基于BIM技術的空間雙曲面賽道毫米級精度控制方法研究

彭輝，劉莎莎

(上海寶冶冶金工程有限公司,上海 201999)

1 引言

北京2022 年冬奧會國家雪車雪橇中心賽道為國內首條、亞洲第3 條設計及施工難度極大的奧運賽道。賽道依山勢而建，呈蜿蜒起伏狀，為長線型空間扭曲的雙曲面結構，采用永久性結構噴射混凝土施工技術。運動員在賽道內曲功能面高速滑行，滑行最高時速為135 km。雪車或雪橇無制動裝置，競技運動要求賽道功能面空間坐標和成型精度達到毫米級，否則將直接影響運動員的比賽成績和個人安全。

賽道骨架結構安裝包含夾具、制冷管道、鋼筋、高精度找平管，分別具有定位、通冷降溫、結構整體受力、輔助精度成型的功能。夾具由原設計參數指導制作和安裝，用來控制賽道設計斷面坐標和固定制冷管道；在制冷管道上，以此安裝雙曲面鋼筋骨架和高精度找平管。因設計參數僅代表既定斷面，其余空間異型曲面無設計參數，因此，采取BIM 參數化建模的方式對賽道整體曲面進行深化，提取特征坐標參數并建立仿真模型[1]。通過對各安裝工序中特征坐標點的精確測量進行控制，將混凝土噴射加工成型曲面的三維影像掃描同BIM 仿真模型的點云偏差進行比對，及時完成混凝土面的在線調整，最終實現成型面的毫米級精度。

2 雪車雪橇賽道設計分析

2.1 賽道原設計分析

賽道每2 m 或2.5 m 提供一個設計斷面，通過該斷面的標高、里程號、中心線、坐標點等可定位到具體位置，斷面之間按照自然過渡的原則相連接，形成理想的曲面賽道，混凝土功能面任一點的空間坐標精度須在10 mm 以內。設計斷面以外的部分無坐標參數，故無法通過測量手段控制安裝精度。

2.2 賽道深化設計

為實現賽道空間雙曲面異型結構的安裝精度控制，采用BIM 參數化建模技術建立三維仿真模型。

犀牛Rhino 軟件參數化建模在特異型曲面結構建模方面具有獨特的優勢，同時可實現空間坐標參數的提取，可有針對性地提取特征點坐標或任意選點測量，將測量坐標導入模型計算實際偏差，使原來對少量“特征點”的精度控制提升至“實體面”的控制[2]，如圖1 所示。

圖1 BIM參數化建模

3 毫米級精度控制方法的研究與應用

3.1 骨架安裝過程的精度控制方法

3.1.1 夾具安裝精度控制

夾具能控制賽道斷面的位置和固定制冷管道，是賽道骨架精度的控制基礎，采用20 mm 厚鋼板激光切割成型，上有方形卡齒用于固定制冷管的安裝位置，同時卡齒的角點也作為測量安裝的特征點，如圖2 所示。通過模型提取夾具的特征點坐標，安裝時使用全站儀跟蹤測量并實時調整，使夾具安裝精度控制在2 mm 以內。

圖2 北京2022 冬奧會雪車雪橇賽道夾具和制冷管道

3.1.2 制冷管道和鋼筋骨架安裝精度控制

制冷管道為φ34 mm 的特殊管材，因長度較長而具有一定柔韌度，理論上制冷管與夾具接觸的每個點安裝牢固即可形成自然過渡線形，制冷管道表面安裝三維鋼筋骨架，鋼筋緊貼制冷管依附成型。上述2 道工序可通過多點目測觀察和塞尺檢測其接觸點是否存在間隙判斷其安裝精度。

制冷管道與鋼筋骨架安裝完成后，對夾具特征點進行精度復測，通過夾具上的可調節裝置實現超差的調整，使安裝精度控制在5 mm 以內，如圖3 所示。

圖3 夾具精度復測

3.2 混凝土成型面的精度控制方法

3.2.1 找平管安裝精度控制

找平管為賽道曲面混凝土提供參照的基準。找平管的安裝方法為：選用與鋼筋保護層厚度等外徑的特殊管材，按一定間距安裝在賽道曲面的鋼筋骨架上，如圖4 所示。混凝土噴射完成后，沿相鄰管道刮下多余混凝土，即得到理想成型面。找平管最上表面的點和混凝土成型面相重合，可通過測量找平管的安裝精度提前判斷混凝土成型面的精度。

圖4 賽道骨架三維模型

找平管安裝間距為500～800 mm，與原設計斷面不重合，基于參數化建模技術加以深化。使用全站儀測量找平管上表面均勻等分的控制點，將坐標值導入BIM 模型，比對被測點的偏差值，對誤差超過10 mm 的部位做調整[3]，如圖5 所示。

圖5 找平管測量

3.2.2 混凝土成型后的精度控制

混凝土噴射找平初凝前后，對混凝土表面做三維影像掃描[4]，如圖6 所示。確定后視坐標點的三維激光掃描儀可快速且準確地掃描測得混凝土面的點云圖，同仿真模型進行比對，設定誤差值范圍并通過不同顏色凸顯，再點選超差部位任意處讀取具體數值，以此指導賽道實體的在線定量修復，確保賽道功能面點、線、面的空間毫米級精度，如圖7 所示。

圖6 賽道混凝土面三維掃描

圖7 掃描云圖對比

4 結語

1）空間曲面異型結構難以通過二維圖紙完成實體轉化，可依據參數有限，無法實施精度測量控制，BIM 參數化建模技術能實現復雜結構的仿真建模和三維坐標值任意點的提取。

2）利用BIM 參數化建模對賽道夾具和找平管上表面提取坐標點網，輔助測量技術修正夾具和找平管安裝精度；在混凝土噴射成型前對賽道骨架的安裝精度進行偏差分析和調整。

3）通過BIM 技術仿真建模，結合三維激光影像掃描技術，可快速實現精度偏差區域的定量輸出，及時完成賽道混凝土成型面的在線精度調整。