BIM+無人機創新技術在建筑工程領域中的應用

李亮 李曉萌 曾誠

【摘要】基于BIM技術的工程項目信息化協同工作成為我國越來越多的項目必要的業務方式，通過BIM基礎軟件加上無人機創新技術的應用，能夠在建筑全生命周期中起到較為重要的作用，溝通各方協同進度的開展工作，提供現場土石方開挖、總平面布置的規劃、施工過程中影像資料留存以及對城市三維數字模型構建數字城市所用到的傾斜攝影等，節約現場人力物力，通過BIM+無人機創新技術實現總承包單位真正對于項目的管控，本文分析了基于BIM技術以及無人機應用在建筑工程領域施工前、施工過程及結算中的應用。

【關鍵詞】BIM技術；無人機；建筑工程；應用

1、緒論

1.1 BIM+無人機技術背景

隨著近年來建筑業的快速發展，建筑方案的設計和造型變得越來越復雜。傳統CAD等二維軟件由于圖紙表現不足，尤其節點表現不足對實際施工造成諸多影響，從而使得建筑信息模型BIM技術得到了實足的發展，而以BIM技術為基礎從而實現越來越多技術上的應用的拓展更是許多大型建筑企業增強自身競爭力的有力的手段。隨著BIM技術的發展，無人機自動航空攝影隨著與云技術的結合發展而越來越成熟，無人機將成為建筑行業中功能強大的BIM工具之一。

1.2 BIM+無人機技術意義

如果只是從空間模型信息化的角度來看，無人機技術應用與BIM技術確實有許多相通之處，它們的「作業現場」都是基于三維坐標系統的。前者作為硬件產品，充當著空中載具的角色，配合成熟的飛行控制技術，「協助」高清攝像頭或激光雷達從而高效獲取到真實環境的空間數據，再通過算法校正和處理，最終得到點云數據或三維模型，代表的是實景模型技術。后者作為建筑學、工程學及土木工程的新工具，設計師們可以通過軟件把自己大腦里的創意以三維模型的形式重現出來，再往模型里添加大量的設計參數和項目相關信息，來模擬建筑空間所具備的真實信息，代表的是數字模型技術。

2、BIM+無人機技術助力EPC前期策劃

2.1傾斜攝影在BIM技術中應用優勢

作為工程應用的重要示例技術，在我們的基礎設施領域的應用中，BIM技術仍然發揮著其重要作用。而以實景三維全紋理全要素特性快速發展的傾斜攝影技術搭配建筑業BIM技術，又將給建筑行業整體帶來思路的轉變，并且不僅僅在于降低成本以及提高效率。在國際測繪領域中這幾年來發展起來的一項比較前衛的高新技術——傾斜攝影技術，這項技術顛覆了以往的正射影像局限，只能從垂直角度拍攝，而是通過在同一飛行平臺上或同一飛行器上搭載多臺高清傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度來采集我們所需要的影像，所呈現的效果將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。

使用傾斜攝影技術，可以同時獲得同一個位置上多個不同角度的、并且具有較高分辨率的影像，采集豐富的地物側面紋理及其對應的位置信息。基于這項技術的GIS實景三維模型可以服務于我們智慧城市的建設，同時，在規劃、國土、水利、旅游等領域的應用也具有重大意義，前景廣闊。

2.2 BIM+無人機技術在設計階段應用

基于詳盡的航測數據，進行影像預處理、區域聯合平差、多視影響匹配等一系列操作，批量建立高質量、高精度的三維GIS模型。相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實的反映地物的實際情況，極大的彌補了基于正射影像應用的不足。

通過無人機航空傾斜影像不僅能夠真實地反應地物情況，而且還通過采用先進的定位技術，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地擴展了遙感影像的應用領域，并使遙感影像的行業應用更加深入。

以傾斜攝影獲取工程建設地表環境信息，構建真實高精度的地理環境情況，生成實景三維底圖，再通過BIM技術構建工程建設精細的工程建筑，包括地表施工情況，建設附屬設施布置，物料的堆積管理，工程建筑的詳細建設進度等。

2.3 BIM+無人機技術在施工前期應用

在項目投標階段以及施工之前，施工企業技術人員會對現場進行踏勘，了解現場實際情況，場地周辺條件以及土方地質條件，來做出更加適合的技術方案，在傳統過程中，通過相機拍攝照片的形式對項目的了解不夠深入和立體，對方案的設計以及后期可行性產生一定的偏頗。

而利用新的無人機創新技術，項目技術人員通過遙控無人機對項目現場進行整體掃描，能夠得到整體現場航拍情況，利用無人機進行現場踏勘會極大的降低人工成本、提高勘查效率以及現場數據的真實性，不僅可以在電腦上瀏覽最真實的現場情況，也可以直接將BIM模型與實景模型進行匹配使用，實現最真實的布置現場臨建、規劃施工路線，減少施工組織錯誤。同時采集項目現狀數據，由于每張照片都帶有拍攝時的經緯度、海拔高度、拍攝姿態（角度）等POS信息，因此將照片導入專業的軟件中進行實景建模，就可以形成施工場地原始地貌模型，形成三維點云模型，與BIM模型制成的完成面模型進行比對，可以較為直觀的得到土方開挖及回填工程量，并為項目其他專業深化設計及施工提供基礎數據信息，減少施工過程可能存在的返工情況。優化后的平衡方案由于減少了運輸距離和倒運方量，從而大量減少了機械對對環境的污染；同時，無人機航拍技術也大大提高了對場地的測量工作，是傳統測量功效的15倍。在施工總平面布置方面，利用前期航拍的現場實景圖，可以更好的對場地條件以及臨建臨水臨電等等布置進行模擬，對現場整體部署有更好的規劃。

3、BIM+無人機技術在施工過程及結算中的應用

3.1 BIM+無人機技術在施工現場中應用

實際項目施工過程中總是成本和工期無法控制在事前的計劃預測上，這些原因與項目全場地范圍的階段信息孤立管理有關，一塊場地在工程實施過程中前后變化之間關系會對工程內在的影響，其變化基本無從追溯。也許可以從一些有經驗的項目管理人員口頭了解原來的樣子，但這種信息都是不確定的，是無法用來追溯項目所發生的前因后果，所以場地航拍階段性信息追溯意義重大。

大多數的建筑工程都是一些長耗時且復雜程度高的項目，作為工程師，往往需要每天親臨現場，檢查是否存在紕漏。利用無人機航拍技術環繞拍攝處于施工階段的建筑項目，再通過相關軟件應用生成三維網格模型，對畫面進行數字化處理，利用虛擬圖像補充還未完成的部分，構建出項目竣工后的整體面貌。用戶可以通過平板電腦等便攜式移動設備遠程查看現場狀況，幫助自己檢查項目施工過程中出現的錯誤或問題。另外針對相對復雜的節點以及高層特種作業人員施工操作，利用無人機可以進行實時監控，設置無人機拍攝航線及固定拍攝點，獲得每個時段現場人、材、機布置情況及形象進度，有利于指導現場總平面管理。

無人機場地航拍還可以利用其高精度檢查已完成結構物的尺寸偏差，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。無人機拍攝影像與BIM施工模擬進行對比分析，助力項目實時掌控和調整施工部署，并最終獲得整個項目的建造影像資料，提高了工作效率，幫助項目部推進工期、避免返工，無人機創新技術的應用可以較為準確地推敲項目流水劃分和推進計劃，提前預測變更的可能性和需要的條件。借助無人機的低成本與高機動性，大大提高信息采集與監測空間自由度，實現不同距離、高度、角度對建設目標與空間的信息捕獲，為行業的多維度信息化數字化施工提供了新思路。

3.2 BIM+無人機技術在施工技術中應用

在施工階段，根據現場技術管控的需要，隨著場地的施工變化，通過無人機航拍影像，可以有效地指導場地調度安排工作。比如隨著場地變動，臨時地面安全防護、排水、緊急逃生路線等方案探索，在無人機航拍影像結合BIM模型，統籌策劃更加有的放矢。實現三維技術交底和質量驗收標準在相應結構部位的植入，并以在手機終端應用為目標，可以使得無人機創新技術的應用能夠為工序質量管控、操作標準、規范施工行為提供幫助，更好地服務于施工現場質量管控。

借助于Navisworks軟件我們可以對施工進度計劃進行模擬，了解各個構件及部位完成的時間節點及流水施工情況，配合無人機監控，可以有效對各個工種的人數以及不同專業施工進度進行有效預判，及時將不利于完成施工節點要素進行排除。在不同施工階段，結合場地模型，模擬施工現場，對現場機、器具的倒運進行模擬，避免二次倒運，對大型設備運行空間分析，對材料堆放點進行布置，合理安排人員和物資，做到人員設備材料的充分利用。利用BIM+無人機創新技術為各參建單位和各專業的協同工作創造條件，直觀體現每一施工階段，現場場地布置的位置與空間的使用情況，通過三維施工圖進行交底管理，核對不同專業之間的協調問題，保證施工順利進行，提高工程一次通過率，避免設計變更和相應的施工返工，節約工程時間促進工期開展。結合施工組織方案，加入時間節點建立四維 BIM施工進度模型，對各個階段施工方案和計劃進行模擬，系統地確認方案的可行性，對比竣工進度時間，把握項目進度管理。

3.3 BIM+無人機技術在施工資料中應用

檔案館歸檔時也需要提交施工過程中影像資料以備留存，針對施工面狹長以及無法很好捕捉施工過程中影像的項目，無人機就起到了較大的作用，利用其自身高度優勢能夠捕捉范圍比較廣的施工作業面，對某一時刻工程進度以及施工單位與業主報批進度款等都有密切聯系。過程中進行匯報時可以直接利用實景模型進行匯報，最真實的將現場狀況呈現，并將實景模型中得到的工程量進行呈報，這對我們現場的過程要求會提高許多，但這也是未來精細化施工的必由之路。

3.4 BIM+無人機技術在施工結算中應用

土石方工程量的核算往往是工程預算與結算中產生爭議的焦點，工程的相關方常常為此造成久拖未決的糾紛，甚至導致工程難以順利交工。傳統的土方計算方法存在著計算量大、計算精度不高、數據量大等缺點，而利用“根據地形特征進行區域劃分-近似簡化-采取合適的測量方法取得地形三維特征數據-最后通過三維重構的方法得出計算結果”思維的BIM方法能夠實現快捷精確的計算方法，并且能做到“實際與模型的精確對應”和“所見即所得”。隨著攝影成像的技術迅速崛起，大量國內外優秀的攝影成像軟件已具備了一定的模型分析和計算的能力，未來從地形測量到土方計算結果的獲得，人工成本和時間成本都將大大降低，同時測量的精度也會比傳統測量方法要高上許多。在施工前以及實際施工中所利用無人機拍攝的數據，再通過建立設計基坑模型，軟件就可自動對比精確計算出土石方工程的挖方量、填方量和凈挖方量。就可以運用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分析與運算，做到土方平衡計算的精確化，從而為工程預結算提供可靠的依據。在REVIT之中演算好土方模型后，同時建立土方機械模型（挖掘機、運土車），用內建體量模型模擬單位運土車的土方倒序鋪設，把模型全導入Navisworks或者Lumion中制作演示動畫。制作土方施工方案：運用Microsoftproject結合施工動畫制作初始施工進度表，運用Navisworks演示（盡可能考慮到現場每一個實際情況），得出現場車輛運行路線、路線碰撞等預知信息，并在此信息上不斷優化施工方案。如此可以將填方量和挖方量之差控制到最小值，即達到土石方平衡計算且算量精確，降本增效的目的。

總結：

總之，隨著BIM技術的高速發展，建筑行業也會再次發生如同手工作圖向CAD電腦繪圖轉變的革命，而從開發階段、設計階段、施工階段到最后備案階段都離不開BIM技術的應用以及電子影像資料的存檔，利用BIM+無人機創新技術的應用可以在項目可視化、協同化等多方面起到“如虎添翼”的作用，保證項目工程能夠順利開展，為企業經濟效益以及工期保證夯實根基。

參考文獻：

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