基于BIM的實景建模技術(shù)研究與施工應(yīng)用

徐世文，姚富智，劉 洋，郭金龍

（1. 中鐵九局集團第二工程有限公司，吉林 吉林 132001；2. 中鐵九局集團有限公司，遼寧 沈陽 110051）

0 引言

現(xiàn)代工程中運用信息化技術(shù)已經(jīng)成為一種趨勢，新型的施工技術(shù)、測量技術(shù)和BIM技術(shù)的應(yīng)用，將極大地提高施工生產(chǎn)效率。目前，對實景建模技術(shù)的概念、生成實景模型的過程和方法等已經(jīng)進行了深入研究，形成了成熟清晰的技術(shù)路線，為后續(xù)實景建模技術(shù)的研究提供了參考。但實景建模技術(shù)與施工生產(chǎn)結(jié)合得還不夠緊密，技術(shù)應(yīng)用深度還有待加強。

以服務(wù)施工生產(chǎn)為目的，應(yīng)不斷拓展實景建模技術(shù)應(yīng)用方向。實景建模技術(shù)可改變工程傳統(tǒng)的測量方法，提高測量效率。同時結(jié)合BIM技術(shù)，在臨時工程規(guī)劃、施工方案優(yōu)化等方面發(fā)揮了很好的作用，可以使施工生產(chǎn)變得更加簡單、安全，從而為施工方帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 總體框架構(gòu)建分析

1.1 軟件、硬件的選擇

以實際應(yīng)用案例為例，數(shù)據(jù)采集的航空器，選用具有三軸增穩(wěn)云臺系統(tǒng)的“悟”Inspire 2無人機，配備2 400像素的禪思X7航拍相機，能夠在飛行中拍攝清晰的影像資料。利用高性能平板電腦，安裝可以控制航空器的DJI GS Pro應(yīng)用軟件，可以輕松規(guī)劃復(fù)雜航線任務(wù)（見圖1），實現(xiàn)自動航點飛行拍照、測繪拍照。數(shù)據(jù)處理軟件選用建筑BIM軟件中Bentley平臺的Context Capture實景建模軟件。

1.2 實景建模具體操作步驟

首先使用無人機，對需要實景建模的施工場地進行拍攝。拍攝時盡量選擇在無風(fēng)的晴天，遠離信號塔、高壓線等障礙物?？蛇\用DJI GS Pro進行無人機航線的規(guī)劃，設(shè)置好飛行路線，使照片和航線的重合率大于60%。飛行高度滿足高于建筑物即可。確保所生成實景模型的清晰度。實景建模流程見圖2。

圖1 DJI GS Pro無人機航線規(guī)劃

圖2 實景建模流程

將不清晰、重合率不夠的照片剔除后，把剩余的照片導(dǎo)入Context Capture實景建模軟件（見圖3）。設(shè)置控制點和連接點，檢查無誤后提交空中三角形測量，空三運算完成后從3D視圖檢查實景模型的完成性，提交生成新的項目，依據(jù)電腦的性能對模型進行瓦片大小的設(shè)置，選擇所要生成的文件格式，3MX格式是Bentley軟件的通用格式，可在Bentley Micro Station進行模型參照[1]。

OBJ文件是一種采用文本格式存儲的數(shù)據(jù)文件，可直接用寫字板等的文本編輯軟件打開進行查看和編輯修改[2]。實景模型的運算量極大，為防止花費過多時間，建議多臺電腦聯(lián)機工作。生成的實景模型見圖4。

實景模型生成后，如想修改實景模型，可將生成的OBJ格式導(dǎo)入Descartes軟件中修改。還可將3MX格式實景文件導(dǎo)入Micro Station CE版軟件，與所建的BIM模型結(jié)合[3-4]（見圖5）。

圖3 照片導(dǎo)入實景建模軟件

圖4 生成的3MX實景模型

圖5 實景模型與BIM模型結(jié)合

2 應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 輔助施工方案設(shè)計

在鐵路鄰近既有線工程施工中，作業(yè)機械在使用過程中容易發(fā)生侵限安全隱患，鐵路部門會依據(jù)侵限造成的影響，作出相應(yīng)處罰，致使建設(shè)單位的形象和經(jīng)濟利益受損。要杜絕此類事件發(fā)生，需要提前在設(shè)計施工方案時考慮，既要達到機械的站位即滿足施工要求，還要滿足安全要求，可根據(jù)現(xiàn)場實景模型與BIM模型結(jié)合進行施工模擬，使施工方案更加合理（見圖6）。

2.2 臨時工程規(guī)劃與設(shè)計

工程項目駐地、梁場和施工便道等臨時工程的建設(shè)，建設(shè)前期需要大量人力進行場地的測量和勘察，由于傳統(tǒng)方法收集的數(shù)據(jù)資料具有局限性，存在建設(shè)不合理、建設(shè)材料浪費，甚至返工現(xiàn)象，造成經(jīng)濟損失。在施工前期，利用實景建模技術(shù)和BIM技術(shù)，幫助項目對場地的使用特點和條件進行評估確認，實現(xiàn)場地優(yōu)化和布置的合理性，設(shè)計出最理想的場地規(guī)劃、交通流線組織關(guān)系和建筑布局（見圖7）。

圖6 實景模型與BIM模型結(jié)合后進行方案設(shè)計

圖7 利用實景模型對臨建工程進行規(guī)劃

圖8 計算場地內(nèi)需要清運的土方量

圖9 征拆場地范圍定位和計算

2.3 土方量計算

工程建設(shè)中，土方量計算一直是極其重要的工作內(nèi)容，但僅通過設(shè)計圖紙的開挖橫斷面圖，難以準確快速地完成土方量計算任務(wù)，在工程建設(shè)初期的場地平整階段，工程技術(shù)人員甚至沒有圖紙作為計算依據(jù)。土方量計算的準確性直接影響工程施工計劃和工程效益。實景建模技術(shù)為土方工程量的復(fù)核，以及土方工程量的估算提供了一種全新的手段。在工程建設(shè)前期利用制作的實景模型，可以估算出場地內(nèi)需要清運的土方量，為施工項目合理安排施工計劃創(chuàng)造了條件（見圖8）。

2.4 輔助征拆

工程建設(shè)經(jīng)常需要征拆，征拆場地范圍內(nèi)的建筑位置、占地面積，經(jīng)常需要施工技術(shù)人員進行現(xiàn)場調(diào)查、測量，需要大量時間和人力，在復(fù)雜區(qū)域，這種傳統(tǒng)方式仍具有局限性，所測數(shù)據(jù)無法做到全面準確。利用實景模型對征拆場地范圍進行定位和計算（見圖9），并將征拆現(xiàn)場的情況以數(shù)字化三維模型的形式永久保存。利用實景模型的可測量性，可以方便快捷地完成征拆任務(wù)。

2.5 救援搶險

工程施工中經(jīng)常遇到各類自然災(zāi)害。在某鐵路橋洪災(zāi)搶險中，工程技術(shù)人員利用實景建模技術(shù)，快速完成了水毀橋梁及周邊場地的實景建模工作，以輔助救援搶險工程量計算（見圖10），為災(zāi)情分析和制定救援搶險方案提供了第一手決策資料，為搶險施工便道的選址提供了依據(jù)，搶險過程中的工程量計算更加快捷，有力地保障了水毀橋梁的順利搶修，確保了水毀橋梁的順利恢復(fù)和按時通車。

2.6 實景沙盤制作

目前，建筑業(yè)領(lǐng)域的沙盤被廣泛應(yīng)用于房地產(chǎn)開發(fā)和施工項目部的展示室，將建筑物的結(jié)構(gòu)形式和周圍環(huán)境完美地呈現(xiàn)在人們面前?，F(xiàn)在的沙盤由于沒有準確數(shù)據(jù)，很難做出具有真實比例的模型，不僅影響了沙盤的美觀，其使用也具有局限性。利用實景的可測量性和可讀取坐標的特性，為沙盤制作提供了準確地數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)，可精確制作建筑物與周圍環(huán)境的模型（見圖11）。

圖10 救援搶險工程量計算

圖11 實景模型結(jié)合3D打印技術(shù)制作沙盤

3 結(jié)束語

通過完善實景建模技術(shù)的創(chuàng)建過程，分析和介紹其在工程中的實際應(yīng)用案例，拓展了實景建模技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用思路，其精度可以通過提高攝像機的分辨率、降低航拍高度，以及加大照片重合率進行加強。實景建模技術(shù)的應(yīng)用在減少人員勞動強度、提高工作效率方面成效顯著，當前信息化技術(shù)迅速發(fā)展，實景建模技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域中將會發(fā)揮越來越重要的作用，建議技術(shù)人員在實景模型建筑物的棱角清晰度，以及實景模型的坐標系轉(zhuǎn)換精確度上繼續(xù)深入研究探索，使其更好地服務(wù)工程建設(shè)領(lǐng)域。