無人機在建筑業中的應用（一）

符長青

建筑業生產是人類社會最古老、最活躍的生產建設活動之一。在世界上每一個國家的城市化和工業化發展過程中，建筑業都是迅速發展的行業。本文闡述先進無人機在建筑領域的運用，為科學有效的管理體系構建和建筑業生產經營的效率提升提供參考。

建筑行業的定義

建設工程的定義包含建筑工程、土木工程、管道線路與設備安裝工程、裝修工程等內容。其中，建筑工程是指，為新建、改建或擴建房屋建筑和附屬建筑設施，工程技術人員開展規劃、勘察、設計、施工、竣工等工作并完成工程實體建設。房屋建筑工程是人們最熟悉的工程，房屋是指有屋頂、梁柱、墻壁、基礎設施、內部空間的建筑物，滿足人們生產、生活、公共活動的工程實體，包括廠房、劇院、旅館、商店、學校、醫院和住宅等建筑。

建筑行業簡稱建筑業，涉及建筑工程項目設計、施工、裝修、管理等多個層面。建筑業生產是勞動者利用機械設備與工具，按設計要求對建筑對象進行加工和制作，從而生產出滿足要求的產品。它具有工業生產的特征，而且擁有許多不同于一般工業生產的技術和經濟特點，因而是一個獨立的生產部門。

建筑產品的主要特點

1.產品固定在地面上，不能移動。

2.復雜多樣，彼此各異。

3.形體龐大，整體難分。

4.經久耐用，使用期長。

建筑生產的主要特點

1.生產具有流動性。生產機構、人員、設備、工具隨施工位置變化而流動，手工操作比較多。

2.生產針對單件建筑產品。由于建筑產品及其功能要求不同，每個建筑工程項目都有獨特的工程設計和施工組織，產品成本必須單獨核算，產品價格必須單獨確定。

3.生產周期長。生產要長期占用大量的人力、物力和資金。

4.露天和高空作業多。生產過程受自然天氣條件影響大，生產質量和安全問題突出。

建筑業是國民經濟的重要行業，與整個國家經濟發展、人民生活改善息息相關。當前，我國建筑業發展迅猛，如火如荼，遍及全國各個區域，建筑風格新穎多樣，尤其是一些公共建筑，其獨特的造型和結構彰顯出特有的城市個性與風采，成為地標性城市建筑，使地區經濟與文化獲得了一種獨特的魅力。同時，建筑業的發展是我國經濟發展的重要支柱，起到舉足輕重的關鍵性作用。2021年，全國建筑業企業總產值29.3萬億元，比2012年增長1.14倍。

圖1 目前我國建筑業發展迅猛。

無人機的定義

無人機是指機上沒有操控員、安裝了任務載荷的動力飛行器，采用空氣動力提供飛行所需的升力，能夠自動飛行或由操控員控制飛行，具備以下幾方面突出優勢。

1.無人機能出色完成單調枯燥、時間長、強度大的艱苦任務。

2.在惡劣、高危環境下，無人機能勝任核生化環境監測、應急救援等任務。

3.由于機上沒有操控員，無人機在飛行中能完成大過載動作，機動性好，生存能力強。

4.研制、生產和使用成本低，經濟性好。

5.配置靈活，任務多元化，任務模塊可根據實際使用需求而靈活調整。

建筑無人機

專用于建筑業的無人機稱為建筑無人機，它按照建筑業施工作業的要求，執行多種任務，給建筑業帶來了巨大的變化。新一代建筑無人機甚至能取代施工人員，承擔施工工地上最危險或最困難的施工操作。

近年，隨著科學技術的不斷進步與發展，特別是隨著無人機技術的快速發展、民用無人機性能的大幅提升、任務載荷功能的不斷擴展，建筑業正在引進新的無人機技術。2015年，無人機在建筑工地觀察施工現場，節省了時間和資金，提高了施工現場作業的效率和安全性。2018年，無人機在建筑業中的使用大幅增長。實踐證明，建筑無人機的應用簡化了高級施工程序。

無人機在建筑領域的應用

建筑業生產使用無人機，將改變傳統的作業模式，簡化工作流程。無人機憑借機動性高、數據實時傳輸等獨特優勢，能節約勞動力，降低成本，有效提高施工質量、作業效率和施工安全性，非常適合在惡劣、復雜的施工環境下作業，給建筑業生產的工作條件改善、工作效率提升、現代化建筑業生產的快速發展帶來了契機。

圖2 無人機在建筑領域大有用武之地。

圖3 無人機航拍建設中的工程項目。

地形測繪與土地調查

測繪是測量和地形制圖的簡稱。建筑工程的勘察設計與施工階段都需要地形測繪，特別是建筑部門在規劃復雜的大型建筑工程項目時，首先要測量、采集自然地理環境，地面設施的形狀、大小、空間位置及其屬性等要素，并將相關要素繪制成圖，作為建筑工程項目設計的依據，避免工程設計或施工過程出現地形不適合的錯誤。傳統的測繪方法是，測繪人員使用全站儀、水準儀在地面上進行人工測繪，然后根據測量數據，繪制地形地貌圖。這種傳統測繪方法耗時長、工作量大。

無人機測繪與土地調查綜合集成了無人機、傳感器、通信、飛行控制與導航、圖像處理等多學科技術。無人機在空中實時獲取目標區域的地理空間信息、施工現場及周邊環境的高分辨遙感數據，通過通信系統將這些數據傳給影像處理系統，影像處理系統再對無人機遙感數據進行加工，最后，建筑部門獲得了高質量的地形圖及3D模型。在無人機實際作業中，平均測繪精度為20cm/像素。例如1km2的區域，光電吊艙測到的點可達2500萬個，地形影像更加清晰。

與傳統測繪方法相比，無人機地形測繪與土地調查僅需一名操控員即可完成影像拍攝、數據處理、地形地貌圖制作，具有數據獲取速度快、測繪精確度高、測繪工作量小、成本低、技術含量高等特點。統計資料顯示，無人機測繪作業以及后期數據處理的用時，僅為傳統人工測繪用時的30%。

城市規劃

城市規劃是一種空間地域的規劃，涉及社會發展、城市經濟發展、土地利用、空間布局、各項建設工作部署、具體安排和實施措施等內容。城市規劃需要大量的測繪信息，并制作數字地形模型。城市規劃采用無人機傾斜攝影技術，可以快速獲取城市房屋的外部信息、高程信息、屋頂矢量信息等地物信息。內業人員利用房屋的外框、屋頂坐標等信息，快速生成數字線劃圖（DLG），同時利用無人機測繪信息，對大比例尺土地利用圖、地形圖進行修復，為1:2000、1:5000、1:10000規劃制圖提供經濟、快速的數據源。

規劃地圖采用無人機數字正射影像圖，使規劃內容與周邊環境的關系變得更加清晰。三維城市模型呈現了一種具有三維視覺、聽覺和觸覺的環境，使規劃環境置身于現實環境之中，實現了可視化規劃成果，為相關部門的規劃方案設計、修改及實施提供了有效的信息支持。同時，建筑部門利用基于無人機傾斜攝影技術的正射影像數據和三維模型數據，可以從宏觀和微觀兩個層面對城市進行視察，了解城市環境的每一個細節，非常方便地分析所規劃地段的周邊環境，提高了總體規劃的效率。無人機提供的基礎信息可以幫助城市規劃管理者做出科學的規劃決策，推動城市健康發展。

道路建設

道路建設不是一次性過程，包括道路建設及運營維護兩個階段。無人機機動性高、使用靈活、不受地形限制、環境適應性強，可承擔道路“建、管、養”等任務。實時、準確、具有可比性的3D建模數據對道路施工前期、施工階段及運維階段都至關重要。

1.無人機在道路建設階段的運用

工程技術人員結合無人機航拍影像，完成地質、水文判斷工作，為線路選定、橋渡方案制定、線路勘測設計提供信息支撐，滿足道路設計初測用圖的需求，實現多種專題內容判斷。

2.無人機在道路運維階段的運用

無人機將航拍、計算機視覺、圖像與影像處理、信息管理等技術相結合，替代人工開展道路建設后期的運維工作，持續記錄路面的破損狀況、道路修復后的使用情況。無人機影像數據在泥石流、崩塌、滑坡等調查工作中發揮了重要的參考作用。

橋梁和隧道巡檢

橋梁和隧道在現代四通八達的路網（包括鐵路和公路）系統中的占比較大。為了確保交通運輸安全，橋梁和隧道預防性養護與巡檢極為重要。傳統的人工巡檢方法是，人員使用爬梯、支撐架、橋檢車到達檢測區，依靠肉眼或望遠鏡等輔助工具來檢測橋梁主要結構件的裂縫、開裂破損、露筋銹蝕、支座脫空等病害，以及隧道裂縫、滲漏水等狀況。人工巡檢屬于高空危險作業，不僅效率低、難度大、危險系數高，而且操作難度非常大，存在檢測盲區。特別是大跨高墩橋梁，斜拉橋、懸索橋、鋼管混凝土拱橋等具有特殊結構的橋梁，人工對梁底板、塔柱、索纜、斜拉索、塔頂避雷針等部位進行檢測，難以達到橋梁檢測精度的要求。

圖4 在道路建設階段，無人機為線路選定、橋渡方案制定提供信息支撐。

無人機應用于橋梁檢測，能夠實現空中定點懸停檢測，搭載多種相機對橋梁進行拍攝，實時傳輸航拍影像（見圖5），可消除人工橋梁檢測方法的局限性，使橋梁檢測工作更加安全、可靠。

圖5 無人機在空中檢測橋梁現場。

與傳統人工巡檢方法相比，無人機巡檢具有以下優勢。

1.安全性高

人工巡檢一直是高危險、高成本工作。無人機巡檢完全避免了檢測人員傷亡的可能性，提高了作業的安全性。

2.精確度高

運維人員基于無人機采集的高清影像創建三維模型，定量標出各類缺陷的大小及位置，裂縫精度可達0.2mm。無人機搭載高清攝像機對橋梁病害進行細致的拍攝，大大提高了檢測精準度。

3.效率高

通常，橋梁在建成20年或30年之后，便進入高齡、病害多發期，必須經常接受檢測和維護。無人機對跨度120m的橋塔進行檢測，只需不到15min的時間，大大提高了檢測效率，而人工根本無法在如此短的時間內完成橋梁檢測。

4.檢測范圍廣

無人機按預設航線自主飛行，采集橋梁底部、橋墩、支座、側面、橋塔、橋索等部位外觀的高清影像，檢測范圍廣。

5.成本低

無人機橋梁巡檢所采用的技術均為比較成熟的技術，在其他工業領域早已大規模應用，如導航定位、高清相機與攝像機、無線電遙控遙測等技術，只需給電池充電，沒有其他額外費用，巡檢成本遠低于搭架檢測和橋梁檢測車。

在科技高速發展的今天，人工巡檢橋梁、隧道、路面的傳統方法在不久的將來會被淘汰，取而代之的方法是無人機巡檢。

建筑選址

建筑地選址必須滿足相關部門已批準的城市規劃的要求。一是需要與城市交通、通信、能源、市政、防災規劃和用地現狀條件銜接，并考慮配套設施建設的可能性；二是要與周邊環境和諧共處，減少施工對周圍交通設施的影響；三是盡量保護原生態系統，對腐蝕物和沉積物給予控制，對地表徑流進行科學管理；四是與城市環境保護，風景名勝、文物古跡保護、歷史風貌區保護等規劃相協調。

無人機在建筑選址中的應用非常重要、廣泛。在建筑工程前期的準備工作中，無人機利用航拍與導航定位等技術，輔助人工開展測量放線、場地平整、道路規劃等工作。無人機在空中航拍地形，并向地面工作人員實時傳輸勘測圖像（見圖6），工程技術人員利用無人機傳輸的數據，以更加安全、高效的方式完成建筑工程位置勘測，為建筑師提供全面詳實的大型建筑工程的位置測繪數據。通過無人機任務規劃和3D建模軟件，施工團隊可以輕松且快速地收集各項數據，為建筑工程選址，其中包括周圍已有的建筑物、道路、水源、電力線、管道等基礎設施判釋，為施工便道、用水、供電等需求提供設計參考資料。地形判釋可為擬定施工運輸方案提供依據。航攝影像中的河溝、洪水位點、水坡點等要素的立體判釋資料將為施工現場防洪設計等工作提供支持。

圖6 無人機勘測建筑工程的位置。

工地設備管理

大型建筑工地有許多塔式起重機、混凝土攪拌車、翻斗車、挖掘機、鏟運機、配電箱、木工加工設備（圓盤鋸）、鋼筋加工設備（切割機，調直機，彎曲機）、工程三輪車等常用設備。只有少數簡單工具屬于施工單位的自有設備，大多數設備都是租賃的。在施工過程中，施工團隊需要在工地各施工作業點調用這些設備。一些重要設備由專人負責管理，逐臺跟蹤，管用結合，嚴格監護。由于設備種類和數量多，工地項目經理要掌握和記錄每臺設備在工地上的實時位置、使用效果和維護情況。設備現場管理通常涉及大量而冗長的電子表格，給項目經理的日常管理工作帶來巨大的壓力。

項目經理使用無人機管理工地設備，可以定時或不定時地放飛無人機對設備進行監視，利用無人機在工地上空航拍的圖片或實時影像，可快速檢查設備是否真正位于實時需要、足夠安全的位置，清楚掌握設備的實時運轉狀態，并詳細填寫重點設備每日運轉跟蹤手冊及每月運轉工作統計表。當無人機監視畫面出現未經授權的人員靠近或使用設備時，項目經理利用無人機空中喊話器、高分貝喇叭進行空中喊話，以驅離未經授權的人員，防止設備損壞或被盜。另外，項目經理利用無人機傳輸的信息，可以快速找到工地現場中應該終止租賃的設備，從而避免昂貴的意外延期費用支出。

設備出現故障是工地設備管理經常面臨的一個問題。若施工單位不能科學管理施工機械設備，就會直接影響施工安全。因此，施工單位應該合理養護、檢修施工機械設備，確保設備滿足工作規范。無人機可對高空施工設備的工作穩定性和結構件進行檢測（見圖7），為施工單位提供高分辨率檢測圖片和影像。無人機具有數據錄制與遠程訪問功能，可實時展現和記錄故障設備的畫面。通過通信網絡，設備租賃公司的維修技術人員可實時獲取無人機傳輸的設備檢測信息，以便在進入工地現場進行維修前，就能更快速、更準確地診斷故障。

圖7 無人機對高空施工設備（塔吊）進行巡檢。

施工安全管理

施工安全管理是指施工管理者運用經濟、法律、行政、技術、輿論、決策等手段，對人、物、環境等管理對象實施管控，排除不安全因素，以達到安全生產的目的。建筑行業屬于高危行業，施工現場高處作業多、露天作業多、體力勞動多、立體交叉作業多等因素容易導致人員傷亡事故。統計資料表明，在施工過程中，跌倒而死亡的人數約占事故死亡率的39%。例如人工測量，工人必須爬到一定高度并在危險條件下進行測量操作。針對此應用場景，無人機完全可以替代人工進行測量操作，既可消除施工人員在施工現場面臨的風險，又能夠提高測量精度與效率。

建筑工地之所以會發生施工安全事故，關鍵原因在于工地上存在一些事故隱患或危險源。因此，項目經理和施工安全員必須首先確定不安全的因素，然后采取措施消除或嚴格控制事故隱患和危險源，制定科學的防范規章制度來管理和控制各項風險。在施工開始時，施工安全員可使用無人機對施工現場進行空中實地勘察，對無人機獲取的有可能導致事故發生的相關信息進行準確而客觀的分析和評價，確定可能存在的各種隱患和危險源，編寫隱患和危險源清單，以此清單作為安全防范的前提條件，合理制定安全風險防范策略，確保工程項目安全實施。例如，在建筑項目施工過程中，施工人員通常會在建筑平臺板、腳手架等設施施工。因此，施工單位必須保證這些設施的結構和強度符合設計要求，并增設安全防護設施，確保建筑結構、外部結構的安全性和穩定性。施工人員開展高空作業必須系好保護繩，確保生命安全不遭受威脅等。

在施工過程中，施工單位首先應合理制定安全管理制度，劃分清晰的安全生產責任，并落實到人。施工安全員使用無人機對施工現場進行監視和督導，利用無人機在工地上空拍攝的圖片或錄像畫面，實時發現施工現場出現的各種不規范、不安全的施工情況或事故苗頭，并用無人機空中喊話器通知、指導現場工人立即改正，達到及時消除事故隱患、確保施工安全的目的。