無人機在超高層施工質量管理中的應用

張延偉 中建八局裝飾工程有限公司大連分公司

前言

隨著科技的發展，為滿足人們對生活品質越來越高的要求，解決城市擁擠問題，在有限的城區面積中提供更多的使用面積，建筑開始向高空發展，超高層建筑出現，而且越來越多，目前中國在建的超高層建筑有：天津117大廈(約596.5米)、深圳平安金融中心(約668米)、上海中心(約632米)、武漢綠地中心(約606米)、廣州東塔(約530米)、長沙國金中心(約432米)等。超高層鋼結構施工的特點是高空、懸空作業點多，存在很多安全隱患，施工質量難以保證。本文探討在超高層建筑施工中運用無人機技術，尤其是幕墻施工質量監管中發揮重要作用，將科技、建筑技術及安全管理有機結合，走科技創新之路。

1 無人機技術在建筑施工中的應用

1.1無人機技術概念

無人機全稱無人飛機系統(Unmanned Aircraft System，縮寫UAS)或無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle，縮寫UAV），廣義上為不需要駕駛員駕駛的飛機。無人機最早的開發是在第一次世界大戰之后，后長期用于軍事用途，與傳統飛機相比較，具有操作成本低、運用彈性大及支援裝備少等特性。近年來，無人機己被科研高校和科技企業重視，研發并投產，廣泛應用于重大工程、地質災害、城市建設等方面，在以人為本的大環境下，無人機應用于建筑行業具有無限可能和廣闊前景。使用無人機進行低空攝影具有靈活、高效、快速及成本低等優點：不需要機上駕駛員，無需設置救生系統，保護了人的生命安全的同時減輕了飛機的重量，且工作強度不會受到人的生理條件制約;無人機機體設計非常小，對場地無太大要求;制造成本及維護費用較低，且維護方便，使用壽命較長;可遠程遙控。

1.2無人機技術在超高層建筑施工中的應用

1.1.1 3D掃描為超高層建筑建模提供便利

3D掃描是目前無人機應用較為廣泛的領域。普通的3D掃描往往不能完整地掃描一些大型的建筑，在測量的過程中也會經常被一些障礙物干擾，此時采用無人機航拍就能避免這些問題。無人機拍攝的影像清晰度高、誤差小，且無人機不易受場地限制，可控性高，非常有利于3D掃描。

英國的Jersey島用無人機航拍了許多超高層建筑，把拍攝所得的高清圖像處理成網狀文件，并完成3D建模。進行航拍時可以設置拍攝軌道，使飛機延設定軌道飛行，拍攝多個角度，使數據更精準。隨著經濟社會的發展，基礎設施建設、住宅建設等項目越來越多，使用無人機進行3D掃描的需求也越來越大，無人機掃描技術為測繪領域帶來了更多的便利。

1.1.2 圖像特征提取

特征提取是圖像處理的重要技術手段。通過特征提取能夠大大簡化圖像處理的數據量和提升圖像匹配的準確率。特征提取把圖像上的點分為若干不同的子集，這些子集往往屬于連續的區域、連續的曲線或者孤立的點。

無人機操作并不復雜，只需用遙控器指揮飛機即可，拍到的畫面可直接傳輸到地面設備。此外，無人機可從多個角度取像，在對施工進度進行測量后，可快速根據實景建立三維模型，且誤差非常小，可達厘米級。無人機航拍查在建超高層建筑既能解決實時獲取圖像問題，使施工安全管理方面快捷，又能節省人力和物力，以后應會應用的越來越多。

1.1.3 未來或將代替人力施工

以上兩個方面應用的主要是無人機的航拍技術，無人機在建筑領域更大的潛力表現在代替人類工作的可能性，這也是行業最為關心的話題。

用無人機來代替人去施工，這聽起來很不可思議，但這的確已經被實現了。最近，瑞士蘇黎世飛行器工廠發布了一段視頻，視頻中，兩架飛機正在搭建一座繩橋。據悉，視頻中的飛機正是無人機，該無人機“能把繩繞在腳手架橫豎兩根桿的交叉處，還能牽著繩穿梭在腳手架之間，編織成一張網”。據悉，這兩架無人機既可以互相配合施工，也能單獨施工。雖然視頻中搭建的繩橋比較簡單，實用性也不高，卻很好地展現了無人機在建筑領域的應用潛力。

2 無人機在建筑施工現場應用的優缺點分析

2.1無人機在建筑施工現場應用的顯著優勢

(1)創新性選用無人機作為建筑施工現場管理工具，是一種將新興信息技術應用到實踐的創新行為。無人機具備快速高效的管理能力，且同步傳輸數據，提高管理效率，為管理模式創新提供新的工具和方法。

(2)實用性無人機易操作，人員需求少，節省人力成本;隨著無人機技術的發展，其續航能力不斷提高，使得無人機的實用性不斷提高。

(3)功能性無人機系統能夠及時發現工程現場管理存在的重要問題，并做出相應處理。無人機技術的引入使復雜的施工現場信息轉換為圖形或數據信息，減少了施工現場人員的工作量，通過施工前的學習訓練，真正的實現自動化的施工管理。

(4)可記錄性施工過程可記錄，便于備案，日后需要時進行查找。

2.2無人機在建筑施工現場應用的缺點：

(1)對內外部環境依賴性高由于圖像獲取的特殊性，對機器自身性能、天氣等條件要求較高，對此，隨著無人機設備研發的日漸成熟，基本可以避免外部原因的影響。

(2)學習訓練周期長由于施工現場情況復雜，對圖像處理和識別有著極高的要求，所以學習訓練過程需要時間和數量的積累，但是施工現場情況雖然復雜，但是基本要素幾乎一致，所以方案重復性較高，后期只需要對特殊情況進行學習訓練即可。

綜上分析，雖然無人機在建筑施工現場的應用存在學習周期長等不足，但是功能性、創新性優勢明顯，而且實踐中的應用案例越來越多，無人機技術在建筑施工現場管理中應用的優勢逐漸顯現。

3 應用無人機加強超高層建筑施工質量安全管理

超高層建筑施工周期長、危險系數高、技術難度大。隨著城鎮化建設的推進特別是城市新區建設的快速發展，超高層建筑越來越多。超高層建筑的質量安全，已經成為建筑施工安全生產的新課題。超過100米的建筑已是數不勝數。在100米的高度，其實建筑物不論從結構還是設備及施工方面均無明顯質的變化，對超高層建筑高度的界定，當然也不能簡單地按新《高規》所提到的250米為界，所以對于高層與超高層的分界，今后會含糊些。從高層建筑的技術構成上分析，隨著建筑高度的持續增加，并結合房屋的具體形狀，其設計概念將受到越來越嚴峻的合理性的考驗。

今天對于由高層到超高層的理解，已不僅只限于高度上的、美學上的、安全及使用功能上的，還應包括效益、能源與生態環境方面的考慮。

可喜的是，無人機應用越發火熱的今天，已經在向建筑行業蔓延，逐漸取代復雜人工，做到微小化與自動化，改變了許多傳統的工作模式。

3.1工程監工

目前，國內工程監工大多采用設立工程監工崗位對施工隊員進行監督，但由于種種原因，人工監工的效果并不理想，不少建筑隊伍還是出現了消極怠工、偷工減料等各種問題，故催生了無人機自動監工。專家們利用無人機拍照定位，檢查工程進度是否與設計藍圖相匹配，以便更好的規劃建筑機械的使用與材料的儲備情況。

掌握復雜的建筑工地情況可不是一件易事，畢竟在這個浩大工程中，有無數機械和工人不停工作著。而利用加入深度學習AI技術的無人機后，建筑公司就可實時掌控工地的施工情況，它們甚至可以同時遠程管理多個工地。

3.2工程測繪

無人機測繪也是現在無人機在工程領域的研究重心所在。與傳統測繪比較，使用測繪無人機我們可以得到平均20cm/像素的精度，對于100公頃的地方而言，我們測到的點可以達到2500萬個，能得到更清晰的地形與地面，即使是樹木、石頭等。此外，使用無人機測繪只需要工作人員標畫和設置地面控制點，飛手操控無人機。倘若是在平緩的地形測量，無人機的測繪工作以及后期數據處理工作的用時將會比傳統人工測繪減少整整3倍時間。

但目前大部分極其精確的設備由于體積或重量過大，無人機無法承載，先進為止，還無法改變傳統測繪的地位。相信隨著新技術的發展，將研發出更多適合無人機搭載的先進高精度的設備，尤其是輕小型化的設備會越來越多，尤其是高尖端儀器像是高光譜成像系統等，如果這些儀器都實現了微小化，相信無人機的測繪應用將會席卷全球吧。

3.3檢測工程師

運用無人機的3D 和圖像特征提取技術，代替檢測工程師進行建筑質量檢測。新加坡一家公司第一次使用了配備360度全景攝像頭為基礎的全面掃描系統、自動檢測隧道不良情況并記錄位置的軟件的無人機對新加坡海底隧道進行了質量檢測，檢測內容包括隧道裂縫以及滲漏水情況。

4 應用無人機提高超高層建筑工程質量的措施

（1）施工現場標準化為了使無人機在現場安全飛行，且有效的獲取并處理圖像，則要求施工現場盡量標準化，無人機可以沿著既定的路線飛行檢查，減少了觸碰障礙物的風險，且圖像質量較高，可以被有效識別。

（2）尋求校企合作高校擁有得天獨厚的科研條件，建筑企業擁有豐富的現場經驗及完善的現場環境。高校可以進行無人機的研發，提高無人機的穩定性和續航能力，與建筑企業進行合作，參與實際工程項目，在實踐中不斷探索無人機在施工領域的應用空間。學校與企業合作的方式，能夠實現優勢互補，不僅有利于技術研發，更利于無人機技術的推廣普及。

（3）加強培訓無人機在施工現場的操控有一定的難度，所以在使用無人機作業之前，駕駛員必須擁有優良的技術，確保無人機以及現場的安全，需要建筑企業或項目提供場地及專業人員為無人機駕駛員進行培訓，一方面學習無人機的飛行技術，另一方面也切實探索利用無人機進行現場監測的可能性以及價值，提高管理效率。

（4）擴大信息采集來源。由于無人機使用的限制條件較多，因此在無人機系統應用初期，應不斷擴大信息采集來源，便于初期的學習訓練。但是隨著應用的深入，在實現一定的數據儲備后，無人機的性能逐漸被優化，且識別的精度提高以后，需要考慮針對非標準現場進行應用，擴充數據庫，使得無人機的適用性更強。

（5）節約成本在技術創新管理中，成本是必須考慮的重要因素。因此在應用中，需要通過優化方案和提高性能等方式在盡可能大的范圍內節約成本，如果站在全生命周期的角度，真正實現了節約，那么就可以用經濟效益打動更多的企業，使其參與到無人機技術的推廣和普及中。

結論

將無人機技術引入超高層建筑施工現場管理，符合當前建筑管理方式變革的潮流。有利于提高安全管理績效、加快工程進度、提升管理效率。無人機技術雖然還存在應用風險，但是其高效獲取信息等技術優勢為建筑施工現場管理提供了新的方式和途徑，未來將具有良好的應用前景。

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