CN112231815A - 一种基于bim与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统及方法 - Google Patents

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夏松
孙世玉
侯永乐
宋盛林
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Abstract

本发明公开了一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统及方法，具体步骤包括S1、设计并建立BIM设计模型及统一坐标系；S2、获取铁路连续梁的基础数据，得出连续梁中心曲线数据的计算结果；S3、以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，同时获取BIM设计模型信息和施工数据导入统一坐标体系下，进行坐标信息比对，判断比对结果是否符合要求；S4、若坐标信息比对符合要求，在BIM设计模型中提取BIM特征点坐标，利用测量机器人自动化放样施工并反馈施工结果。本发明实现了在实际建造过程中对铁路连续梁施工直接性的虚拟操控与干预。结构稳健、施工准确、可扩展性强，解决了BIM模型与现场施工数据之间信息不匹配以及施工自动化程度低等问题。

Description

一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统 及方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程施工自动化测量技术领域，特别涉及一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统及方法。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，高铁建设也呈现出极高的增长态势。与此同时，面对如高铁连续梁这样规模大、工时长、施工要求高的施工项目，传统施工行业也面临着施工规划仍然大量依靠人力、施工数据无法互相适配、施工流程无法实现自动化等问题。BIM技术通过计算机让设计施工人员直观地确切的了解建筑物的准确坐标、外部形态、内部构造以及所需用料等信息。
现有技术的不足之处在于，传统3DBIM技术数据互通性、适配性差，导致联合其他技术的能力有限，并且在实现展示诸如施工建造这样的动态过程上有着其固有的局限性。
发明内容
本发明的目的克服现有技术存在的不足，为实现以上目的，采用一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，具体包括以下步骤：
S1、设计并建立BIM设计模型及统一坐标系；
S2、获取铁路连续梁的基础数据，得出连续梁中心曲线数据的计算结果；
S3、以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，同时获取BIM设计模型信息和施工数据导入统一坐标体系下，进行坐标信息比对，判断比对结果是否符合要求；
S4、若坐标信息比对符合要求，在BIM设计模型中提取BIM特征点坐标，利用测量机器人自动化放样施工并反馈施工结果。
通过采用上述的技术方案，通过运用BIM与测量机器人集成应用原理，设计并建立BIM设计模型及统一坐标系。在统一坐标体系中，以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，将铁路连续梁施工信息有机耦合于BIM模型。驱动测量机器人实现自动化施工测量，最终实现铁路连续梁施工测量工作的自动化。
作为本发明的进一步的方案：所述步骤S2的连续梁中心曲线数据包括不同的里程坐标、逐桩坐标、逐墩坐标。
通过采用上述的技术方案，根据不同的里程坐标、逐桩坐标、逐墩坐标，选择不同的中心曲线数据数据计算算法。
作为本发明的进一步的方案：所述步骤S2获取铁路连续梁的基础数据，得出连续梁中心曲线数据的计算结果的具体方法包括：
S21、根据桥梁工程图纸获取交点信息及桥梁工程的线型要素；
S22、再采用交点法或线元法计算连续梁中心曲线数据结果，同时根据桥梁工程图纸提供的断链信息进行里程修正，以及对连续梁桩基坐标复核。
通过采用上述的技术方案，根据桥梁工程图纸获取数据信息，并采用合适的计算算法交点法或线元法计算连续梁中心曲线数据结果，同时对断链信息进行里程修正，以及连续梁桩基坐标复核，能够使得数据更加准确。
作为本发明的进一步的方案：所述交点信息及线型要素包括交点桩号、交点坐标、转角值、直缓点、缓圆点、曲中点、圆缓点、缓直点、逐桩里程、任一点里程。
通过采用上述的技术方案，通过输入不同的交点信息及线型要素，进而进行连续梁的数据计算、修正以及复核。
作为本发明的进一步的方案：所述步骤S3以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，同时获取BIM设计模型信息和施工数据导入统一坐标体系下，进行坐标信息比对，判断比对结果是否符合要求的具体方法包括：
S31、以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，根据BIM设计模型提取模型特征点坐标；
S32、读取测量机器人和激光扫描仪的采集实际施工数据坐标，并与获取的点云数据结合，在BIM模型中生成点云，将实际施工数据坐标与模型特征点坐标进行坐标信息比对判断，同时生成电子表格；
S33、若比对差值结果不符合要求，则重新建立BIM设计模型。
通过采用上述的技术方案，在连续梁中心曲线数据的计算结果为基础上，通过BIM设计模型提取模型特征点坐标，并根据实际施工数据进行信息比对判断，判断是否重新建立BIM设计模型，或者驱动测量机器人进行桥梁工程放样施工。
作为本发明的进一步的方案：所述模型特征点坐标包括桩基中心、承台中心及四角点、墩柱中心的平面位置坐标。
通过采用上述的技术方案，提取和计算桩基中心、承台中心及四角点、墩柱中心的平面位置坐标作为坐标信息比对的基础。
作为本发明的进一步的方案：所述步骤S4若坐标信息比对符合要求，在BIM设计模型中提取BIM特征点坐标，利用测量机器人自动化放样施工并反馈施工结果的具体步骤包括：
S41、若坐标信息比对符合要求，设计使用编程代码获取BIM特征点坐标；
S42，利用测量机器人接收BIM特征点坐标，驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差；
S43，生成成果点云反馈给BIM设计模型，同时生成电子报表用于成果验收。
通过采用上述的技术方案，当坐标信息比对符合误差要求时，设计使用编程代码得到BIM特征点坐标，进而以此驱动测量机器人放样施工，同时生成成果点云反馈给BIM设计模型以及生成电子报表用于成果验收。
一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统，包括：
数据采集模块，用于读取采集坐标信息数据；
系统数据库，用于存储桥梁工程信息数据；
BIM模型建立模块，用于建立BIM设计模型，提取模型特征点坐标；
测量放样模块，用于接收BIM特征点坐标，驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差。
通过采用上述的技术方案，设置不同测量系统功能模块，用于分工完成不同桥梁工程信息数据采集，模型设计，以及自动化施工过程的功能。
作为本发明的进一步的方案：所述系统数据库包括BIM设计模型数据库、实时施工数据库以及其他信息数据库。
通过采用上述的技术方案，建立用存储各类不同桥梁工程的信息的数据库，以便于系统对各类数据的调度使用。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过建立BIM设计模型，并且提取BIM模型特征点坐标，获取实际施工数据坐标，在建立的统一坐标系中，将BIM模型数据与施工数据进行耦合，进行坐标信息比对。提取BIM特征点数据发送至测量机器人，驱动设备自动化施工并反馈施工结果回系统。同时进行成果检核，将施工结果反馈回系统并导出计算数据至电子报表。使得施工部门具备了对铁路连续梁施工进行统筹驱动的能力。实现了在实际建造过程中，对铁路连续梁施工直接性的虚拟操控与干预。结构稳健、施工准确、可扩展性强，解决了模型与施工数据之间不匹配导致的自动化程度底等问题。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1为本发明公开的桥梁工程施工自动化测量方法的方法流程图；
图2为本发明公开的桥梁工程施工自动化测量方法的工作流程框图；
图3为本发明公开的连续梁桩基坐标复核计算的结果图；
图4为本发明公开的桩基中心坐标对比表；
图5为本发明公开的承台四角坐标对比表。
图中：1、数据采集模块；2、系统数据库；3、BIM模型建立模块；4、测量放样模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1和图2，本发明实施例中，一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，具体包括以下步骤：
S1、设计并建立BIM设计模型及统一坐标系；
首先通过建筑信息模型BIM建立桥梁的BIM设计模型。建立数据库，该数据库包含各类表格，如多类别明细表、体量明细表、零件明细表、桩基坐标计算表、承台坐标计算表，以及建立统一坐标系GIS平台。其中，BIM设计模型的坐标系为相对坐标系，通过系统转换成统一坐标系的施工坐标系。
S2、获取铁路连续梁的基础数据，得出连续梁中心曲线数据的计算结果的的具体方法包括：
根据桥梁工程图纸获取交点信息及桥梁工程的线型要素；
再采用交点法或线元法计算连续梁中心曲线数据结果，同时根据桥梁工程图纸提供的断链信息进行里程修正，以及对连续梁桩基坐标复核。
其中，所述连续梁中心曲线数据包括不同的里程坐标、逐桩坐标、逐墩坐标。所述交点信息及线型要素包括交点桩号、交点坐标、转角值、交点JD、转点ZD、直缓点ZH、缓圆点HY、曲中点QZ、圆缓点YH、缓直点HZ、逐桩里程、任一点里程。
具体实施方式是根据图纸提供的交点信息及桥梁工程的线型要素，选择交点法或者线元法进行计算桥梁中心曲线数据，如不同里程坐标、逐桩坐标、逐墩坐标等。根据桥梁工程图纸提供的断链信息进行里程修正。其中根据交点里程和线型要素，利用里程推算公式计算连续梁中心曲线数据并进行核验。
其中，里程推算公式：
ZH里程＝JD里程-T
HY里程＝ZH里程+l0
QZ里程＝ZH里程+L/2-l0
YH里程＝QZ里程+L/2-l0
HZ里程＝YH里程+l0
其中，交点JD、转点ZD、直缓点ZH、缓圆点HY、曲中点QZ、圆缓点YH、缓直点HZ、切线长T、曲线总长l0、圆曲线长度L。
具体实施方式的根据图纸提供的交点信息或桥梁工程的线型要素，当纸提供的交点信息完整时，则利用交点法求解每一条直线的起算坐标，每一条曲线的起算里程、结束里程以及“ZH”、“HY”、“QZ”、“YZ”、“HZ”等信息。当交点信息不完整时，线型要素较为完整，则利用线元法求解。
请参考图3，图示为连续梁桩基坐标复核计算得出的结果图，根据逐桩坐标计算表计算得出连续梁桩基坐标以及结果图。
S3、以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，同时获取BIM设计模型信息和施工数据导入统一坐标体系下，进行坐标信息比对，判断比对结果是否符合要求的具体方法包括：
以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，根据BIM设计模型提取模型特征点坐标；
读取测量机器人和激光扫描仪的采集实际施工数据坐标，并与获取的点云数据结合，在BIM模型中生成点云，将实际施工数据坐标与模型特征点坐标进行坐标信息比对判断，同时生成电子表格；其中，测量机器人等设备还可以具体使用莱卡MS60。
若比对差值结果的误差不符合要求，则进行重新建立BIM设计模型，再次重新提取模型特征点坐标并进行比对，直至误差符合要求。
其中，所述模型特征点坐标包括桩基中心、承台中心及四角点、墩柱中心的平面位置坐标，具体还包括梁体中心轴线及端头等特征数据的平面位置坐标。
请参考图4和图5，图示为模型特征点坐标的坐标信息比对表。
S4、若坐标信息比对符合要求，在BIM设计模型中提取BIM特征点坐标，利用测量机器人自动化放样施工并反馈施工结果具体步骤包括：
若两者坐标信息比对，其误差符合要求，则根据此设计使用编程代码从而获取BIM特征点坐标，同时利用测量机器人接收误差符合的BIM特征点坐标，并驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差结果，生成成果点云反馈给BIM设计模型，同时生成电子报表用于成果验收。
具体实施方式的实时反馈放样偏差结果，生成成果点云反馈给BIM设计模型，同时生成电子报表用于成果验收的具体方法包括：
在进行施工放样后，进一步的进行坐标采集，坐标采集包括：通过扫描生成点云数据，通过单次无棱镜或反光贴模式进行测量，通过倾斜棱镜模式测量，并将测量结果输出电子报表。其中关于生成成果点云数据还包括将点云数据与BIM设计模型数据进行嵌套，进而以达到竣工测量、沉降监测的目的。
在一些公开的实施例中，具体工作步骤如下：
首先进行BIM设计建模及系统数据库建立；
以连续梁中心曲线基础数据计算结果作为基础，其中包括直缓点、缓圆点、曲中点、圆缓点、缓直点、逐桩里程、任一点里程等进行自动计算。
其中关于里程推算包括ZH里程、HY里程、QZ里程、YH里程、HZ里程。
进一步的利用交点法自动计算连续梁中心曲线数据、线元法自动计算连续梁中心曲线数据、以及连续梁中心曲线的断链数据的自动校正，并且得出连续梁桩基坐标复核自动计算结果及结果图。
此时，将BIM设计模型信息及施工数据导入统一坐标体系下，BIM设计模型与施工数据耦合以及基础数据计算。在统一坐标下的坐标信息比对，并对比对结果进行判断，若两组坐标信息不符合误差要求，则重新循环建模。若坐标符合误差要求，则提取BIM设计模型的特征点坐标数据。并通过点击BIM设计模型中各桩基中心坐标数据发送至测量机器人，驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差结果回系统。
最后进行成果检核，施工结果反馈回系统并导出计算数据至电子报表中。
一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统，包括数据采集模块1、系统数据库2、BIM模型建立模块3以及测量机器人4。
数据采集模块1，用于读取采集桥梁工程中，勘测数据、设计数据以及施工数据等信息数据；
系统数据库2，用于存储桥梁工程信息数据；其中，所述系统数据库包括用于存储设计数据信息的BIM设计模型数据库、用于存储施工数据的实时施工数据库以及用于存储其他属性数据的其他信息数据库。
BIM模型建立模块3，用于建立BIM设计模型，并且用于提取模型特征点坐标与已知实际施工数据的控制点导入统一坐标系中；
测量放样模块4，用于接收误差符合的BIM特征点坐标，并以此驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差。
以下为本发明公开的一些实施例的工作原理及工作过程：
首先通过BIM设计模型生成dae格式数据表并进行读取，从模型特征点中提取桩基中心、承台中心及四角点、墩柱中心的平面位置坐标。
同时利用测量机器人的采集实际施工数据坐标，或与点云数据结合读取激光扫描仪的采集数据。将项目参数的控制点，以及线路信息与模型特征点坐标导入统一坐标系中，进行坐标信息比对。判断两组坐标是否符合，若不符合则重新建立BIM设计模型。
若符合要求，则从BIM设计模型提取桩基中心、承台中心及四角点、墩柱中心的平面位置坐标。发送给测量机器人，并驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差结果，生成电子报表用于核验。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，其特征在于，包括：
S1、设计并建立BIM设计模型及统一坐标系；
S2、获取铁路连续梁的基础数据，得出连续梁中心曲线数据的计算结果；
S3、以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，同时获取BIM设计模型信息和施工数据导入统一坐标体系下，进行坐标信息比对，判断比对结果是否符合要求；
S4、若坐标信息比对符合要求，在BIM设计模型中提取BIM特征点坐标，利用测量机器人自动化放样施工并反馈施工结果。
2.根据权利要求1所述一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，其特征在于，所述步骤S2的连续梁中心曲线数据包括不同的里程坐标、逐桩坐标、逐墩坐标。
3.根据权利要求1和2所述一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，其特征在于，所述步骤S2获取铁路连续梁的基础数据，得出连续梁中心曲线数据的计算结果的具体方法包括：
S21、根据桥梁工程图纸获取交点信息及桥梁工程的线型要素；
S22、再采用交点法或线元法计算连续梁中心曲线数据结果，同时根据桥梁工程图纸提供的断链信息进行里程修正，以及对连续梁桩基坐标复核。
4.根据权利要求2所述一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，其特征在于，所述交点信息及线型要素包括交点桩号、交点坐标、转角值、直缓点、缓圆点、曲中点、圆缓点、缓直点、逐桩里程、任一点里程。
5.根据权利要求1所述一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，其特征在于，所述步骤S3以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，同时获取BIM设计模型信息和施工数据导入统一坐标体系下，进行坐标信息比对，判断比对结果是否符合要求的具体方法包括：
S31、以连续梁中心曲线数据的计算结果为基础，根据BIM设计模型提取模型特征点坐标；
S32、读取测量机器人和激光扫描仪的采集实际施工数据坐标，并与获取的点云数据结合，在BIM模型中生成点云，将实际施工数据坐标与模型特征点坐标进行坐标信息比对判断，同时生成电子表格；
S33、若比对差值结果不符合要求，则重新建立BIM设计模型。
6.根据权利要求5所述一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，其特征在于，所述模型特征点坐标包括桩基中心、承台中心及四角点、墩柱中心的平面位置坐标。
7.根据权利要求1和6所述一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量方法，其特征在于，所述步骤S4若坐标信息比对符合要求，在BIM设计模型中提取BIM特征点坐标，利用测量机器人自动化放样施工并反馈施工结果的具体步骤包括：
S41、若坐标信息比对符合要求，设计使用编程代码获取BIM特征点坐标；
S42，利用测量机器人接收BIM特征点坐标，驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差；
S43，生成成果点云反馈给BIM设计模型，同时生成电子报表用于成果验收。
8.一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统，其特征在于，包括
数据采集模块，用于读取采集坐标信息数据；
系统数据库，用于存储桥梁工程信息数据；
BIM模型建立模块，用于建立BIM设计模型，提取模型特征点坐标；
测量放样模块，用于接收BIM特征点坐标，驱动测量机器人自动化施工放样，并实时反馈放样偏差。
9.根据权利要求8所述一种基于BIM与测量机器人的桥梁工程施工自动化测量系统，其特征在于，所述系统数据库包括BIM设计模型数据库、实时施工数据库以及其他信息数据库。
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