在以往的异形建筑施工过程中, 技术交底的形式主要是以文件或查看BIM模型的形式进行, 由于异形建筑的独特性、复杂性, 该类形式的技术交底效果并不理想;且异形建筑的测量放线、结构施工以及后期实测实量带来的难度更大, 仅靠建立BIM模型无法对异形建筑进行全过程的质量控制。

作为施工总承包企业, 需提出一套能够在异形建筑项目中有显著效果的解决方案:既能够让BIM技术参与完善设计图纸、辅助增强施工技术交底效率, 也可以在施工过程中将BIM结合施工现场, 解决施工后的实测实量、检查纠偏问题。

在景德镇御窑博物馆项目中, 利用Hololens全息眼镜、三维放样机器人以及三维激光扫描仪3个设备, 整合出一套质量控制全过程的解决方案。

景德镇御窑博物馆项目位于江西省景德镇市珠山区, 御窑厂遗址周边。项目由博物馆主体、历史街区修缮、市政道路改造等多个部分组成, 其中博物馆工期为1年, 总工期为3年。项目整体概况如图1所示。

御窑博物馆 (见图2) 主体由著名建筑师朱锫设计, 取用窑的拱形元素, 通过8个体量、高度、朝向、双曲率等均不同的单体拱体组合、聚集而成, 地下局部2层, 双曲面拱体结构从地下1层升起, 最高点到地上9m, 整个结构体系半藏于地下。拱体主体采用混凝土, 外部采用砌筑窑砖幕墙, 内部采用干挂窑砖幕墙, 且窑砖幕墙均需满足结构的双曲面效果。

1) 双曲面异形结构难点鉴于双曲面异形结构的特殊性, 为保证双曲面异形结构精准度, 设计团队在平面上每隔0.5m做剖面, 8个拱体分别出具了600余张拱体剖面图, 要求施工方精准地完成本项目的测量放线工作, 而且由于双曲面异形结构的特殊性, 结构主体模架体系、实测实量工作均无类似的施工经验进行借鉴, 传统工作模式下测量和质量工程师的工作方法难以完成本项工作。

2) 解决方案针对双曲面异形结构独特的施工要求, 项目部根据工程施工流程节点, 将Hololens全息眼镜、三维放样机器人及三维激光扫描仪分别运用于施工的前期模型交底、中期施工控制、后期实测实量阶段。BIM+智能设备的应用逻辑如图3所示。

在模型技术方面, 单一的Revit模型已经无法满足一个异形建筑项目BIM应用的需求, 因此项目部针对不同应用配备了不同软件。

1) 结构主要利用设计方提供的犀牛模型, 通过3Dmax和Sketchup软件的互导, 得到dwg格式文件, 再导入Revit中建立双曲面拱体模型, 结合机电模型, 在Revit中进行碰撞综合, 修改得到结构深化模型。

2) 机电由于本项目结构异形, 机电管线在拱体和弧形幕墙龙骨间的安装是难点, 项目部机电工程师基于Revit的MEP板块, 结合二次开发插件, 进行了机电专业的深化工作, 建立了包含支吊架在内的LOD350深化模型用以指导施工。

3) 窑砖幕墙节点结合景德镇御窑特点, 全球首创了干挂窑砖幕墙体系, 其依附于结构的多曲率龙骨和干挂工艺均难以用二维设计进行深化工作, 项目部联合幕墙专业公司采用犀牛模型和Revit进行了三维节点深化工作, 指导窑砖和幕墙的生产及安装。

4) 滑轨式可调模架体系项目团队的专利技术———现浇多向曲率拱体结构的模架体系, 其研发过程中均在Revit中进行了节点可视化模拟和优化。

在双曲面拱体结构中, 拱体本身、幕墙节点以及机电管线因异形空间制约, 也呈现出双曲效果, 使得传统的BIM交底无法很好地展示施工节点, 因此项目团队借助了Hololens全息眼镜表达以上模型的施工做法。BIM+MR技术应用流程原理如图4所示。

项目团队将深化后的BIM模型, 通过Sketchup插件导入Hololens设备中, 然后佩戴Hololens通过夹取手势操作, 即可将模型呈现在视野里, 并通过手势对其进行尺度、位置及方向的改变, 还可读取构件信息 (各项几何参数及信息备注) 。

1) 协同交底项目部专业工程师利用Hololens, 将重要的施工BIM节点模型导入设备中, 同时通过计算机同屏功能, 将相关技术交底内容结合文件形式交底给在场其他施工分包做详细讲解, 免去了施工分包自行想象异形空间施工做法的困难, 同时Hololens的远程协同功能也让身处异地的设计师与工程师同步看到模型情况, 并通过语音模块参与讨论。

在前期管线综合排布过程中, 项目部通过Hololens的异地协同针对地下1层机电管线排布情况向北京的设计负责人进行展示。

2) 现场交底项目工程师在施工过程中, 通过手势操作, 将拱体模型、幕墙施工节点模型以及机电支吊架模型调整为1∶1, 找到模型与现场的重合交点, 让施工现场与模型重合, 形成身临其境的模型场景, 并发现了多处拱体连接小拱券钢结构模型贴合不密实的问题, 及时反馈给幕墙专业分包进行模型修改。

Hololens是一款全息投影混合现实设备, 当在室外使用时, 如果日光太强, 其佩戴者的呈现效果将模糊不清, 可配合计算机同屏使用, 达到更好的现实混合效果;另外由于目前设备的硬件限制, 对于外部BIM模型的承载力有限, 根据相关技术交底的内容, 需将模型分别分割为多个拱体、多个专业导入设备, 以保证其正常流畅显示。

放样机器人实质上是能够利用BIM模型进行三维空间放样的智能型全站仪, 主要由智能触控手簿、智能全站仪本体、反光棱镜等组成。

Trimble Realworks插件中, 在深化调整后的BIM模型上通过抓取控制点, 生成控制点清单, 同模型一并导入手簿中, 即可遥控操作机器人进行放线测量。

由于放样控制点密集, 首先需要编制项目级的放样基点编号列表, 并确定命名规则。

将双曲面拱体BIM模型天宝T.O.P插件处理完成之后, 将模型导入放样机器人的手簿中, 手簿自动读取三维模型和抓取的放样控制点列表。

在施工现场, 测量工程师使用BIM放样机器人捕捉场地控制点, 便于放样机器人自动建立现场坐标系;然后通过手簿选取BIM模型中所需的放样点, 机器人即发射可见激光射向模型的指定点位, 激光射程在100m以内均能满足精度要求, 因此对于单个拱体的任何部位, 尤其是拱顶、悬空侧窗等人力无法达到或危险系数较高的地方, 都可以进行激光放线和测量工作, 解决了二维模式下难以完成的双曲面拱体结构放线难题。

需要注意的是, 放线机器人的放线和测距功能仍属于光学仪器范畴, 现场的光照、反射以及遮挡均会影响机器人的放线和校核, 因此要提前选择好机器人的支设位置, 避免钢筋、脚手架等遮挡, 清理周边的反射表面 (如水坑) 。

为保证拱体混凝土浇筑的表面效果, 拱体部分使用的是特殊双侧覆膜多层板, 其模板表面反射率较高, 经常会出现激光测距无法反馈数据的情况, 需要不断调整机器人点位, 通过改变反射角避免发生该情况。

项目部在使用过程中不断总结放样机器人在该异形结构中的应用情况。总体来说:对比传统放线方式, 基于BIM的智能型放样机器人有直接读取多曲面拱体三维模型信息、自动存储放样及校核报告、自动化程度高等优势, 该设备在项目的结构施工阶段起到了非常重要的作用。

1) 测量精确度提升放线机器人能够导入三维模型, 选取模型任意点进行激光/棱镜放线工作, 对异形构造、复杂机电管线定位十分有价值。

放线机器人相对于普通全站仪, 在放线工作的人为操作环节中减少了自动追踪棱镜环节, 减少了全站仪操作时的振动误差, 手动输入数据的误差、在放线定位调整校对时, 不存在普通全站仪2s的人工误差。

综合计算, 每100m中, 普通全站仪综合误差在1cm左右;放线机器人的误差在5mm之内。

2) 工作效率提升简化放线流程, 通过手持手簿进行全站仪放线及测量的各项工作, 提高人工效率;1d预计测130个点, 相对于普通全站仪平均每天节省2个人工。

目前双曲面拱形结构的实测实量技术在行业内尚无可寻的参考方法与规范, 而三维扫描进行实测实量是一个能全面体现拱体施工质量精度的方法。其流程为:现场踏勘→控制点布设→测站设计→扫描记录→点云拼接→点云预处理→查缺补漏→数据处理→提交成果。

以5号拱为例, 在扫描工作开始之前, 项目部成员先对扫描拱体周围进行了勘察, 确定了拱体周围的遮挡物及内部空间情况, 确定在拱体东西两端、内部及地下部分一共设立7站。然后在拱体内部标高、平面均不同的4处张贴标靶纸, 并利用放样机器人测出每个标靶纸的三维坐标, 作为后期点云与BIM模型拟合的结合点。

为保证扫描的点云模型生成之后能与BIM模型在同一个坐标系内, 而且在拼接多站模型时, 通过标靶球作为公用识别点, 因此在相邻2站间, 不同平面均匀分布了3~4个标靶球, 保证任意测站点至少有3个标靶与其通视。不同平面的标靶球能够在多站进行自动拼接, 为2站之间提供唯一的三维空间坐标信息。

仪器架设好、扫描之前需保证架设站点最大范围地扫描到目标, 避免死角;架设好后需对仪器进行调平, 保证后期点云模型的水平对正, 由于5号拱为较小拱体, 因此扫描模式设置为室内10m。扫描过程持续5~9min, 整个5号拱的扫描工作, 包括搬运、标靶纸张贴、标靶球设定在内, 一共持续3h。

用扫描仪对已完成的双曲面结构进行三维扫描之后, 在Trimble Realworks中将多站点云模型自动进行拼接调整, 然后将得到的完整拱体点云模型与BIM模型叠合, 生成实测实量色块偏差图。该过程在高配的工作站不间断运行情况下持续1d即可完成, 快速全面地得到了实测实量结果, 并出具准确度报告, 极大提高了实测实量的效率。

此类异形结构的测量相关工作中, 三维扫描仪的应用能直接提升效率, 解决了传统实测实量方式无法解决异形结构的难题。

随着BIM技术在建筑行业内的普及, 施工企业的BIM应用重点将逐渐从建模转化为用模。如何更好地承接BIM设计模型, 让模型的信息动态生长, 有针对性地调取施工过程所需的信息, 并通过某些手段辅助实际施工, 这都是以施工总承包为核心业务的企业应探索的课题。