BIM放樣機器人技術(shù)在地鐵施工測量中的應用

蔡磊磊

(北京拓普康商貿(mào)有限公司，北京 101102)

1 引 言

BIM技術(shù)目前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應用于建筑設計、施工和土木基礎設施等行業(yè)。目前國內(nèi)的大型建筑承包商已經(jīng)在一些大的項目中全部或部分分項工程引入了BIM信息化施工管理技術(shù)，并在不斷積極探索和應用各類BIM技術(shù)，對工程施工的各個環(huán)節(jié)和各個工種進行滲透和擴展，讓施工過程更加智能高效，以帶來更好的工程質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的加快，修建地鐵和軌道交通對于改善城市交通環(huán)境具有不可忽視的作用。據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2017年12月，中國大陸建成投運地鐵的城市已達31個，數(shù)十個城市的地鐵和軌道交通還在持續(xù)修建中。這些地鐵項目中有一些已經(jīng)全部或分項工程引入了BIM信息化施工管理的工作流程，因此也必須相應地引入適用于BIM工作流程的工程設備及測量定位設備。作為地鐵施工的一個重要而基礎的環(huán)節(jié)，工程現(xiàn)場的各類建筑、結(jié)構(gòu)和MEP機電設施設備的精確施工定位，成為一個可以跟BIM模型相結(jié)合的熱點應用方向，用來提升施工現(xiàn)場測量作業(yè)人員的工作效率和定位精度。因此BIM放樣機器人在這類項目中就大有用武之地。本文介紹了BIM放樣機器人的工作流程，結(jié)合某地鐵車站施工實踐，闡述了BIM機器人用于快速定位BIM模型中的三層土建施工控制點和大量結(jié)構(gòu)及管道設備放樣點的作業(yè)方法，并對放樣精度進行檢核。

2 BIM放樣機器人工作流程

Topcon LN100(Layout Navigator的縮寫，直譯為放樣領航員)是一款專門的BIM放樣機器人，也是一臺高度簡化和智能的測量機器人，具備3°范圍的自動整平功能、20 Hz定位數(shù)據(jù)更新速率，100 m半徑的棱鏡跟蹤功能，專門為建筑施工放樣而設計。LN100支持Autodesk(歐特克)公司開發(fā)的BIM 360 Layout建筑施工放樣軟件，如圖1所示，該軟件是一款手簿移動端應用程序，可以利用BIM 360云端的數(shù)據(jù)同步服務，目前是基于IOS系統(tǒng)開發(fā)的，因此手簿使用iPad平板電腦即可。實現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)從設計到工地的無縫對接，為施工人員提供了一個結(jié)合設計模型和放樣操作的高效單人測量系統(tǒng)。

圖1 LN100搭配BIM 360 Layout軟件

采用BIM放樣機器人進行建筑物放樣，主要包括放樣點位的設計和提取、模型數(shù)據(jù)云端同步、實際放樣等。

2.1 放樣點位的設計和提取

內(nèi)業(yè)人員先使用AUTODESK Revit、Navisworks、CAD或其他BIM建模軟件完成放樣設施的模型設計，然后再使用點位提取插件Autodesk Point Layout在模型中添加和提取好設計的若干控制點和放樣點，如圖2所示，如果點位較多，可以批量提取。

圖2 設計模型中提取點位

2.2 模型數(shù)據(jù)云端同步

將帶有海量點位信息的BIM模型上傳至云端服務器；現(xiàn)場施工放樣人員在作業(yè)前，需在平板電腦上打開BIM 360數(shù)據(jù)同步軟件，登錄云端服務器，將設計模型下載至軟件，云端模型上傳和下載如圖3所示。

圖3 云端模型上傳和下載

2.3 實際放樣

現(xiàn)場測量人員將安裝有BIM 360 Layout應用程序的平板電腦利用WiFi與Topcon LN100放樣機器人連接上，選取下載好的放樣模型，然后通過軟件提供的設站方式(后視定向和后方交會，根據(jù)現(xiàn)場情況任選其一)完成測站設置，便可以開始點位放樣工作；根據(jù)軟件中實時顯示并提示棱鏡所處3D模型的位置及距離設計點的偏移量數(shù)據(jù)，LN100即可迅速引導棱鏡到工地現(xiàn)場的實際設計位置，精確定位控制點和放樣點，儀器設站和模型點放樣如圖4所示。

圖4 儀器設站和模型點放樣

3 工程應用案例

某地鐵車站施工全面引入了先進的BIM建筑施工技術(shù)和理念，整個車站的3層建筑結(jié)構(gòu)空間及其相關站廳附屬設施均設計了專業(yè)的BIM模型供施工各環(huán)節(jié)、各參與方協(xié)同作業(yè)、共享使用，施工方在工程建設的許多環(huán)節(jié)和專業(yè)引入了一整套BIM解決方案，在施工測量環(huán)節(jié)也使用LN100 BIM放樣機器人來開展測量定位工作。在該地鐵站施工過程中，BIM機器人用來快速定位車站BIM模型中的3層土建施工控制點和大量結(jié)構(gòu)及管道設備放樣點，地鐵車站的綜合BIM模型如圖5所示。

圖5 地鐵車站的綜合BIM模型

實地作業(yè)時，現(xiàn)場只需要一名作業(yè)人員即可開展放樣工作：首先，在現(xiàn)場任意一個通視條件良好的位置架設LN100儀器，開機后儀器會自動整平，無須任何人工干預和操作，人員只需操作平板電腦通過WiFi連接儀器，進入BIM 360 Layout軟件的設站界面，采用后視法或后方交會法設站，設站原理跟全站儀完全一致，設站完成后，車站的BIM模型中隨即出現(xiàn)LN100儀器和放樣對中桿及棱鏡的三維仿真模型，且位置與現(xiàn)場實際位置精確吻合，這時作業(yè)人員對手中真實棱鏡的任何移動都會在軟件界面中被同步模擬顯示，也就是說出現(xiàn)了兩個完全一致且實時動態(tài)對應的位置空間——現(xiàn)實作業(yè)空間和軟件模擬空間，BIM放樣機器人地鐵施工現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 BIM放樣機器人地鐵施工現(xiàn)場

然后，即可在車站三維模型中任意選擇所需的設計點位，開始直觀立體的放樣工作，如圖7所示為BIM放樣軟件界面，任意一個放樣點被選中后，軟件會立刻顯示棱鏡距離該放樣點的空間三維偏移量(前后、左右、上下)數(shù)值，精確到毫米，引導作業(yè)員快速移動到放樣點所在位置，這個過程中LN100能夠始終保持對360°棱鏡的高速自動跟蹤、持續(xù)測量(每秒20次的測量數(shù)據(jù)更新率)，作業(yè)人員根據(jù)軟件中直觀的模型動態(tài)變化、視圖智能切換以及聲音、圖標、色彩等多重提示，便能迅速確定放樣點位置，平面和高程精度都可以控制在 ±1.5 mm；在一處設站即可放樣通視視野內(nèi)所有目標點；第二種放樣模式：在調(diào)取放樣點后，可操縱儀器先精確地轉(zhuǎn)動到放樣方向，作業(yè)員再根據(jù)儀器的指向和紅綠放樣導向光快速到達放樣方向，儀器迅速重新鎖定棱鏡，引導作業(yè)員快速確定放樣點位置；如果有必要，還可以臨時在模型中捕捉和添加特征點位進行放樣。

圖7 BIM放樣軟件界面

放樣完成的坐標數(shù)據(jù)會自動存儲至BIM模型，便于上傳回云端，利用內(nèi)業(yè)軟件對放樣點精度進行檢查和評估。圖8為放樣點位精度檢查。

圖8 放樣點位精度檢查

上述整個放樣流程，不需要專業(yè)的測繪人員操作，只需簡單掌握測量設站的原理和空間直角坐標系知識即可，降低了推廣使用的難度，精度也有保證，因此對于施工人員具有較好的適用性。

4 結(jié) 語

測量機器人已經(jīng)誕生了二三十年時間，雖然還未大范圍普及，但已不是什么稀奇的測量設備，但先進的放樣機器人硬件結(jié)合直觀的模型放樣軟件，實現(xiàn)完全的智能單人BIM測量系統(tǒng)，還是近年來剛剛開始流行的測繪新技術(shù)和新趨勢，其目標直指BIM工程現(xiàn)場的施工放樣流程，同時降低了對作業(yè)人員的專業(yè)要求，再加上便利的數(shù)據(jù)流同步與共享，使得現(xiàn)場模型定位工作高效便捷，同時精度也能滿足設計要求。

實踐證明這類裝備和技術(shù)可以適用并滿足此類BIM項目的實際需求，可以在各項BIM工程項目尤其是地鐵建設工程中推廣應用。隨著建筑和基礎設施行業(yè)應用BIM技術(shù)的發(fā)展浪潮，BIM放樣機器人的應用必將日益廣泛。