BIM技術(shù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影在土方平衡中的應(yīng)用

【摘要】對(duì)于占地較廣、場(chǎng)地前后變化復(fù)雜且對(duì)土方平衡要求較高的工程項(xiàng)目，傳統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算效率及精確性很難得到保證。文章針對(duì)土方計(jì)算的需求，研究如何將BIM技術(shù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行結(jié)合，借助兩者的優(yōu)勢(shì)，將兩者進(jìn)行集成應(yīng)用，以解決土方總量和土方過(guò)程變化量計(jì)算的痛點(diǎn)，使現(xiàn)場(chǎng)的土方算量更為便捷和精準(zhǔn)，在土方調(diào)配、土方管控及土方費(fèi)用估算等方面帶來(lái)便利。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；無(wú)人機(jī)傾斜攝影；集成應(yīng)用；土方平衡

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）09-0019-03

0 引言

土方平衡作為建筑項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于項(xiàng)目的順利進(jìn)行和成本控制具有重要意義。傳統(tǒng)的土方平衡計(jì)算通常依賴(lài)人工測(cè)量和手動(dòng)計(jì)算，存在效率低、精度低、成本高等問(wèn)題。在面對(duì)大型復(fù)雜場(chǎng)地時(shí)往往需要耗費(fèi)更多的時(shí)間和精力，急需一種高效便捷且準(zhǔn)確率高的技術(shù)解決這個(gè)難題。

隨著建筑科技的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)為土方平衡提供了新的解決方案。BIM技術(shù)在地形曲面分析方面存在優(yōu)勢(shì)，而無(wú)人機(jī)傾斜攝影有著高效、靈巧、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)地地形標(biāo)高的快速獲取[1]。兩項(xiàng)技術(shù)的單獨(dú)使用在土方平衡方面均有著成功的應(yīng)用案例。本文將以深圳某大學(xué)項(xiàng)目為例，探討介紹BIM技術(shù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影在土方平衡中的集成應(yīng)用。

1 工程概況

深圳某大學(xué)項(xiàng)目總用地面積59萬(wàn) m2，項(xiàng)目共分為4個(gè)標(biāo)段，其中三標(biāo)段建設(shè)內(nèi)容包括學(xué)院樓、行政樓、交流中心、會(huì)堂、空中連廊、景觀湖等7棟單體。項(xiàng)目土方平衡存在以下難點(diǎn)。

1）前期所有單體均分散在2個(gè)基坑內(nèi)，兩個(gè)基坑面積較大，同時(shí)基坑之間存在原有水溝，竣工后擴(kuò)大為景觀湖；北側(cè)還存在一座高大山體，竣工后改成小型的景觀坡。場(chǎng)地現(xiàn)狀與竣工結(jié)果變化較大，如何對(duì)土方總量進(jìn)行快速計(jì)算是需要解決的難點(diǎn)。

2）項(xiàng)目北側(cè)的山體可開(kāi)挖較多土方量，用于現(xiàn)場(chǎng)基坑回填及室外整個(gè)場(chǎng)地回填。隨著現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際進(jìn)展，山體的土方量也呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化。兩個(gè)基坑中間原有水道前期需要先回填，同時(shí)留出區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)土方堆放，施工后期又要重新拓展開(kāi)挖形成景觀湖，在整個(gè)施工過(guò)程中土方變化情況也比較復(fù)雜，如何精準(zhǔn)把控該區(qū)域土方過(guò)程變化量是項(xiàng)目的重點(diǎn)。

3）傳統(tǒng)土方計(jì)算法一般為方格網(wǎng)法，受場(chǎng)地影響較大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)量工作通常開(kāi)展得十分緩慢，結(jié)果也存在較大誤差。如何快捷、準(zhǔn)確對(duì)土方量進(jìn)行計(jì)算，是項(xiàng)目土方平衡的難點(diǎn)，需要研究更為高效的計(jì)算方式。

2 技術(shù)應(yīng)用策劃

2.1 應(yīng)用分析

土方總量和土方過(guò)程量計(jì)算都是基于初始的地形和完成后地形進(jìn)行開(kāi)展，主要計(jì)算思路相同，主要區(qū)別是計(jì)算土方過(guò)程量時(shí)，每次計(jì)算均需基于當(dāng)下場(chǎng)地的實(shí)際變化情況，重新進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)量。而計(jì)算土方總量?jī)H針對(duì)原始方格網(wǎng)進(jìn)行，沒(méi)有涉及多次測(cè)量的過(guò)程。

針對(duì)這兩種計(jì)算的特點(diǎn)，項(xiàng)目對(duì)BIM技術(shù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及可行性進(jìn)行分析，將這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，在土方計(jì)算方面打開(kāi)新的計(jì)算思路。

1）BIM技術(shù)計(jì)算土方量分析。該方法是將BIM軟件Civil 3D作為計(jì)算手段，基于現(xiàn)有原始場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)和竣工完成面數(shù)據(jù)，創(chuàng)建兩個(gè)曲面模型。軟件可自動(dòng)對(duì)這兩個(gè)曲面模型進(jìn)行疊加分析，計(jì)算出兩者間的體積差值即是對(duì)應(yīng)的土方量[2]。此方法是基于電腦的自動(dòng)算法，電腦軟件能處理更為龐大的數(shù)據(jù)，在保證高效運(yùn)算的同時(shí)，受計(jì)算人員的主觀影響很小，可以很好地避免人為出錯(cuò)，與傳統(tǒng)方法相比可以大大節(jié)約計(jì)算時(shí)間，準(zhǔn)確性也得到提升，因此具備可行性。

2）傾斜攝影技術(shù)計(jì)算土方量分析。該方法是利用無(wú)人機(jī)對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，從而獲取帶高程數(shù)據(jù)的圖片，隨后利用相關(guān)軟件可生成能夠直接測(cè)量的三維現(xiàn)狀實(shí)景模型。在實(shí)景模型中可直接框選某個(gè)區(qū)域，并設(shè)定該區(qū)域的完工面標(biāo)高，便可直接測(cè)算該區(qū)域的土方量。此方法利用無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的靈活性和敏捷性等優(yōu)勢(shì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工測(cè)量。通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行收集地形紋理和POS數(shù)據(jù)，機(jī)動(dòng)靈活性更強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度更低，生產(chǎn)效率更高，在面對(duì)需頻繁測(cè)量的大場(chǎng)地時(shí)能大大節(jié)約時(shí)間。同時(shí)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲得的坐標(biāo)點(diǎn)是按一定規(guī)律密布的點(diǎn)。通常點(diǎn)的密度越大，所包含的信息量越大，合成后的模型越接近真實(shí)地形，計(jì)算準(zhǔn)確性越高，因此具備可行性。

3）BIM技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)結(jié)合計(jì)算土方量分析。BIM技術(shù)與傾斜攝影兩種方式具備優(yōu)勢(shì)，但均存在不足。前者的精準(zhǔn)計(jì)算依賴(lài)于原始面數(shù)據(jù)源及完成面數(shù)據(jù)源是否具備及完整，在缺乏原始源的情況下，該方式難以開(kāi)展；而后者直接在實(shí)景模型中進(jìn)行框選測(cè)量，一次測(cè)量只可針對(duì)標(biāo)高差不多的同一區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，若待測(cè)區(qū)域擴(kuò)大則需要進(jìn)行多次框選測(cè)量，且測(cè)量精度也會(huì)下降。

基于這兩項(xiàng)技術(shù)單獨(dú)開(kāi)展存在的不足，項(xiàng)目改進(jìn)了實(shí)景模型的計(jì)算方式，與BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，研究如何在實(shí)景模型中提取地形數(shù)據(jù)，并可作為原始源直接導(dǎo)入Civil 3D中，從而進(jìn)行更為精確計(jì)算的流程。大致思路為將模型轉(zhuǎn)換為.obj格式模型，再增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行多次處理，最終生成可被Civil 3D識(shí)別的.asc格式地形數(shù)據(jù)文件，將其作為當(dāng)前場(chǎng)地狀態(tài)原始數(shù)據(jù)，再結(jié)合完工的地形數(shù)據(jù)，便可直接利用Civil 3D開(kāi)展計(jì)算。

該流程可以補(bǔ)足BIM技術(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)需求，同時(shí)改進(jìn)實(shí)景模型在測(cè)量方式上的弊端，提升計(jì)算的精確性。針對(duì)本項(xiàng)目的土方總量及土方過(guò)程變化量計(jì)算需求，具備可行性。

4）整體策劃路線(xiàn)。由于項(xiàng)目初期已具備原始方格網(wǎng)及竣工面數(shù)據(jù)，整體策劃思路為土方總量的計(jì)算應(yīng)用BIM技術(shù)，而將兩種技術(shù)的結(jié)合用于土方過(guò)程量的計(jì)算。

2.2 應(yīng)用具體流程

2.2.1 基于BIM技術(shù)的土方總量測(cè)算

1）從CAD圖紙中提取數(shù)據(jù)。在地探單位的原始方格網(wǎng)圖和設(shè)計(jì)景圖中提取點(diǎn)數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)出為.txt格式。

2）將點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中生成曲面。將上步驟導(dǎo)出的.txt格式點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中分別生成原始曲面和完成曲面。

3）完成曲面處理。由于完成面標(biāo)高為造型面標(biāo)高，在計(jì)算時(shí)還需扣除一個(gè)鋪裝厚度，剩下的才是土方回填的部分，根據(jù)圖紙的要求，扣除標(biāo)準(zhǔn)按以下數(shù)值：綠化層按完成面扣350 mm、瀝青道路層按完成面扣650 mm、山體及景觀湖按完成面扣300 mm、地下室頂板上方按600 mm考慮。

4）土方區(qū)域的劃分。按照項(xiàng)目場(chǎng)地的實(shí)際情況，將場(chǎng)地劃分為2號(hào)坑、4號(hào)坑、山體、景觀湖、6號(hào)樓基坑開(kāi)挖五個(gè)部分。其中2號(hào)、4號(hào)基坑的回填較為復(fù)雜，單獨(dú)一個(gè)基坑的土方需細(xì)分為3個(gè)部分：①基坑周邊回填；②地下室頂板上方室外回填；③基坑范圍外室外場(chǎng)地回填。

5）軟件疊加分析計(jì)算。Civil 3D軟件會(huì)自動(dòng)將兩個(gè)曲面進(jìn)行疊加分析并計(jì)算，自動(dòng)生成土方報(bào)告，用于后續(xù)編寫(xiě)土方計(jì)算書(shū)。

2.2.2 土方過(guò)程量測(cè)算

1）基準(zhǔn)控制點(diǎn)測(cè)設(shè)。在紅線(xiàn)范圍內(nèi)選取不易受施工活動(dòng)影響的位置作為標(biāo)高復(fù)核的控制點(diǎn)，由于場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)狀地形起伏較大，為保證地形的高處和低處都有一定數(shù)量的控制點(diǎn)，故共設(shè)置12個(gè)控制點(diǎn)，并用混凝土試塊作為控制點(diǎn)位置標(biāo)記物，再利用RKT測(cè)量出控制點(diǎn)的坐標(biāo)并記錄下來(lái)。

2）航線(xiàn)規(guī)劃及拍攝。綜合考慮待測(cè)區(qū)域的地理位置、線(xiàn)路走向等因素，利用航拍軟件對(duì)航線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃，確定無(wú)人機(jī)飛行高度為120 m，攝影的航向重疊率和旁向重疊率均為70%；同時(shí)為了保證無(wú)人機(jī)拍攝影像的質(zhì)量，獲取準(zhǔn)確的地形高度、形狀以及立面，減少誤差，控制飛行速度不宜超過(guò)10 m/s，以不同視角飛行3條航線(xiàn)以上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行影像采集[3]。

3）數(shù)據(jù)處理。將采集的航拍圖像數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)錄入模型制作軟件中，并通過(guò)控制點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行控制點(diǎn)的標(biāo)記工作，對(duì)10個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，剩余2個(gè)點(diǎn)用于后續(xù)的復(fù)核，以保證實(shí)景模型的坐標(biāo)信息的精確。

4）空三匹配生成模型。軟件會(huì)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，檢查無(wú)誤后自動(dòng)進(jìn)行空中三維加密處理，自動(dòng)生成地表地形，并完成紋理覆蓋，形成現(xiàn)狀的地形表面三維模型。模型生成完畢后，通過(guò)實(shí)景模型內(nèi)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量功能對(duì)12個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，判斷模型的精度，確保模型的精度平面為±5 cm以?xún)?nèi)，高程在±10 cm以?xún)?nèi)。

5）實(shí)景模型地形數(shù)據(jù)提取。利用ContextCapture軟件將實(shí)景模型導(dǎo)出為具有點(diǎn)坐標(biāo)信息的.obj格式的文件；再將.obj格式文件導(dǎo)入至Geomagic Studio軟件內(nèi)，經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)處理即可生成.asc格式的云文件。

6）結(jié)合BIM軟件技術(shù)計(jì)算土方變化量。將.asc格式文件導(dǎo)入Civil 3D軟件中，得到基于現(xiàn)狀地形的現(xiàn)狀曲面，結(jié)合原始數(shù)據(jù)與合成數(shù)據(jù)，通過(guò)分析現(xiàn)狀曲面與原始曲面、現(xiàn)狀曲面與完成曲面的差值即可得到土方已開(kāi)挖量和還需開(kāi)挖量。

3 技術(shù)應(yīng)用結(jié)果分析

3.1 應(yīng)用結(jié)果分析

1）土方總量計(jì)算

利用BIM技術(shù)的計(jì)算路線(xiàn)，將場(chǎng)地分為2號(hào)坑、4號(hào)坑、山體、景觀湖、6號(hào)樓基坑5個(gè)部分，計(jì)算整個(gè)場(chǎng)地的需開(kāi)挖及需回填方量?jī)?nèi)容，最終結(jié)果得出需回填土方量為2 203.9 m3，計(jì)算結(jié)果如表1所示，基本處于自平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)與實(shí)際進(jìn)出場(chǎng)方量的數(shù)據(jù)追溯對(duì)比，查得實(shí)際進(jìn)場(chǎng)方量為4 000 m3，結(jié)果顯示誤差僅為1 800 m3，精確性滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

2）土方工程量計(jì)算

利用BIM技術(shù)與傾斜攝影結(jié)合的計(jì)算路線(xiàn)，在整個(gè)土方工程施工中，一共開(kāi)展了7次不同時(shí)間的航測(cè)計(jì)算，完成了7次土方過(guò)程量的計(jì)算，同時(shí)每一次的計(jì)算均可以作為下一次計(jì)算的計(jì)算基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體土方的動(dòng)態(tài)修正。經(jīng)過(guò)與實(shí)際進(jìn)出場(chǎng)方量的數(shù)據(jù)追溯對(duì)比，7次計(jì)算均能滿(mǎn)足項(xiàng)目的精度要求。

3.2 應(yīng)用成效分析

1）經(jīng)濟(jì)成效。兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目土方量更為精準(zhǔn)的計(jì)算，節(jié)省人力物力，同時(shí)為商務(wù)部門(mén)、施工部門(mén)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使后續(xù)的土方費(fèi)用估算方面更為精確，輔助項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)成本把控。

2）進(jìn)度成效。土方的快速計(jì)算為計(jì)算人員節(jié)約了大量的時(shí)間，同時(shí)輔助項(xiàng)目在土方大面積開(kāi)展施工前有一個(gè)良好的預(yù)期，無(wú)人機(jī)代替人工，減少測(cè)量人員的時(shí)間消耗，輔助管理人員實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)區(qū)域土方情況的及時(shí)了解，加快現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度。

4 結(jié)語(yǔ)

大型場(chǎng)地的土方平衡一直是每個(gè)項(xiàng)目的重難點(diǎn)，與項(xiàng)目進(jìn)度、項(xiàng)目成本等內(nèi)容息息相關(guān)，如何實(shí)現(xiàn)土方量的精準(zhǔn)且快速計(jì)算，有一套完整且可執(zhí)行的技術(shù)應(yīng)用流程很關(guān)鍵。

本項(xiàng)目創(chuàng)新地探索了一套面對(duì)大型復(fù)雜場(chǎng)地土方平衡的技術(shù)應(yīng)用流程，將BIM技術(shù)與傾斜攝影進(jìn)行融合使用，計(jì)算方法更為科學(xué)，現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)獲取更快更準(zhǔn)確[4]，從前期的技術(shù)策劃，到2種技術(shù)路線(xiàn)的落地融合開(kāi)展運(yùn)用，再到階段性土方成果的出具，打通了一整條土方平衡的應(yīng)用流程。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法能夠顯著提高土方平衡的效率和質(zhì)量，降低施工成本，并為設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供有力支持[5]。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]陳楚濤（1991—），男，廣東汕頭人，本科，工程師，研究方向：BIM技術(shù)應(yīng)用與研究。