基于BIM技术的钢结构高精度加工测量施工技术

2021-11-05郭晓红王玉晓陈会平李海迪董翔宇王秀辉

建筑施工 2021年7期

王剑郭晓红王玉晓陈会平李海迪董翔宇王秀辉

中国建筑第二工程局有限公司辽宁沈阳 110016

当今社会发展迅速，越来越多的大跨度钢结构工业厂房工程应运而生。保证钢结构构件的实际安装精度，消除累积误差影响着整个钢结构工程的施工质量和施工周期，更关系着整个工程的安全性[1-6]。

由于受运输或吊装等条件限制，钢结构构件一般在工厂内分类进行制作后运送至施工现场进行安装。在此过程中，钢结构构件制造精度和拼接精度的把控是钢结构工程建设质量控制的难点，直接影响最终厂房的成形效果、结构内力、耐久性和安全性。

在以往钢结构厂房施工中，大多运用传统的全站仪、钢尺和检验模板等对构件进行检测，再进行整体预拼，不仅所需场地面积大，预拼过程烦琐，且拼接精度无法把控，施工效率不高。本工程通过采用Tekla软件深化设计＋三维扫描复测技术＋BIM智能测量技术，达到对整个钢结构工程全过程的高精度测量和定位，大大提高了钢结构工程施工过程中的拼装精度、安装精度和施工效率，取得了理想的效果。

1 工程概况

本工程地处辽宁省沈阳经济技术开发区宝马大道1号，占地面积为254 884.6 m2，总建筑面积为293 784 m2。车间建筑层数为1层，局部2层。主车间高跨区为13.15 m，低跨区为11.65 m，建筑主体部分为钢柱钢桁架结构，餐厅和局部辅房部分为钢筋混凝土框架结构，屋顶机械间部分采用钢架结构。

本项目总用钢量为3.2万 t，钢结构柱数量为2 982根，钢柱最大高度为19.05 m，最大钢结构柱的质量为10.07 t，最大钢结构桁架跨度为30 m，最大钢结构桁架的质量为41.5 t。本项目钢结构构件数量多且尺寸较大，易产生施工误差，是采用该项技术的主要原因。

2 技术重难点

通过Tekla软件进行高精度建模，对整个钢结构构件进行深化、出图，满足工厂预制加工要求；用三维扫描仪对扫描构件从不同的角度进行三维数据捕捉，调整三维扫描仪相机的方向，对钢构件进行全方位扫描。生成实体三维模型，将实体三维模型导入Tekla三维深化模型进行对比检查，分析预制钢结构构件的加工精度；通过BIM技术建立测量信息模型，通过移动端将测量信息模型导入智能全站仪设备，指导现场钢结构安装施工。利用BIMS项目管理平台将现场发现的问题上传云平台进行全过程跟踪，保证后续施工质量。

3 施工工艺流程

3.1 钢结构深化设计

根据钢结构桁架设计图，使用Tekla软件进行三维实体模拟建造，准确高效地搭建出与设计尺寸完全吻合的三维实体模型（图1），自动生成所需的一切深化图纸及资料。

图1 深化设计模型

3.2 精确控制加工钢构件

1）下料：采用精密数控切割机切割杆件，对接坡口采用半自动切割机精密切割（图2），最后将做好的杆件用三维扫描仪进行复测，将不符合精度要求的单体杆件进行校正修改，直到每个单体杆件符合精度要求。

图2 钢构件下料示意

2）根据Tekla深化设计图将下料完成的杆件放在相应位置，同时用三维扫描仪扫描钢构件杆件坐标点，确保杆件位置准确，进而保证组装的精确性。

3）焊接：焊接各单体杆件的对接焊口。

3.3 三维扫描仪高精度扫描钢构件

钢构件组装焊接后，利用三维扫描仪实测钢构件的几何数据。扫描复测样品选取同一批次出厂的2～3个成品构件，扫描仪采用全局摄影测量系统搭配手持式三维扫描仪，通过扫描钢结构构件的多幅2D图像，计算出物体表面关键几何信息，获得物体3D数据。具体操作要点如下：

1）确保稳定的三维扫描环境。进行三维扫描首先须确保三维扫描仪建立在一个稳定的环境中（避免强光和逆光对射，三维扫描仪的稳固性等），要最大限度地减少环境破坏，确保三维扫描结果不会受到外部因素的影响。

2）三维扫描仪校准。在三维扫描前，对机器进行校准。在校准过程中，要根据三维扫描仪预先设置的扫描模式，计算出扫描设备相对于扫描对象的位置。校准扫描仪时，根据扫描对象调整设备系统设置的三维扫描环境。正确的相机设置会影响扫描数据的准确性，因此必须确保曝光设置是正确的。严格按照制造商的说明进行校准工作，仔细校正不准确的三维数据。校准无误后，可通过三维扫描仪扫描已知三维数据的测量物体来检查比对，如果发现扫描仪扫描的精度无法实现，需要重新校准扫描仪。

3）对扫描钢构件表面进行处理。使用亚光白色显像剂覆盖被扫描构件的表面，在扫描构件上喷上薄薄的一层显像剂，目的是更好地扫描出构件的三维特征，数据也会更精确。

4）开始扫描工作。准备工作完成后便可以对钢构件进行扫描了。用三维扫描仪对扫描构件从不同的角度进行三维数据捕捉，调整三维扫描仪相机的方向，对钢构件进行全方位的扫描。

5）点云处理。对钢构件表面扫描完成后，系统会自动生成构件的三维点云图形。操作人员需对扫描得到的点云数据进行噪点（多余的点云）去除以及平滑处理。

6）数据转换。点云处理完后，对数据进行转换，系统软件自动将点云数据直接生成STL文件，便于之后与其他3D软件对接。

3.4 三维数据导入Tekla

将钢构件的3D模型，即STL文件，用Tekla软件打开，逆向建模得到构件实测模型（图3）。

图3 钢构件逆向建模实测模型

3.5 实测模型与理论模型比较

将理论模型导入三维图形软件中，合理地插入实测整体预拼装坐标系。采用拟合方法，将构件实测模拟拼装模型与拼装工艺图的理论模型进行比对（图4），得到分段构件和端口的加工误差以及构件间的连接误差。

图4 实测模型与理论模型比对

3.6 钢构件高精度校正修改

统计分析相关数据记录，对于不符合规范允许的公差和现场安装精度的分段构件或零件，修改校正后重新测量、拼装、比对，直至符合精度要求。

3.7 得到符合拼装精度要求的实测模型

将校正后的实测模型按照设计轴线、标高等对应位置在Tekla软件内拼装好（图5），作为整体模型存档，准备下一道工序。

图5 符合拼装精度要求的实测模型

3.8 BIM＋智能全站仪测量放线

3.8.1 建立坐标系

1）将Tekla深化模型分区输出为IFC格式文件，使用Revit打开IFC文件，文件保存格式为.rvt。

2）打开Autodesk Point Layout面板创建坐标系，在平面图中任选一点为坐标原点，第二点确定坐标系且输入两点实际距离，命名坐标系，如果输入的值不正确，或者选择了不正确的点，软件将显示错误消息并提示重试。

3.8.2 设置控制点、放样点

在Revit布局选项卡—APL面板—控制点设置模型控制点，构建控制点时必须指定点编号和点描述，此控制点为模型中智能全站仪放置的位置。

3.8.3 导出点模型

1）导出当前2D或3D视图中的所有点。可以使用“裁剪区域”或“视图范围”修改视图。导出的点选择在当前2D平面视图中完成，并且仅导出在该视图中可见的点。

2）在“导出指向文件”对话框中，指定设置。指定文件类型；指定用于设置小数点位数的导出精度；选择“坐标系统”以确保选择了想要导出的坐标系统；指定文件名和位置。选择BIM 360字段创建附件，将附件链接到一个问题或任务；可选择在BIM 360登录对话框中，输入用户名和密码；可选择要附加问题或任务的字段项目；可在对话框中选择问题或任务。导出完成时出现一条消息，单击OK。

3.8.4 云端上传、下载信息模型

将放样点数据模型上传至BIM360 Document，通过BIM360 layout APP将包含点的云端模型下载/同步到设备。

3.8.5 现场设站、放样

1）将移动应用程序与智能全站仪配对，导入APL/CSV控制点文件到全站仪设备。

2）设置全站仪：在施工现场将全站仪安装在三脚架上，并用安装螺栓固定；使用激光直线将全站仪与控制点对准；用数字水平仪和三轴水平仪调节全站仪，使仪器达到水平状态；检查铅锤是否对准控制点，必要时用安装螺栓调整。

3）按程序提示在施工现场进行设站，设站方式可选择后方交会和已知点。

①占用点的设置程序（图6）。通过全站仪和后视仪占领一个已知的控制点到另一个已知的控制点，确定仪器在现场的实际方位。