基于BIM技術的鋼結構高精度加工測量施工技術

王 劍 郭曉紅 王玉曉 陳會平 李海迪 董翔宇 王秀輝

中國建筑第二工程局有限公司 遼寧 沈陽 110016

當今社會發展迅速，越來越多的大跨度鋼結構工業廠房工程應運而生。保證鋼結構構件的實際安裝精度，消除累積誤差影響著整個鋼結構工程的施工質量和施工周期，更關系著整個工程的安全性[1-6]。

由于受運輸或吊裝等條件限制，鋼結構構件一般在工廠內分類進行制作后運送至施工現場進行安裝。在此過程中，鋼結構構件制造精度和拼接精度的把控是鋼結構工程建設質量控制的難點，直接影響最終廠房的成形效果、結構內力、耐久性和安全性。

在以往鋼結構廠房施工中，大多運用傳統的全站儀、鋼尺和檢驗模板等對構件進行檢測，再進行整體預拼，不僅所需場地面積大，預拼過程煩瑣，且拼接精度無法把控，施工效率不高。本工程通過采用Tekla軟件深化設計＋三維掃描復測技術＋BIM智能測量技術，達到對整個鋼結構工程全過程的高精度測量和定位，大大提高了鋼結構工程施工過程中的拼裝精度、安裝精度和施工效率，取得了理想的效果。

1 工程概況

本工程地處遼寧省沈陽經濟技術開發區寶馬大道1號，占地面積為254 884.6 m2，總建筑面積為293 784 m2。車間建筑層數為1層，局部2層。主車間高跨區為13.15 m，低跨區為11.65 m，建筑主體部分為鋼柱鋼桁架結構，餐廳和局部輔房部分為鋼筋混凝土框架結構，屋頂機械間部分采用鋼架結構。

本項目總用鋼量為3.2萬 t，鋼結構柱數量為2 982根，鋼柱最大高度為19.05 m，最大鋼結構柱的質量為10.07 t，最大鋼結構桁架跨度為30 m，最大鋼結構桁架的質量為41.5 t。本項目鋼結構構件數量多且尺寸較大，易產生施工誤差，是采用該項技術的主要原因。

2 技術重難點

通過Tekla軟件進行高精度建模，對整個鋼結構構件進行深化、出圖，滿足工廠預制加工要求；用三維掃描儀對掃描構件從不同的角度進行三維數據捕捉，調整三維掃描儀相機的方向，對鋼構件進行全方位掃描。生成實體三維模型，將實體三維模型導入Tekla三維深化模型進行對比檢查，分析預制鋼結構構件的加工精度；通過BIM技術建立測量信息模型，通過移動端將測量信息模型導入智能全站儀設備，指導現場鋼結構安裝施工。利用BIMS項目管理平臺將現場發現的問題上傳云平臺進行全過程跟蹤，保證后續施工質量。

3 施工工藝流程

3.1 鋼結構深化設計

根據鋼結構桁架設計圖，使用Tekla軟件進行三維實體模擬建造，準確高效地搭建出與設計尺寸完全吻合的三維實體模型（圖1），自動生成所需的一切深化圖紙及資料。

圖1 深化設計模型

3.2 精確控制加工鋼構件

1）下料：采用精密數控切割機切割桿件，對接坡口采用半自動切割機精密切割（圖2），最后將做好的桿件用三維掃描儀進行復測，將不符合精度要求的單體桿件進行校正修改，直到每個單體桿件符合精度要求。

圖2 鋼構件下料示意

2）根據Tekla深化設計圖將下料完成的桿件放在相應位置，同時用三維掃描儀掃描鋼構件桿件坐標點，確保桿件位置準確，進而保證組裝的精確性。

3）焊接：焊接各單體桿件的對接焊口。

3.3 三維掃描儀高精度掃描鋼構件

鋼構件組裝焊接后，利用三維掃描儀實測鋼構件的幾何數據。掃描復測樣品選取同一批次出廠的2～3個成品構件，掃描儀采用全局攝影測量系統搭配手持式三維掃描儀，通過掃描鋼結構構件的多幅2D圖像，計算出物體表面關鍵幾何信息，獲得物體3D數據。具體操作要點如下：

1）確保穩定的三維掃描環境。進行三維掃描首先須確保三維掃描儀建立在一個穩定的環境中（避免強光和逆光對射，三維掃描儀的穩固性等），要最大限度地減少環境破壞，確保三維掃描結果不會受到外部因素的影響。

2）三維掃描儀校準。在三維掃描前，對機器進行校準。在校準過程中，要根據三維掃描儀預先設置的掃描模式，計算出掃描設備相對于掃描對象的位置。校準掃描儀時，根據掃描對象調整設備系統設置的三維掃描環境。正確的相機設置會影響掃描數據的準確性，因此必須確保曝光設置是正確的。嚴格按照制造商的說明進行校準工作，仔細校正不準確的三維數據。校準無誤后，可通過三維掃描儀掃描已知三維數據的測量物體來檢查比對，如果發現掃描儀掃描的精度無法實現，需要重新校準掃描儀。

3）對掃描鋼構件表面進行處理。使用亞光白色顯像劑覆蓋被掃描構件的表面，在掃描構件上噴上薄薄的一層顯像劑，目的是更好地掃描出構件的三維特征，數據也會更精確。

4）開始掃描工作。準備工作完成后便可以對鋼構件進行掃描了。用三維掃描儀對掃描構件從不同的角度進行三維數據捕捉，調整三維掃描儀相機的方向，對鋼構件進行全方位的掃描。

5）點云處理。對鋼構件表面掃描完成后，系統會自動生成構件的三維點云圖形。操作人員需對掃描得到的點云數據進行噪點（多余的點云）去除以及平滑處理。

6）數據轉換。點云處理完后，對數據進行轉換，系統軟件自動將點云數據直接生成STL文件，便于之后與其他3D軟件對接。

3.4 三維數據導入Tekla

將鋼構件的3D模型，即STL文件，用Tekla軟件打開，逆向建模得到構件實測模型（圖3）。

圖3 鋼構件逆向建模實測模型

3.5 實測模型與理論模型比較

將理論模型導入三維圖形軟件中，合理地插入實測整體預拼裝坐標系。采用擬合方法，將構件實測模擬拼裝模型與拼裝工藝圖的理論模型進行比對（圖4），得到分段構件和端口的加工誤差以及構件間的連接誤差。

圖4 實測模型與理論模型比對

3.6 鋼構件高精度校正修改

統計分析相關數據記錄，對于不符合規范允許的公差和現場安裝精度的分段構件或零件，修改校正后重新測量、拼裝、比對，直至符合精度要求。

3.7 得到符合拼裝精度要求的實測模型

將校正后的實測模型按照設計軸線、標高等對應位置在Tekla軟件內拼裝好（圖5），作為整體模型存檔，準備下一道工序。

圖5 符合拼裝精度要求的實測模型

3.8 BIM＋智能全站儀測量放線

3.8.1 建立坐標系

1）將Tekla深化模型分區輸出為IFC格式文件，使用Revit打開IFC文件，文件保存格式為.rvt。

2）打開Autodesk Point Layout面板創建坐標系，在平面圖中任選一點為坐標原點，第二點確定坐標系且輸入兩點實際距離，命名坐標系，如果輸入的值不正確，或者選擇了不正確的點，軟件將顯示錯誤消息并提示重試。

3.8.2 設置控制點、放樣點

在Revit布局選項卡—APL面板—控制點設置模型控制點，構建控制點時必須指定點編號和點描述，此控制點為模型中智能全站儀放置的位置。

3.8.3 導出點模型

1）導出當前2D或3D視圖中的所有點。可以使用“裁剪區域”或“視圖范圍”修改視圖。導出的點選擇在當前2D平面視圖中完成，并且僅導出在該視圖中可見的點。

2）在“導出指向文件”對話框中，指定設置。指定文件類型；指定用于設置小數點位數的導出精度；選擇“坐標系統”以確保選擇了想要導出的坐標系統；指定文件名和位置。選擇BIM 360字段創建附件，將附件鏈接到一個問題或任務；可選擇在BIM 360登錄對話框中，輸入用戶名和密碼；可選擇要附加問題或任務的字段項目；可在對話框中選擇問題或任務。導出完成時出現一條消息，單擊OK。

3.8.4 云端上傳、下載信息模型

將放樣點數據模型上傳至BIM360 Document，通過BIM360 layout APP將包含點的云端模型下載/同步到設備。

3.8.5 現場設站、放樣

1）將移動應用程序與智能全站儀配對，導入APL/CSV控制點文件到全站儀設備。

2）設置全站儀：在施工現場將全站儀安裝在三腳架上，并用安裝螺栓固定；使用激光直線將全站儀與控制點對準；用數字水平儀和三軸水平儀調節全站儀，使儀器達到水平狀態；檢查鉛錘是否對準控制點，必要時用安裝螺栓調整。

3）按程序提示在施工現場進行設站，設站方式可選擇后方交會和已知點。

①占用點的設置程序（圖6）。通過全站儀和后視儀占領一個已知的控制點到另一個已知的控制點，確定儀器在現場的實際方位。

圖6 占用點設置程序

②參考點的設置程序（圖7）。將全站儀設置在一個隨機的位置，并參考2～3個已知的控制點來三角測量全站儀的當前位置，提高全站儀的測量精度，減小測量誤差。

圖7 參考點設置程序

4）完成設站后，手持棱鏡和智能全站儀的實際位置將顯示在移動應用程序BIM360 layout中，現實中移動棱鏡，三維模型中虛擬棱鏡同步移動。

5）完成設站工作后，根據移動端信息模型選擇需要進行放樣的點位，智能全站儀會在需要放樣的柱腳引出激光點，若放樣點位遇到障礙物，可使用移動棱鏡繞開障礙物，當移動棱鏡與設置放樣點的坐標（x，y，z）差值為零時，完成此位置放樣。

3.9 云平臺輔助驗收

配合BIMS項目管理平臺將現場安裝不符合要求的鋼構件問題上傳至云端，相關現場管理人員及時跟蹤問題并進行整改。

4 結語

本工程以大型鋼結構廠房鋼結構構件的制作安裝為研究對象，提高了鋼結構工程的過程拼裝精度和安裝精度。通過BIM與智能測量技術的結合，有效減少了施工誤差帶來的返工，提高了施工效率，同時將BIM數據與施工現場結合，提高了工程的信息化水平。

[1] 徐林.土木工程施工中鋼結構技術的應用研究[J].建材與裝飾,2016(17):47-48.

[2] 曾超群.大跨度鋼結構施工技術在建筑工程中的應用研究[J].河南建材,2018(3):72-74.

[3] 沈鍇,劉鑫.BIM+測量機器人在抗浮錨桿施工中的應用［J］.建筑施工,2020,42(10):1974-1976.

[4] 張陸杰.BIM技術在大跨度鋼結構施工管理中的應用分析[J].綠色環保建材,2018(1):133;135.

[5] 王培先.基于BIM技術的鋼結構施工及風險管理實踐研究[J].江西電力職業技術學院學報,2018,31(2):8-9;64.

[6] 錢富婷.淺議鋼結構廠房中鋼結構施工質量控制要點與措施[J].居舍,2018(20):176.