UAV+BIM技術(shù)在山區(qū)橋梁施工便道設計中的應用研究

徐 贊 王潤澤 張 舜

(寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

1 概述

我國幅員遼闊，高原山區(qū)占比較大，西部山區(qū)地形地勢錯綜復雜，溝壑叢生。就我國路網(wǎng)而言，西部高原及山區(qū)公路的建設對促進西部地區(qū)進一步發(fā)展具有重要作用[1]。目前，我國公路建設施工便道的選取大多取決于工程人員的經(jīng)驗設計——結(jié)合衛(wèi)星地圖或場勘測的方式進行平面設計。前者路線方案設計隨意性大，后者實地勘測時間較長。近年來，隨著無人機傾斜攝影技術(shù)的推進及BIM技術(shù)的高速發(fā)展，給山區(qū)公路建設地形勘察路線設計帶來了極大便利。本文針對山區(qū)橋梁建設施工便道設計提出“UAV+BIM”模式，通過運用無人機傾斜攝影技術(shù)對現(xiàn)場地形建模，采用BIM技術(shù)對施工便道進行精細化設計，可以大大提高工程人員的工作效率。同時減少設計風險，降低工程成本。

2 無人機傾斜攝影技術(shù)原理

無人機傾斜攝影技術(shù)是測繪遙感領域近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它通過搭載單個或多個傳感器對地物分別從1個垂直方向和4個傾斜方向進行拍攝，通過對其得到影像進行處理，獲取地物平面和立面信息，在后處理軟件下生成三維實景模型[2]。通過規(guī)劃飛行區(qū)域及航線并進行參數(shù)設置，實現(xiàn)無人機自主飛行。在項目區(qū)布設多個像控點，在后處理軟件下結(jié)合像控點RTK坐標信息，無人機系統(tǒng)獲取的相片信息、POS信息等進行計算機圖形計算。對獲取的影像進行空中三角測量、密集匹配、自動紋理映射等處理方法獲取有紋理的三維實景模型[3]。

3 傾斜攝影方案規(guī)劃

本文依托工程某大橋橋址地貌：地形山巒起伏，溝壑縱橫，梁峁相間，水土流失嚴重，地表支離破碎。“V”型溝發(fā)育，溝深多為20 m～50 m，寬20 m～40 m，溝坡一般30°～70°，溝壁陡立，坡度較大，高差明顯，坍塌現(xiàn)象較多。基于如此復雜的地形，如何合理選取橋梁施工便道對工程進度起著巨大作用。

3.1 方案規(guī)劃

本項目采用大疆精靈4Pro無人機，該機型為單鏡頭多旋翼無人機，體型較小，目前最智能的消費級無人機。使用大疆配套軟件DJI GO4對飛機進行飛行前校核與設定。然后采用Altizure軟件對擬飛行區(qū)域進行航線規(guī)劃，本次無人機傾斜攝影相關(guān)參數(shù)設定如下：飛行高度結(jié)合現(xiàn)場地物，航向重疊率：75%，旁向重疊率：60%，相機傾斜角45°。

3.2 現(xiàn)場飛行

以項目區(qū)域中心樁號為中心，半徑2 000 m范圍區(qū)域進行飛行。結(jié)合現(xiàn)場地物設定飛行高度為80 m。對中心區(qū)域增加像控點布置，飛行完畢后獲取的影像資料保存飛行器內(nèi)置SD卡，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理做準備。

3.3 實景模型建立

采用ContextCapture Center軟件對航拍影像數(shù)據(jù)進行三維實景模型視覺重建，最終得到項目區(qū)域?qū)嵕叭S地形模型。其操作流程如圖1所示。

4 施工便道BIM模型

利用三維實景模型和無人機影像數(shù)據(jù)，可以快速獲取滿足施工便道設計的三維地表數(shù)據(jù)，以便利用BIM技術(shù)進行便道規(guī)劃設計，實現(xiàn)傾斜攝影技術(shù)和兩階段設計的協(xié)同。

4.1 地形模型轉(zhuǎn)換

平縱線形、橫斷面設計是施工便道精細化設計的重要工作，滿足精細化設計的基礎是高精度的地形模型數(shù)據(jù)。采用CNCCBIM OpenRoads軟件對無人機傾斜攝影的地形數(shù)據(jù)進行提取轉(zhuǎn)化。在CNCCBIM OpenRoads中主要采用在地形擬合方面表現(xiàn)最出色的狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)構(gòu)建原理，它能對該大橋地形模型進行編輯并讀取各種點云數(shù)據(jù)和多種存儲地形數(shù)據(jù)的文件，通過對地形文件進行分析來輔助技術(shù)人員進行便道設計[4]。如圖2所示為數(shù)據(jù)地形。

4.2 便道BIM設計

對數(shù)據(jù)地形進行分析輔助便道設計，輸入設計參數(shù)對便道進行平縱橫設計，建立路廊模型，最終建立便道三維BIM模型。如圖3所示為跨溝便道橫斷面模板，如圖4所示為跨溝主便道BIM模型與實景模型。

5 應用效果分析

5.1 設計便捷精細化

使用無人機對施工現(xiàn)場區(qū)域場地進行傾斜攝影建立三維地形模型，為便道選線提供分析地形基礎。相較于傳統(tǒng)勘測節(jié)省了大量時間，提高了工作效率，相較傳統(tǒng)CAD等高線地形，傾斜攝影地形模型精度更高。相較于傳統(tǒng)平面選線“UAV+BIM”技術(shù)對施工便道的設計更加精細化，且省時便捷。

5.2 可視化分析

與傳統(tǒng)2D設計對比，無人機傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合能較好的展示BIM技術(shù)可視化的特點。施工人員根據(jù)三維模型能很好的理解施工現(xiàn)場狀況。三維可視化技術(shù)可以輔助施工。在可視化分析中對施工便道視距進行分析，在道路轉(zhuǎn)彎處增加錯車平臺，完善設計方案。

5.3 土方復合

“UAV+BIM”技術(shù)在選線過程中能夠?qū)Ρ愕捞钔诜搅窟M行精確計算，有利于施工規(guī)劃，提高施工效率。利用BIM技術(shù)在自然地面進行方案設計后，將自然地面與規(guī)劃地形進行疊加計算，可以快速計算出工程項目需要開挖和回填的土石方量，完成工程量計算。這既可作為方案設計的依據(jù)，也可為施工期間的工程量計算提供輔助參考。采用容積法，在選擇進行算量的兩種地形后，對挖方系數(shù)、填方系數(shù)進行設定就可以自動計算土方量。主便道BIM模型土方算量如下，數(shù)據(jù)分析主便道填挖方量誤差均在5%以內(nèi)(見表1)。

表1 跨溝主便道土方算量

6 結(jié)語

“UAV+BIM”模式在地形勘測階段更加高效便捷，且可以對施工便道進行精細化設計，減少設計誤差。三維模型的建立可以為項目管理者提供參考。隨著無人機的高速發(fā)展以及BIM技術(shù)的持續(xù)推進，“UAV+BIM”技術(shù)必將為項目設計，施工以及運營管理中發(fā)揮更大的價值，推動BIM技術(shù)在施工便道甚至道路工程的飛速發(fā)展。