基于BIM的智能放樣技術(shù)在激光小鎮(zhèn)鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

在建筑施工過程中，測量工作是項(xiàng)目管理中的一項(xiàng)重要工作，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到建筑工程實(shí)體是否與設(shè)計(jì)成果一致，進(jìn)而影響到建筑是否能順利交付以及使用功能是否滿足要求。傳統(tǒng)的施工放線工作通常以二維圖紙為依據(jù)，以全站儀為測量工具，通過大量的人工演算確定全站儀的設(shè)站位置、目標(biāo)點(diǎn)間的角度和距離關(guān)系等參數(shù)，并由測量人員根據(jù)這些參數(shù)操作全站儀，指引棱鏡到達(dá)正確的點(diǎn)位，以完成放線工作。傳統(tǒng)的施工放線工作主要依靠測量人員進(jìn)行，測量誤差常受測量人員專業(yè)能力、工作態(tài)度等影響。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，施工放線工作中開始引入BIM技術(shù)，將BIM模型作為施工測量的依據(jù)[2]?；贐IM的智能放樣技術(shù)，以智能化的放樣機(jī)器人為測量工具，通過將模型數(shù)據(jù)輸入放樣機(jī)器人中并操作機(jī)器人完成放樣工作，具有放樣速度快、節(jié)省人工等優(yōu)點(diǎn)?；贐IM的智能放樣技術(shù)已應(yīng)用于復(fù)雜形狀的放樣、地下管線施工、預(yù)留預(yù)埋施工、裝飾裝修工程等。在結(jié)構(gòu)施工階段應(yīng)用基于BIM的放樣技術(shù)，在前期已確定的測量控制點(diǎn)基礎(chǔ)上，通過智能放線機(jī)器人對樓層平面內(nèi)進(jìn)行放線定位，將BIM模型數(shù)據(jù)等設(shè)計(jì)成果中的各種尺寸信息轉(zhuǎn)移到施工現(xiàn)場建筑物實(shí)體上，快速確定樓層內(nèi)建筑和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝位置。1?工程概況激光小鎮(zhèn)孵化器1號樓主體地下1層，地上10層，其中地下部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上部分為鋼框架結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)部分主要包括兩棟塔樓中的鋼柱、鋼梁以及兩棟塔樓間的鋼結(jié)構(gòu)連廊。激光小鎮(zhèn)孵化器1號樓建筑主體模型如圖1所示。圖1?項(xiàng)目主體模型示意2?基于BIM的智能放樣工作流程智能放樣機(jī)器人是連接BIM模型和施工現(xiàn)場的重要工具，一般由全站儀和平板電腦組成。其中，全站儀接受平板電腦的控制，能夠自行轉(zhuǎn)動，在放線工作中用于照準(zhǔn)目標(biāo)；平板電腦是放線機(jī)器人的數(shù)據(jù)處理中心，其中存儲有工作區(qū)域的設(shè)計(jì)模型或圖紙，通過搭載的專用軟件將設(shè)置好放樣點(diǎn)的BIM模型導(dǎo)入機(jī)器人中，機(jī)器人可直接依據(jù)BIM模型中的位置信息確定相應(yīng)點(diǎn)在施工現(xiàn)場實(shí)際位置，節(jié)省了復(fù)雜的內(nèi)業(yè)計(jì)算工作和施工現(xiàn)場反復(fù)找點(diǎn)過程?；贐IM的智能放樣工作流程主要分為3個(gè)階段，分別是放樣前的準(zhǔn)備工作、放樣過程中在施工現(xiàn)場的測量工作和放樣完成后的數(shù)據(jù)處理工作，具體流程如下。（1）準(zhǔn)備工作。選定放線工作的范圍，獲取該范圍對應(yīng)的BIM模型或CAD設(shè)計(jì)圖并轉(zhuǎn)換為專用軟件可接受的文件格式。將模型或圖紙導(dǎo)入平板電腦并選定參考點(diǎn)及待放出的點(diǎn)。（2）現(xiàn)場工作?，F(xiàn)場架設(shè)儀器，在建立平板電腦和全站儀間通信連接后，通過照準(zhǔn)2個(gè)或3個(gè)已知點(diǎn)確定全站儀自身位置?，F(xiàn)場放線，通過平板電腦指揮全站儀在地面等處確定目標(biāo)點(diǎn)的位置并進(jìn)行標(biāo)記。（3）數(shù)據(jù)處理。在平板電腦中導(dǎo)出放樣報(bào)告、實(shí)際點(diǎn)位坐標(biāo)等文件。如圖2所示。

圖2?基于BIM的智能放樣工作流程3?基于BIM的智能放樣施工3.1?模型處理使用的智能放樣機(jī)器人以BIM模型或CAD圖紙為放樣依據(jù)。進(jìn)行放樣工作前需要先獲取所放樣區(qū)域的設(shè)計(jì)模型或圖紙，對模型或圖紙進(jìn)行適當(dāng)處理后，用于指導(dǎo)放線工作。智能放樣機(jī)器人支持常見的數(shù)據(jù)格式，如DWG、DXF、SKP、IFC和PDF等格式，查看3D設(shè)計(jì)模型或二維圖紙并與之交互。Revit軟件建立的RVT格式的BIM模型不能直接使用，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本項(xiàng)目采用將Revit建立的BIM模型轉(zhuǎn)換為DWG格式圖紙文件的方式，實(shí)現(xiàn)與智能放樣機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳遞。在樓層平面上進(jìn)行放線時(shí)，為了便于選取放樣點(diǎn)，可在Revit軟件中選取某一層的平面視圖，通過導(dǎo)出圖紙的方法將該視圖轉(zhuǎn)換為DWG格式文件。當(dāng)需要在三維空間中進(jìn)行放樣時(shí)，可選取某一層樓的3D視圖導(dǎo)出為DWG格式文件，以方便選取放樣點(diǎn)，避免因圖元間的遮擋而選取了錯(cuò)誤的放樣點(diǎn)。導(dǎo)出的DWG格式模型文件通過U盤導(dǎo)入智能放樣機(jī)器人的平板電腦，并使用專用的軟件進(jìn)行讀取。軟件在讀取圖紙文件的同時(shí)，會自動為圖紙創(chuàng)建相應(yīng)的工程文件，后續(xù)各種操作均以該工程文件為基礎(chǔ)。3.2?放樣點(diǎn)確定盡管可以在建模軟件中畫出施工現(xiàn)場已知點(diǎn)在設(shè)計(jì)模型或圖紙上的對應(yīng)位置，但直接導(dǎo)入專用軟件中的模型和圖紙并不能直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場放線。為了確定已知點(diǎn)和施工現(xiàn)場需要放出的點(diǎn)，需要在專用軟件中對這些點(diǎn)進(jìn)行手動標(biāo)記，在相應(yīng)的位置上設(shè)置點(diǎn)標(biāo)記。軟件中提供了捕捉圖元并進(jìn)行標(biāo)記的工具。在標(biāo)記放樣點(diǎn)的過程中，一般選擇直接捕捉圖元上特征點(diǎn)的方式，通過直接在平板電腦上點(diǎn)擊的方式進(jìn)行標(biāo)記。在建筑結(jié)構(gòu)施工中，重要的點(diǎn)一般是圖上的交叉點(diǎn)、頂點(diǎn)、角點(diǎn)、中點(diǎn)等特征點(diǎn)。軟件中提供的工具可直接選中這些點(diǎn)，并通過軟件的“創(chuàng)建”命令建立標(biāo)記點(diǎn)，如圖3所示。圖3?在專用軟件中標(biāo)記點(diǎn)在放樣機(jī)器人的軟件系統(tǒng)中，所有的標(biāo)記點(diǎn)都是相同的，并不區(qū)分哪些點(diǎn)是已知位置的控制點(diǎn)，哪些點(diǎn)是實(shí)際位置未知需放出的點(diǎn)。為區(qū)分不同類型的點(diǎn)，可通過修改點(diǎn)的編號進(jìn)行區(qū)分。在放樣前確定已知點(diǎn)和放樣點(diǎn)在圖上的位置時(shí)，若模型或圖紙的尺寸是按照1∶1比例繪制且尺寸精度滿足施工要求時(shí)，可直接使用圖紙進(jìn)行放樣點(diǎn)的標(biāo)記。此時(shí)不需要進(jìn)行復(fù)雜的點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，僅需在平板電腦上點(diǎn)選所需放出的點(diǎn)，可大幅減少放線施工前內(nèi)業(yè)計(jì)算的工作量。3.3?測站設(shè)置完成放樣點(diǎn)的設(shè)置后，即可攜帶整套儀器前往現(xiàn)場進(jìn)行放樣工作。測站設(shè)置的方法與傳統(tǒng)的全站儀放樣基本一致，需將智能放樣機(jī)器人的全站儀放置在施工現(xiàn)場較平穩(wěn)位置，同時(shí)需確保全站儀所在位置與目標(biāo)點(diǎn)位可以通視。智能放線機(jī)器人全站儀具有自動整平功能，因此在架設(shè)儀器時(shí)僅需進(jìn)行粗略整平即可。智能放樣機(jī)器人的設(shè)站工作原理與傳統(tǒng)全站儀放樣時(shí)設(shè)站的原理相同，均依靠兩個(gè)已知位置坐標(biāo)的點(diǎn)確定儀器自身所在位置。與傳統(tǒng)全站儀放線所不同的是，智能放樣機(jī)器人在設(shè)站過程中無需輸入已知點(diǎn)的坐標(biāo)值，在平板電腦上點(diǎn)擊已標(biāo)記的已知點(diǎn)后儀器自動獲取點(diǎn)在圖上的坐標(biāo)。通過照準(zhǔn)已知位置的兩個(gè)控制點(diǎn)，智能放樣機(jī)器人自動計(jì)算出全站儀的設(shè)站位置，并顯示在平板電腦上，如圖4所示。智能放樣機(jī)器人在設(shè)站過程中，當(dāng)照準(zhǔn)兩個(gè)已知點(diǎn)并完成測量后，軟件會自動進(jìn)行誤差計(jì)算，并在軟件中的模型上進(jìn)行可視化展示，直觀地顯示誤差大小和方向，輔助測量人員進(jìn)行調(diào)整棱鏡位置或更換使用的已知點(diǎn)。3.4?現(xiàn)場放樣全站儀設(shè)站完成后，即可進(jìn)行現(xiàn)場放樣工作，將圖紙中待放出的點(diǎn)投在施工現(xiàn)場的地面或其他固定物體上。具有免棱鏡照準(zhǔn)功能的智能放樣機(jī)器人一般有配合棱鏡和免棱鏡2種放樣模式。（1）在配合棱鏡的放樣模式中，全站儀通過跟蹤棱鏡進(jìn)行定位，同時(shí)將棱鏡、全站儀、待放出點(diǎn)的位置均實(shí)時(shí)顯示在軟件中，軟件根據(jù)棱鏡與待放出點(diǎn)的相對位置指揮測量人員移動棱鏡至待放出的點(diǎn)。當(dāng)棱鏡所在位置與目標(biāo)點(diǎn)位距離足夠近時(shí)，軟件會以帶有箭頭的圓圈顯示棱鏡與目標(biāo)點(diǎn)的距離和方向，輔助測量人員精確移動棱鏡，如圖5所示。在使用棱鏡放樣過程中，全站儀無需測量人員進(jìn)行操作，全程僅需1名測量人員手持平板電腦和棱鏡，在施工現(xiàn)場移動至目標(biāo)點(diǎn)位并做標(biāo)記。

圖4?確定全站儀設(shè)站位置

圖5?配合棱鏡的放樣模式（2）在免棱鏡的放樣模式中，全站儀工作在免棱鏡模式下，無需棱鏡即可照準(zhǔn)并測量目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。在該模式下，全站儀鏡頭中設(shè)置的激光發(fā)射器發(fā)射一條綠色激光，在施工現(xiàn)場的物體上打出一個(gè)肉眼可見的綠色激光點(diǎn)。在放樣過程中，全站儀自動照準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)位，綠色激光點(diǎn)指示目標(biāo)點(diǎn)的位置。測量人員在平板電腦上點(diǎn)擊所要放出的點(diǎn)后，全站儀自動旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)位并自動進(jìn)行測量，以獲取實(shí)際點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)及放樣誤差。若儀器測量3次仍無法測得實(shí)際點(diǎn)處于誤差范圍內(nèi)，則在平板電腦上提示放樣不成功。這一過程同樣僅需1人即可完成全部放樣工作。該模式與配合棱鏡的放樣模式的不同在于無需使用棱鏡，全站儀直接對目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行照準(zhǔn)和測量，而不是通過對棱鏡的測量計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的位置，免去測量人員手持棱鏡在施工現(xiàn)場尋找目標(biāo)點(diǎn)的過程，適合在缺少參照物的空曠環(huán)境下進(jìn)行放樣工作。由于該模式下測量人員依靠全站儀發(fā)射激光確定點(diǎn)位，不需要通過望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)棱鏡，因此放樣工作不受外界光照環(huán)境影響，即使是在晚間或照明條件較差的環(huán)境中儀器仍可正常工作。3.5?數(shù)據(jù)處理在使用智能放樣機(jī)器人進(jìn)行放樣工作時(shí)，每次照準(zhǔn)并測量目標(biāo)點(diǎn)位時(shí)軟件均會記錄所照準(zhǔn)點(diǎn)位實(shí)際坐標(biāo)，并計(jì)算出實(shí)際位置和設(shè)計(jì)位置間誤差，以指導(dǎo)測量人員修正。放樣結(jié)束后，軟件中記錄放樣時(shí)間、放樣點(diǎn)編號、放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)際位置等信息，可通過軟件生成固定格式的報(bào)告用于放樣工作的總結(jié)。智能放樣機(jī)器人配套的專用軟件可文檔形式對放出點(diǎn)所屬項(xiàng)目、放出點(diǎn)的數(shù)量、放線工作的時(shí)間、測站位置、放出點(diǎn)的編號等內(nèi)容進(jìn)行匯總，并且可統(tǒng)計(jì)每次放出點(diǎn)的平均速度。對于放出點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息和誤差信息，軟件可以表格或CAD圖的形式進(jìn)行匯總和展示。4?基于BIM智能放樣技術(shù)的優(yōu)勢BIM智能放樣技術(shù)與傳統(tǒng)全站儀放樣技術(shù)相比，具有放樣效率高、誤差受測量人員影響小、可在照明不良的條件下工作等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的全站儀放樣通常需要2個(gè)人或3個(gè)人共同完成放樣任務(wù)，其中需要1人操作全站儀進(jìn)行瞄準(zhǔn)和觀察，另1人手持棱鏡按照全站儀操作者的指令，在施工現(xiàn)場移動尋找目標(biāo)點(diǎn)。這一過程需要測量人員密切溝通，工作效率受測量人員溝通質(zhì)量和技術(shù)水平的影響較大。當(dāng)施工現(xiàn)場的參照物較少時(shí)，手持棱鏡的施工人員難以快速找到目標(biāo)點(diǎn)的大概位置，全站儀也難以對棱鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤為棱鏡移動提供指導(dǎo)，因此全站儀放樣工作模式下的放樣效率較低。放樣點(diǎn)的精度受測量人員的技術(shù)水平、工作態(tài)度甚至工作當(dāng)天的心情等因素影響較大?；贐IM的智能放樣技術(shù)僅需一人即可完成全部放樣工作，通過將平板電腦固定在棱鏡桿上或使用免棱鏡放樣模式，可去掉傳統(tǒng)模式中全站儀的操作人員，至少可節(jié)省一半的人工消耗。平板電腦在放樣過程中可視化地展示設(shè)計(jì)模型和棱鏡、目標(biāo)點(diǎn)的位置，并直觀地給出需要移動的方向和距離，免去了測量人員間的指揮和溝通環(huán)節(jié)，同時(shí)全站儀在跟蹤棱鏡的過程中給予測量人員實(shí)時(shí)和連續(xù)的指導(dǎo)，使測量人員能夠更高效地找到目標(biāo)點(diǎn)。免棱鏡放樣模式更是直接給出目標(biāo)點(diǎn)的位置，省去了人工找位置的過程，提高了放出點(diǎn)的速度。在精度方面，當(dāng)使用棱鏡時(shí)軟件可給出實(shí)時(shí)的誤差和調(diào)整方向，測量人員可進(jìn)行快速調(diào)整，以控制放樣誤差，誤差超限時(shí)儀器也會給予警告。在免棱鏡放樣時(shí)，測量人員依靠全站儀投射出的激光點(diǎn)確定目標(biāo)點(diǎn)，全部測量和計(jì)算工作均由智能放樣機(jī)器人完成，放樣精度基本不受測量人員的影響。傳統(tǒng)全站儀放樣要求施工現(xiàn)場有較好的光照條件，以便于測量人員能夠通過全站儀的望遠(yuǎn)鏡看到棱鏡，因此無法在夜間或照明不良的條件下進(jìn)行工作。智能放樣機(jī)器人具有免棱鏡放樣功能，不需要測量人員人工瞄準(zhǔn)棱鏡，僅需要測量人員看到全站儀投射出的激光點(diǎn)即可完成放樣工作，因此可不受外界環(huán)境光線影響，在