基于BIM的智能放样技术在激光小镇钢结构施工中的应用

在建筑施工过程中，测量工作是项目管理中的一项重要工作，其准确性直接关系到建筑工程实体是否与设计成果一致，进而影响到建筑是否能顺利交付以及使用功能是否满足要求。传统的施工放线工作通常以二维图纸为依据，以全站仪为测量工具，通过大量的人工演算确定全站仪的设站位置、目标点间的角度和距离关系等参数，并由测量人员根据这些参数操作全站仪，指引棱镜到达正确的点位，以完成放线工作。传统的施工放线工作主要依靠测量人员进行，测量误差常受测量人员专业能力、工作态度等影响。随着BIM技术的发展，施工放线工作中开始引入BIM技术，将BIM模型作为施工测量的依据[2]。基于BIM的智能放样技术，以智能化的放样机器人为测量工具，通过将模型数据输入放样机器人中并操作机器人完成放样工作，具有放样速度快、节省人工等优点。基于BIM的智能放样技术已应用于复杂形状的放样、地下管线施工、预留预埋施工、装饰装修工程等。

在结构施工阶段应用基于BIM的放样技术，在前期已确定的测量控制点基础上，通过智能放线机器人对楼层平面内进行放线定位，将BIM模型数据等设计成果中的各种尺寸信息转移到施工现场建筑物实体上，快速确定楼层内建筑和结构构件的安装位置。

1?工程概况

激光小镇孵化器1号楼主体地下1层，地上10层，其中地下部分为钢筋混凝土结构，地上部分为钢框架结构。钢结构部分主要包括两栋塔楼中的钢柱、钢梁以及两栋塔楼间的钢结构连廊。激光小镇孵化器1号楼建筑主体模型如图1所示。

图1?项目主体模型示意

2?基于BIM的智能放样工作流程

智能放样机器人是连接BIM模型和施工现场的重要工具，一般由全站仪和平板电脑组成。其中，全站仪接受平板电脑的控制，能够自行转动，在放线工作中用于照准目标；平板电脑是放线机器人的数据处理中心，其中存储有工作区域的设计模型或图纸，通过搭载的专用软件将设置好放样点的BIM模型导入机器人中，机器人可直接依据BIM模型中的位置信息确定相应点在施工现场实际位置，节省了复杂的内业计算工作和施工现场反复找点过程。基于BIM的智能放样工作流程主要分为3个阶段，分别是放样前的准备工作、放样过程中在施工现场的测量工作和放样完成后的数据处理工作，具体流程如下。

（1）准备工作。选定放线工作的范围，获取该范围对应的BIM模型或CAD设计图并转换为专用软件可接受的文件格式。将模型或图纸导入平板电脑并选定参考点及待放出的点。（2）现场工作。现场架设仪器，在建立平板电脑和全站仪间通信连接后，通过照准2个或3个已知点确定全站仪自身位置。现场放线，通过平板电脑指挥全站仪在地面等处确定目标点的位置并进行标记。（3）数据处理。在平板电脑中导出放样报告、实际点位坐标等文件。如图2所示。 

图2?基于BIM的智能放样工作流程

3?基于BIM的智能放样施工

3.1?模型处理

使用的智能放样机器人以BIM模型或CAD图纸为放样依据。进行放样工作前需要先获取所放样区域的设计模型或图纸，对模型或图纸进行适当处理后，用于指导放线工作。

智能放样机器人支持常见的数据格式，如DWG、 DXF、SKP、IFC和PDF等格式，查看 3D 设计模型或二维图纸并与之交互。 Revit软件建立的RVT格式的BIM模型不能直接使用，需要进行转换。 本项目采用将Revit建立的BIM模型转换为DWG格式图纸文件的方式，实现与智能放样机器人的数据传递。 在楼层平面上进行放线时，为了便于选取放样点，可在Revit软件中选取某一层的平面视图，通过导出图纸的方法将该视图转换为DWG格式文件。 当需要在三维空间中进行放样时，可选取某一层楼的3D视图导出为DWG格式文件，以方便选取放样点，避免因图元间的遮挡而选取了错误的放样点。

导出的DWG格式模型文件通过U盘导入智能放样机器人的平板电脑，并使用专用的软件进行读取。软件在读取图纸文件的同时，会自动为图纸创建相应的工程文件，后续各种操作均以该工程文件为基础。

3.2?放样点确定

尽管可以在建模软件中画出施工现场已知点在设计模型或图纸上的对应位置，但直接导入专用软件中的模型和图纸并不能直接用于指导现场放线。为了确定已知点和施工现场需要放出的点，需要在专用软件中对这些点进行手动标记，在相应的位置上设置点标记。软件中提供了捕捉图元并进行标记的工具。在标记放样点的过程中，一般选择直接捕捉图元上特征点的方式，通过直接在平板电脑上点击的方式进行标记。在建筑结构施工中，重要的点一般是图上的交叉点、顶点、角点、中点等特征点。软件中提供的工具可直接选中这些点，并通过软件的“创建”命令建立标记点，如图3所示。

图3?在专用软件中标记点

在放样机器人的软件系统中，所有的标记点都是相同的，并不区分哪些点是已知位置的控制点，哪些点是实际位置未知需放出的点。为区分不同类型的点，可通过修改点的编号进行区分。

在放样前确定已知点和放样点在图上的位置时，若模型或图纸的尺寸是按照1∶1比例绘制且尺寸精度满足施工要求时，可直接使用图纸进行放样点的标记。此时不需要进行复杂的点坐标计算，仅需在平板电脑上点选所需放出的点，可大幅减少放线施工前内业计算的工作量。

3.3?测站设置

完成放样点的设置后，即可携带整套仪器前往现场进行放样工作。测站设置的方法与传统的全站仪放样基本一致，需将智能放样机器人的全站仪放置在施工现场较平稳位置，同时需确保全站仪所在位置与目标点位可以通视。智能放线机器人全站仪具有自动整平功能，因此在架设仪器时仅需进行粗略整平即可。

智能放样机器人的设站工作原理与传统全站仪放样时设站的原理相同，均依靠两个已知位置坐标的点确定仪器自身所在位置。与传统全站仪放线所不同的是，智能放样机器人在设站过程中无需输入已知点的坐标值，在平板电脑上点击已标记的已知点后仪器自动获取点在图上的坐标。通过照准已知位置的两个控制点，智能放样机器人自动计算出全站仪的设站位置，并显示在平板电脑上，如图4所示。智能放样机器人在设站过程中，当照准两个已知点并完成测量后，软件会自动进行误差计算，并在软件中的模型上进行可视化展示，直观地显示误差大小和方向，辅助测量人员进行调整棱镜位置或更换使用的已知点。

3.4?现场放样

全站仪设站完成后，即可进行现场放样工作，将图纸中待放出的点投在施工现场的地面或其他固定物体上。具有免棱镜照准功能的智能放样机器人一般有配合棱镜和免棱镜2种放样模式。

（1）在配合棱镜的放样模式中，全站仪通过跟踪棱镜进行定位，同时将棱镜、全站仪、待放出点的位置均实时显示在软件中，软件根据棱镜与待放出点的相对位置指挥测量人员移动棱镜至待放出的点。当棱镜所在位置与目标点位距离足够近时，软件会以带有箭头的圆圈显示棱镜与目标点的距离和方向，辅助测量人员精确移动棱镜，如图5所示。在使用棱镜放样过程中，全站仪无需测量人员进行操作，全程仅需1名测量人员手持平板电脑和棱镜，在施工现场移动至目标点位并做标记。

      图4?确定全站仪设站位置        图5?配合棱镜的放样模式

（2）在免棱镜的放样模式中，全站仪工作在免棱镜模式下，无需棱镜即可照准并测量目标点的坐标。在该模式下，全站仪镜头中设置的激光发射器发射一条绿色激光，在施工现场的物体上打出一个肉眼可见的绿色激光点。在放样过程中，全站仪自动照准目标点位，绿色激光点指示目标点的位置。测量人员在平板电脑上点击所要放出的点后，全站仪自动旋转照准目标点位并自动进行测量，以获取实际点位坐标数据及放样误差。若仪器测量3次仍无法测得实际点处于误差范围内，则在平板电脑上提示放样不成功。这一过程同样仅需1人即可完成全部放样工作。该模式与配合棱镜的放样模式的不同在于无需使用棱镜，全站仪直接对目标点进行照准和测量，而不是通过对棱镜的测量计算目标点的位置，免去测量人员手持棱镜在施工现场寻找目标点的过程，适合在缺少参照物的空旷环境下进行放样工作。由于该模式下测量人员依靠全站仪发射激光确定点位，不需要通过望远镜瞄准棱镜，因此放样工作不受外界光照环境影响，即使是在晚间或照明条件较差的环境中仪器仍可正常工作。

3.5?数据处理

在使用智能放样机器人进行放样工作时，每次照准并测量目标点位时软件均会记录所照准点位实际坐标，并计算出实际位置和设计位置间误差，以指导测量人员修正。放样结束后，软件中记录放样时间、放样点编号、放样点设计和实际位置等信息，可通过软件生成固定格式的报告用于放样工作的总结。智能放样机器人配套的专用软件可文档形式对放出点所属项目、放出点的数量、放线工作的时间、测站位置、放出点的编号等内容进行汇总，并且可统计每次放出点的平均速度。对于放出点的位置坐标信息和误差信息，软件可以表格或CAD图的形式进行汇总和展示。

4?基于BIM智能放样技术的优势

BIM智能放样技术与传统全站仪放样技术相比，具有放样效率高、误差受测量人员影响小、可在照明不良的条件下工作等优势。传统的全站仪放样通常需要2个人或3个人共同完成放样任务，其中需要1人操作全站仪进行瞄准和观察，另1人手持棱镜按照全站仪操作者的指令，在施工现场移动寻找目标点。这一过程需要测量人员密切沟通，工作效率受测量人员沟通质量和技术水平的影响较大。当施工现场的参照物较少时，手持棱镜的施工人员难以快速找到目标点的大概位置，全站仪也难以对棱镜进行实时跟踪为棱镜移动提供指导，因此全站仪放样工作模式下的放样效率较低。放样点的精度受测量人员的技术水平、工作态度甚至工作当天的心情等因素影响较大。基于BIM的智能放样技术仅需一人即可完成全部放样工作，通过将平板电脑固定在棱镜杆上或使用免棱镜放样模式，可去掉传统模式中全站仪的操作人员，至少可节省一半的人工消耗。平板电脑在放样过程中可视化地展示设计模型和棱镜、目标点的位置，并直观地给出需要移动的方向和距离，免去了测量人员间的指挥和沟通环节，同时全站仪在跟踪棱镜的过程中给予测量人员实时和连续的指导，使测量人员能够更高效地找到目标点。免棱镜放样模式更是直接给出目标点的位置，省去了人工找位置的过程，提高了放出点的速度。在精度方面，当使用棱镜时软件可给出实时的误差和调整方向，测量人员可进行快速调整，以控制放样误差，误差超限时仪器也会给予警告。在免棱镜放样时，测量人员依靠全站仪投射出的激光点确定目标点，全部测量和计算工作均由智能放样机器人完成，放样精度基本不受测量人员的影响。传统全站仪放样要求施工现场有较好的光照条件，以便于测量人员能够通过全站仪的望远镜看到棱镜，因此无法在夜间或照明不良的条件下进行工作。智能放样机器人具有免棱镜放样功能，不需要测量人员人工瞄准棱镜，仅需要测量人员看到全站仪投射出的激光点即可完成放样工作，因此可不受外界环境光线影响，在照明条件较差的环境中仍可正常放线。

5?结束语

在激光小镇1号楼钢结构施工过程中，应用基于BIM的智能放样技术进行了部分施工放样工作，利用智能放样机器人以BIM模型为依据进行施工放样，实现施工放样工作的智能化。基于BIM智能放样技术减少人员占用，提高放样效率，减轻测量人员工作强度，同时提高放样精确度，降低光照环境对放样工作的影响，但引进智能放样机器人成本较高、需要对测量人员进行相应培训、直接依靠模型进行施工放样对设计模型精度提出更高要求等问题，需进一步解决。