BIM與航拍技術在路橋項目工程中的協同應用

付王科, 張 鑫, 張瑞龍

(中鐵二十三局集團第四工程有限公司, 河南洛陽 471533)

隨著社會經濟高速發展，基礎建設工作穩步推進，越來越高的交通要求也使公路橋梁的結構形式變得日益復雜。目前普遍使用的二維CAD圖紙已經難以滿足路橋工程復雜構造的設計與施工要求。因此，路橋項目工程的數字化建設應時而生。

建筑信息模型( Building Information Modeling,簡稱BIM) 是一種應用于工程設計、建造和管理的數據化工具，其核心是運用Revit軟件建立參數化的三維建筑模型。BIM模型具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性的特點，在項目的不同階段，建設單位、設計單位和建設單位均可以通過插入、提取和更新信息，使現場管理人員和工程技術人員對各種建筑信息做出正確的理解和高效的應對，在提高生產效率、節約施工成本和縮短建設工期等方面發揮重要作用。

BIM技術以Revit軟件為核心，同時可以搭配Navisworks軟件、Dynamo插件與航拍技術來建立3D模型，對項目工程進行可視化分析、碰撞檢查、三維漫游和施工模擬。本文以黑龍灘環湖東路項目工程為研究對象，將BIM與航拍技術的協同應用引入到公路橋梁項目工程中，為路橋項目工程中的數字化建設提供了一種新的可參考思路。

1 工程概況及背景

1.1 工程簡介

仁壽縣黑龍灘環湖東路項目工程起于天府仁壽大道三繞互通，與天府仁壽大道清水至三繞段采用立交相接，跨越黑龍灘水庫后上跨國道351線，路線全長20.942 km。其中橋隧總長5.8 km，占比27.7%(圖1)。

圖1 項目線路概況

1.2 研究背景

擬建工程項目位于黑龍灘景區內，山嶺重丘區，地形復雜，地勢陡峭，植被茂密。通過現場踏勘，多數樁基位于陡峭山腰處，縱向施工便道難以拉通，需大量借用鄉村道路，且沿線路方向施工便道需分段繞山修筑。因此，如何科學合理的選用施工便道、做好施工調度就變得尤為重要。

本文以黑龍灘環湖東路項目工程中的重難點工程——周家山大橋(K7+015)為主要實施例，整合地形地貌、建筑物和設計圖紙的相關信息，建立BIM橋梁三維模型和航拍實景地形模型，為選用施工便道、做好施工調度進行可視化分析。

2 建立航拍地圖實景模型

2.1 航拍采集實景圖片

隨著路橋項目工程數字化建設的發展，真實可靠高效率的可視化信息越來越重要，這也對工程區域快速準確的進行實景采集提出了更高的要求。

目前常規的實景地圖信息采集有3種方法，分別是步采、車采和航拍采集。步采，就是數據采集員拿著數據采集設備，按照行走線路一步步采集地圖數據。車采，就是數據采集員駕駛著測繪車輛沿道路行駛完成數據采集工作。大多數路橋項目工程位于山嶺重丘區，地形復雜，植被茂密，現場踏勘很難快速準確對沿線區域進行實景采集。無人機航拍采集，作為一個近幾年新興的數據采集方式，有著得天獨厚的優勢，航拍采集沿線區域實景圖片，首先能夠從宏觀了解該地區的地圖實況，便于制定拍攝采集計劃;其次，航拍采集沿線區域實景圖片能夠獲得步采和車采得不到的視角，有利于制作三維實景模型。同時，航拍在采集方式中是最省時間、最高效的。

航拍采集沿線區域實景圖片時，需要通過在同一無人機上搭載可左右調節角度的相機，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像(一般航向和旁向重疊率最好不要低于70%，云臺俯仰角正射影像圖一般為-90°，拍攝3D立體斜角一般為-45°)，影像分辨率高、重疊度大、清晰度高、拍攝光照條件好，獲取地面物體的信息就會更為完整準確，建成的三維模型效果也會更好。由這些正交和傾斜影像，通過Smart3D的圖像處理即可生成航拍地圖實景三維模型(圖2)。

圖2 周家山大橋(K7+015)下方航拍地圖實景模型

2.2 Smart3D圖像處理

Smart3D軟件是一款全自動無人機后期圖像處理軟件，可以捕捉無人機拍攝的畫面，自動運算并快速建立三維模型，具體使用流程如下：

(1)打開smart3D的ContextCapture Center Master軟件，點擊新建工程，依次填入工程名稱、工程目錄。

(2)選擇照片選項卡，添加無人機采集的地圖實景照片。默認選擇使用照片坐標(紅色)，若添加了控制點則選擇使用控制點坐標(綠色)，各個選項保持默認。

(3)打開ContextCapture Center Engine進行空三運算，待空三運算完成之后，按線路長度進行分塊。

(4)選擇默認的3D mesh，選擇輸出的模型格式和模型所使用的坐標系，勾選要進行建模的瓦片后，程序會自動進行三維建模工作。

3 建立BIM橋梁三維模型

3.1 熟悉圖紙

現在的圖紙會審很大部分都是沿用以前的CAD平面圖紙的模式，但是二維圖紙很難滿足目前復雜工藝的展示要求，需要結合CAD圖紙和項目的實際需要繪制出三維模型。因此，熟悉CAD二維圖紙變得至關重要。在識圖、讀圖的過程中可以掌握項目工程概況，對整個項目有詳細的了解。為了利用設計單位給出的原始數據，保證三維建模的真實性，需要將CAD圖紙中的線條進行定位、拾取等，通過AutoCAD將圖紙分層整理，且只保留線路走向和構件參數等信息，將CAD圖紙導入Revit軟件中作為底圖。

3.2 Revit建模

路橋項目工程中的三維模型具有顯著的特點，構件多、組合復雜和相似程度較高。針對這個特點，可以建立參數化的族來提高建模效率。

熟悉設計單位給出的原始圖紙后，通過參照CAD底圖，引用Revit軟件自帶的公制常規模型，通過拉伸、融合、旋轉、放樣、放樣融合等操作創建橋梁構件的幾何形狀，將幾何圖形與參照平面鎖定，創建尺寸標注標簽并添加到新建參數化族。參數化族是某一類別中圖元特點的集合，是根據族中構件外形的相似性與參數的差異性進行組合。族庫的特點是通過已建好的參數化族樣版直接建模，只需要調整族參數就可以得到需要的構件，從而減少重復性工作，提高建模效率。

針對難以定型且需要現場調節的無法形成參數化族的構件(如橋梁的平面曲線和縱斷面曲線、墊石、調節塊及路基等)，需要單獨建模。以路基為例，首先捕捉設計單位給出的原始CAD圖紙中的道路邊線，繪制中線的平面和縱斷面并區分圖層，把中線導入Revit作為參照。在Revit中新建體量，導入剛才區分圖層后的中線CAD文件。建模的時候，選用放樣融合，選取繪制的中線作為路徑來創建模型。

根據設計單位給出的平面圖紙繪制軸網，按構件構造和里程樁號依次組合模型(圖3、圖4)。

圖3 Revit參數化族構件

圖4 周家山大橋(K7+015)橋梁三維模型

4 資源整合

4.1 三維地理信息系統

無論是航拍實景，還是路橋模型，單一的模塊遠沒有疊加在一起更具有協調性、真實性和視覺沖擊力。圖新地球以三維地理信息系統作為基礎平臺，可以結合無人機實景三維模型和Revit 3D模型，三維展示路基、橋梁、隧道、互通等全項目場景信息，各種專業的數據進行高效整合，實現地理信息與路橋設計信息的互通，讓技術與管理人員都能非常直觀地了解工程的情況，滿足項目管理需要。

4.2 數據整合

(1)以圖新地球系統作為基礎平臺，打開圖新地球加載地圖(可選用高德地圖、谷歌地圖或其他)并設置為第1圖層。導入.kml格式的項目工程奧維路線圖為第2圖層。

(2)將Smart3D圖像處理后的航拍實景模型導出為.lfp格式，導入圖新地球并選擇加載為第3圖層。初始航拍實景模型載入圖層需要進行手動微調，直至俯視角度與第1圖層的地圖重合。同時，根據設計標高調整圖層高度。

(3)將Revit建立的路橋模型導出為.fpx格式，經3DsMax運行布爾運算后導出為.obj格式，導入圖新地球并選擇加載為場景模型。初始場景模型載入圖層同樣需要進行手動微調，直至與奧維路線和設計圖紙中所標注的位置重合。同時，根據圖紙上的設計標高調整模型的海拔高度。

5 協同應用

5.1 三維展示

圖新地球作為一款開放式的三維地理信息平臺，協同應用了Smart3D圖像處理后的航拍實景模型和Revit建立的路橋模型，可以形象的將項目的地理環境、設計方案和施工進度等信息簡單直觀地展示出來(圖5、圖6)。

圖5 周家山大橋(K7+015)橋梁三維效果圖(側視)

圖6 周家山大橋(K7+015)橋梁三維效果圖(俯視)

(1)完成多少就導入多少模型的形象進度圖，有利于建設單位快速了解到項目施工的進展情況，及時跟進，確保建設周期。

(2)項目工程沿線模型全局覆蓋，有利于設計單位充分考慮挖填方量和路橋布局，協調建筑物與環境之間的關系，確保設計方案經濟合理。

(3)實景模型與路橋模型一體化的3D圖紙，有利于施工單位正確評估施工安全系數與難度系數，合理進行變更申報與技術交底，確保項目工程多快好省的可持續發展。

(4)參數化的三維技術交底，有利于勞動隊伍正確理解技術交底，牢牢把控結構尺寸，確保生產質量。

5.2 施工調度

對于路橋項目工程而言，長戰線的人材機調配往往是個非常大的問題，BIM與航拍技術的協同應用，可以實時更新人員和機械的位置信息，3D化的建模體量運算能夠快速地反映出當日完成的形象進度和下一日的工作計劃，可以做到人材機按需推進，避免材料和機械的不及時或人員窩工、材料過剩等現象。同時，使用三維實景模型可以有效地進行場地規劃，從而更好地做好施工調度，保證項目施工的有序進行。

6 結束語

智慧化工地不是一蹴而就的，還包括施工安全、施工效率和環境友好等多方面的考量，公路橋梁結構形式的日益復雜也對現代建筑工業提出了越來越高的要求，BIM與航拍技術的協同應用僅僅是路橋項目工程數字化建設探索路上的一點經驗，希望在施工管理和調度上能多一種參考思路。