BIM与机器人全站仪在场地地下管线施工中的综合应用

随着信息化技术的发展，建筑信息模型(building information modeling，BIM)在工程中的应用越来越广泛。同时，将其与机器人全站仪综合应用于项目中，实现了BIM价值的最大化。机器人(自动)全站仪是一种随光电技术、精密机械制造和计算机技术的快速发展而产生的智能化测量系统，集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台，包含测量仪器硬件以及图形导入、坐标选点、数据处理的软件系统，其具有显著的技术优势。

针对上海某大型旅游度假区主题乐园场地地下管线和结构以及景观、设施施工的复杂性，本文对BIM技术在场地施工全过程管理中的应用进行研究，以实现BIM技术各项功能价值，提升项目管理水平。同时，对BIM模型与机器人全站仪综合应用于场地地下管线和结构的测量放线、竣工检查、验收等工序进行分析总结，为相关工程应用提供参考。

1项目概况

1.1工程概况

某主题乐园场地范围包含各建筑单体以外区域，主要划分为300和350两个区域，总占地面积约为5.7万m2，其主要包括景观湿地、巡游路线、喷泉、廊架、垂直花园以及各单体周边区域的景观元素，专业内容涉及市政(场地整平、雨污水管线、铺装)，场地动力(动力系统管线、水处理站、喷泉)，场地开发(覆土和土工泡棉、硬景、10余个景观构筑物、灌溉、种植)，地下电气和水暖管线、消防、电气(照明、动力、创意娱乐、游艺等)。场地施工分区如图1所示。

图1场地施工分区

1.2工程难点

场地工程属于本游艺项目的重要组成部分，对总承包商的国际工程管理能力提出挑战。场地面积大，单位工程多且分布广，专业承包商和材料多样化、工期紧，施工质量和精度要求高；IFC图纸深度不足，漏缺碰严重，变更频繁，深化设计工作量大，存在大量专业综合协调问题，亟待采用三维可视化手段与中外设计师沟通协调；施工相对参考坐标少，精度控制难度大，测量放线量大，精度要求高。地下管网空间布置复杂，排布密集，管线及各类检查井、阀门、拉线盒的控制放设点位约8235个，与其他园区管线对接的竣工信息测量点位约1268个。各类景观设施造型奇特、铺装复杂，场地景观设施、铺装、种植等基准坐标点位多达10810个，竣工信息测量检查又使测量点位大量增加，需引入高效便捷、精度可靠、过程投点质量稳定的测量放线工作方式。

2场地信息化模型

2.1三维协调设计

本项目采用Autodesk Revit(Structure，Architecture和MEP)平台实施三维协调设计。根据BIM实施规划，明确场地建模团队组织架构和工作分工，指定1名负责人全面负责模型的建立、设计协调、深化图制作以及现场技术支持等工作，设置建筑、结构、机电MEP等专业模型协调员组成三维协调设计团队。各专业间采用工作集或链接模型的方式进行协同设计，各专业设计者在规定时间频率内上传各自更新的内容，其他设计者即可实时查看其管线布置情况，通过三维空间模式下的可视化设计方式，优化排布各专业管线，或者通过给其他管线的工作集所有者发送实时请求的方式修改其他专业管线的空间排布，在各工作周期内，完成各专业设计的同时也实现了专业间的协调，提高模型协调效率。在建模后期，各专业模型已基本结束的情况下，为保证模型充分协调，可链接所有专业模型自动执行碰撞检查，依据碰撞报告进行协调避让和空间优化。

场地模型建立主要依据IFC图纸及变更、材料报审参数进行，同时，满足技术规格书、现行设计施工国标规范要求。鉴于本项目的特殊性，设计变更频繁，材料采购周期长，现场改动多，为保证场地信息化模型准确可靠，充分协调和信息整合完整，要求模型处于实时更新状态并及时将变更信息以工程联系单或设计变更的形式通知现场，避免施工错误造成返工。在项目施工的中期阶段，场地模型已达500MB。

场地巡游路线管线最为密集，各专业元素多，铺装要求高，演艺、景观场景复杂，是三维协调设计的重点，并且，为营造美妙的乐园氛围，电气系统管线和终端种类繁多，管线的埋置深度和平面路径与其他系统如电气排管包封、拉线盒、电缆井、水系统管线和检查井、种植树球、挡土墙、道路侧石等的协调难度和工作量巨大。场地充分协调模型保证了现场施工的顺利实施，对完整体现设计思想，提高施工质量和管理水平意义重大。施工场地巡游路线综合协调模型如图2a所示。场地拉线盒、电缆井模型如图2b所示。

基于充分协调、优化设计的BIM模型，在Revit MEP中设置符合建设方技术标准和国标规范的制图标准和符号法则，如线型、填充图案、颜色、图框等，由Revit MEP直接生成平面、立面、剖面图纸，赋予精确的管线系统分类、管路编号、埋深、端点坐标等信息，确保模型数据信息无缝传递至深化图，全方位指导现场精细化施工。

图2各构件模型

场地面积大、分布广，相对参考坐标少，与一般的建筑相比，缺乏控制轴网和实体参照，增大了施工测量控制的难度。场地二维管线施工深化图采用管线平面标注和管线表的形式进行表达，在局部管线密集，纵向标高变化大以及弯头数量多的区域辅以三维轴测图进行描述，便于图纸识别，减少理解偏差。场地管线深化如图3所示。

图3场地管线深化设计

2.2可视化载体

BIM模型作为可视化载体是其一个重要的价值体现，可视化极大地改善了各方对项目的理解和交流，增强项目研讨过程中的思考。在设计阶段，各专业设计师举行场地单专业或多专业模型审核会，确保设计信息完整、准确地体现在模型中，针对原始设计的漏缺碰问题进行研判和制定变更方案，明确多专业综合协调方案，提高优化设计水平，探讨复杂节点安装方案，保证现场施工的顺利实施。模型审核会后形成会议纪要，采用模型截图罗列问题清单和协调方案，作为模型更新的依据。场地模型审核会议纪要已多达800余条，内容涉及设计变更，多专业协调方案以及模型细度要求和现场施工质量要求。

总包在项目管理全程中应用BIM模型，使其价值最大化，提升项目管理水平。BIM模型应用于现场施工班组三维技术交底，通过三维可视化的全方位视角，对管线走向、交叉避让、埋置深度、施工工序、测量控制以及资源组织等产生直观认识，避免蓝图理解偏差，提高施工效率，规避施工错误和返工风险。

场地面积大，单体分布广，露天施工极易受自然条件影响，土方开挖和堆料布置受施工场地空间的制约，同时，场地施工受全场道路、物流、堆场布置的影响，与其他单体如天桥、天幕存在同步交叉施工的情况，因而，无法大面积同步施工与紧迫进度要求的矛盾亟待解决。场地施工组织方案和专项施工方案采用BIM技术进行模拟，提升方案的科学实用性，兼顾协调各种影响因素，优化施工方案、资源配置和进度控制方式，保证现场质量和施工进度。

在场地管线施工过程中，利用基于云计算的支持各类移动终端的BIM模型数据管理解决方案———Autodesk BIM360 Glue，将综合协调模型和相关工程资料带到现场，充分利用模型的三维可视化效果和赋予各类系统参数的模型元件指导现场施工和工序安排，实现“无纸化施工”。同时，对施工现场进行检查验收，提高检查效率，可及时将问题通过移动设备进行记录、拍照并添加标记和备注，使问题描述的更加清晰准确。在无线网络支持下，将检查结果上传云端服务器，利用质量管理信息化平台Autodesk BIM360 Field实时发布，以便项目相关方及时了解、共享和跟踪，确保问题高效、准确地解决，提升项目质量管理水平。移动终端PAD搭载模型进行现场检查。

3机器人全站仪

3.1概述

场地地下管线工程测量放样采用机器人测量放样系统实施，其主要由软、硬件组成。软件用于从CAD和Revit等多种格式图形软件中选取放样点坐标和数据处理。平板电脑为Microsoft Windows 7操作系统，另外读取导入到平板电脑中的经过格式转换的二维CAD图纸和三维CAD或Revit模型；硬件主要由全站仪)、平板电脑、棱镜(杆)组成。全站仪水平角度精度3″，垂直角度精度2″，可自动捕捉棱镜并对中。平板电脑支持触摸操作，自带天线可以远距离控制全站仪。反光棱镜(杆)可以被全站仪360°全方位捕捉。

机器人全站仪架设就位后，其磁浮系统能够快速可靠地实现仪器自动调平，避免人为操作误差。进行视点设置，自动指向放样方位，发射激光360°全方位捕捉反光棱镜(杆)。现场测量、放样时，全站仪自动跟踪和捕捉棱镜并自动对中，极大地简化了反光镜对准操作和减少误差。在自然条件(高温、雨雾等)或施工环境复杂(反光背心、遮挡等)或距离过远而导致全站仪未能自动捕捉棱镜时，可以由平板电脑远距离控制全站仪镜头转向实现对正捕捉。平板电脑和全站仪通过无线信号实现互联，搭载的软件全程控制由自动电动机驱动全站仪的转动和指向，并实时显示棱镜杆与目标点的就位偏差，便于精确放样。平板电脑系统软件识别的图纸增强放样的可参照性，同时，可直接触摸操作，临时手动选取放样点坐标，增强现场放样的灵活性。平板电脑可保存点位实测数据，经数据处理后可生成实测点位分布图，便于对比分析现场竣工点位和设计点位之间的偏差。

因此，与传统全站仪测量方式相比，机器人测量放样系统无需反复架设全站仪，实现全程单人操作，极大地提高测量放样效率，减少人工操作而导致的误差，提高现场投点质量，降低工作强度，对保证工程进度和成本效益具有重要意义。

3.2投点放样方案

放样系统的操作主要分为办公室数据处理和现场放样两部分，其软硬件的操作界面较为简单、易懂、便捷，软件说明书内容详尽并附实例参考，经过较短时间的学习即可掌握。平板电脑为放样操作控制的中枢，触摸式操作便于人机互动。投点放样流程可总结为以下步骤：

①在Autodesk CAD或Autodesk Revit软件中安装插件；

②拾取待放样的坐标点进行自动编号(见图4)并生成点坐标列表；

③将坐标点列表和CAD图纸或3D模型导入平板电脑；

④在放样系统中进行现场放样并进行坐标点标记。

图4创建放样点

3.3竣工测量步骤

场地管线竣工信息是多专业模型精确协调的重要基础，竣工测量数据及时反映至模型，并与原设计值进行对比分析，对可能产生的新碰撞进行协调。并且，场地地下管线与场外园区其他标段的管线存在对接问题，对管井、阀门、电缆井、电气排管、灯柱基础等竣工点位进行实地测量，依据竣工测量数据建立竣工模型，在模型中精确模拟管线路径对接。竣工测量的操作流程为：现场清理和实际测量→自动记录保存测量数据→生成二维实测点位分布图或建立三维竣工模型→与原设计值对比分析。

4综合应用

4.1其他标段竣工模型

场地管线与4个其他标段或园区的管线存在对接问题，部分电缆井、检查井需要在原标段已施工的基础上继续施工直至铺装面。各园区施工进度不一，其他标段已竣工的管线存在竣工图纸和竣工模型漏缺和准确性低的问题。为获取准确的地下管线竣工信息，局部区域进行开挖，采用测量系统进行实体测量，每个实体单元一般测量3～4个点，获取专业系统、平面坐标和标高信息，如圆形水平管测量点为上表面中心位置，立管选取圆心位置，方形实体测量外围角点。场地其他标段竣工测量如图5所示。对2D竣工图纸信息进行三维建模，建立其他标段竣工模型，场地各系统管线与其实现精确对接(见图6)，提高管线路径优化水平并实现竣工模型交付。

图5场地其他标段竣工测量

图6电气管线与其他标段排管模型对接

4.2管线放样

圆形水平管放样测量点为上表面中心位置，立管选取圆心位置，方形拉线盒、灯柱等测量放样外围角点。全程由平板电脑和放样软件控制，实时显示管线编号、坐标以及三维可视化模型数据，平板电脑动态显示当前棱镜杆位置和目标位置信息，根据距离差别数值移动棱镜杆直至两者距离差别在允许范围内，即可确定放样点位并现场进行标记。

同时，可根据现场操作条件，调整放样点位并进行记录、标注，支持现场拍照功能，自动保存放样数据和生成放样报告。系统自动生成的报告形式可分为每日工作汇总、放样误差报告、工地报告等3种形式，以图文、表格等文档形式记录放样工作，并发至工程相关方存档。在施工过程中，多次复测校核，确保管线安装位置精确。现场管线投点放样结果表明，综合工效比传统全站仪提高5倍以上，配合合理的施工组织方案、工序安排和进度计划，减少现场投点干扰因素，大面积投点放样将显著提高放样效率。

4.3竣工检查验收

针对已竣工的管线、各类检查井、灯柱基础等进行竣工点位测量，将竣工数据反馈至BIM模型，直观显示与原设计值的差别，同时，确保已竣工实体与其他管线在模型中不存在碰撞冲突，实现基于竣工模型的检查验收，显著提高各层次检查验收效率。在竣工模型中，赋予和链接各模型构件完整、准确的档案资料，实现竣工模型交付，为BIM技术在下一阶段的运营维护保养、资产管理应用打下基础。

电气管线、灯柱基础竣工点位测量平面如图7所示，可见现场各实体竣工点位实测值与理论值基本一致，施工误差满足要求。竣工模型与原设计模型对比如图8所示，直观显示检查井、电缆井、拉线盒、灯柱基础等竣工模型与原设计模型基本重合，表明施工精度得到有效保证，主要得益于应用天宝测量放样系统在施工过程中及时进行测量、校核，加强施工过程精度控制，及时预警和纠偏，确保施工精度。

图7电气管线、灯柱基础竣工点位

图8竣工模型与原设计模型对比

5结语

BIM技术与机器人全站仪综合应用于场地地下管线施工，取得良好的综合效益，对类似设计复杂、工期紧、质量严、测点多、精度高的工程具有良好应用价值。通过建立BIM综合协调模型，提高深化设计质量，对提升工程管理信息化管理水平和实现精益化生产意义重大。基于综合协调模型，结合先进的自动化测量设备，提升测量放样的效率和准确性，降低了劳动力投入，对保证工期、施工质量具有显著意义。竣工模型的检查验收减少了传统验收的工作程序，信息表达直观准确，提高了质量检查和竣工验收的效率，同时，实现了竣工模型的交付，为BIM技术运营维护阶段的应用打下基础。