基于BIM技術和測量機器人的橋梁工程測量方法研究

朱善美 （中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

當今市場環境中，建筑行業正朝著信息化、標準化、國際化的方向發展[1]，一些傳統思維已無法順應建筑行業快速發展的需求。在這樣激烈的市場競爭中，企業能否為社會提供質量高、工期短、造價低的產品，成為制約建筑施工企業成敗的關鍵因素。而BIM技術是建設行業的一項重大革新技術，基于BIM技術的工程項目信息化必將作為提高建筑行業效率和利潤的有效途徑之一[2]。

目前，國內橋梁施工測量大多還是采用傳統的模式，外業工作投入大量的人力、物力和時間；并且由于建筑結構空間的復雜性，以及外在環境的影響，無法保證細部測量的精度質量，因此常規的測量儀器已經逐漸無法滿足需求。隨著現代科技的發展，高新測繪技術的不斷提高，測量機器人在工程施工中的應用逐步發展，基于測量機器人開發的測量系統可以實現數據自動采集、傳輸、處理、發布，避免數據失真，并將設計的成果高效快速地反映到施工現場，為現場施工做出更加直觀準確的指導，實現大幅度提升工程測量功效、確保施工質量和施工安全的目的。

1 研究思路

圖1 測量方法圖

隨著國內建筑行業的發展，基于BIM技術的信息化管理模式已經成為行業的趨勢。但在工程施工上的應用是國內BIM的薄弱環節，癥結點在于如何將三維模型數據與施工現場結合起來[3]。本文結合BIM與測量機器人的技術特點，提出了一種基于BIM技術和測量機器人的橋梁工程智能測量方法，并在滬蓉鐵路上跨江淮運河特大橋中成功應用。其研究思路如圖1所示。

2 橋梁BIM模型快速建模

從“十一五”開始，我國政府就開始大力支持建筑信息化發展，如今BIM理念正逐步為我國建筑行業知曉[4]。BIM具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等特點[2]。BIM技術可以應用于橋梁工程項目的決策、設計、施工、運營等全生命周期內。

綜合分析BIM模型的建模方法后，形成了利用Revit軟件強大的插件開放接口，并結合Dynamo等插件的一種橋梁快速建模方法，改變了傳統的建模思路，提高了建模效率。

2.1 根據相對位置統計構件信息

在項目施工過程中，各構件的坐標計算容易發生一些不易復核的錯誤，造成工程成本的增加，因此在建模的過程中，根據圖紙提供的相對位置關系以及參數信息，計算相對的坐標，并按照各構件的里程信息分別建立構件信息庫。

2.2 基于Dynamo進行項目拼裝

第一步，創建構件的族文件，選擇適當的族樣板文件，根據構件信息庫選取出各構件的變化參數，建立參數化構件族。

第二步，將參數化族導入到新建的項目文件中，并使用Dynamo插件進行編寫程序。

使用Dynamo編程的語句，首先對構件信息庫進行編輯，將所需要驅動參數化族的數據提取出來做好準備。分別創建對應的構件編碼塊，按照信息庫中相對坐標的位置在Revit中布置相應的參數化族。

第三步，根據工程的圖紙信息中提供的相對關系，在Revit顯示區域進行各構件位置間的二次復核。

基于dynamo進行項目拼裝，不僅可以避免傳統建模思路中單個構件調整的耗時繁瑣，還可以不斷的根據相對關系互相復核提高模型精準度。

2.3 小結

BIM的價值取決于BIM信息被使用的價值[2]，作為信息的載體，在建模過程中，要保證信息不會冗余和流失，盡可能地保證信息的精確度。

模型的創建是基于BIM平臺信息管理過程中最基礎的一個環節，提高模型的精度，在橋梁工程的全生命周期內可以得到更有效的控制、優化和指導，基于dynamo進行快速建模可以很有效的保障這一目標。

3 基于BIM和測量機器人的橋梁工程測量系統開發

隨著相關軟件和硬件的不斷發展，工程測量對技術的需求不斷的提高，從而產生了一些新的工藝方法，這些工藝無論是在技術手段還是作業方法上都有了新的突破。在基于BIM平臺信息管理的模式下，實現測量方法、儀器的智能化，建立具有智能化功能的測量系統，是彌補測量系統不足，取得高穩定性、高可靠性、高精度和提高分辨率與適應性的必然趨勢。

在結合橋梁工程實際需求的基礎上，將BIM技術與測量機器人進行有機結合，開發了“橋梁工程施工智能測量系統”，解決了工程測量智能化、信息化，實現數據自動采集、傳輸、處理、發布，避免了數據失真，大幅度提升工程測量功效，確保了施工質量和施工安全。

3.1 自動化測量系統開發思路

自動化測量系統由4大功能模塊構成：系統綜合管理模塊、橋梁工程BIM數據庫管理模塊、施工數據運算模塊、以及測量管理模塊，其運行流程如圖2。

圖2 自動化測量系統

3.2 系統功能描述

3.2.1 系統綜合管理模塊

本模塊為平臺系統的初始運行部分，包含系統平臺的項目運行管理、項目屬性管理、測量屬性管理、系統設置等內容。

項目運行管理包含項目的新建、打開、保存、另存、退出等；項目屬性管理包含項目名稱、部位等信息的錄入與瀏覽；測量屬性管理包含參考橢球設置、中央子午線設置、高程投影面設置等參數設置；系統設置包含系統用戶管理、系統幫助文檔等內容。

3.2.2 橋梁工程BIM數據庫管理模塊

本模塊需要實現的功能為系統平臺讀取與識別作為信息載體載入到系統平臺中的BIM模型，具體為BIM模型的導入、BIM信息維護、BIM 數據識別、BIM信息編輯與瀏覽等。

3.2.3 施工數據運算模塊

本模塊解決了系統平臺的測量數據輸入、計算與復核等方面的問題。

其中BIM模型將相對坐標轉換為施工坐標系的坐標轉換為該模塊的核心功能。

第一步：根據輸入的橋梁路線信息，運用交點法或線元法計算出線路中心坐標與結構物特征點坐標；第二步：通過讀取的BIM模型，提取結構物特征點坐標（樁基、承臺、墩柱中心點坐標等）；第三步；運用四參數法及結構物的拓撲關系，將BIM模型由相對坐標轉系換為施工坐標系；第四步：提取BIM模型的結構物特征點坐標，基于根據線路信息計算出的結構物特征點坐標，根據里程與位置信息進行匹配并進行數據復核。

3.2.4 測量管理模塊

該模塊的目的是實現驅動測量機器人自動測量放樣的功能以及測量機器人掃描所得點云數據與BIM模型比對的功能。

首先，根據測量機器人的開放驅動端口，運用編程語言，實現與測量機器人的通信設置功能；其次，輸入相應的控制點坐標信息后，驅動全站儀進行設站，根據施工環境自由選擇后視法、后方交會法等設站方式。

完成設站后，即可選擇測量機器人的工作方式：放樣、測量與掃描。放樣坐標信息根據BIM模型進行實時提取，并最終返回放樣結果；測量所得的坐標可以實時展示在BIM模型表達窗口。掃描完成后，需將點云數據進行處理，處理完成后的數據導入到系統平臺中，根據點云數據的坐標信息自動與BIM模型進行嵌套比對，并實時顯示比對結果。

最終，所有測量的成果都可以按一定的格式輸出相應的文件，保證測量工作的可追溯性。

3.3 小結

本系統利用Visual studio 作為編程工具，它的一個很大的優點就是能迅速有效地編制程序界面，可以開發出形式靈活，界面友好的多窗口控制程序[5]。并且本系統簡單易學，使用方便，規范了測量流程，實現了橋梁工程結構由相對坐標轉換為施工坐標、三維特征點的快速獲取及自動放樣，提高了施工流程的速度并保證了施工數據的精確性。

4 徠卡MS60全站型掃描儀的應用開發

BIM在建筑工程中的重要性日趨明顯，將BIM成果快速準確地轉化為現場施工的成果是BIM深化應用的必然趨勢[1]，而徠卡MS60全站型掃描儀不僅可以做到測量可視化，而且其超級搜索及軌跡預測防障礙跟蹤和高精度測量還提高了施工放樣效率及可靠性，運用徠卡MS60全站型掃描儀的三維掃描功能，可以將模型數據與施工現場間無縫銜接，能夠快速完成的現場建筑的精細掃描,通過與BIM模型進行偏差分析。

4.1 自動放樣

徠卡MS60全站型掃描儀的設站方式與普通全站儀相同，并可以使用外部程序進行驅動這一步驟。在與基于BIM的系統平臺進行通信識別后，在軟件中點擊自由設站和設計點放樣并輸入相關數據后，系統平臺即可驅動全站儀完成目標操作，并在平臺中顯示結果。

圖3 自動放樣

4.2 點云掃描

徠卡MS60全站型掃描儀的常規測角與ATR自動測角的精度為0.5″，掃描速度為1000點/s，掃描精度為最高0.6mm，是業內測角精度高的全站儀以及掃描產品，并且可以保證點云在同一坐標系下。因此，使用MS60掃描功能對橋梁工程項目進行高精度掃描檢測在精度和作業效率上都能夠滿足需求。

4.2.1 工藝流程

全站儀設站→前進位置測量→掃描→LeicaInfinity數據轉換→3DReshape軟件處理→與BIM模型比對。

4.2.2 現場測量

在MS60全站型掃描儀中新建項目，根據已知控制點進行設站。根據要掃描范圍，確定單次掃描距離與掃描次數。進入掃描界面，進行掃描設置。創建掃描，根據需求選擇掃描模式，開始掃描。重復上述步驟直至完成掃描。最后將數據導出。

4.2.3 數據處理

①使用Leica Infinity將原始數據由.sdb轉換為.las格式的文件。

②使用3DReshape軟件進行數據處理。第一步：將.Las格式的文件導入到軟件中；第二步：將多余掃描的部分進行點云清理；第三步：使用反射強度值進行刷選點云數據，實現點云去噪的目的；第四步：使用“regular sampling”命令進行點云重采樣；最后將點云數據導出為pts文件。

4.2.4 與BIM模型比對

①將處理完成的點云數據導入到橋梁工程施工智能測量系統平臺中。

②運行平臺中偏差分析的功能塊，并將結果保存。

4.3 小結

測量工作貫穿整個橋梁工程的施工全過程，在橋梁工程建設中擔當了非常重要的角色。徠卡MS60既有全站儀的功能，能夠使用全站儀方式設站，保證點云在同一坐標系下，同時它又是高精度的掃描儀，能夠達到最高0.6mm的掃描精度，外業數據采集精度有保障。

通過徠卡MS60全站型掃描儀與BIM技術的融合，既能做到依據BIM模型去現場放樣橋梁結構物，又能根據掃描儀實測的點云數據重構橋梁結構物模型與橋梁BIM模型進行對比，實現橋梁的竣工測量。

5 結語

合理選擇測繪儀器設備和測繪技術，精準測定整個工程階段控制點，才能保證項目的質量[6]。目前，我國鐵路、公路、市政等橋梁基建正在高速發展，傳統的工程測量方法已經逐漸難以滿足要求，具有自動化、信息化、智能化的橋梁工程測量智能測量方法必將成為必然需求。基于BIM技術和測量機器人的橋梁工程智能測量技術，必將在方興未艾的橋梁工程建設中成為一種重要的全新的技術手段，為橋梁工程建設發揮出更大的貢獻。