BIM與無人機在城市道橋正向設計的應用研究

陳攀杰，顧鮑超，王雪原，劉衛民，鄧紅軍，郭 灝，曾 琦

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

伴隨著城市的發展和技術的進步，業主對市政道橋設計提出了更高的標準，而傳統的二維設計不僅費時費力，難以直觀地展示，出現錯漏和信息丟失的幾率較高。基于BIM的三維正向設計可以很好地解決上述問題，通過對道路橋梁和各節點的三維動態設計和仿真分析，實現標準化、可視化、系統化的設計。無人機傾斜攝影測量建立的三維模型，能保證建模的時效性和現場場景的真實性[1]，可在路線設計階段提取原始地形[2]，包含高程點、等高線、坐標等信息，既節省了龐大的外業測量工作量，又提高了三維設計質量。

“BIM+無人機”技術(即將BIM模型和無人機傾斜攝影測量模型融合的技術)，能充分利用各類數據的優勢，各盡所能，實現BIM場景的真實化[3]，不僅能提高道橋設計的客觀性和準確性，而且有利于模型的傳遞。

1 無人機傾斜影像三維建模

無人機航測系統以其成本低、快速、實時的優勢，得以迅速發展，獲取的影像具有比例尺大、分辨率高的特點[4]，在三維建模中表現出獨特的優勢。根據無人機影像的特點，選用SWDC-5五鏡頭獲取傾斜影像作為數據源，采用影像匹配彩色點云數據技術和三維網格優化算法，實現自動三維重建、紋理映射、連接點重構紋理和重建約束，快速建立了高精度道橋實景三維模型，并在成都市東西軸線市政道橋設計中得到成功應用。

1.1 獲取無人機傾斜影像

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

圖1 SWDC-5傾斜影像獲取示意

SWDC-5相機對應影像單元大小為6 μm，影像大小為8 176 pixels×6 132 pixels。下視相機E的焦距為50 mm，傾斜相機的焦距為80 mm，且傾斜角度為45°。在獲取數據時，航高設置在1 000 m左右，航帶間間距為500 m，航帶內間距為150 m，即航向重疊度為80%，航帶間重疊度為50%。

圖2為傾斜相機獲取的同區域各個視角的影像，同時刻曝光的5張相機傾斜影像沒有重疊區域。事實上，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域。

圖2 傾斜相機獲取的同區域各個視角的局部影像

1.2 構建三維模型

本文采用立體視覺的三維建模，利用從多個角度獲得的圖像來推理出真實世界中包含準確色彩紋理的物體的結構。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建模的需求。

首先對傾斜相機進行標定，然后進行空三測量，利用圖像之間的重疊度，計算出目標物在各個角度或者位置的深度圖(深度指的是攝影瞬間相機中心到目標點的距離)，再對獲得的多個深度進行融合，構建三維三角網，產生比較完整的立體模型(白模)，最后進行紋理映射,如圖3所示，獲取真實的三維模型。

圖3 三維模型創建流程

2 BIM技術

BIM技術在國外得到了很好的應用，但是國內現狀卻相對落后。雖然國家出臺了一系列政策，國內學者也開展了不少研究[5-8]，但是由于各種因素，距BIM全生命周期應用普及還很遙遠。尤其是對于市政行業，由于BIM標準不完善和市政BIM軟件技術的限制，現階段BIM在市政項目中多處于翻模階段，這不僅直接增加了設計人員的工作量，還和引入BIM的初衷南轅北轍。

本文基于 Bentley 軟件對市政道橋進行正向設計研究，結合無人機傾斜攝影建立的三維實景模型，直接在真實環境下進行路線規劃設計與方案比選、設計優化、模型渲染等，不僅提高了設計效率和質量，而且節約了資源，減少了設計成本，為市政正向設計的推廣提供了實踐基礎。

3 應用實例

通過無人機傾斜攝影獲取試驗區域的地形數據，并按照上文提出的方法建立三維地形模型，依據三維實景模型進行路線方案的設計，并以路線模型為參考進行后續的道路、橋梁、管線等市政項目的設計，實現“BIM+無人機”技術精細化三維設計,并在成都市東西軸線項目上得到了應用。

3.1 項目簡介

本項目西起于成渝高速公路繞城收費站，東止于龍泉驛區界。項目全長約24 km，其中城區段長約11 km，紅線寬80 m，兩側各有30 m綠帶；中間設置BRT專用通道；山區段長約 13 km，雙向八車道，全線含2座山區隧道，分別長2.1 km和2.0 km。該工程涉及專業多，且各專業設計界面交錯；空間關系復雜，使用傳統的二維設計手段難度大；工期緊張，部分作業面繁瑣；參與方較多，難以保證信息的完整性與及時性。使用Bentley正向設計有效地解決了上述問題。

3.2 技術路線

與二維設計相比，基于Bentley 軟件的正向設計(圖4)在路線規劃時就嵌入設計范圍周邊區域的實景模型，直接在地形上進行立體可視化設計，不僅表達直觀，而且方便計算和調整各種參數，極大地提高了工作效率。

圖4 基于Bentley的市政正向設計工作流程

3.3 建立模型

3.3.1 建立道路模型

概念設計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，進行道橋概念設計，快速放置護欄、路燈、標線等附屬設施。可以根據路線的變遷實時變換工程量，方便估算造價，為方案比選和業主決策提供了極大的便捷，提高了設計效率，降低了設計成本。

在方案設計階段，如圖5所示，需要在OpenRoads Designer 軟件中提前導入設計標準與規范。確定線路的平面路線后，可依據實景模型提取原始地形，參考地形斷面設計縱斷面，不僅節省了外業測量，也提高了設計質量。對于路緣石、擋土墻和放坡等，也可以通過組件方式建立，方便重復利用。通過導入的標準可以自動檢測設計是否符合規范，避免了繁雜的人工查詢。

圖5 基于Bentley的道路設計工作流程

3.3.2 建立橋梁模型

直接利用道路設計成果，使用OpenBridge Modeler 軟件對橋梁進行設計，如圖6所示，建立道路和橋梁之間的關聯關系，便于后續的修改和調整。設計橋梁布跨線，使用參數化模塊分別建立上、下部結構，建立能夠自定義變換的橋梁，方便調整，而且能夠快速生成橋梁的相關報表。

圖6 基于Bentley的橋梁設計工作流程

3.3.3 碰撞檢測

本項目工程涉及專業多，各專業設計界面交錯，空間關系復雜，對既有地下管線進行勘測建模，與新建管線模型進行碰撞運算，可以有效避免管線沖突，保護既有管線。

3.3.4 BIM模型渲染

將各類模型文件匯總，導入LumenRT中進行渲染，對材質、環境、綠化和車輛進行設置，快速完成景觀綠化設計，渲染后的景觀模型可以根據四季變化，方便景觀方案的比選和優化，最終形成的模型可與VR結合(圖7)，讓人仿佛身臨其境，不僅豐富了業主的體驗感，也節約了出效果圖的成本。

圖7 BIM最終模型展示

4 結 語

本文通過試驗項目驗證了“BIM+無人機”技術在市政行業正向設計的可行性及合理性。實踐證明，“BIM+無人機”正向設計技術改變了傳統的設計方式，不僅可以實現可視化、精準化設計，而且可以節約成本，減少返工。但是當前市政方向的BIM在模型建立和應用開發上還處于初級階段，標準還不夠完善，軟件技術也不夠成熟，做正向設計需要大規模的二次開發，要投入很多的人力和物力，市政正向設計的普及還有很長的路要走。