BIM坐标系与施工坐标系在不同基准下的转换研究

摘  要：对BIM坐标系与施工坐标系在不同基准下的转换进行了研究，研究发现虽然BIM坐标系与施工坐标系原点的选择及起算方向不同，但两者之间存在几何关系和共同的基准。通过坐标系之间的关系利用计算公式和CAD软件两个方法对坐标系的转化进行分析研究，利用计算公式主要是通过坐标系之间的几何关系进行转化;利用CAD软件主要是通过坐标系之间的共同基准进行转化，以期使BIM技术在核电工程建筑行业中更加全面地应用及推广。

关键词：BIM坐标系;施工坐标系;核电工程不同基准;坐标系转化

中图分类号：TP39       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）04-0153-04

Research on Transformation between BIM Coordinate System and Construction Coordinate System under Different Benchmarks

LYU Guangyao

（Zhangzhou Nuclear Power Project Department of China Nuclear Industry 24 Construction Co.， Ltd.， Zhangzhou  363000， China）

Abstract： This paper studies the transformation between BIM coordinate system and construction coordinate system under different benchmarks. It is found that although the origin selection and starting direction of BIM coordinate system and construction coordinate system are different， there is a geometric relationship and common benchmark between them. Through the relationship between coordinate systems， the transformation of coordinate system is analyzed and studied by using calculation formula and CAD software. The use of calculation formula is mainly transformation based on the geometric relationship between coordinate systems; the use of CAD software is mainly transformation based on the common benchmark between coordinate systems. In order to make BIM Technology more comprehensively applied and popularized in nuclear power engineering construction industry.

Keywords： BIM coordinate system; construction coordinate system; different benchmarks for nuclear power projects; coordinate system transformation

0  引  言

隨着BIM软件在核电工程领域中快速推广与应用，BIM软件在核电工程中应用愈来愈广泛，BIM软件中生成的建筑模型在建筑施工应用中发展很快，测量放线作业需融合入BIM技术的应用，将现代智能化测量放线方式与BIM技术进行结合能够有效地提高现场的作业效率，但由BIM软件生成的设计图纸中的坐标系为数学平面直角坐标系，无法直接应用于现场测量放线施工作业中，因此需将BIM坐标系转化为施工坐标系，以此保证现场测量放线工作的顺利进行。

1  概述

随着将BIM融入核电工程的建设中，BIM在核电中的应用愈加广泛，核岛建设应用的设计图纸均使用BIM软件生成，然而设计图纸的坐标系统与现场使用的测量施工坐标系存在差异，导致BIM生成的设计图纸无法直接指导现场测量放线工作。需将BIM生成的设计图纸进行二次转化，在核电工程中各子项由BIM生成的设计图纸均有自身的（0，0）原点，但各子项之间存在者关联。需将BIM生成的不同基准设计图纸转化到统一施工坐标系统中进行测量放线工作，下文以漳州核电工程为例，对BIM坐标系与施工坐标系转化进行阐述。

2  BIM坐标系与施工坐标系的区别

BIM软件生成设计图纸的坐标系的形式为数学平面直角坐标系，数学平面直角坐标系的横轴为X轴、纵轴为Y轴，原点为（0，0），其X轴向右作为正向，Y轴向上作为正向。其象限角分布为以X轴正方向为起始方向按角度逆时针分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

测量施工坐标系是由测量平面直角坐标系的X、Y轴与建筑物的主轴线平行、垂直、重合而建立起来的坐标系。在核岛工程中根据施工设计图纸中坐标系示意图发现一般施工坐标系与建筑物的主轴线重合。但与BIM软件生成坐标系不同的是其横轴为Y轴，纵轴为X轴，其象限角以纵轴正向（北方向）沿顺时针分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

3  BIM坐标系与施工坐标系的转化

为满足现场测量放线需求，需将BIM坐标系转化为施工坐标系。以漳州核电工程为例进行以下阐述：

核电工程核岛反应堆厂房及周边厂房设计图纸均采用BIM坐标系统绘制设计图纸，故指导现场施工的设计图纸无法满足现场测量放线的需求，为满足现场测量放线需求需将设计图纸的坐标系进行转化，使其坐标系统与现场施工坐标系达成一致。由于BIM软件生成的设计图纸中不同子项的起始原点不同，需将设计图纸进行梳理。梳理后发现BIM软件中生成的图纸中设计原点类型主要分为以下几种类型：一种是以圆心中心点为起始原点并以中心主轴线为X、Y横纵轴，如图1所示，此种类型主要应用于核岛内部结构的坐标系转化;一种是以每个厂房的墙边角点为原点，以墙边为X、Y横纵轴，如图2所示，此种类型主要应用于核岛周边厂房，但这两种类型坐标系均为局部坐标系，只能适用于与之相对应的厂房，未能满足现场测量定位的需求，在施工作业中如需保证周边厂房与核岛内部结构相对位置的准确性，那么在测量定位过程中需根据现场核岛总平设计图纸进行各厂房主轴线与核岛内部结构主厂房主轴线相对位置的计算，并根据计算结果进行现场厂房位置的定位放线。

核岛反应堆厂房使用BIM软件生成图坐标系与反应堆厂房的主轴线重合，周边各厂房使用BIM软件生成图的坐标系与周边各厂房主轴线平行，原点一般位于厂房墙体边线内侧角点位置，该厂房内各物项均为至此原点的相对距离。

核岛反应堆厂房与周边厂房的施工坐标系是以反应堆厂房的主轴线为坐标系横、纵轴，即纵轴为X轴，横轴为Y轴;则将核岛反应堆厂房及周边厂房BIM坐标系转化为施工坐标系分为利用计算公式转化或者利用CAD软件进行坐标系及图纸的转化。

3.1  利用计算公式进行坐标系转化

3.1.1  核岛反应堆厂房坐标系的转化

通过对设计图纸的研究发现BIM软件中的坐标系发现坐标系的Y轴增大方向为施工坐标系的270°方向，X軸方向为施工坐标系0°方向，其起算位置与主轴线与施工坐标系重合即需将BIM坐标系逆时针旋转90°后施工图方向得以与施工坐标系中施工图方向匹配，旋转后BIM软件坐标系在施工坐标系中X值增量不变，Y值增量变位反符号，由此可以得出BIM软件生成图中物顶点位坐标在施工坐标系中的坐标计算公式。

假设施工坐标系原点坐标为（A0，B0）;BIM软件坐标系原点坐标为（a，b），P点在BIM坐标系中的坐标为（a1，b1）。则P点在施工坐标系中坐标（A1，B1）的计算公式为：

A1=A0+（a1-a）（1）

B1=B0-（b1-b）（2）

3.1.2  周边各厂房坐标系的转化

周边各厂房坐标系的转化以NX厂房为例。根据核岛反应堆厂房及周边厂房总体平面图确定出该厂房在BIM坐标系与施工坐标系中共同的主轴线，并计算出该厂房主轴线在施工坐标系中至施工坐标系原点的距离为（SA，SB）;由此可计算出NX厂房主轴线交点的施工坐标：

A=A0+SA （3）

B=B0+SB （4）

根据BIM生成的NX厂房图纸可得出BIM坐标系原点至NX厂房主轴线距离为（Sa，Sb）且BIM坐标系纵横坐标轴与施工坐标系纵横轴为平行关系，由此可计算出NX厂房BIM坐标系原点在施工坐标系中的坐标：

a=A+Sa=A0+SA+Sa（5）

b=B+Sb=B0+SB-Sb（6）

周边厂房物项在BIM坐标系中的坐标为（a1，b1）根据式（1）～（7）可以得出P点在施工坐标系中的坐标为：

A1=A0+SA+Sa+a1 （7）

B1=B0+SB-Sb-b1 （8）

利用计算公式进行坐标系的转化可能还存在另外一种类型，其中BIM坐标系主轴线与施工坐标系主轴线并不重合，主轴线之间存在旋转角度。在此种状况下，需根据设计图纸中标注的BIM坐标系主轴线方向在施工坐标系中的方向计算出旋转的角度，通过正余弦定理进行坐标系的转化。以核反应堆厂房为例，其标注Y轴正方向为施工坐标系的270°方向，但当两种坐标系原点重合时发现BIM坐标系Y轴正方向与施工坐标系对应方向并不垂直或者平行，那么此时需要进行角度、距离换算。

假设P点在BIM坐标系中的坐标为（A，B），BIM坐标系与施工坐标系的旋转角度为α，BIM坐标系的原点坐标为（A1，B1），施工坐标系的原点坐标为（A0，B0），那么P点在施工坐标系中坐标（A2，B2）的计算公式为：

A2=A0+（A-A1）COSα+（B-B1）SINα（9）

B2=B0+（A-A1）SINα+（B-B1）COSα（10）

表1为核岛周边厂房物项BIM坐标与施工坐标转化成果表，利用计算公式进行坐标转化的优点在于基础性较强，其中的转化过程均为基础理论知识，对其操作性要求低。但其存在着较大的缺点就是由于核电现场的设计图纸较多，且每份设计图纸中的物项较多，若每一项进行梳理需耗费较大人力和较多时间。

3.2  利用CAD软件进行坐标系转化

随着BIM技术在建筑施工中的应用愈加广泛，坐标的转化作为BIM技术应用于测量放线施工技术的重要环节，除利用坐标系转化计算公式外，还可以利用CAD软件进行坐标系转换亦能达到此目的。利用CAD软件进行坐标系的转化相对于计算公式转化来说比较简化且更加直观。

首先在BIM建筑模型中选取需要转化的厂房并将该施工区域的BIM建筑模型以DXF格式导出，如图3所示;在CAD软件中打开该格式文件，如如图4所示，打开后发现该BIM建筑模型在CAD软件中显示三维图形，需将将视图模式更改为俯视。

其次依据图纸中建筑物主轴线尺寸在CAD软件中绘制施工坐标系的轴线图。选择BIM模型建筑物与施工坐标系主轴线网中两个共同基准点，将BIM模型已导入CAD软件的建筑物图以其中一个共同基准点为准，利用CAD软件中“平移”命令将BIM坐标系与施工坐标系一个共同基准点重合，再以CAD软件中“旋转”命令，以重合后共同基准点为基点将BIM模型生成的建筑物图进行旋转使BIM图与CAD软件中的轴线网图完全重合，即可实现BIM建筑模型坐标系与施工坐标系的转化，转化完成后可以使用计算公式进行验算以保证坐标转化的准确性。

利用CAD软件进行坐标系转化优点在于坐标转化操作过程比较简捷，基本上单人操作即可完成转化过程。缺点是人员对转化方法的影响较大，在转化过程中对操作员的技能要求较高，且要求精细，容易出现位置偏差。在利用CAD软件转化完成后需要利用计算公式对转化结果进行校核。

4  结  论

结合以上坐标转化方法，可以完美地实现BIM模型中坐标系与施工坐标系的转化，亦可以通过两种方式进行相互验证以保证坐标转化的准确性。并将转化的成果应用到现场的测量放线工作中去。

BIM模型在核电工程的应用愈来愈广泛，作为核电工程一个重要环节的测量放线工作，亦急需把BIM与现场测量放线工作融合到一起，利用BIM模型的优点进一步加快现场的施工步伐。BIM坐标系与施工坐标系的转化是测量放线工作的第一步，转化过程主要是数学平面直角坐标系与测量施工坐标系的转化，通过利用BIM建筑模型的直观性并结合现代测量放线工作的智能性，使施工现场的测量放线作业更加的精确及便捷。

总而言之，测量放线作为核电工程行业基础及服务的专业，必须学会融会贯通，把最新的技术和测量放线关联起来，走在科技的最前沿，不断地进行科技创新不断进步，把测量从人工到智能化的转变做到实处并与BIM技术进行完美融合。在既保证现场施工进度和质量的前提下又能节省人力和物力，为核电工程的测量放线工作夯实基础。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.核电厂工程测量技术规范：GB 50633—2010 [S].北京：中国计划出版社，2010.

[2] 张泳.BIM技术原理及应用 [M].北京：北京大学出版社，2020.

[3] 王学文.CAD/CAM原理与技术 [M].北京：中国铁道出版社，2014.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.工程测量标准：GB 50026—2020 [S].北京：中国计划出版社，2021.

[5] 潘正风.数字测图原理与方法 [M].武汉：武汉大学出版社，2009.

作者简介：吕广耀（1990—），男，汉族，河北廊坊人，工程师，本科，研究方向：测量、放线及其自动化、智能化。