霞光里5号、6号商业金融项目位于北京市三元桥霞光里地块, 该建筑平、立面采用弧形设计。其中平面弧形是由不同圆心、不同半径的圆弧段组成 (见图1a) , 立面弧形是通过框架柱的外倾、内收, 以及楼板悬挑共同形成 (见图1b) 。结构形式采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙结构, 楼板为钢筋混凝土现浇楼板。

1) 施工放线难 弧形结构测量放线一般包括高程放线和平面放线, 其中高程放线与普通结构类似, 当建筑高度不高时, 可以直接采用悬吊钢尺法;对于高度超过200m的超高层建筑, 更常采用全站仪天顶测距法进行高程测量放线。这2种方法不仅技术成熟, 而且效率较高。而弧形结构的平面放线一直是施工难点, 具有内业计算复杂、外业测量作业多、耗时长的特点。本工程不仅平面为弧形造型, 立面也存在外倾和内收, 同时楼板带有悬挑。多方面因素造成结构板边平面定位和施工非常困难。

2) 施工精度控制难 本工程由于后期双层玻璃幕墙安装需求, 设计单位要求板边实际完成曲线和设计曲线相差不超过25mm。但是弧形结构一般采用“以直代曲”的方式, 存在无法避免的系统误差。此外, 弧形结构施工中还存在测量、支模和混凝土浇筑过程中的模板变形造成的误差。因此, 施工精度控制难。

弧形结构的传统测量放线方法包括拉线画弧法、矢高法或偏角法等。当圆弧半径较小时, 可以直接拉线画弧;当圆弧半径较大时, 需利用测量仪器, 采用矢高法或偏角法进行测量放线。各种方法涉及的计算可以通过人工或计算机辅助获得。人工计算是利用曲线数学方程, 逐个计算出曲线上间隔一定距离的点坐标, 计算复杂且易出错, 实际施工中已经较少采用。现阶段大都使用各种CAD软件直接获取曲线上点位坐标。

测量放线的主要目的是为后续各种工序中所需的定位提供依据。而弧形板的板边平面定位最常用方法是通过将上层未施工楼板板边线的垂直投影线测放到下层施工完毕的楼板表面, 再利用吊线坠法进行模板定位;也有工程采用弧形定型模板, 再通过外控法或内控法对模板端点定位;还有工程采用模板上二次放线, 将轴线重复投测到模板表面, 再根据内业计算得到的弧线板边点与轴线距离, 直接在模板上量取定位 (见图2) ;还有工程直接将混凝土楼板替换为压型钢板楼面板, 通过压型钢板的排布和裁切来控制边线, 减小测量难度。

但是, 上述方法都存在一定的局限性, 体现在以下几方面:

1) 本工程下部几层立面有外倾, 此时上部板边线的垂直投影线超出了下部板边, 如果仍然采用吊线坠法直接量测距离, 误差无法控制, 如图3所示。

2) 本工程每层楼板弧形投影线都不在同一位置, 没有标准层, 采用定型模板效率低, 且不经济。

3) 外控法测量受施工围护结构的遮挡无法采用。

4) 模板二次放线法会造成测量放线工作量成倍增加, 并且在实施过程中需将全站仪架设在模板表面, 现场试验证明由于模板刚度较低, 施工人员走动会造成仪器晃动, 无法保证放线精度。

5) 对于一般工程, 利用多段连续直线拟合弧线, 为达到精度和美观要求, 分段通常较短, 当结构周长较长时, 大量分段带来测量工作量显著增加, 而利用传统全站仪等仪器需要多人协作, 效率较低, 会直接影响工期。

可见, 弧形结构与普通结构相比, 虽然高程测量没有明显差异, 但是平面测量需要更加合理地解决办法。为此, 本文提出采用智能测量机器人系统, 对传统的模板二次放线法进行改进, 实现弧形结构高效、精准的平面测量放线。

采用了Trimble测量机器人系统 (见图4) , 硬件配置包括Trimble机器人全站仪, 专用平板电脑, 软件配置包括Trimble Field Points软件。通过使用该仪器和相关软件, 既可以将虚拟模型放样至施工现场, 也可以对现场结构进行测量形成虚拟模型。

创建放样点→拟合误差分析→机器人全站仪设站→机器人全站仪自动测量放线→支模→复测校核→模板验收。

1) 创建放样点

在实施测量放线之前, 需利用Trimble Field Points插件, 在插件支持的CAD或BIM类软件中创建放样点, 同时标识内控点。该过程操作简单, 类似于在CAD图形中进行标记操作。创建好的模型如图5所示, 然后需将模型导入到Trimble手持平板电脑中。

与传统模板二次放线不同, 改进方法不需要测放轴线, 然后量测板边点与轴线之间的间距, 而是直接按需求将板边弧线分割, 形成放样点。

弧形板边放样点间距应根据弧线曲率半径和施工精度要求确定, 并考虑放线效率。本工程在曲率半径较大处, 放样点间距取1.0m, 曲率半径较小处, 放样点间距取0.5m (见图5) 。

2) 拟合误差分析

弧形板边是通过将板边放样点相继连成直线, 利用多段直线拟合曲线, 即“以直代曲”原理实现的。完成放样点创建后, 需对拟合误差进行分析, 以满足施工要求。

可以利用Auto CAD标注功能进行误差分析, 对于间距相同的放样点, 仅需对曲线半径较小的部位进行误差分析, 因为误差会随曲率半径增大而变小, 如图6所示。

针对本工程, 应对放样点间距为1.0m和0.5m处分别进行误差分析, 分析结果表明最大误差为19mm, 满足设计误差需控制在25mm以内的要求。

3) 机器人全站仪设站

在已经安装好的外框型钢立柱上放置1块钢板垫板, 将机器人全站仪放置在稳定的垫板上, 该方式可以避免将全站仪放置在模板上后易受施工扰动的缺陷。

随后, 采用后方交会法进行机器人全站仪设站。首先, 利用激光垂准仪将首层某个内控点垂直投测到施工层的激光网格靶上, 再将反射棱镜杆垂直置于激光投测点位置。随后, 在Trimble手持平板电脑中的CAD模型中选择相应的内控点, 同时操作机器人全站仪后视反射棱镜方向 (见图7a) 。操作时仅需对准大致方向即可, 全站仪会自动搜索反射棱镜, 并且自动瞄准, 自动完成距离和仪器高度测量。通过后视至少2个内控点, 可以得到机器人全站仪所在点的坐标, 即完成设站。

在操作过程中, 应注意反射棱镜自带的调平气泡处于中心位置, 以保证反射棱镜的垂直度;还应注意机器人全站仪设站位置应能够保证至少通视2个内控点 (见图7b) 。本工程平面为椭圆形状, 为保证通视条件, 每层设站6次。

对比传统全站仪设站流程, 采用机器人全站仪, 极大简化了调平、照准操作, 5min内即可完成一次设站。

4) 机器人全站仪自动测量放线

完成机器人全站仪设站后, 利用平板电脑, 依次点选图5中的弧形板边放样点, 此时, 机器人全站仪将根据点坐标与机器人坐标之间的关系, 自动指向, 通过红色激光点指向模板表面, 利用马克笔在模板表面做好标记, 工人可以根据标记点支设弧形板边侧模。

对比传统全站仪放线, 采用机器人全站仪, 仅需1人即可同时完成平板电脑端操作和模板处标记工作。现场实操表明在操作熟练情况下, 可以平均每分钟完成一次测设, 极大地提高了放线效率。

5) 施工复测

利用测量机器人系统不仅可以实现快速放样, 还可以对已经搭设好的模板进行复测, 形成实际完成模型。将实际完成模型与CAD模型进行对比, 进行误差对比分析, 再对模板进行调整。

经过对浇筑完毕的楼板边线抽测, 发现其误差都小于设计和规范要求。

通过现场实践, 证明将测量机器人系统应用于弧形结构施工, 可以解决传统测量方法中存在的无法放线或放线效率低等问题, 在需要大规模测量放线的工程中优势特别明显。但是, 在测量机器人系统使用过程中, 也发现了一些新问题需要解决:

1) 机器人全站仪对施工人员身穿的反光外套上的反光条较为敏感, 偶尔会出现机器人镜头跟随施工人员走动而转动的现象。

2) 虽然测量机器人系统支持BIM模型格式, 但是在实际应用中, 由于三维模型中的透视效果, 当取点密集时, 会发生放样点在外观上重合现象, 需要频繁旋转视图确认。此外, BIM模型对平板硬件要求较高, 偶尔会发生卡顿现象, 使用效果不如CAD模型。

很明显, 上述问题会随着软件、硬件性能的提升逐步得到解决, 而测量机器人也会在现代施工测量中得到更广泛的应用。