基于BIM＋傾斜攝影技術(shù)的超高層信息化管理

吳紅兵 薛曉宏 姜繼果 肖 男

（1.中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司 陜西西安 710032；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 陜西西安 710055）

1 引言

隨著智慧建造、智慧工地等信息化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的施工管理方法已無(wú)法滿足當(dāng)前建筑工程智能化發(fā)展需要，各大學(xué)者開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向信息化施工管理的研究。郭紅領(lǐng)與潘在儀［1］以BIM系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建施工管理平臺(tái)，為施工階段的信息化管理提供了思路；楊紅巖等［2］通過(guò)將現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和進(jìn)度計(jì)劃管理及資料管理等專(zhuān)業(yè)軟件及平臺(tái)相整合，形成一套信息化項(xiàng)目管理系統(tǒng)并成功應(yīng)用，推進(jìn)了項(xiàng)目管理的信息化發(fā)展。

以往的信息化施工管理多以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)為施工管理信息化發(fā)展提供了新思路。劉洋等［3］提出了一種自主飛行結(jié)合手動(dòng)拍照的古建筑實(shí)景模型三維重建的新方法，推進(jìn)了近景攝影測(cè)量在古建筑領(lǐng)域的研究；馬茜芮等［4］將無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)用于地籍調(diào)查中，降低了地籍調(diào)查所需的人力物力，提高了效率；劉乾飛等［5］利用輕小型無(wú)人機(jī)，開(kāi)展旅游景觀的三維模型和全景場(chǎng)景的構(gòu)建。

雖然傾斜攝影技術(shù)已在多領(lǐng)域的應(yīng)用中日漸成熟，但當(dāng)前研究主要集中于模型的創(chuàng)建上，鮮少有人將其運(yùn)用到施工管理中。為了拓展傾斜攝影技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用，也為了順應(yīng)建筑工程智能化建造的發(fā)展趨勢(shì)，本文將基于傾斜攝影的實(shí)景三維建模技術(shù)、BIM技術(shù)以及項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃關(guān)聯(lián)起來(lái)，構(gòu)建集實(shí)景模型三維重建、BIM模型及配套技術(shù)于一體的超高層信息化施工管理平臺(tái)，為超高層建筑工程信息化施工管理提供新思路。

2 建筑物實(shí)景三維模型建立的技術(shù)關(guān)鍵

傳統(tǒng)三維建模技術(shù)往往難以在精度和工作量上取得雙向高效的結(jié)果［6］，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一種高新測(cè)繪技術(shù)，有效融合了常規(guī)航空攝影測(cè)量及近景攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，既可以借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行項(xiàng)目整體的外部實(shí)景三維重建，又可以通過(guò)近景拍攝構(gòu)建建筑物內(nèi)部構(gòu)件實(shí)景模型，從而實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀的有效結(jié)合。

2.1 建筑物外部實(shí)景模型建立

與傳統(tǒng)的正向攝影不同，傾斜攝影通過(guò)搭載于飛行平臺(tái)上的攝取設(shè)備，分別從一個(gè)豎直方向、四個(gè)相互垂直的傾斜方向獲取待測(cè)區(qū)域的圖像資料［7］，簡(jiǎn)單連續(xù)的二維影像即可還原真實(shí)的三維實(shí)景模型。其模型生成過(guò)程為：航線規(guī)劃→影像采集→區(qū)塊導(dǎo)入→創(chuàng)建工程→空三處理→重建生成模型→三維實(shí)景模型。

（1）航線規(guī)劃

無(wú)人機(jī)傾斜攝影在進(jìn)行影像采集前需要根據(jù)測(cè)量區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及目標(biāo)地物特征，規(guī)劃合理的飛行路線。常用的航線類(lèi)型有折線型和環(huán)繞型。環(huán)繞型航線是無(wú)人機(jī)以地物垂直軸為環(huán)繞軸設(shè)置飛行高度和飛行半徑，其適應(yīng)于獨(dú)立地物的拍攝，航線如圖1所示。

圖1 環(huán)繞型航線示意

（2）航測(cè)數(shù)據(jù)后期處理

航測(cè)數(shù)據(jù)后期處理采用Smart3D建模軟件，該軟件可運(yùn)算基于真實(shí)影像的高密度點(diǎn)云，并以此為基礎(chǔ)，在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下，生成具有高分辨率的三維實(shí)景模型，極大地提高了傳統(tǒng)三維建模的效率。

2.2 建筑物內(nèi)部構(gòu)件實(shí)景模型建立

目前，室內(nèi)場(chǎng)景三維測(cè)圖手段主要是激光掃描技術(shù)以及基于視覺(jué)圖像序列的三維重建技術(shù)。前者測(cè)量得到的數(shù)據(jù)精度高但是儀器笨重且價(jià)格昂貴，后者通過(guò)一組視覺(jué)圖像序列來(lái)重建室內(nèi)三維場(chǎng)景，建模耗時(shí)長(zhǎng)，且測(cè)量精度受室內(nèi)環(huán)境影響較大［8］。

（1）內(nèi)部構(gòu)件實(shí)景建模技術(shù)關(guān)鍵

內(nèi)部構(gòu)件建模需要手動(dòng)拍攝。為了提高照片拍攝質(zhì)量以及后期模型精度，需要從正視、俯視、仰視等多個(gè)角度對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行環(huán)繞拍攝并保持相機(jī)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，以獲取連續(xù)的二維影像序列。

（2）內(nèi)部構(gòu)件實(shí)景三維模型管理平臺(tái)

借助Smart3D軟件建立的建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)景三維模型具有精度高、模型更新速率快等特點(diǎn)。為了提高模型實(shí)用性，本文搭建了實(shí)景三維模型管理平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 模型管理平臺(tái)架構(gòu)

該模型管理平臺(tái)可分別在手機(jī)端和電腦端登錄，現(xiàn)場(chǎng)施工人員通過(guò)手機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)照片實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)，技術(shù)人員借助平臺(tái)照片進(jìn)行三維實(shí)景重建并定期更新儲(chǔ)存模型，為后期隱蔽工程的檢查驗(yàn)收及其他工作提供可視化參考依據(jù)。

3 基于BIM技術(shù)建模的技術(shù)關(guān)鍵

BIM技術(shù)是以信息模型為載體，利用三維數(shù)字化仿真技術(shù)，真實(shí)地模擬工程建（構(gòu)）筑物的空間位置、外觀形態(tài)、幾何尺寸等信息，可以對(duì)建筑的各種功能進(jìn)行三維展示。利用Autodesk Revit軟件建立建筑工程的BIM模型核心數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)建筑工程項(xiàng)目管理需要輸出模型文件［9－10］。BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及訪問(wèn)的過(guò)程可以歸納為：建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、建立并完善訪問(wèn)機(jī)制、對(duì)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的組織存儲(chǔ)機(jī)制［11］。

4 平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 平臺(tái)的基本架構(gòu)

本文以建筑物實(shí)景三維模型、BIM模型及項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)超高層信息化施工管理平臺(tái)，如圖3所示。

圖3 超高層信息化管理平臺(tái)基本架構(gòu)

4.2 模型融合與鏈接

4.2.1 BIM模型與進(jìn)度計(jì)劃的鏈接

將傳統(tǒng)的三維模型與進(jìn)度計(jì)劃鏈接，形成4D模型，使之成為一種能夠模擬施工過(guò)程的模型，鏈接流程如圖4所示。

圖4 BIM計(jì)劃模型創(chuàng)建流程

4.2.2 內(nèi)部構(gòu)件實(shí)景模型與進(jìn)度軟件的鏈接

在關(guān)鍵工序施工完畢后，對(duì)建筑物內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行三維實(shí)景建模，并將模型與進(jìn)度計(jì)劃軟件鏈接，直觀地反映出該階段工程進(jìn)度實(shí)際完成情況與計(jì)劃進(jìn)度的出入，有助于在施工階段對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。鏈接步驟如下：

（1）將實(shí)景建模獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Civil 3D模型。

（2）利用Civil3D建模平臺(tái)與Revit建模平臺(tái)可交互的特點(diǎn)，在Civil3D中選擇“轉(zhuǎn)換Civil模型為AutoCAD文件”，將模型導(dǎo)出為“R14”格式文件。

（3）在 Revit軟件中，選擇“導(dǎo)入 CAD”，將 Civil3D導(dǎo)出的“R14”格式文件導(dǎo)入Revit軟件中。

（4）將Revit生成的三維模型與Project生成的項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃在Navisworks中整合。

4.2.3 BIM模型與實(shí)景三維模型的融合

Smart3D提供多種三維模型格式，包括OSGB、OBJ、3DTiles、S3C等。其中OSGB是一種公開(kāi)的格式，其存儲(chǔ)形式為二進(jìn)制，并帶有嵌入式鏈接紋理數(shù)據(jù)（jpg）。Revit創(chuàng)建的建筑物三維模型輸出格式為rvt、fbx等。fbx是一種封閉的、可以跨平臺(tái)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)交換的模型格式，由Autodesk公司提供的基于C＋＋／Python的SKD可以讀取fbx格式的文件并將其轉(zhuǎn)化［12］。

在了解BIM模型和實(shí)景模型的源格式以及各模型融合平臺(tái)對(duì)不同數(shù)據(jù)格式的接受度后，本文選擇Skyline平臺(tái)進(jìn)行模型融合。Skyline能兼容這兩種數(shù)據(jù)格式，并且能以3DML（3D mesh layer）格式進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，如圖5所示。

圖5 技術(shù)路線

4.3 平臺(tái)功能介紹

基于三維實(shí)景模型、BIM模型及項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃的超高層信息化管理平臺(tái)共包含六大模塊，如圖6所示。

圖6 超高層信息化管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

（1）BIM＋三維實(shí)景模型可視化管理

在模型融合中，BIM模型提供了建筑物的空間形態(tài)，實(shí)景三維模型提供了建筑區(qū)域的場(chǎng)地信息，實(shí)現(xiàn)宏觀場(chǎng)景與微觀場(chǎng)景的結(jié)合，為施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景分析與場(chǎng)地規(guī)劃提供可視化依據(jù)。

（2）模型庫(kù)管理

模型庫(kù)管理模塊整合了BIM模型、建筑物外部實(shí)景三維模型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)景三維模型以及項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃等相關(guān)數(shù)據(jù)，包含模型導(dǎo)入與下載、模型分類(lèi)儲(chǔ)存管理等功能，實(shí)時(shí)更新現(xiàn)場(chǎng)三維實(shí)景模型。

（3）進(jìn)度管理

進(jìn)度管理包含進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入、進(jìn)度模擬、進(jìn)度檢查與調(diào)整三個(gè)模塊。該模塊的進(jìn)度計(jì)劃分別與BIM模型、三維實(shí)景模型相關(guān)聯(lián)，在項(xiàng)目施工階段開(kāi)始之前進(jìn)行進(jìn)度模擬，通過(guò)三維實(shí)景模型與BIM計(jì)劃模型的對(duì)比能夠直觀地反映施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度的偏差，項(xiàng)目管理人員能夠以此為依據(jù)及時(shí)糾正。

（4）物料管理

物料管理包括物料前期規(guī)劃、物料信息錄入、物料使用情況追蹤三個(gè)模塊。利用BIM將工程中的構(gòu)件準(zhǔn)確劃分，將構(gòu)件作為信息管理對(duì)象在BIM模型中標(biāo)出，通過(guò)二維碼生成器，生成一個(gè)“活碼”，將實(shí)時(shí)更改的信息同步到物料管理平臺(tái)中，通過(guò)掃描二維碼便可瀏覽該構(gòu)件的物料使用情況。

（5）質(zhì)量管理

質(zhì)量管理包含變形監(jiān)測(cè)、質(zhì)量偏差糾正兩大模塊。通過(guò)在建筑物外墻面布置監(jiān)控點(diǎn)，將各監(jiān)控點(diǎn)高程數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，定期進(jìn)行實(shí)景三維建模，量測(cè)同一監(jiān)控點(diǎn)并將數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。對(duì)超高層建筑物的沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使現(xiàn)場(chǎng)管理人員能夠及時(shí)糾正偏差，降低損失。

（6）安全管理

安全管理包括安全教育、安全檢查、安全監(jiān)測(cè)三個(gè)模塊。安全教育模塊利用信息管理平臺(tái)定期向現(xiàn)場(chǎng)施工人員的手機(jī)端發(fā)送安全教育提醒，現(xiàn)場(chǎng)工作人員在進(jìn)行安全巡檢時(shí)通過(guò)手機(jī)記錄安全問(wèn)題出現(xiàn)的部位、檢查時(shí)間及相應(yīng)的解決措施，并將信息上傳平臺(tái)，方便管理人員隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)安全狀況；安全監(jiān)測(cè)模塊與現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊相關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)同步到安全監(jiān)測(cè)模塊中，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)安全允許的閥值后，平臺(tái)會(huì)在模型的相關(guān)區(qū)域發(fā)出紅色預(yù)警，使項(xiàng)目管理人員能夠及時(shí)做出調(diào)整。

5 應(yīng)用實(shí)例

（1）項(xiàng)目背景

本工程為綠地絲路全球文化中心項(xiàng)目，為第十四屆全運(yùn)會(huì)配套項(xiàng)目，包括兩棟超高層、一棟高層、一棟多層商業(yè)及裙房和地下車(chē)庫(kù)。兩棟超高層對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，均為矩形鋼管混凝土框架－鋼筋混凝土核心筒的結(jié)構(gòu)形式，房屋地下2層、地上36層，建筑高度為144.85 m。

（2）BIM 建模

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，綜合設(shè)計(jì)圖紙及項(xiàng)目參與各方的需求，制定合理的BIM工作流程和實(shí)施制度，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的BIM模型。

（3）基于傾斜攝影的三維實(shí)景建模

針對(duì)本項(xiàng)目測(cè)量區(qū)域范圍小的特點(diǎn)，采用單鏡頭無(wú)人機(jī)傾斜攝影，環(huán)繞型影像采集方法，以超高層垂直中軸線為環(huán)繞軸。部分影像如圖7所示，Smart3D所建模型如圖8所示。

圖7 BIM模型與航拍影像

圖8 建筑物三維實(shí)景模型

（4）平臺(tái)搭建

本項(xiàng)目將基于傾斜攝影的建筑物整體及局部的三維實(shí)景模型與BIM模型及BIM配套技術(shù)集成，搭建了一個(gè)集可視化管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理等多方位管理為一體的超高層信息化管理平臺(tái)。該平臺(tái)的應(yīng)用，有效提升了本項(xiàng)目超高層建筑施工管理的信息化水平，為項(xiàng)目的施工技術(shù)管理、質(zhì)量管理、安全管理、進(jìn)度管理等提供了既精確又高效的支持與保障。

6 結(jié)論與展望

本文分析了傾斜攝影實(shí)景建模技術(shù)和BIM技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵、BIM模型和三維實(shí)景模型分別與進(jìn)度計(jì)劃軟件鏈接及其自身相互融合的方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了集可視化管理、模型庫(kù)管理、進(jìn)度管理、物料管理、質(zhì)量管理、安全管理為一體的超高層信息化施工管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了超高層進(jìn)度監(jiān)控、變形監(jiān)測(cè)、安全檢查等現(xiàn)場(chǎng)管理的精準(zhǔn)化、信息化、實(shí)時(shí)化與可視化，為超高層建筑工程施工管理的信息化發(fā)展提供了新的思路。