无人机在超高层施工质量管理中的应用

2018-01-25张延伟中建八局装饰工程有限公司大连分公司

中国建筑装饰装修 2018年1期

张延伟中建八局装饰工程有限公司大连分公司

前言

随着科技的发展，为满足人们对生活品质越来越高的要求，解决城市拥挤问题，在有限的城区面积中提供更多的使用面积，建筑开始向高空发展，超高层建筑出现，而且越来越多，目前中国在建的超高层建筑有：天津117大厦(约596.5米)、深圳平安金融中心(约668米)、上海中心(约632米)、武汉绿地中心(约606米)、广州东塔(约530米)、长沙国金中心(约432米)等。超高层钢结构施工的特点是高空、悬空作业点多，存在很多安全隐患，施工质量难以保证。本文探讨在超高层建筑施工中运用无人机技术，尤其是幕墙施工质量监管中发挥重要作用，将科技、建筑技术及安全管理有机结合，走科技创新之路。

1 无人机技术在建筑施工中的应用

1.1无人机技术概念

无人机全称无人飞机系统(Unmanned Aircraft System，缩写UAS)或无人飞行载具(Unmanned Aerial Vehicle，缩写UAV），广义上为不需要驾驶员驾驶的飞机。无人机最早的开发是在第一次世界大战之后，后长期用于军事用途，与传统飞机相比较，具有操作成本低、运用弹性大及支援装备少等特性。近年来，无人机己被科研高校和科技企业重视，研发并投产，广泛应用于重大工程、地质灾害、城市建设等方面，在以人为本的大环境下，无人机应用于建筑行业具有无限可能和广阔前景。使用无人机进行低空摄影具有灵活、高效、快速及成本低等优点：不需要机上驾驶员，无需设置救生系统，保护了人的生命安全的同时减轻了飞机的重量，且工作强度不会受到人的生理条件制约;无人机机体设计非常小，对场地无太大要求;制造成本及维护费用较低，且维护方便，使用寿命较长;可远程遥控。

1.2无人机技术在超高层建筑施工中的应用

1.1.1 3D扫描为超高层建筑建模提供便利

3D扫描是目前无人机应用较为广泛的领域。普通的3D扫描往往不能完整地扫描一些大型的建筑，在测量的过程中也会经常被一些障碍物干扰，此时采用无人机航拍就能避免这些问题。无人机拍摄的影像清晰度高、误差小，且无人机不易受场地限制，可控性高，非常有利于3D扫描。

英国的Jersey岛用无人机航拍了许多超高层建筑，把拍摄所得的高清图像处理成网状文件，并完成3D建模。进行航拍时可以设置拍摄轨道，使飞机延设定轨道飞行，拍摄多个角度，使数据更精准。随着经济社会的发展，基础设施建设、住宅建设等项目越来越多，使用无人机进行3D扫描的需求也越来越大，无人机扫描技术为测绘领域带来了更多的便利。

1.1.2 图像特征提取

特征提取是图像处理的重要技术手段。通过特征提取能够大大简化图像处理的数据量和提升图像匹配的准确率。特征提取把图像上的点分为若干不同的子集，这些子集往往属于连续的区域、连续的曲线或者孤立的点。

无人机操作并不复杂，只需用遥控器指挥飞机即可，拍到的画面可直接传输到地面设备。此外，无人机可从多个角度取像，在对施工进度进行测量后，可快速根据实景建立三维模型，且误差非常小，可达厘米级。无人机航拍查在建超高层建筑既能解决实时获取图像问题，使施工安全管理方面快捷，又能节省人力和物力，以后应会应用的越来越多。

1.1.3 未来或将代替人力施工

以上两个方面应用的主要是无人机的航拍技术，无人机在建筑领域更大的潜力表现在代替人类工作的可能性，这也是行业最为关心的话题。

用无人机来代替人去施工，这听起来很不可思议，但这的确已经被实现了。最近，瑞士苏黎世飞行器工厂发布了一段视频，视频中，两架飞机正在搭建一座绳桥。据悉，视频中的飞机正是无人机，该无人机“能把绳绕在脚手架横竖两根杆的交叉处，还能牵着绳穿梭在脚手架之间，编织成一张网”。据悉，这两架无人机既可以互相配合施工，也能单独施工。虽然视频中搭建的绳桥比较简单，实用性也不高，却很好地展现了无人机在建筑领域的应用潜力。

2 无人机在建筑施工现场应用的优缺点分析

2.1无人机在建筑施工现场应用的显著优势

(1)创新性选用无人机作为建筑施工现场管理工具，是一种将新兴信息技术应用到实践的创新行为。无人机具备快速高效的管理能力，且同步传输数据，提高管理效率，为管理模式创新提供新的工具和方法。

(2)实用性无人机易操作，人员需求少，节省人力成本;随着无人机技术的发展，其续航能力不断提高，使得无人机的实用性不断提高。

(3)功能性无人机系统能够及时发现工程现场管理存在的重要问题，并做出相应处理。无人机技术的引入使复杂的施工现场信息转换为图形或数据信息，减少了施工现场人员的工作量，通过施工前的学习训练，真正的实现自动化的施工管理。

(4)可记录性施工过程可记录，便于备案，日后需要时进行查找。

2.2无人机在建筑施工现场应用的缺点：

(1)对内外部环境依赖性高由于图像获取的特殊性，对机器自身性能、天气等条件要求较高，对此，随着无人机设备研发的日渐成熟，基本可以避免外部原因的影响。

(2)学习训练周期长由于施工现场情况复杂，对图像处理和识别有着极高的要求，所以学习训练过程需要时间和数量的积累，但是施工现场情况虽然复杂，但是基本要素几乎一致，所以方案重复性较高，后期只需要对特殊情况进行学习训练即可。

综上分析，虽然无人机在建筑施工现场的应用存在学习周期长等不足，但是功能性、创新性优势明显，而且实践中的应用案例越来越多，无人机技术在建筑施工现场管理中应用的优势逐渐显现。

3 应用无人机加强超高层建筑施工质量安全管理

超高层建筑施工周期长、危险系数高、技术难度大。随着城镇化建设的推进特别是城市新区建设的快速发展，超高层建筑越来越多。超高层建筑的质量安全，已经成为建筑施工安全生产的新课题。超过100米的建筑已是数不胜数。在100米的高度，其实建筑物不论从结构还是设备及施工方面均无明显质的变化，对超高层建筑高度的界定，当然也不能简单地按新《高规》所提到的250米为界，所以对于高层与超高层的分界，今后会含糊些。从高层建筑的技术构成上分析，随着建筑高度的持续增加，并结合房屋的具体形状，其设计概念将受到越来越严峻的合理性的考验。

今天对于由高层到超高层的理解，已不仅只限于高度上的、美学上的、安全及使用功能上的，还应包括效益、能源与生态环境方面的考虑。

可喜的是，无人机应用越发火热的今天，已经在向建筑行业蔓延，逐渐取代复杂人工，做到微小化与自动化，改变了许多传统的工作模式。

3.1工程监工

目前，国内工程监工大多采用设立工程监工岗位对施工队员进行监督，但由于种种原因，人工监工的效果并不理想，不少建筑队伍还是出现了消极怠工、偷工减料等各种问题，故催生了无人机自动监工。专家们利用无人机拍照定位，检查工程进度是否与设计蓝图相匹配，以便更好的规划建筑机械的使用与材料的储备情况。

掌握复杂的建筑工地情况可不是一件易事，毕竟在这个浩大工程中，有无数机械和工人不停工作着。而利用加入深度学习AI技术的无人机后，建筑公司就可实时掌控工地的施工情况，它们甚至可以同时远程管理多个工地。

3.2工程测绘

无人机测绘也是现在无人机在工程领域的研究重心所在。与传统测绘比较，使用测绘无人机我们可以得到平均20cm/像素的精度，对于100公顷的地方而言，我们测到的点可以达到2500万个，能得到更清晰的地形与地面，即使是树木、石头等。此外，使用无人机测绘只需要工作人员标画和设置地面控制点，飞手操控无人机。倘若是在平缓的地形测量，无人机的测绘工作以及后期数据处理工作的用时将会比传统人工测绘减少整整3倍时间。

但目前大部分极其精确的设备由于体积或重量过大，无人机无法承载，先进为止，还无法改变传统测绘的地位。相信随着新技术的发展，将研发出更多适合无人机搭载的先进高精度的设备，尤其是轻小型化的设备会越来越多，尤其是高尖端仪器像是高光谱成像系统等，如果这些仪器都实现了微小化，相信无人机的测绘应用将会席卷全球吧。

3.3检测工程师

运用无人机的3D 和图像特征提取技术，代替检测工程师进行建筑质量检测。新加坡一家公司第一次使用了配备360度全景摄像头为基础的全面扫描系统、自动检测隧道不良情况并记录位置的软件的无人机对新加坡海底隧道进行了质量检测，检测内容包括隧道裂缝以及渗漏水情况。

4 应用无人机提高超高层建筑工程质量的措施

（1）施工现场标准化为了使无人机在现场安全飞行，且有效的获取并处理图像，则要求施工现场尽量标准化，无人机可以沿着既定的路线飞行检查，减少了触碰障碍物的风险，且图像质量较高，可以被有效识别。

（2）寻求校企合作高校拥有得天独厚的科研条件，建筑企业拥有丰富的现场经验及完善的现场环境。高校可以进行无人机的研发，提高无人机的稳定性和续航能力，与建筑企业进行合作，参与实际工程项目，在实践中不断探索无人机在施工领域的应用空间。学校与企业合作的方式，能够实现优势互补，不仅有利于技术研发，更利于无人机技术的推广普及。

（3）加强培训无人机在施工现场的操控有一定的难度，所以在使用无人机作业之前，驾驶员必须拥有优良的技术，确保无人机以及现场的安全，需要建筑企业或项目提供场地及专业人员为无人机驾驶员进行培训，一方面学习无人机的飞行技术，另一方面也切实探索利用无人机进行现场监测的可能性以及价值，提高管理效率。

（4）扩大信息采集来源。由于无人机使用的限制条件较多，因此在无人机系统应用初期，应不断扩大信息采集来源，便于初期的学习训练。但是随着应用的深入，在实现一定的数据储备后，无人机的性能逐渐被优化，且识别的精度提高以后，需要考虑针对非标准现场进行应用，扩充数据库，使得无人机的适用性更强。

（5）节约成本在技术创新管理中，成本是必须考虑的重要因素。因此在应用中，需要通过优化方案和提高性能等方式在尽可能大的范围内节约成本，如果站在全生命周期的角度，真正实现了节约，那么就可以用经济效益打动更多的企业，使其参与到无人机技术的推广和普及中。