多段圓弧混凝土結(jié)構(gòu)高精度測量關(guān)鍵技術(shù)*

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),給測量施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確地對弧形結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量定位是弧形建筑施工的重難點。

國內(nèi)外對異形混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)分部工程施工技術(shù)如測量技術(shù)的專項研究依舊較少。李強(qiáng)等[1]在富陽北支江水上運動中心異形結(jié)構(gòu)工程施工測量中詳細(xì)闡述了從布設(shè)到測量的過程，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中心的測量工作中利用Revit軟件對圖紙上的曲線特征點構(gòu)建數(shù)據(jù)模型庫，現(xiàn)場放樣時將數(shù)據(jù)庫中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入全站儀，直接進(jìn)行放樣。鄒利群等[3]基于琴臺美術(shù)館任意雙曲面殼體屋蓋工程，借助測量機(jī)器人進(jìn)行BIM放樣，驗證了測量機(jī)器人放樣技術(shù)的優(yōu)勢。曹啟光等[4]在異形鋼結(jié)構(gòu)測量施工中提出在鋼結(jié)構(gòu)定位安裝中使用BIM+RTS測量機(jī)器人的測量方法，有效提高了放樣精度及工作效率。方睿等[5-6]基于Revit二次開發(fā)對異形結(jié)構(gòu)放樣及變形監(jiān)測進(jìn)行深入研究，驗證了Revit二次開發(fā)放樣技術(shù)的優(yōu)勢。

各案例證明BIM技術(shù)在施工測量中有獨有的優(yōu)勢，進(jìn)行BIM技術(shù)結(jié)合異形結(jié)構(gòu)測量施工研究，能有效提升異形建筑測量效率及精度。然而，對于多段圓弧結(jié)構(gòu)測量的研究文獻(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)項目，通過分析BIM技術(shù)+測量機(jī)器人工藝原理，分析其在多段圓弧結(jié)構(gòu)測量的應(yīng)用，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

陜西青年職業(yè)學(xué)院新校區(qū)位于西安市長安區(qū)常寧新區(qū)神禾三路以南，項目占地面積12.67萬m2，建筑面積11.62萬m2，包括試驗實訓(xùn)樓、教學(xué)樓、綜合樓、圖書館、教師辦公用房、師生活動用房、會堂等多種建筑，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)項目效果

2 工程特點及難點分析

2.1 工程特點

本項目由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，測量定位過程中坐標(biāo)數(shù)據(jù)多、實測工作量大。

2.2 工程難點

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規(guī)律空間點，無法有效通過傳統(tǒng)方法定位點引測出空間點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，且大部分定位點并不能通過已有的施工圖紙資料獲取，需通過一定的輔助手段才能實現(xiàn)空間轉(zhuǎn)換部位控制點的平面定位。

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

3 測量關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工藝原理

傳統(tǒng)弧形結(jié)構(gòu)測量放線工作主要依據(jù)解析幾何法先進(jìn)行內(nèi)業(yè)計算，再使用經(jīng)緯儀與鋼卷尺進(jìn)行聯(lián)合放線。與其他幾種方法相比較，基于BIM+測量機(jī)器人進(jìn)行多段弧形結(jié)構(gòu)放樣測量具有測量精度高、速度快、內(nèi)業(yè)計算量小的特點，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，通過調(diào)整模型坐標(biāo)系，提取放樣點坐標(biāo)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入測量機(jī)器人手簿，最后在現(xiàn)場架設(shè)測量機(jī)器人，進(jìn)行建筑物放樣測量。

圖2 工藝原理

3.2 設(shè)置項目基點

施工時用水準(zhǔn)儀將甲方提供的BM1，BM2標(biāo)高傳遞到D1，D2，D3區(qū)域，1號實訓(xùn)樓、2號教學(xué)樓及周邊地下車庫以D1標(biāo)高作為±0.000以下施工標(biāo)高基準(zhǔn)點，6號綜合樓及周邊地下車庫以D2標(biāo)高作為±0.000以下施工標(biāo)高基準(zhǔn)點，并標(biāo)明絕對高程，便于在施工中使用，如圖3所示。

圖3 項目基點設(shè)置

3.3 BIM模型建立及數(shù)據(jù)處理

項目將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 測量儀器配置

3.3.1坐標(biāo)定位

在Auto CAD場地平面圖中調(diào)出并解鎖項目基點及測量點，使用Revit軟件，以項目樣板方式鏈接原始定位圖，將項目定位圖的任一已知坐標(biāo)點置于項目基點并鎖定。點擊項目基點及測量點輸入已知點坐標(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

按構(gòu)件類型創(chuàng)建放樣點，根據(jù)不同構(gòu)件類型放樣點建立不同族庫。多段圓弧結(jié)構(gòu)具有多段復(fù)雜節(jié)點，其部分點位布設(shè)如圖6所示。因此通過Revit自定義移動功能，分次移動圓弧弦線中點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位。

圖6 多段圓弧結(jié)構(gòu)部分點位布設(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)場施工坐標(biāo)系原點和坐標(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放樣點的創(chuàng)建后，對模型數(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 測量機(jī)器人現(xiàn)場放樣測量

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

機(jī)器人測量放樣系統(tǒng)主要由軟件和硬件組成。軟件用于從Revit軟件中選取放樣點坐標(biāo)和數(shù)據(jù)處理，同時將經(jīng)過格式轉(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)場測量放樣。

3.4.1儀器設(shè)站原理

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

圖7 設(shè)站原理

3.4.2儀器現(xiàn)場設(shè)站

BIM坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理完成后，首先，需在測量機(jī)器人放樣系統(tǒng)中進(jìn)行任務(wù)創(chuàng)建。其次，在徠卡TS50主菜單程序中打開測量功能，進(jìn)入開始測量界面，進(jìn)行設(shè)站工作，并輸入設(shè)站點和定向點的點號、使用棱鏡高度、點坐標(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)置點位；②在圓弧結(jié)構(gòu)每隔1m標(biāo)記1個坐標(biāo)點，拾取待放樣的坐標(biāo)點進(jìn)行自動編號并生成點坐標(biāo)列表；③將所有坐標(biāo)點和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)場放樣，同時完成坐標(biāo)點標(biāo)記，指揮現(xiàn)場放樣點設(shè)置。

3.4.3現(xiàn)場測量放樣

利用測量機(jī)器人手簿進(jìn)行現(xiàn)場測量放樣，在手簿中可實時瀏覽導(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，全程由平板電腦和放樣軟件控制，按手簿中的放樣點實時顯示圓弧點位編號、坐標(biāo)及三維可視化模型數(shù)據(jù)，平板電腦中動態(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)，即可確定放樣點位并進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)記。

表2 實測數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)對比結(jié)果

測量機(jī)器人支持現(xiàn)場拍照，可自動保存放樣數(shù)據(jù)和生成放樣報告。在施工過程中，經(jīng)過多次復(fù)測校核，確保點位精確，保證施工整體放樣效果。

4 實施效果

4.1 數(shù)據(jù)對比分析

為驗證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)，將測量的坐標(biāo)點數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表2所示。放樣偏差基本在1mm以內(nèi)，驗證了測量放樣精度滿足要求。

4.2 效果分析

1)實測效率高 以半數(shù)圓弧梁為例，總長度60m，共60個點位，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理1人用時1h，現(xiàn)場人工投入2人，共用時2h。傳統(tǒng)測量方法內(nèi)業(yè)處理點位提取1人用時4h，現(xiàn)場放樣4人，用時16h。因此，使用BIM+測量機(jī)器人可極大地降低測量工作人力及時間的投入，效率顯著提高。

2)測量精度高 GB 50026—2020《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》及 GB/T 12898—2009《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(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，在測量過程中還存在人為因素導(dǎo)致測量誤差增大。自動測量機(jī)器人測量精度可達(dá)到±1mm，且不存在人為因素導(dǎo)致測量誤差增大，較傳統(tǒng)人工實測實量方式優(yōu)勢明顯。

5 結(jié)語

將BIM+測量機(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)測量施工中，通過建立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)入測量機(jī)器人工作簿，指導(dǎo)實際測量放樣施工。工程實踐證明，該技術(shù)對類似測點多、精度要求高的異形結(jié)構(gòu)工程具有良好的應(yīng)用價值，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)測量放樣精度及施工效率。