李茜

摘要： 建筑信息模型（BIM）被認(rèn)為是提高建筑行業(yè)生產(chǎn)力的關(guān)鍵技術(shù)。但是，目前還很少有將建筑項(xiàng)目全生命周期內(nèi)不斷變化的工程信息集成到BIM平臺(tái)中的解決方案。作為自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的無人機(jī)可以作為BIM與和現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的橋梁。本文對(duì)無人機(jī)和BIM融合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀中的現(xiàn)存問題進(jìn)行了分析，提出了技術(shù)應(yīng)用方案和改進(jìn)措施，基于以上研究成果構(gòu)建了UAV-BIM在建筑行業(yè)中的創(chuàng)新價(jià)值鏈框架，為物理信息系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

Abstract： The Building Information Model （BIM） is regarded as the key technology to improve the productivity of the construction industry. However， there are few solutions to integrate engineering information that is constantly changing in the whole life cycle of the construction project into the BIM platform. As an automated data acquisition platform， Unmanned Aerial Vehicle can serve as a bridge between BIM and the real environment. In this paper， the existing present situation problems of the fusion technology of the Unmanned Aerial Vehicle and BIM are analyzed， and the technical solutions and improvement measures are put forward. Based on the above research results， this paper constructs an innovative value chain framework of UAV-BIM fusion technology in the construction industry. This paper provide certain reference value for the application of the physical information system in construction field.

關(guān)鍵詞： BIM；無人機(jī)；應(yīng)用；建筑工程；創(chuàng)新價(jià)值鏈

Key words： BIM；Unmanned Aerial Vehicle；application；constructional engineering；innovation value chain

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）21-0109-03

0 引言

近年來，制造業(yè)和建筑業(yè)之間的生產(chǎn)力差距顯著增加。這種差距產(chǎn)生的主要原因就是制造業(yè)正逐步采用集成計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和傳感器的物理信息系統(tǒng)來提升本行業(yè)的生產(chǎn)效率。與施工現(xiàn)場(chǎng)大多是臨時(shí)性的建筑業(yè)相比，制造業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)發(fā)生在裝備精良的工廠，可以為發(fā)展和長(zhǎng)期使用物理信息系統(tǒng)提供便利條件。如果在建筑行業(yè)內(nèi)采用這種高效、綜合的物理信息系統(tǒng)，就可以為不同的項(xiàng)目參與方實(shí)時(shí)傳遞不斷變化的各階段工程信息來進(jìn)行協(xié)同工作，改變工作模式，從而提升生產(chǎn)效率。近年來，在我國(guó)快速發(fā)展起來的BIM技術(shù)為物理信息系統(tǒng)在建筑業(yè)中的應(yīng)用提供了可行性[1-2]。

由于BIM軟件與各種安裝在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控、測(cè)量傳感器之間還不能進(jìn)行有效的直接連接，需要人工采集的方式將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)輸入到BIM平臺(tái)中。因此，目前BIM技術(shù)僅適用于設(shè)計(jì)階段，還不能夠直接應(yīng)用到環(huán)境不斷變化的施工階段，因此需要一種作業(yè)模式靈活、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為BIM平臺(tái)和現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的橋梁。近年來，無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展，憑借其靈活、高效的優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)成為提高建筑行業(yè)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素[3-4]。建筑業(yè)中所采用的無人機(jī)并不是用來直接進(jìn)行建筑生產(chǎn)活動(dòng)的，而是一種集成不同傳感器用來采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)，UAV所采集的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)紹IM平臺(tái)中，用來代替低效、耗時(shí)并易出錯(cuò)的人工采集方式。

基于國(guó)內(nèi)外大量的文獻(xiàn)和應(yīng)用實(shí)例調(diào)研，本文對(duì)UAV和BIM融合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀中的現(xiàn)存問題進(jìn)行了分析，提出了技術(shù)應(yīng)用方案和改進(jìn)措施，基于以上研究成果構(gòu)建了UAV-BIM在建筑行業(yè)中的創(chuàng)新價(jià)值鏈框架，為物理信息系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 UAV與BIM融合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 UAV發(fā)展中的法律障礙

由于UAV產(chǎn)業(yè)在發(fā)展前期并沒有受到多少限制，民用UAV在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了快速應(yīng)用，但是也帶來了諸如失控墮落、侵犯隱私、竊取機(jī)密等隱患，這也迫使各國(guó)政府強(qiáng)制執(zhí)行新的法律法規(guī)來監(jiān)管UAV。例如，在美國(guó)，聯(lián)邦航空管理局禁止公司出于商業(yè)目的使用UAV，需要申請(qǐng)?zhí)囟ǖ脑S可證才能使用UAV。在法國(guó)，申請(qǐng)UAV航線必須：①遠(yuǎn)離特定區(qū)域；②提供一個(gè)清晰和安全的地面區(qū)域；③避免在城市地區(qū)上空飛行；④站在安全駕駛員的視線之內(nèi)[5-6]。我國(guó)部分省市已經(jīng)對(duì)民用UAV監(jiān)管開展了探索實(shí)踐，例如，重慶禁止UAV在機(jī)關(guān)企事業(yè)上空飛行；廣州市政府制定了民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)管理辦法草案；哈爾濱在機(jī)場(chǎng)周圍設(shè)置矩形禁飛區(qū)等[7]。民用UAV監(jiān)管法律問題的亟待解決，對(duì)UAV在建筑業(yè)內(nèi)的健康發(fā)展至關(guān)重要。

1.2 UAV的硬件限制

建筑行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的UAV應(yīng)該是一種集成多種傳感器的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，這些傳感器包括：高度和距離傳感器、三維激光掃描傳感器、高清照相機(jī)和攝像機(jī)等，如何將這些傳感器在互不干擾的條件下進(jìn)行有效集成是UAV硬件方面面臨的一個(gè)主要問題。同時(shí)，由于UAV上所攜帶的應(yīng)用傳感器增多，也增加了有效負(fù)荷，這對(duì)目前主流的四軸旋翼UAV的電池來說也是一種考驗(yàn)，需要保證有效負(fù)荷與飛行持續(xù)時(shí)間之間的平衡。另外，如果在室內(nèi)使用UAV進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也要考慮UAV的尺寸不能太大，這也影響到了電池所能提供的續(xù)航時(shí)間。

1.3 數(shù)據(jù)采集方式和算法

目前，UAV采集數(shù)據(jù)的方式主要分為兩種：①3D激光掃描，可以提供BIM模型所需要的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)；②高分辨率的照相機(jī)或攝像機(jī)，可以通過后期處理軟件直接轉(zhuǎn)換成建筑三維模型。但是，這兩種方式還不能提供實(shí)時(shí)更新的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和更詳細(xì)的局部細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，這就要求在以上兩種方式中采用更先進(jìn)的圖形處理單元（GPU）和更高質(zhì)量的傳感器，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行更高效的計(jì)算。這也是阻礙UAV在建筑行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的瓶頸問題之一。

1.4 UAV與BIM軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

由于UAV采集的數(shù)據(jù)類型與BIM軟件所能識(shí)別的數(shù)據(jù)類型不同，因此UAV一旦采集完數(shù)據(jù)就應(yīng)該通過相關(guān)插件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這類插件起到了橋梁作用。但是，目前國(guó)內(nèi)外研究人員主要都集中在開發(fā)基于BIM的新的建模軟件，而在這方面的研究較少，這也限制了UAV的應(yīng)用。

2 UAV在建筑工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用方案

2.1 在設(shè)計(jì)階段：將工程所在地的實(shí)際情況整合到BIM模型中

與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和航空攝影相似，UAV在建筑行業(yè)內(nèi)主要還是進(jìn)行室外作業(yè)，這就完全依賴于機(jī)載GPS導(dǎo)航或駕駛員高超的技能。在初始設(shè)計(jì)階段，可以利用UAV對(duì)施工階段的建筑工地周圍場(chǎng)景進(jìn)行三維掃描，并將這些場(chǎng)景整合到設(shè)計(jì)階段的BIM模型中，另外也可以引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)整個(gè)建筑工地場(chǎng)景進(jìn)行鳥瞰漫游。

2.2 施工階段：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自主和定期的監(jiān)測(cè)

對(duì)施工階段進(jìn)行定期和自主監(jiān)測(cè)是現(xiàn)場(chǎng)工程師日常工作的一部分。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要是由施工單位工程師、監(jiān)理工程師或第三方的測(cè)量工程師以照片、excel表格或其它方式進(jìn)行采集，但是并沒有集成到一個(gè)綜合的管理系統(tǒng)中，而BIM技術(shù)可以將所有數(shù)據(jù)連接起來，為建設(shè)項(xiàng)目各方參與人員的協(xié)同工作提供了很好的平臺(tái)。但是，BIM模型所需要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)仍然是人工采集方式，耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而應(yīng)用無人機(jī)可以解決這個(gè)問題。

UAV在施工階段的應(yīng)用主要有以下三種方案：

①可以將3D激光掃描儀安裝在無人機(jī)上，利用無人機(jī)的靈活性對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位采集。②對(duì)已經(jīng)建成的構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入到4D BIM軟件中，但是由于目前UAV的安全自主導(dǎo)航技術(shù)還不成熟，飛行高度的調(diào)整仍需要GPS，因此還不能應(yīng)用到室內(nèi)構(gòu)件的監(jiān)測(cè)中。③UAV還可以對(duì)機(jī)械設(shè)備、材料和臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和跟蹤，例如，可以跟蹤腳手架和塔式起重機(jī)的安裝高度、監(jiān)測(cè)材料的剩余用量以提高庫(kù)存管理水平。

2.3 施工階段：提高施工機(jī)械的自動(dòng)化水平

由于無人機(jī)可以提供施工現(xiàn)場(chǎng)的全景鳥瞰圖，可以將部分建筑施工機(jī)械改裝成自動(dòng)化機(jī)器人與UAV協(xié)同工作，例如可以將推土機(jī)改裝成自動(dòng)推土機(jī)，無人機(jī)與其連接，并提供實(shí)時(shí)的地形、高度等周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，指揮自動(dòng)推土機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行精確施工。

3 UAV-BIM創(chuàng)新價(jià)值鏈應(yīng)用框架

UAV與BIM技術(shù)是建筑行業(yè)中新的生產(chǎn)要素，兩者的融合可以為建筑企業(yè)創(chuàng)造更多的增值活動(dòng)，帶來新的創(chuàng)新價(jià)值鏈。表1分析了UAV在建筑全生命周期中的創(chuàng)新價(jià)值鏈框架，對(duì)UAV在用戶需求、現(xiàn)有解決方案、無人機(jī)附加值、現(xiàn)有成果和需要填補(bǔ)的技術(shù)差距方面進(jìn)行了總結(jié)和分析。目前，基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)進(jìn)行室外作業(yè)已經(jīng)是一項(xiàng)很成熟的技術(shù)。但是，利用UAV在全生命周期內(nèi)對(duì)建筑內(nèi)部各個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量短時(shí)間內(nèi)還很難實(shí)現(xiàn)，這需要進(jìn)一步開發(fā)自主導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)可以利用4D-BIM模型提供室內(nèi)詳細(xì)的“地圖”數(shù)據(jù)，為UAV在室內(nèi)的自主航行提供導(dǎo)航。

4 結(jié)論

無人機(jī)已經(jīng)被廣泛用于勘察設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)的室外作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和管理。但是，由于建筑項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜、空間擁擠和人機(jī)材流動(dòng)性大，UAV在建筑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用還較少，為了能夠使UAV真正提高本行業(yè)的生產(chǎn)力，本文對(duì)UAV與BIM融合技術(shù)的創(chuàng)新價(jià)值鏈進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為UAV可以作為一種集成多種傳感器的自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)，并將所采集的不斷變化的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與BIM平臺(tái)進(jìn)行有效連接，促使不同項(xiàng)目參與方進(jìn)行協(xié)同工作，以提高生產(chǎn)力。

UAV還需要在以下兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新：①在擁擠的室內(nèi)環(huán)境中執(zhí)行自主航行作業(yè)；②將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成到BIM綜合管理平臺(tái)中。

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