基于BIM技术和测量机器人的桥梁工程测量方法研究

朱善美 （中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

当今市场环境中，建筑行业正朝着信息化、标准化、国际化的方向发展[1]，一些传统思维已无法顺应建筑行业快速发展的需求。在这样激烈的市场竞争中，企业能否为社会提供质量高、工期短、造价低的产品，成为制约建筑施工企业成败的关键因素。而BIM技术是建设行业的一项重大革新技术，基于BIM技术的工程项目信息化必将作为提高建筑行业效率和利润的有效途径之一[2]。

目前，国内桥梁施工测量大多还是采用传统的模式，外业工作投入大量的人力、物力和时间；并且由于建筑结构空间的复杂性，以及外在环境的影响，无法保证细部测量的精度质量，因此常规的测量仪器已经逐渐无法满足需求。随着现代科技的发展，高新测绘技术的不断提高，测量机器人在工程施工中的应用逐步发展，基于测量机器人开发的测量系统可以实现数据自动采集、传输、处理、发布，避免数据失真，并将设计的成果高效快速地反映到施工现场，为现场施工做出更加直观准确的指导，实现大幅度提升工程测量功效、确保施工质量和施工安全的目的。

1 研究思路

图1 测量方法图

随着国内建筑行业的发展，基于BIM技术的信息化管理模式已经成为行业的趋势。但在工程施工上的应用是国内BIM的薄弱环节，症结点在于如何将三维模型数据与施工现场结合起来[3]。本文结合BIM与测量机器人的技术特点，提出了一种基于BIM技术和测量机器人的桥梁工程智能测量方法，并在沪蓉铁路上跨江淮运河特大桥中成功应用。其研究思路如图1所示。

2 桥梁BIM模型快速建模

从“十一五”开始，我国政府就开始大力支持建筑信息化发展，如今BIM理念正逐步为我国建筑行业知晓[4]。BIM具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等特点[2]。BIM技术可以应用于桥梁工程项目的决策、设计、施工、运营等全生命周期内。

综合分析BIM模型的建模方法后，形成了利用Revit软件强大的插件开放接口，并结合Dynamo等插件的一种桥梁快速建模方法，改变了传统的建模思路，提高了建模效率。

2.1 根据相对位置统计构件信息

在项目施工过程中，各构件的坐标计算容易发生一些不易复核的错误，造成工程成本的增加，因此在建模的过程中，根据图纸提供的相对位置关系以及参数信息，计算相对的坐标，并按照各构件的里程信息分别建立构件信息库。

2.2 基于Dynamo进行项目拼装

第一步，创建构件的族文件，选择适当的族样板文件，根据构件信息库选取出各构件的变化参数，建立参数化构件族。

第二步，将参数化族导入到新建的项目文件中，并使用Dynamo插件进行编写程序。

使用Dynamo编程的语句，首先对构件信息库进行编辑，将所需要驱动参数化族的数据提取出来做好准备。分别创建对应的构件编码块，按照信息库中相对坐标的位置在Revit中布置相应的参数化族。

第三步，根据工程的图纸信息中提供的相对关系，在Revit显示区域进行各构件位置间的二次复核。

基于dynamo进行项目拼装，不仅可以避免传统建模思路中单个构件调整的耗时繁琐，还可以不断的根据相对关系互相复核提高模型精准度。

2.3 小结

BIM的价值取决于BIM信息被使用的价值[2]，作为信息的载体，在建模过程中，要保证信息不会冗余和流失，尽可能地保证信息的精确度。

模型的创建是基于BIM平台信息管理过程中最基础的一个环节，提高模型的精度，在桥梁工程的全生命周期内可以得到更有效的控制、优化和指导，基于dynamo进行快速建模可以很有效的保障这一目标。

3 基于BIM和测量机器人的桥梁工程测量系统开发

随着相关软件和硬件的不断发展，工程测量对技术的需求不断的提高，从而产生了一些新的工艺方法，这些工艺无论是在技术手段还是作业方法上都有了新的突破。在基于BIM平台信息管理的模式下，实现测量方法、仪器的智能化，建立具有智能化功能的测量系统，是弥补测量系统不足，取得高稳定性、高可靠性、高精度和提高分辨率与适应性的必然趋势。

在结合桥梁工程实际需求的基础上，将BIM技术与测量机器人进行有机结合，开发了“桥梁工程施工智能测量系统”，解决了工程测量智能化、信息化，实现数据自动采集、传输、处理、发布，避免了数据失真，大幅度提升工程测量功效，确保了施工质量和施工安全。

3.1 自动化测量系统开发思路

自动化测量系统由4大功能模块构成：系统综合管理模块、桥梁工程BIM数据库管理模块、施工数据运算模块、以及测量管理模块，其运行流程如图2。

图2 自动化测量系统

3.2 系统功能描述

3.2.1 系统综合管理模块

本模块为平台系统的初始运行部分，包含系统平台的项目运行管理、项目属性管理、测量属性管理、系统设置等内容。

项目运行管理包含项目的新建、打开、保存、另存、退出等；项目属性管理包含项目名称、部位等信息的录入与浏览；测量属性管理包含参考椭球设置、中央子午线设置、高程投影面设置等参数设置；系统设置包含系统用户管理、系统帮助文档等内容。

3.2.2 桥梁工程BIM数据库管理模块

本模块需要实现的功能为系统平台读取与识别作为信息载体载入到系统平台中的BIM模型，具体为BIM模型的导入、BIM信息维护、BIM 数据识别、BIM信息编辑与浏览等。

3.2.3 施工数据运算模块

本模块解决了系统平台的测量数据输入、计算与复核等方面的问题。

其中BIM模型将相对坐标转换为施工坐标系的坐标转换为该模块的核心功能。

第一步：根据输入的桥梁路线信息，运用交点法或线元法计算出线路中心坐标与结构物特征点坐标；第二步：通过读取的BIM模型，提取结构物特征点坐标（桩基、承台、墩柱中心点坐标等）；第三步；运用四参数法及结构物的拓扑关系，将BIM模型由相对坐标转系换为施工坐标系；第四步：提取BIM模型的结构物特征点坐标，基于根据线路信息计算出的结构物特征点坐标，根据里程与位置信息进行匹配并进行数据复核。

3.2.4 测量管理模块

该模块的目的是实现驱动测量机器人自动测量放样的功能以及测量机器人扫描所得点云数据与BIM模型比对的功能。

首先，根据测量机器人的开放驱动端口，运用编程语言，实现与测量机器人的通信设置功能；其次，输入相应的控制点坐标信息后，驱动全站仪进行设站，根据施工环境自由选择后视法、后方交会法等设站方式。

完成设站后，即可选择测量机器人的工作方式：放样、测量与扫描。放样坐标信息根据BIM模型进行实时提取，并最终返回放样结果；测量所得的坐标可以实时展示在BIM模型表达窗口。扫描完成后，需将点云数据进行处理，处理完成后的数据导入到系统平台中，根据点云数据的坐标信息自动与BIM模型进行嵌套比对，并实时显示比对结果。

最终，所有测量的成果都可以按一定的格式输出相应的文件，保证测量工作的可追溯性。

3.3 小结

本系统利用Visual studio 作为编程工具，它的一个很大的优点就是能迅速有效地编制程序界面，可以开发出形式灵活，界面友好的多窗口控制程序[5]。并且本系统简单易学，使用方便，规范了测量流程，实现了桥梁工程结构由相对坐标转换为施工坐标、三维特征点的快速获取及自动放样，提高了施工流程的速度并保证了施工数据的精确性。

4 徕卡MS60全站型扫描仪的应用开发

BIM在建筑工程中的重要性日趋明显，将BIM成果快速准确地转化为现场施工的成果是BIM深化应用的必然趋势[1]，而徕卡MS60全站型扫描仪不仅可以做到测量可视化，而且其超级搜索及轨迹预测防障碍跟踪和高精度测量还提高了施工放样效率及可靠性，运用徕卡MS60全站型扫描仪的三维扫描功能，可以将模型数据与施工现场间无缝衔接，能够快速完成的现场建筑的精细扫描,通过与BIM模型进行偏差分析。

4.1 自动放样

徕卡MS60全站型扫描仪的设站方式与普通全站仪相同，并可以使用外部程序进行驱动这一步骤。在与基于BIM的系统平台进行通信识别后，在软件中点击自由设站和设计点放样并输入相关数据后，系统平台即可驱动全站仪完成目标操作，并在平台中显示结果。

图3 自动放样

4.2 点云扫描

徕卡MS60全站型扫描仪的常规测角与ATR自动测角的精度为0.5″，扫描速度为1000点/s，扫描精度为最高0.6mm，是业内测角精度高的全站仪以及扫描产品，并且可以保证点云在同一坐标系下。因此，使用MS60扫描功能对桥梁工程项目进行高精度扫描检测在精度和作业效率上都能够满足需求。

4.2.1 工艺流程

全站仪设站→前进位置测量→扫描→LeicaInfinity数据转换→3DReshape软件处理→与BIM模型比对。

4.2.2 现场测量

在MS60全站型扫描仪中新建项目，根据已知控制点进行设站。根据要扫描范围，确定单次扫描距离与扫描次数。进入扫描界面，进行扫描设置。创建扫描，根据需求选择扫描模式，开始扫描。重复上述步骤直至完成扫描。最后将数据导出。

4.2.3 数据处理

①使用Leica Infinity将原始数据由.sdb转换为.las格式的文件。

②使用3DReshape软件进行数据处理。第一步：将.Las格式的文件导入到软件中；第二步：将多余扫描的部分进行点云清理；第三步：使用反射强度值进行刷选点云数据，实现点云去噪的目的；第四步：使用“regular sampling”命令进行点云重采样；最后将点云数据导出为pts文件。

4.2.4 与BIM模型比对

①将处理完成的点云数据导入到桥梁工程施工智能测量系统平台中。

②运行平台中偏差分析的功能块，并将结果保存。

4.3 小结

测量工作贯穿整个桥梁工程的施工全过程，在桥梁工程建设中担当了非常重要的角色。徕卡MS60既有全站仪的功能，能够使用全站仪方式设站，保证点云在同一坐标系下，同时它又是高精度的扫描仪，能够达到最高0.6mm的扫描精度，外业数据采集精度有保障。

通过徕卡MS60全站型扫描仪与BIM技术的融合，既能做到依据BIM模型去现场放样桥梁结构物，又能根据扫描仪实测的点云数据重构桥梁结构物模型与桥梁BIM模型进行对比，实现桥梁的竣工测量。

5 结语

合理选择测绘仪器设备和测绘技术，精准测定整个工程阶段控制点，才能保证项目的质量[6]。目前，我国铁路、公路、市政等桥梁基建正在高速发展，传统的工程测量方法已经逐渐难以满足要求，具有自动化、信息化、智能化的桥梁工程测量智能测量方法必将成为必然需求。基于BIM技术和测量机器人的桥梁工程智能测量技术，必将在方兴未艾的桥梁工程建设中成为一种重要的全新的技术手段，为桥梁工程建设发挥出更大的贡献。