無人機傾斜攝影+BIM技術在山區(qū)高速公路施工組織中的應用研究

楊俊

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，我國的高速公路建設管理模式也發(fā)生了巨大的改變，從最初的粗放型管理，到現(xiàn)在的精細化、信息化、智能化管理，朝著綠色、低碳、節(jié)約的方向穩(wěn)步邁進，智慧工地、綠色建造已成為高速公路項目建設發(fā)展的必然。

1 施工場地布置的重要性

施工場地布置作為施工組織設計的重要組成部分，對施工的正常有序進行具有重要影響。隨著科學的進步，技術的發(fā)展，對于施工現(xiàn)場布置的要求也不斷提高。目前，信息化技術發(fā)展迅速，如何順應時代，融入信息化技術發(fā)展的潮流，如何簡化基本程序、加快審批速度、降低施工造價、增加社會效益等成了當下建筑行業(yè)轉型的關鍵問題。如今信息技術發(fā)展迅速，信息化進程蓬勃發(fā)展，沒有信息化就沒有現(xiàn)代化，以信息化驅動現(xiàn)代化，是實現(xiàn)中華民族偉大復興和中國夢的必然選擇。傳統(tǒng)的二維施工場地布置是在施工人員了解施工周圍環(huán)境、施工組織設計要求的情況下僅憑經驗和推測對施工場地進行布置，且在二維設計條件下，需要進行大量的繪圖工作，從而實現(xiàn)現(xiàn)場不同的布局設計，既費時又費力，導致人們不愿意進行多方面設計。因此，對施工組織設計的優(yōu)化勢在必行，通過利用無人機傾斜攝影，構建項目區(qū)三維實景數(shù)字地面模型，再利用BIM技術建立項目實景模型，并合理完善施工便道、臨時場站等的設計及設置[1]。

貴州省作為我國唯一一個沒有平原支撐的多山省份。境內山巒起伏，溝壑縱橫，植被茂密，地形非常復雜[2]。這也導致了該區(qū)域的高速公路橋隧比高，施工難度大，工程造價高。如何高效地進行施工組織，在有限的場地上合理布置項目駐地、進場便道、預制場、拌和站、鋼筋加工場等臨時設施，是一個項目能否順利推進的重中之重。通過在貴州興義環(huán)城高速公路項目、納晴高速、貴州烏平高速等項目中的不斷探索、總結，將無人機傾斜攝影+BIM技術應用到項目施工組織設計中來，保障后續(xù)施工的順利開展，達到經濟、高效的目的。

2 無人機傾斜攝影的應用

隨著無人機技術的快速發(fā)展，使得無人機攝影測量技術用于大規(guī)模三維模型構建成為主流方式。傾斜攝影技術誕生雖然只有20余年，但該技術已逐漸成熟，應用于各個專業(yè)領域。

山區(qū)高速公路因其路線長、地形復雜、植被茂密，路線復雜、臨建設計不僅測量工作量大，還存在一定安全風險，通過采用傾斜攝影技術，創(chuàng)建實景三維模型，有效避免了傳統(tǒng)徒步踏勘方式帶來的視覺局限、以點概面，導致后續(xù)便道、臨時場站建設不合理、不經濟等問題。

2.1 航拍方案的制定

在進行航拍前，需要收集項目的地形圖、路線平面圖、重點構筑物設計圖、交通圖、天氣預報、空中限制區(qū)等項目相關資料，劃定航拍區(qū)域，并結合現(xiàn)場地形狀況、可視度等制定航拍方案。為確保后續(xù)三維模型的位置精確，需將航拍坐標體系及高程體系與施工設計圖相統(tǒng)一，為提高航拍數(shù)據精度，還需在已有控制點的基礎上設置加密控制點，加密控制點需設置在露天空曠、視線較好的位置。

2.2 全景拍攝

采用無人機搭載五目專業(yè)相機，按照既定的方案對項目進行全景拍攝，拍攝范圍覆蓋擬建高速路線兩側300～500m范圍，還包括擬建項目駐地、臨時場站、棄土場、臨時便道等區(qū)域[3]。為提高成圖精度，拍攝時，可適當降低飛行高度及飛行速度，并選擇較好的氣候條件進行拍攝，以確足夠的照度，太陽高度角應大于45°，陰影不應大于1倍。

2.3 三維實景成圖

采用ContextCapture完成本次航測的后期GIS數(shù)據處理。ContextCapture是一款功能齊全的三維建模軟件，可以快速為各種類型的基礎設施項目生成反映現(xiàn)實環(huán)境的三維模型，用傾斜攝影技術拍攝照片，根據照片參數(shù)以及控制點等信息計算輸出相應的GIS成果，以供項目全景總體控制及后期深度加工使用，圖1為三維實景圖。圖像質量特別強調圖像清晰，對比度適中，顏色飽和，顏色明亮，色調一致，并且同一功能部件的色調基本相同，具有更豐富的層次，可以區(qū)分與地面分辨率兼容的小型地面物體的圖像，并且可以建立清晰的三維模型。照片上應避免片狀云、大面積煙霧、陰影、鏤空等缺陷，以保障基礎資料在后續(xù)建模過程中的有效性。對存在缺、漏或不滿足要求的部分，應進行補拍。

圖1三維實景圖

2.4 使用效果評價

通過無人機傾斜攝影，采用三維實景建模技術將重點工程周圍環(huán)境實景還原，使專業(yè)人員能夠站在俯視的高度，總體把握項目實際地形地貌，為后續(xù)施工組織提供直觀、科學、合理、高效的決策依據，極大地提高了生產效率。

利用模型自帶的坐標、高程數(shù)據，解決因項目區(qū)地形復雜、地勢陡峭帶來的測量定位難、丈量難、記錄難和分析難的問題，解放了雙手，降低了安全風險，提高了工作效率。

充分利用三維實景模型對地面河流、植被、田地的完整、直觀記錄，在臨建設施設置時，能準確地對上述地塊進行合理避讓，促進了對環(huán)境的保護，有利于綠色公路的建設。

通過建立三維數(shù)字地面實景模型，將項目實體與周圍環(huán)境融為一體做成電子沙盤，充分展示項目區(qū)內全景狀況，便于項目管理各層級對施工相關方案進行直觀溝通、交流、傳達、落實。電子沙盤見圖2。

圖2 電子沙盤

3 BIM技術的仿真應用

BIM技術是Autodesk公司在2002年率先提出，通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。長期以來，受在成本及技術方面的限制，建筑三維實體模型基本是建立在單一平面上或是采用地形圖+高程形成的數(shù)字地面虛擬模型上，數(shù)字地面模型僅能體現(xiàn)地形的起伏，無地面附著物及構筑物，仿真效果差，故在地形環(huán)境對項目影響相對較小的房建領域，BIM技術發(fā)展及應用相對較快，但在高速公路建設領域，由于缺少準確的環(huán)境信息，BIM技術始終沒能廣泛應用[4]。近年來，得益于無人機及傾斜攝影技術的快速發(fā)展，三維實景模型結合BIM技術快速應用于高速公路建設中。

3.1 在施工進場道路的規(guī)劃、設計、施工中的應用

在貴州山區(qū)高速公路建設中，道路地形條件復雜，山勢險峻陡峭，高速公路施工進場便道通常更多依靠技術員的經驗結合粗略的測量進行施工，施工組織設計與最終實施方案往往不能達成一致，極易導致便道方案實施困難、工程造價不可控以及指標控制隨意的問題，從而出現(xiàn)縱坡超標、半徑不足的情況，致使使用期間出現(xiàn)使用效率低、安全隱患大等問題，最終導致返工、推倒重建，在造成極大浪費的同時，也在一定程度上增加了對生態(tài)環(huán)境的破壞。

通過采用BIM仿真技術，利用三維實景數(shù)據，合理避讓不利地形，規(guī)劃設計進場道路，并實現(xiàn)準確算量，有效降低工程造價，節(jié)約施工成本。同時，將設計方案三維模型原坐標融入三維實景模型中，完整模擬成品環(huán)境，使方案效果一目了然，確保設計方案經濟、合理、可行。進場道路規(guī)劃如圖3所示。

圖3 進場道路規(guī)劃

3.2 在項目部、拌和站、鋼筋加工場、預制場等臨時設施工程中的應用

一個項目的建設是否成功，施工成本是否可控，項目部、拌和站、鋼筋加工場、預制場等臨建工程的規(guī)劃設計是否合理是重中之重，其規(guī)?？刂瞥伺c材料需求計劃關聯(lián)以外，還與現(xiàn)場地形條件和場地利用率息息相關，因此，一個經濟、合理的規(guī)劃設計方案就顯得尤其重要。

利用BIM技術，實景模擬項目場地狀況，并創(chuàng)建臨建實體模型，充分利用每一寸土地，進行多方案布置，最終確定最優(yōu)方案。避免了傳統(tǒng)施工方式中的邊挖、邊建、邊調問題，既提高了方案的可實施性，又降低了設計反復調整、現(xiàn)場反復測量的人力成本。

3.3 在施工方案三級技術交底中的應用

高速公路項目施工作為一項勞動密集型產業(yè)，除了部分專業(yè)技術人員以外，更多的施工人員專業(yè)水平相對較低，技術交底是控制施工質量的一項核心工作，傳統(tǒng)的技術交底通常以文字描述加二維圖紙作為載體，交底效果往往受制于相關人員的工程經驗及領悟能力，因此具有一定局限性。通過利用BIM技術，針對重難點施工項目按照施工規(guī)范標準，對施工工藝進行分解，制作施工動畫，完整再現(xiàn)施工全過程。采用施工動畫進行技術交底，打通了溝通壁壘，降低了技術門檻，提高了施工質量。

3.4 在設計圖紙復核中的應用

山區(qū)高速公路因地形起伏大，部分段落橫坡較大，在進場施工前，對原地面進行復測是一項非常重要的工作。通過復測數(shù)據與設計數(shù)據的對比、核實，實時找出設計圖紙中存在的錯漏，以便及時修訂，采用傳統(tǒng)的GPS復測方式，除了繁瑣的逐樁斷面測量以外，還需對照設計圖一一核查，外業(yè)、內業(yè)工作量巨大，費時費力，人力成本較高。

通過采用GIS+BIM技術，充分利用三維實景模型的GIS數(shù)據，依托公路BIM設計系統(tǒng)，將二維設計圖紙制作成三維數(shù)據模型，將項目實體模型原坐標還原于三維實景模型中，能直觀、有效地發(fā)現(xiàn)設計圖紙中的錯漏，如斷面錯誤、橋梁樁基懸空、隧道進出口開挖過大等問題。如在某項目的復核中，通過實體模型發(fā)現(xiàn)，設計圖路線左側的小填方實際為4級邊坡的高填方，且填方位于斜坡上，方案無法實施，在將問題反饋給設計單位后，及時將設計進行了調整，避免了事故的發(fā)生。

3.5 在方案比選中的應用

隨著高速公路建設管理向精細化不斷發(fā)展，環(huán)保、經濟、美觀等建設要求已深入人心，踐行綠色公路理念，動態(tài)設計、動態(tài)施工已被越來越多的項目采用，根據現(xiàn)場實際情況及時修正、優(yōu)化設計方案，在涉及設計方案與環(huán)境的匹配性及美觀性時，在二維設計圖紙上很難得到一個肯定的結論。通過利用BIM技術，將比選方案進行三維模型還原，并分別放置于實景地形圖上，能直觀地展示其美觀性及與周圍環(huán)境的匹配性，有利于方案的抉擇及綠色公路的打造。在興義環(huán)城高速公路項目的建設中，采用BIM技術對隧道洞門及路基邊坡防護綠化進行多方案建模對比，最終選擇更加適宜周圍環(huán)境的設計方案，在講究經濟性的同時，也確保了美觀、實用性。

4 結語

無人機傾斜攝影技術的快速發(fā)展，促進了GIS技術在高速公路建設行業(yè)中的應用，結合BIM技術，有效改善了施工過程中普遍存在的難點，受到了公路建設者的普遍肯定。在項目管理過程中，引入項目算量系統(tǒng)、項目安全管理系統(tǒng)、項目進度管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)，可使其在高速公路建設中發(fā)揮更加積極的作用。