BIM放樣機器人技術在地鐵施工測量中的應用

蔡磊磊

(北京拓普康商貿有限公司，北京 101102)

1 引 言

BIM技術目前已經在世界范圍內廣泛應用于建筑設計、施工和土木基礎設施等行業。目前國內的大型建筑承包商已經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，并在不斷積極探索和應用各類BIM技術，對工程施工的各個環節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量和經濟效益。

隨著我國社會經濟的快速發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境具有不可忽視的作用。據相關統計數據顯示，截至2017年12月，中國大陸建成投運地鐵的城市已達31個，數十個城市的地鐵和軌道交通還在持續修建中。這些地鐵項目中有一些已經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節，工程現場的各類建筑、結構和MEP機電設施設備的精確施工定位，成為一個可以跟BIM模型相結合的熱點應用方向，用來提升施工現場測量作業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構及管道設備放樣點的作業方法，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定位數據更新速率，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云端的數據同步服務，目前是基于IOS系統開發的，因此手簿使用iPad平板電腦即可。實現了工程數據從設計到工地的無縫對接，為施工人員提供了一個結合設計模型和放樣操作的高效單人測量系統。

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、模型數據云端同步、實際放樣等。

2.1 放樣點位的設計和提取

內業人員先使用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 模型數據云端同步

將帶有海量點位信息的BIM模型上傳至云端服務器；現場施工放樣人員在作業前，需在平板電腦上打開BIM 360數據同步軟件，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，根據現場情況任選其一)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據，LN100即可迅速引導棱鏡到工地現場的實際設計位置，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建筑施工技術和理念，整個車站的3層建筑結構空間及其相關站廳附屬設施均設計了專業的BIM模型供施工各環節、各參與方協同作業、共享使用，施工方在工程建設的許多環節和專業引入了一整套BIM解決方案，在施工測量環節也使用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構及管道設備放樣點，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

實地作業時，現場只需要一名作業人員即可開展放樣工作：首先，在現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LN100儀器和放樣對中桿及棱鏡的三維仿真模型，且位置與現場實際位置精確吻合，這時作業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，也就是說出現了兩個完全一致且實時動態對應的位置空間——現實作業空間和軟件模擬空間，BIM放樣機器人地鐵施工現場如圖6所示。

圖6 BIM放樣機器人地鐵施工現場

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)數值，精確到毫米，引導作業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、持續測量(每秒20次的測量數據更新率)，作業人員根據軟件中直觀的模型動態變化、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所有目標點；第二種放樣模式：在調取放樣點后，可操縱儀器先精確地轉動到放樣方向，作業員再根據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

放樣完成的坐標數據會自動存儲至BIM模型，便于上傳回云端，利用內業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 語

測量機器人已經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合直觀的模型放樣軟件，實現完全的智能單人BIM測量系統，還是近年來剛剛開始流行的測繪新技術和新趨勢，其目標直指BIM工程現場的施工放樣流程，同時降低了對作業人員的專業要求，再加上便利的數據流同步與共享，使得現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應用BIM技術的發展浪潮，BIM放樣機器人的應用必將日益廣泛。