基于BIM與三維實(shí)景的機(jī)場(chǎng)跑道土方工程量測(cè)算方法研究

張昌文 王 艷 周 誠(chéng)

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074； 2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430023)

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，土木工程行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期。土方工程作為土木工程施工中主要的工程之一，存在于大大小小的工程項(xiàng)目中[1-2]。現(xiàn)階段，土方工程量的測(cè)算可分為工程測(cè)量及數(shù)據(jù)計(jì)算兩個(gè)步驟。工程測(cè)量基本采用人工的方式，數(shù)據(jù)計(jì)算過程復(fù)雜，因此，整個(gè)工程量測(cè)算工作面臨工作時(shí)間長(zhǎng)、工作過程復(fù)雜等問題。

近年來，BIM技術(shù)發(fā)展迅速，張鳳林等在維拉納國(guó)際機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程中，以BIM技術(shù)為引導(dǎo)，對(duì)道面土方工程施工進(jìn)行過程質(zhì)量控制，最終實(shí)現(xiàn)工效的提升以及工期的縮短[3]； 王文濤等利用BIM技術(shù)對(duì)大型場(chǎng)地平整工程量進(jìn)行計(jì)算并為土方調(diào)運(yùn)工作提供依據(jù)[4]。

實(shí)景建模技術(shù)也被頻繁地應(yīng)用于智慧城市、工程施工及地理測(cè)繪等不同場(chǎng)景中。魏曦等基于三維實(shí)景建模，構(gòu)建城市公共安全三維實(shí)景模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市公共安全管理[5]； 李魯峰利用多旋翼無人機(jī)，采集施工現(xiàn)場(chǎng)三維模型，提出每日施工進(jìn)度控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)進(jìn)度、安全監(jiān)控[6]。

目前，一些研究將BIM技術(shù)和實(shí)景建模技術(shù)相結(jié)合，在土方工程中進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究。黃河等采用BIM技術(shù)創(chuàng)建路基結(jié)構(gòu)模型，融合數(shù)字地表模型，獲取路基土方量[7]； 胡濱等基于三維實(shí)景和BIM模型，在運(yùn)籌學(xué)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上計(jì)算土方調(diào)配方案[8]； Sun等人利用BIM軟件結(jié)合DEM實(shí)景模型，對(duì)土方工程量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，進(jìn)一步研究計(jì)算產(chǎn)生的誤差，并對(duì)實(shí)際算例進(jìn)行現(xiàn)有方法的驗(yàn)證[9]。

本文結(jié)合目前先進(jìn)的BIM技術(shù)和三維實(shí)景建模技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)算方法的不足，提出了基于BIM與三維實(shí)景的機(jī)場(chǎng)跑道土方工程量測(cè)算方法。該方法能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道土方工程量的測(cè)算，有效解決傳統(tǒng)測(cè)算工作中存在的工作時(shí)間長(zhǎng)、過程復(fù)雜等問題，在提升工作效率的同時(shí)還能為項(xiàng)目提供準(zhǔn)確豐富的數(shù)據(jù)信息，輔助工程決策，確保整個(gè)工程的順利完成。

1 三維實(shí)景模型建模及處理方法

三維實(shí)景模型的構(gòu)建是為了能夠記錄工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工狀況，并結(jié)合BIM模型對(duì)土方工程量進(jìn)行測(cè)算。在土方工程施工過程中根據(jù)設(shè)計(jì)方案去測(cè)算土方開挖及填筑的工程量，測(cè)算的同時(shí)也能為進(jìn)度、成本等計(jì)劃文本的編制提供參考。

1.1 三維實(shí)景模型建模方法

目前，針對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)景數(shù)據(jù)采集主要分為無人機(jī)數(shù)據(jù)采集、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和全站儀聯(lián)合GNSS-RTK數(shù)據(jù)采集，三種采集方式的原理及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。機(jī)場(chǎng)跑道土方工程施工范圍較大，經(jīng)過實(shí)地踏勘，工程現(xiàn)場(chǎng)沒有較密集的植被遮擋，因此經(jīng)過綜合比較三種數(shù)據(jù)采集方法，擬選擇無人機(jī)數(shù)據(jù)采集方式。

表1 實(shí)景數(shù)據(jù)采集方式

通過無人機(jī)采集到的傾斜影像，運(yùn)用Bentley公司的ContextCapture軟件進(jìn)行三維重建，生成工程所需要的三維實(shí)景模型[10]。在模型生成階段，將所有模型的空間參考系統(tǒng)設(shè)置成統(tǒng)一坐標(biāo)系，使得不同時(shí)期采集所生成不同模型的原點(diǎn)坐標(biāo)均相同。通過此方式，能夠解決后期模型配準(zhǔn)的問題，形成流程化的工作步驟，提高工作效率，最終生成的三維實(shí)景模型如圖1所示。

圖1 三維實(shí)景模型

1.2 三維實(shí)景模型與BIM模型的處理

三維實(shí)景模型與BIM模型屬于兩種不同的模型形式，需要對(duì)BIM模型進(jìn)行處理，使得兩種模型能夠處在同一坐標(biāo)系下，方便后續(xù)的相關(guān)操作。

首先，將BIM模型導(dǎo)出為FBX格式，F(xiàn)BX文件格式為目前通用的3D文件格式，支持主流的三維模型軟件，選擇使用CloudCompare軟件對(duì)模型進(jìn)行處理[11]。在CloudCompare中分別打開FBX格式的跑道設(shè)計(jì)模型和三維實(shí)景模型。圖2(a)中下方綠色為跑道的BIM設(shè)計(jì)模型，上方為施工實(shí)景模型，由于兩模型并不處在同一坐標(biāo)系下，因此需要對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行配準(zhǔn)處理，使得兩個(gè)模型能夠處在同一坐標(biāo)系下。由于BIM設(shè)計(jì)模型與實(shí)景模型間，能夠找到的相似的點(diǎn)較少，且相關(guān)配準(zhǔn)閾值較難設(shè)定，配準(zhǔn)效果較差，因此，選擇手動(dòng)選點(diǎn)的方式對(duì)兩模型進(jìn)行配準(zhǔn)處理，完成配準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與實(shí)景模型如圖2(b)所示。

(a)未配準(zhǔn)模型

2 機(jī)場(chǎng)跑道土方工程量測(cè)算方法

土方工程量測(cè)算需結(jié)合三維實(shí)景模型和BIM模型，三維實(shí)景模型的主要表現(xiàn)形式為點(diǎn)云模型和網(wǎng)格模型。點(diǎn)云模型是三維實(shí)景建模技術(shù)的基礎(chǔ)，因此選擇點(diǎn)云模型，并稱其為實(shí)景點(diǎn)云模型。土方工程量測(cè)算包括模型加載、模型裁剪及測(cè)算參數(shù)設(shè)置。

2.1 實(shí)景點(diǎn)云及BIM模型加載

在CloudCompare軟件中，加載實(shí)景點(diǎn)云模型和BIM模型，如圖3所示。兩種形式的模型已置于同一坐標(biāo)系下，需將BIM模型轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云模型，在轉(zhuǎn)換過程中需選擇合適的點(diǎn)云密度，保證模型中點(diǎn)的數(shù)量，且計(jì)算機(jī)能夠加載運(yùn)行。通過Edit-Mesh-Sample Points功能，采集BIM模型上的點(diǎn)，選擇采集方式為按密度采集，點(diǎn)的采樣密度為0.05m，即每平方米的模型中包含400個(gè)點(diǎn)，模型中的點(diǎn)的數(shù)量較多，且計(jì)算機(jī)能夠加載運(yùn)行，由此生成的模型稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)云模型。

圖3 加載實(shí)景點(diǎn)云模型和BIM模型

2.2 模型測(cè)算區(qū)域裁剪

將兩個(gè)模型相疊加，剪切出需要進(jìn)行測(cè)算的部分。在CloudCompare軟件中，同時(shí)選中實(shí)景點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)點(diǎn)云模型，通過Edit-Segment功能，將需要測(cè)算的區(qū)域裁剪出來，經(jīng)過裁剪處理后，每塊模型中均包含約四百萬個(gè)點(diǎn)，裁剪后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 裁剪后的模型

2.3 相關(guān)測(cè)算參數(shù)設(shè)置

(1)設(shè)置底部、頂部模型

在CloudCompare軟件中，同時(shí)選中實(shí)景點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)點(diǎn)云模型，通過Tools-Volume-Compute 2.5D volume功能，對(duì)選擇的兩模型進(jìn)行工程量測(cè)算，如圖5所示。根據(jù)測(cè)算要求，設(shè)置底部(Groud/Befor)、頂部(Ceil/After)模型，例如正在進(jìn)行第二層級(jí)配的施工，若需測(cè)算較第一層級(jí)配增加的工程量，可將第一層級(jí)配對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)云模型設(shè)置為底部模型，將正在施工的實(shí)景點(diǎn)云模型設(shè)置為頂部模型。

圖5 測(cè)算參數(shù)設(shè)置

(2)設(shè)置合適的劃分密度

劃分合適的測(cè)算部分的密度，確定每一測(cè)算部分基底的尺寸及每部分中包含模型點(diǎn)的數(shù)量，并記基底面積為A，如圖6(a)所示。不同劃分密度包含不同數(shù)量的模型點(diǎn)，要在保證計(jì)算參與率的同時(shí)，控制測(cè)算誤差。在軟件測(cè)算窗口中，Grid-step所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，即為每一測(cè)算部分基底的邊長(zhǎng)，如圖5所示，邊長(zhǎng)的平方記為基底面積A。不同劃分密度對(duì)應(yīng)的計(jì)算參與率如表2所示。經(jīng)測(cè)算驗(yàn)證，當(dāng)測(cè)算部分劃分的邊長(zhǎng)為0.16m時(shí)，即劃分密度為每塊測(cè)算部分中包含10個(gè)模型點(diǎn)，在保證劃分密度最密的情況下，測(cè)算參與率可達(dá)到99.9%。

(3)設(shè)置合適的近似高度

計(jì)算底部到頂部的高度，記hi為底部到頂部的高度，如圖6(a)所示。由于每一測(cè)算部分包含底部模型和頂部模型中的若干模型點(diǎn)，確定底部到頂部的距離有不同的選擇，可以選擇計(jì)算該部分內(nèi)所有點(diǎn)的平均高度作為該塊區(qū)域近似平面的高度值，也可選擇最低點(diǎn)或最高點(diǎn)的高度作為近似平面的高度值，如圖6(b)所示，不同的高度近似值會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。在軟件中，對(duì)應(yīng)的Grid-cell height中可選擇的minimum height、average height和maximum height三種不同的近似高度計(jì)算方式，如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中，將近似平面的高度分別設(shè)置為最低點(diǎn)高度、平均高度和最高點(diǎn)高度，將不同高度的測(cè)算結(jié)果與使用高精度儀器所測(cè)算出的結(jié)果相比較，測(cè)算結(jié)果的相對(duì)誤差如表3所示。經(jīng)測(cè)算驗(yàn)證，在將測(cè)算高度設(shè)置為平均高度時(shí)，相對(duì)誤差最小，測(cè)算誤差可以控制在1%以內(nèi)。

(a)底部、頂部模型及劃分密度 (b)不同近似高度設(shè)置圖6 土方工程量測(cè)算原理

表2 不同劃分密度對(duì)應(yīng)的計(jì)算參與率

表3 不同測(cè)算高度對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差

(4)提交測(cè)算

已知基底面積為A，底部到頂部的距離為hi，因此，可根據(jù)計(jì)算公式(1)測(cè)算土方工程量。在CloudCompare軟件中點(diǎn)擊Update進(jìn)行工程量的測(cè)算，測(cè)算出土方工程量，測(cè)算結(jié)果生成在Results欄中。

(1)

3 機(jī)場(chǎng)跑道土方工程量測(cè)算應(yīng)用實(shí)例

本章節(jié)以實(shí)際工程中的機(jī)場(chǎng)跑道土方施工為例，對(duì)土方工程量進(jìn)行測(cè)算，并針對(duì)測(cè)算結(jié)果進(jìn)行分析。在實(shí)際應(yīng)用過程中進(jìn)行了若干次的數(shù)據(jù)采集及測(cè)算工作，本章節(jié)僅選擇有代表性的工程量測(cè)算過程進(jìn)行說明。

3.1 第一層級(jí)配施工期間

在第一層級(jí)配施工期間，將素填土路床設(shè)計(jì)模型作為底部模型，分別將9月30日實(shí)景模型和10月9日實(shí)景模型作為頂部模型，進(jìn)行土方工程量測(cè)算。從9月30日到10月9日，該塊場(chǎng)地基本完成了第一層級(jí)配的施工。

9月30日施工場(chǎng)地的素填土路床基本施工完成，但與設(shè)計(jì)要求相比，9月30日實(shí)景模型多填筑的土方量為154.86m3，需繼續(xù)填筑部分的土方量為132.20m3。測(cè)算圖中黃色偏紅的部分較設(shè)計(jì)模型面高，需將多余的土體進(jìn)行處理，測(cè)算圖中藍(lán)色部分較設(shè)計(jì)模型面低，需將低處進(jìn)行進(jìn)一步填筑，以滿足設(shè)計(jì)模型要求，測(cè)算結(jié)果如圖7(a)所示。

10月9日，施工場(chǎng)地中大部分土體均經(jīng)過壓實(shí)處理，整體較設(shè)計(jì)模型新增土方量為2 249.03 m3，測(cè)算圖中紅色部分需進(jìn)行換填處理，因此，該部分需繼續(xù)進(jìn)行壓實(shí)處理。圖中下方綠色部分由于需要進(jìn)行邊坡堆砌等工作，因此未進(jìn)行土體填筑，造成實(shí)際增加土體較第一層級(jí)配層工程量少，測(cè)算結(jié)果如圖7(b)所示。

(a)9月30日測(cè)算結(jié)果

由于10月2日到10月7日間不斷降雨，造成了施工的停滯，10月8日到10月9日天氣放晴，故加快了第一層級(jí)配的施工。由于10月9日實(shí)景模型數(shù)據(jù)采集時(shí)間在上午，而10月9日整天的施工速度又較快，故導(dǎo)致測(cè)算出的土方工程量較實(shí)際工程量要少。

3.2 第二層級(jí)配施工期間

在第二層級(jí)配施工期間，將第一層級(jí)配設(shè)計(jì)模型平面作為底部模型，分別將10月10日實(shí)景模型和10月19日實(shí)景模型作為頂部模型進(jìn)行土方工程量測(cè)算。從10月10日到19日，該塊場(chǎng)地基本完成了第二層級(jí)配施工。

10月10日，施工場(chǎng)地開始第二層級(jí)配的攤鋪，整體較第一層級(jí)配碎石層設(shè)計(jì)模型新增土方量為2 994.05 m3，測(cè)算圖中綠色偏黃的部分多為新增的土體，且僅使用推土機(jī)進(jìn)行推土，未進(jìn)行壓實(shí)處理，此外測(cè)算圖中還存在偏紅的部分，是運(yùn)輸車輛卸下的土堆，尚未進(jìn)行攤鋪處理，圖中深綠色部分顯示較設(shè)計(jì)模型低，需進(jìn)一步進(jìn)行填筑以達(dá)到設(shè)計(jì)模型要求，高度在0.15～0.3m間，土方量約為79.25 m3，測(cè)算結(jié)果如圖8(a)所示。

10月19日，施工場(chǎng)地整體較第一層級(jí)配碎石層設(shè)計(jì)模型新增土方量為2 060.20 m3，新增土體高度集中在0.16～0.23m，與設(shè)計(jì)要求相符。由于10月13日到10月16日間不斷下雨，因此暫停了施工。10月17日至10月19日，天氣放晴，繼續(xù)進(jìn)行第二層級(jí)配碎石層的振動(dòng)壓實(shí)工作。從19日測(cè)算圖中顯示，壓實(shí)效果良好，基本完成第二層級(jí)配碎石層的施工，測(cè)算結(jié)果如圖8(b)所示。

(a)10月10日測(cè)算結(jié)果

3.3 第三層級(jí)配施工期間

在第三層級(jí)配施工期間，將第二層級(jí)配設(shè)計(jì)模型平面作為底部模型，分別將10月21日實(shí)景模型和10月24日實(shí)景模型作為頂部模型進(jìn)行土方工程量測(cè)算。從10月21日到10月24日，該塊場(chǎng)地持續(xù)進(jìn)行第三層級(jí)配的施工。

10月21日施工場(chǎng)地進(jìn)行第二層級(jí)配碎石層的壓實(shí)工作，因此整體較第二層級(jí)配碎石層設(shè)計(jì)模型新增的土方量要少，在測(cè)算圖中藍(lán)色部分靠近排水溝，一直未進(jìn)行土體的攤鋪，其相較于第二層級(jí)配高度低約0.6m，此部分土方量約為349.46m3，測(cè)算結(jié)果如圖9(a)所示。

(a)10月21日測(cè)算結(jié)果

10月24日，施工場(chǎng)地正進(jìn)行第三層級(jí)配碎石層的攤鋪，整體較第二層級(jí)配碎石層設(shè)計(jì)模型新增土方量為1 675.64 m3，測(cè)算圖中偏黃且較為規(guī)整的部分為新增土體，且振動(dòng)壓實(shí)工作在持續(xù)的進(jìn)行當(dāng)中，新增土體高度在0.24m附近，須達(dá)到設(shè)計(jì)模型要求的0.2m，仍需繼續(xù)進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)處理，測(cè)算結(jié)果如圖9(b)所示。從10月24日起，陸續(xù)完成該部分第三層級(jí)配碎石層鋪設(shè)工作。從10月31日起，持續(xù)進(jìn)行第三層級(jí)配碎石層的振動(dòng)壓實(shí)工作，并針對(duì)局部土體進(jìn)行換填處理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某機(jī)場(chǎng)跑道土方工程為例，對(duì)土方工程量測(cè)算進(jìn)行了相關(guān)研究，通過建立BIM模型和實(shí)景模型的方式，結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)土方工程量進(jìn)行測(cè)算，得出以下結(jié)論：

(1)使用參數(shù)化的建模方法能夠快速準(zhǔn)確建立機(jī)場(chǎng)跑道土方工程BIM模型，為進(jìn)度、成本等計(jì)劃文本的編制提供參考；

(2)使用基于無人機(jī)的三維實(shí)景建模方法，能夠準(zhǔn)確采集施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，快速建立施工現(xiàn)場(chǎng)三維實(shí)景模型，記錄工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工狀況，并結(jié)合BIM模型對(duì)土方工程量進(jìn)行測(cè)算；

(3)本文提出的方法能夠在實(shí)際的工程中進(jìn)行應(yīng)用，基于設(shè)計(jì)和實(shí)景模型對(duì)土方工程量進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算誤差可以控制在1%以內(nèi)，且能夠反映實(shí)際施工情況與設(shè)計(jì)要求間的差異，為施工方案制定提供依據(jù)，解決傳統(tǒng)測(cè)算方式中存在的問題，并為項(xiàng)目提供更為準(zhǔn)確、豐富的數(shù)據(jù)信息，輔助工程決策。