邱永祥，徐旭東，趙慶新（.燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004；.晨越建設(shè)項(xiàng)目管理集團(tuán)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(yè)效率和投資收益的綜合解決方案，不斷融合人工智能、大數(shù)據(jù)和 VR 等技術(shù)[1-2]，技術(shù)框架不斷擴(kuò)展[3]。

從電子產(chǎn)品誕生起，建筑工程行業(yè)就走上了信息化的道路。由于專業(yè)知識折疊，每個(gè)階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幾乎是一個(gè)行業(yè)里獨(dú)立的一個(gè)分支，相互聯(lián)動(dòng)較少[4]。無人機(jī)作為一項(xiàng)新技術(shù)融入項(xiàng)目工程建設(shè)，將工程項(xiàng)目實(shí)施過程中的現(xiàn)場情況信息化[5]，拓展了數(shù)據(jù)邊界[6]。

BIM 為這些數(shù)據(jù)帶來了一個(gè)融合的承載體[7]，不斷接入新的數(shù)據(jù)源。BIM 是單一數(shù)據(jù)到集成數(shù)據(jù)的進(jìn)步，是經(jīng)驗(yàn)向算法的進(jìn)步。建筑業(yè)兼?zhèn)湫畔⒒膶?shí)際需求和投資潛力[8]，但數(shù)據(jù)的整合利用十分有限[9]。特別是市政項(xiàng)目，空間跨度大、協(xié)調(diào)因素多，高級應(yīng)用技術(shù)投入高、難度大、相對收益小。作為一項(xiàng)商業(yè)服務(wù)，如何能為技術(shù)應(yīng)用者帶來高額利潤，是 BIM 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵[10]，也是目前 BIM在推廣應(yīng)用過程中亟待解決的問題。本文基于無人機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合 BIM 技術(shù)，探索市政項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)低技術(shù)投入、高經(jīng)濟(jì)回報(bào)的應(yīng)用場景并進(jìn)行簡單分析，為類似工程中 BIM 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些參考。

1 項(xiàng)目背景

本文所涉及的四川省自貢市東部新城二期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，由晨越建設(shè)項(xiàng)目管理集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱“晨越建管集團(tuán)”）采用全過程工程咨詢＋融資 EPC（FEPC）模式實(shí)施建設(shè)。項(xiàng)目空間跨度大、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、施工周期要求高，工程總投資達(dá)數(shù)百億元，涉及建設(shè)參與方多，BIM 技術(shù)儲備較差，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工工藝復(fù)雜，協(xié)調(diào)成本高。

當(dāng)前 BIM 技術(shù)在房屋建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用較多，市政領(lǐng)域應(yīng)用尚處于探索階段。鑒于市政項(xiàng)目在空間上的大跨度和線性特性，本次工程采用無人機(jī)＋BIM 配合的技術(shù)方案，全面探索市政項(xiàng)目基于全過程工程咨詢管理的高收益應(yīng)用場景及其應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題并妥善加以解決。

2 無人機(jī)＋BIM 應(yīng)用平臺的搭建

2.1 無人機(jī)及配套軟件的選取

無人機(jī)采用大疆系列精靈 PHANTOM4 RTK，其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real-Time Kinematic，RTK）定位技術(shù)指標(biāo)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(yīng)的視頻處理軟件。計(jì)算平臺配置如表 1 所示。

表1 計(jì)算平臺配置

2.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

目前利用無人機(jī)進(jìn)行全景測繪主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)過程。外業(yè)數(shù)據(jù)采集是無人機(jī)及 BIM應(yīng)用開展的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響后期的絕大部分工作內(nèi)容[11]。

外業(yè)數(shù)據(jù)的采集目前尚不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化作業(yè)，采集過程中存在很多不確定因素，如磁場、亂流風(fēng)等，其數(shù)據(jù)采集質(zhì)量很難達(dá)到理想狀態(tài)。如若某區(qū)域數(shù)據(jù)缺失或發(fā)生整體偏移，則要補(bǔ)全或整體處理圖像數(shù)據(jù)；同時(shí)還需根據(jù)項(xiàng)目需求采集信息，以輔助地面移動(dòng)雷達(dá)等設(shè)備的工作。

目前國內(nèi)使用相應(yīng)的應(yīng)用軟件對無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用時(shí)間較短且缺乏自主軟件，而模型產(chǎn)生對軟件的依賴性較強(qiáng)，其輸出速度和質(zhì)量又因模型的差異而略有不同。若外業(yè)數(shù)據(jù)越精準(zhǔn)、融合數(shù)據(jù)源越多，則模型的質(zhì)量也越高。

2.3 BIM 模型

設(shè)計(jì)及相關(guān)方應(yīng)用三維正向設(shè)計(jì)難度大且采用傳統(tǒng)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(jìn)行建模。Revit 作為一個(gè)集成的 BIM 模型應(yīng)用平臺，在國內(nèi)應(yīng)用基礎(chǔ)較好。由于該軟件基于自定義族的模型制作機(jī)制，在沒有基礎(chǔ)族數(shù)據(jù)庫的前提下進(jìn)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(xié)同平臺

運(yùn)用“魯班工廠”客戶端實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目資料共享，可同時(shí)在電腦端和移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看，定時(shí)更新無人機(jī)數(shù)據(jù)及相關(guān)資料（如進(jìn)度、安全問題等）。使用“晨越云平臺” 進(jìn)行信息云共享，可提高溝通效率（如定期上傳項(xiàng)目管理情況），以便集團(tuán)總部工程師定期審核，并就相關(guān)問題進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通，確保工程管理的質(zhì)量。

3 無人機(jī)＋BIM 在工程上的應(yīng)用

結(jié)合現(xiàn)有 BIM 技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，考慮項(xiàng)目相關(guān)人員技術(shù)儲備，制定了大致應(yīng)用流程（見圖 1）。其中，無人機(jī)在BIM 平臺的輔助下開展了大量工作，如設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、進(jìn)度管理、工程量計(jì)算與復(fù)核以及施工安全文明管理等。

圖1 無人機(jī)＋BIM 應(yīng)用流程

3.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

市政基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的空間跨度大，在設(shè)計(jì)階段需要考慮諸多因素，因此基于二維信息的優(yōu)化方案存在一定的局限性。通過無人機(jī)對項(xiàng)目情況進(jìn)行航拍，生成高分辨率正射影像，并對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)景建模，使各參建單位能充分了解地面構(gòu)筑物并對照現(xiàn)有方案進(jìn)行研討，以確保方案的可行性。

本項(xiàng)目為二期項(xiàng)目，其中初步設(shè)計(jì)方案已經(jīng)完成。在項(xiàng)目實(shí)施之初，運(yùn)用無人機(jī)采集近期圖像，對已有方案和變更方案進(jìn)行比對，在 5 個(gè)工作日內(nèi)即完成了一處規(guī)劃道路的修改，節(jié)約拆遷及土方平衡費(fèi)用近 800 萬元。

3.2 進(jìn)度管理

項(xiàng)目的空間跨度大、涉及專業(yè)多，若依靠傳統(tǒng)的管理手段實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目進(jìn)度的精準(zhǔn)把控，則要投入較大的人力資源及時(shí)間成本。運(yùn)用無人機(jī)定期對施工現(xiàn)場進(jìn)行拍攝和建模，結(jié)合各標(biāo)段提供的信息用文字和圖形標(biāo)注工程進(jìn)度，再通過 BIM 協(xié)同平臺將進(jìn)度資料發(fā)放至指揮部和各施工管理單位，為施工管理提供了一個(gè)直觀依據(jù)，操作簡便且收益高。

3.3 施工輔助

在施工前期，運(yùn)用無人機(jī)＋BIM 技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程量和土方工程量計(jì)算。采用 BIM 模型在施工階段計(jì)算所需材料，借助動(dòng)畫演示關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工工藝，同時(shí)為造價(jià)工作提供計(jì)算輔助；運(yùn)用無人機(jī)對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)景建模，估算土方工程量。目前，運(yùn)用 BIM 模型直接進(jìn)行造價(jià)計(jì)算尚存在各參建方對數(shù)據(jù)認(rèn)可的問題，但可作為造價(jià)人員的參考數(shù)據(jù)。

在施工后期，對于不便檢查的節(jié)點(diǎn)，可運(yùn)用無人機(jī)拍攝視頻和圖片進(jìn)行輔助表觀質(zhì)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(xiàng)目不僅空間跨度大，還涉及較高的構(gòu)筑物，依靠管理人員巡查耗時(shí)耗力。無人機(jī)可隨時(shí)對施工現(xiàn)場進(jìn)行督察、采集視頻和圖像資料、發(fā)現(xiàn)并識別問題，同時(shí)將信息上傳至 BIM 協(xié)同平臺，督促相關(guān)單位整改，并將整改結(jié)果進(jìn)行反饋，形成一個(gè)管理閉環(huán)。

4 應(yīng)用分析總結(jié)

4.1 方案的最優(yōu)化

以往的方案設(shè)計(jì)多數(shù)參照二維的地形數(shù)據(jù)，存在兩個(gè)問題：一是數(shù)據(jù)時(shí)效性差，測繪時(shí)間早，無法真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)階段現(xiàn)場的實(shí)際情況，容易導(dǎo)致方案的不合理并造成不必要的浪費(fèi)；二是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yōu)化。

利用無人機(jī)測繪技術(shù)，能較好地彌補(bǔ)以上不足，為方案設(shè)計(jì)提供符合實(shí)際、切實(shí)可行的優(yōu)化建議。

4.2 提高工程管理質(zhì)量和效率

傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理信息來源單一，整個(gè)過程存在信息失真及反饋不及時(shí)、刻意遮蔽的問題。無人機(jī)＋BIM 技術(shù)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(shí)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(shí)景三維模型查找項(xiàng)目安全隱患，如河道邊坡坍塌及不合理堆放等，通過協(xié)同平臺督促整改，整體上提高了工程管理的質(zhì)量和效率。

4.3 為造價(jià)工作提供便利

BIM 模型本身自帶工程量屬性，但在具體應(yīng)用時(shí)往往與實(shí)際存在誤差。結(jié)合無人機(jī)拍攝的影像資料，能快速把握實(shí)際施工進(jìn)程，為工程量簽證及校核提供依據(jù)，極大地減少現(xiàn)場踏勘的時(shí)間成本。

5 存在的問題及解決思路

5.1 技 術(shù)

5.1.1 無人機(jī)建模精度

無人機(jī)技術(shù)雖然已經(jīng)很成熟，但由于在工程中還存在一些應(yīng)用問題，如數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量很容易受到外界的影響、既有處理技術(shù)不能完全消除誤差、高精度設(shè)備的購置成本和建模時(shí)間成本較高等，目前在實(shí)際應(yīng)用中仍有所受限。

因此，工程應(yīng)用人員在實(shí)際工作中，一方面應(yīng)制定基于環(huán)境和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)流程，以提高外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)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(jī)數(shù)據(jù)的前處理技術(shù)和其他有效針對誤差的處理技術(shù)。

5.1.2 應(yīng)用軟件

目前 BIM 產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段，但應(yīng)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(yīng)用深度和生命周期。隨著技術(shù)框架的擴(kuò)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(tài)

目前軟件功能重疊，各公司發(fā)展方向各不相同。隨著企業(yè)的整合，優(yōu)秀的服務(wù)商將形成生態(tài)閉環(huán)。因此，在選擇軟件前，應(yīng)提前根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，規(guī)劃具體的應(yīng)用方案，從應(yīng)用實(shí)際收益出發(fā)，讓軟件真正體現(xiàn)其使用價(jià)值。

5.1.3 硬件要求

無人機(jī)數(shù)據(jù)作為 BIM 框架新引入的一個(gè)數(shù)據(jù)源，其數(shù)據(jù)量巨大，計(jì)算建模對平臺要求高。目前對于大計(jì)算量的項(xiàng)目，其應(yīng)用場景會受到硬件的限制。未來隨著其他數(shù)據(jù)的接入，BIM 模型的數(shù)據(jù)量會逐步增大，BIM 應(yīng)用將不得不考慮硬件支持這一現(xiàn)實(shí)因素。

目前可通過集群運(yùn)算、云服務(wù)器等方式提高系統(tǒng)的綜合運(yùn)算能力，從而擴(kuò)展應(yīng)用邊界。

5.2 應(yīng)用環(huán)境

5.2.1 BIM 應(yīng)用

傳統(tǒng)作業(yè)流程才剛完善，新技術(shù)發(fā)展速度又太快，很多從業(yè)人員對數(shù)據(jù)的概念不清晰，BIM 應(yīng)用在邏輯上比較混亂[12]，業(yè)主沒有明確的應(yīng)用規(guī)劃，缺乏切實(shí)的管理方案。許多技術(shù)華而不實(shí)，增加了工作人員的工作內(nèi)容，但其輔助作用有限，存在過度追求領(lǐng)導(dǎo)層的非技術(shù)性參與，造成了資源浪費(fèi)且收益不高，降低了技術(shù)人員對 BIM 及相關(guān)新技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情[13]。

基于此，應(yīng)避免過度追求高階 BIM 應(yīng)用，從實(shí)際出發(fā)，首先實(shí)行低投入、高收益的技術(shù)方案，然后逐步進(jìn)行技術(shù)積累。

5.2.2 應(yīng)用的生態(tài)鏈

相關(guān)的生態(tài)鏈企業(yè)未能達(dá)到較高的信息化程度，各自產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行整合便丟失，因而產(chǎn)生很多死數(shù)據(jù)。各參建方按照傳統(tǒng)的工作流程開展工作，從方案設(shè)計(jì)到施工落地，都存在許多重復(fù)性勞作。同時(shí)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)未被整合，既無法凸顯 BIM 技術(shù)應(yīng)用過程中所呈現(xiàn)的“飛輪效應(yīng)”，也無法讓項(xiàng)目實(shí)施過程中的技術(shù)落地高于預(yù)期，導(dǎo)致很多技術(shù)人員將 BIM 技術(shù)視為雞肋。

BIM 生態(tài)正在不斷完善。企業(yè)應(yīng)規(guī)范自身的 BIM 標(biāo)準(zhǔn)，提升 BIM 數(shù)據(jù)質(zhì)量，為完善 BIM 應(yīng)用生態(tài)鏈、降低BIM 應(yīng)用邊際成本、增大 BIM 技術(shù)收益做好準(zhǔn)備。

5.2.3 政策導(dǎo)向

在政府層面，目前針對 BIM 技術(shù)應(yīng)用還鮮有強(qiáng)制性規(guī)定出臺，多以鼓勵(lì)為主，且缺乏應(yīng)用資金的支持。中小型企業(yè)在應(yīng)用 BIM 技術(shù)過程中，由于應(yīng)用條件不足，投入產(chǎn)出率很低，短期內(nèi)很難出現(xiàn)大量使用的情況。

未來，隨著相關(guān)成熟條例的出臺、模型知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)工作的加強(qiáng)、權(quán)責(zé)問題的修正和獎(jiǎng)懲制度的完善， BIM 技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛和深入。

5.2.4 價(jià)值生命周期

數(shù)據(jù)價(jià)值生命周期短，是 BIM 技術(shù)應(yīng)用受限的主要原因之一。目前國內(nèi)中小型企業(yè)的 BIM 模型數(shù)據(jù)在工程結(jié)束后缺乏完善的后期應(yīng)用規(guī)劃，市場也缺乏成熟的后期 BIM應(yīng)用生態(tài)。

提高 BIM 數(shù)據(jù)的應(yīng)用周期，是當(dāng)前開展其他 BIM 項(xiàng)目的一個(gè)重要問題。因此，企業(yè)在 BIM 應(yīng)用的同時(shí)，還應(yīng)對BIM 技術(shù)后期應(yīng)用進(jìn)行理論研究和技術(shù)研發(fā)，以加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)資產(chǎn)的運(yùn)維建設(shè)。

6 應(yīng)用展望

本項(xiàng)目采用無人機(jī)＋BIM 的技術(shù)組合，是對 BIM 的一次技術(shù)擴(kuò)展。當(dāng)前 BIM 技術(shù)仍在飛速發(fā)展，此類情況還會頻繁出現(xiàn)，也將會有新的突破，具體如下。

（1）多數(shù)據(jù)源耦合分析。BIM 技術(shù)數(shù)據(jù)源一直在擴(kuò)展，模型不斷在接近現(xiàn)實(shí)，數(shù)據(jù)噪聲多。從有限因素綜合分析到利用 AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多因素耦合成本及收益分析，將是未來工程的常態(tài)。這需要經(jīng)過一個(gè)很長的過程。

（2）無人機(jī)功能復(fù)合。當(dāng)前無人機(jī)在工程上的應(yīng)用還處于單機(jī)人機(jī)協(xié)同作業(yè)、單向數(shù)據(jù)輸入的階段。未來無人機(jī)將向群體、自動(dòng)起航和互動(dòng)的作業(yè)方式發(fā)展，在工程中擔(dān)任常態(tài)化角色。

（3）助力國際工程。隨著全球化的深入發(fā)展，中國的基建技術(shù)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(jīng)濟(jì)增長和城市化進(jìn)程，國際工程將大幅增多。值得注意的是，與國際工程相關(guān)的規(guī)范存在不一致、施行時(shí)溝通復(fù)雜的弊端。BIM 技術(shù)憑借三維可視化交互、能與各專業(yè)共同協(xié)作的特點(diǎn)，將為國際工程的實(shí)施帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）項(xiàng)目全過程管理。本項(xiàng)目的 BIM 技術(shù)應(yīng)用服務(wù)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(shù)，需要一個(gè)專業(yè)的協(xié)調(diào)方案來完善 BIM 模型[14-15]。筆者認(rèn)為，全過程工程咨詢公司將 BIM 技術(shù)貫穿于整個(gè)項(xiàng)目周期，通過統(tǒng)籌規(guī)劃、專業(yè)維護(hù)和多方控制，將更好地激發(fā)BIM 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

7 結(jié) 語

晨越建管集團(tuán)將無人機(jī)＋BIM 技術(shù)應(yīng)用于市政項(xiàng)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(yīng)用思路，結(jié)合市政項(xiàng)目特點(diǎn)，探索出一套低技術(shù)投入、高經(jīng)濟(jì)收益的應(yīng)用流程，在方案設(shè)計(jì)階段、施工階段和驗(yàn)收階段提供輔助，極大地節(jié)約了時(shí)間成本，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，繼而為類似工程的 BIM 應(yīng)用提供了新思路。

當(dāng)然，目前 BIM 在技術(shù)上和應(yīng)用環(huán)境上依然存在很多問題，如落地缺乏現(xiàn)實(shí)條件等，且在短時(shí)間內(nèi)無法克服。為此，BIM 的應(yīng)用者應(yīng)循序漸進(jìn)，結(jié)合應(yīng)用條件，選擇合理的應(yīng)用深度，在努力平衡收益與投入的同時(shí)，牢牢把握技術(shù)發(fā)展方向并完成對技術(shù)的積累，從而提高 BIM 模型的應(yīng)用價(jià)值。