BIM技術結合測量機器人放樣功能在高層建筑領域的應用

童鵬程，張同波

(1. 中鐵四局集團建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022； 2. 合肥海拓勘測設備有限公司，安徽 合肥 230022)

隨著城市化建設的加快，高層和超高層建筑越來越多。本文針對傳統的高層建筑施工中利用低下、精度偏低的特點，在保證建筑物安全性、耐久性的同時，利用GPS RTK和測量機器人等先進的測量技術和儀器設備，結合BIM技術，實現高層建筑施工測量的自動化、無紙化、可視化和智能化的三維放樣。

1 工程概況

貴州凱里未來城項目“城市之門”A座由4層地下室、局部3層商業裙樓、一棟18層SOHO辦公樓及一棟24層五星級酒店組成，總建筑面積為119 803.325 m2。18層S0H0辦公樓標準層層高3.6 m,土建結構高70.2 m,屋面附屬鋼結構高25 m,建筑總高度95.2 m；24層酒店(辦公樓)標準層層高3.8 m,土建結構高度98.7 m,屋面附屬鋼結構高25 m,建筑總高度123.7 m。

2 儀器設備及技術介紹

2.1 BIM技術

BIM模型建立時無需設定坐標系，需利用現有建模軟件，根據設計軸線任意確定模型位置。只需保證模型與軸網之間的相對位置正確，建立建筑物的結構模型即可。

2.2 GPS RTK技術

減少控制點采集次數，僅一人操作,每個放樣點只需停留幾秒的時間，且不存在誤差積累。

2.3 測量機器人

測量機器人在整平后，無需人工輸入坐標及各種參數，可以動搜索、確認目標，在其轉動過程中對儀器的磨損和震動都非常小，電能直接轉換為機械能，不產生磁場，也不會被磁場干擾。在測量及瞄準過程中鏡頭不會抖動，保證了測量精度。

3 在高層建筑中應用方法

在施工現場較為開闊的地方架設GPS RTK基準站，在施工樓層中間位置架設測量機器人，并在樓層周邊位置任意采用帶360°全棱鏡的RTK流動站，測設4個以上的控制點，每個控制點在采集到坐標后，不移動基準站的情況下直接將RTK采集的坐標傳輸給測量機器人完成自由設站定向工作。通過點擊測量手簿中BIM模型需要放樣的結構位置，即可通過測量機器人將結構位置的坐標進行放樣，如圖1所示。

圖1 系統運行所需設備

3.1 BIM模型坐標和現場施工坐標系的統一

由于BIM模型的建立是由建模人員任意繪制的，與工程中的施工坐標系無法統一，通過坐標系的偏移和旋轉可以將坐標系BIM任意坐標批量轉化為工程中的施工坐標系，如圖2所示，從而保證BIM坐標可以在現場準確無誤地放樣。

圖2 BIM任意坐標系批量轉化示意圖

3.2 GPS RTK精度提高

GPS RTK因為其測量點位的精度偏低，一般其測量的點位數值不作為控制點使用，但因其測量效率高、速度快、操作簡單、使用方便，可以通過如下方式來提高其測量點位的精度，已達到滿足控制點使用的要求。

(1) 設置接收機“三星”系統能夠同時接收GPS、GLONASS、BDS信號，如圖3所示，增加多余觀測衛星型號的數量，可提高衛星觀測精度。

圖3 三星系統示意圖

(2) 提高接收衛星信號的高度截止角，如圖4所示，剔除信號接收不良的衛星，以提高觀測精度。

(3) 增加RTK測量過程的觀測時間，將控制點時間觀測由原來的5″提高至60″，以提高測量點的平面和高程精度。

(4) 在RTK測量控制點的過程中，采用帶固定支腿的插銷式對中桿，防止在測量過程中，因儀器自重下沉或對點不夠垂直而影響測量精度，如圖5所示。

圖4 衛星高度截止角的設置 圖5 RTK控制點采集

3.3 實測控制點坐標與測量機器人定向一體化

根據RTK快速定位測量的控制點坐標值，在不移動對中桿的情況下，通過測量手簿傳輸將此坐標值傳輸給測量機器人，完成該點的角度、距離定向，如圖6所示。依此方法完成后續各控制點的角度、距離定向，從而完成測量機器人的自由設站工作，如圖7所示。

圖6 測量機器人的自由設站示意圖

圖7 測量機器人的自由設站示意圖

3.4 BIM模型三維坐標生成

只要通過在BIM模型上截取建筑物特征點或任意點時，其放樣點位置即可清晰地在BIM模型中顯示，如圖8所示。若放樣位置不對或沒有到位，系統會自動提醒正確的放樣方向及距離。在放樣時，無需計算建筑物各特征點的坐標，也無需向儀器中輸入放樣坐標，只要點擊模型中要放樣的位置即可，如圖9所示。

圖8 BIM模型中讀取的放樣坐標

圖9 BIM自動放樣

4 與傳統方法對比及優勢

為了檢驗BIM技術和測量機器人放樣點的精確性，現選取A座第16層，采用傳統的激光垂準儀投點、經緯儀撥角、鋼尺量距方法測量放樣主控軸線，與采用BIM技術及測量機器人放樣的主控軸線角度、距離結果進行對比，詳見表1、表2。其優勢如下：

表1 主控軸線角度對比

表2 主控軸線距離對比 m

(1) 施工時各樓層間不需要預留激光垂準儀投點用孔洞，避免預留孔洞后的二次施工現象，同時也避免了通過預留孔洞的高空墜物傷人等安全隱患問題。

(2) 施工過程中，無需通過激光垂準儀投點和經緯儀撥角等即可將主控軸線各結構物立模線放出，提高了施工效率。各樓層放樣坐標或角度、距離無需進行計算，可通過BIM的點擊直接獲取。

(3) 由于BIM技術和測量機器人的放樣誤差不隨樓層的升高而累積，避免出現激光垂準儀投點精度隨著投測高度的增加而降低的問題，提高了各樓層放樣的精度。

5 結 語

通過對BIM技術結合GPS和測量機器人等在高層建筑施工中的應用，打破了傳統的投點法控制及軸線法放樣方法，很好地將BIM技術、GPS、測量機器人運用到控制點測量和快速靈活的任意設站，真正實現了測量放樣自動化、無紙化、可視化和智能化。