三維實景建模在水泥廠改造中的應用

蔣惠民，岳彥哲，阮 健，張兵濤，許 可，劉士淵

（洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

近年來，無人機傾斜攝影成為了一些攝影愛好者的新時尚，基于無人機的傾斜攝影測量已經成為測繪領域的重要手段[1]。無人機傾斜攝影測量技術具有靈活且便于攜帶的特點[2]，然而無人機拍攝的照片還可以通過軟件處理生成三維實景模型。隨著建模軟件、計算機工作站等科學技術的迅猛發展，航拍建模技術也越來越成熟，并逐步取代傳統手工建模[3]。現在，國內外各個廠家均有通過航拍建模軟件。這種基于圖片的建模技術提供給了非專業建模人士來構建3D模型的工具。用戶不需要很多復雜的專業知識，僅僅圍著物體從不同的視角拍攝照片即可，方便快捷。Bentley作為全球基礎設施行業提供BIM解決方案的定位，其實景建模軟件是一款能夠通過掃描、拍攝等手段獲得實景模型的專業應用軟件，為將現實的模型轉變成為數字模型提供了解決方案。實景建模軟件的主要特點有：數據量小，在算法優化后，大約為同類系統的1/4的數據量；兼容性強，輸入輸出多種主流格式，如OBJ、3MX、FBX和KML等等[4]；抓取生成的模型進行體積測量。傾斜攝影測量技術、BIM技術和GIS均是數字化城市建設的核心技術，是智慧城市建設的必要基礎數據[5]。綜合各方面優勢，實景建模具有廣泛的應用前景。

1 項目介紹

作為高耗能、高污染的行業，資源、能源、環境等因素嚴重制約著水泥工業的可持續發展[6]。隨著國家對水泥行業發展提出的循環經濟方向，走清潔能源生產的道路，各大水泥廠節能減排改造也提到了日程。余熱發電成為高耗能企業節能減排的重要措施之一[7]。

該項目是某水泥廠升級改造工程，項目業主為了將水泥生產中浪費的余熱資源充分利用起來，在原有的5000t/d水泥生產線上增加余熱發電系統。業主對改造項目要求是整個實施工程不能影響水泥主線的正常生產。項目實施的難點在于總工期短，SP（Suspension Preheater）窯尾鍋爐放置位置空間狹小，設備、煙道廠區管線以及施工機械等布置困難，整個設計和施工都有不小的挑戰。

運用實景建模軟件進行建模技術符合項目實際需求，在項目設計之初得到現場的模型有利于方便與業主交流，也方便了設計余熱發電系統過程中與現有水泥生產線接口。

2 設計流程以及實施

實景建模與余熱發電的BIM模型結合的設計流程，見圖1。

（1）總圖工程師對實際現場用無人機進行航拍或測量部分數據，拍攝或測量數據的重點放在改造項目與BIM模型的接口處。

（2）將航拍圖片和測量數據處理形成實景模型，成為總體設計模型；

（3）將工程項目的建筑結構模型、工藝設備模型、給排水模型和電氣模型等總裝成為BIM模型，各個專業模型進行管線綜合和碰撞檢查，由模型審核人員對模型文件進行優化處理。

（4）將優化后的工程項目BIM總裝模型參考到實景建模模型，再進行優化處理，形成完整的改造后總裝模型。

實施項目前期，公司組織兩名工作人員在項目現場用無人機對整個水泥生產線連續拍攝，收集整理好實景模型所需的照片文件2萬多張。然后打開實景建模模塊，導入整理好的圖片文件并選擇好處理圖形所需的相關參數選項，接下來提交文件。提交的任務被實景建模模塊自動分解成幾個不同的任務。等待處理結束后，形成水泥廠的三維模型。對形成的實景模型修正處理后，得到了如圖2實景模型軸測圖和圖3實景模型頂視圖。

圖2 實景模型軸測圖

圖3 實景模型頂視圖

余熱發電的主要車間為AQC余熱鍋爐（全稱Air Quenching Cooler）、SP窯尾鍋爐和汽機房。圖4是將設計好的AQC鍋爐車間總裝模型擺放到實景模型的位置。關鍵點在AQC鍋爐模型的進口與篦冷機頂部接口是否吻合，并且與其他管線是否有碰撞情況。圖4、5是將余熱發電系統的AQC鍋爐、SP鍋爐、汽機房和循環水等等總裝模型與水泥廠實景模型結合的場景。

圖4 余熱發電AQC模型在實景模型

圖5 余熱發電BIM模型在實景模型情況

3 總結

在該水泥廠升級改造設計余熱發電系統中，通過利用四旋翼無人機拍攝的圖片在實景三維建模系統中生成的實景模型，減少了人員勞動強度和提高了工作效率，在初設中模型的數字化和可視化方便與業主交流，在詳細設計中方便設計人員與現有的水泥生產線進行碰撞檢查、管線綜合等，規避風險。實景建模在工程設計施工中有巨大的應用前景。但是該技術也存在一些問題，大面積實景建模對無人機鏡頭、計算機處理能力等硬件的投入比較高，并且需要人工修復，合成處理的模型成果精度有待提高。期待下一階段的軟件更新能夠更加方便設計人員、降低修復工作時間。