建筑技术丨测量打印放线机器人在异形曲面装饰空间的应用

1 工程概况

结合本工程多曲面、多专业交叉作业的施工特点，技术团队经过深入探讨与研究，经过在项目砌筑、装饰装修、机电安装阶段的应用，解决设备末端在多曲面连续弧形中放线定位困难的问题，避免了传统人工作业带来的作业误差，放线打印结果数字化管理。

机器人结合红外线水平仪，不仅提高放线定位精度，提升工程质量，还实现异形曲面装饰空间施工自动化、数字化，智能放线定位，提升工程质量，实现快速高效建设。

2 异形曲面装饰空间特点

本工程室内造型独特，异形曲面装饰空间因其独特的几何形态，给保证装饰装修末端点位测量定位的精准度带来较大挑战。

其难点在于，超大异形曲面装饰空间的曲率在不同位置变化剧烈，这对点位的精确定位和排列美观性提出了较高的要求。

曲面的非线性使得传统的测量方法难以适应，定位准确度难以把控，无法满足高质量建设的施工需求。异形曲面装饰空间涉及多维度的变化，增加了测量定位的复杂度。

3 异形曲面装饰空间定位解决方案

利用放线打印机器人取代传统测量定位作业方式，由放线打印机器人根据模型生成末端点位定位图纸，现场完成特定区域地面放线打印点位工作。使用红外水平仪将地面打印点位垂直投射至异形曲面，配合人工标记完成异形曲面装饰面的空间定位。

异形曲面装饰空间模型内提取末端点位三维点位信息，建立末端点位坐标映射关系网。改变传统测量定位方式，将三维模型内的点位数据输入放线打印机器人，在指定平面区域进行精准点位打印。使用红外线水平仪，将地面打印点位投射到异形曲面，配合人工标记实现坐标点位毫米级精准转换。

创新性地采用将放线打印机器人与人工操作结合的工作方式，降低异形曲面放线定位的难度，节省人工，大幅提高放线效率。

4 作业环境与精度验证

设备在投入施工现场使用前，对特殊作业环境和设备精度方面进行验证。为模拟施工作业环境，选择夜间黑灯模式和寒冷环境测试机器人自动作业情况。

在室外黑灯条件下，机器人运行演示程序工作约10 min后，逐一确认放线点位的打印情况后，关闭机器人系统（机器人本体、平板电脑、全站仪）。将其置于室外（约–2 ℃）30 min后，重新启动机器人系统继续工作，逐一确认剩余放线点位的打印情况。经测试所有打印点位正确清晰。

在精度测试方面，使用全站仪GTS–102N和GT1201型号设备进行测量放线，打印机器人打印点位精度测试。测量方法如下。

（1）在原点处使用三脚架架设全站仪，确认全站仪中心与原点重合。

（2）在目标点（5 m点，20 m点，45 m点，75 m点）处使用三脚架架设棱镜，光学确认棱镜中心与目标点重合。

（3）测量全站仪和目标点间的水平距离（平距）。

通过上述测试，2台全站仪测量出的数据均显示日立放线打印机器人的最大误差为1 mm。

5 异形曲面装饰空间智能定位技术

5.1 CAD图纸转化

针对工程的弧形空间特点，在异形曲面装饰空间吊顶装饰装修设备末端点位进行定位施工时，应用测量放线打印机器人与全站仪、棱镜和红外水平仪协同完成测量放线打印工作，解决设备末端在多曲面连续弧形中放线定位困难的问题。

首层装饰装修阶段的弧形点位放线定位中，由于吊顶、桥面、幕墙均为弧形设计，将弧形点位平面图纸拆分为4个区域。将CAD图纸中需打印的点位信息分类按不同图层整理，输出成机器人设备可读取的专用图纸DXF格式，并在图纸中指定与施工现场相对应的测量基准线和基准点。

5.2 测量放线打印机器人地面作业

图纸数据输入机器人设备后，现场架立棱镜与全站仪设备，通过平板电脑操作设定参数，在棱镜识别基准线后，机器设备自动将图纸与现场坐标建立映射关系，系统自主规划机器人行走路线，精准导航定位计算出最优路径。

机器人移动到指定点位后，在地面120 mm×120 mm范围内，打印位置信息（十字交叉点）和设备末端文字标识。机器人每次移动前主动确认位置，累积误差为零。全站仪工作距离为50 m，因此测量放线打印机器人可工作范围为100 m²，机器设备可自动运行5 h，机器人设备打印功效经计算约90 s/点位（行走、测量、打印）。

现场测量放线打印机器人运行中，主动避让现场堆放器材及物料，自动识别不具备打印作业条件的区域，自主规划新的运行路线或自动避让。同时，系统自带的自主检测功能，对局部未打印成果点位进行逐一记录，通过平板电脑显示的作业报告，实施补打作业。

为保证地面打印信息清晰可见，需提前对测量放线打印区域进行场地清扫工作，保持地面干燥，并保证地面不超过20 mm的错台高低差。

5.3　测量放线打印机器人异形曲面装饰空间定位作业

首层装饰吊顶末端点位放线定位时，将机器人设备在地面打印的吊顶末端点位信息反馈至吊顶上。通过红外线水平仪，将打印成型的十字点位垂直投影到吊顶上，人工将投影点位在吊顶相应位置逐一标记。

5.4 智能定位实施情况

施工现场工况复杂，测量放线打印机器人自动避开障碍物完成弧形空间曲面智能放线定位工作。受障碍物的影响未打印的点位，通过平板电脑显示的作业报告，实施补打。最终4个区域计划打印636个点位，其中605个点位完成打印（其中50个点位补打），22个点位因设计变更取消，其余5个点位因地面安装轻钢龙骨门框，不具备打印作业条件，未打印成功，经复核，放线准确率达到100 %。

6 结论

放线打印机器人在中关村论坛永久会址主会场施工现场的应用，解决了特定环境下连续作业、设备精度符合现场使用需求、复杂工况下可自动避让逃脱后继续作业、机电管线和二次结构放线定位功效高、解决弧形装饰点位放线定位困难等问题。这款智能设备在节约人工成本的同时，也探索到智能设备的数据记录与BIM技术相结合的方式，提高了施工管理效率。通过机器人系统实现施工自动化和数字化的工作模式，给传统放线打印工作提供了一个可借鉴的设备应用经验。