核電工程BIM一體化測量技術(shù)研究及應(yīng)用

屈 璐

(中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，福建 漳州 363000)

核電工程具有建筑規(guī)模龐大、施工周期長、工藝及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝物項精度要求高等特點，目前核電工程測量依舊沿用傳統(tǒng)的測量技術(shù)，存在工作效率低、勞動強度高、信息化程度低、過度依賴操作人員經(jīng)驗及技能水平、容易受施工環(huán)境影響等現(xiàn)象，一定程度制約著核電工程土建施工技術(shù)的提升，難以滿足現(xiàn)階段核電工程施工需求。為了滿足核電工程的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，工程測量技術(shù)需不斷改進(jìn)創(chuàng)新，在保證安全與質(zhì)量的前提下提高工效。通過將BIM技術(shù)與GPS RTK測量技術(shù)、全站儀ATR自動瞄準(zhǔn)技術(shù)相融合，并設(shè)計開發(fā)與之匹配的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，制定先進(jìn)科學(xué)的工藝流程，實現(xiàn)BIM一體化測量技術(shù)，該技術(shù)自動化、信息化程度高，極大的降低了施工測量勞動強度、人員數(shù)量以及對操作技能水平的依賴，提高了外業(yè)測量效率、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率，可快速完成復(fù)雜建筑現(xiàn)場儀器架設(shè)及施工測量，受施工環(huán)境制約影響小，并保證施工安全與質(zhì)量。

1 BIM一體化測量技術(shù)實施難點

1.1 BIM與測量結(jié)合運用方面

核電工程測量主要基于藍(lán)圖進(jìn)行現(xiàn)場定位放樣，藍(lán)圖轉(zhuǎn)化通常采用2D模式繪圖，即CAD二次繪制藍(lán)圖，結(jié)合圖紙建筑坐標(biāo)系提取各施工物項設(shè)計控制坐標(biāo)點，通過全站儀進(jìn)行現(xiàn)場軸線定位放樣或者安裝調(diào)測。由于核電工程建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程量龐大、高精度安裝物項多，傳統(tǒng)方式不易發(fā)現(xiàn)存在定位物項沖突的情況，事前控制難度較大。基于BIM三維建筑模型在施工現(xiàn)場完成自動化的定位放樣和檢測，突破傳統(tǒng)的2D、圖紙化作業(yè)的方式，實現(xiàn)3D直觀測量模式，不僅能提高作業(yè)效率與精度，而且大大降低傳統(tǒng)測量方式人為操作錯誤風(fēng)險，對人員操作技能水平依賴程度低。

1.2 GPS RTK技術(shù)與全站儀測量技術(shù)融合方面

核電建筑土建施工階段測量工程量主要分為三個項目，即：定位放樣、安裝調(diào)測、地形測量，分別占測量總工程量70%、20%、10%。地形測量一般在室外，受施工環(huán)境影響小，定位放樣與安裝調(diào)測本層施工大部分情況下在建筑物上層樓板或屋面施工前完成，只有大約不到20%的設(shè)備基礎(chǔ)、孔洞在完全封閉后施工。采用傳統(tǒng)的全站儀極坐標(biāo)法[3]測量，需要提前引入基準(zhǔn)點，并保證基準(zhǔn)點間測量通視，往往會受到現(xiàn)場施工環(huán)境的制約，設(shè)站定向不靈活。若采用傳統(tǒng)GPS RTK模式，又會存在坐標(biāo)精度不足的問題，不滿足現(xiàn)場施工要求。通過建立GPS基準(zhǔn)站系統(tǒng)(簡稱CORS)，提高GPS RTK載波相位差分精度，采用專業(yè)測量設(shè)備及配套軟件將全站儀與GPS接收機(jī)或電臺手柄相連接，通過測量電子手簿控制。使用時可將BIM建筑模型進(jìn)行匹配、轉(zhuǎn)化后直接導(dǎo)入電子手簿，可直接顯示三維圖形，根據(jù)任務(wù)需要在電子手簿中選取測量點位獲取設(shè)計數(shù)據(jù)，通過電子手簿控制全站儀完成自動化定位放樣工作，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境可選用“基準(zhǔn)模式”和“任意模式”。

1.3 測量數(shù)據(jù)信息化處理方面

傳統(tǒng)測量資料編制，都需要現(xiàn)場人工記錄原始測量數(shù)據(jù)，現(xiàn)場作業(yè)完畢后，采用人工錄入的方式編制測量資料，一方面內(nèi)業(yè)作業(yè)效率低容易出錯；另一方面內(nèi)外業(yè)不同步，無法第一時間向監(jiān)理單位報送正式資料，往往存在1天左右的間隔。通過結(jié)合BIM一體化測量技術(shù)開發(fā)數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)，將全站儀、GPS、電子水準(zhǔn)儀現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)直接通過軟件實現(xiàn)依據(jù)不同的資料模板，自動化生成標(biāo)準(zhǔn)資料，改變傳統(tǒng)人工編制資料的模式，降低人工編制資料工作量，杜絕人工錄入錯誤造成資料退回，引起制約現(xiàn)場施工的情況，提升內(nèi)業(yè)資料工作效率與質(zhì)量。

2 BIM一體化測量技術(shù)運用

2.1 作業(yè)前技術(shù)準(zhǔn)備

實施前技術(shù)準(zhǔn)備包括：單基站CORS建立、BIM建筑模型繪制、測量主要儀器及設(shè)備檢校、BIM建筑模型與儀器設(shè)備的加載、匹配、轉(zhuǎn)化。

2.1.1 單基站CORS建立

首先建立CORS系統(tǒng)，提高GPS RTK載波相位差分精度和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性[1]。考慮到建筑規(guī)模，一般在半徑5 km范圍場地采用單基站CORS，5 km范圍內(nèi)數(shù)據(jù)解算精度可始終保持在3 mm以內(nèi)，5～10 km開始精度衰減，此時對精密工程不再適用，超過10 km后精度衰減至1 cm，只能用于地形測量。單基站CORS布局靈活、結(jié)構(gòu)簡單、即建即用一次安裝調(diào)試完畢后，可連續(xù)運行10年以上，期間在使用過程中根據(jù)解算精度的變化每隔2～3年進(jìn)行一次校正即可。

該環(huán)節(jié)重點在于調(diào)試，核電工程單基站CORS基站點的平面位置按照B級GPS精度、高程按二等水準(zhǔn)精度要求施測[4]。平面坐標(biāo)系統(tǒng)與高程系統(tǒng)根據(jù)工程設(shè)計要求選用一次建立完成，平面控制采用GPS靜態(tài)測量邊連式構(gòu)網(wǎng)，使用3臺GPS接收機(jī)同步觀測兩個時段聯(lián)測至少4個以上次級控制網(wǎng)基準(zhǔn)點，[5]高程控制利用至少3個以上次級控制網(wǎng)點起算。在測量過程中基準(zhǔn)站和流動站GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星數(shù)量均不小于5顆，且獲得初始化定位時方可進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)均在固定解狀態(tài)下，并且測量置信度為99.9%，為保證測量精度，聯(lián)測時每個點位觀測不少于3 min，結(jié)果采用三維無約束平差確定建立單基站網(wǎng)絡(luò)RTK模型。

2.1.2 BIM建筑模型的繪制

BIM建筑模型的深度和細(xì)化要求必須要滿足測量定位放樣，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)各施工物項必須與設(shè)計圖紙一致，包括數(shù)量、尺寸、精度，這是實現(xiàn)無藍(lán)圖實時測量的基礎(chǔ)。需要測量技術(shù)員與BIM工作小組成員進(jìn)行溝通交流，明確需求和目的，或者由專業(yè)測量技術(shù)人員對初版的BIM建筑模型進(jìn)行深化補充。

繪制的BIM建筑模型無需考慮坐標(biāo)系問題，只需根據(jù)設(shè)計圖紙的各物項相對位置關(guān)系繪制即可，在具體使用時進(jìn)行坐標(biāo)系的匹配和轉(zhuǎn)化。

2.1.3 測量主要儀器及設(shè)備檢校

所用全站儀必須得到國家相關(guān)檢定機(jī)構(gòu)檢定，并獲得檢定合格證書。每隔3個月按照說明書進(jìn)行常規(guī)“三軸誤差”檢校工作， 所使用的GPS接收機(jī)及手簿必須得到國家相關(guān)檢定機(jī)構(gòu)檢定，并獲得檢定合格證書。[2]每隔3個月按照說明書進(jìn)行常規(guī)信號連接、系統(tǒng)穩(wěn)定性、解算參數(shù)的檢查、校正。

2.1.4 BIM建筑模型與儀器設(shè)備的加載、匹配、轉(zhuǎn)化

BIM建筑模型通常采用相對關(guān)系繪制，并且繪制屬性為塊，不具備坐標(biāo)性質(zhì)和端點、節(jié)點實時捕捉性質(zhì)，導(dǎo)致電子手簿無法識別，故此需要對BIM建筑模型進(jìn)行處理，滿足使用要求。

(1)圖形屬性變更

BIM圖形屬性變更需要采用CAD2010及以上版本進(jìn)行處理具體，工作流程為：圖形導(dǎo)入→圖形分解→圖形另存。

圖形導(dǎo)入：圖形導(dǎo)入CAD后切換三維視圖模式檢查是否存在數(shù)據(jù)丟失情況，必須保證圖形的完整性。

圖形分解：將三維圖形全選后，采用分解選項將三維圖形的塊屬性變更為點、線、面屬性，分解后還需在圖形特性中進(jìn)行檢查是否全部分解完畢，否則在后續(xù)導(dǎo)入電子手簿使用時，將無法選中端點坐標(biāo)進(jìn)行定位放樣。

圖形另存：圖形分解后另存為DXF格式，另存名稱不能出現(xiàn)中文，只能采用數(shù)字或英文模式，否則在導(dǎo)入時將無法識別圖形文件。

(2)坐標(biāo)系匹配

由于建筑模型為相對尺寸，不具備絕對位置的坐標(biāo)系功能，此時需要對完成分解的三維模型進(jìn)行自定義坐標(biāo)系，并修正方位角。以設(shè)計圖紙中的建筑坐標(biāo)系設(shè)置自定義圓點，并將設(shè)計圖紙中的施工角度換算為測量方位角，完成三維模型的平移、旋轉(zhuǎn)、匹配，完成后對圖形中各節(jié)點進(jìn)行坐標(biāo)檢查，確定數(shù)據(jù)正確無誤。需要注意的是，在轉(zhuǎn)化時檢查三維圖形的繪制單位，按照原圖的繪制單位進(jìn)行自定義坐標(biāo)系。

(3)圖形加載

將校正后圖形DXF文件導(dǎo)入電子手簿，導(dǎo)入時可通過SD卡、U盤、藍(lán)牙多種方式，通過制定的專業(yè)軟件實現(xiàn)一鍵式加載，可在電子手簿中直接進(jìn)行圖形3D瀏覽，任意選擇建筑物項坐標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場定位放樣工作。生成電子手簿3D模型界面如圖1所示。

圖1 電子手簿3D模型界面Fig.1 Electronic hand thin 3D model interface

2.2 外業(yè)測量

定位放樣與安裝調(diào)測項目根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境，可選用基準(zhǔn)模式或任意模式。地形測量可直接采用GPS RTK基于CORS站進(jìn)行地形測量。

2.2.1 基準(zhǔn)模式

作業(yè)步驟：設(shè)備連接→新建項目→參數(shù)設(shè)置→設(shè)站定向→定位放樣(或者安裝調(diào)測)。

設(shè)備連接：首先智能全站儀與電臺手柄連接，然后將電子手簿采用長距離TS信號與全站儀連接，實現(xiàn)實時通訊與控制，此時全站儀將無需人員操作，只需用電子手簿控制。

新建項目：根據(jù)工作任務(wù)新建工作項目，將技術(shù)準(zhǔn)備階段的BIM圖形保存在新建項目中，此時需注意新建項目的坐標(biāo)單位同BIM圖形坐標(biāo)單位一致。啟動基于BIN的智能施工放樣軟件，進(jìn)入任務(wù)后可直接顯示放樣的BIM模型。

參數(shù)設(shè)置：直接通過電子手簿設(shè)置全站儀測量參數(shù)：目標(biāo)、定位放樣限差、導(dǎo)向光模式、導(dǎo)向光功率、溫度、氣壓等基本常數(shù)。

設(shè)站定向：在測站處根據(jù)通視條件與基準(zhǔn)點位置選擇后方交會法設(shè)站或已知點設(shè)站。

后方交會法設(shè)站屬于任意點設(shè)站，現(xiàn)場使用靈活方便，當(dāng)無法在已知基準(zhǔn)點上架設(shè)全站儀時采用。已知點設(shè)站屬于基礎(chǔ)方法，必須在已知基準(zhǔn)點架設(shè)全站儀。必須滿足已知基準(zhǔn)點間通視要求。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境由作業(yè)人員選用設(shè)站。

定位放樣：當(dāng)設(shè)站完成后，此時電子手簿中的三維圖形會顯示全站儀的位置，電子手簿與360°棱鏡安置在同一根對中桿上，通過電子手簿可在三維圖形中選取需要定位放樣的點位，當(dāng)選擇棱鏡模式后，全站儀將自動旋轉(zhuǎn)到正確坐標(biāo)的方向上，此時移動棱鏡到全站儀指向的方位，全站儀自動開啟搜索模式，并鎖定棱鏡，同時在電子手簿上顯示此時棱鏡相對于定位放樣點理論坐標(biāo)的位置關(guān)系，根據(jù)向前、向右、向上的提示移動棱鏡到限差容許的位置，完成該定位放樣點的工作并記錄保存實測坐標(biāo)點。隨后采取同樣的方式完成其他點位的定位放樣工作。當(dāng)選擇激光模式后定位放樣，選取設(shè)計點位后，全站儀鏡頭會自動旋轉(zhuǎn)到設(shè)計坐標(biāo)位置，同時會發(fā)射可見激光，移動棱鏡到激光位置，即可完成對該設(shè)計點位的定位放樣工作并保存數(shù)據(jù)，隨后完成其他定位放樣工作，如圖2所示。

圖2 電子手簿3D模型界面圖Fig.2 Electronic hand thin 3D model interface diagram

安裝調(diào)測：以核電工程安裝調(diào)測工程量最大的鋼襯里貫穿件為例，其他物項調(diào)測方式方法與思路與此一致。設(shè)站完畢后，手簿中會顯示全站儀與貫穿件的位置，電子手簿不與棱鏡桿相連，360°棱鏡與調(diào)測專用的小棱鏡桿相連，將其安置在貫穿件分出的中心點。作業(yè)人員站在需調(diào)測的貫穿件一旁，手持電子手簿，在三維圖形中選取該貫穿件設(shè)計坐標(biāo)點，全站儀將自動旋轉(zhuǎn)到正確坐標(biāo)的方向上，全站儀自動開啟搜索模式，并鎖定棱鏡，同時在電子手簿上顯示此時棱鏡相對于定位放樣點理論坐標(biāo)的位置關(guān)系，手動開啟實時跟蹤測量，根據(jù)電子手簿中顯示向前、向右、向上的提示距離，告知安裝人員調(diào)整貫穿件位置。待貫穿件調(diào)整完畢后，記錄保存最終調(diào)測合格后的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 電子手簿中貫穿件位置調(diào)整模型距離圖Fig.3 Model distance diagram for the position adjustment of penetrators in electronic hand book

2.2.2 任意模式

任意模式與基準(zhǔn)模式根本的區(qū)別在于無需設(shè)站，可在現(xiàn)場非封閉環(huán)境的測量區(qū)域進(jìn)行任意架站，充分運用COSR站的高精度，使全站儀在任意位置都可自動獲取設(shè)站基點，使用更加靈活。

全站儀在測區(qū)任意位置進(jìn)行架設(shè)儀器，無需任何基準(zhǔn)點。電子手簿進(jìn)入設(shè)站界面，將GS模式切換為GPS模式進(jìn)行坐標(biāo)快速采集，分別在測區(qū)任意采集3～4個點的GPS數(shù)據(jù)，而且這些點是任意點，無需標(biāo)記點位，每次測量一個GPS點后，即可通過電子手簿快速搜索全站儀(可以利用超級搜索首先尋找棱鏡，再利用搜索并跟蹤功能鎖定棱鏡)并遠(yuǎn)程控制全站儀對360°棱鏡進(jìn)行觀測，用于獲取后方交會的距離和角度。通過GPS在測區(qū)采集的任意點，同時通過全站儀快速測量棱鏡，獲取數(shù)據(jù)參數(shù)后，即可計算出全站儀的架站坐標(biāo)和方位角，快速完成復(fù)雜建筑現(xiàn)場的全站儀架設(shè)，而且是任意點，無需考慮現(xiàn)場的堆積物，只要找到空地即可架站。

基準(zhǔn)模式適用于已提前引入基準(zhǔn)點的各類施工環(huán)境，尤其是在地下室、建筑物內(nèi)等GPS信號弱的封閉環(huán)境。而任意模式是在基準(zhǔn)模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，特別適用于非封閉環(huán)境、缺少基準(zhǔn)點或基準(zhǔn)點被破壞、GPS信號良好等場景。

2.2.3 內(nèi)業(yè)資料編制

內(nèi)業(yè)資料編制工作是通過用于配套BIM一體化測量技術(shù)開發(fā)的數(shù)據(jù)生成軟件實現(xiàn)，主要目的是將全站儀、GPS、電子水準(zhǔn)儀現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)，直接通過軟件實現(xiàn)依據(jù)不同的資料模板，自動化生成標(biāo)準(zhǔn)資料。改變了傳統(tǒng)人工現(xiàn)場記錄原始數(shù)據(jù)，編制時人工比照原始數(shù)據(jù)錄入的模式，更加簡單快捷。并且通過自定義網(wǎng)絡(luò)傳輸，可實現(xiàn)緊急施工現(xiàn)場定位放樣與資料編制同步進(jìn)行。測量的同時，保存在儀器中的數(shù)據(jù)通過自定義的網(wǎng)絡(luò)傳輸上傳至軟件，現(xiàn)場測量任務(wù)完成的那一刻，數(shù)據(jù)同時已全部上傳完畢并生成標(biāo)準(zhǔn)資料，實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)真正意義上的同步。

3 結(jié)論

核電工程一體化測量技術(shù)，將BIM與智能型全站儀集成應(yīng)用，通過對軟件、硬件系統(tǒng)性整合，結(jié)合核電實際工況進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化和匹配，將BIM模型代入施工現(xiàn)場，利用模型中的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)驅(qū)動全站儀進(jìn)行測量，真正實現(xiàn)無縫的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)快速控制、放樣、資料生成一體化，改變了傳統(tǒng)的極坐標(biāo)法定位放樣模式，可適應(yīng)更加復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，保證施工測量質(zhì)量，縮短了施工工期，為類似后續(xù)核電廠工程測量提供了參考樣板。