BIM+無(wú)人機(jī)創(chuàng)新技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

文/李亮 中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100000

李曉萌 中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110000

曾誠(chéng) 長(zhǎng)江大學(xué) 湖北荊州 434000

1、緒論

1.1 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)背景

隨著近年來(lái)建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑方案的設(shè)計(jì)和造型變得越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)CAD 等二維軟件由于圖紙表現(xiàn)不足，尤其節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)不足對(duì)實(shí)際施工造成諸多影響，從而使得建筑信息模型BIM 技術(shù)得到了實(shí)足的發(fā)展，而以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)從而實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多技術(shù)上的應(yīng)用的拓展更是許多大型建筑企業(yè)增強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的有力的手段。隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)自動(dòng)航空攝影隨著與云技術(shù)的結(jié)合發(fā)展而越來(lái)越成熟，無(wú)人機(jī)將成為建筑行業(yè)中功能強(qiáng)大的BIM 工具之一。

1.2 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)意義

如果只是從空間模型信息化的角度來(lái)看，無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用與BIM 技術(shù)確實(shí)有許多相通之處，它們的「作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)」都是基于三維坐標(biāo)系統(tǒng)的。前者作為硬件產(chǎn)品，充當(dāng)著空中載具的角色，配合成熟的飛行控制技術(shù)，「協(xié)助」高清攝像頭或激光雷達(dá)從而高效獲取到真實(shí)環(huán)境的空間數(shù)據(jù)，再通過(guò)算法校正和處理，最終得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)或三維模型，代表的是實(shí)景模型技術(shù)。后者作為建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具，設(shè)計(jì)師們可以通過(guò)軟件把自己大腦里的創(chuàng)意以三維模型的形式重現(xiàn)出來(lái)，再往模型里添加大量的設(shè)計(jì)參數(shù)和項(xiàng)目相關(guān)信息，來(lái)模擬建筑空間所具備的真實(shí)信息，代表的是數(shù)字模型技術(shù)。

2、BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)助力EPC 前期策劃

2.1 傾斜攝影在BIM 技術(shù)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

作為工程應(yīng)用的重要示例技術(shù)，在我們的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用中，BIM 技術(shù)仍然發(fā)揮著其重要作用。而以實(shí)景三維全紋理全要素特性快速發(fā)展的傾斜攝影技術(shù)搭配建筑業(yè)BIM 技術(shù)，又將給建筑行業(yè)整體帶來(lái)思路的轉(zhuǎn)變，并且不僅僅在于降低成本以及提高效率。在國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域中這幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)比較前衛(wèi)的高新技術(shù)——傾斜攝影技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)顛覆了以往的正射影像局限，只能從垂直角度拍攝，而是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上或同一飛行器上搭載多臺(tái)高清傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度來(lái)采集我們所需要的影像，所呈現(xiàn)的效果將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。

使用傾斜攝影技術(shù)，可以同時(shí)獲得同一個(gè)位置上多個(gè)不同角度的、并且具有較高分辨率的影像，采集豐富的地物側(cè)面紋理及其對(duì)應(yīng)的位置信息?；谶@項(xiàng)技術(shù)的GIS 實(shí)景三維模型可以服務(wù)于我們智慧城市的建設(shè)，同時(shí)，在規(guī)劃、國(guó)土、水利、旅游等領(lǐng)域的應(yīng)用也具有重大意義，前景廣闊。

2.2 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

基于詳盡的航測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像預(yù)處理、區(qū)域聯(lián)合平差、多視影響匹配等一系列操作，批量建立高質(zhì)量、高精度的三維GIS 模型。相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)的反映地物的實(shí)際情況，極大的彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。

通過(guò)無(wú)人機(jī)航空傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反應(yīng)地物情況，而且還通過(guò)采用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級(jí)的用戶體驗(yàn)，極大地?cái)U(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，并使遙感影像的行業(yè)應(yīng)用更加深入。

以傾斜攝影獲取工程建設(shè)地表環(huán)境信息，構(gòu)建真實(shí)高精度的地理環(huán)境情況，生成實(shí)景三維底圖，再通過(guò)BIM 技術(shù)構(gòu)建工程建設(shè)精細(xì)的工程建筑，包括地表施工情況，建設(shè)附屬設(shè)施布置，物料的堆積管理，工程建筑的詳細(xì)建設(shè)進(jìn)度等。

2.3 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)在施工前期應(yīng)用

在項(xiàng)目投標(biāo)階段以及施工之前，施工企業(yè)技術(shù)人員會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，場(chǎng)地周辺條件以及土方地質(zhì)條件，來(lái)做出更加適合的技術(shù)方案，在傳統(tǒng)過(guò)程中，通過(guò)相機(jī)拍攝照片的形式對(duì)項(xiàng)目的了解不夠深入和立體，對(duì)方案的設(shè)計(jì)以及后期可行性產(chǎn)生一定的偏頗。

而利用新的無(wú)人機(jī)創(chuàng)新技術(shù)，項(xiàng)目技術(shù)人員通過(guò)遙控?zé)o人機(jī)對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體掃描，能夠得到整體現(xiàn)場(chǎng)航拍情況，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘會(huì)極大的降低人工成本、提高勘查效率以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，不僅可以在電腦上瀏覽最真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況，也可以直接將BIM 模型與實(shí)景模型進(jìn)行匹配使用，實(shí)現(xiàn)最真實(shí)的布置現(xiàn)場(chǎng)臨建、規(guī)劃施工路線，減少施工組織錯(cuò)誤。同時(shí)采集項(xiàng)目現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，由于每張照片都帶有拍攝時(shí)的經(jīng)緯度、海拔高度、拍攝姿態(tài)（角度）等POS 信息，因此將照片導(dǎo)入專業(yè)的軟件中進(jìn)行實(shí)景建模，就可以形成施工場(chǎng)地原始地貌模型，形成三維點(diǎn)云模型，與BIM 模型制成的完成面模型進(jìn)行比對(duì)，可以較為直觀的得到土方開挖及回填工程量，并為項(xiàng)目其他專業(yè)深化設(shè)計(jì)及施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，減少施工過(guò)程可能存在的返工情況。優(yōu)化后的平衡方案由于減少了運(yùn)輸距離和倒運(yùn)方量，從而大量減少了機(jī)械對(duì)對(duì)環(huán)境的污染；同時(shí)，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)也大大提高了對(duì)場(chǎng)地的測(cè)量工作，是傳統(tǒng)測(cè)量功效的15 倍。在施工總平面布置方面，利用前期航拍的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖，可以更好的對(duì)場(chǎng)地條件以及臨建臨水臨電等等布置進(jìn)行模擬，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)整體部署有更好的規(guī)劃。

3、BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)在施工過(guò)程及結(jié)算中的應(yīng)用

3.1 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用

實(shí)際項(xiàng)目施工過(guò)程中總是成本和工期無(wú)法控制在事前的計(jì)劃預(yù)測(cè)上，這些原因與項(xiàng)目全場(chǎng)地范圍的階段信息孤立管理有關(guān)，一塊場(chǎng)地在工程實(shí)施過(guò)程中前后變化之間關(guān)系會(huì)對(duì)工程內(nèi)在的影響，其變化基本無(wú)從追溯。也許可以從一些有經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目管理人員口頭了解原來(lái)的樣子，但這種信息都是不確定的，是無(wú)法用來(lái)追溯項(xiàng)目所發(fā)生的前因后果，所以場(chǎng)地航拍階段性信息追溯意義重大。

大多數(shù)的建筑工程都是一些長(zhǎng)耗時(shí)且復(fù)雜程度高的項(xiàng)目，作為工程師，往往需要每天親臨現(xiàn)場(chǎng)，檢查是否存在紕漏。利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)環(huán)繞拍攝處于施工階段的建筑項(xiàng)目，再通過(guò)相關(guān)軟件應(yīng)用生成三維網(wǎng)格模型，對(duì)畫面進(jìn)行數(shù)字化處理，利用虛擬圖像補(bǔ)充還未完成的部分，構(gòu)建出項(xiàng)目竣工后的整體面貌。用戶可以通過(guò)平板電腦等便攜式移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)狀況，幫助自己檢查項(xiàng)目施工過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤或問(wèn)題。另外針對(duì)相對(duì)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)以及高層特種作業(yè)人員施工操作，利用無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)置無(wú)人機(jī)拍攝航線及固定拍攝點(diǎn)，獲得每個(gè)時(shí)段現(xiàn)場(chǎng)人、材、機(jī)布置情況及形象進(jìn)度，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)總平面管理。

無(wú)人機(jī)場(chǎng)地航拍還可以利用其高精度檢查已完成結(jié)構(gòu)物的尺寸偏差，航拍提供的信息可以讓管理者了解前后工序及環(huán)境的變化，可以為工期、成本和安全控制提供更好的決策依據(jù)。無(wú)人機(jī)拍攝影像與BIM 施工模擬進(jìn)行對(duì)比分析，助力項(xiàng)目實(shí)時(shí)掌控和調(diào)整施工部署，并最終獲得整個(gè)項(xiàng)目的建造影像資料，提高了工作效率，幫助項(xiàng)目部推進(jìn)工期、避免返工，無(wú)人機(jī)創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用可以較為準(zhǔn)確地推敲項(xiàng)目流水劃分和推進(jìn)計(jì)劃，提前預(yù)測(cè)變更的可能性和需要的條件。借助無(wú)人機(jī)的低成本與高機(jī)動(dòng)性，大大提高信息采集與監(jiān)測(cè)空間自由度，實(shí)現(xiàn)不同距離、高度、角度對(duì)建設(shè)目標(biāo)與空間的信息捕獲，為行業(yè)的多維度信息化數(shù)字化施工提供了新思路。

3.2 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)在施工技術(shù)中應(yīng)用

在施工階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管控的需要，隨著場(chǎng)地的施工變化，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍影像，可以有效地指導(dǎo)場(chǎng)地調(diào)度安排工作。比如隨著場(chǎng)地變動(dòng)，臨時(shí)地面安全防護(hù)、排水、緊急逃生路線等方案探索，在無(wú)人機(jī)航拍影像結(jié)合BIM 模型，統(tǒng)籌策劃更加有的放矢。實(shí)現(xiàn)三維技術(shù)交底和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在相應(yīng)結(jié)構(gòu)部位的植入，并以在手機(jī)終端應(yīng)用為目標(biāo)，可以使得無(wú)人機(jī)創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)楣ば蛸|(zhì)量管控、操作標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范施工行為提供幫助，更好地服務(wù)于施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控。

借助于Navisworks 軟件我們可以對(duì)施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行模擬，了解各個(gè)構(gòu)件及部位完成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)及流水施工情況，配合無(wú)人機(jī)監(jiān)控，可以有效對(duì)各個(gè)工種的人數(shù)以及不同專業(yè)施工進(jìn)度進(jìn)行有效預(yù)判，及時(shí)將不利于完成施工節(jié)點(diǎn)要素進(jìn)行排除。在不同施工階段，結(jié)合場(chǎng)地模型，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、器具的倒運(yùn)進(jìn)行模擬，避免二次倒運(yùn)，對(duì)大型設(shè)備運(yùn)行空間分析，對(duì)材料堆放點(diǎn)進(jìn)行布置，合理安排人員和物資，做到人員設(shè)備材料的充分利用。利用BIM+無(wú)人機(jī)創(chuàng)新技術(shù)為各參建單位和各專業(yè)的協(xié)同工作創(chuàng)造條件，直觀體現(xiàn)每一施工階段，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地布置的位置與空間的使用情況，通過(guò)三維施工圖進(jìn)行交底管理，核對(duì)不同專業(yè)之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，保證施工順利進(jìn)行，提高工程一次通過(guò)率，避免設(shè)計(jì)變更和相應(yīng)的施工返工，節(jié)約工程時(shí)間促進(jìn)工期開展。結(jié)合施工組織方案，加入時(shí)間節(jié)點(diǎn)建立四維 BIM施工進(jìn)度模型，對(duì)各個(gè)階段施工方案和計(jì)劃進(jìn)行模擬，系統(tǒng)地確認(rèn)方案的可行性，對(duì)比竣工進(jìn)度時(shí)間，把握項(xiàng)目進(jìn)度管理。

3.3 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)在施工資料中應(yīng)用

檔案館歸檔時(shí)也需要提交施工過(guò)程中影像資料以備留存，針對(duì)施工面狹長(zhǎng)以及無(wú)法很好捕捉施工過(guò)程中影像的項(xiàng)目，無(wú)人機(jī)就起到了較大的作用，利用其自身高度優(yōu)勢(shì)能夠捕捉范圍比較廣的施工作業(yè)面，對(duì)某一時(shí)刻工程進(jìn)度以及施工單位與業(yè)主報(bào)批進(jìn)度款等都有密切聯(lián)系。過(guò)程中進(jìn)行匯報(bào)時(shí)可以直接利用實(shí)景模型進(jìn)行匯報(bào)，最真實(shí)的將現(xiàn)場(chǎng)狀況呈現(xiàn)，并將實(shí)景模型中得到的工程量進(jìn)行呈報(bào)，這對(duì)我們現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程要求會(huì)提高許多，但這也是未來(lái)精細(xì)化施工的必由之路。

3.4 BIM+無(wú)人機(jī)技術(shù)在施工結(jié)算中應(yīng)用

土石方工程量的核算往往是工程預(yù)算與結(jié)算中產(chǎn)生爭(zhēng)議的焦點(diǎn)，工程的相關(guān)方常常為此造成久拖未決的糾紛，甚至導(dǎo)致工程難以順利交工。傳統(tǒng)的土方計(jì)算方法存在著計(jì)算量大、計(jì)算精度不高、數(shù)據(jù)量大等缺點(diǎn)，而利用“根據(jù)地形特征進(jìn)行區(qū)域劃分-近似簡(jiǎn)化-采取合適的測(cè)量方法取得地形三維特征數(shù)據(jù)-最后通過(guò)三維重構(gòu)的方法得出計(jì)算結(jié)果”思維的BIM 方法能夠?qū)崿F(xiàn)快捷精確的計(jì)算方法，并且能做到“實(shí)際與模型的精確對(duì)應(yīng)”和“所見即所得”。隨著攝影成像的技術(shù)迅速崛起，大量國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的攝影成像軟件已具備了一定的模型分析和計(jì)算的能力，未來(lái)從地形測(cè)量到土方計(jì)算結(jié)果的獲得，人工成本和時(shí)間成本都將大大降低，同時(shí)測(cè)量的精度也會(huì)比傳統(tǒng)測(cè)量方法要高上許多。在施工前以及實(shí)際施工中所利用無(wú)人機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)，再通過(guò)建立設(shè)計(jì)基坑模型，軟件就可自動(dòng)對(duì)比精確計(jì)算出土石方工程的挖方量、填方量和凈挖方量。就可以運(yùn)用BIM 建模的方法模擬土石方的開挖與回填，讓人直觀有效地開展土石方的挖運(yùn)分析與運(yùn)算，做到土方平衡計(jì)算的精確化，從而為工程預(yù)結(jié)算提供可靠的依據(jù)。在REVIT 之中演算好土方模型后，同時(shí)建立土方機(jī)械模型（挖掘機(jī)、運(yùn)土車），用內(nèi)建體量模型模擬單位運(yùn)土車的土方倒序鋪設(shè)，把模型全導(dǎo)入Navisworks 或者Lumion 中制作演示動(dòng)畫。制作土方施工方案：運(yùn)用Microsoftproject 結(jié)合施工動(dòng)畫制作初始施工進(jìn)度表，運(yùn)用Navisworks 演示（盡可能考慮到現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)實(shí)際情況），得出現(xiàn)場(chǎng)車輛運(yùn)行路線、路線碰撞等預(yù)知信息，并在此信息上不斷優(yōu)化施工方案。如此可以將填方量和挖方量之差控制到最小值，即達(dá)到土石方平衡計(jì)算且算量精確，降本增效的目的。

總結(jié)：

總之，隨著BIM 技術(shù)的高速發(fā)展，建筑行業(yè)也會(huì)再次發(fā)生如同手工作圖向CAD 電腦繪圖轉(zhuǎn)變的革命，而從開發(fā)階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段到最后備案階段都離不開BIM 技術(shù)的應(yīng)用以及電子影像資料的存檔，利用BIM+無(wú)人機(jī)創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用可以在項(xiàng)目可視化、協(xié)同化等多方面起到“如虎添翼”的作用，保證項(xiàng)目工程能夠順利開展，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益以及工期保證夯實(shí)根基。