中鐵一局集團第二工程有限公司,河北 唐山 063000

近些年來，我國城市化的速度日益加快，各城市建設(shè)突飛猛進，市政工程施工技術(shù)的進步速度也越來越快。市政工程施工影響因素較多，各管線、構(gòu)筑物、公用設(shè)施、綠化景觀和征地拆遷都需要提前籌劃，不重視這些因素就可能導(dǎo)致施工因各種因素影響而延遲[1]。因此，前期調(diào)查及施工籌劃階段要統(tǒng)一排查限制因素，減少施工影響因素，保證工期質(zhì)量。針對市政工程建設(shè)中地形較為復(fù)雜導(dǎo)致傳統(tǒng)的測量技術(shù)效率低下、精度較低且工程量算不準確等問題，文章以唐山市超級綠道工程北新道景觀橋項目為例，結(jié)合BIM技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)為項目提供可靠的三維數(shù)據(jù)模型，以提高項目精細化施工與管理水平。

通過運用無人機傾斜攝影技術(shù)，可對原地貌進行掃描建模得到測區(qū)內(nèi)的三維實景模型。通過運用BIM技術(shù)可構(gòu)建工程實體模型，將工程實體帶入地貌模型，可以直觀地了解工程占地、拆遷地物等影響因素等，提前規(guī)劃、安排場地，并且辦理施工手續(xù)及占道手續(xù)時也能一目了然，能保證施工過程有序進行，從而為順利交工提供保障[2]。

1 研究現(xiàn)狀

隨著市政工程的日益發(fā)展和市政項目建設(shè)標準的提高，BIM技術(shù)在市政工程行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。目前對BIM技術(shù)的研究大部分集中在建筑行業(yè)，市政行業(yè)有關(guān)BIM的研究較少，相關(guān)案例也較少，市政景觀橋梁模型更是少之又少。現(xiàn)僅有楊奇樹[3]對BIM與傾斜攝影技術(shù)在城市道路設(shè)計中的綜合應(yīng)用進行了研究，劉培狀等[4]基于無人機傾斜攝影測量和BIM三維實景模型在水利工程設(shè)計中進行了應(yīng)用，閆文娟等[5]人對無人機傾斜攝影航測技術(shù)與BIM結(jié)合在智慧工地系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了探索，等等。

傾斜攝影三維建模打破了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，但目前仍存在諸多問題。例如：國產(chǎn)化三維建模軟件尚不成熟；對于OSGB等三維數(shù)據(jù)不能直接批量化編輯[6]；傳統(tǒng)三維實景模型只有表面紋理信息，無法存儲、管理和應(yīng)用；項目技術(shù)人員不能很好地利用三維模型對施工情況進行跟蹤與使用，建設(shè)工程項目管理中存在“信息化程度低，監(jiān)管手段落后”等問題。因此，傾斜攝影三維模型也被貼上了“中看不中用”的標簽[7]。

無人機傾斜攝影與BIM技術(shù)的無縫融合，可以實現(xiàn)測量、建筑與地理空間的互通，將環(huán)境信息與建筑信息統(tǒng)一起來，實現(xiàn)從三維地形到三維建筑模型，從而在工程建設(shè)、成本控制、安全監(jiān)管、數(shù)據(jù)分析、決策效率等方面，有效地整合各種資源，實現(xiàn)對工程項目的監(jiān)控管理，是大勢所趨。文章針對生態(tài)廊道工程特點，依據(jù)設(shè)計藍圖、相關(guān)部門特殊要求，將無人機傾斜攝影獲取的三維模型與BIM相結(jié)合進行實體建模，模型能夠滿足工程設(shè)計、建設(shè)和運營三大階段的信息共享和協(xié)同。建立標準化建筑信息模型（BIM），在工程開工建設(shè)前能讓設(shè)計方案的比選有更直觀的展示效果[8]。BIM應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工程施工BIM應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)

2 傾斜攝影測量真三維建模技術(shù)設(shè)計

通過在無人機上搭載GPS接收機和分東、南、西、北、垂直五個角度排列的多臺傳感器，能夠快速獲得地物頂部和四周的紋理影像[9]。將影像和相機參數(shù)文件導(dǎo)入平臺，然后聯(lián)合GPS同步觀測記錄對POS數(shù)據(jù)進行解算，導(dǎo)入像控點，進行空三加密、高精度處理，能夠生成點云紋理、DSM和DOM，接著進行全自動紋理匹配和三維建模，經(jīng)模型編輯后獲得最終三維實景模型。

該項目在獲取唐山市生態(tài)廊道傾斜攝影影像、相機參數(shù)文件、POS數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)資料后，進行原始影像畸變差糾正、勻光勻色等預(yù)處理，在Smart3D軟件中進行實景建模，生成真三維模型。傾斜攝影測量建模流程如圖2所示，效果如圖3所示。

圖2 傾斜攝影測量建模流程

圖3 唐山市生態(tài)廊道傾斜攝影模型

3 BIM建模關(guān)鍵技術(shù)

BIM建模前需要進行一系列數(shù)據(jù)準備工作，如地形資料處理、族文件選擇、項目基點確定等。如果BIM需要地面背景，就可以利用傾斜攝影模型濾波后的DEM數(shù)據(jù)或DSM數(shù)據(jù)。族文件可以在系統(tǒng)族、可載入族和內(nèi)建族等三種族選擇。根據(jù)項目特點，需要確定項目實際測量定位的參考坐標原點作為整個項目中測量定位的相對坐標參考，并確定正北方向。

該項目中，項目基點確定在測區(qū)西南測，以實際北方向作為模型正北方向。BIM建筑模型創(chuàng)建分為路橋標高和軸網(wǎng)創(chuàng)建，橋面、墩柱及其他構(gòu)件創(chuàng)建，場地構(gòu)件創(chuàng)建三步。其中，路橋標高和軸網(wǎng)創(chuàng)建如圖4所示。標高用來定義建筑物的垂直高度或樓層高度。軸網(wǎng)是建筑軸線組成的網(wǎng)，也是建筑設(shè)計中立面、剖面和平面視圖中的依據(jù)，可以在立面或者剖面視圖下操作。項目根據(jù)設(shè)計與施工定義了基本墻、幕墻和女兒墻等不同類型的墻體，并設(shè)置了相對應(yīng)的參數(shù)。BIM橋梁模型創(chuàng)建后，通過設(shè)置材質(zhì)、照明、背景等，完成對模型的渲染。

圖4 路橋標高和軸網(wǎng)創(chuàng)建

4 基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的BIM與傾斜攝影模型融合方案

4.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)格式存儲與轉(zhuǎn)換

隨著無人機性能快速提升，傾斜攝影模型的數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)量不斷變大，模型也日趨復(fù)雜。為有效應(yīng)對這些問題，各個廠商開發(fā)了具有自身特點的數(shù)據(jù)處理軟件。目前，國內(nèi)外比較流行的傾斜攝影自動建模軟件有許多，其中，法國Acute3D公司的Smart3D Capture憑借GPU的快速三維場景運算，能夠利用航攝影像自動生成逼真的三維場景模型；瑞士的PIX4D在大數(shù)據(jù)處理方面較有優(yōu)勢；谷歌的PhotoScan可快速生成高分辨率真正射影像及帶精細色彩紋理的DEM模型等。雖然各種建模軟件所采用的數(shù)據(jù)格式不同，但是其都帶有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能。因此，為使BIM與傾斜攝影數(shù)據(jù)融合，需要首先將不同格式的傾斜模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用或標準格式，如以O(shè)SGB（Open Scene Graph Binary）格式輸出，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)最好以對象的方式管理。另外，為解決文件形式存儲遇到大數(shù)據(jù)量傾斜模型會影響效率等問題，還需要基于分區(qū)思想進行劃片，同時使用金字塔模型進行數(shù)據(jù)管理。

4.2 BIM數(shù)據(jù)格式存儲與轉(zhuǎn)換

目前BIM軟件種類繁多，基本可以分為建模軟件、方案設(shè)計軟件、結(jié)構(gòu)分析軟件、可視化軟件、綜合碰撞檢查軟件等。BIM主流平臺有Revit、Bentley、Onuma Planning System和Affinity等，不同的BIM建筑物模型，如果需要進行數(shù)據(jù)融合，需要輸出為跨平臺通用格式，如fbx格式（fbx格式在固定框架下可以自行設(shè)計SDK完成數(shù)據(jù)讀寫、修改與轉(zhuǎn)換）。

唐山市生態(tài)廊道項目首先使用Revit軟件的公制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)族分別對橋梁下部樁基礎(chǔ)、墊層、承臺、橋墩進行建模，然后定義樁長、樁徑、長、寬、高、墩高及結(jié)構(gòu)材質(zhì)等相關(guān)參數(shù)，基礎(chǔ)模型創(chuàng)建完成后，生成生態(tài)廊道超級綠道工程，結(jié)合Excel統(tǒng)計數(shù)據(jù)使用Dynamo軟件編寫針對下部構(gòu)件的節(jié)點包并建立橋梁下部結(jié)構(gòu)模型，最后將模型輸出為fbx通用格式。

4.3 BIM與傾斜攝影模型融合

將傾斜攝影數(shù)據(jù)與BIM模型進行轉(zhuǎn)換后，需要選擇合適的平臺對兩種模型進行融合，如圖5所示。文章提出基于skyline軟件的模型融合方案。Skyline具有不同數(shù)據(jù)格式的輸入接口（含OSGB格式的真三維模型與fbx格式的BIM模型），利用skyline可將真彩色模型、BIM模型、手工模型等轉(zhuǎn)換為實景三維空間數(shù)據(jù)庫，然后利用Spatial Framework Services進行發(fā)布，輔助不同領(lǐng)域、不同部門進行規(guī)劃設(shè)計與施工決策[10-11]。

圖5 BIM與傾斜攝影模型融合

唐山市生態(tài)廊道項目BIM與傾斜攝影平臺融合流程如下：基于研究區(qū)域制作三維地形數(shù)據(jù)MPT文件→導(dǎo)入真實地形場景→導(dǎo)入BIM模型數(shù)據(jù)→設(shè)定模型融合后的參數(shù)→空間分析、空間量算等。

5 應(yīng)用實例

方案在河北省唐山市生態(tài)廊道（超級綠道工程）新道橋市政景觀橋梁建設(shè)項目中得以具體應(yīng)用。該工程從北至南方向，串聯(lián)東湖公園、唐鋼文化公園、大城山公園、鳳凰山公園、大釗公園以及南湖公園等城市生態(tài)綠地，總?cè)L約10.5km。針對項目重點區(qū)域的設(shè)計標準，對其周邊長為12km、寬為7km的工程區(qū)域采用BIM與傾斜攝影測量兩種技術(shù)手段進行建模，對兩類模型進行融合與使用。

5.1 BIM數(shù)據(jù)處理

項目采用Autodesk Revit軟件建立橋梁建筑模型，根據(jù)管理需要，在三維模型上加入了建設(shè)材料、橋梁名稱、各部分位置信息、施工完成時間以及建設(shè)預(yù)期完成時間等屬性信息。該項目部分BIM模型如圖6所示。通過在施工前期建立可視化的BIM模型，可以輔助完成施工方案設(shè)計、工程造價等工作。

圖6 BIM模型

5.2 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集

項目采用大疆Inspire多旋翼無人機搭載多視角傾斜攝影測量傳感器和定位設(shè)備，對目標區(qū)域進行航測飛行，獲得該區(qū)域內(nèi)高分辨率的多視角影像和位置數(shù)據(jù)。采用Virtuos 3D傾斜攝影三維建模軟件對影像進行建模，建模完成后進行模型精修與單體化處理，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，施工項目區(qū)域三維實景紋理較清晰，模型精度較高。

圖7 三維實景模型

5.3 BIM與三維實景模型融合

對于不同建模軟件所建的模型，考慮到模型標準和兼容性要求，利用Skyline軟件將BIM和航攝模型融合，效果如圖8所示。

圖8 模型融合圖

5.4 融合模型在項目施工中的應(yīng)用

（1）工程量計算。生態(tài)廊道項目土方量的調(diào)配及方量的準確性，決定了項目的經(jīng)濟效益。該項目利用融合后的模型通過其特有的建筑參數(shù)信息，結(jié)合設(shè)計院出具的圖紙和項目方利用無人機傾斜攝影技術(shù)建立三維地表模型，在模型基礎(chǔ)上進行工程量計算，得到最終土方調(diào)配信息。項目方以此為依據(jù)合理安排土方調(diào)配，進行精細化管理，節(jié)約項目成本。利用融合模型的挖填方量計算如圖9所示，可以看出用相關(guān)專業(yè)軟件打開融合模型可以較為準確地獲得施工區(qū)域某處在不同施工段下的填挖方量，這對工程造價以及工作進度安排起到一定的參考作用。同時，項目對廊道橋體建立Revit模型，分別對樁基、承臺、橋墩、鋼箱梁等進行工程量統(tǒng)計，與設(shè)計圖紙相對比，提前指導(dǎo)材料加工，避免浪費。通過對鋼箱梁橋的建模，將鋼梁拆分成零件，指導(dǎo)鋼材下料，減少鋼材原材的不必要損耗，有效控制施工成本。

圖9 利用融合模型的挖填方量計算

（2）施工進度模擬。根據(jù)項目參建各方要求，利用融合模型對工程施工進度進行模擬和現(xiàn)場機械、設(shè)備、人員的科學(xué)調(diào)配，力求達到工時最短、進度最優(yōu)，并有效避免因某些原因造成窩工等現(xiàn)象，施工進度模擬如圖10所示。項目施工完成后，對已完工建筑及場地進行二次建模，將模型與地表模型結(jié)合，便于運維單位在后期維護中有圖可依、有數(shù)可詢。同時，通過BIM橋梁模型與地貌模型結(jié)合，指導(dǎo)了施工現(xiàn)場拆遷、開挖、占地、樹木移栽等工作，提升了工作效率。

圖10 施工進度模擬

（3）碰撞檢查。在工程建設(shè)過程中根據(jù)BIM模型對重難點、工點、工序提供有效指導(dǎo)，利用創(chuàng)建的生態(tài)廊道BIM模型與無人機傾斜攝影成果進行碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)部分橋梁與現(xiàn)有地形沖突，橋墩位置與現(xiàn)有交通道路不合理。將碰撞報告中問題反饋給設(shè)計院，提前進行設(shè)計變更，以達到縮短工期、節(jié)約建設(shè)成本等目標。同時，該融合模型可以對橋梁建筑物混凝土構(gòu)件尺寸之間、預(yù)埋管道和構(gòu)件之間、鋼筋之間存在的一系列相互碰撞、干擾、尺寸不合適等問題直觀地反映出來，如圖11所示。該項目利用融合模型進行碰撞檢查，可以看出在橋頭位置設(shè)計橋梁建筑物與實際施工現(xiàn)場之間存在相互碰撞，及時發(fā)現(xiàn)問題，避免了后期返工等，節(jié)約了施工工期和工程成本。

圖11 融合模型碰撞監(jiān)測

6 結(jié)論

文章通過唐山市超級綠道北新道橋項目工程，將含有橋梁建筑信息的BIM建筑設(shè)計模型與傾斜攝影測量建立的真三維模型進行融合。利用融合后的模型進行設(shè)計與施工，得到了較好的效果，得出如下結(jié)論：

（1）BIM模型中包含了建筑物材料、建筑物位置、建筑物名稱等各種建筑信息，可以對建筑物物料使用量、建筑物工程完成進度、建筑物碰撞檢查等提供相應(yīng)的依據(jù)，為工程造價管理提供一定的支撐。利用傾斜攝影測量技術(shù)對實際工程項目進行建模，可以方便快速地獲得較大范圍的真三維信息，有著自動化程度高、人工干預(yù)影響小、建模效率高等優(yōu)點，能為BIM模型提供真實表面信息。

（2）將兩種模型融合到一起，既保留了模型的建筑信息，又增加了建筑物外部紋理信息，可以將建筑物外部紋理信息與內(nèi)部建筑信息進行整合與貫通，實現(xiàn)BIM設(shè)計模型融入真三維模型的一體化與可視化，對項目施工的方案設(shè)計、完成進度展示、工程造價等方面具有較好的輔助作用。