BIM技术结合测量机器人放样功能在高层建筑领域的应用

童鹏程，张同波

(1. 中铁四局集团建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022； 2. 合肥海拓勘测设备有限公司，安徽 合肥 230022)

随着城市化建设的加快，高层和超高层建筑越来越多。本文针对传统的高层建筑施工中利用低下、精度偏低的特点，在保证建筑物安全性、耐久性的同时，利用GPS RTK和测量机器人等先进的测量技术和仪器设备，结合BIM技术，实现高层建筑施工测量的自动化、无纸化、可视化和智能化的三维放样。

1 工程概况

贵州凯里未来城项目“城市之门”A座由4层地下室、局部3层商业裙楼、一栋18层SOHO办公楼及一栋24层五星级酒店组成，总建筑面积为119 803.325 m2。18层S0H0办公楼标准层层高3.6 m,土建结构高70.2 m,屋面附属钢结构高25 m,建筑总高度95.2 m；24层酒店(办公楼)标准层层高3.8 m,土建结构高度98.7 m,屋面附属钢结构高25 m,建筑总高度123.7 m。

2 仪器设备及技术介绍

2.1 BIM技术

BIM模型建立时无需设定坐标系，需利用现有建模软件，根据设计轴线任意确定模型位置。只需保证模型与轴网之间的相对位置正确，建立建筑物的结构模型即可。

2.2 GPS RTK技术

减少控制点采集次数，仅一人操作,每个放样点只需停留几秒的时间，且不存在误差积累。

2.3 测量机器人

测量机器人在整平后，无需人工输入坐标及各种参数，可以动搜索、确认目标，在其转动过程中对仪器的磨损和震动都非常小，电能直接转换为机械能，不产生磁场，也不会被磁场干扰。在测量及瞄准过程中镜头不会抖动，保证了测量精度。

3 在高层建筑中应用方法

在施工现场较为开阔的地方架设GPS RTK基准站，在施工楼层中间位置架设测量机器人，并在楼层周边位置任意采用带360°全棱镜的RTK流动站，测设4个以上的控制点，每个控制点在采集到坐标后，不移动基准站的情况下直接将RTK采集的坐标传输给测量机器人完成自由设站定向工作。通过点击测量手簿中BIM模型需要放样的结构位置，即可通过测量机器人将结构位置的坐标进行放样，如图1所示。

图1 系统运行所需设备

3.1 BIM模型坐标和现场施工坐标系的统一

由于BIM模型的建立是由建模人员任意绘制的，与工程中的施工坐标系无法统一，通过坐标系的偏移和旋转可以将坐标系BIM任意坐标批量转化为工程中的施工坐标系，如图2所示，从而保证BIM坐标可以在现场准确无误地放样。

图2 BIM任意坐标系批量转化示意图

3.2 GPS RTK精度提高

GPS RTK因为其测量点位的精度偏低，一般其测量的点位数值不作为控制点使用，但因其测量效率高、速度快、操作简单、使用方便，可以通过如下方式来提高其测量点位的精度，已达到满足控制点使用的要求。

(1) 设置接收机“三星”系统能够同时接收GPS、GLONASS、BDS信号，如图3所示，增加多余观测卫星型号的数量，可提高卫星观测精度。

图3 三星系统示意图

(2) 提高接收卫星信号的高度截止角，如图4所示，剔除信号接收不良的卫星，以提高观测精度。

(3) 增加RTK测量过程的观测时间，将控制点时间观测由原来的5″提高至60″，以提高测量点的平面和高程精度。

(4) 在RTK测量控制点的过程中，采用带固定支腿的插销式对中杆，防止在测量过程中，因仪器自重下沉或对点不够垂直而影响测量精度，如图5所示。

图4 卫星高度截止角的设置 图5 RTK控制点采集

3.3 实测控制点坐标与测量机器人定向一体化

根据RTK快速定位测量的控制点坐标值，在不移动对中杆的情况下，通过测量手簿传输将此坐标值传输给测量机器人，完成该点的角度、距离定向，如图6所示。依此方法完成后续各控制点的角度、距离定向，从而完成测量机器人的自由设站工作，如图7所示。

图6 测量机器人的自由设站示意图

图7 测量机器人的自由设站示意图

3.4 BIM模型三维坐标生成

只要通过在BIM模型上截取建筑物特征点或任意点时，其放样点位置即可清晰地在BIM模型中显示，如图8所示。若放样位置不对或没有到位，系统会自动提醒正确的放样方向及距离。在放样时，无需计算建筑物各特征点的坐标，也无需向仪器中输入放样坐标，只要点击模型中要放样的位置即可，如图9所示。

图8 BIM模型中读取的放样坐标

图9 BIM自动放样

4 与传统方法对比及优势

为了检验BIM技术和测量机器人放样点的精确性，现选取A座第16层，采用传统的激光垂准仪投点、经纬仪拨角、钢尺量距方法测量放样主控轴线，与采用BIM技术及测量机器人放样的主控轴线角度、距离结果进行对比，详见表1、表2。其优势如下：

表1 主控轴线角度对比

表2 主控轴线距离对比 m

(1) 施工时各楼层间不需要预留激光垂准仪投点用孔洞，避免预留孔洞后的二次施工现象，同时也避免了通过预留孔洞的高空坠物伤人等安全隐患问题。

(2) 施工过程中，无需通过激光垂准仪投点和经纬仪拨角等即可将主控轴线各结构物立模线放出，提高了施工效率。各楼层放样坐标或角度、距离无需进行计算，可通过BIM的点击直接获取。

(3) 由于BIM技术和测量机器人的放样误差不随楼层的升高而累积，避免出现激光垂准仪投点精度随着投测高度的增加而降低的问题，提高了各楼层放样的精度。

5 结 语

通过对BIM技术结合GPS和测量机器人等在高层建筑施工中的应用，打破了传统的投点法控制及轴线法放样方法，很好地将BIM技术、GPS、测量机器人运用到控制点测量和快速灵活的任意设站，真正实现了测量放样自动化、无纸化、可视化和智能化。