无人机在土木工程应用中的研究现状与展望

赵鲲

摘要：随着城市化进程的不断深入发展，我国土木工程建设规模越来越大，社会对建筑工程的需求也越来越多，在扩大规模的同时，也要求实现质量的保证、生态环境的保护、施工现场安全文明建设等，实现可持续发展。而实际中，近年来，部分住房与桥梁隧道建设等频频曝出施工现场安全事故，业主多次投诉开发商房屋出现漏水、裂缝、墙体倾斜脱落等质量问题，桥梁等建筑在使用过程中突发局部或整体垮塌等现象也时有发生，施工现场存在的环境污染问题迟迟没有得到改善等等。

关键词：无人机；土木工程应用；研究现状；展望

掌握土木工程施工现场状况，如施工进度、质量问题、安全隐患等，为项目管理者及时做出决策具有重要的意义。传统的人工监察与摄像头监控方式效率较低且不灵活，无法应对突发事件。因此，该文阐述了无人机在土木工程前期准备、施工过程、运营维护三个不同阶段的具体应用现状，探讨了无人机在土木工程应用中所面临的机遇与挑战，并展望了无人机在土木工程应用中的研究方向，如无人机结合VR眼镜实现实时数据传递等。

1无人机在土木工程应用中的优势

目前，常用的现场进度掌控、安全监管等施工信息采集方式主要有两类，一是人工获取，二是监控获取。人工获取较灵活但过于费时、费力，且效率低，无形中增加人工成本。监控获取虽能实时获得信息，但监控不灵活、视角单一，且有死角，对于突发事件反应较慢。施工现场环境污染监控，如PM2.5、扬尘等，一般通过视频监控、仪器采样或固定点监测，这些方法不仅效率低且布设范围有限。

综上所述，与其他施工现场数据采集方式相比，无人机有一定的作业要求，但在施工现场的信息采集、环境改善等方面有着显著的优势，具体如下：（1）监测范围广：低空飞行、巡航高度可调、速度快、定点悬停、变换视角灵活，因此可以实现从局部到广域的点、线、面施工现场与建筑体监测，有利于项目管理者快速、高效地控制局面；（2）采集信息多样化：无人机作为平台，可搭载不同的工具，如摄像机、三维激光扫描仪、红外热像仪等。因此根据需要可以获取感兴趣区域的图像、视频、三维激光点云等多样信息；（3）机动灵活：能够通过遥控随时改变飞行高度、方向、速度、相机角度等，不受地面施工现场或建筑体影响；（4）可应急救援：在施工现场或建筑体有事故发生时，无人机可以立即出动，全局深入现场观察实况，为管理者提供信息以便及时做出决策；（5）风险低：不用考虑驾驶员风险，能够在恶劣环境等情况下执行高危任务；针对危险性大、难度大的施工点，远程监控，无需人工接触，降低危险系数；（6）效率高：无人机作业准备时间短，可随时出动，具有低投入、高效益的特点。

2无人机在土木工程施工管理阶段的应用

2.1进度管理

工程开工往往都有进度安排，但是实际上由于各种原因，如土木工程施工行业的从业人员复杂，大部分从业者文化程度较低、整体素质不高，返工或缓工等现象普遍存在，进度缓慢。通常工地进度管理采用人工监工，该方法不仅费时、费力、效率低，无法全面掌控，且依然有不少消极怠工等各种问题。此外，项目施工过程中需要实时掌握项目的进展情况，现在大部分都是单纯地利用相机拍摄施工现场的二维画面，该方法不能够对施工现场进行全面分析。因此，利用无人机在现场进度管理中主要有以下几个应用与优势：①将高清摄像头搭载于无人机，通过设定固定航线、控制云台可以在施工现场从不同高度、不同角度监督工人们施工，可以更有效地监视和规范员工的行为；②无人机搭载三维激光扫描仪获取施工现场点云数据，通过revit等建模软件建立三维模型，对比规划设计的BIM模型分析进度等，方便项目管理者查找疏漏并及时制定下一项工作的实施方案；③从高处监测整个工程施工状况，通过设置飞行路线，拍摄关键施工点、人工难以接近的现场，帮助管理者从整体上了解施工状况，并准确及时地做出决策；④结合航空摄影技术、虚拟图像技术可生成真实视图与虚拟视图混合的三维模型，重现施工现场。

2.2安全监管

随着“智慧工地”的概念深入人心，人们越来越重视工程工地的安全问题。施工现场工作种类多、露天作业多、人员流动大、地形复杂，具有较大的安全隐患。但近年来，工地上高处坠落、触电、物体打击、机械伤害、坍塌事故常有发生。虽然人们越来越重视信息化现场管理的应用，采用远程监控施工现场，发现问题后及时与管理者沟通，但该方法无法做到事故预防，减少事故发生。因此，可以应用无人机监管安全，减少甚至杜绝事故发生，做好预防工作，包括：①监管施工人员是否按照规范安全作业，例如是否佩戴安全帽、高空作业是否有系安全带等；②监管施工单位是否按照安全管理规定执行，例如边坡等危险地带是否设有栏杆或明显的安全警告标志等；③监管施工现场交通組织情况，例如交通要道能否有序进出车辆、是否有拥堵现象、消防通道是否通畅等；④监管施工现场建筑材料堆放情况，例如钢筋、水泥等材料是否放置在规定的场地等；⑤监管施工现场设备操作情况，严禁人员在已吊起的构件下面或起重臂下旋转范围内作业、行走或停留等；⑥管理者实时场外监控，发现问题及时和现场人员联络，预防事故的发生。

2.3质量管理

无论是现浇式还是现在大力提倡的装配式土木工程施工，都存在有质量隐患。现浇式土木工程施工中由于风荷载、地基不均匀沉降、混凝土配合比等因素，易导致建筑物、桥梁隧道等产生混凝土蜂窝麻面、露筋甚至裂缝等现象。装配式土木工程施工中由于部分叠合板跨度过大、运输过程中板间挤压等产生裂纹，裂缝延伸至整个板块，导致构建破坏等问题。传统的质量检测方法是利用专业仪器对建筑物或桥梁隧道等各个部位的力学性能进行测验，用肉眼或者望远镜等辅助工具对其进行外观质量测验，对于特别复杂的工程的特殊部位或者超高层建筑，人工检测危险性大、效率低、难度大，且对于一些面积大或不易观察的地方容易产生检测遗漏的现象。

3结语

虽然由于无人机自身不足、土木工程施工现场特点等因素使得无人机在土木工程的应用中面临一些挑战，但相信随着相关理论与技术的发展、管理规定的不断完善，无人机在土木工程中将会拥有良好的应用前景。解决视频的大数量存储与快速处理、无人机结合VR眼镜实现实时数据传递、无人机云台与VR眼镜联动并实现操作者置身于虚拟环境中的沉浸式体验，减少后期室内数据处理与三维建模等过程、将数据处理模块置于无人机上可直接将处理结果传递给项目管理者、无人机的电池瓶颈得以解决等，都是需要进一步探索的方向。

参考文献：

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[3]张念芳.新时期土木工程与建筑工程的可持续发展[J].居舍，2018（26）：8.

（作者身份证号：652801198908190553）