淺析機(jī)器人全站儀在機(jī)電施工中的應(yīng)用

王文豪, 薛 慶, 鞠 明

(四川省第六建筑有限公司, 四川成都 610081)

1 機(jī)器人全站儀技術(shù)背景

近年來，伴隨著建筑業(yè)信息化發(fā)展，BIM(建筑信息模型)作為一項(xiàng)帶來行業(yè)革命的新技術(shù)，已成為推動(dòng)建設(shè)行業(yè)智慧發(fā)展的重要工具。BIM技術(shù)也為提高施工效率、確保施工質(zhì)量帶來了新的突破。

BIM通過數(shù)字技術(shù)以構(gòu)件為基礎(chǔ)在計(jì)算機(jī)中建立一座虛擬建筑，其中包含了工程項(xiàng)目的有用信息(幾何和非幾何信息)，對這些信息加以利用，協(xié)助各方對項(xiàng)目全生命周期各階段(設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營)進(jìn)行集成化和自動(dòng)化管理。

建筑業(yè)傳統(tǒng)機(jī)電安裝放樣時(shí)，一般使用卷尺現(xiàn)場測量和紅外線放線等方式，效率低，誤差大，無法解決精細(xì)化安裝前的測量問題。而在機(jī)電綜合管線施工過程中引入機(jī)器人放樣技術(shù)，基于BIM信息模型在施工現(xiàn)場以數(shù)字信息化激光打點(diǎn)的形式快速準(zhǔn)確放樣，該技術(shù)貫穿深化設(shè)計(jì)、管線安裝施工、施工驗(yàn)收等整個(gè)機(jī)電安裝施工周期，解決了傳統(tǒng)測量放樣難、累積誤差大、精度低的種種問題，可有效的提升項(xiàng)目施工質(zhì)量，縮短施工周期，提高現(xiàn)場管理的信息化水平。

機(jī)器人全站儀指的是在傳統(tǒng)人工操作全站儀的基礎(chǔ)上，搭載可以識(shí)別輕量化BIM模型的機(jī)器人，通過處理后的BIM模型操作機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)放樣的一種新型技術(shù)。與傳統(tǒng)放樣方式相比，機(jī)器人全站儀具有“一次設(shè)站，多次放樣，節(jié)省放樣時(shí)間”、“最大化減少人工操作誤差，提高放樣精度”等特點(diǎn)。

在華西附二院項(xiàng)目BIM模型深化過程中，工程所需信息皆已陸續(xù)集成于BIM模型中，機(jī)器人全站儀通過借助于模型導(dǎo)出傳統(tǒng)平面定位的形式來實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)現(xiàn)場精確定位安裝。其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值無論從施工圖深化設(shè)計(jì)成果的準(zhǔn)確度、施工圖深化設(shè)計(jì)時(shí)間周期及信息傳遞皆已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的施工圖深化成果。

2 華西附二院安裝項(xiàng)目介紹

四川大學(xué)華西第二醫(yī)院錦江院區(qū)屬于三級甲等醫(yī)療服務(wù)項(xiàng)目，位于成都市東南部三環(huán)路與繞城高速之間，東南兩側(cè)臨成都著名休閑景區(qū)—三圣花鄉(xiāng)，具有良好的城市景觀綠化。

項(xiàng)目的總規(guī)劃用地面積為63 961.45 m2，規(guī)劃總建筑面積(新建，含一期、二期)209 950 m2，一期新建總建筑面積為154 596 m2，包含門診醫(yī)技樓,建筑高度25.50 m(成龍路入口層計(jì)算)，地下2層，地上5層，第一住院樓，建筑高度72.10 m(紫羅蘭入口層計(jì)算)，地下1層，地上16層。承建單位為四川省第六建筑有限公司。

3 現(xiàn)場放樣情況

3.1 放樣試驗(yàn)區(qū)域簡介

放樣試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槿龑虞S線范圍17-18軸交S-W軸的一個(gè)長走廊(圖1)，該走廊包含各種類型及系統(tǒng)的管網(wǎng)綜合應(yīng)用要素，應(yīng)用內(nèi)容為該走廊區(qū)域內(nèi)的給排水、強(qiáng)電、弱電、暖通等機(jī)電各專業(yè)、各系統(tǒng)安裝，包括保溫、閥件和支架的安裝等，具備典型代表特點(diǎn)，因此具有作為示范及應(yīng)用區(qū)域的條件。

圖1 放樣區(qū)域示意

3.2 傳統(tǒng)放樣簡介

前文提到過傳統(tǒng)放樣方法為通過卷尺測定每一個(gè)需要打吊桿的位置，然后進(jìn)行安裝；或者通過卷尺測量兩個(gè)點(diǎn)位，然后放上紅外線放線儀器，再進(jìn)行安裝。前者用于普遍安裝，后者用于直線段管道安裝，如地下室吊燈的安裝。這兩種放樣方法沒有本質(zhì)區(qū)別，只是后者多了一個(gè)安放紅外線放線儀器的過程，在安裝比較長的直線管段時(shí)相對節(jié)省時(shí)間。由于傳統(tǒng)放樣方式為施工單位所普遍采用且熟悉的方法，故只針對第一種普遍的方法作簡單介紹。

3.2.1 傳統(tǒng)放樣過程

根據(jù)圖紙標(biāo)注，用卷尺測量出需要打吊桿的位置，在對應(yīng)位置做好標(biāo)記，并開始安裝支架或吊桿。

3.2.2 傳統(tǒng)放樣方法簡單評價(jià)

傳統(tǒng)放樣方式方法簡單，為目前安裝工程中普遍采用的方式，傳統(tǒng)放樣的缺點(diǎn)也顯而易見。

放樣精度低。傳統(tǒng)放樣過程中，完全采取手工卷尺測量的方法，存在著較大的誤差，同時(shí)還容易產(chǎn)生累積誤差。

放樣效率低。傳統(tǒng)放樣時(shí)，采取的是各勞務(wù)班組自行安排放樣工作，一般工程中按水、暖、電、消防專業(yè)分類，每專業(yè)需要兩個(gè)人進(jìn)行放樣，即需要8人。

3.3 機(jī)器人放樣過程

由于放樣內(nèi)容為室內(nèi)綜合管線安裝，絕對坐標(biāo)系意義不大，故采取相對坐標(biāo)系，即相對于建筑軸網(wǎng)位置的坐標(biāo)系。

全站儀在操作時(shí)，需要兩至三個(gè)控制點(diǎn)位，用于在現(xiàn)場架設(shè)確定儀器架設(shè)的精確位置，即設(shè)站，這些點(diǎn)位即為控制點(diǎn)。在全站儀設(shè)站完成后，即可對事先標(biāo)記的多個(gè)管道點(diǎn)位進(jìn)行放樣，即放樣點(diǎn)位。

在BIM模型上選取了三個(gè)通視的控制點(diǎn)，同時(shí)實(shí)地測量并做好標(biāo)記。經(jīng)測量，這三個(gè)點(diǎn)的誤差都在±10 mm以內(nèi)，屬于可接受范圍。

將BIM模型導(dǎo)入到全站儀中，在現(xiàn)場通過后視法對應(yīng)三個(gè)控制點(diǎn)的位置，即可實(shí)現(xiàn)BIM模型與現(xiàn)場對應(yīng)，開始放樣。

前文已對機(jī)器人放樣做過簡介，此處不再贅述。下面對機(jī)器人放樣全過程作詳細(xì)介紹。

3.3.1 模型上標(biāo)記控制點(diǎn)

機(jī)器人全站儀可識(shí)別的點(diǎn)位為特定格式，需要轉(zhuǎn)換軟件對原有BIM模型進(jìn)行抓點(diǎn)操作。將打樣區(qū)域從原有BIM模型中分離出來，針對打樣區(qū)域設(shè)立副軸網(wǎng)，通過軸網(wǎng)交叉點(diǎn)標(biāo)記出控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)位置，同時(shí)通過注釋表明點(diǎn)位高度。之后，可通過轉(zhuǎn)換軟件，將標(biāo)記的點(diǎn)位抓出為全站儀可識(shí)別的點(diǎn)位。

3.3.2 現(xiàn)場標(biāo)記控制點(diǎn)

在放樣開始前，通過現(xiàn)場測量，確定控制點(diǎn)位置，并使用油漆標(biāo)記出選定好的控制點(diǎn)。放樣使用其中兩個(gè)，第三個(gè)控制點(diǎn)作為復(fù)核和備用。

控制點(diǎn)位測量是否精準(zhǔn)，直接關(guān)系到最后放樣結(jié)果的精度。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)由土建單位的精測人員配合拉線，以確?？刂泣c(diǎn)位的精準(zhǔn)(圖2～圖4)。

圖2 測量控制點(diǎn)

圖3 標(biāo)記控制點(diǎn)

圖4 確認(rèn)第二個(gè)控制點(diǎn)位置

在完成兩個(gè)控制點(diǎn)的標(biāo)注和全站儀的架設(shè)后，需要通過模型核對現(xiàn)場第二個(gè)控制點(diǎn)的位置，即上圖所示，如有偏差則需要校正。在校正完成后，即完成全站儀設(shè)站。

3.3.3 開始放樣

BIM模型和控制點(diǎn)確認(rèn)完畢后，就可以開始放樣。通過手持設(shè)備遙控放樣機(jī)器人，對事前在模型上選定的點(diǎn)位進(jìn)行放樣(圖5)。圖6中的亮點(diǎn)即為由機(jī)器人激光打出的點(diǎn)位。

圖5 模型中試放樣點(diǎn)位的位置

圖6 開始放樣

紅點(diǎn)穩(wěn)定后，由工人進(jìn)行標(biāo)記。在標(biāo)記完成后，即可開始下個(gè)點(diǎn)位的放樣(圖7)。

圖7 標(biāo)記模型點(diǎn)位

完成所有放樣點(diǎn)位的標(biāo)記后，即可根據(jù)標(biāo)記進(jìn)行打吊桿，支架安裝等工作(圖8、圖9)。

圖8 根據(jù)放樣點(diǎn)打吊桿

圖9 手持設(shè)備可視化操作

3.4 機(jī)器人放樣成果

放樣區(qū)域根據(jù)機(jī)器人放樣后，安裝班組即可進(jìn)場根據(jù)標(biāo)記好的點(diǎn)位進(jìn)行安裝作業(yè)。圖10為風(fēng)管和橋架班組完成安裝作業(yè)后的現(xiàn)場效果。

圖10 放樣區(qū)域風(fēng)管橋架安裝完成后

4 放樣應(yīng)用評價(jià)

4.1 與傳統(tǒng)放樣的對比

(1)提高放樣效率，明顯縮短了放樣時(shí)間。根據(jù)計(jì)時(shí)，整個(gè)放樣過程持續(xù)40 min，共計(jì)測放20個(gè)點(diǎn)位。若使用傳統(tǒng)的卷尺測量放樣方式，20個(gè)點(diǎn)位則需要2 h；若使用紅外線儀放樣，20個(gè)點(diǎn)位至少需要1.5 h。

(2)提高放樣精度。機(jī)器人放樣點(diǎn)位在一條精準(zhǔn)直線上，安裝后的誤差為1～2 mm，考慮打吊桿的誤差，放樣精準(zhǔn)度大幅提高。而傳統(tǒng)放樣方法，在測量、標(biāo)記和打吊桿時(shí)都存在誤差，而且放樣的長度越長，誤差越大，特別在地下室安裝吊燈時(shí)，采取傳統(tǒng)放樣方法安裝的吊燈，在實(shí)際操作中，一排吊燈常不在一條線上，需要在安裝完成后再進(jìn)行調(diào)整。

(3)節(jié)約人工成本。此次放樣的操作和放樣點(diǎn)的標(biāo)記由三人完成，其中一人為設(shè)備操作技術(shù)員，另外兩人為工人。應(yīng)用成熟后，可減少一名設(shè)備操作技術(shù)員，即兩名熟練工人即可完成放樣及標(biāo)記工作。而采取傳統(tǒng)的放樣方式，每個(gè)機(jī)電專業(yè)至少會(huì)投入兩名工人，按水、暖、電、消防四個(gè)專業(yè)計(jì)算，投入的最少人力就需要8人。并且放樣的區(qū)域越大，人員的投入越多。

表1 傳統(tǒng)放樣與機(jī)器人放樣優(yōu)缺點(diǎn)對比

表2 傳統(tǒng)放樣與機(jī)器人放樣綜合對比

從以上可以看出，機(jī)器人放樣與傳統(tǒng)放樣方式相比，具有放樣效率高，放樣精度高，節(jié)省人工成本的優(yōu)點(diǎn)。做好了前期準(zhǔn)備工作，就可以快速而精確地進(jìn)行放樣，越是寬敞越是點(diǎn)位多，例如廠房、鋼結(jié)構(gòu)，越能體現(xiàn)出機(jī)器人放樣的優(yōu)越性。

4.2 機(jī)器人放樣的不足

但機(jī)器人放樣也存在著不足之處。

需要做一定的前期準(zhǔn)備工作。目前放樣機(jī)器人只能識(shí)別特定格式下的點(diǎn)位，故需要在事前對放樣區(qū)域的點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)記，并通過轉(zhuǎn)換軟件抓點(diǎn)，以達(dá)到機(jī)器人可識(shí)別的要求。

要求更高精細(xì)度的BIM模型。采取機(jī)器人放樣實(shí)質(zhì)上是完全按照BIM模型的管綜排布進(jìn)行安裝，故對BIM模型的精確性和合理性提出了更高的要求，并且需要反映出管件的實(shí)際大小，例如支架、法蘭、閥門等，以確保安裝成品的合理性與美觀性。

測量控制點(diǎn)位必須精確。由于全站儀儀器對精度要求高，若要達(dá)到機(jī)電安裝的精準(zhǔn)性，要求控制點(diǎn)位的測量必須精準(zhǔn)，室外的情況需要精測點(diǎn)，室內(nèi)的情況需要精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)施工成品以測出精確的控制點(diǎn)位。

機(jī)器人放樣尤其適合大開間、通視性較好的廠房、寫字樓等建筑的測量放線工作，而通視性較差的住宅類建筑在使用上則還存在一定的局限性。

設(shè)備成本較高。儀器的價(jià)格較高，一套設(shè)備價(jià)格在約30萬元左右。

以上這些缺點(diǎn)都在一定程度上限制了機(jī)器人放樣在商品房項(xiàng)目中的應(yīng)用。

5 應(yīng)用展望

通過對比發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)累積誤差越小，越能體現(xiàn)出機(jī)器人放樣的效率和精度。

機(jī)器人放樣的特點(diǎn)，決定了它更加適用大范圍的復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程，例如廠房項(xiàng)目或者鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目。這樣的項(xiàng)目自身結(jié)構(gòu)施工就相對精準(zhǔn)，并且放樣的可視范圍較為寬敞，在單個(gè)廠房中只需架設(shè)一次全站儀，即可完成房間內(nèi)所有點(diǎn)位的放樣標(biāo)記，大大的優(yōu)于傳統(tǒng)放樣方式；在鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目中，單個(gè)房間內(nèi)的點(diǎn)位繁多而復(fù)雜，必須采用全站儀來測量放樣，而傳統(tǒng)的全站儀，需要每放一個(gè)點(diǎn)測一個(gè)控制點(diǎn)，即每個(gè)點(diǎn)位都需要重新設(shè)站。而采取機(jī)器人放樣只需一次設(shè)站，便可大幅度縮短放樣時(shí)間，同時(shí)保證放樣精度。

6 結(jié)束語

BIM(建筑信息模型)自20世紀(jì)70年代在美國提出后，作為整個(gè)建筑業(yè)的新型理念和技術(shù)，由于其在建筑設(shè)計(jì)、施工圖紙深化、施工管控、運(yùn)營維護(hù)等建筑全生命周期中都有著顯著的優(yōu)勢，因此先后在世界多個(gè)國家得到了應(yīng)用及推廣。從全球化的角度來看，BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用已逐漸成為主流，也是建筑信息化的必然產(chǎn)物。目前我國的BIM 技術(shù)現(xiàn)在仍處于應(yīng)用的發(fā)展階段，還有許多方面需要結(jié)合國情進(jìn)行探索和深入。

BIM技術(shù)在我國發(fā)展至今，3D建模已初步成熟，而對于更高維數(shù)的應(yīng)用探索中，許多施工企業(yè)已經(jīng)在摸索，如何將BIM模型通過技術(shù)手段更好的與現(xiàn)場施工相結(jié)合，體現(xiàn)出BIM模型的先進(jìn)與優(yōu)勢，這已成為了眾多企業(yè)的研究課題。筆者認(rèn)為，目前大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)不僅僅滿足于將BIM模型作為一種高級的CAD圖紙來使用，而是期望它表現(xiàn)出更多的價(jià)值?？梢灶A(yù)見，未來一段較長的時(shí)間內(nèi)，BIM的發(fā)展趨勢將集中在BIM模型與現(xiàn)場結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模擬施工、指導(dǎo)施工、材料成本和進(jìn)度管控等方面，即BIM技術(shù)的落地性。在這些應(yīng)用方面盡早、及時(shí)的進(jìn)行研究并取得一定成果，將會(huì)為施工企業(yè)未來的發(fā)展?fàn)幦〉骄薮蟮膬?yōu)勢。