基于BIM技術(shù)和測(cè)量機(jī)器人的橋梁工程測(cè)量方法研究

朱善美 （中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

當(dāng)今市場(chǎng)環(huán)境中，建筑行業(yè)正朝著信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、國(guó)際化的方向發(fā)展[1]，一些傳統(tǒng)思維已無(wú)法順應(yīng)建筑行業(yè)快速發(fā)展的需求。在這樣激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，企業(yè)能否為社會(huì)提供質(zhì)量高、工期短、造價(jià)低的產(chǎn)品，成為制約建筑施工企業(yè)成敗的關(guān)鍵因素。而B(niǎo)IM技術(shù)是建設(shè)行業(yè)的一項(xiàng)重大革新技術(shù)，基于BIM技術(shù)的工程項(xiàng)目信息化必將作為提高建筑行業(yè)效率和利潤(rùn)的有效途徑之一[2]。

目前，國(guó)內(nèi)橋梁施工測(cè)量大多還是采用傳統(tǒng)的模式，外業(yè)工作投入大量的人力、物力和時(shí)間；并且由于建筑結(jié)構(gòu)空間的復(fù)雜性，以及外在環(huán)境的影響，無(wú)法保證細(xì)部測(cè)量的精度質(zhì)量，因此常規(guī)的測(cè)量?jī)x器已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足需求。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高新測(cè)繪技術(shù)的不斷提高，測(cè)量機(jī)器人在工程施工中的應(yīng)用逐步發(fā)展，基于測(cè)量機(jī)器人開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理、發(fā)布，避免數(shù)據(jù)失真，并將設(shè)計(jì)的成果高效快速地反映到施工現(xiàn)場(chǎng)，為現(xiàn)場(chǎng)施工做出更加直觀準(zhǔn)確的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)大幅度提升工程測(cè)量功效、確保施工質(zhì)量和施工安全的目的。

1 研究思路

圖1 測(cè)量方法圖

隨著國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的發(fā)展，基于BIM技術(shù)的信息化管理模式已經(jīng)成為行業(yè)的趨勢(shì)。但在工程施工上的應(yīng)用是國(guó)內(nèi)BIM的薄弱環(huán)節(jié)，癥結(jié)點(diǎn)在于如何將三維模型數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合起來(lái)[3]。本文結(jié)合BIM與測(cè)量機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種基于BIM技術(shù)和測(cè)量機(jī)器人的橋梁工程智能測(cè)量方法，并在滬蓉鐵路上跨江淮運(yùn)河特大橋中成功應(yīng)用。其研究思路如圖1所示。

2 橋梁BIM模型快速建模

從“十一五”開(kāi)始，我國(guó)政府就開(kāi)始大力支持建筑信息化發(fā)展，如今BIM理念正逐步為我國(guó)建筑行業(yè)知曉[4]。BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)[2]。BIM技術(shù)可以應(yīng)用于橋梁工程項(xiàng)目的決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等全生命周期內(nèi)。

綜合分析BIM模型的建模方法后，形成了利用Revit軟件強(qiáng)大的插件開(kāi)放接口，并結(jié)合Dynamo等插件的一種橋梁快速建模方法，改變了傳統(tǒng)的建模思路，提高了建模效率。

2.1 根據(jù)相對(duì)位置統(tǒng)計(jì)構(gòu)件信息

在項(xiàng)目施工過(guò)程中，各構(gòu)件的坐標(biāo)計(jì)算容易發(fā)生一些不易復(fù)核的錯(cuò)誤，造成工程成本的增加，因此在建模的過(guò)程中，根據(jù)圖紙?zhí)峁┑南鄬?duì)位置關(guān)系以及參數(shù)信息，計(jì)算相對(duì)的坐標(biāo)，并按照各構(gòu)件的里程信息分別建立構(gòu)件信息庫(kù)。

2.2 基于Dynamo進(jìn)行項(xiàng)目拼裝

第一步，創(chuàng)建構(gòu)件的族文件，選擇適當(dāng)?shù)淖鍢影逦募鶕?jù)構(gòu)件信息庫(kù)選取出各構(gòu)件的變化參數(shù)，建立參數(shù)化構(gòu)件族。

第二步，將參數(shù)化族導(dǎo)入到新建的項(xiàng)目文件中，并使用Dynamo插件進(jìn)行編寫(xiě)程序。

使用Dynamo編程的語(yǔ)句，首先對(duì)構(gòu)件信息庫(kù)進(jìn)行編輯，將所需要驅(qū)動(dòng)參數(shù)化族的數(shù)據(jù)提取出來(lái)做好準(zhǔn)備。分別創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的構(gòu)件編碼塊，按照信息庫(kù)中相對(duì)坐標(biāo)的位置在Revit中布置相應(yīng)的參數(shù)化族。

第三步，根據(jù)工程的圖紙信息中提供的相對(duì)關(guān)系，在Revit顯示區(qū)域進(jìn)行各構(gòu)件位置間的二次復(fù)核。

基于dynamo進(jìn)行項(xiàng)目拼裝，不僅可以避免傳統(tǒng)建模思路中單個(gè)構(gòu)件調(diào)整的耗時(shí)繁瑣，還可以不斷的根據(jù)相對(duì)關(guān)系互相復(fù)核提高模型精準(zhǔn)度。

2.3 小結(jié)

BIM的價(jià)值取決于BIM信息被使用的價(jià)值[2]，作為信息的載體，在建模過(guò)程中，要保證信息不會(huì)冗余和流失，盡可能地保證信息的精確度。

模型的創(chuàng)建是基于BIM平臺(tái)信息管理過(guò)程中最基礎(chǔ)的一個(gè)環(huán)節(jié)，提高模型的精度，在橋梁工程的全生命周期內(nèi)可以得到更有效的控制、優(yōu)化和指導(dǎo)，基于dynamo進(jìn)行快速建模可以很有效的保障這一目標(biāo)。

3 基于BIM和測(cè)量機(jī)器人的橋梁工程測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

隨著相關(guān)軟件和硬件的不斷發(fā)展，工程測(cè)量對(duì)技術(shù)的需求不斷的提高，從而產(chǎn)生了一些新的工藝方法，這些工藝無(wú)論是在技術(shù)手段還是作業(yè)方法上都有了新的突破。在基于BIM平臺(tái)信息管理的模式下，實(shí)現(xiàn)測(cè)量方法、儀器的智能化，建立具有智能化功能的測(cè)量系統(tǒng)，是彌補(bǔ)測(cè)量系統(tǒng)不足，取得高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度和提高分辨率與適應(yīng)性的必然趨勢(shì)。

在結(jié)合橋梁工程實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，將BIM技術(shù)與測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)了“橋梁工程施工智能測(cè)量系統(tǒng)”，解決了工程測(cè)量智能化、信息化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理、發(fā)布，避免了數(shù)據(jù)失真，大幅度提升工程測(cè)量功效，確保了施工質(zhì)量和施工安全。

3.1 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路

自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)由4大功能模塊構(gòu)成：系統(tǒng)綜合管理模塊、橋梁工程BIM數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、施工數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊、以及測(cè)量管理模塊，其運(yùn)行流程如圖2。

圖2 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)

3.2 系統(tǒng)功能描述

3.2.1 系統(tǒng)綜合管理模塊

本模塊為平臺(tái)系統(tǒng)的初始運(yùn)行部分，包含系統(tǒng)平臺(tái)的項(xiàng)目運(yùn)行管理、項(xiàng)目屬性管理、測(cè)量屬性管理、系統(tǒng)設(shè)置等內(nèi)容。

項(xiàng)目運(yùn)行管理包含項(xiàng)目的新建、打開(kāi)、保存、另存、退出等；項(xiàng)目屬性管理包含項(xiàng)目名稱、部位等信息的錄入與瀏覽；測(cè)量屬性管理包含參考橢球設(shè)置、中央子午線設(shè)置、高程投影面設(shè)置等參數(shù)設(shè)置；系統(tǒng)設(shè)置包含系統(tǒng)用戶管理、系統(tǒng)幫助文檔等內(nèi)容。

3.2.2 橋梁工程BIM數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

本模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能為系統(tǒng)平臺(tái)讀取與識(shí)別作為信息載體載入到系統(tǒng)平臺(tái)中的BIM模型，具體為BIM模型的導(dǎo)入、BIM信息維護(hù)、BIM 數(shù)據(jù)識(shí)別、BIM信息編輯與瀏覽等。

3.2.3 施工數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊

本模塊解決了系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算與復(fù)核等方面的問(wèn)題。

其中BIM模型將相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為該模塊的核心功能。

第一步：根據(jù)輸入的橋梁路線信息，運(yùn)用交點(diǎn)法或線元法計(jì)算出線路中心坐標(biāo)與結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)坐標(biāo)；第二步：通過(guò)讀取的BIM模型，提取結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)坐標(biāo)（樁基、承臺(tái)、墩柱中心點(diǎn)坐標(biāo)等）；第三步；運(yùn)用四參數(shù)法及結(jié)構(gòu)物的拓?fù)潢P(guān)系，將BIM模型由相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)系換為施工坐標(biāo)系；第四步：提取BIM模型的結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)坐標(biāo)，基于根據(jù)線路信息計(jì)算出的結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)里程與位置信息進(jìn)行匹配并進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)核。

3.2.4 測(cè)量管理模塊

該模塊的目的是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)測(cè)量放樣的功能以及測(cè)量機(jī)器人掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型比對(duì)的功能。

首先，根據(jù)測(cè)量機(jī)器人的開(kāi)放驅(qū)動(dòng)端口，運(yùn)用編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)與測(cè)量機(jī)器人的通信設(shè)置功能；其次，輸入相應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)信息后，驅(qū)動(dòng)全站儀進(jìn)行設(shè)站，根據(jù)施工環(huán)境自由選擇后視法、后方交會(huì)法等設(shè)站方式。

完成設(shè)站后，即可選擇測(cè)量機(jī)器人的工作方式：放樣、測(cè)量與掃描。放樣坐標(biāo)信息根據(jù)BIM模型進(jìn)行實(shí)時(shí)提取，并最終返回放樣結(jié)果；測(cè)量所得的坐標(biāo)可以實(shí)時(shí)展示在BIM模型表達(dá)窗口。掃描完成后，需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)平臺(tái)中，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息自動(dòng)與BIM模型進(jìn)行嵌套比對(duì)，并實(shí)時(shí)顯示比對(duì)結(jié)果。

最終，所有測(cè)量的成果都可以按一定的格式輸出相應(yīng)的文件，保證測(cè)量工作的可追溯性。

3.3 小結(jié)

本系統(tǒng)利用Visual studio 作為編程工具，它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是能迅速有效地編制程序界面，可以開(kāi)發(fā)出形式靈活，界面友好的多窗口控制程序[5]。并且本系統(tǒng)簡(jiǎn)單易學(xué)，使用方便，規(guī)范了測(cè)量流程，實(shí)現(xiàn)了橋梁工程結(jié)構(gòu)由相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)、三維特征點(diǎn)的快速獲取及自動(dòng)放樣，提高了施工流程的速度并保證了施工數(shù)據(jù)的精確性。

4 徠卡MS60全站型掃描儀的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

BIM在建筑工程中的重要性日趨明顯，將BIM成果快速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)施工的成果是BIM深化應(yīng)用的必然趨勢(shì)[1]，而徠卡MS60全站型掃描儀不僅可以做到測(cè)量可視化，而且其超級(jí)搜索及軌跡預(yù)測(cè)防障礙跟蹤和高精度測(cè)量還提高了施工放樣效率及可靠性，運(yùn)用徠卡MS60全站型掃描儀的三維掃描功能，可以將模型數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場(chǎng)間無(wú)縫銜接，能夠快速完成的現(xiàn)場(chǎng)建筑的精細(xì)掃描,通過(guò)與BIM模型進(jìn)行偏差分析。

4.1 自動(dòng)放樣

徠卡MS60全站型掃描儀的設(shè)站方式與普通全站儀相同，并可以使用外部程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)這一步驟。在與基于BIM的系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行通信識(shí)別后，在軟件中點(diǎn)擊自由設(shè)站和設(shè)計(jì)點(diǎn)放樣并輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)平臺(tái)即可驅(qū)動(dòng)全站儀完成目標(biāo)操作，并在平臺(tái)中顯示結(jié)果。

圖3 自動(dòng)放樣

4.2 點(diǎn)云掃描

徠卡MS60全站型掃描儀的常規(guī)測(cè)角與ATR自動(dòng)測(cè)角的精度為0.5″，掃描速度為1000點(diǎn)/s，掃描精度為最高0.6mm，是業(yè)內(nèi)測(cè)角精度高的全站儀以及掃描產(chǎn)品，并且可以保證點(diǎn)云在同一坐標(biāo)系下。因此，使用MS60掃描功能對(duì)橋梁工程項(xiàng)目進(jìn)行高精度掃描檢測(cè)在精度和作業(yè)效率上都能夠滿足需求。

4.2.1 工藝流程

全站儀設(shè)站→前進(jìn)位置測(cè)量→掃描→LeicaInfinity數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→3DReshape軟件處理→與BIM模型比對(duì)。

4.2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

在MS60全站型掃描儀中新建項(xiàng)目，根據(jù)已知控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站。根據(jù)要掃描范圍，確定單次掃描距離與掃描次數(shù)。進(jìn)入掃描界面，進(jìn)行掃描設(shè)置。創(chuàng)建掃描，根據(jù)需求選擇掃描模式，開(kāi)始掃描。重復(fù)上述步驟直至完成掃描。最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

4.2.3 數(shù)據(jù)處理

①使用Leica Infinity將原始數(shù)據(jù)由.sdb轉(zhuǎn)換為.las格式的文件。

②使用3DReshape軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第一步：將.Las格式的文件導(dǎo)入到軟件中；第二步：將多余掃描的部分進(jìn)行點(diǎn)云清理；第三步：使用反射強(qiáng)度值進(jìn)行刷選點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云去噪的目的；第四步：使用“regular sampling”命令進(jìn)行點(diǎn)云重采樣；最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為pts文件。

4.2.4 與BIM模型比對(duì)

①將處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到橋梁工程施工智能測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)中。

②運(yùn)行平臺(tái)中偏差分析的功能塊，并將結(jié)果保存。

4.3 小結(jié)

測(cè)量工作貫穿整個(gè)橋梁工程的施工全過(guò)程，在橋梁工程建設(shè)中擔(dān)當(dāng)了非常重要的角色。徠卡MS60既有全站儀的功能，能夠使用全站儀方式設(shè)站，保證點(diǎn)云在同一坐標(biāo)系下，同時(shí)它又是高精度的掃描儀，能夠達(dá)到最高0.6mm的掃描精度，外業(yè)數(shù)據(jù)采集精度有保障。

通過(guò)徠卡MS60全站型掃描儀與BIM技術(shù)的融合，既能做到依據(jù)BIM模型去現(xiàn)場(chǎng)放樣橋梁結(jié)構(gòu)物，又能根據(jù)掃描儀實(shí)測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)物模型與橋梁BIM模型進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)橋梁的竣工測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

合理選擇測(cè)繪儀器設(shè)備和測(cè)繪技術(shù)，精準(zhǔn)測(cè)定整個(gè)工程階段控制點(diǎn)，才能保證項(xiàng)目的質(zhì)量[6]。目前，我國(guó)鐵路、公路、市政等橋梁基建正在高速發(fā)展，傳統(tǒng)的工程測(cè)量方法已經(jīng)逐漸難以滿足要求，具有自動(dòng)化、信息化、智能化的橋梁工程測(cè)量智能測(cè)量方法必將成為必然需求?；贐IM技術(shù)和測(cè)量機(jī)器人的橋梁工程智能測(cè)量技術(shù)，必將在方興未艾的橋梁工程建設(shè)中成為一種重要的全新的技術(shù)手段，為橋梁工程建設(shè)發(fā)揮出更大的貢獻(xiàn)。