尹 欣 李文格 肖 洲

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院, 北京 100048)

0 引言

京杭大運河與長城、坎兒井并稱為中國古代的三項偉大工程,是祖先留給我們的寶貴遺產(chǎn),是在世界范圍內(nèi)具有廣泛影響力的中國文化符號。2017年2月,習(xí)近平總書記在北京通州區(qū)調(diào)研時指出：要從國家戰(zhàn)略高度審視大運河的功能,以大運河為核心,打造大運河文化帶,使之成為中華民族偉大復(fù)興的文化標(biāo)志性品牌。隨后,北京市政府從弘揚大運河文化內(nèi)涵,優(yōu)化首都城市空間布局角度出發(fā),按照藍(lán)綠交織、水城共融的總體要求,分階段推進(jìn)北運河(通州段)全線通航工作,充分展示首都生態(tài)文明建設(shè)成果[1-2]。

在北運河通航方案設(shè)計初期,水利規(guī)劃設(shè)計人員需要按照城市副中心、大運河文化帶建設(shè)相關(guān)要求,結(jié)合環(huán)球影城、城市綠心、臺湖演藝小鎮(zhèn)等旅游項目發(fā)展前景,并分析近遠(yuǎn)期北運河水上游客通行需求,最終確定設(shè)計游船合理尺寸,科學(xué)地提出北運河旅游船閘建設(shè)規(guī)模。這些設(shè)計信息如果可以建立對應(yīng)的水利工程設(shè)計模型,再將設(shè)計模型融入與現(xiàn)狀地貌一致的三維實景模型中,可以實現(xiàn)從傳統(tǒng)二維草圖描繪到三維可視化交互設(shè)計的跨越[3-4]。

本文以北運河(通州段)內(nèi)的三維建模為例,根據(jù)水利工程特點,依據(jù)水利建筑物設(shè)計圖紙以及其他部門的需求,將由無人機(jī)傾斜攝影獲取的高重疊度和高空間分辨率的遙感影像和建筑信息建模(building information modeling，BIM)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,對水利建筑物進(jìn)行三維實體建模。本文的方法以三維實景模型作為載體,將水利設(shè)計、生產(chǎn)、管理等各類信息進(jìn)行協(xié)同管理,并通過運用BIM技術(shù)構(gòu)建工程實體模型后,將工程實體與地貌實景模型進(jìn)行融合,最終實現(xiàn)三維可視化交互設(shè)計。

1 BIM與傾斜攝影技術(shù)

1.1 研究現(xiàn)狀

近些年,隨著信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展以及在各行各業(yè)的應(yīng)用,伴隨著水利業(yè)務(wù)的發(fā)展以及相應(yīng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高,新技術(shù)可以更好地滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的需要,特別是BIM技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用也拉開了序幕。然而,從目前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看,BIM的應(yīng)用主要分布在建筑行業(yè),其應(yīng)用的深度和廣度都達(dá)到了一定的程度。但BIM技術(shù)的應(yīng)用相對較少,而且BIM技術(shù)與傾斜攝影測量相結(jié)合的相關(guān)案例應(yīng)用更是寥寥無幾。從當(dāng)前的文獻(xiàn)來看,現(xiàn)僅有孫少楠[5]對傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合在水利工程地形處理進(jìn)行了初步的研究。劉培狀等[6]針對目前在水利行業(yè)中三維建模的實際需求,又提出將三維實景模型與基于無人機(jī)傾斜攝影測量有機(jī)地結(jié)合在一起,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速獲取和三維建模的快速構(gòu)建。然而,在利用傾斜攝影的方法進(jìn)行三維模型構(gòu)建時,仍然存在一些難以解決的問題。例如：目前國內(nèi)外市場上的三維建模軟件,在兼容性和擴(kuò)張性、三維數(shù)據(jù)的批量處理以及自動化、智能化等方面還有較大的改善空間[4]。此外,傳統(tǒng)的三維建模方法目前只能構(gòu)建物體表面的紋理信息[7]。

1.2 傾斜攝影測量技術(shù)

與傳統(tǒng)攝影測量的三維建模相比,傾斜攝影測量打破了傳統(tǒng)攝影測量的限制,不僅能從垂直角度進(jìn)行拍攝,還能從不同的傾斜角度進(jìn)行同步拍攝。這是近些年國際測繪領(lǐng)域發(fā)展起來的一項新技術(shù),它通常從垂直角度和4個傾斜角度(共5個角度)同步獲取建筑物的頂部以及側(cè)面的高分辨影像。傾斜攝影測量技術(shù),一方面增加了航向和旁向的重疊度,另一方面增加了建筑物側(cè)面紋理的空間分辨率,更加適合構(gòu)建高精度、高空間分辨率的三維模型,并生成真實的三維城市模型。圖1為無人機(jī)獲取的北運河榆林莊閘區(qū)域傾斜攝影模型。

圖1 北運河榆林莊閘區(qū)域傾斜攝影模型

1.3 BIM技術(shù)

從信息技術(shù)的角度來看,BIM是一種用信息技術(shù)建立的數(shù)字化信息模型。它的特點是能夠?qū)⒐こ淘诓煌A段的信息集成在一個統(tǒng)一的三維模型中,不僅包括建筑物的幾何信息,而且還包括建筑物的物理屬性信息?？梢哉f,這是一個與實際建筑物“完全相似”的數(shù)字孿生體。本文對北運河沿線重點水工建筑進(jìn)行了三維BIM設(shè)計模型(圖2),它可以為工程設(shè)計、施工等不同的階段提供真實有效的數(shù)字化信息,從而可以實現(xiàn)設(shè)計和施工的一體化,進(jìn)而降低了成本,又可以提高工作效率,最終保障工程能夠按時按質(zhì)地完成并交付。目前已經(jīng)在水利規(guī)劃設(shè)計行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,該技術(shù)可以很好地幫助實現(xiàn)水利工程設(shè)計、施工指導(dǎo)與運營管理的三維可視化[8-10]。

(a)北運河建筑建成后建筑

(b)北運河建筑BIM設(shè)計模型

本文依據(jù)水利建筑物內(nèi)部和外部設(shè)計圖紙以及其他部門的需求,先將由無人機(jī)傾斜攝影獲取的高重疊度和高空間分辨率的遙感影像和BIM技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,對水利建筑物進(jìn)行三維實體建模。該三維模型既可以達(dá)到更高的測量精度,又可以滿足水利工程的設(shè)計、建設(shè)和運營維護(hù)不同階段的要求和指標(biāo)。與此同時,在不同的階段可以共享實體三維模型的信息,從而在不同階段可以進(jìn)行協(xié)同工作。此外,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(圖3)。

(a)沉淀池BIM設(shè)計模型

(b)各專業(yè)BIM模型融合

1.4 傾斜攝影技術(shù)與BIM融合

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)+BIM技術(shù)是目前水利水電設(shè)計單位先進(jìn)、科學(xué)的三維設(shè)計方案。將BIM和由傾斜攝影測量得到的三維實景模型融合后,可以將水利工程建成后的建筑物更加直觀地呈現(xiàn)出來。通過設(shè)計圖紙的相關(guān)信息與實景的疊加顯示相結(jié)合,施工方對水利工程的實際情況(包括工程占地、拆遷地物等)在工程開工前就可以有全面、準(zhǔn)確的了解和掌握。從而便于提前規(guī)劃、安排場地以及辦理施工前的相關(guān)手續(xù),這些都為順利施工、保障水利工程的質(zhì)量提供了更加有效的保障[11-12]。

2 BIM與傾斜攝影模型融合方案

2.1 傾斜攝影模型準(zhǔn)備

隨著信息技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的快速發(fā)展以及對高空間分辨率的實際需求,目前傾斜攝影測量獲取的數(shù)據(jù)量越來越大,其構(gòu)建的模型也越來越復(fù)雜。針對這些實際困難和需求,無人機(jī)的不同廠商各自開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。然而,由此產(chǎn)生的影響是,由不同廠商構(gòu)建的三維模型在標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式等方面存在一定的差異。所以,在實際的應(yīng)用中,首先需要將不同的傾斜模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一種標(biāo)準(zhǔn)或通用的格式。此外,對于數(shù)據(jù)量問題,通常需要按照分區(qū)的辦法進(jìn)行劃片處理,最后再建立相應(yīng)的金字塔模型,便于三維模型在不同尺度下的快速瀏覽。

2.2 水利BIM數(shù)據(jù)平臺所需數(shù)據(jù)格式

當(dāng)前,在國內(nèi)外市場上有關(guān)BIM的軟件,對用戶來說可以選擇的余地較大。從功能角度來看,可分為建模功能、方案設(shè)計功能、結(jié)構(gòu)分析功能、檢查功能和可視化分析等功能。對不同BIM平臺(比如：Revit、Bentley、Onuma Planning System)獲取的建筑物三維模型,在實際工作中,通常需要對它們進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行融合。因此,需要將不同平臺獲取的三維建筑物模型輸出為可以跨平臺的通用格式,通常選擇fbx格式。

2.3 傾斜攝影模型與BIM融合

在本文的工作中,首先針對傾斜攝影數(shù)據(jù)和BIM模型兩種不同的類型,選擇適合于兩者的不同平臺,對它們分別進(jìn)行通用格式的轉(zhuǎn)換工作?？紤]到LumenRT軟件具有不同數(shù)據(jù)格式的輸入接口(fbx格式和osgb格式),本文選擇LumenRT軟件進(jìn)行通用格式的轉(zhuǎn)換。與此同時,為了更好地呈現(xiàn)水利建筑物的三維模型,對轉(zhuǎn)換后的模型進(jìn)行了動畫渲染和景觀布置等相關(guān)工作。從而可以更加直觀地看到新建項目與自然環(huán)境及周邊建筑物的協(xié)調(diào)情況。其可視化效果不僅可以直觀地表達(dá)設(shè)計意圖,還可及時反饋給設(shè)計方、業(yè)主方與施工方,以便各方對工程理解、交流以及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和施工管理。如圖4所示,右側(cè)船閘為BIM設(shè)計模型,融入傾斜攝影模型中。

圖4 BIM與傾斜攝影模型融合

傾斜攝影模型與BIM融合流程如下：將傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維設(shè)計軟件中進(jìn)行模型修整→轉(zhuǎn)換為osgb等通用格式→制作三維地形數(shù)據(jù)格式→傾斜攝影模型導(dǎo)入真實地形場景→導(dǎo)入BIM設(shè)計模型數(shù)據(jù)→設(shè)定模型融合后的參數(shù)→增加相應(yīng)三維場景小品、植物等→渲染動畫。

2.4 融合模型的作用

在本文的工作中,在三維設(shè)計過程中選用ProjectWise作為平臺?？紤]到項目中水利工程的復(fù)雜性,在實際的工作中,都使用該平臺進(jìn)行基礎(chǔ)資料的管理和前期的設(shè)計、三維信息模型的構(gòu)建以及后期的工程量的統(tǒng)計等。此外,參與整個三維協(xié)同工作和設(shè)計的專業(yè)包括：景觀、地質(zhì)、電氣、水機(jī)、結(jié)構(gòu)、測繪、建筑、工藝和金結(jié)等,共計10個專業(yè)15名工程師應(yīng)用相應(yīng)軟件在同一平臺上共享數(shù)據(jù)和模型,減少了二維設(shè)計時因為資料不統(tǒng)一造成的設(shè)計錯誤。

2.4.1工程量的科學(xué)估計

項目中,通過協(xié)同平臺,按融合后的模型進(jìn)行工程量的計算,最終得到與土方調(diào)配的所有相關(guān)信息。從這個角度來看,在新技術(shù)和新平臺的支撐下,為了精細(xì)化管理和節(jié)約成本,項目方可以更加科學(xué)、合理、高效地調(diào)配土方。與此同時,項目方也可以按不同的部件(比如：樁基、承臺、橋墩、鋼箱梁等)分別進(jìn)行單獨的工程量計算和統(tǒng)計,并與事先的設(shè)計圖紙相比較,如此一來,便可以避免不必要的浪費和工作量,提前指導(dǎo)材料的加工等相關(guān)工作。此外,BIM技術(shù)對鋼箱梁橋的三維實體建模,將鋼梁拆分成一個個獨立的零件,科學(xué)合理地指導(dǎo)鋼材下料,更經(jīng)濟(jì)的控制成本,從而在一定程度上減少了不必要的工程損耗(包括原材料和人工等)。

2.4.2施工的仿真模擬

在構(gòu)建BIM融合模型的基礎(chǔ)上,可以按照各方的要求,對水利工程的施工進(jìn)行模擬(包括現(xiàn)場的機(jī)械設(shè)備、人力和原材料等)和科學(xué)調(diào)配,在數(shù)學(xué)層面上達(dá)到最優(yōu),從而達(dá)到進(jìn)度上的最優(yōu)工序,并且達(dá)到施工周期最短、人力成本最低。因而可以避免原先存在的一些窩工等現(xiàn)象。最為重要的是,在施工結(jié)束后,可以對施工現(xiàn)場進(jìn)行二次建模,將它與實際的數(shù)字高程模型相疊加顯示,便于后期運營管理提供了更加科學(xué)的信息平臺,從而做到有圖可依、有數(shù)可詢。此外,與BIM模型有機(jī)結(jié)合,在實際的工作中,還可以指導(dǎo)現(xiàn)場的工作(包括：樹木移栽、開挖、占地、拆遷等),這些都在一定程度上大大地提高了工作效率,降低了經(jīng)濟(jì)成本,一舉兩得。

2.4.3碰撞的全面檢查

利用創(chuàng)建的BIM模型與傾斜攝影融合模型進(jìn)行碰撞檢查,項目團(tuán)隊成員可直觀地檢測碰撞并結(jié)合進(jìn)度進(jìn)展情況進(jìn)行審查,了解并解決這些碰撞對項目進(jìn)度產(chǎn)生的影響,盡早發(fā)現(xiàn)這些碰撞以便提前進(jìn)行設(shè)計變更,避免了后期返工,可以為項目團(tuán)隊節(jié)省時間和成本。

項目中,我們通過Twinmotion對融合后的模型進(jìn)行渲染和可視化等工作,在對三維場景進(jìn)行實時編輯的同時,可以直接進(jìn)行效果的瀏覽(圖5),并不需要較長的等待時間,這在一定程度上提高了工作效率。

(a)榆林莊閘三維模型

(b)游船過閘動畫展示

3 結(jié)束語

本文創(chuàng)新地結(jié)合了BIM技術(shù)與無人機(jī)傾斜攝影融合技術(shù),對通州區(qū)北運河河道沿線進(jìn)行了傾斜攝影建模,同時根據(jù)施工圖紙對河道沿線水利工程實體進(jìn)行了BIM建模。通過實際案例驗證了兩項技術(shù)融合應(yīng)用在水利工程中的可行性。結(jié)果表明,將二者結(jié)合能精確地完成工程量算、施工模擬、碰撞檢查等工作,為北運河通航規(guī)劃設(shè)計實現(xiàn)實時性、互動性、便捷性、精準(zhǔn)性和可展示性提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

水利工程建設(shè)通常具有地理條件復(fù)雜、附屬構(gòu)筑物多、設(shè)計煩瑣、工程計算量大等特點。傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計工作在二維平面上進(jìn)行,出圖效率低，對設(shè)計人員要求很高。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和BIM技術(shù)實現(xiàn)了水利工程三維設(shè)計,解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計帶來的諸多難題,給設(shè)計、施工、監(jiān)理等帶來了極大的方便。隨著超低空無人機(jī)航攝技術(shù)和BIM技術(shù)的不斷完善,該技術(shù)在未來大有可為。

目前，該項目的工作成果已全面應(yīng)用于“北運河(通州段)全線通航”工程中,是北運河通州段40 km河道將實現(xiàn)全線通航的前期數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與保障。為北京市同類水利工程提供了有力的理論支撐和技術(shù)保障。北運河通航是大運河文化帶建設(shè)的重要任務(wù),也是首都生態(tài)文明和城市副中心建設(shè)成果的體現(xiàn)。