)為圓盤(pán)底座圓心。導(dǎo)出的模型如圖1所示。

　　圖2 待放樣圓盤(pán)

　　4 、施工坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

　　Digital Project軟件中模型的坐標(biāo)采用的是模型坐標(biāo)系，以設(shè)計(jì)模型中幕墻模型（0,0,0）為坐標(biāo)原點(diǎn)，以東方向?yàn)閤軸，北方向?yàn)閥軸，垂直xy軸向上為z軸。而現(xiàn)場(chǎng)施工采用的坐標(biāo)系，與模型坐標(biāo)系原點(diǎn)和指向均不一致，CAD設(shè)計(jì)圖紙中豎直方向?yàn)閤軸，水平方向?yàn)閥軸。故需要將放樣點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到施工坐標(biāo)系下。兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需要7個(gè)參數(shù)來(lái)描述，分別是3個(gè)旋轉(zhuǎn)角，3個(gè)平移距離，1個(gè)比例因子。如圖3所示。

　　圖3 兩空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

　　5 、現(xiàn)場(chǎng)施工放樣

　　5.1、 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

　　通過(guò)Trimble S5測(cè)量機(jī)器人放樣有兩種模式，一是將IFC模型導(dǎo)入外業(yè)應(yīng)用程序Trimble Access，通過(guò)放大、縮小及旋轉(zhuǎn)等功能，直接選擇模型上的點(diǎn)或者線(xiàn)進(jìn)行放點(diǎn)及放線(xiàn)的工作；二是將需要放樣的模型數(shù)據(jù)以及需要放樣的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到外業(yè)應(yīng)用程序中，通過(guò)點(diǎn)號(hào)進(jìn)行放樣工作。

　　5.1.1、 模型導(dǎo)入

　　通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備連接儀器之后，在項(xiàng)目欄新建任務(wù)，添加路徑到放有IFC格式的模型數(shù)據(jù)，軟件直接識(shí)別文件夾中的IFC模型數(shù)據(jù)，選中需要放樣的模型數(shù)據(jù)，加載到三維顯示窗口，加載完畢的模型如圖4所示。模型加載完成之后，在導(dǎo)入界面框選待放樣的模型，在三維視窗窗口就可以直接進(jìn)行模型上的點(diǎn)或線(xiàn)的放樣。

　　圖4 模型數(shù)據(jù)

　　5.1.2 、坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

　　任務(wù)界面下，選擇導(dǎo)入導(dǎo)出，在文件名處選擇csv格式的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，選擇北東高對(duì)應(yīng)的域值，本次放樣域1為點(diǎn)名，域2代表北坐標(biāo)即X坐標(biāo)，域3為Y坐標(biāo)，域4代為Z坐標(biāo)。選擇完成后，導(dǎo)入坐標(biāo)數(shù)據(jù)完成所需要放樣的區(qū)域。

　　5.2、 現(xiàn)場(chǎng)放樣

　　5.2.1、 設(shè)站

　　由于鋼梁較窄，為保障放樣工作順利進(jìn)行，需要將儀器架設(shè)在至少有三根主鋼構(gòu)交叉的地方，且需要在鋼構(gòu)上焊接螺絲帽用于固定架腿。架設(shè)好儀器后量取儀器高。在放樣界面選擇設(shè)站，輸入改正系數(shù)之后，輸入設(shè)站的點(diǎn)名、儀器高，儀器高分真高及底槽高，由于測(cè)量的儀器高為斜高，所以應(yīng)選擇低槽高作為儀器高。然后通過(guò)點(diǎn)號(hào)或鍵入坐標(biāo)值選擇后視點(diǎn)，輸入棱鏡高。通過(guò)搜索功能去鎖定棱鏡，完成后視定向的工作。儀器在瞄準(zhǔn)后視目標(biāo)之后，會(huì)直接進(jìn)行測(cè)量，在下方會(huì)顯示兩點(diǎn)之間的偏差。若差值滿(mǎn)足放樣精度要求，則設(shè)站成功進(jìn)；若不滿(mǎn)足要求，則需重新對(duì)中整平儀器，重新進(jìn)行設(shè)站操作。

　　5.2.2、 放樣

　　測(cè)站設(shè)置完成之后，程序會(huì)直接進(jìn)入放樣程序，此時(shí)，框選需要放樣的放樣點(diǎn)，按照點(diǎn)號(hào)進(jìn)行放樣。選擇待放樣點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，點(diǎn)擊放樣，儀器會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到待放樣點(diǎn)的方向進(jìn)行搜索，在捕捉到棱鏡之后自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，得到棱鏡放置位置與待放樣之間的偏差。根據(jù)偏差指示移動(dòng)棱鏡，選擇跟蹤模式，移動(dòng)棱鏡時(shí)，儀器也會(huì)隨著棱鏡的移動(dòng)而移動(dòng)。在各方向偏差滿(mǎn)足要求之后，現(xiàn)在棱鏡位置就是待放樣點(diǎn)位置。放樣完成后選擇接受，則會(huì)保存當(dāng)前點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行下一點(diǎn)的放樣。

　　將每個(gè)放樣點(diǎn)的點(diǎn)位誤差輸出為表格，便于后期數(shù)據(jù)資料的整理以及后期驗(yàn)收等工作（圖5）。

　　圖5 點(diǎn)放樣

　　5.2.3 、放樣精度比對(duì)分析

　　測(cè)量機(jī)器人精度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。為確保放樣點(diǎn)的對(duì)比以及誤差驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)選取若干點(diǎn)使用全站儀進(jìn)行對(duì)相同的點(diǎn)進(jìn)行放樣。兩個(gè)放樣結(jié)果相對(duì)比如表2所示。結(jié)果表明：X方向最大誤差為15mm,Y方向最大誤差為8mm,Z方向最大誤差為13mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

　　表1 測(cè)量機(jī)器人精度標(biāo)準(zhǔn)

　　6、 結(jié)束語(yǔ)

　　由于鋼結(jié)構(gòu)施工環(huán)境復(fù)雜、施工周期短，傳統(tǒng)全站儀放樣的速度達(dá)不到施工的要求。將BIM技術(shù)與測(cè)量機(jī)器人相結(jié)合，直接使用手簿中的模型指導(dǎo)放樣，并利用自動(dòng)追蹤功能，簡(jiǎn)化放樣程序，不僅可保證測(cè)量員的人身安全，并可提高放樣效率。隨著建筑施工要求越來(lái)越高以及BIM技術(shù)的不斷推廣，BIM技術(shù)與測(cè)量機(jī)器人相結(jié)合的技術(shù)將在復(fù)雜的大型項(xiàng)目中得到廣闊的應(yīng)用與發(fā)展。

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