馮 斌

（紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，小高層建筑不斷增加，但因缺乏對(duì)小高層進(jìn)行定期檢查、維護(hù)、保養(yǎng)和初期病害問(wèn)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(yán)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(wèn)題。甚至有些住宅交房1 ～2 年就開(kāi)始修修補(bǔ)補(bǔ)。小高層建筑外墻病害如圖1 所示。近年來(lái)，小高層外立面高墜事故不斷出現(xiàn)，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此，對(duì)小高層外立面進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)顯得尤為重要。隨著無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)對(duì)區(qū)域內(nèi)的一些小高層進(jìn)行“體檢”，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行整改和修繕。相比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，無(wú)人機(jī)影像具有用途廣泛、成本低、使用方便等特點(diǎn)[2]。同時(shí)，應(yīng)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(duì)小高層修繕構(gòu)件的模型進(jìn)行特殊標(biāo)記，標(biāo)記“裂縫、脫落、滲漏、空鼓現(xiàn)象”等狀態(tài)，能夠簡(jiǎn)化修繕工作，提高工作效率。

圖1 小高層建筑外墻病害

1 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)是利用無(wú)線電遙控設(shè)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(jī)相比，無(wú)人機(jī)具有體積小、造價(jià)低的特點(diǎn)，適合“危險(xiǎn)”的任務(wù)。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)以無(wú)人機(jī)為空中平臺(tái)，融合遙感設(shè)備，進(jìn)行視頻影像傳輸、衛(wèi)星定位、高空拍攝，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，形成高精度的圖像。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航拍不同。無(wú)人機(jī)傾斜攝影是在一個(gè)飛行器上搭載多個(gè)拍攝設(shè)備，同時(shí)從前、后、左、右以及垂直向下5 個(gè)不同角度、方向采集觀察物體的豐富信息，然后通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)處理，全面探測(cè)復(fù)雜的場(chǎng)景，最終得到真實(shí)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(guó)，是利用軟件構(gòu)建虛擬的三維模型，為工程建設(shè)提供項(xiàng)目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型。BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：可視化，項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的溝通都在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行，讓線條式的構(gòu)件形成三維實(shí)物，構(gòu)件之間形成一種互動(dòng)性和反饋性；協(xié)調(diào)性，各方協(xié)調(diào)（包括業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工），各專業(yè)協(xié)調(diào)（土建、機(jī)電）；模擬性，BIM可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，如施工進(jìn)度、節(jié)能模擬、日照模擬、熱能傳導(dǎo)模擬等，還可以進(jìn)行5D 模擬，從而實(shí)現(xiàn)成本控制；優(yōu)化性，建筑復(fù)雜程度較高時(shí)，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(dá)更加詳細(xì)。

3 無(wú)人機(jī)影像+BIM 技術(shù)在小高層外立面檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

紹興市某小高層建筑項(xiàng)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(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防烈度6 度。防雷類別三類，屋面防水等級(jí)為1 級(jí)，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(wèn)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(duì)小高層外立面進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，無(wú)人機(jī)影像+BIM 技術(shù)的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。

圖2 紹興某小高層建筑外墻問(wèn)題

3.2 無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)

3.2.1 外業(yè)作業(yè)

無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)的外業(yè)工作主要包括航測(cè)范圍確定、航線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)定、傾斜三維攝影采集等環(huán)節(jié)。首先確定航測(cè)范圍，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研合適的起飛地點(diǎn)、降落地點(diǎn)和天氣資料，確定飛行時(shí)間。航線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)置，根據(jù)成圖比例尺要求進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)置，設(shè)置飛行航高、航向重疊率、旁向重疊率等參數(shù)。返航點(diǎn)對(duì)于飛行安全非常重要。如果在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)離開(kāi)了最初的返航點(diǎn)所在位置，可以通過(guò)返航點(diǎn)設(shè)置刷新返航點(diǎn)。同時(shí)要觀察，確保飛機(jī)當(dāng)前所在位置能夠安全降落才可以刷新返航點(diǎn)。如果飛機(jī)在障礙物或水面上空，一定不要重新設(shè)置返航點(diǎn)[4]。

本文選取的是某小高層小區(qū)9 號(hào)樓，航測(cè)范圍為小區(qū)。調(diào)查小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，尋找合適的起飛地點(diǎn)，即該小區(qū)7 號(hào)樓和9 號(hào)樓之間空地。收集天氣氣象資料，天氣晴天，合理制定飛行時(shí)間，照片比例設(shè)置為3 ∶2，曝光模式設(shè)置為自動(dòng)。根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)最高建筑物為9 號(hào)樓小高層（高27 m），設(shè)置相機(jī)傾斜角度為60°，飛機(jī)飛行航高設(shè)為100 m，航向重疊率設(shè)置為80%，旁向重疊率設(shè)置為70%。本次作業(yè)測(cè)區(qū)共拍攝500 張航空影像。傾斜攝影任務(wù)設(shè)置如圖3 所示。實(shí)地航飛過(guò)程中，無(wú)人機(jī)按照設(shè)定位置，相機(jī)將會(huì)按所對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)和角度進(jìn)行實(shí)際拍攝。作業(yè)人員在空地組裝無(wú)人機(jī)，進(jìn)行上述參數(shù)設(shè)定，最后進(jìn)入航測(cè)作業(yè)。無(wú)人機(jī)將按照上述飛行方案的航線進(jìn)行空中拍攝，作業(yè)人員需要觀察無(wú)人機(jī)位置及實(shí)時(shí)飛行參數(shù)，如遇特殊情況，提前手動(dòng)設(shè)置返航。最后進(jìn)行航飛數(shù)據(jù)檢查，對(duì)不合格的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛。傾斜攝影數(shù)據(jù)直接影響最終的實(shí)景三維模型。

圖3 傾斜攝影任務(wù)設(shè)置

3.2.2 內(nèi)業(yè)作業(yè)

本節(jié)借助ContextCapture 軟件進(jìn)行三維建模。該軟件可以運(yùn)算生成基于真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云，可以使普通照片經(jīng)濟(jì)、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(wú)須人工操作，能夠全自動(dòng)生成實(shí)景三維建模，并且能夠保證真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)部構(gòu)造，從而完成傾斜攝影數(shù)據(jù)到三維模型的過(guò)程。

ContextCapture 三維建模方法具體步驟是：新建文件→導(dǎo)入照片→導(dǎo)入POS 數(shù)據(jù)量→導(dǎo)入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)并刺點(diǎn)→空間三角測(cè)量→模型創(chuàng)建。其中，空中三角測(cè)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(shí)驗(yàn)步驟構(gòu)建的三維模型如圖4所示。

圖4 三維模型

采用無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)住宅外立面進(jìn)行定期檢測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)住宅外立面的裂縫、脫落、滲漏、空鼓等問(wèn)題，可在較短的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間內(nèi)獲得更為全面的檢測(cè)結(jié)果，最終得到更真實(shí)的效果和位置等信息，大大降低檢測(cè)難度，還能提高檢測(cè)的精度效率，方便工作人員及時(shí)進(jìn)行整改和修繕，從而保護(hù)人們的生命財(cái)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(jìn)行圖紙分析。結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電各專業(yè)的圖紙進(jìn)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(jī)電各專業(yè)管線設(shè)計(jì)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(jìn)行圖紙優(yōu)化。結(jié)合各個(gè)專業(yè)的圖紙和住宅建筑機(jī)電管線綜合的要求，使用BIM 技術(shù)。標(biāo)高和軸網(wǎng)的繪制是三維模型建立的基礎(chǔ)。新建一個(gè)建筑樣板，創(chuàng)建標(biāo)高，在“項(xiàng)目瀏覽器”里選擇立面。任意選擇一個(gè)立面（東南西北中任意一個(gè)），如“南立面”，打開(kāi)南立面視圖，繪制小高層項(xiàng)目的標(biāo)高。本次項(xiàng)目層高為3 m，共11 層，設(shè)置屋面標(biāo)高和屋頂標(biāo)高。然后在“視圖”→“創(chuàng)建”→“平面視圖”中，將所有標(biāo)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(xiàng)目瀏覽器”中雙擊“標(biāo)高1”視圖，在樓層平面標(biāo)高1 里面繪制軸線。選擇“軸網(wǎng)”命令，對(duì)軸網(wǎng)進(jìn)行“屬性”設(shè)置。對(duì)軸線的兩端編號(hào)需要進(jìn)行設(shè)置，在“編輯類型”里面，勾選“兩端編號(hào)”。

之后建立柱、墻、門窗和樓梯。在首層平面圖中，點(diǎn)擊“建筑”選項(xiàng)卡下面的柱墻、門、窗和樓梯，創(chuàng)建與實(shí)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(xiàng)目中使用。然后建立樓板、梁和屋頂，根據(jù)平面圖要求，點(diǎn)擊樓板，修改樓板的屬性參數(shù)。本項(xiàng)目采用120 mm 厚的鋼筋混凝土樓板。后續(xù)構(gòu)件同樣按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行創(chuàng)建。

3.3.2 信息化功能應(yīng)用

利用BIM 的信息化功能，可以對(duì)小高層修繕構(gòu)件的模型進(jìn)行特殊標(biāo)記，如“裂縫、脫落、滲漏、空鼓現(xiàn)象”等狀態(tài)，簡(jiǎn)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(jìn)行模型的特殊標(biāo)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(chǎng)工作，能夠簡(jiǎn)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(guò)程中，工作人員可對(duì)構(gòu)件的修復(fù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記，將現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度同步更新至項(xiàng)目各參與方。

圖5 外墻裂縫標(biāo)記

3.3.3 可視化功能應(yīng)用

利用BIM 技術(shù)構(gòu)建可視化場(chǎng)景，能夠?yàn)樾「邔拥耐饬⒚姹Ｗo(hù)提供參考。將小高層三維模型進(jìn)行細(xì)化及深化后，配合相關(guān)軟件可以進(jìn)行貼近現(xiàn)實(shí)的模擬演示。模型中有構(gòu)件信息，可以對(duì)三維模型進(jìn)行360°擺動(dòng)以及細(xì)部放大縮小等方式觀看，讓項(xiàng)目各方可以對(duì)建筑整體及細(xì)節(jié)都有了解，增加業(yè)主或相關(guān)人員的真實(shí)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(yǔ)

無(wú)人機(jī)影像技術(shù)和BIM 技術(shù)在小高層外立面檢測(cè)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)影像技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)住宅外立面的裂縫、脫落、滲漏、空鼓現(xiàn)象等問(wèn)題，BIM 技術(shù)以數(shù)字化方式協(xié)助修繕工程現(xiàn)場(chǎng)工作，簡(jiǎn)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(wú)人機(jī)影像技術(shù)和BIM 技術(shù)對(duì)小高層建筑進(jìn)行“體檢”，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行整改和修繕，對(duì)保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。