基于BIM＋傾斜攝影技術的超高層信息化管理

吳紅兵 薛曉宏 姜繼果 肖 男

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

1 引言

隨著智慧建造、智慧工地等信息化技術的發展，傳統的施工管理方法已無法滿足當前建筑工程智能化發展需要，各大學者開始將目光轉向信息化施工管理的研究。郭紅領與潘在儀［1］以BIM系統為基礎構建施工管理平臺，為施工階段的信息化管理提供了思路；楊紅巖等［2］通過將現有的設計和進度計劃管理及資料管理等專業軟件及平臺相整合，形成一套信息化項目管理系統并成功應用，推進了項目管理的信息化發展。

以往的信息化施工管理多以BIM技術為基礎，傾斜攝影技術的出現為施工管理信息化發展提供了新思路。劉洋等［3］提出了一種自主飛行結合手動拍照的古建筑實景模型三維重建的新方法，推進了近景攝影測量在古建筑領域的研究；馬茜芮等［4］將無人機傾斜攝影技術用于地籍調查中，降低了地籍調查所需的人力物力，提高了效率；劉乾飛等［5］利用輕小型無人機，開展旅游景觀的三維模型和全景場景的構建。

雖然傾斜攝影技術已在多領域的應用中日漸成熟，但當前研究主要集中于模型的創建上，鮮少有人將其運用到施工管理中。為了拓展傾斜攝影技術在施工管理中的應用，也為了順應建筑工程智能化建造的發展趨勢，本文將基于傾斜攝影的實景三維建模技術、BIM技術以及項目進度計劃關聯起來，構建集實景模型三維重建、BIM模型及配套技術于一體的超高層信息化施工管理平臺，為超高層建筑工程信息化施工管理提供新思路。

2 建筑物實景三維模型建立的技術關鍵

傳統三維建模技術往往難以在精度和工作量上取得雙向高效的結果［6］，傾斜攝影測量技術作為一種高新測繪技術，有效融合了常規航空攝影測量及近景攝影測量的優勢，既可以借助無人機進行項目整體的外部實景三維重建，又可以通過近景拍攝構建建筑物內部構件實景模型，從而實現宏觀與微觀的有效結合。

2.1 建筑物外部實景模型建立

與傳統的正向攝影不同，傾斜攝影通過搭載于飛行平臺上的攝取設備，分別從一個豎直方向、四個相互垂直的傾斜方向獲取待測區域的圖像資料［7］，簡單連續的二維影像即可還原真實的三維實景模型。其模型生成過程為：航線規劃→影像采集→區塊導入→創建工程→空三處理→重建生成模型→三維實景模型。

（1）航線規劃

無人機傾斜攝影在進行影像采集前需要根據測量區域的現場環境及目標地物特征，規劃合理的飛行路線。常用的航線類型有折線型和環繞型。環繞型航線是無人機以地物垂直軸為環繞軸設置飛行高度和飛行半徑，其適應于獨立地物的拍攝，航線如圖1所示。

圖1 環繞型航線示意

（2）航測數據后期處理

航測數據后期處理采用Smart3D建模軟件，該軟件可運算基于真實影像的高密度點云，并以此為基礎，在沒有人工干預的情況下，生成具有高分辨率的三維實景模型，極大地提高了傳統三維建模的效率。

2.2 建筑物內部構件實景模型建立

目前，室內場景三維測圖手段主要是激光掃描技術以及基于視覺圖像序列的三維重建技術。前者測量得到的數據精度高但是儀器笨重且價格昂貴，后者通過一組視覺圖像序列來重建室內三維場景，建模耗時長，且測量精度受室內環境影響較大［8］。

（1）內部構件實景建模技術關鍵

內部構件建模需要手動拍攝。為了提高照片拍攝質量以及后期模型精度，需要從正視、俯視、仰視等多個角度對目標物進行環繞拍攝并保持相機始終處于穩定狀態，以獲取連續的二維影像序列。

（2）內部構件實景三維模型管理平臺

借助Smart3D軟件建立的建筑物內部結構實景三維模型具有精度高、模型更新速率快等特點。為了提高模型實用性，本文搭建了實景三維模型管理平臺，如圖2所示。

圖2 模型管理平臺架構

該模型管理平臺可分別在手機端和電腦端登錄，現場施工人員通過手機將現場照片實時上傳至平臺，技術人員借助平臺照片進行三維實景重建并定期更新儲存模型，為后期隱蔽工程的檢查驗收及其他工作提供可視化參考依據。

3 基于BIM技術建模的技術關鍵

BIM技術是以信息模型為載體，利用三維數字化仿真技術，真實地模擬工程建（構）筑物的空間位置、外觀形態、幾何尺寸等信息，可以對建筑的各種功能進行三維展示。利用Autodesk Revit軟件建立建筑工程的BIM模型核心數據庫，進行數據處理，根據建筑工程項目管理需要輸出模型文件［9－10］。BIM數據存儲及訪問的過程可以歸納為：建立數據存儲中心、建立并完善訪問機制、對結構化和非結構化數據建立相應的組織存儲機制［11］。

4 平臺設計與實現

4.1 平臺的基本架構

本文以建筑物實景三維模型、BIM模型及項目進度計劃為基礎設計超高層信息化施工管理平臺，如圖3所示。

圖3 超高層信息化管理平臺基本架構

4.2 模型融合與鏈接

4.2.1 BIM模型與進度計劃的鏈接

將傳統的三維模型與進度計劃鏈接，形成4D模型，使之成為一種能夠模擬施工過程的模型，鏈接流程如圖4所示。

圖4 BIM計劃模型創建流程

4.2.2 內部構件實景模型與進度軟件的鏈接

在關鍵工序施工完畢后，對建筑物內部構件進行三維實景建模，并將模型與進度計劃軟件鏈接，直觀地反映出該階段工程進度實際完成情況與計劃進度的出入，有助于在施工階段對施工進度進行實時管理。鏈接步驟如下：

（1）將實景建模獲得的點云數據轉化為Civil 3D模型。

（2）利用Civil3D建模平臺與Revit建模平臺可交互的特點，在Civil3D中選擇“轉換Civil模型為AutoCAD文件”，將模型導出為“R14”格式文件。

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

（4）將Revit生成的三維模型與Project生成的項目進度計劃在Navisworks中整合。

4.2.3 BIM模型與實景三維模型的融合

Smart3D提供多種三維模型格式，包括OSGB、OBJ、3DTiles、S3C等。其中OSGB是一種公開的格式，其存儲形式為二進制，并帶有嵌入式鏈接紋理數據（jpg）。Revit創建的建筑物三維模型輸出格式為rvt、fbx等。fbx是一種封閉的、可以跨平臺進行三維數據交換的模型格式，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化［12］。

在了解BIM模型和實景模型的源格式以及各模型融合平臺對不同數據格式的接受度后，本文選擇Skyline平臺進行模型融合。Skyline能兼容這兩種數據格式，并且能以3DML（3D mesh layer）格式進行統一存儲，如圖5所示。

圖5 技術路線

4.3 平臺功能介紹

基于三維實景模型、BIM模型及項目進度計劃的超高層信息化管理平臺共包含六大模塊，如圖6所示。

圖6 超高層信息化管理平臺功能設計

（1）BIM＋三維實景模型可視化管理

在模型融合中，BIM模型提供了建筑物的空間形態，實景三維模型提供了建筑區域的場地信息，實現宏觀場景與微觀場景的結合，為施工現場場景分析與場地規劃提供可視化依據。

（2）模型庫管理

模型庫管理模塊整合了BIM模型、建筑物外部實景三維模型、內部結構實景三維模型以及項目進度計劃等相關數據，包含模型導入與下載、模型分類儲存管理等功能，實時更新現場三維實景模型。

（3）進度管理

進度管理包含進度計劃導入、進度模擬、進度檢查與調整三個模塊。該模塊的進度計劃分別與BIM模型、三維實景模型相關聯，在項目施工階段開始之前進行進度模擬，通過三維實景模型與BIM計劃模型的對比能夠直觀地反映施工現場進度與計劃進度的偏差，項目管理人員能夠以此為依據及時糾正。

（4）物料管理

物料管理包括物料前期規劃、物料信息錄入、物料使用情況追蹤三個模塊。利用BIM將工程中的構件準確劃分，將構件作為信息管理對象在BIM模型中標出，通過二維碼生成器，生成一個“活碼”，將實時更改的信息同步到物料管理平臺中，通過掃描二維碼便可瀏覽該構件的物料使用情況。

（5）質量管理

質量管理包含變形監測、質量偏差糾正兩大模塊。通過在建筑物外墻面布置監控點，將各監控點高程數據輸入系統，定期進行實景三維建模，量測同一監控點并將數據輸入系統進行數據比對，生成監測報告。對超高層建筑物的沉降進行實時監測，使現場管理人員能夠及時糾正偏差，降低損失。

（6）安全管理

安全管理包括安全教育、安全檢查、安全監測三個模塊。安全教育模塊利用信息管理平臺定期向現場施工人員的手機端發送安全教育提醒，現場工作人員在進行安全巡檢時通過手機記錄安全問題出現的部位、檢查時間及相應的解決措施，并將信息上傳平臺，方便管理人員隨時查看現場安全狀況；安全監測模塊與現場質量監測模塊相關聯，現場質量監測數據會同步到安全監測模塊中，當監測數據超過安全允許的閥值后，平臺會在模型的相關區域發出紅色預警，使項目管理人員能夠及時做出調整。

5 應用實例

（1）項目背景

本工程為綠地絲路全球文化中心項目，為第十四屆全運會配套項目，包括兩棟超高層、一棟高層、一棟多層商業及裙房和地下車庫。兩棟超高層對稱設計，均為矩形鋼管混凝土框架－鋼筋混凝土核心筒的結構形式，房屋地下2層、地上36層，建筑高度為144.85 m。

（2）BIM 建模

結合項目特點，綜合設計圖紙及項目參與各方的需求，制定合理的BIM工作流程和實施制度，建立標準規范的BIM模型。

（3）基于傾斜攝影的三維實景建模

針對本項目測量區域范圍小的特點，采用單鏡頭無人機傾斜攝影，環繞型影像采集方法，以超高層垂直中軸線為環繞軸。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 建筑物三維實景模型

（4）平臺搭建

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

6 結論與展望

本文分析了傾斜攝影實景建模技術和BIM技術的技術關鍵、BIM模型和三維實景模型分別與進度計劃軟件鏈接及其自身相互融合的方法，在此基礎上設計了集可視化管理、模型庫管理、進度管理、物料管理、質量管理、安全管理為一體的超高層信息化施工管理平臺，實現了超高層進度監控、變形監測、安全檢查等現場管理的精準化、信息化、實時化與可視化，為超高層建筑工程施工管理的信息化發展提供了新的思路。