基于無人機影像+BIM 技術(shù)的小高層外立面檢測應用

馮 斌

（紹興職業(yè)技術(shù)學院 建筑與設計藝術(shù)學院，浙江 紹興 312000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，小高層建筑不斷增加，但因缺乏對小高層進行定期檢查、維護、保養(yǎng)和初期病害問題的修繕治理，致使大量的小高層在投入使用5 ～8 年后即出現(xiàn)比較嚴重的滲漏水、外墻保溫材料或飾面材料起殼、脫離及其他病害問題。甚至有些住宅交房1 ～2 年就開始修修補補。小高層建筑外墻病害如圖1 所示。近年來，小高層外立面高墜事故不斷出現(xiàn)，已經(jīng)嚴重威脅到人們的生命財產(chǎn)安全[1]。因此，對小高層外立面進行檢測和維護顯得尤為重要。隨著無人機傾斜攝影技術(shù)精度的逐步提高，其建模質(zhì)量趨向穩(wěn)定。利用無人機對區(qū)域內(nèi)的一些小高層進行“體檢”，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，進行整改和修繕。相比傳統(tǒng)的檢測方法，無人機影像具有用途廣泛、成本低、使用方便等特點[2]。同時，應用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的信息化功能和可視化功能，對小高層修繕構(gòu)件的模型進行特殊標記，標記“裂縫、脫落、滲漏、空鼓現(xiàn)象”等狀態(tài)，能夠簡化修繕工作，提高工作效率。

圖1 小高層建筑外墻病害

1 無人機影像技術(shù)概述

無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。與有人駕駛的飛機相比，無人機具有體積小、造價低的特點，適合“危險”的任務。無人機航拍技術(shù)以無人機為空中平臺，融合遙感設備，進行視頻影像傳輸、衛(wèi)星定位、高空拍攝，最后通過計算機進行圖像處理，形成高精度的圖像。無人機傾斜攝影技術(shù)與傳統(tǒng)的無人機航拍不同。無人機傾斜攝影是在一個飛行器上搭載多個拍攝設備，同時從前、后、左、右以及垂直向下5 個不同角度、方向采集觀察物體的豐富信息，然后通過高精度的數(shù)據(jù)處理，全面探測復雜的場景，最終得到真實的效果和位置等信息[3]。

2 BIM 技術(shù)概述

BIM 技術(shù)最早起源于美國，是利用軟件構(gòu)建虛擬的三維模型，為工程建設提供項目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型。BIM技術(shù)的優(yōu)點有：可視化，項目設計、建造、運營過程中的溝通都在可視化的狀態(tài)下進行，讓線條式的構(gòu)件形成三維實物，構(gòu)件之間形成一種互動性和反饋性；協(xié)調(diào)性，各方協(xié)調(diào)（包括業(yè)主、設計、施工），各專業(yè)協(xié)調(diào)（土建、機電）；模擬性，BIM可以進行模擬實驗，如施工進度、節(jié)能模擬、日照模擬、熱能傳導模擬等，還可以進行5D 模擬，從而實現(xiàn)成本控制；優(yōu)化性，建筑復雜程度較高時，BIM模型提供建筑物的幾何信息、物理信息、規(guī)則信息等；可出圖性，BIM 可以出具各專業(yè)圖紙，使工程表達更加詳細。

3 無人機影像+BIM 技術(shù)在小高層外立面檢測中的應用

3.1 項目概況

紹興市某小高層建筑項目共9 層，建筑高度27 m。建筑性質(zhì)為小高層建筑，耐火等級二級，抗震設防烈度6 度。防雷類別三類，屋面防水等級為1 級，外墻外保溫使用年限25 年。目前，該小高層外墻飾面出現(xiàn)大面積脫落、飾面材料起殼脫離等問題，如圖2 所示。2023 年3 月，該小高層建筑發(fā)生外墻高空墜物事件，甚至出現(xiàn)了人員傷亡情況。為了更高效、更全面地對小高層外立面進行檢測和維護，無人機影像+BIM 技術(shù)的應用變得越來越重要。

圖2 紹興某小高層建筑外墻問題

3.2 無人機影像檢測

3.2.1 外業(yè)作業(yè)

無人機影像檢測的外業(yè)工作主要包括航測范圍確定、航線規(guī)劃和參數(shù)設定、傾斜三維攝影采集等環(huán)節(jié)。首先確定航測范圍，需要現(xiàn)場調(diào)研合適的起飛地點、降落地點和天氣資料，確定飛行時間。航線規(guī)劃和參數(shù)設置，根據(jù)成圖比例尺要求進行基礎設置，設置飛行航高、航向重疊率、旁向重疊率等參數(shù)。返航點對于飛行安全非常重要。如果在飛行過程中，無人機離開了最初的返航點所在位置，可以通過返航點設置刷新返航點。同時要觀察，確保飛機當前所在位置能夠安全降落才可以刷新返航點。如果飛機在障礙物或水面上空，一定不要重新設置返航點[4]。

本文選取的是某小高層小區(qū)9 號樓，航測范圍為小區(qū)。調(diào)查小區(qū)現(xiàn)場，尋找合適的起飛地點，即該小區(qū)7 號樓和9 號樓之間空地。收集天氣氣象資料，天氣晴天，合理制定飛行時間，照片比例設置為3 ∶2，曝光模式設置為自動。根據(jù)測區(qū)內(nèi)最高建筑物為9 號樓小高層（高27 m），設置相機傾斜角度為60°，飛機飛行航高設為100 m，航向重疊率設置為80%，旁向重疊率設置為70%。本次作業(yè)測區(qū)共拍攝500 張航空影像。傾斜攝影任務設置如圖3 所示。實地航飛過程中，無人機按照設定位置，相機將會按所對應點坐標和角度進行實際拍攝。作業(yè)人員在空地組裝無人機，進行上述參數(shù)設定，最后進入航測作業(yè)。無人機將按照上述飛行方案的航線進行空中拍攝，作業(yè)人員需要觀察無人機位置及實時飛行參數(shù)，如遇特殊情況，提前手動設置返航。最后進行航飛數(shù)據(jù)檢查，對不合格的區(qū)域進行補飛。傾斜攝影數(shù)據(jù)直接影響最終的實景三維模型。

圖3 傾斜攝影任務設置

3.2.2 內(nèi)業(yè)作業(yè)

本節(jié)借助ContextCapture 軟件進行三維建模。該軟件可以運算生成基于真實影像的超高密度點云，可以使普通照片經(jīng)濟、高效地生成最具挑戰(zhàn)性的現(xiàn)有條件三維模型。ContextCapture 軟件無須人工操作，能夠全自動生成實景三維建模，并且能夠保證真實色澤、幾何形態(tài)及細部構(gòu)造，從而完成傾斜攝影數(shù)據(jù)到三維模型的過程。

ContextCapture 三維建模方法具體步驟是：新建文件→導入照片→導入POS 數(shù)據(jù)量→導入控制點數(shù)據(jù)并刺點→空間三角測量→模型創(chuàng)建。其中，空中三角測量的精度直接決定了后續(xù)三維建模產(chǎn)品的精度[5]。按照上述實驗步驟構(gòu)建的三維模型如圖4所示。

圖4 三維模型

采用無人機技術(shù)對住宅外立面進行定期檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)住宅外立面的裂縫、脫落、滲漏、空鼓等問題，可在較短的現(xiàn)場檢測時間內(nèi)獲得更為全面的檢測結(jié)果，最終得到更真實的效果和位置等信息，大大降低檢測難度，還能提高檢測的精度效率，方便工作人員及時進行整改和修繕，從而保護人們的生命財產(chǎn)安全。

3.3 BIM 技術(shù)

3.3.1 BIM 模型創(chuàng)建

創(chuàng)建BIM 模型，首先要進行圖紙分析。結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)、機電各專業(yè)的圖紙進行分析，了解建筑功能分區(qū)，獲取柱、梁、板、墻等尺寸和位置，掌握機電各專業(yè)管線設計布局，各管線尺寸、數(shù)量和路徑，并綜合考慮層高和凈高的要求，初步進行圖紙優(yōu)化。結(jié)合各個專業(yè)的圖紙和住宅建筑機電管線綜合的要求，使用BIM 技術(shù)。標高和軸網(wǎng)的繪制是三維模型建立的基礎。新建一個建筑樣板，創(chuàng)建標高，在“項目瀏覽器”里選擇立面。任意選擇一個立面（東南西北中任意一個），如“南立面”，打開南立面視圖，繪制小高層項目的標高。本次項目層高為3 m，共11 層，設置屋面標高和屋頂標高。然后在“視圖”→“創(chuàng)建”→“平面視圖”中，將所有標高都添加到樓層平面，這樣就完成了模型創(chuàng)建[6]。根據(jù)首層的軸網(wǎng)布置圖，在“項目瀏覽器”中雙擊“標高1”視圖，在樓層平面標高1 里面繪制軸線。選擇“軸網(wǎng)”命令，對軸網(wǎng)進行“屬性”設置。對軸線的兩端編號需要進行設置，在“編輯類型”里面，勾選“兩端編號”。

之后建立柱、墻、門窗和樓梯。在首層平面圖中，點擊“建筑”選項卡下面的柱墻、門、窗和樓梯，創(chuàng)建與實際相符的材質(zhì)顏色等構(gòu)件族。這些構(gòu)件族也可以保存后載入到其他不同的項目中使用。然后建立樓板、梁和屋頂，根據(jù)平面圖要求，點擊樓板，修改樓板的屬性參數(shù)。本項目采用120 mm 厚的鋼筋混凝土樓板。后續(xù)構(gòu)件同樣按照圖紙要求進行創(chuàng)建。

3.3.2 信息化功能應用

利用BIM 的信息化功能，可以對小高層修繕構(gòu)件的模型進行特殊標記，如“裂縫、脫落、滲漏、空鼓現(xiàn)象”等狀態(tài)，簡化修繕工作，提高工作效率。例如，若外墻出現(xiàn)裂縫，如圖5 所示，進行模型的特殊標記，并定義特殊顏色，在特定的渲染模式下可以直觀顯示。以數(shù)字化方式協(xié)助修繕工程現(xiàn)場工作，能夠簡化原有外墻外立面的修繕情況采集流程，直觀清晰，減少工作失誤。在修繕施工的過程中，工作人員可對構(gòu)件的修復情況進行實時標記，將現(xiàn)場進度同步更新至項目各參與方。

圖5 外墻裂縫標記

3.3.3 可視化功能應用

利用BIM 技術(shù)構(gòu)建可視化場景，能夠為小高層的外立面保護提供參考。將小高層三維模型進行細化及深化后，配合相關(guān)軟件可以進行貼近現(xiàn)實的模擬演示。模型中有構(gòu)件信息，可以對三維模型進行360°擺動以及細部放大縮小等方式觀看，讓項目各方可以對建筑整體及細節(jié)都有了解，增加業(yè)主或相關(guān)人員的真實觀感。小高層三維渲染如圖6所示。

圖6 三維渲染圖

4 結(jié)語

無人機影像技術(shù)和BIM 技術(shù)在小高層外立面檢測中具有很大的優(yōu)勢。無人機影像技術(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)住宅外立面的裂縫、脫落、滲漏、空鼓現(xiàn)象等問題，BIM 技術(shù)以數(shù)字化方式協(xié)助修繕工程現(xiàn)場工作，簡化原有外墻外立面的修繕情況采集流程，直觀清晰，減少工作失誤。因此，借助無人機影像技術(shù)和BIM 技術(shù)對小高層建筑進行“體檢”，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，進行整改和修繕，對保障人們的生命財產(chǎn)安全具有重要意義。