基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)高精度加工測量施工技術(shù)

王 劍 郭曉紅 王玉曉 陳會平 李海迪 董翔宇 王秀輝

中國建筑第二工程局有限公司 遼寧 沈陽 110016

當今社會發(fā)展迅速，越來越多的大跨度鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房工程應運而生。保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際安裝精度，消除累積誤差影響著整個鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量和施工周期，更關(guān)系著整個工程的安全性[1-6]。

由于受運輸或吊裝等條件限制，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般在工廠內(nèi)分類進行制作后運送至施工現(xiàn)場進行安裝。在此過程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造精度和拼接精度的把控是鋼結(jié)構(gòu)工程建設質(zhì)量控制的難點，直接影響最終廠房的成形效果、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、耐久性和安全性。

在以往鋼結(jié)構(gòu)廠房施工中，大多運用傳統(tǒng)的全站儀、鋼尺和檢驗模板等對構(gòu)件進行檢測，再進行整體預拼，不僅所需場地面積大，預拼過程煩瑣，且拼接精度無法把控，施工效率不高。本工程通過采用Tekla軟件深化設計＋三維掃描復測技術(shù)＋BIM智能測量技術(shù)，達到對整個鋼結(jié)構(gòu)工程全過程的高精度測量和定位，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)工程施工過程中的拼裝精度、安裝精度和施工效率，取得了理想的效果。

1 工程概況

本工程地處遼寧省沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)寶馬大道1號，占地面積為254 884.6 m2，總建筑面積為293 784 m2。車間建筑層數(shù)為1層，局部2層。主車間高跨區(qū)為13.15 m，低跨區(qū)為11.65 m，建筑主體部分為鋼柱鋼桁架結(jié)構(gòu)，餐廳和局部輔房部分為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂機械間部分采用鋼架結(jié)構(gòu)。

本項目總用鋼量為3.2萬 t，鋼結(jié)構(gòu)柱數(shù)量為2 982根，鋼柱最大高度為19.05 m，最大鋼結(jié)構(gòu)柱的質(zhì)量為10.07 t，最大鋼結(jié)構(gòu)桁架跨度為30 m，最大鋼結(jié)構(gòu)桁架的質(zhì)量為41.5 t。本項目鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多且尺寸較大，易產(chǎn)生施工誤差，是采用該項技術(shù)的主要原因。

2 技術(shù)重難點

通過Tekla軟件進行高精度建模，對整個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行深化、出圖，滿足工廠預制加工要求；用三維掃描儀對掃描構(gòu)件從不同的角度進行三維數(shù)據(jù)捕捉，調(diào)整三維掃描儀相機的方向，對鋼構(gòu)件進行全方位掃描。生成實體三維模型，將實體三維模型導入Tekla三維深化模型進行對比檢查，分析預制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工精度；通過BIM技術(shù)建立測量信息模型，通過移動端將測量信息模型導入智能全站儀設備，指導現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)安裝施工。利用BIMS項目管理平臺將現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題上傳云平臺進行全過程跟蹤，保證后續(xù)施工質(zhì)量。

3 施工工藝流程

3.1 鋼結(jié)構(gòu)深化設計

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)桁架設計圖，使用Tekla軟件進行三維實體模擬建造，準確高效地搭建出與設計尺寸完全吻合的三維實體模型（圖1），自動生成所需的一切深化圖紙及資料。

圖1 深化設計模型

3.2 精確控制加工鋼構(gòu)件

1）下料：采用精密數(shù)控切割機切割桿件，對接坡口采用半自動切割機精密切割（圖2），最后將做好的桿件用三維掃描儀進行復測，將不符合精度要求的單體桿件進行校正修改，直到每個單體桿件符合精度要求。

圖2 鋼構(gòu)件下料示意

2）根據(jù)Tekla深化設計圖將下料完成的桿件放在相應位置，同時用三維掃描儀掃描鋼構(gòu)件桿件坐標點，確保桿件位置準確，進而保證組裝的精確性。

3）焊接：焊接各單體桿件的對接焊口。

3.3 三維掃描儀高精度掃描鋼構(gòu)件

鋼構(gòu)件組裝焊接后，利用三維掃描儀實測鋼構(gòu)件的幾何數(shù)據(jù)。掃描復測樣品選取同一批次出廠的2～3個成品構(gòu)件，掃描儀采用全局攝影測量系統(tǒng)搭配手持式三維掃描儀，通過掃描鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的多幅2D圖像，計算出物體表面關(guān)鍵幾何信息，獲得物體3D數(shù)據(jù)。具體操作要點如下：

1）確保穩(wěn)定的三維掃描環(huán)境。進行三維掃描首先須確保三維掃描儀建立在一個穩(wěn)定的環(huán)境中（避免強光和逆光對射，三維掃描儀的穩(wěn)固性等），要最大限度地減少環(huán)境破壞，確保三維掃描結(jié)果不會受到外部因素的影響。

2）三維掃描儀校準。在三維掃描前，對機器進行校準。在校準過程中，要根據(jù)三維掃描儀預先設置的掃描模式，計算出掃描設備相對于掃描對象的位置。校準掃描儀時，根據(jù)掃描對象調(diào)整設備系統(tǒng)設置的三維掃描環(huán)境。正確的相機設置會影響掃描數(shù)據(jù)的準確性，因此必須確保曝光設置是正確的。嚴格按照制造商的說明進行校準工作，仔細校正不準確的三維數(shù)據(jù)。校準無誤后，可通過三維掃描儀掃描已知三維數(shù)據(jù)的測量物體來檢查比對，如果發(fā)現(xiàn)掃描儀掃描的精度無法實現(xiàn)，需要重新校準掃描儀。

3）對掃描鋼構(gòu)件表面進行處理。使用亞光白色顯像劑覆蓋被掃描構(gòu)件的表面，在掃描構(gòu)件上噴上薄薄的一層顯像劑，目的是更好地掃描出構(gòu)件的三維特征，數(shù)據(jù)也會更精確。

4）開始掃描工作。準備工作完成后便可以對鋼構(gòu)件進行掃描了。用三維掃描儀對掃描構(gòu)件從不同的角度進行三維數(shù)據(jù)捕捉，調(diào)整三維掃描儀相機的方向，對鋼構(gòu)件進行全方位的掃描。

5）點云處理。對鋼構(gòu)件表面掃描完成后，系統(tǒng)會自動生成構(gòu)件的三維點云圖形。操作人員需對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行噪點（多余的點云）去除以及平滑處理。

6）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。點云處理完后，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)軟件自動將點云數(shù)據(jù)直接生成STL文件，便于之后與其他3D軟件對接。

3.4 三維數(shù)據(jù)導入Tekla

將鋼構(gòu)件的3D模型，即STL文件，用Tekla軟件打開，逆向建模得到構(gòu)件實測模型（圖3）。

圖3 鋼構(gòu)件逆向建模實測模型

3.5 實測模型與理論模型比較

將理論模型導入三維圖形軟件中，合理地插入實測整體預拼裝坐標系。采用擬合方法，將構(gòu)件實測模擬拼裝模型與拼裝工藝圖的理論模型進行比對（圖4），得到分段構(gòu)件和端口的加工誤差以及構(gòu)件間的連接誤差。

圖4 實測模型與理論模型比對

3.6 鋼構(gòu)件高精度校正修改

統(tǒng)計分析相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，對于不符合規(guī)范允許的公差和現(xiàn)場安裝精度的分段構(gòu)件或零件，修改校正后重新測量、拼裝、比對，直至符合精度要求。

3.7 得到符合拼裝精度要求的實測模型

將校正后的實測模型按照設計軸線、標高等對應位置在Tekla軟件內(nèi)拼裝好（圖5），作為整體模型存檔，準備下一道工序。

圖5 符合拼裝精度要求的實測模型

3.8 BIM＋智能全站儀測量放線

3.8.1 建立坐標系

1）將Tekla深化模型分區(qū)輸出為IFC格式文件，使用Revit打開IFC文件，文件保存格式為.rvt。

2）打開Autodesk Point Layout面板創(chuàng)建坐標系，在平面圖中任選一點為坐標原點，第二點確定坐標系且輸入兩點實際距離，命名坐標系，如果輸入的值不正確，或者選擇了不正確的點，軟件將顯示錯誤消息并提示重試。

3.8.2 設置控制點、放樣點

在Revit布局選項卡—APL面板—控制點設置模型控制點，構(gòu)建控制點時必須指定點編號和點描述，此控制點為模型中智能全站儀放置的位置。

3.8.3 導出點模型

1）導出當前2D或3D視圖中的所有點?？梢允褂谩安眉魠^(qū)域”或“視圖范圍”修改視圖。導出的點選擇在當前2D平面視圖中完成，并且僅導出在該視圖中可見的點。

2）在“導出指向文件”對話框中，指定設置。指定文件類型；指定用于設置小數(shù)點位數(shù)的導出精度；選擇“坐標系統(tǒng)”以確保選擇了想要導出的坐標系統(tǒng)；指定文件名和位置。選擇BIM 360字段創(chuàng)建附件，將附件鏈接到一個問題或任務；可選擇在BIM 360登錄對話框中，輸入用戶名和密碼；可選擇要附加問題或任務的字段項目；可在對話框中選擇問題或任務。導出完成時出現(xiàn)一條消息，單擊OK。

3.8.4 云端上傳、下載信息模型

將放樣點數(shù)據(jù)模型上傳至BIM360 Document，通過BIM360 layout APP將包含點的云端模型下載/同步到設備。

3.8.5 現(xiàn)場設站、放樣

1）將移動應用程序與智能全站儀配對，導入APL/CSV控制點文件到全站儀設備。

2）設置全站儀：在施工現(xiàn)場將全站儀安裝在三腳架上，并用安裝螺栓固定；使用激光直線將全站儀與控制點對準；用數(shù)字水平儀和三軸水平儀調(diào)節(jié)全站儀，使儀器達到水平狀態(tài)；檢查鉛錘是否對準控制點，必要時用安裝螺栓調(diào)整。

3）按程序提示在施工現(xiàn)場進行設站，設站方式可選擇后方交會和已知點。

①占用點的設置程序（圖6）。通過全站儀和后視儀占領(lǐng)一個已知的控制點到另一個已知的控制點，確定儀器在現(xiàn)場的實際方位。

圖6 占用點設置程序

②參考點的設置程序（圖7）。將全站儀設置在一個隨機的位置，并參考2～3個已知的控制點來三角測量全站儀的當前位置，提高全站儀的測量精度，減小測量誤差。

圖7 參考點設置程序

4）完成設站后，手持棱鏡和智能全站儀的實際位置將顯示在移動應用程序BIM360 layout中，現(xiàn)實中移動棱鏡，三維模型中虛擬棱鏡同步移動。

5）完成設站工作后，根據(jù)移動端信息模型選擇需要進行放樣的點位，智能全站儀會在需要放樣的柱腳引出激光點，若放樣點位遇到障礙物，可使用移動棱鏡繞開障礙物，當移動棱鏡與設置放樣點的坐標（x，y，z）差值為零時，完成此位置放樣。

3.9 云平臺輔助驗收

配合BIMS項目管理平臺將現(xiàn)場安裝不符合要求的鋼構(gòu)件問題上傳至云端，相關(guān)現(xiàn)場管理人員及時跟蹤問題并進行整改。

4 結(jié)語

本工程以大型鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作安裝為研究對象，提高了鋼結(jié)構(gòu)工程的過程拼裝精度和安裝精度。通過BIM與智能測量技術(shù)的結(jié)合，有效減少了施工誤差帶來的返工，提高了施工效率，同時將BIM數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場結(jié)合，提高了工程的信息化水平。

[1] 徐林.土木工程施工中鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的應用研究[J].建材與裝飾,2016(17):47-48.

[2] 曾超群.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在建筑工程中的應用研究[J].河南建材,2018(3):72-74.

[3] 沈鍇,劉鑫.BIM+測量機器人在抗浮錨桿施工中的應用［J］.建筑施工,2020,42(10):1974-1976.

[4] 張陸杰.BIM技術(shù)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工管理中的應用分析[J].綠色環(huán)保建材,2018(1):133;135.

[5] 王培先.基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)施工及風險管理實踐研究[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學院學報,2018,31(2):8-9;64.

[6] 錢富婷.淺議鋼結(jié)構(gòu)廠房中鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制要點與措施[J].居舍,2018(20):176.