基于BIM技術(shù)的支吊架自動(dòng)布設(shè)系統(tǒng)研究

馬勇軍 李鵬堯 單 雨 尹紫紅

(1.中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司 天津 300308； 2.西南交通大學(xué) 成都 610031)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是當(dāng)下的熱門話題，它以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，可對(duì)工程項(xiàng)目相關(guān)信息進(jìn)行詳盡表達(dá)[1]，目前已應(yīng)用通用BIM軟件Revit來(lái)進(jìn)行綜合管道支吊架布設(shè)設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)階段，盡管Revit軟件具有強(qiáng)大的篩選圖元、隱藏圖元的功能[2]，但由于支吊架布設(shè)具有很高的隨機(jī)性，因此在已建好的管網(wǎng)模型中布設(shè)支吊架仍是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工序。在現(xiàn)場(chǎng)施工階段，由于管道數(shù)量大、分布廣、種類繁多，支吊架布設(shè)顯得尤為繁瑣，存在人工作業(yè)重復(fù)性多、工作效率低、作業(yè)成本高、精度控制低、錯(cuò)誤率高、安全隱患大、作業(yè)環(huán)境差等缺點(diǎn)[3]。

本文以成都地鐵5號(hào)線機(jī)電安裝工程為背景，從設(shè)計(jì)和施工2個(gè)階段對(duì)支吊架的自動(dòng)布設(shè)進(jìn)行研究探討。在設(shè)計(jì)階段，該布設(shè)系統(tǒng)運(yùn)用其基于Revit軟件開(kāi)發(fā)的自動(dòng)布設(shè)程序初步確定支吊架布設(shè)位置。并將初期布設(shè)位置進(jìn)行受力分析并對(duì)各專業(yè)管道進(jìn)行碰撞檢查，經(jīng)改進(jìn)得出優(yōu)化方案。在施工階段，其能通過(guò)激光掃描技術(shù)對(duì)管道模型進(jìn)行掃描采集數(shù)據(jù)，形成一個(gè)基于BIM的隧道實(shí)況立體模型。并將現(xiàn)場(chǎng)掃描模型與在Revit中所建模型進(jìn)行整合統(tǒng)一,確定支吊架在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的具體位置。運(yùn)用TCA自動(dòng)全站儀對(duì)支吊架安裝部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位放樣，實(shí)現(xiàn)支吊架的自動(dòng)布設(shè)。

1 支吊架自動(dòng)布設(shè)程序

1.1 支吊架布設(shè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)以Revit為平臺(tái)，利用Visual C++進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)生成支吊架輔助布置程序。在Revit程序中建立接口進(jìn)行對(duì)接，將BIM三維機(jī)電模型導(dǎo)入支吊架輔助布置系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別管道模型并根據(jù)支吊架布置原則對(duì)支吊架進(jìn)行定位布置[4]。其中，支吊架布設(shè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 程序框架圖

1.2 支吊架布設(shè)模擬

以Revit為平臺(tái)，Visual C++作為開(kāi)發(fā)工具，在程序中建立不同類型支吊架模型數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)管道先進(jìn)行功能分類及管道受力分析。接后程序進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算并形成布設(shè)方案，并自動(dòng)預(yù)布設(shè)。程序?qū)艿篮椭У跫芡瑫r(shí)進(jìn)行碰撞檢查[4]。

1.3 布設(shè)方案優(yōu)化

在對(duì)管道和支吊架進(jìn)行碰撞檢查后，程序?qū)⒆詣?dòng)分析支吊架受力情況及管道在受力后的變形以對(duì)支吊架布置方案進(jìn)行優(yōu)化。

在智能布置支吊架后進(jìn)行受力檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)管受力變形較大，有發(fā)生向下垂直位移的趨勢(shì)，需對(duì)支吊架方案進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)管道受力變形較大的位置進(jìn)行增加支吊架布設(shè)，在該部位已有支吊架上增加分支強(qiáng)化固定。經(jīng)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再次運(yùn)行碰撞檢查，此時(shí)支吊架受力達(dá)到最優(yōu)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集原理

三維激光掃描儀從被測(cè)物體中提取的數(shù)據(jù)包括:①各點(diǎn)位的水平方向偏角和豎直方向偏角;②各點(diǎn)位與儀器之間的距離;③各點(diǎn)位的反射強(qiáng)度.其中水平方向偏角和豎直方向偏角是由連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的反射棱鏡角度值計(jì)算而得;各點(diǎn)位到儀器之間的距離是由激光束的傳播時(shí)間計(jì)算而得。根據(jù)各個(gè)點(diǎn)位的距離信息和角度信息確定它們的三維坐標(biāo),根據(jù)反射強(qiáng)度對(duì)各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行顏色匹配[5]。假設(shè)一個(gè)點(diǎn)位P，其空間關(guān)系如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀定位原理

其中:α為激光束的水平方向角，θ為激光速的豎直方向角，S為P點(diǎn)位到儀器的斜距。P點(diǎn)位的坐標(biāo)計(jì)算方法為

x=Scosθsinα

y=Scosθcosα

z=Ssinα

2.2 掃描儀系統(tǒng)硬件的空間布局

將激光發(fā)射器發(fā)射口對(duì)準(zhǔn)帶標(biāo)志點(diǎn)的兩正交平板，將相機(jī)置于光源的任意一側(cè)進(jìn)行點(diǎn)云捕捉，基于正交平板對(duì)線激光的往返時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。將激光發(fā)射器和相機(jī)位置擺設(shè)好后，將相機(jī)拍攝方向聚焦在轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣的中心，此時(shí)激光掃描軸線與相機(jī)拍攝軸線的夾角大致為45°；激光發(fā)射器的發(fā)射下限為50°，上限為80°，轉(zhuǎn)臺(tái)式掃描儀系統(tǒng)硬件的空間布局見(jiàn)圖3[6]。

圖3 掃描儀系統(tǒng)空間布局圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)三維掃描成像

在施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位三維掃描還原隧道在支吊架布設(shè)前的原始狀況，準(zhǔn)確反映隧道偏差值。本項(xiàng)目采用萊卡超高速三維激光掃描儀P20。其掃描流程為：將掃描儀架設(shè)在最適掃描位置，將標(biāo)靶架設(shè)在控制點(diǎn)上進(jìn)行掃描，每一站必須至少掃描2個(gè)標(biāo)靶。

2.4 建立三維點(diǎn)云

利用三維掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位掃描后，從不同方位上獲取點(diǎn)云并進(jìn)行點(diǎn)云匹配；鎖定點(diǎn)云重疊區(qū)域通過(guò)特定算法將綜合管道各方向上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配拼接，整合數(shù)據(jù)，獲得完整的綜合管道點(diǎn)云[7]。利用Cyclone軟件的GEGISTER模塊可全自動(dòng)完成站點(diǎn)拼接工作。其效果圖見(jiàn)圖4。

圖4 自動(dòng)拼接點(diǎn)云

三維激光掃描儀自動(dòng)通過(guò)點(diǎn)云庫(kù)調(diào)出綜合管道各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，與系統(tǒng)固定空間直角坐標(biāo)系相匹配后得到現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)基于該坐標(biāo)系的參數(shù)化立體模型。其效果圖見(jiàn)圖5。

圖5 三維掃描效果圖

2.5 數(shù)據(jù)整合分析

為保證支吊架布設(shè)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將點(diǎn)云形成的三維模型與Revit所設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式進(jìn)行對(duì)比分析，將存在信息出入的數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行修改調(diào)整，得出最終的支吊架布設(shè)方案。

3 支吊架現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位布設(shè)

在完成綜合管道支吊架布設(shè)最終方案后，利用定位裝置對(duì)TCA自動(dòng)全站儀支吊架的布置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣，通過(guò)對(duì)支吊架鉆孔的放樣來(lái)標(biāo)記支吊架安裝的水平位置和垂直位置。

TCA自動(dòng)全站儀是多維一體的三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，其主要功能包括電子角度測(cè)量、電子距離測(cè)量、計(jì)算機(jī)綜合計(jì)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。

3.1 點(diǎn)位布設(shè)原理

TCA自動(dòng)全站儀主要以及坐標(biāo)原理為基礎(chǔ)對(duì)測(cè)量功能進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。在實(shí)際操作過(guò)程中,全站儀一般安置在一個(gè)右手空間坐標(biāo)系下,該坐標(biāo)系以測(cè)試點(diǎn)Q作為原點(diǎn),Z軸方向指向鉛錘方向,X軸,Y軸共同組成水平面[8]。最后根據(jù)極坐標(biāo)定位原理獲取三維坐標(biāo)，坐標(biāo)計(jì)算如下

x=Scosβcoα

y=Scosβsinα

式中:S為斜距；α，β分別為水平角、垂直角;R為地球曲率半徑值；k為大氣折光系數(shù)。

3.2 點(diǎn)位放樣

施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，在事先規(guī)定的控制點(diǎn)固定TCA全站儀，用電子氣泡整平儀器。隨后進(jìn)行測(cè)站定向工作：

1) 在儀器中輸入儀器固定控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)GPS1，確認(rèn)后輸入全站儀高度；接著輸入后視控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)GPS2，最后輸入后視控制點(diǎn)棱鏡的高度。

2) 將望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)棱鏡位置，然后進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)。

3) 定向起算邊長(zhǎng)的檢核：采用TCA全站儀的放樣功能，放樣測(cè)站后視點(diǎn)GPS2，核實(shí)檢查測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

4) 在TCA全站儀里輸入放樣點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，全站儀將自動(dòng)顯示放樣點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)的方向和距離偏差。

5) 將水平度盤旋轉(zhuǎn)到放樣點(diǎn)方向，并鎖定水平度盤，使用望遠(yuǎn)鏡粗瞄。

6) 立尺員自行調(diào)整360°棱鏡，立樁并利用RCS遙控系統(tǒng)進(jìn)行自助放樣。確定支吊架鉆孔的空間位置和具體走向。

4 自動(dòng)走行定位

在對(duì)支吊架布設(shè)點(diǎn)位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣后，需要根據(jù)這些現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位的實(shí)際情況確定一條合理的走行線路來(lái)進(jìn)行點(diǎn)位鉆孔。

4.1 傳感器捕捉點(diǎn)位

為使全自動(dòng)鉆孔機(jī)準(zhǔn)確定位在運(yùn)用TCA自動(dòng)全站儀放樣而得到的支吊架布設(shè)點(diǎn)位，施工人員在鉆孔機(jī)前方布置了5組超聲波傳感器，分別朝向鉆孔機(jī)的北、西、東、西北和東北方。首先，鎖定1個(gè)控制口發(fā)射1個(gè)不小于10 μs高頻信號(hào)，模塊會(huì)緊接著發(fā)送6個(gè)60 kHz左右的超聲波；MSP430F149單片機(jī)開(kāi)始進(jìn)入待接收信號(hào)狀態(tài)，由這5組超聲波傳感器發(fā)送的各個(gè)支吊架布設(shè)點(diǎn)位的超聲波信號(hào)返回后會(huì)直接存入單片機(jī)。

4.2 走行路線分析

由超聲波傳感器捕捉到的每一個(gè)點(diǎn)信號(hào)傳入MSP430F149單片機(jī)，單片機(jī)便會(huì)輸出1個(gè)持續(xù)的電頻信號(hào)，該電頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，亦即該點(diǎn)位相對(duì)于全自動(dòng)鉆孔機(jī)走行起點(diǎn)的距離。當(dāng)對(duì)所有支吊架點(diǎn)位距離和方位角分析結(jié)束后，MSP430F149單片機(jī)可利用其PC端協(xié)同分析出鉆孔機(jī)最適走行線路。

4.3 走行驅(qū)動(dòng)

在MSP430F149單片機(jī)完成路徑規(guī)劃后，全自動(dòng)鉆孔機(jī)便可依照規(guī)劃路徑逐一到達(dá)支吊架布設(shè)指定點(diǎn)位。該鉆孔機(jī)采用QZ-DCC9010直流電機(jī)控制走行方向；驅(qū)動(dòng)方面，全自動(dòng)鉆孔機(jī)采用DCC8005電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

該鉆孔機(jī)的動(dòng)力底盤由MSP430F149單片機(jī)的ECU接收超聲波傳感器返回信號(hào)將速度信息傳送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)給鉆孔機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力，由電機(jī)控制油門從而控制鉆孔機(jī)的運(yùn)行速度，在油門開(kāi)度達(dá)到恒定的同時(shí)，該鉆孔機(jī)的運(yùn)行速度達(dá)到恒定[8]。其油門控制流程見(jiàn)圖6。

圖6 油門控制流程圖

4.4 定點(diǎn)鉆孔

全自動(dòng)鉆孔機(jī)通過(guò)識(shí)別超聲波信號(hào)自動(dòng)走行到支吊架布設(shè)點(diǎn)位后，其鉆桿通過(guò)機(jī)械拉伸和變幅將帶有活門的鉆頭對(duì)準(zhǔn)指定的鉆孔點(diǎn)位。該鉆孔機(jī)利用動(dòng)力扭轉(zhuǎn)裝置給鉆桿提供一定的扭矩使鉆桿產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，使鉆頭產(chǎn)生該高程上的圓孔；動(dòng)力裝置提供動(dòng)力，使鉆孔深度直至指定孔深。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 以Revit軟件為平臺(tái)，Visual C++為開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，添加管道支吊架輔助布置程序，建立接口對(duì)接，形成了1個(gè)基于BIM的支吊架布設(shè)程序，在設(shè)計(jì)階段，該程序可以保存所有構(gòu)件的基本信息并形成數(shù)據(jù)庫(kù)，輔助設(shè)計(jì)人員快

速、便捷、高效地對(duì)支吊架進(jìn)行受力分析并確定支吊架布設(shè)位置。

2) 將上述程序與現(xiàn)場(chǎng)施工所運(yùn)用的三維掃描技術(shù)、TCA自動(dòng)放樣技術(shù)及走形定位技術(shù)相結(jié)合，形成一個(gè)基于BIM的支吊架自動(dòng)布設(shè)系統(tǒng)，可解決當(dāng)下人工布置支吊架中存在的支吊架分布廣、數(shù)量大、種類繁多、人工作業(yè)重復(fù)性多、工作效率低、作業(yè)成本高、精度控制低、錯(cuò)誤率高、安全隱患大、作業(yè)環(huán)境差等問(wèn)題。

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