BIM與傾斜攝影技術融合在北運河(通州段)全線通航工程中的應用

尹 欣 李文格 肖 洲

(北京市水利規劃設計研究院, 北京 100048)

0 引言

京杭大運河與長城、坎兒井并稱為中國古代的三項偉大工程,是祖先留給我們的寶貴遺產,是在世界范圍內具有廣泛影響力的中國文化符號。2017年2月,習近平總書記在北京通州區調研時指出：要從國家戰略高度審視大運河的功能,以大運河為核心,打造大運河文化帶,使之成為中華民族偉大復興的文化標志性品牌。隨后,北京市政府從弘揚大運河文化內涵,優化首都城市空間布局角度出發,按照藍綠交織、水城共融的總體要求,分階段推進北運河(通州段)全線通航工作,充分展示首都生態文明建設成果[1-2]。

在北運河通航方案設計初期,水利規劃設計人員需要按照城市副中心、大運河文化帶建設相關要求,結合環球影城、城市綠心、臺湖演藝小鎮等旅游項目發展前景,并分析近遠期北運河水上游客通行需求,最終確定設計游船合理尺寸,科學地提出北運河旅游船閘建設規模。這些設計信息如果可以建立對應的水利工程設計模型,再將設計模型融入與現狀地貌一致的三維實景模型中,可以實現從傳統二維草圖描繪到三維可視化交互設計的跨越[3-4]。

本文以北運河(通州段)內的三維建模為例,根據水利工程特點,依據水利建筑物設計圖紙以及其他部門的需求,將由無人機傾斜攝影獲取的高重疊度和高空間分辨率的遙感影像和建筑信息建模(building information modeling，BIM)技術有機地結合起來,對水利建筑物進行三維實體建模。本文的方法以三維實景模型作為載體,將水利設計、生產、管理等各類信息進行協同管理,并通過運用BIM技術構建工程實體模型后,將工程實體與地貌實景模型進行融合,最終實現三維可視化交互設計。

1 BIM與傾斜攝影技術

1.1 研究現狀

近些年,隨著信息技術、計算機技術、通信技術和人工智能技術的發展以及在各行各業的應用,伴隨著水利業務的發展以及相應建設標準的逐步提高,新技術可以更好地滿足國民經濟建設和發展的需要,特別是BIM技術在水利行業的應用也拉開了序幕。然而,從目前的應用現狀來看,BIM的應用主要分布在建筑行業,其應用的深度和廣度都達到了一定的程度。但BIM技術的應用相對較少,而且BIM技術與傾斜攝影測量相結合的相關案例應用更是寥寥無幾。從當前的文獻來看,現僅有孫少楠[5]對傾斜攝影技術與BIM技術結合在水利工程地形處理進行了初步的研究。劉培狀等[6]針對目前在水利行業中三維建模的實際需求,又提出將三維實景模型與基于無人機傾斜攝影測量有機地結合在一起,實現數據的快速獲取和三維建模的快速構建。然而,在利用傾斜攝影的方法進行三維模型構建時,仍然存在一些難以解決的問題。例如：目前國內外市場上的三維建模軟件,在兼容性和擴張性、三維數據的批量處理以及自動化、智能化等方面還有較大的改善空間[4]。此外,傳統的三維建模方法目前只能構建物體表面的紋理信息[7]。

1.2 傾斜攝影測量技術

與傳統攝影測量的三維建模相比,傾斜攝影測量打破了傳統攝影測量的限制,不僅能從垂直角度進行拍攝,還能從不同的傾斜角度進行同步拍攝。這是近些年國際測繪領域發展起來的一項新技術,它通常從垂直角度和4個傾斜角度(共5個角度)同步獲取建筑物的頂部以及側面的高分辨影像。傾斜攝影測量技術,一方面增加了航向和旁向的重疊度,另一方面增加了建筑物側面紋理的空間分辨率,更加適合構建高精度、高空間分辨率的三維模型,并生成真實的三維城市模型。圖1為無人機獲取的北運河榆林莊閘區域傾斜攝影模型。

圖1 北運河榆林莊閘區域傾斜攝影模型

1.3 BIM技術

從信息技術的角度來看,BIM是一種用信息技術建立的數字化信息模型。它的特點是能夠將工程在不同階段的信息集成在一個統一的三維模型中,不僅包括建筑物的幾何信息,而且還包括建筑物的物理屬性信息。可以說,這是一個與實際建筑物“完全相似”的數字孿生體。本文對北運河沿線重點水工建筑進行了三維BIM設計模型(圖2),它可以為工程設計、施工等不同的階段提供真實有效的數字化信息,從而可以實現設計和施工的一體化,進而降低了成本,又可以提高工作效率,最終保障工程能夠按時按質地完成并交付。目前已經在水利規劃設計行業中有著廣泛的應用,該技術可以很好地幫助實現水利工程設計、施工指導與運營管理的三維可視化[8-10]。

(a)北運河建筑建成后建筑

(b)北運河建筑BIM設計模型

本文依據水利建筑物內部和外部設計圖紙以及其他部門的需求,先將由無人機傾斜攝影獲取的高重疊度和高空間分辨率的遙感影像和BIM技術有機地結合起來,對水利建筑物進行三維實體建模。該三維模型既可以達到更高的測量精度,又可以滿足水利工程的設計、建設和運營維護不同階段的要求和指標。與此同時,在不同的階段可以共享實體三維模型的信息,從而在不同階段可以進行協同工作。此外,在工程開工建設前能讓設計方案的比選有更直觀的展示效果(圖3)。

(a)沉淀池BIM設計模型

(b)各專業BIM模型融合

1.4 傾斜攝影技術與BIM融合

無人機傾斜攝影測量技術+BIM技術是目前水利水電設計單位先進、科學的三維設計方案。將BIM和由傾斜攝影測量得到的三維實景模型融合后,可以將水利工程建成后的建筑物更加直觀地呈現出來。通過設計圖紙的相關信息與實景的疊加顯示相結合,施工方對水利工程的實際情況(包括工程占地、拆遷地物等)在工程開工前就可以有全面、準確的了解和掌握。從而便于提前規劃、安排場地以及辦理施工前的相關手續,這些都為順利施工、保障水利工程的質量提供了更加有效的保障[11-12]。

2 BIM與傾斜攝影模型融合方案

2.1 傾斜攝影模型準備

隨著信息技術和數據存儲技術的快速發展以及對高空間分辨率的實際需求,目前傾斜攝影測量獲取的數據量越來越大,其構建的模型也越來越復雜。針對這些實際困難和需求,無人機的不同廠商各自開發了相應的數據處理軟件。然而,由此產生的影響是,由不同廠商構建的三維模型在標準和數據格式等方面存在一定的差異。所以,在實際的應用中,首先需要將不同的傾斜模型數據轉換為一種標準或通用的格式。此外,對于數據量問題,通常需要按照分區的辦法進行劃片處理,最后再建立相應的金字塔模型,便于三維模型在不同尺度下的快速瀏覽。

2.2 水利BIM數據平臺所需數據格式

當前,在國內外市場上有關BIM的軟件,對用戶來說可以選擇的余地較大。從功能角度來看,可分為建模功能、方案設計功能、結構分析功能、檢查功能和可視化分析等功能。對不同BIM平臺(比如：Revit、Bentley、Onuma Planning System)獲取的建筑物三維模型,在實際工作中,通常需要對它們進行數據格式的轉換后再進行融合。因此,需要將不同平臺獲取的三維建筑物模型輸出為可以跨平臺的通用格式,通常選擇fbx格式。

2.3 傾斜攝影模型與BIM融合

在本文的工作中,首先針對傾斜攝影數據和BIM模型兩種不同的類型,選擇適合于兩者的不同平臺,對它們分別進行通用格式的轉換工作。考慮到LumenRT軟件具有不同數據格式的輸入接口(fbx格式和osgb格式),本文選擇LumenRT軟件進行通用格式的轉換。與此同時,為了更好地呈現水利建筑物的三維模型,對轉換后的模型進行了動畫渲染和景觀布置等相關工作。從而可以更加直觀地看到新建項目與自然環境及周邊建筑物的協調情況。其可視化效果不僅可以直觀地表達設計意圖,還可及時反饋給設計方、業主方與施工方,以便各方對工程理解、交流以及進行優化設計和施工管理。如圖4所示,右側船閘為BIM設計模型,融入傾斜攝影模型中。

圖4 BIM與傾斜攝影模型融合

傾斜攝影模型與BIM融合流程如下：將傾斜攝影數據在三維設計軟件中進行模型修整→轉換為osgb等通用格式→制作三維地形數據格式→傾斜攝影模型導入真實地形場景→導入BIM設計模型數據→設定模型融合后的參數→增加相應三維場景小品、植物等→渲染動畫。

2.4 融合模型的作用

在本文的工作中,在三維設計過程中選用ProjectWise作為平臺。考慮到項目中水利工程的復雜性,在實際的工作中,都使用該平臺進行基礎資料的管理和前期的設計、三維信息模型的構建以及后期的工程量的統計等。此外,參與整個三維協同工作和設計的專業包括：景觀、地質、電氣、水機、結構、測繪、建筑、工藝和金結等,共計10個專業15名工程師應用相應軟件在同一平臺上共享數據和模型,減少了二維設計時因為資料不統一造成的設計錯誤。

2.4.1工程量的科學估計

項目中,通過協同平臺,按融合后的模型進行工程量的計算,最終得到與土方調配的所有相關信息。從這個角度來看,在新技術和新平臺的支撐下,為了精細化管理和節約成本,項目方可以更加科學、合理、高效地調配土方。與此同時,項目方也可以按不同的部件(比如：樁基、承臺、橋墩、鋼箱梁等)分別進行單獨的工程量計算和統計,并與事先的設計圖紙相比較,如此一來,便可以避免不必要的浪費和工作量,提前指導材料的加工等相關工作。此外,BIM技術對鋼箱梁橋的三維實體建模,將鋼梁拆分成一個個獨立的零件,科學合理地指導鋼材下料,更經濟的控制成本,從而在一定程度上減少了不必要的工程損耗(包括原材料和人工等)。

2.4.2施工的仿真模擬

在構建BIM融合模型的基礎上,可以按照各方的要求,對水利工程的施工進行模擬(包括現場的機械設備、人力和原材料等)和科學調配,在數學層面上達到最優,從而達到進度上的最優工序,并且達到施工周期最短、人力成本最低。因而可以避免原先存在的一些窩工等現象。最為重要的是,在施工結束后,可以對施工現場進行二次建模,將它與實際的數字高程模型相疊加顯示,便于后期運營管理提供了更加科學的信息平臺,從而做到有圖可依、有數可詢。此外,與BIM模型有機結合,在實際的工作中,還可以指導現場的工作(包括：樹木移栽、開挖、占地、拆遷等),這些都在一定程度上大大地提高了工作效率,降低了經濟成本,一舉兩得。

2.4.3碰撞的全面檢查

利用創建的BIM模型與傾斜攝影融合模型進行碰撞檢查,項目團隊成員可直觀地檢測碰撞并結合進度進展情況進行審查,了解并解決這些碰撞對項目進度產生的影響,盡早發現這些碰撞以便提前進行設計變更,避免了后期返工,可以為項目團隊節省時間和成本。

項目中,我們通過Twinmotion對融合后的模型進行渲染和可視化等工作,在對三維場景進行實時編輯的同時,可以直接進行效果的瀏覽(圖5),并不需要較長的等待時間,這在一定程度上提高了工作效率。

(a)榆林莊閘三維模型

(b)游船過閘動畫展示

3 結束語

本文創新地結合了BIM技術與無人機傾斜攝影融合技術,對通州區北運河河道沿線進行了傾斜攝影建模,同時根據施工圖紙對河道沿線水利工程實體進行了BIM建模。通過實際案例驗證了兩項技術融合應用在水利工程中的可行性。結果表明,將二者結合能精確地完成工程量算、施工模擬、碰撞檢查等工作,為北運河通航規劃設計實現實時性、互動性、便捷性、精準性和可展示性提供理論與技術基礎。

水利工程建設通常具有地理條件復雜、附屬構筑物多、設計煩瑣、工程計算量大等特點。傳統的水利工程設計工作在二維平面上進行,出圖效率低，對設計人員要求很高。無人機傾斜攝影技術和BIM技術實現了水利工程三維設計,解決了傳統二維設計帶來的諸多難題,給設計、施工、監理等帶來了極大的方便。隨著超低空無人機航攝技術和BIM技術的不斷完善,該技術在未來大有可為。

目前，該項目的工作成果已全面應用于“北運河(通州段)全線通航”工程中,是北運河通州段40 km河道將實現全線通航的前期數據基礎與保障。為北京市同類水利工程提供了有力的理論支撐和技術保障。北運河通航是大運河文化帶建設的重要任務,也是首都生態文明和城市副中心建設成果的體現。