基于无人机影像+BIM 技术的小高层外立面检测应用

冯 斌

（绍兴职业技术学院 建筑与设计艺术学院，浙江 绍兴 312000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，小高层建筑不断增加，但因缺乏对小高层进行定期检查、维护、保养和初期病害问题的修缮治理，致使大量的小高层在投入使用5 ～8 年后即出现比较严重的渗漏水、外墙保温材料或饰面材料起壳、脱离及其他病害问题。甚至有些住宅交房1 ～2 年就开始修修补补。小高层建筑外墙病害如图1 所示。近年来，小高层外立面高坠事故不断出现，已经严重威胁到人们的生命财产安全[1]。因此，对小高层外立面进行检测和维护显得尤为重要。随着无人机倾斜摄影技术精度的逐步提高，其建模质量趋向稳定。利用无人机对区域内的一些小高层进行“体检”，可以及时发现问题，进行整改和修缮。相比传统的检测方法，无人机影像具有用途广泛、成本低、使用方便等特点[2]。同时，应用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术的信息化功能和可视化功能，对小高层修缮构件的模型进行特殊标记，标记“裂缝、脱落、渗漏、空鼓现象”等状态，能够简化修缮工作，提高工作效率。

图1 小高层建筑外墙病害

1 无人机影像技术概述

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。与有人驾驶的飞机相比，无人机具有体积小、造价低的特点，适合“危险”的任务。无人机航拍技术以无人机为空中平台，融合遥感设备，进行视频影像传输、卫星定位、高空拍摄，最后通过计算机进行图像处理，形成高精度的图像。无人机倾斜摄影技术与传统的无人机航拍不同。无人机倾斜摄影是在一个飞行器上搭载多个拍摄设备，同时从前、后、左、右以及垂直向下5 个不同角度、方向采集观察物体的丰富信息，然后通过高精度的数据处理，全面探测复杂的场景，最终得到真实的效果和位置等信息[3]。

2 BIM 技术概述

BIM 技术最早起源于美国，是利用软件构建虚拟的三维模型，为工程建设提供项目各种相关信息的数据模型。BIM技术的优点有：可视化，项目设计、建造、运营过程中的沟通都在可视化的状态下进行，让线条式的构件形成三维实物，构件之间形成一种互动性和反馈性；协调性，各方协调（包括业主、设计、施工），各专业协调（土建、机电）；模拟性，BIM可以进行模拟实验，如施工进度、节能模拟、日照模拟、热能传导模拟等，还可以进行5D 模拟，从而实现成本控制；优化性，建筑复杂程度较高时，BIM模型提供建筑物的几何信息、物理信息、规则信息等；可出图性，BIM 可以出具各专业图纸，使工程表达更加详细。

3 无人机影像+BIM 技术在小高层外立面检测中的应用

3.1 项目概况

绍兴市某小高层建筑项目共9 层，建筑高度27 m。建筑性质为小高层建筑，耐火等级二级，抗震设防烈度6 度。防雷类别三类，屋面防水等级为1 级，外墙外保温使用年限25 年。目前，该小高层外墙饰面出现大面积脱落、饰面材料起壳脱离等问题，如图2 所示。2023 年3 月，该小高层建筑发生外墙高空坠物事件，甚至出现了人员伤亡情况。为了更高效、更全面地对小高层外立面进行检测和维护，无人机影像+BIM 技术的应用变得越来越重要。

图2 绍兴某小高层建筑外墙问题

3.2 无人机影像检测

3.2.1 外业作业

无人机影像检测的外业工作主要包括航测范围确定、航线规划和参数设定、倾斜三维摄影采集等环节。首先确定航测范围，需要现场调研合适的起飞地点、降落地点和天气资料，确定飞行时间。航线规划和参数设置，根据成图比例尺要求进行基础设置，设置飞行航高、航向重叠率、旁向重叠率等参数。返航点对于飞行安全非常重要。如果在飞行过程中，无人机离开了最初的返航点所在位置，可以通过返航点设置刷新返航点。同时要观察，确保飞机当前所在位置能够安全降落才可以刷新返航点。如果飞机在障碍物或水面上空，一定不要重新设置返航点[4]。

本文选取的是某小高层小区9 号楼，航测范围为小区。调查小区现场，寻找合适的起飞地点，即该小区7 号楼和9 号楼之间空地。收集天气气象资料，天气晴天，合理制定飞行时间，照片比例设置为3 ∶2，曝光模式设置为自动。根据测区内最高建筑物为9 号楼小高层（高27 m），设置相机倾斜角度为60°，飞机飞行航高设为100 m，航向重叠率设置为80%，旁向重叠率设置为70%。本次作业测区共拍摄500 张航空影像。倾斜摄影任务设置如图3 所示。实地航飞过程中，无人机按照设定位置，相机将会按所对应点坐标和角度进行实际拍摄。作业人员在空地组装无人机，进行上述参数设定，最后进入航测作业。无人机将按照上述飞行方案的航线进行空中拍摄，作业人员需要观察无人机位置及实时飞行参数，如遇特殊情况，提前手动设置返航。最后进行航飞数据检查，对不合格的区域进行补飞。倾斜摄影数据直接影响最终的实景三维模型。

图3 倾斜摄影任务设置

3.2.2 内业作业

本节借助ContextCapture 软件进行三维建模。该软件可以运算生成基于真实影像的超高密度点云，可以使普通照片经济、高效地生成最具挑战性的现有条件三维模型。ContextCapture 软件无须人工操作，能够全自动生成实景三维建模，并且能够保证真实色泽、几何形态及细部构造，从而完成倾斜摄影数据到三维模型的过程。

ContextCapture 三维建模方法具体步骤是：新建文件→导入照片→导入POS 数据量→导入控制点数据并刺点→空间三角测量→模型创建。其中，空中三角测量的精度直接决定了后续三维建模产品的精度[5]。按照上述实验步骤构建的三维模型如图4所示。

图4 三维模型

采用无人机技术对住宅外立面进行定期检测，能够及时发现住宅外立面的裂缝、脱落、渗漏、空鼓等问题，可在较短的现场检测时间内获得更为全面的检测结果，最终得到更真实的效果和位置等信息，大大降低检测难度，还能提高检测的精度效率，方便工作人员及时进行整改和修缮，从而保护人们的生命财产安全。

3.3 BIM 技术

3.3.1 BIM 模型创建

创建BIM 模型，首先要进行图纸分析。结合建筑、结构、机电各专业的图纸进行分析，了解建筑功能分区，获取柱、梁、板、墙等尺寸和位置，掌握机电各专业管线设计布局，各管线尺寸、数量和路径，并综合考虑层高和净高的要求，初步进行图纸优化。结合各个专业的图纸和住宅建筑机电管线综合的要求，使用BIM 技术。标高和轴网的绘制是三维模型建立的基础。新建一个建筑样板，创建标高，在“项目浏览器”里选择立面。任意选择一个立面（东南西北中任意一个），如“南立面”，打开南立面视图，绘制小高层项目的标高。本次项目层高为3 m，共11 层，设置屋面标高和屋顶标高。然后在“视图”→“创建”→“平面视图”中，将所有标高都添加到楼层平面，这样就完成了模型创建[6]。根据首层的轴网布置图，在“项目浏览器”中双击“标高1”视图，在楼层平面标高1 里面绘制轴线。选择“轴网”命令，对轴网进行“属性”设置。对轴线的两端编号需要进行设置，在“编辑类型”里面，勾选“两端编号”。

之后建立柱、墙、门窗和楼梯。在首层平面图中，点击“建筑”选项卡下面的柱墙、门、窗和楼梯，创建与实际相符的材质颜色等构件族。这些构件族也可以保存后载入到其他不同的项目中使用。然后建立楼板、梁和屋顶，根据平面图要求，点击楼板，修改楼板的属性参数。本项目采用120 mm 厚的钢筋混凝土楼板。后续构件同样按照图纸要求进行创建。

3.3.2 信息化功能应用

利用BIM 的信息化功能，可以对小高层修缮构件的模型进行特殊标记，如“裂缝、脱落、渗漏、空鼓现象”等状态，简化修缮工作，提高工作效率。例如，若外墙出现裂缝，如图5 所示，进行模型的特殊标记，并定义特殊颜色，在特定的渲染模式下可以直观显示。以数字化方式协助修缮工程现场工作，能够简化原有外墙外立面的修缮情况采集流程，直观清晰，减少工作失误。在修缮施工的过程中，工作人员可对构件的修复情况进行实时标记，将现场进度同步更新至项目各参与方。

图5 外墙裂缝标记

3.3.3 可视化功能应用

利用BIM 技术构建可视化场景，能够为小高层的外立面保护提供参考。将小高层三维模型进行细化及深化后，配合相关软件可以进行贴近现实的模拟演示。模型中有构件信息，可以对三维模型进行360°摆动以及细部放大缩小等方式观看，让项目各方可以对建筑整体及细节都有了解，增加业主或相关人员的真实观感。小高层三维渲染如图6所示。

图6 三维渲染图

4 结语

无人机影像技术和BIM 技术在小高层外立面检测中具有很大的优势。无人机影像技术能够及时发现住宅外立面的裂缝、脱落、渗漏、空鼓现象等问题，BIM 技术以数字化方式协助修缮工程现场工作，简化原有外墙外立面的修缮情况采集流程，直观清晰，减少工作失误。因此，借助无人机影像技术和BIM 技术对小高层建筑进行“体检”，能够及时发现问题，进行整改和修缮，对保障人们的生命财产安全具有重要意义。