异形幕墙施工定位中综合测量技术的应用

摘    要：随着现代建筑设计理念的发展，越来越多的异形钢结构建筑物设计出来，造型复杂，设计独特，精度要求高，给外立面幕墙放样带来了很大程度的挑战。本工程利用三维激光扫描技术、结合BIM模型，对设计模型、施工流程进行了优化，并采用放样机器人测量放样，起到了保证工程质量、缩短项目工期的作用。

关键词：BIM技术;三角高程;幕墙放样;技术措施

1  引言

钢结构由于其材质均匀、韧性好、自重轻、强度高、环保等特点，成为目前建筑工程中的主要结构体系之一，不仅能縮短工期、节省费用，而且能够灵活的适应各种造型如网架结构，具有强烈的时代感和多变的外表，最大程度表达建筑师的想象，满足现代审美追求。

由于钢结构一般造型复杂多为异形结构，外立面幕墙安装要求高，幕墙放样主要存在以下技术特点及难点：（1）定位工作量大。异形结构幕墙结构外立面测量定位体系复杂，任意两个剖面的幕墙曲率、形状均不一致、钢结构曲线均不相同，传统方法难以获取放样坐标，根据施工图纸坐标计算复杂，且定位难度及工作量极大;（2）标高难以控制。异形结构幕墙距离钢结构的高度各处不一，标高点难以控制。由于屋面的不锈钢屋面板和开启玻璃以三角形进行拼接，且每个三角形的几何形状均不一致，所以标高精度要求极高;（3）项目工期紧。幕墙安装一般需要现场定位与工厂制作、屋面安装同步进行，且均不能出错，一旦返工则工期大大受到影响。因此要求现场安装与设计、生产无缝衔接;（4）钢结构误差较大。异形结构比常规几何形状要复杂得多，钢结构体的误差和变形大且相对复杂，对幕墙安装影响很大。

综上所述，采用传统的测量方法无法精确的进行幕墙外立面的设计、定位和安装。针对上述特点，本文提出采用三维激光扫描技术+BIM技术结合的方法进行设计、指导施工，结合放样机器人进行定位、指导安装。

2  关键技术

2.1  平面控制测量

控制网作为三维扫描测量、现场放样、竣工验收的首级控制网，作用非常重大。控制网的精度一方面直接影响到三维扫描数据精度，从而保障BIM模型的可靠性;另一方面又对施工定位有着重要的影响，直接影响幕墙安装位置。因此必须重视控制网的精度。

考虑到与前期结构坐标系统一致，通常采用结构施工阶段的控制点作为首级控制点。围绕测区布设控制网。

为了提高平面控制测量的精度，应采用了以下措施：

（1）网形优化。由于高精度定位要求，同时考虑到扫描数据拼接误差。对网形的选择也尤重要。为了避免二次建网或加密导致精度误差分布不均，应采用一次布网。

（2）由于幕墙安装项目一般测量范围较小，测量对中误差会引起较大的测角误差。因此控制点宜采用强制对中的方式布设。该方法全站仪和棱镜在基座上共轴，有效减小仪器的对中误差，从而提高了控制网的观测精度，同时减少仪器整平耗时，加快测量速度。

2.2 高程控制测量

地面高程控制点采用二等水准方法进行联测，精度容易保障。而结构顶部控制点的高程却难以联测。主要是因为结构施工期间，为保证屋面钢梁顺利合拢、搭设满堂脚架，导致高程联系测量无法实施，而普通的三角高程方法又无法达到理想精度。对此，需要采用精密三角高程代替二等水准 [4]。

三角高程测量计算的基本公式为：

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

式中，[hAB]为A、B点的高差，[SAB]为A、B两点斜距，[αAB]为A至B的竖直角，[iA]为仪器高，[vB]为棱镜高，[kAB]为A至B方向的大气折光系数，R为地球曲率半径。

设AB点的水平距离为[D]，即：

[D=SABcosαAB]

令：

[f=D2/2R]

并忽略微小项，则根据式（1）计算高差中误差：

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

式中，[mS]，[mα]分别为测距和测角中误差，[mi]，[mv]为量取仪器高和棱镜高的中误差，[mk]为大气折光系数的中误差。

由此可见，削弱或者消除这几项误差可提高三角高程观测精度。具体措施如下：

（1）通过估算，同等条件下，采用高精度全站仪提高测角和测距精度，可以明显降低测角和测距引起的三角高程误差。

（2）对向观测消除球气差影响。往测从下往上观测高差为正，球气差改正后高差增加;返测从上往下高差为负，球气差改正后高差减小。因此采用对向观测，往返高差取均值，完全抵消球差影响，并抵消大部分气差影响，可以忽略球气差引起的误差。

（3）仪器高量取的方法采用水准测量法[5]。传统方法采用钢卷尺直接量取仪器高和棱镜高精度均在3mm左右，无法满足精密三角高程的精度要求。而利用水准仪法可以精确量取仪器高，精度可以达到[±0.3]mm。

（4）选择有利观测时段如阴天，保证了大气相对稳定，同时采用高精度全站仪自动观测，缩短观测时间，削弱大气折光对观测的影响。

2.3  三维激光扫描技术

（1）为方便幕墙设计和施工放样，保证成果统一性，三维扫描应采用2.1及2.2节建立的平面及高程控制网。

（2）BIM模型精度要求高，因此野外扫描点云准确性尤为重要，直接影响到建模的精度。根据研究，点云数据采集采用“测站点+后视点”的方法，通过前期建立的已知控制点上设站扫描，各站点云数据通过配准操作直接叠加统一在施工坐标系。此方法不需要每站点云数据有区域重叠，减少了数据总量，也减少了站站拼接产生的累计误差。

（3）控制扫描的角度尽量减少大角度扫描数据采集。

2.4   BIM技术应用特点

2.4.1  深化设计图，有效衔接设计与施工

（1）通过三维激光扫描采集现场钢结构完成面信息，建立真实的钢结构BIM模型，利用BIM软件对幕墙的设计模型进行修正、完善。

钢结构施工过程中采用很多措施以保证精度，但还是存在很大的偏差，需要将现场实际的偏差反馈设计以调整模型，否则仅利用钢结构设计图建模、生产幕墙板，会造成幕墙板现场无法正确安装，对工期将产生无法预料的影响。

（2）BIM模型和现场施工同步（施工演示、工期预判、实际对比、误差修正、更新设计），通过这种方式，实现BIM在外立面幕墙安装过程中的指导作用，保证了施工质量。

（3）将设计模型以电子文件导入放样仪器中。通过测量机器人实现幕墙在施工现场的高效精确定位。

2.4.2  优化测量流程

（1）利用BIM模型插件，提取幕墙安装控制点位的三维坐标，开展测量放样工作，很好的解决了异形结构放样数据获取的难题[2]。

（2）通过BIM建模拟合出曲面造型，工厂按照BIM模型提供的参数直接下料进行元件加工，而施工现场的定位，只需要提取主要节点数据，将需要放样的点位数量大幅缩小。

（3）通过BIM模型的演示，提前预判施工顺序和施工进度，为测量定位的工作安排提供了很好的依据，测量小组可以合理安排放样区域，能够更好按照施工进度进行定位。

2.4.3  验收

幕墙安装完成后，重新扫描完成实体，建立BIM模型，与设计图进行三维数据对比。验收方法较传统验收方法更直观、完整，可以从各个角度、剖面上对施工质量进行检验，提高了施工验收的质量，并且还能给后期维护带来真实、可靠的数据。

3  工程实例

本项目位于浙江德清凤栖湖湖心岛。俯瞰场馆，东区和西区相吻合，形成蛋壳状，与湖水相映成趣，在湖面上呈现出珍珠景观效果。为体现出壳状效果，由一万多块不同形状的几何图形组合成幕墙外立面。异形幕墙的安装，毋庸置疑成为本项目施工的一大难题。这么多块几何立面，无论是曲率还是形态方面，都有各自的特征，需要完美组合安装，如图1。

为了保证整体安装效果，设计要求建模精度20mm，建筑表皮放样允许误差：平面误差≤±8mm，高程误差≤±8mm。这给本就复杂工作带来了更大的挑战，传统测量方法难以达到理想效果。

3.1  建立控制网

考虑到与施工坐标系的统一，采用施工阶段的平面控制点B1、B2作为本项目首级平面控制点。围绕测区布设闭合导线，同时考虑到面板顶部测量工作，在该钢结构顶部布设又增加一点，形成了导线网，如图2所示。控制点均采用强制对中装置，采用Leica TS60观测。

3.2  三维扫描应用

采用徕卡P40扫描仪（点位精度±3mm/50m，测距精度1.2+10ppm，测角精度8″）对钢结构完成面进行扫描、建模（图3），并与原设计模型进行对比，发现钢结构最大偏差近12cm，通过扫描成果修正设计模型，使其与现场实际一致，为后期安装提供了保障。

同时，为了对比分析，在钢结构的不同位置表面均匀粘贴了15个纸质标靶，利用徕卡TS60全站仪精确观测其三维坐标。采用Cyclone软件提取这些标靶的坐标，与全站仪测量的三维坐标进行比较，得到这些点的坐标差值序列，如表2所示。

经对比，最大点位误差5.2mm，满足建模要求。

3.3  工程放样

为了保证外表面相对光滑圆润的流线造型，同时也链接设计与施工，实现了面板制作与现场拼接安装的无缝衔接，最终采用角铁形式，直接放样表皮控制点。原本需要6000个点，经优化仅需3000点作为焊接支座、安装面板的依据。

同时，采用幕墙施工流程演示，对放样流程、节点进行了统筹计划，原本计划5组测量人员，最终仅需要2组即可及时开展工作。

4   结语

本项目幕墙安装工程是一个具有高技术含量的工程。在成功完成幕墙施工定位任务的同时，也摸索和总结了一些测量经验以供探讨：①钢结构在施工中存在较大误差，幕墙设计采用三维扫描实测钢结构建立BIM模型进行修正，可以避免返工，提高工作质量，实现设计与施工信息共享，有效节约成本。②对于异形结构的幕墙定位，采用专业化、自动化的测量手段通过直接放样空间点，即可优化定位点数，也可保证幕墙安装质量的，达到事半功倍的效果。③利用BIM模型模拟施工顺序，有效提高测量放样和施工安装统筹安排，提高施工工作效率，减小工程工期。④复杂情况的简单化处理。放样时考虑在边角部位能够吸收部分施工偏差。⑤三角高程测量时采用高精度仪器，能够有效提高测量精度。

参考文献：

[1] 白永青，杨雪姣.Trimble 三维激光扫描在玻璃幕墙设计及安装中的应用[J].测绘通报，2018（3）.

[2] 刘丙宇等.内蒙古科技馆新馆异形幕墙综合施工技术[J].施工技术，2016（16）.

[3] 李枝梅，宋录西.张世贝.三联脚架法在导线测量中的应用[J].甘肃冶金，2007（5）.

[4] 周水渠.精密三角高程测量代替二等水准测量的尝试[J].测绘地理信息，1999（3）.

[5] 许国辉.高精度EDM三角高程測量的研究[J].测绘通报，2002（10）.

[6] 谢宏全，谷风云.地面三维激光扫描技术与应用[M].武汉大学出版社，2016.

作者简介：

刘星（1986—）男，陕西宝鸡人，本科，毕业于同济大学，工程师，研究方向：测绘。