BIM與無人機(jī)在城市道橋正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

陳攀杰，顧鮑超，王雪原，劉衛(wèi)民，鄧紅軍，郭 灝，曾 琦

(中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

伴隨著城市的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)主對市政道橋設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，而傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以直觀地展示，出現(xiàn)錯(cuò)漏和信息丟失的幾率較高。基于BIM的三維正向設(shè)計(jì)可以很好地解決上述問題，通過對道路橋梁和各節(jié)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和仿真分析，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)。無人機(jī)傾斜攝影測量建立的三維模型，能保證建模的時(shí)效性和現(xiàn)場場景的真實(shí)性[1]，可在路線設(shè)計(jì)階段提取原始地形[2]，包含高程點(diǎn)、等高線、坐標(biāo)等信息，既節(jié)省了龐大的外業(yè)測量工作量，又提高了三維設(shè)計(jì)質(zhì)量。

“BIM+無人機(jī)”技術(shù)(即將BIM模型和無人機(jī)傾斜攝影測量模型融合的技術(shù))，能充分利用各類數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，各盡所能，實(shí)現(xiàn)BIM場景的真實(shí)化[3]，不僅能提高道橋設(shè)計(jì)的客觀性和準(zhǔn)確性，而且有利于模型的傳遞。

1 無人機(jī)傾斜影像三維建模

無人機(jī)航測系統(tǒng)以其成本低、快速、實(shí)時(shí)的優(yōu)勢，得以迅速發(fā)展，獲取的影像具有比例尺大、分辨率高的特點(diǎn)[4]，在三維建模中表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。根據(jù)無人機(jī)影像的特點(diǎn)，選用SWDC-5五鏡頭獲取傾斜影像作為數(shù)據(jù)源，采用影像匹配彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)三維重建、紋理映射、連接點(diǎn)重構(gòu)紋理和重建約束，快速建立了高精度道橋?qū)嵕叭S模型，并在成都市東西軸線市政道橋設(shè)計(jì)中得到成功應(yīng)用。

1.1 獲取無人機(jī)傾斜影像

本文以SWDC-5傾斜相機(jī)攝取影像。在其飛行攝取影像過程中，5個(gè)相機(jī)同時(shí)接受信號，獲取后視(相機(jī)B)、底視(相機(jī)E)、前視(相機(jī)D)、左視(相機(jī)A)以及右視(相機(jī)C)5個(gè)角度的影像信息。其中，前后左右視與底視影像的關(guān)系如圖1所示。

圖1 SWDC-5傾斜影像獲取示意

SWDC-5相機(jī)對應(yīng)影像單元大小為6 μm，影像大小為8 176 pixels×6 132 pixels。下視相機(jī)E的焦距為50 mm，傾斜相機(jī)的焦距為80 mm，且傾斜角度為45°。在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，航高設(shè)置在1 000 m左右，航帶間間距為500 m，航帶內(nèi)間距為150 m，即航向重疊度為80%，航帶間重疊度為50%。

圖2為傾斜相機(jī)獲取的同區(qū)域各個(gè)視角的影像，同時(shí)刻曝光的5張相機(jī)傾斜影像沒有重疊區(qū)域。事實(shí)上，左、底視影像與右視影像相隔一條航帶才與底視影像有重疊區(qū)域，前、后視影像要與底視影像約隔5張影像才與底視影像有重疊區(qū)域。

圖2 傾斜相機(jī)獲取的同區(qū)域各個(gè)視角的局部影像

1.2 構(gòu)建三維模型

本文采用立體視覺的三維建模，利用從多個(gè)角度獲得的圖像來推理出真實(shí)世界中包含準(zhǔn)確色彩紋理的物體的結(jié)構(gòu)。這種方法無論從建模效率還是精度、靈活性來說，都可以滿足市政行業(yè)建模的需求。

首先對傾斜相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，然后進(jìn)行空三測量，利用圖像之間的重疊度，計(jì)算出目標(biāo)物在各個(gè)角度或者位置的深度圖(深度指的是攝影瞬間相機(jī)中心到目標(biāo)點(diǎn)的距離)，再對獲得的多個(gè)深度進(jìn)行融合，構(gòu)建三維三角網(wǎng)，產(chǎn)生比較完整的立體模型(白模)，最后進(jìn)行紋理映射,如圖3所示，獲取真實(shí)的三維模型。

圖3 三維模型創(chuàng)建流程

2 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)在國外得到了很好的應(yīng)用，但是國內(nèi)現(xiàn)狀卻相對落后。雖然國家出臺了一系列政策，國內(nèi)學(xué)者也開展了不少研究[5-8]，但是由于各種因素，距BIM全生命周期應(yīng)用普及還很遙遠(yuǎn)。尤其是對于市政行業(yè)，由于BIM標(biāo)準(zhǔn)不完善和市政BIM軟件技術(shù)的限制，現(xiàn)階段BIM在市政項(xiàng)目中多處于翻模階段，這不僅直接增加了設(shè)計(jì)人員的工作量，還和引入BIM的初衷南轅北轍。

本文基于 Bentley 軟件對市政道橋進(jìn)行正向設(shè)計(jì)研究，結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影建立的三維實(shí)景模型，直接在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行路線規(guī)劃設(shè)計(jì)與方案比選、設(shè)計(jì)優(yōu)化、模型渲染等，不僅提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，而且節(jié)約了資源，減少了設(shè)計(jì)成本，為市政正向設(shè)計(jì)的推廣提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

3 應(yīng)用實(shí)例

通過無人機(jī)傾斜攝影獲取試驗(yàn)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，并按照上文提出的方法建立三維地形模型，依據(jù)三維實(shí)景模型進(jìn)行路線方案的設(shè)計(jì)，并以路線模型為參考進(jìn)行后續(xù)的道路、橋梁、管線等市政項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“BIM+無人機(jī)”技術(shù)精細(xì)化三維設(shè)計(jì),并在成都市東西軸線項(xiàng)目上得到了應(yīng)用。

3.1 項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目西起于成渝高速公路繞城收費(fèi)站，東止于龍泉驛區(qū)界。項(xiàng)目全長約24 km，其中城區(qū)段長約11 km，紅線寬80 m，兩側(cè)各有30 m綠帶；中間設(shè)置BRT專用通道；山區(qū)段長約 13 km，雙向八車道，全線含2座山區(qū)隧道，分別長2.1 km和2.0 km。該工程涉及專業(yè)多，且各專業(yè)設(shè)計(jì)界面交錯(cuò)；空間關(guān)系復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)手段難度大；工期緊張，部分作業(yè)面繁瑣；參與方較多，難以保證信息的完整性與及時(shí)性。使用Bentley正向設(shè)計(jì)有效地解決了上述問題。

3.2 技術(shù)路線

與二維設(shè)計(jì)相比，基于Bentley 軟件的正向設(shè)計(jì)(圖4)在路線規(guī)劃時(shí)就嵌入設(shè)計(jì)范圍周邊區(qū)域的實(shí)景模型，直接在地形上進(jìn)行立體可視化設(shè)計(jì)，不僅表達(dá)直觀，而且方便計(jì)算和調(diào)整各種參數(shù)，極大地提高了工作效率。

圖4 基于Bentley的市政正向設(shè)計(jì)工作流程

3.3 建立模型

3.3.1 建立道路模型

概念設(shè)計(jì)階段對精度要求不高，使用OpenRoads ConceptStation軟件在仿真情況下快速建立模型，進(jìn)行道橋概念設(shè)計(jì)，快速放置護(hù)欄、路燈、標(biāo)線等附屬設(shè)施。可以根據(jù)路線的變遷實(shí)時(shí)變換工程量，方便估算造價(jià)，為方案比選和業(yè)主決策提供了極大的便捷，提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)成本。

在方案設(shè)計(jì)階段，如圖5所示，需要在OpenRoads Designer 軟件中提前導(dǎo)入設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。確定線路的平面路線后，可依據(jù)實(shí)景模型提取原始地形，參考地形斷面設(shè)計(jì)縱斷面，不僅節(jié)省了外業(yè)測量，也提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。對于路緣石、擋土墻和放坡等，也可以通過組件方式建立，方便重復(fù)利用。通過導(dǎo)入的標(biāo)準(zhǔn)可以自動(dòng)檢測設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范，避免了繁雜的人工查詢。

圖5 基于Bentley的道路設(shè)計(jì)工作流程

3.3.2 建立橋梁模型

直接利用道路設(shè)計(jì)成果，使用OpenBridge Modeler 軟件對橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖6所示，建立道路和橋梁之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于后續(xù)的修改和調(diào)整。設(shè)計(jì)橋梁布跨線，使用參數(shù)化模塊分別建立上、下部結(jié)構(gòu)，建立能夠自定義變換的橋梁，方便調(diào)整，而且能夠快速生成橋梁的相關(guān)報(bào)表。

圖6 基于Bentley的橋梁設(shè)計(jì)工作流程

3.3.3 碰撞檢測

本項(xiàng)目工程涉及專業(yè)多，各專業(yè)設(shè)計(jì)界面交錯(cuò)，空間關(guān)系復(fù)雜，對既有地下管線進(jìn)行勘測建模，與新建管線模型進(jìn)行碰撞運(yùn)算，可以有效避免管線沖突，保護(hù)既有管線。

3.3.4 BIM模型渲染

將各類模型文件匯總，導(dǎo)入LumenRT中進(jìn)行渲染，對材質(zhì)、環(huán)境、綠化和車輛進(jìn)行設(shè)置，快速完成景觀綠化設(shè)計(jì)，渲染后的景觀模型可以根據(jù)四季變化，方便景觀方案的比選和優(yōu)化，最終形成的模型可與VR結(jié)合(圖7)，讓人仿佛身臨其境，不僅豐富了業(yè)主的體驗(yàn)感，也節(jié)約了出效果圖的成本。

圖7 BIM最終模型展示

4 結(jié) 語

本文通過試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證了“BIM+無人機(jī)”技術(shù)在市政行業(yè)正向設(shè)計(jì)的可行性及合理性。實(shí)踐證明，“BIM+無人機(jī)”正向設(shè)計(jì)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)可視化、精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，而且可以節(jié)約成本，減少返工。但是當(dāng)前市政方向的BIM在模型建立和應(yīng)用開發(fā)上還處于初級階段，標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，軟件技術(shù)也不夠成熟，做正向設(shè)計(jì)需要大規(guī)模的二次開發(fā)，要投入很多的人力和物力，市政正向設(shè)計(jì)的普及還有很長的路要走。