BIM坐標系與施工坐標系在不同基準下的轉換研究

摘? 要：對BIM坐標系與施工坐標系在不同基準下的轉換進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)雖然BIM坐標系與施工坐標系原點的選擇及起算方向不同，但兩者之間存在幾何關系和共同的基準。通過坐標系之間的關系利用計算公式和CAD軟件兩個方法對坐標系的轉化進行分析研究，利用計算公式主要是通過坐標系之間的幾何關系進行轉化;利用CAD軟件主要是通過坐標系之間的共同基準進行轉化，以期使BIM技術在核電工程建筑行業(yè)中更加全面地應用及推廣。

關鍵詞：BIM坐標系;施工坐標系;核電工程不同基準;坐標系轉化

中圖分類號：TP39? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0153-04

Research on Transformation between BIM Coordinate System and Construction Coordinate System under Different Benchmarks

LYU Guangyao

（Zhangzhou Nuclear Power Project Department of China Nuclear Industry 24 Construction Co.， Ltd.， Zhangzhou? 363000， China）

Abstract： This paper studies the transformation between BIM coordinate system and construction coordinate system under different benchmarks. It is found that although the origin selection and starting direction of BIM coordinate system and construction coordinate system are different， there is a geometric relationship and common benchmark between them. Through the relationship between coordinate systems， the transformation of coordinate system is analyzed and studied by using calculation formula and CAD software. The use of calculation formula is mainly transformation based on the geometric relationship between coordinate systems; the use of CAD software is mainly transformation based on the common benchmark between coordinate systems. In order to make BIM Technology more comprehensively applied and popularized in nuclear power engineering construction industry.

Keywords： BIM coordinate system; construction coordinate system; different benchmarks for nuclear power projects; coordinate system transformation

0? 引? 言

隨著BIM軟件在核電工程領域中快速推廣與應用，BIM軟件在核電工程中應用愈來愈廣泛，BIM軟件中生成的建筑模型在建筑施工應用中發(fā)展很快，測量放線作業(yè)需融合入BIM技術的應用，將現(xiàn)代智能化測量放線方式與BIM技術進行結合能夠有效地提高現(xiàn)場的作業(yè)效率，但由BIM軟件生成的設計圖紙中的坐標系為數(shù)學平面直角坐標系，無法直接應用于現(xiàn)場測量放線施工作業(yè)中，因此需將BIM坐標系轉化為施工坐標系，以此保證現(xiàn)場測量放線工作的順利進行。

1? 概述

隨著將BIM融入核電工程的建設中，BIM在核電中的應用愈加廣泛，核島建設應用的設計圖紙均使用BIM軟件生成，然而設計圖紙的坐標系統(tǒng)與現(xiàn)場使用的測量施工坐標系存在差異，導致BIM生成的設計圖紙無法直接指導現(xiàn)場測量放線工作。需將BIM生成的設計圖紙進行二次轉化，在核電工程中各子項由BIM生成的設計圖紙均有自身的（0，0）原點，但各子項之間存在者關聯(lián)。需將BIM生成的不同基準設計圖紙轉化到統(tǒng)一施工坐標系統(tǒng)中進行測量放線工作，下文以漳州核電工程為例，對BIM坐標系與施工坐標系轉化進行闡述。

2? BIM坐標系與施工坐標系的區(qū)別

BIM軟件生成設計圖紙的坐標系的形式為數(shù)學平面直角坐標系，數(shù)學平面直角坐標系的橫軸為X軸、縱軸為Y軸，原點為（0，0），其X軸向右作為正向，Y軸向上作為正向。其象限角分布為以X軸正方向為起始方向按角度逆時針分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

測量施工坐標系是由測量平面直角坐標系的X、Y軸與建筑物的主軸線平行、垂直、重合而建立起來的坐標系。在核島工程中根據(jù)施工設計圖紙中坐標系示意圖發(fā)現(xiàn)一般施工坐標系與建筑物的主軸線重合。但與BIM軟件生成坐標系不同的是其橫軸為Y軸，縱軸為X軸，其象限角以縱軸正向（北方向）沿順時針分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

3? BIM坐標系與施工坐標系的轉化

為滿足現(xiàn)場測量放線需求，需將BIM坐標系轉化為施工坐標系。以漳州核電工程為例進行以下闡述：

核電工程核島反應堆廠房及周邊廠房設計圖紙均采用BIM坐標系統(tǒng)繪制設計圖紙，故指導現(xiàn)場施工的設計圖紙無法滿足現(xiàn)場測量放線的需求，為滿足現(xiàn)場測量放線需求需將設計圖紙的坐標系進行轉化，使其坐標系統(tǒng)與現(xiàn)場施工坐標系達成一致。由于BIM軟件生成的設計圖紙中不同子項的起始原點不同，需將設計圖紙進行梳理。梳理后發(fā)現(xiàn)BIM軟件中生成的圖紙中設計原點類型主要分為以下幾種類型：一種是以圓心中心點為起始原點并以中心主軸線為X、Y橫縱軸，如圖1所示，此種類型主要應用于核島內部結構的坐標系轉化;一種是以每個廠房的墻邊角點為原點，以墻邊為X、Y橫縱軸，如圖2所示，此種類型主要應用于核島周邊廠房，但這兩種類型坐標系均為局部坐標系，只能適用于與之相對應的廠房，未能滿足現(xiàn)場測量定位的需求，在施工作業(yè)中如需保證周邊廠房與核島內部結構相對位置的準確性，那么在測量定位過程中需根據(jù)現(xiàn)場核島總平設計圖紙進行各廠房主軸線與核島內部結構主廠房主軸線相對位置的計算，并根據(jù)計算結果進行現(xiàn)場廠房位置的定位放線。

核島反應堆廠房使用BIM軟件生成圖坐標系與反應堆廠房的主軸線重合，周邊各廠房使用BIM軟件生成圖的坐標系與周邊各廠房主軸線平行，原點一般位于廠房墻體邊線內側角點位置，該廠房內各物項均為至此原點的相對距離。

核島反應堆廠房與周邊廠房的施工坐標系是以反應堆廠房的主軸線為坐標系橫、縱軸，即縱軸為X軸，橫軸為Y軸;則將核島反應堆廠房及周邊廠房BIM坐標系轉化為施工坐標系分為利用計算公式轉化或者利用CAD軟件進行坐標系及圖紙的轉化。

3.1? 利用計算公式進行坐標系轉化

3.1.1? 核島反應堆廠房坐標系的轉化

通過對設計圖紙的研究發(fā)現(xiàn)BIM軟件中的坐標系發(fā)現(xiàn)坐標系的Y軸增大方向為施工坐標系的270°方向，X軸方向為施工坐標系0°方向，其起算位置與主軸線與施工坐標系重合即需將BIM坐標系逆時針旋轉90°后施工圖方向得以與施工坐標系中施工圖方向匹配，旋轉后BIM軟件坐標系在施工坐標系中X值增量不變，Y值增量變位反符號，由此可以得出BIM軟件生成圖中物頂點位坐標在施工坐標系中的坐標計算公式。

假設施工坐標系原點坐標為（A0，B0）;BIM軟件坐標系原點坐標為（a，b），P點在BIM坐標系中的坐標為（a1，b1）。則P點在施工坐標系中坐標（A1，B1）的計算公式為：

A1=A0+（a1-a）（1）

B1=B0-（b1-b）（2）

3.1.2? 周邊各廠房坐標系的轉化

周邊各廠房坐標系的轉化以NX廠房為例。根據(jù)核島反應堆廠房及周邊廠房總體平面圖確定出該廠房在BIM坐標系與施工坐標系中共同的主軸線，并計算出該廠房主軸線在施工坐標系中至施工坐標系原點的距離為（SA，SB）;由此可計算出NX廠房主軸線交點的施工坐標：

A=A0+SA （3）

B=B0+SB （4）

根據(jù)BIM生成的NX廠房圖紙可得出BIM坐標系原點至NX廠房主軸線距離為（Sa，Sb）且BIM坐標系縱橫坐標軸與施工坐標系縱橫軸為平行關系，由此可計算出NX廠房BIM坐標系原點在施工坐標系中的坐標：

a=A+Sa=A0+SA+Sa（5）

b=B+Sb=B0+SB-Sb（6）

周邊廠房物項在BIM坐標系中的坐標為（a1，b1）根據(jù)式（1）～（7）可以得出P點在施工坐標系中的坐標為：

A1=A0+SA+Sa+a1 （7）

B1=B0+SB-Sb-b1 （8）

利用計算公式進行坐標系的轉化可能還存在另外一種類型，其中BIM坐標系主軸線與施工坐標系主軸線并不重合，主軸線之間存在旋轉角度。在此種狀況下，需根據(jù)設計圖紙中標注的BIM坐標系主軸線方向在施工坐標系中的方向計算出旋轉的角度，通過正余弦定理進行坐標系的轉化。以核反應堆廠房為例，其標注Y軸正方向為施工坐標系的270°方向，但當兩種坐標系原點重合時發(fā)現(xiàn)BIM坐標系Y軸正方向與施工坐標系對應方向并不垂直或者平行，那么此時需要進行角度、距離換算。

假設P點在BIM坐標系中的坐標為（A，B），BIM坐標系與施工坐標系的旋轉角度為α，BIM坐標系的原點坐標為（A1，B1），施工坐標系的原點坐標為（A0，B0），那么P點在施工坐標系中坐標（A2，B2）的計算公式為：

A2=A0+（A-A1）COSα+（B-B1）SINα（9）

B2=B0+（A-A1）SINα+（B-B1）COSα（10）

表1為核島周邊廠房物項BIM坐標與施工坐標轉化成果表，利用計算公式進行坐標轉化的優(yōu)點在于基礎性較強，其中的轉化過程均為基礎理論知識，對其操作性要求低。但其存在著較大的缺點就是由于核電現(xiàn)場的設計圖紙較多，且每份設計圖紙中的物項較多，若每一項進行梳理需耗費較大人力和較多時間。

3.2? 利用CAD軟件進行坐標系轉化

隨著BIM技術在建筑施工中的應用愈加廣泛，坐標的轉化作為BIM技術應用于測量放線施工技術的重要環(huán)節(jié)，除利用坐標系轉化計算公式外，還可以利用CAD軟件進行坐標系轉換亦能達到此目的。利用CAD軟件進行坐標系的轉化相對于計算公式轉化來說比較簡化且更加直觀。

首先在BIM建筑模型中選取需要轉化的廠房并將該施工區(qū)域的BIM建筑模型以DXF格式導出，如圖3所示;在CAD軟件中打開該格式文件，如如圖4所示，打開后發(fā)現(xiàn)該BIM建筑模型在CAD軟件中顯示三維圖形，需將將視圖模式更改為俯視。

其次依據(jù)圖紙中建筑物主軸線尺寸在CAD軟件中繪制施工坐標系的軸線圖。選擇BIM模型建筑物與施工坐標系主軸線網(wǎng)中兩個共同基準點，將BIM模型已導入CAD軟件的建筑物圖以其中一個共同基準點為準，利用CAD軟件中“平移”命令將BIM坐標系與施工坐標系一個共同基準點重合，再以CAD軟件中“旋轉”命令，以重合后共同基準點為基點將BIM模型生成的建筑物圖進行旋轉使BIM圖與CAD軟件中的軸線網(wǎng)圖完全重合，即可實現(xiàn)BIM建筑模型坐標系與施工坐標系的轉化，轉化完成后可以使用計算公式進行驗算以保證坐標轉化的準確性。

利用CAD軟件進行坐標系轉化優(yōu)點在于坐標轉化操作過程比較簡捷，基本上單人操作即可完成轉化過程。缺點是人員對轉化方法的影響較大，在轉化過程中對操作員的技能要求較高，且要求精細，容易出現(xiàn)位置偏差。在利用CAD軟件轉化完成后需要利用計算公式對轉化結果進行校核。

4? 結? 論

結合以上坐標轉化方法，可以完美地實現(xiàn)BIM模型中坐標系與施工坐標系的轉化，亦可以通過兩種方式進行相互驗證以保證坐標轉化的準確性。并將轉化的成果應用到現(xiàn)場的測量放線工作中去。

BIM模型在核電工程的應用愈來愈廣泛，作為核電工程一個重要環(huán)節(jié)的測量放線工作，亦急需把BIM與現(xiàn)場測量放線工作融合到一起，利用BIM模型的優(yōu)點進一步加快現(xiàn)場的施工步伐。BIM坐標系與施工坐標系的轉化是測量放線工作的第一步，轉化過程主要是數(shù)學平面直角坐標系與測量施工坐標系的轉化，通過利用BIM建筑模型的直觀性并結合現(xiàn)代測量放線工作的智能性，使施工現(xiàn)場的測量放線作業(yè)更加的精確及便捷。

總而言之，測量放線作為核電工程行業(yè)基礎及服務的專業(yè)，必須學會融會貫通，把最新的技術和測量放線關聯(lián)起來，走在科技的最前沿，不斷地進行科技創(chuàng)新不斷進步，把測量從人工到智能化的轉變做到實處并與BIM技術進行完美融合。在既保證現(xiàn)場施工進度和質量的前提下又能節(jié)省人力和物力，為核電工程的測量放線工作夯實基礎。

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作者簡介：呂廣耀（1990—），男，漢族，河北廊坊人，工程師，本科，研究方向：測量、放線及其自動化、智能化。