無人機＋BIM 技術在市政項目中的應用總結及思考

邱永祥，徐旭東，趙慶新（.燕山大學， 河北 秦皇島 066004；.晨越建設項目管理集團股份有限公司， 四川 成都 60000）

0 引 言

建筑信息模型（BIM）作為提高建筑行業效率和投資收益的綜合解決方案，不斷融合人工智能、大數據和 VR 等技術[1-2]，技術框架不斷擴展[3]。

從電子產品誕生起，建筑工程行業就走上了信息化的道路。由于專業知識折疊，每個階段產生的數據幾乎是一個行業里獨立的一個分支，相互聯動較少[4]。無人機作為一項新技術融入項目工程建設，將工程項目實施過程中的現場情況信息化[5]，拓展了數據邊界[6]。

BIM 為這些數據帶來了一個融合的承載體[7]，不斷接入新的數據源。BIM 是單一數據到集成數據的進步，是經驗向算法的進步。建筑業兼備信息化的實際需求和投資潛力[8]，但數據的整合利用十分有限[9]。特別是市政項目，空間跨度大、協調因素多，高級應用技術投入高、難度大、相對收益小。作為一項商業服務，如何能為技術應用者帶來高額利潤，是 BIM 技術進一步發展的關鍵[10]，也是目前 BIM在推廣應用過程中亟待解決的問題。本文基于無人機的特點，結合 BIM 技術，探索市政項目實現低技術投入、高經濟回報的應用場景并進行簡單分析，為類似工程中 BIM 技術的實際應用提供一些參考。

1 項目背景

本文所涉及的四川省自貢市東部新城二期基礎設施建設項目，由晨越建設項目管理集團股份有限公司（以下簡稱“晨越建管集團”）采用全過程工程咨詢＋融資 EPC（FEPC）模式實施建設。項目空間跨度大、現場環境復雜、施工周期要求高，工程總投資達數百億元，涉及建設參與方多，BIM 技術儲備較差，關鍵節點施工工藝復雜，協調成本高。

當前 BIM 技術在房屋建設領域應用較多，市政領域應用尚處于探索階段。鑒于市政項目在空間上的大跨度和線性特性，本次工程采用無人機＋BIM 配合的技術方案，全面探索市政項目基于全過程工程咨詢管理的高收益應用場景及其應用價值，同時發現存在的問題并妥善加以解決。

2 無人機＋BIM 應用平臺的搭建

2.1 無人機及配套軟件的選取

無人機采用大疆系列精靈 PHANTOM4 RTK，其實時動態（Real-Time Kinematic，RTK）定位技術指標如下：水平定位精度為 1 cm＋1 ppm，垂直定位精度為 1.5 cm＋1 ppm，平面建圖絕對水平絕對精度為 5 cm。

三維建模軟件選用 ContextCapture、Pix4D，平面圖處理軟件選用 Adobe PhotoShop CC 2018，并配套相應的視頻處理軟件。計算平臺配置如表 1 所示。

表1 計算平臺配置

2.2 無人機數據采集

目前利用無人機進行全景測繪主要分為外業數據采集和內業數據處理兩個過程。外業數據采集是無人機及 BIM應用開展的基礎，其數據質量直接影響后期的絕大部分工作內容[11]。

外業數據的采集目前尚不能實現全自動化作業，采集過程中存在很多不確定因素，如磁場、亂流風等，其數據采集質量很難達到理想狀態。如若某區域數據缺失或發生整體偏移，則要補全或整體處理圖像數據；同時還需根據項目需求采集信息，以輔助地面移動雷達等設備的工作。

目前國內使用相應的應用軟件對無人機采集的數據進行處理，應用時間較短且缺乏自主軟件，而模型產生對軟件的依賴性較強，其輸出速度和質量又因模型的差異而略有不同。若外業數據越精準、融合數據源越多，則模型的質量也越高。

2.3 BIM 模型

設計及相關方應用三維正向設計難度大且采用傳統二維出圖，因此需要后期建模。為保證模型的通用性，采用 Revit 進行建模。Revit 作為一個集成的 BIM 模型應用平臺，在國內應用基礎較好。由于該軟件基于自定義族的模型制作機制，在沒有基礎族數據庫的前提下進行模型制作，對建模人員要求較高，人力成本投入較大。

2.4 協同平臺

運用“魯班工廠”客戶端實現項目資料共享，可同時在電腦端和移動端實時查看，定時更新無人機數據及相關資料（如進度、安全問題等）。使用“晨越云平臺” 進行信息云共享，可提高溝通效率（如定期上傳項目管理情況），以便集團總部工程師定期審核，并就相關問題進行協調溝通，確保工程管理的質量。

3 無人機＋BIM 在工程上的應用

結合現有 BIM 技術應用經驗，考慮項目相關人員技術儲備，制定了大致應用流程（見圖 1）。其中，無人機在BIM 平臺的輔助下開展了大量工作，如設計方案優化、進度管理、工程量計算與復核以及施工安全文明管理等。

圖1 無人機＋BIM 應用流程

3.1 設計方案優化

市政基礎設施項目的空間跨度大，在設計階段需要考慮諸多因素，因此基于二維信息的優化方案存在一定的局限性。通過無人機對項目情況進行航拍，生成高分辨率正射影像，并對關鍵節點進行實景建模，使各參建單位能充分了解地面構筑物并對照現有方案進行研討，以確保方案的可行性。

本項目為二期項目，其中初步設計方案已經完成。在項目實施之初，運用無人機采集近期圖像，對已有方案和變更方案進行比對，在 5 個工作日內即完成了一處規劃道路的修改，節約拆遷及土方平衡費用近 800 萬元。

3.2 進度管理

項目的空間跨度大、涉及專業多，若依靠傳統的管理手段實現對項目進度的精準把控，則要投入較大的人力資源及時間成本。運用無人機定期對施工現場進行拍攝和建模，結合各標段提供的信息用文字和圖形標注工程進度，再通過 BIM 協同平臺將進度資料發放至指揮部和各施工管理單位，為施工管理提供了一個直觀依據，操作簡便且收益高。

3.3 施工輔助

在施工前期，運用無人機＋BIM 技術進行結構工程量和土方工程量計算。采用 BIM 模型在施工階段計算所需材料，借助動畫演示關鍵節點施工工藝，同時為造價工作提供計算輔助；運用無人機對現場進行實景建模，估算土方工程量。目前，運用 BIM 模型直接進行造價計算尚存在各參建方對數據認可的問題，但可作為造價人員的參考數據。

在施工后期，對于不便檢查的節點，可運用無人機拍攝視頻和圖片進行輔助表觀質量檢查，為工程管理人員提供便利。

3.4 施工安全文明督察

市政項目不僅空間跨度大，還涉及較高的構筑物，依靠管理人員巡查耗時耗力。無人機可隨時對施工現場進行督察、采集視頻和圖像資料、發現并識別問題，同時將信息上傳至 BIM 協同平臺，督促相關單位整改，并將整改結果進行反饋，形成一個管理閉環。

4 應用分析總結

4.1 方案的最優化

以往的方案設計多數參照二維的地形數據，存在兩個問題：一是數據時效性差，測繪時間早，無法真實反應現階段現場的實際情況，容易導致方案的不合理并造成不必要的浪費；二是傳統設計參照較低精度的三維信息，特別是在工程量土方估算上存在較大誤差，無法對方案作出最合理的優化。

利用無人機測繪技術，能較好地彌補以上不足，為方案設計提供符合實際、切實可行的優化建議。

4.2 提高工程管理質量和效率

傳統的項目管理信息來源單一，整個過程存在信息失真及反饋不及時、刻意遮蔽的問題。無人機＋BIM 技術在原來的管理流程上增加了信息來源，且提升了信息的真實性，為工程管理人員特別是決策人員提供了便利。工程人員可利用實景三維模型查找項目安全隱患，如河道邊坡坍塌及不合理堆放等，通過協同平臺督促整改，整體上提高了工程管理的質量和效率。

4.3 為造價工作提供便利

BIM 模型本身自帶工程量屬性，但在具體應用時往往與實際存在誤差。結合無人機拍攝的影像資料，能快速把握實際施工進程，為工程量簽證及校核提供依據，極大地減少現場踏勘的時間成本。

5 存在的問題及解決思路

5.1 技 術

5.1.1 無人機建模精度

無人機技術雖然已經很成熟，但由于在工程中還存在一些應用問題，如數據采集的質量很容易受到外界的影響、既有處理技術不能完全消除誤差、高精度設備的購置成本和建模時間成本較高等，目前在實際應用中仍有所受限。

因此，工程應用人員在實際工作中，一方面應制定基于環境和設備的標準作業指導流程，以提高外業數據質量；另一方面還需要避免過度依賴建模軟件的“黑箱”建模流程，努力探索無人機數據的前處理技術和其他有效針對誤差的處理技術。

5.1.2 應用軟件

目前 BIM 產業正處于高速發展階段，但應用軟件繁雜、成熟度不盡相同。各大軟件平臺都對建筑信息化給出了各自不盡完整的解決方案，旨在滿足不同的效率、應用深度和生命周期。隨著技術框架的擴展，涉及的軟件還會增加。目前市面上 BIM 涉及到的軟件大體分類，如表 2 所示。

表2 軟件生態

目前軟件功能重疊，各公司發展方向各不相同。隨著企業的整合，優秀的服務商將形成生態閉環。因此，在選擇軟件前，應提前根據項目特點，規劃具體的應用方案，從應用實際收益出發，讓軟件真正體現其使用價值。

5.1.3 硬件要求

無人機數據作為 BIM 框架新引入的一個數據源，其數據量巨大，計算建模對平臺要求高。目前對于大計算量的項目，其應用場景會受到硬件的限制。未來隨著其他數據的接入，BIM 模型的數據量會逐步增大，BIM 應用將不得不考慮硬件支持這一現實因素。

目前可通過集群運算、云服務器等方式提高系統的綜合運算能力，從而擴展應用邊界。

5.2 應用環境

5.2.1 BIM 應用

傳統作業流程才剛完善，新技術發展速度又太快，很多從業人員對數據的概念不清晰，BIM 應用在邏輯上比較混亂[12]，業主沒有明確的應用規劃，缺乏切實的管理方案。許多技術華而不實，增加了工作人員的工作內容，但其輔助作用有限，存在過度追求領導層的非技術性參與，造成了資源浪費且收益不高，降低了技術人員對 BIM 及相關新技術的學習熱情[13]。

基于此，應避免過度追求高階 BIM 應用，從實際出發，首先實行低投入、高收益的技術方案，然后逐步進行技術積累。

5.2.2 應用的生態鏈

相關的生態鏈企業未能達到較高的信息化程度，各自產生的數據沒有進行整合便丟失，因而產生很多死數據。各參建方按照傳統的工作流程開展工作，從方案設計到施工落地，都存在許多重復性勞作。同時，相關產業鏈數據未被整合，既無法凸顯 BIM 技術應用過程中所呈現的“飛輪效應”，也無法讓項目實施過程中的技術落地高于預期，導致很多技術人員將 BIM 技術視為雞肋。

BIM 生態正在不斷完善。企業應規范自身的 BIM 標準，提升 BIM 數據質量，為完善 BIM 應用生態鏈、降低BIM 應用邊際成本、增大 BIM 技術收益做好準備。

5.2.3 政策導向

在政府層面，目前針對 BIM 技術應用還鮮有強制性規定出臺，多以鼓勵為主，且缺乏應用資金的支持。中小型企業在應用 BIM 技術過程中，由于應用條件不足，投入產出率很低，短期內很難出現大量使用的情況。

未來，隨著相關成熟條例的出臺、模型知識產權保護工作的加強、權責問題的修正和獎懲制度的完善， BIM 技術的應用將更加廣泛和深入。

5.2.4 價值生命周期

數據價值生命周期短，是 BIM 技術應用受限的主要原因之一。目前國內中小型企業的 BIM 模型數據在工程結束后缺乏完善的后期應用規劃，市場也缺乏成熟的后期 BIM應用生態。

提高 BIM 數據的應用周期，是當前開展其他 BIM 項目的一個重要問題。因此，企業在 BIM 應用的同時，還應對BIM 技術后期應用進行理論研究和技術研發，以加強數據庫和數據資產的運維建設。

6 應用展望

本項目采用無人機＋BIM 的技術組合，是對 BIM 的一次技術擴展。當前 BIM 技術仍在飛速發展，此類情況還會頻繁出現，也將會有新的突破，具體如下。

（1）多數據源耦合分析。BIM 技術數據源一直在擴展，模型不斷在接近現實，數據噪聲多。從有限因素綜合分析到利用 AI、神經網絡等多因素耦合成本及收益分析，將是未來工程的常態。這需要經過一個很長的過程。

（2）無人機功能復合。當前無人機在工程上的應用還處于單機人機協同作業、單向數據輸入的階段。未來無人機將向群體、自動起航和互動的作業方式發展，在工程中擔任常態化角色。

（3）助力國際工程。隨著全球化的深入發展，中國的基建技術必將加速走向國際，并在“一帶一路”倡議下，加速沿線各國的經濟增長和城市化進程，國際工程將大幅增多。值得注意的是，與國際工程相關的規范存在不一致、施行時溝通復雜的弊端。BIM 技術憑借三維可視化交互、能與各專業共同協作的特點，將為國際工程的實施帶來更大的經濟效益。

（4）項目全過程管理。本項目的 BIM 技術應用服務于全過程工程咨詢管理工作，作為需要各方相互配合的綜合技術，需要一個專業的協調方案來完善 BIM 模型[14-15]。筆者認為，全過程工程咨詢公司將 BIM 技術貫穿于整個項目周期，通過統籌規劃、專業維護和多方控制，將更好地激發BIM 技術的應用價值。

7 結 語

晨越建管集團將無人機＋BIM 技術應用于市政項目的全過程工程咨詢管理工作中，打破了一貫的大而全、高而尖的 BIM 應用思路，結合市政項目特點，探索出一套低技術投入、高經濟收益的應用流程，在方案設計階段、施工階段和驗收階段提供輔助，極大地節約了時間成本，產生了良好的經濟效益，繼而為類似工程的 BIM 應用提供了新思路。

當然，目前 BIM 在技術上和應用環境上依然存在很多問題，如落地缺乏現實條件等，且在短時間內無法克服。為此，BIM 的應用者應循序漸進，結合應用條件，選擇合理的應用深度，在努力平衡收益與投入的同時，牢牢把握技術發展方向并完成對技術的積累，從而提高 BIM 模型的應用價值。