馬勇軍 李鵬堯 單 雨 尹紫紅

(1.中鐵十二局集團電氣化工程有限公司 天津 300308； 2.西南交通大學 成都 610031)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是當下的熱門話題，它以三維數(shù)字技術為基礎，可對工程項目相關信息進行詳盡表達[1]，目前已應用通用BIM軟件Revit來進行綜合管道支吊架布設設計。

在設計階段，盡管Revit軟件具有強大的篩選圖元、隱藏圖元的功能[2]，但由于支吊架布設具有很高的隨機性，因此在已建好的管網模型中布設支吊架仍是一個費時費力的工序。在現(xiàn)場施工階段，由于管道數(shù)量大、分布廣、種類繁多，支吊架布設顯得尤為繁瑣，存在人工作業(yè)重復性多、工作效率低、作業(yè)成本高、精度控制低、錯誤率高、安全隱患大、作業(yè)環(huán)境差等缺點[3]。

本文以成都地鐵5號線機電安裝工程為背景，從設計和施工2個階段對支吊架的自動布設進行研究探討。在設計階段，該布設系統(tǒng)運用其基于Revit軟件開發(fā)的自動布設程序初步確定支吊架布設位置。并將初期布設位置進行受力分析并對各專業(yè)管道進行碰撞檢查，經改進得出優(yōu)化方案。在施工階段，其能通過激光掃描技術對管道模型進行掃描采集數(shù)據，形成一個基于BIM的隧道實況立體模型。并將現(xiàn)場掃描模型與在Revit中所建模型進行整合統(tǒng)一,確定支吊架在現(xiàn)場布設的具體位置。運用TCA自動全站儀對支吊架安裝部位進行現(xiàn)場定位放樣，實現(xiàn)支吊架的自動布設。

1 支吊架自動布設程序

1.1 支吊架布設平臺開發(fā)

本系統(tǒng)以Revit為平臺，利用Visual C++進行二次開發(fā)生成支吊架輔助布置程序。在Revit程序中建立接口進行對接，將BIM三維機電模型導入支吊架輔助布置系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動識別管道模型并根據支吊架布置原則對支吊架進行定位布置[4]。其中，支吊架布設流程見圖1。

圖1 程序框架圖

1.2 支吊架布設模擬

以Revit為平臺，Visual C++作為開發(fā)工具，在程序中建立不同類型支吊架模型數(shù)據庫。對管道先進行功能分類及管道受力分析。接后程序進行自動計算并形成布設方案，并自動預布設。程序對管道和支吊架同時進行碰撞檢查[4]。

1.3 布設方案優(yōu)化

在對管道和支吊架進行碰撞檢查后，程序將自動分析支吊架受力情況及管道在受力后的變形以對支吊架布置方案進行優(yōu)化。

在智能布置支吊架后進行受力檢查時，發(fā)現(xiàn)風管受力變形較大，有發(fā)生向下垂直位移的趨勢，需對支吊架方案進行優(yōu)化。對管道受力變形較大的位置進行增加支吊架布設，在該部位已有支吊架上增加分支強化固定。經上述優(yōu)化設計后，再次運行碰撞檢查，此時支吊架受力達到最優(yōu)。

2 點云數(shù)據采集

2.1 數(shù)據采集原理

三維激光掃描儀從被測物體中提取的數(shù)據包括:①各點位的水平方向偏角和豎直方向偏角;②各點位與儀器之間的距離;③各點位的反射強度.其中水平方向偏角和豎直方向偏角是由連續(xù)轉動的反射棱鏡角度值計算而得;各點位到儀器之間的距離是由激光束的傳播時間計算而得。根據各個點位的距離信息和角度信息確定它們的三維坐標,根據反射強度對各個點位進行顏色匹配[5]。假設一個點位P，其空間關系如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀定位原理

其中:α為激光束的水平方向角，θ為激光速的豎直方向角，S為P點位到儀器的斜距。P點位的坐標計算方法為

x=Scosθsinα

y=Scosθcosα

z=Ssinα

2.2 掃描儀系統(tǒng)硬件的空間布局

將激光發(fā)射器發(fā)射口對準帶標志點的兩正交平板，將相機置于光源的任意一側進行點云捕捉，基于正交平板對線激光的往返時間進行數(shù)據統(tǒng)計。將激光發(fā)射器和相機位置擺設好后，將相機拍攝方向聚焦在轉臺旋轉中心與轉臺邊緣的中心，此時激光掃描軸線與相機拍攝軸線的夾角大致為45°；激光發(fā)射器的發(fā)射下限為50°，上限為80°，轉臺式掃描儀系統(tǒng)硬件的空間布局見圖3[6]。

圖3 掃描儀系統(tǒng)空間布局圖

2.3 現(xiàn)場三維掃描成像

在施工現(xiàn)場，通過對現(xiàn)場結構進行全方位三維掃描還原隧道在支吊架布設前的原始狀況，準確反映隧道偏差值。本項目采用萊卡超高速三維激光掃描儀P20。其掃描流程為：將掃描儀架設在最適掃描位置，將標靶架設在控制點上進行掃描，每一站必須至少掃描2個標靶。

2.4 建立三維點云

利用三維掃描儀對現(xiàn)場結構進行全方位掃描后，從不同方位上獲取點云并進行點云匹配；鎖定點云重疊區(qū)域通過特定算法將綜合管道各方向上的點云數(shù)據進行匹配拼接，整合數(shù)據，獲得完整的綜合管道點云[7]。利用Cyclone軟件的GEGISTER模塊可全自動完成站點拼接工作。其效果圖見圖4。

圖4 自動拼接點云

三維激光掃描儀自動通過點云庫調出綜合管道各個點的三維坐標信息，與系統(tǒng)固定空間直角坐標系相匹配后得到現(xiàn)場結構基于該坐標系的參數(shù)化立體模型。其效果圖見圖5。

圖5 三維掃描效果圖

2.5 數(shù)據整合分析

為保證支吊架布設滿足設計標準，將點云形成的三維模型與Revit所設計的模型數(shù)據統(tǒng)一格式進行對比分析，將存在信息出入的數(shù)據根據現(xiàn)場情況進行修改調整，得出最終的支吊架布設方案。

3 支吊架現(xiàn)場點位布設

在完成綜合管道支吊架布設最終方案后，利用定位裝置對TCA自動全站儀支吊架的布置進行現(xiàn)場放樣，通過對支吊架鉆孔的放樣來標記支吊架安裝的水平位置和垂直位置。

TCA自動全站儀是多維一體的三維坐標測量儀器，其主要功能包括電子角度測量、電子距離測量、計算機綜合計算和數(shù)據儲存。

3.1 點位布設原理

TCA自動全站儀主要以及坐標原理為基礎對測量功能進行設計開發(fā)。在實際操作過程中,全站儀一般安置在一個右手空間坐標系下,該坐標系以測試點Q作為原點,Z軸方向指向鉛錘方向,X軸,Y軸共同組成水平面[8]。最后根據極坐標定位原理獲取三維坐標，坐標計算如下

x=Scosβcoα

y=Scosβsinα

式中:S為斜距；α，β分別為水平角、垂直角;R為地球曲率半徑值；k為大氣折光系數(shù)。

3.2 點位放樣

施工現(xiàn)場進行作業(yè)時，在事先規(guī)定的控制點固定TCA全站儀，用電子氣泡整平儀器。隨后進行測站定向工作：

1) 在儀器中輸入儀器固定控制點點號GPS1，確認后輸入全站儀高度；接著輸入后視控制點點號GPS2，最后輸入后視控制點棱鏡的高度。

2) 將望遠鏡瞄準后視點棱鏡位置，然后進行測量確認。

3) 定向起算邊長的檢核：采用TCA全站儀的放樣功能，放樣測站后視點GPS2，核實檢查測點數(shù)據誤差是否在規(guī)定范圍內。

4) 在TCA全站儀里輸入放樣點點號，全站儀將自動顯示放樣點與測站點的方向和距離偏差。

5) 將水平度盤旋轉到放樣點方向，并鎖定水平度盤，使用望遠鏡粗瞄。

6) 立尺員自行調整360°棱鏡，立樁并利用RCS遙控系統(tǒng)進行自助放樣。確定支吊架鉆孔的空間位置和具體走向。

4 自動走行定位

在對支吊架布設點位進行現(xiàn)場放樣后，需要根據這些現(xiàn)場點位的實際情況確定一條合理的走行線路來進行點位鉆孔。

4.1 傳感器捕捉點位

為使全自動鉆孔機準確定位在運用TCA自動全站儀放樣而得到的支吊架布設點位，施工人員在鉆孔機前方布置了5組超聲波傳感器，分別朝向鉆孔機的北、西、東、西北和東北方。首先，鎖定1個控制口發(fā)射1個不小于10 μs高頻信號，模塊會緊接著發(fā)送6個60 kHz左右的超聲波；MSP430F149單片機開始進入待接收信號狀態(tài)，由這5組超聲波傳感器發(fā)送的各個支吊架布設點位的超聲波信號返回后會直接存入單片機。

4.2 走行路線分析

由超聲波傳感器捕捉到的每一個點信號傳入MSP430F149單片機，單片機便會輸出1個持續(xù)的電頻信號，該電頻信號的持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，亦即該點位相對于全自動鉆孔機走行起點的距離。當對所有支吊架點位距離和方位角分析結束后，MSP430F149單片機可利用其PC端協(xié)同分析出鉆孔機最適走行線路。

4.3 走行驅動

在MSP430F149單片機完成路徑規(guī)劃后，全自動鉆孔機便可依照規(guī)劃路徑逐一到達支吊架布設指定點位。該鉆孔機采用QZ-DCC9010直流電機控制走行方向；驅動方面，全自動鉆孔機采用DCC8005電機驅動器。

該鉆孔機的動力底盤由MSP430F149單片機的ECU接收超聲波傳感器返回信號將速度信息傳送給驅動器，驅動器帶動步進電機給鉆孔機提供前進動力，由電機控制油門從而控制鉆孔機的運行速度，在油門開度達到恒定的同時，該鉆孔機的運行速度達到恒定[8]。其油門控制流程見圖6。

圖6 油門控制流程圖

4.4 定點鉆孔

全自動鉆孔機通過識別超聲波信號自動走行到支吊架布設點位后，其鉆桿通過機械拉伸和變幅將帶有活門的鉆頭對準指定的鉆孔點位。該鉆孔機利用動力扭轉裝置給鉆桿提供一定的扭矩使鉆桿產生高速旋轉，使鉆頭產生該高程上的圓孔；動力裝置提供動力，使鉆孔深度直至指定孔深。

5 結語

1) 以Revit軟件為平臺，Visual C++為開發(fā)工具，進行二次開發(fā)，添加管道支吊架輔助布置程序，建立接口對接，形成了1個基于BIM的支吊架布設程序，在設計階段，該程序可以保存所有構件的基本信息并形成數(shù)據庫，輔助設計人員快

速、便捷、高效地對支吊架進行受力分析并確定支吊架布設位置。

2) 將上述程序與現(xiàn)場施工所運用的三維掃描技術、TCA自動放樣技術及走形定位技術相結合，形成一個基于BIM的支吊架自動布設系統(tǒng)，可解決當下人工布置支吊架中存在的支吊架分布廣、數(shù)量大、種類繁多、人工作業(yè)重復性多、工作效率低、作業(yè)成本高、精度控制低、錯誤率高、安全隱患大、作業(yè)環(huán)境差等問題。

[1] 許炳,朱海龍.我國建筑業(yè)BIM應用現(xiàn)狀及影響機理研究[J].建筑經濟,2015,36(3):10-14.

[2] 薛忠華,謝步瀛.Revit API在空間網格結構參數(shù)化建模中的應用[J].計算機輔助工程,2013,22 (1):58-63.

[3] 張利,李巖,魏韜.石化管道應力分析及支吊架設計綜述[J].化工設計通訊,2009,35(1):36-39,41.

[4] 劉濟凡,熊峰.基于BIM的管道支吊架輔助布置系統(tǒng)[J].土木建筑工程信息技術,2015(1):30-36.

[5] 張會霞,陳宜金,劉國波.基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究[J].測繪工程,2010,19(1):32-34,38.

[6] 李龍.三維激光掃描儀測控技術及回波信號處理方法的研究[D].西安：西北工業(yè)大學,2004.

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