異形幕墻施工定位中綜合測量技術的應用

摘 ? ?要：隨著現(xiàn)代建筑設計理念的發(fā)展，越來越多的異形鋼結構建筑物設計出來，造型復雜，設計獨特，精度要求高，給外立面幕墻放樣帶來了很大程度的挑戰(zhàn)。本工程利用三維激光掃描技術、結合BIM模型，對設計模型、施工流程進行了優(yōu)化，并采用放樣機器人測量放樣，起到了保證工程質量、縮短項目工期的作用。

關鍵詞：BIM技術;三角高程;幕墻放樣;技術措施

1 ?引言

鋼結構由于其材質均勻、韌性好、自重輕、強度高、環(huán)保等特點，成為目前建筑工程中的主要結構體系之一，不僅能縮短工期、節(jié)省費用，而且能夠靈活的適應各種造型如網架結構，具有強烈的時代感和多變的外表，最大程度表達建筑師的想象，滿足現(xiàn)代審美追求。

由于鋼結構一般造型復雜多為異形結構，外立面幕墻安裝要求高，幕墻放樣主要存在以下技術特點及難點：（1）定位工作量大。異形結構幕墻結構外立面測量定位體系復雜，任意兩個剖面的幕墻曲率、形狀均不一致、鋼結構曲線均不相同，傳統(tǒng)方法難以獲取放樣坐標，根據施工圖紙坐標計算復雜，且定位難度及工作量極大;（2）標高難以控制。異形結構幕墻距離鋼結構的高度各處不一，標高點難以控制。由于屋面的不銹鋼屋面板和開啟玻璃以三角形進行拼接，且每個三角形的幾何形狀均不一致，所以標高精度要求極高;（3）項目工期緊。幕墻安裝一般需要現(xiàn)場定位與工廠制作、屋面安裝同步進行，且均不能出錯，一旦返工則工期大大受到影響。因此要求現(xiàn)場安裝與設計、生產無縫銜接;（4）鋼結構誤差較大。異形結構比常規(guī)幾何形狀要復雜得多，鋼結構體的誤差和變形大且相對復雜，對幕墻安裝影響很大。

綜上所述，采用傳統(tǒng)的測量方法無法精確的進行幕墻外立面的設計、定位和安裝。針對上述特點，本文提出采用三維激光掃描技術+BIM技術結合的方法進行設計、指導施工，結合放樣機器人進行定位、指導安裝。

2 ?關鍵技術

2.1 ?平面控制測量

控制網作為三維掃描測量、現(xiàn)場放樣、竣工驗收的首級控制網，作用非常重大。控制網的精度一方面直接影響到三維掃描數(shù)據精度，從而保障BIM模型的可靠性;另一方面又對施工定位有著重要的影響，直接影響幕墻安裝位置。因此必須重視控制網的精度。

考慮到與前期結構坐標系統(tǒng)一致，通常采用結構施工階段的控制點作為首級控制點。圍繞測區(qū)布設控制網。

為了提高平面控制測量的精度，應采用了以下措施：

（1）網形優(yōu)化。由于高精度定位要求，同時考慮到掃描數(shù)據拼接誤差。對網形的選擇也尤重要。為了避免二次建網或加密導致精度誤差分布不均，應采用一次布網。

（2）由于幕墻安裝項目一般測量范圍較小，測量對中誤差會引起較大的測角誤差。因此控制點宜采用強制對中的方式布設。該方法全站儀和棱鏡在基座上共軸，有效減小儀器的對中誤差，從而提高了控制網的觀測精度，同時減少儀器整平耗時，加快測量速度。

2.2 高程控制測量

地面高程控制點采用二等水準方法進行聯(lián)測，精度容易保障。而結構頂部控制點的高程卻難以聯(lián)測。主要是因為結構施工期間，為保證屋面鋼梁順利合攏、搭設滿堂腳架，導致高程聯(lián)系測量無法實施，而普通的三角高程方法又無法達到理想精度。對此，需要采用精密三角高程代替二等水準 [4]。

三角高程測量計算的基本公式為：

[hAB=SABsinαAB+iA-vB+S2ABcos2αAB2R-S2ABcos2αAB2RkAB]

式中，[hAB]為A、B點的高差，[SAB]為A、B兩點斜距，[αAB]為A至B的豎直角，[iA]為儀器高，[vB]為棱鏡高，[kAB]為A至B方向的大氣折光系數(shù)，R為地球曲率半徑。

設AB點的水平距離為[D]，即：

[D=SABcosαAB]

令：

[f=D2/2R]

并忽略微小項，則根據式（1）計算高差中誤差：

[m2h=± ?sin2αABm2S+D2ρ2m2α+m2i+m2v+f2m2k]

式中，[mS]，[mα]分別為測距和測角中誤差，[mi]，[mv]為量取儀器高和棱鏡高的中誤差，[mk]為大氣折光系數(shù)的中誤差。

由此可見，削弱或者消除這幾項誤差可提高三角高程觀測精度。具體措施如下：

（1）通過估算，同等條件下，采用高精度全站儀提高測角和測距精度，可以明顯降低測角和測距引起的三角高程誤差。

（2）對向觀測消除球氣差影響。往測從下往上觀測高差為正，球氣差改正后高差增加;返測從上往下高差為負，球氣差改正后高差減小。因此采用對向觀測，往返高差取均值，完全抵消球差影響，并抵消大部分氣差影響，可以忽略球氣差引起的誤差。

（3）儀器高量取的方法采用水準測量法[5]。傳統(tǒng)方法采用鋼卷尺直接量取儀器高和棱鏡高精度均在3mm左右，無法滿足精密三角高程的精度要求。而利用水準儀法可以精確量取儀器高，精度可以達到[±0.3]mm。

（4）選擇有利觀測時段如陰天，保證了大氣相對穩(wěn)定，同時采用高精度全站儀自動觀測，縮短觀測時間，削弱大氣折光對觀測的影響。

2.3 ?三維激光掃描技術

（1）為方便幕墻設計和施工放樣，保證成果統(tǒng)一性，三維掃描應采用2.1及2.2節(jié)建立的平面及高程控制網。

（2）BIM模型精度要求高，因此野外掃描點云準確性尤為重要，直接影響到建模的精度。根據研究，點云數(shù)據采集采用“測站點+后視點”的方法，通過前期建立的已知控制點上設站掃描，各站點云數(shù)據通過配準操作直接疊加統(tǒng)一在施工坐標系。此方法不需要每站點云數(shù)據有區(qū)域重疊，減少了數(shù)據總量，也減少了站站拼接產生的累計誤差。

（3）控制掃描的角度盡量減少大角度掃描數(shù)據采集。

2.4 ? BIM技術應用特點

2.4.1 ?深化設計圖，有效銜接設計與施工

（1）通過三維激光掃描采集現(xiàn)場鋼結構完成面信息，建立真實的鋼結構BIM模型，利用BIM軟件對幕墻的設計模型進行修正、完善。

鋼結構施工過程中采用很多措施以保證精度，但還是存在很大的偏差，需要將現(xiàn)場實際的偏差反饋設計以調整模型，否則僅利用鋼結構設計圖建模、生產幕墻板，會造成幕墻板現(xiàn)場無法正確安裝，對工期將產生無法預料的影響。

（2）BIM模型和現(xiàn)場施工同步（施工演示、工期預判、實際對比、誤差修正、更新設計），通過這種方式，實現(xiàn)BIM在外立面幕墻安裝過程中的指導作用，保證了施工質量。

（3）將設計模型以電子文件導入放樣儀器中。通過測量機器人實現(xiàn)幕墻在施工現(xiàn)場的高效精確定位。

2.4.2 ?優(yōu)化測量流程

（1）利用BIM模型插件，提取幕墻安裝控制點位的三維坐標，開展測量放樣工作，很好的解決了異形結構放樣數(shù)據獲取的難題[2]。

（2）通過BIM建模擬合出曲面造型，工廠按照BIM模型提供的參數(shù)直接下料進行元件加工，而施工現(xiàn)場的定位，只需要提取主要節(jié)點數(shù)據，將需要放樣的點位數(shù)量大幅縮小。

（3）通過BIM模型的演示，提前預判施工順序和施工進度，為測量定位的工作安排提供了很好的依據，測量小組可以合理安排放樣區(qū)域，能夠更好按照施工進度進行定位。

2.4.3 ?驗收

幕墻安裝完成后，重新掃描完成實體，建立BIM模型，與設計圖進行三維數(shù)據對比。驗收方法較傳統(tǒng)驗收方法更直觀、完整，可以從各個角度、剖面上對施工質量進行檢驗，提高了施工驗收的質量，并且還能給后期維護帶來真實、可靠的數(shù)據。

3 ?工程實例

本項目位于浙江德清鳳棲湖湖心島。俯瞰場館，東區(qū)和西區(qū)相吻合，形成蛋殼狀，與湖水相映成趣，在湖面上呈現(xiàn)出珍珠景觀效果。為體現(xiàn)出殼狀效果，由一萬多塊不同形狀的幾何圖形組合成幕墻外立面。異形幕墻的安裝，毋庸置疑成為本項目施工的一大難題。這么多塊幾何立面，無論是曲率還是形態(tài)方面，都有各自的特征，需要完美組合安裝，如圖1。

為了保證整體安裝效果，設計要求建模精度20mm，建筑表皮放樣允許誤差：平面誤差≤±8mm，高程誤差≤±8mm。這給本就復雜工作帶來了更大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)測量方法難以達到理想效果。

3.1 ?建立控制網

考慮到與施工坐標系的統(tǒng)一，采用施工階段的平面控制點B1、B2作為本項目首級平面控制點。圍繞測區(qū)布設閉合導線，同時考慮到面板頂部測量工作，在該鋼結構頂部布設又增加一點，形成了導線網，如圖2所示。控制點均采用強制對中裝置，采用Leica TS60觀測。

3.2 ?三維掃描應用

采用徠卡P40掃描儀（點位精度±3mm/50m，測距精度1.2+10ppm，測角精度8″）對鋼結構完成面進行掃描、建模（圖3），并與原設計模型進行對比，發(fā)現(xiàn)鋼結構最大偏差近12cm，通過掃描成果修正設計模型，使其與現(xiàn)場實際一致，為后期安裝提供了保障。

同時，為了對比分析，在鋼結構的不同位置表面均勻粘貼了15個紙質標靶，利用徠卡TS60全站儀精確觀測其三維坐標。采用Cyclone軟件提取這些標靶的坐標，與全站儀測量的三維坐標進行比較，得到這些點的坐標差值序列，如表2所示。

經對比，最大點位誤差5.2mm，滿足建模要求。

3.3 ?工程放樣

為了保證外表面相對光滑圓潤的流線造型，同時也鏈接設計與施工，實現(xiàn)了面板制作與現(xiàn)場拼接安裝的無縫銜接，最終采用角鐵形式，直接放樣表皮控制點。原本需要6000個點，經優(yōu)化僅需3000點作為焊接支座、安裝面板的依據。

同時，采用幕墻施工流程演示，對放樣流程、節(jié)點進行了統(tǒng)籌計劃，原本計劃5組測量人員，最終僅需要2組即可及時開展工作。

4 ? 結語

本項目幕墻安裝工程是一個具有高技術含量的工程。在成功完成幕墻施工定位任務的同時，也摸索和總結了一些測量經驗以供探討：①鋼結構在施工中存在較大誤差，幕墻設計采用三維掃描實測鋼結構建立BIM模型進行修正，可以避免返工，提高工作質量，實現(xiàn)設計與施工信息共享，有效節(jié)約成本。②對于異形結構的幕墻定位，采用專業(yè)化、自動化的測量手段通過直接放樣空間點，即可優(yōu)化定位點數(shù)，也可保證幕墻安裝質量的，達到事半功倍的效果。③利用BIM模型模擬施工順序，有效提高測量放樣和施工安裝統(tǒng)籌安排，提高施工工作效率，減小工程工期。④復雜情況的簡單化處理。放樣時考慮在邊角部位能夠吸收部分施工偏差。⑤三角高程測量時采用高精度儀器，能夠有效提高測量精度。

參考文獻：

[1] 白永青，楊雪姣.Trimble 三維激光掃描在玻璃幕墻設計及安裝中的應用[J].測繪通報，2018（3）.

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[5] 許國輝.高精度EDM三角高程測量的研究[J].測繪通報，2002（10）.

[6] 謝宏全，谷風云.地面三維激光掃描技術與應用[M].武漢大學出版社，2016.

作者簡介：

劉星（1986—）男，陜西寶雞人，本科，畢業(yè)于同濟大學，工程師，研究方向：測繪。