一種快速建模技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)施工中的應(yīng)用研究

李立功，梁懷翔，牛麗娟，仝 銳

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 渭南 714099; 2. 陜西中數(shù)集思測(cè)繪技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054; 3. 中鐵一局集團(tuán) 第四工程有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 前 言

隨著國(guó)力大幅提升，國(guó)內(nèi)的大型建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，而且這些項(xiàng)目一般都具有投資規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、參建單位多、項(xiàng)目能力要求高以及全壽命周期信息量大等特點(diǎn)，建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及工程管理工作極具復(fù)雜性，傳統(tǒng)的信息溝通和管理方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。而B(niǎo)IM技術(shù)通過(guò)三維的共同工作平臺(tái)以及三維的信息傳遞方式，可以為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工一體化提供良好的技術(shù)平臺(tái)和解決思路，為解決建設(shè)工程領(lǐng)域目前存在的協(xié)調(diào)性差、整體性不強(qiáng)等問(wèn)題提供可能。但是BIM技術(shù)各項(xiàng)功能的開(kāi)展是基于工程建筑物的屬性數(shù)據(jù)的，包括場(chǎng)地、材質(zhì)、尺寸等等信息。由此決定了應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)三維展示等功能時(shí)，只能是利用工程建筑物的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬演示，現(xiàn)實(shí)感較差，給施工現(xiàn)場(chǎng)的BIM技術(shù)應(yīng)用在交流展示、技術(shù)交底、方案優(yōu)化以及施工組織設(shè)計(jì)等方面帶來(lái)了較大影響。

近年來(lái), 三維實(shí)景建模技術(shù)發(fā)展迅猛，已成為計(jì)算機(jī)圖形圖像領(lǐng)域、GIS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在地理信息系統(tǒng)、交通、國(guó)土資源、影視等行業(yè)都有著較廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前在三維實(shí)景建模技術(shù)領(lǐng)域較成熟的軟件有smart3D、Geomagic Studio、photoscan等，如果在施工現(xiàn)場(chǎng)使用三維實(shí)景建模技術(shù)進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景的創(chuàng)建，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)的三維展示及技術(shù)交底、施工方案的優(yōu)化等工作，會(huì)有較強(qiáng)的真實(shí)感和代入感，而且在重點(diǎn)工程部位施工時(shí)，利用現(xiàn)場(chǎng)模型也便于進(jìn)行施工組織方案的比選和優(yōu)化，是對(duì)BIM技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段的有效補(bǔ)充。在綜合考慮上述軟件的界面、可擴(kuò)展性、與其他圖形圖像軟件互聯(lián)互通以及綜合性能等方面之后，本文選取photoscan作為實(shí)景建模軟件，進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)三維模型的創(chuàng)建。

1 模型創(chuàng)建

本文的實(shí)景建模研究依托青海省某鐵路項(xiàng)目部管段橋梁部分施工案例來(lái)展開(kāi)，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)在進(jìn)行三維展示、施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底及施工組織方案比選時(shí)，對(duì)模型時(shí)效性的需求，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)植被覆蓋率較低，較空曠的場(chǎng)地條件，本文進(jìn)行模型創(chuàng)建的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用大疆精靈4無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)獲取，以滿(mǎn)足項(xiàng)目施工時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、及時(shí)的需要。模型創(chuàng)建流程如圖1。

圖1 實(shí)景三維模型創(chuàng)建流程

Photoscan的建模原理是：對(duì)建模物體進(jìn)行連續(xù)性的數(shù)據(jù)采集(主要是影像數(shù)據(jù))，然后將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入photoscan軟件，對(duì)齊，根據(jù)相同特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，連接，根據(jù)特征點(diǎn)將采集的像素點(diǎn)在三維空間中，生成格網(wǎng)，重新生成建模物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成三維模型，最后再添加紋理材質(zhì)等信息生成真實(shí)建模物體的三維模型，然后將模型保存成.fbx格式文件，導(dǎo)入3Dmax中，應(yīng)用多邊形編輯功能，修補(bǔ)模型，刪除多余部分，保留主體部分，再進(jìn)行模型檢核工作。模型檢核通過(guò)后，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模型的后續(xù)應(yīng)用[4-7]。

下面結(jié)合該鐵路項(xiàng)目某橋墩現(xiàn)場(chǎng)模型的創(chuàng)建情況進(jìn)行建模流程說(shuō)明，首先使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)影像數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)間不固定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要自行設(shè)計(jì)。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)地物較少，植被覆蓋率不高，通視條件較好，飛行高度設(shè)置為200 m航高，采集數(shù)據(jù)以建模對(duì)象上方高度角60(°)以上，因?yàn)楦叨冉沁^(guò)低會(huì)影響軟件中模型創(chuàng)建的形狀及精度，產(chǎn)生較大的畸變，為了減小這些誤差，盡可能保證采集數(shù)據(jù)為正攝影像數(shù)據(jù)。本案例的數(shù)據(jù)采集總量結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的施工情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)取舍，考慮到模型生成的效率，本次采集影像數(shù)量為12張。

數(shù)據(jù)采集完成后，導(dǎo)入photoscan進(jìn)行影像匹配、連接，生成現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)云模型及DEM模型，與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行模型檢核，查看重點(diǎn)部位、關(guān)鍵部位施工情況，以及點(diǎn)云拼接效果，有無(wú)扭曲等等。在建立模型正確的基礎(chǔ)上，結(jié)合創(chuàng)建模型，進(jìn)行施工情況展示、技術(shù)交底、方案優(yōu)化等現(xiàn)場(chǎng)施工工作，現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建模型如圖2。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)三維模型

2 模型應(yīng)用分析

BIM技術(shù)的理念是：倡導(dǎo)在工程的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)、管理的整個(gè)生命周期里，都使用建筑物的同一數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑物信相關(guān)信息的共享及傳遞，以幫助設(shè)計(jì)人員、工程技術(shù)人員、管理使用人員等都能對(duì)建筑物的各種相關(guān)信息進(jìn)行正確理解和應(yīng)用，因此在提升效率，控制成本，工藝、施工方案優(yōu)化及材料管理等方面有著極大的優(yōu)勢(shì)。

BIM技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用無(wú)論是成本、管理的控制，還是工藝、施工方案的優(yōu)化，使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，或者是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整過(guò)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)建造數(shù)據(jù)，BIM并不“知情”。這樣必然造成一個(gè)問(wèn)題，無(wú)法及時(shí)、真正地反映工程建筑物現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，只能按照模型創(chuàng)建時(shí)的不同部分進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬，或者按照我們的進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行展示，但是它的最小環(huán)節(jié)永遠(yuǎn)是工程的一個(gè)完整組成部分，不呈現(xiàn)建造過(guò)程的三維數(shù)據(jù)，而且真實(shí)性差，只能通過(guò)虛擬演示。對(duì)于應(yīng)用BIM建模軟件創(chuàng)建的整個(gè)工程的模型而言，在進(jìn)行三維展示時(shí)，數(shù)據(jù)量又過(guò)于龐大，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)方案優(yōu)化、技術(shù)交底等工作，勢(shì)必會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電腦硬件的需求，而且會(huì)影響時(shí)效性。

因此，本文結(jié)合該鐵路工程橋梁施工的案例，對(duì)基于photoscan的快速建模技術(shù)和施工現(xiàn)場(chǎng)的需求進(jìn)行融合，探索一種能及時(shí)準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)施工情況，指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)的一種方法。并結(jié)合上面創(chuàng)建的橋墩承臺(tái)的模型進(jìn)行了一些精度分析，作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的一些依據(jù)，具體如下。

該橋墩承臺(tái)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體設(shè)計(jì)，地面為邊長(zhǎng)14米的正方形，高度為3 m，使用無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)完成模型創(chuàng)建后，為便于后面的分析，按照?qǐng)D3以逆時(shí)針進(jìn)行承臺(tái)角點(diǎn)點(diǎn)號(hào)命名，來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

針對(duì)施工單位以及監(jiān)理單位對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)工程構(gòu)筑物的尺寸及高度等直觀信息比較關(guān)注的實(shí)際，以承臺(tái)底部邊長(zhǎng)為研究對(duì)象進(jìn)行創(chuàng)建模型的精度分析，結(jié)合圖3的點(diǎn)號(hào)設(shè)置，將模型中承臺(tái)的各邊長(zhǎng)度進(jìn)行量取，考慮到軟件中，承臺(tái)角點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確拾取，以及軟件中長(zhǎng)度測(cè)量值的保留位數(shù)，每條邊長(zhǎng)量取5次取平均，平均值保留至0.001 m，以與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值精度相當(dāng)，便于對(duì)比分析，并將其填入表1中。

圖3 BIM模型及后期渲染場(chǎng)地

表1 現(xiàn)場(chǎng)施工模型中承臺(tái)邊長(zhǎng)尺寸 m

將模型中量取的承臺(tái)底部各邊邊長(zhǎng)進(jìn)行平均，并將其與施工現(xiàn)場(chǎng)承臺(tái)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，具體結(jié)果如表2，兩者的對(duì)比分析圖如圖4。

表2 現(xiàn)場(chǎng)施工模型承臺(tái)尺寸與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)尺寸

1 A-B; 2 B-C; 3 C-D; 4 D-A

通過(guò)表2和圖4的分析，我們可以得出施工現(xiàn)場(chǎng)模型中承臺(tái)底面的邊長(zhǎng)測(cè)量值與實(shí)際承臺(tái)的實(shí)測(cè)值差別較小，在±5 cm以?xún)?nèi)，完全能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)在施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底、施工組織設(shè)計(jì)及三維展示等方面的要求，可以使用基于photoscan的快速建模技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模型的即時(shí)創(chuàng)建，并進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。對(duì)模型精度進(jìn)一步思考，其精度應(yīng)該優(yōu)于±5 cm，因?yàn)檫@個(gè)誤差中還包含了在模型中量取邊長(zhǎng)時(shí)，鼠標(biāo)所選位置的不同給量取結(jié)果帶來(lái)的影響，以及在施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際邊長(zhǎng)時(shí)帶來(lái)的量取誤差的影響等。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合青海省某鐵路項(xiàng)目橋梁施工的具體案例，進(jìn)行了基于photoscan快速建模技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景的即時(shí)創(chuàng)建，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工模型在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用精度進(jìn)行了一些研究分析，發(fā)現(xiàn)在施工現(xiàn)場(chǎng)，基于photoscan的快速建模技術(shù)完全可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工人員在模型方面對(duì)于施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底、施工組織設(shè)計(jì)及三維展示的需求。使用快速建模技術(shù)進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)模型的創(chuàng)建在反映現(xiàn)場(chǎng)施工建造情況的同時(shí)，能夠以較高的精度完成，同時(shí)兼顧現(xiàn)場(chǎng)對(duì)效率的需求，而且數(shù)據(jù)獲取采用無(wú)人機(jī)采集的方式，數(shù)據(jù)獲取速度快，效率高，方便快捷。在BIM駐場(chǎng)服務(wù)階段，快速建模技術(shù)的運(yùn)用，較好的填補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)施工企業(yè)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)模型即時(shí)性的需求，為BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，推動(dòng)BIM技術(shù)向更多的施工企業(yè)應(yīng)用等方面，起到了較好的推動(dòng)作用。

但是在現(xiàn)場(chǎng)模型的應(yīng)用方面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求及BIM應(yīng)用分析的價(jià)值點(diǎn)進(jìn)行思考，現(xiàn)場(chǎng)快速建模技術(shù)還應(yīng)在以下3個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

1)使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集的照片數(shù)量對(duì)模型精度及分辨率的影響，如何使用較少的數(shù)據(jù)獲得質(zhì)量較高的三維模型。

2)照片像素的高低對(duì)模型精細(xì)程度的影響，如何量化，有什么規(guī)律。

3)快速建模技術(shù)在其他類(lèi)型的線路工程中如何應(yīng)用，如地鐵、隧道等。

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