異形幕墻施工定位中綜合測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

摘 ? ?要：隨著現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，越來越多的異形鋼結(jié)構(gòu)建筑物設(shè)計(jì)出來，造型復(fù)雜，設(shè)計(jì)獨(dú)特，精度要求高，給外立面幕墻放樣帶來了很大程度的挑戰(zhàn)。本工程利用三維激光掃描技術(shù)、結(jié)合BIM模型，對(duì)設(shè)計(jì)模型、施工流程進(jìn)行了優(yōu)化，并采用放樣機(jī)器人測(cè)量放樣，起到了保證工程質(zhì)量、縮短項(xiàng)目工期的作用。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);三角高程;幕墻放樣;技術(shù)措施

1 ?引言

鋼結(jié)構(gòu)由于其材質(zhì)均勻、韌性好、自重輕、強(qiáng)度高、環(huán)保等特點(diǎn)，成為目前建筑工程中的主要結(jié)構(gòu)體系之一，不僅能縮短工期、節(jié)省費(fèi)用，而且能夠靈活的適應(yīng)各種造型如網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)烈的時(shí)代感和多變的外表，最大程度表達(dá)建筑師的想象，滿足現(xiàn)代審美追求。

由于鋼結(jié)構(gòu)一般造型復(fù)雜多為異形結(jié)構(gòu)，外立面幕墻安裝要求高，幕墻放樣主要存在以下技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)：（1）定位工作量大。異形結(jié)構(gòu)幕墻結(jié)構(gòu)外立面測(cè)量定位體系復(fù)雜，任意兩個(gè)剖面的幕墻曲率、形狀均不一致、鋼結(jié)構(gòu)曲線均不相同，傳統(tǒng)方法難以獲取放樣坐標(biāo)，根據(jù)施工圖紙坐標(biāo)計(jì)算復(fù)雜，且定位難度及工作量極大;（2）標(biāo)高難以控制。異形結(jié)構(gòu)幕墻距離鋼結(jié)構(gòu)的高度各處不一，標(biāo)高點(diǎn)難以控制。由于屋面的不銹鋼屋面板和開啟玻璃以三角形進(jìn)行拼接，且每個(gè)三角形的幾何形狀均不一致，所以標(biāo)高精度要求極高;（3）項(xiàng)目工期緊。幕墻安裝一般需要現(xiàn)場(chǎng)定位與工廠制作、屋面安裝同步進(jìn)行，且均不能出錯(cuò)，一旦返工則工期大大受到影響。因此要求現(xiàn)場(chǎng)安裝與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)無縫銜接;（4）鋼結(jié)構(gòu)誤差較大。異形結(jié)構(gòu)比常規(guī)幾何形狀要復(fù)雜得多，鋼結(jié)構(gòu)體的誤差和變形大且相對(duì)復(fù)雜，對(duì)幕墻安裝影響很大。

綜上所述，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法無法精確的進(jìn)行幕墻外立面的設(shè)計(jì)、定位和安裝。針對(duì)上述特點(diǎn)，本文提出采用三維激光掃描技術(shù)+BIM技術(shù)結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工，結(jié)合放樣機(jī)器人進(jìn)行定位、指導(dǎo)安裝。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?平面控制測(cè)量

控制網(wǎng)作為三維掃描測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)放樣、竣工驗(yàn)收的首級(jí)控制網(wǎng)，作用非常重大。控制網(wǎng)的精度一方面直接影響到三維掃描數(shù)據(jù)精度，從而保障BIM模型的可靠性;另一方面又對(duì)施工定位有著重要的影響，直接影響幕墻安裝位置。因此必須重視控制網(wǎng)的精度。

考慮到與前期結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系統(tǒng)一致，通常采用結(jié)構(gòu)施工階段的控制點(diǎn)作為首級(jí)控制點(diǎn)。圍繞測(cè)區(qū)布設(shè)控制網(wǎng)。

為了提高平面控制測(cè)量的精度，應(yīng)采用了以下措施：

（1）網(wǎng)形優(yōu)化。由于高精度定位要求，同時(shí)考慮到掃描數(shù)據(jù)拼接誤差。對(duì)網(wǎng)形的選擇也尤重要。為了避免二次建網(wǎng)或加密導(dǎo)致精度誤差分布不均，應(yīng)采用一次布網(wǎng)。

（2）由于幕墻安裝項(xiàng)目一般測(cè)量范圍較小，測(cè)量對(duì)中誤差會(huì)引起較大的測(cè)角誤差。因此控制點(diǎn)宜采用強(qiáng)制對(duì)中的方式布設(shè)。該方法全站儀和棱鏡在基座上共軸，有效減小儀器的對(duì)中誤差，從而提高了控制網(wǎng)的觀測(cè)精度，同時(shí)減少儀器整平耗時(shí)，加快測(cè)量速度。

2.2 高程控制測(cè)量

地面高程控制點(diǎn)采用二等水準(zhǔn)方法進(jìn)行聯(lián)測(cè)，精度容易保障。而結(jié)構(gòu)頂部控制點(diǎn)的高程卻難以聯(lián)測(cè)。主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)施工期間，為保證屋面鋼梁順利合攏、搭設(shè)滿堂腳架，導(dǎo)致高程聯(lián)系測(cè)量無法實(shí)施，而普通的三角高程方法又無法達(dá)到理想精度。對(duì)此，需要采用精密三角高程代替二等水準(zhǔn) [4]。

三角高程測(cè)量計(jì)算的基本公式為：

[hAB=SABsinαAB+iA-vB+S2ABcos2αAB2R-S2ABcos2αAB2RkAB]

式中，[hAB]為A、B點(diǎn)的高差，[SAB]為A、B兩點(diǎn)斜距，[αAB]為A至B的豎直角，[iA]為儀器高，[vB]為棱鏡高，[kAB]為A至B方向的大氣折光系數(shù)，R為地球曲率半徑。

設(shè)AB點(diǎn)的水平距離為[D]，即：

[D=SABcosαAB]

令：

[f=D2/2R]

并忽略微小項(xiàng)，則根據(jù)式（1）計(jì)算高差中誤差：

[m2h=± ?sin2αABm2S+D2ρ2m2α+m2i+m2v+f2m2k]

式中，[mS]，[mα]分別為測(cè)距和測(cè)角中誤差，[mi]，[mv]為量取儀器高和棱鏡高的中誤差，[mk]為大氣折光系數(shù)的中誤差。

由此可見，削弱或者消除這幾項(xiàng)誤差可提高三角高程觀測(cè)精度。具體措施如下：

（1）通過估算，同等條件下，采用高精度全站儀提高測(cè)角和測(cè)距精度，可以明顯降低測(cè)角和測(cè)距引起的三角高程誤差。

（2）對(duì)向觀測(cè)消除球氣差影響。往測(cè)從下往上觀測(cè)高差為正，球氣差改正后高差增加;返測(cè)從上往下高差為負(fù)，球氣差改正后高差減小。因此采用對(duì)向觀測(cè)，往返高差取均值，完全抵消球差影響，并抵消大部分氣差影響，可以忽略球氣差引起的誤差。

（3）儀器高量取的方法采用水準(zhǔn)測(cè)量法[5]。傳統(tǒng)方法采用鋼卷尺直接量取儀器高和棱鏡高精度均在3mm左右，無法滿足精密三角高程的精度要求。而利用水準(zhǔn)儀法可以精確量取儀器高，精度可以達(dá)到[±0.3]mm。

（4）選擇有利觀測(cè)時(shí)段如陰天，保證了大氣相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)采用高精度全站儀自動(dòng)觀測(cè)，縮短觀測(cè)時(shí)間，削弱大氣折光對(duì)觀測(cè)的影響。

2.3 ?三維激光掃描技術(shù)

（1）為方便幕墻設(shè)計(jì)和施工放樣，保證成果統(tǒng)一性，三維掃描應(yīng)采用2.1及2.2節(jié)建立的平面及高程控制網(wǎng)。

（2）BIM模型精度要求高，因此野外掃描點(diǎn)云準(zhǔn)確性尤為重要，直接影響到建模的精度。根據(jù)研究，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集采用“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的方法，通過前期建立的已知控制點(diǎn)上設(shè)站掃描，各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過配準(zhǔn)操作直接疊加統(tǒng)一在施工坐標(biāo)系。此方法不需要每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)有區(qū)域重疊，減少了數(shù)據(jù)總量，也減少了站站拼接產(chǎn)生的累計(jì)誤差。

（3）控制掃描的角度盡量減少大角度掃描數(shù)據(jù)采集。

2.4 ? BIM技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

2.4.1 ?深化設(shè)計(jì)圖，有效銜接設(shè)計(jì)與施工

（1）通過三維激光掃描采集現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)完成面信息，建立真實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)BIM模型，利用BIM軟件對(duì)幕墻的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正、完善。

鋼結(jié)構(gòu)施工過程中采用很多措施以保證精度，但還是存在很大的偏差，需要將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的偏差反饋設(shè)計(jì)以調(diào)整模型，否則僅利用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖建模、生產(chǎn)幕墻板，會(huì)造成幕墻板現(xiàn)場(chǎng)無法正確安裝，對(duì)工期將產(chǎn)生無法預(yù)料的影響。

（2）BIM模型和現(xiàn)場(chǎng)施工同步（施工演示、工期預(yù)判、實(shí)際對(duì)比、誤差修正、更新設(shè)計(jì)），通過這種方式，實(shí)現(xiàn)BIM在外立面幕墻安裝過程中的指導(dǎo)作用，保證了施工質(zhì)量。

（3）將設(shè)計(jì)模型以電子文件導(dǎo)入放樣儀器中。通過測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)幕墻在施工現(xiàn)場(chǎng)的高效精確定位。

2.4.2 ?優(yōu)化測(cè)量流程

（1）利用BIM模型插件，提取幕墻安裝控制點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，開展測(cè)量放樣工作，很好的解決了異形結(jié)構(gòu)放樣數(shù)據(jù)獲取的難題[2]。

（2）通過BIM建模擬合出曲面造型，工廠按照BIM模型提供的參數(shù)直接下料進(jìn)行元件加工，而施工現(xiàn)場(chǎng)的定位，只需要提取主要節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將需要放樣的點(diǎn)位數(shù)量大幅縮小。

（3）通過BIM模型的演示，提前預(yù)判施工順序和施工進(jìn)度，為測(cè)量定位的工作安排提供了很好的依據(jù)，測(cè)量小組可以合理安排放樣區(qū)域，能夠更好按照施工進(jìn)度進(jìn)行定位。

2.4.3 ?驗(yàn)收

幕墻安裝完成后，重新掃描完成實(shí)體，建立BIM模型，與設(shè)計(jì)圖進(jìn)行三維數(shù)據(jù)對(duì)比。驗(yàn)收方法較傳統(tǒng)驗(yàn)收方法更直觀、完整，可以從各個(gè)角度、剖面上對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，提高了施工驗(yàn)收的質(zhì)量，并且還能給后期維護(hù)帶來真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)。

3 ?工程實(shí)例

本項(xiàng)目位于浙江德清鳳棲湖湖心島。俯瞰場(chǎng)館，東區(qū)和西區(qū)相吻合，形成蛋殼狀，與湖水相映成趣，在湖面上呈現(xiàn)出珍珠景觀效果。為體現(xiàn)出殼狀效果，由一萬多塊不同形狀的幾何圖形組合成幕墻外立面。異形幕墻的安裝，毋庸置疑成為本項(xiàng)目施工的一大難題。這么多塊幾何立面，無論是曲率還是形態(tài)方面，都有各自的特征，需要完美組合安裝，如圖1。

為了保證整體安裝效果，設(shè)計(jì)要求建模精度20mm，建筑表皮放樣允許誤差：平面誤差≤±8mm，高程誤差≤±8mm。這給本就復(fù)雜工作帶來了更大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)測(cè)量方法難以達(dá)到理想效果。

3.1 ?建立控制網(wǎng)

考慮到與施工坐標(biāo)系的統(tǒng)一，采用施工階段的平面控制點(diǎn)B1、B2作為本項(xiàng)目首級(jí)平面控制點(diǎn)。圍繞測(cè)區(qū)布設(shè)閉合導(dǎo)線，同時(shí)考慮到面板頂部測(cè)量工作，在該鋼結(jié)構(gòu)頂部布設(shè)又增加一點(diǎn)，形成了導(dǎo)線網(wǎng)，如圖2所示。控制點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，采用Leica TS60觀測(cè)。

3.2 ?三維掃描應(yīng)用

采用徠卡P40掃描儀（點(diǎn)位精度±3mm/50m，測(cè)距精度1.2+10ppm，測(cè)角精度8″）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)完成面進(jìn)行掃描、建模（圖3），并與原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)最大偏差近12cm，通過掃描成果修正設(shè)計(jì)模型，使其與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致，為后期安裝提供了保障。

同時(shí)，為了對(duì)比分析，在鋼結(jié)構(gòu)的不同位置表面均勻粘貼了15個(gè)紙質(zhì)標(biāo)靶，利用徠卡TS60全站儀精確觀測(cè)其三維坐標(biāo)。采用Cyclone軟件提取這些標(biāo)靶的坐標(biāo)，與全站儀測(cè)量的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到這些點(diǎn)的坐標(biāo)差值序列，如表2所示。

經(jīng)對(duì)比，最大點(diǎn)位誤差5.2mm，滿足建模要求。

3.3 ?工程放樣

為了保證外表面相對(duì)光滑圓潤(rùn)的流線造型，同時(shí)也鏈接設(shè)計(jì)與施工，實(shí)現(xiàn)了面板制作與現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝的無縫銜接，最終采用角鐵形式，直接放樣表皮控制點(diǎn)。原本需要6000個(gè)點(diǎn)，經(jīng)優(yōu)化僅需3000點(diǎn)作為焊接支座、安裝面板的依據(jù)。

同時(shí)，采用幕墻施工流程演示，對(duì)放樣流程、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)籌計(jì)劃，原本計(jì)劃5組測(cè)量人員，最終僅需要2組即可及時(shí)開展工作。

4 ? 結(jié)語

本項(xiàng)目幕墻安裝工程是一個(gè)具有高技術(shù)含量的工程。在成功完成幕墻施工定位任務(wù)的同時(shí)，也摸索和總結(jié)了一些測(cè)量經(jīng)驗(yàn)以供探討：①鋼結(jié)構(gòu)在施工中存在較大誤差，幕墻設(shè)計(jì)采用三維掃描實(shí)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)建立BIM模型進(jìn)行修正，可以避免返工，提高工作質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工信息共享，有效節(jié)約成本。②對(duì)于異形結(jié)構(gòu)的幕墻定位，采用專業(yè)化、自動(dòng)化的測(cè)量手段通過直接放樣空間點(diǎn)，即可優(yōu)化定位點(diǎn)數(shù)，也可保證幕墻安裝質(zhì)量的，達(dá)到事半功倍的效果。③利用BIM模型模擬施工順序，有效提高測(cè)量放樣和施工安裝統(tǒng)籌安排，提高施工工作效率，減小工程工期。④復(fù)雜情況的簡(jiǎn)單化處理。放樣時(shí)考慮在邊角部位能夠吸收部分施工偏差。⑤三角高程測(cè)量時(shí)采用高精度儀器，能夠有效提高測(cè)量精度。

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作者簡(jiǎn)介：

劉星（1986—）男，陜西寶雞人，本科，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，工程師，研究方向：測(cè)繪。