BIM技术与倾斜摄影测量结合在市政景观工程中的应用

中铁一局集团第二工程有限公司,河北 唐山 063000

近些年来，我国城市化的速度日益加快，各城市建设突飞猛进，市政工程施工技术的进步速度也越来越快。市政工程施工影响因素较多，各管线、构筑物、公用设施、绿化景观和征地拆迁都需要提前筹划，不重视这些因素就可能导致施工因各种因素影响而延迟[1]。因此，前期调查及施工筹划阶段要统一排查限制因素，减少施工影响因素，保证工期质量。针对市政工程建设中地形较为复杂导致传统的测量技术效率低下、精度较低且工程量算不准确等问题，文章以唐山市超级绿道工程北新道景观桥项目为例，结合BIM技术与倾斜摄影测量技术为项目提供可靠的三维数据模型，以提高项目精细化施工与管理水平。

通过运用无人机倾斜摄影技术，可对原地貌进行扫描建模得到测区内的三维实景模型。通过运用BIM技术可构建工程实体模型，将工程实体带入地貌模型，可以直观地了解工程占地、拆迁地物等影响因素等，提前规划、安排场地，并且办理施工手续及占道手续时也能一目了然，能保证施工过程有序进行，从而为顺利交工提供保障[2]。

1 研究现状

随着市政工程的日益发展和市政项目建设标准的提高，BIM技术在市政工程行业的应用越来越广泛。目前对BIM技术的研究大部分集中在建筑行业，市政行业有关BIM的研究较少，相关案例也较少，市政景观桥梁模型更是少之又少。现仅有杨奇树[3]对BIM与倾斜摄影技术在城市道路设计中的综合应用进行了研究，刘培状等[4]基于无人机倾斜摄影测量和BIM三维实景模型在水利工程设计中进行了应用，闫文娟等[5]人对无人机倾斜摄影航测技术与BIM结合在智慧工地系统中的应用进行了探索，等等。

倾斜摄影三维建模打破了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，但目前仍存在诸多问题。例如：国产化三维建模软件尚不成熟；对于OSGB等三维数据不能直接批量化编辑[6]；传统三维实景模型只有表面纹理信息，无法存储、管理和应用；项目技术人员不能很好地利用三维模型对施工情况进行跟踪与使用，建设工程项目管理中存在“信息化程度低，监管手段落后”等问题。因此，倾斜摄影三维模型也被贴上了“中看不中用”的标签[7]。

无人机倾斜摄影与BIM技术的无缝融合，可以实现测量、建筑与地理空间的互通，将环境信息与建筑信息统一起来，实现从三维地形到三维建筑模型，从而在工程建设、成本控制、安全监管、数据分析、决策效率等方面，有效地整合各种资源，实现对工程项目的监控管理，是大势所趋。文章针对生态廊道工程特点，依据设计蓝图、相关部门特殊要求，将无人机倾斜摄影获取的三维模型与BIM相结合进行实体建模，模型能够满足工程设计、建设和运营三大阶段的信息共享和协同。建立标准化建筑信息模型（BIM），在工程开工建设前能让设计方案的比选有更直观的展示效果[8]。BIM应用的技术架构如图1所示。

图1 工程施工BIM应用的技术架构

2 倾斜摄影测量真三维建模技术设计

通过在无人机上搭载GPS接收机和分东、南、西、北、垂直五个角度排列的多台传感器，能够快速获得地物顶部和四周的纹理影像[9]。将影像和相机参数文件导入平台，然后联合GPS同步观测记录对POS数据进行解算，导入像控点，进行空三加密、高精度处理，能够生成点云纹理、DSM和DOM，接着进行全自动纹理匹配和三维建模，经模型编辑后获得最终三维实景模型。

该项目在获取唐山市生态廊道倾斜摄影影像、相机参数文件、POS数据等基础资料后，进行原始影像畸变差纠正、匀光匀色等预处理，在Smart3D软件中进行实景建模，生成真三维模型。倾斜摄影测量建模流程如图2所示，效果如图3所示。

图2 倾斜摄影测量建模流程

图3 唐山市生态廊道倾斜摄影模型

3 BIM建模关键技术

BIM建模前需要进行一系列数据准备工作，如地形资料处理、族文件选择、项目基点确定等。如果BIM需要地面背景，就可以利用倾斜摄影模型滤波后的DEM数据或DSM数据。族文件可以在系统族、可载入族和内建族等三种族选择。根据项目特点，需要确定项目实际测量定位的参考坐标原点作为整个项目中测量定位的相对坐标参考，并确定正北方向。

该项目中，项目基点确定在测区西南测，以实际北方向作为模型正北方向。BIM建筑模型创建分为路桥标高和轴网创建，桥面、墩柱及其他构件创建，场地构件创建三步。其中，路桥标高和轴网创建如图4所示。标高用来定义建筑物的垂直高度或楼层高度。轴网是建筑轴线组成的网，也是建筑设计中立面、剖面和平面视图中的依据，可以在立面或者剖面视图下操作。项目根据设计与施工定义了基本墙、幕墙和女儿墙等不同类型的墙体，并设置了相对应的参数。BIM桥梁模型创建后，通过设置材质、照明、背景等，完成对模型的渲染。

图4 路桥标高和轴网创建

4 基于数据转换的BIM与倾斜摄影模型融合方案

4.1 倾斜摄影数据格式存储与转换

随着无人机性能快速提升，倾斜摄影模型的数据范围、数据量不断变大，模型也日趋复杂。为有效应对这些问题，各个厂商开发了具有自身特点的数据处理软件。目前，国内外比较流行的倾斜摄影自动建模软件有许多，其中，法国Acute3D公司的Smart3D Capture凭借GPU的快速三维场景运算，能够利用航摄影像自动生成逼真的三维场景模型；瑞士的PIX4D在大数据处理方面较有优势；谷歌的PhotoScan可快速生成高分辨率真正射影像及带精细色彩纹理的DEM模型等。虽然各种建模软件所采用的数据格式不同，但是其都带有数据格式转换功能。因此，为使BIM与倾斜摄影数据融合，需要首先将不同格式的倾斜模型数据转换为通用或标准格式，如以OSGB（Open Scene Graph Binary）格式输出，转换后的数据最好以对象的方式管理。另外，为解决文件形式存储遇到大数据量倾斜模型会影响效率等问题，还需要基于分区思想进行划片，同时使用金字塔模型进行数据管理。

4.2 BIM数据格式存储与转换

目前BIM软件种类繁多，基本可以分为建模软件、方案设计软件、结构分析软件、可视化软件、综合碰撞检查软件等。BIM主流平台有Revit、Bentley、Onuma Planning System和Affinity等，不同的BIM建筑物模型，如果需要进行数据融合，需要输出为跨平台通用格式，如fbx格式（fbx格式在固定框架下可以自行设计SDK完成数据读写、修改与转换）。

唐山市生态廊道项目首先使用Revit软件的公制结构基础族分别对桥梁下部桩基础、垫层、承台、桥墩进行建模，然后定义桩长、桩径、长、宽、高、墩高及结构材质等相关参数，基础模型创建完成后，生成生态廊道超级绿道工程，结合Excel统计数据使用Dynamo软件编写针对下部构件的节点包并建立桥梁下部结构模型，最后将模型输出为fbx通用格式。

4.3 BIM与倾斜摄影模型融合

将倾斜摄影数据与BIM模型进行转换后，需要选择合适的平台对两种模型进行融合，如图5所示。文章提出基于skyline软件的模型融合方案。Skyline具有不同数据格式的输入接口（含OSGB格式的真三维模型与fbx格式的BIM模型），利用skyline可将真彩色模型、BIM模型、手工模型等转换为实景三维空间数据库，然后利用Spatial Framework Services进行发布，辅助不同领域、不同部门进行规划设计与施工决策[10-11]。

图5 BIM与倾斜摄影模型融合

唐山市生态廊道项目BIM与倾斜摄影平台融合流程如下：基于研究区域制作三维地形数据MPT文件→导入真实地形场景→导入BIM模型数据→设定模型融合后的参数→空间分析、空间量算等。

5 应用实例

方案在河北省唐山市生态廊道（超级绿道工程）新道桥市政景观桥梁建设项目中得以具体应用。该工程从北至南方向，串联东湖公园、唐钢文化公园、大城山公园、凤凰山公园、大钊公园以及南湖公园等城市生态绿地，总全长约10.5km。针对项目重点区域的设计标准，对其周边长为12km、宽为7km的工程区域采用BIM与倾斜摄影测量两种技术手段进行建模，对两类模型进行融合与使用。

5.1 BIM数据处理

项目采用Autodesk Revit软件建立桥梁建筑模型，根据管理需要，在三维模型上加入了建设材料、桥梁名称、各部分位置信息、施工完成时间以及建设预期完成时间等属性信息。该项目部分BIM模型如图6所示。通过在施工前期建立可视化的BIM模型，可以辅助完成施工方案设计、工程造价等工作。

图6 BIM模型

5.2 倾斜摄影测量数据采集

项目采用大疆Inspire多旋翼无人机搭载多视角倾斜摄影测量传感器和定位设备，对目标区域进行航测飞行，获得该区域内高分辨率的多视角影像和位置数据。采用Virtuos 3D倾斜摄影三维建模软件对影像进行建模，建模完成后进行模型精修与单体化处理，结果如图7所示。从图7可以看出，施工项目区域三维实景纹理较清晰，模型精度较高。

图7 三维实景模型

5.3 BIM与三维实景模型融合

对于不同建模软件所建的模型，考虑到模型标准和兼容性要求，利用Skyline软件将BIM和航摄模型融合，效果如图8所示。

图8 模型融合图

5.4 融合模型在项目施工中的应用

（1）工程量计算。生态廊道项目土方量的调配及方量的准确性，决定了项目的经济效益。该项目利用融合后的模型通过其特有的建筑参数信息，结合设计院出具的图纸和项目方利用无人机倾斜摄影技术建立三维地表模型，在模型基础上进行工程量计算，得到最终土方调配信息。项目方以此为依据合理安排土方调配，进行精细化管理，节约项目成本。利用融合模型的挖填方量计算如图9所示，可以看出用相关专业软件打开融合模型可以较为准确地获得施工区域某处在不同施工段下的填挖方量，这对工程造价以及工作进度安排起到一定的参考作用。同时，项目对廊道桥体建立Revit模型，分别对桩基、承台、桥墩、钢箱梁等进行工程量统计，与设计图纸相对比，提前指导材料加工，避免浪费。通过对钢箱梁桥的建模，将钢梁拆分成零件，指导钢材下料，减少钢材原材的不必要损耗，有效控制施工成本。

图9 利用融合模型的挖填方量计算

（2）施工进度模拟。根据项目参建各方要求，利用融合模型对工程施工进度进行模拟和现场机械、设备、人员的科学调配，力求达到工时最短、进度最优，并有效避免因某些原因造成窝工等现象，施工进度模拟如图10所示。项目施工完成后，对已完工建筑及场地进行二次建模，将模型与地表模型结合，便于运维单位在后期维护中有图可依、有数可询。同时，通过BIM桥梁模型与地貌模型结合，指导了施工现场拆迁、开挖、占地、树木移栽等工作，提升了工作效率。

图10 施工进度模拟

（3）碰撞检查。在工程建设过程中根据BIM模型对重难点、工点、工序提供有效指导，利用创建的生态廊道BIM模型与无人机倾斜摄影成果进行碰撞检查，发现部分桥梁与现有地形冲突，桥墩位置与现有交通道路不合理。将碰撞报告中问题反馈给设计院，提前进行设计变更，以达到缩短工期、节约建设成本等目标。同时，该融合模型可以对桥梁建筑物混凝土构件尺寸之间、预埋管道和构件之间、钢筋之间存在的一系列相互碰撞、干扰、尺寸不合适等问题直观地反映出来，如图11所示。该项目利用融合模型进行碰撞检查，可以看出在桥头位置设计桥梁建筑物与实际施工现场之间存在相互碰撞，及时发现问题，避免了后期返工等，节约了施工工期和工程成本。

图11 融合模型碰撞监测

6 结论

文章通过唐山市超级绿道北新道桥项目工程，将含有桥梁建筑信息的BIM建筑设计模型与倾斜摄影测量建立的真三维模型进行融合。利用融合后的模型进行设计与施工，得到了较好的效果，得出如下结论：

（1）BIM模型中包含了建筑物材料、建筑物位置、建筑物名称等各种建筑信息，可以对建筑物物料使用量、建筑物工程完成进度、建筑物碰撞检查等提供相应的依据，为工程造价管理提供一定的支撑。利用倾斜摄影测量技术对实际工程项目进行建模，可以方便快速地获得较大范围的真三维信息，有着自动化程度高、人工干预影响小、建模效率高等优点，能为BIM模型提供真实表面信息。

（2）将两种模型融合到一起，既保留了模型的建筑信息，又增加了建筑物外部纹理信息，可以将建筑物外部纹理信息与内部建筑信息进行整合与贯通，实现BIM设计模型融入真三维模型的一体化与可视化，对项目施工的方案设计、完成进度展示、工程造价等方面具有较好的辅助作用。