抽水蓄能电站施工现场安全文明施工三维策划应用研究

徐艳群，丛中方，钱志强，吕恰旭，苗忠艳，刘 玉

（山东文登抽水蓄能有限公司，山东省威海市 264200）

0 引言

安全文明施工策划是项目管理的关键组成部分，对项目顺利实施以及质量都有很重要的影响[2]。抽水蓄能电站安全文明施工策划主要指电站施工现场的办公、生活、作业、设备材料堆放、临时道路等区域所有临建设施的规划以及施工现场所有部位的隔离、防护、警戒、应急、监控、告知、安全文化宣传等所有安全标识的规划。施工现场的设施若布置不当就需拆除后重新布置，导致二次搬运耗时费力。因此，优秀的安全文明施工策划能够使项目安全、工期进度、质量和利润达到最佳目标[3]。

作者研究分析了现有安全文明施工中策划、现场安全布置、安全设施标准化等环节中的局限性与不足，为科学、合理、规范地布置施工现场，并对提高布局设计的工作效率，确保施工现场的安全性，减少施工现场的二次搬运，降低建设项目成本[4]，探索提升现场布置策划的合理性、便捷性，引入三维建模、三维地理信息系统等技术手段，研发电站安全文明施工三维策划系统，提升策划效率及效果，优化策划流程。

1 背景

每年基建单位组织施工项目部开展各部位安全文明施工标准化策划工作，但对现场临建及安全设施的布置规划一般仅通过文字描述及局部施工平面布置图的形式体现（见图1左），存在效果有限，直观性差，且不利于开展审查，策划的指导性作用较弱等问题，主要体现在以下方面：

策划前，施工项目部人员需通过现场勘察、测量放线等方式了解施工现状等基本情况，存在工作量大、过程复杂的问题。

策划时，往往不能充分考虑临建设施或安全设施的材质、规格尺寸进行合理布置，策划质量有限，导致在实施过程中反复修正，策划合理性不强，效率低。

即便要求各施工项目部委托广告公司将平面策划图生成三维效果图，但因广告公司对施工现状、构建筑结构、安全设施标准要求等了解不够，导致效果差，且制作费用较高，经济性差。

造成以上问题的主要原因是由于传统的策划方案是基于二维地图而设计，二维地图通常情况下只是将现实中的三维事物以二维平面图的形式表示出来，在表达空间信息上存在很多的局限性，表达形式不够形象直观，这导致它在处理空间数据尤其是多维空间数据时存在一定的缺陷。

因此，用三维地图的表示方式去表达和处理真实场景中的三维对象和空间数据，更具真实性、直观性、方位性及立体性等诸多优点[5]，既可以解决常规二维表达方式的欠缺，也可以根据需要容纳所需的各种空间信息数据（见图1右）。

图1 平面策划与三维策划效果对比Figure 1 Comparison between layouts of 2D and 3D planning

2 三维策划系统的开发

目前，三维地理信息系统技术在城市规划、勘测设计、城市安全等多个领域都已经得到了广泛有效的应用，以三维地图为基础开发一套直观、简易、实用的三维策划系统已具备条件。

2.1 三维地图制作流程

三维地图的制作首先需要对要制作的区域进行前期规划，数据采集，然后制作模型场景和模型输出的修饰美化处理、切换及格式转换等，最后平台导入及数据发布。三维实景地图制作流程如下（见图2）。

2.2 平台建立与数据获取

平台采用三维引擎为技术核心模块，以卫星影像、无人机航拍和现场照片、施工设计CAD图等为基础素材，实现安全文明设施三维展示仿真效果。

采集包括现场地形地貌数据、无人机航拍数据和建筑单体数据。地形地貌数据主要通过人工实地进行采集，将收集的现场数据进行空间矫正，使之与卫星影像图吻合，最后通过三维技术立体测图实现逼真的三维效果。

图2 三维地图制作流程图Figure 2 Flow chart for the making of 3D maps

立体测图主要通过高分辨率遥感或航空摄影获取目标区域的正射影像图（DOM）、数字高程模型（DEM）和矢量地形要素数据（DLG）。另外，通过对空三加密生成的数字表面模型（DSM），使用数字微分纠正技术对地表所有起伏的原始投影中由于成像投影产生的几何形变与位移进行处理，有效地消除高大建筑物对其他地表信息（较矮建筑物、道路、停车场、植被等）的遮蔽[6]，获得真正射投影影像（TDOM），从而生成更自然真实的三维影像。

外业采集部分主要是利无人机机载相机和人工拍摄等方式获得地面各类建筑物的结构和外表纹理。利用专业无人机航线设定系统对无人机的航线进行设计，实际飞行时，五个机载相机根据航线设定的拍摄坐标进行自动拍摄，通过无人机倾斜摄影测量技术获取所需区域五个不同角度（正视、前视、后视、左视、右视）数据[7]。人工拍摄尽量在水平方向对建筑正立面拍摄，获取正视影像；对同一侧面需要在不同角度、不同距离拍摄一定数量的全貌相片及细节照片。

2.3 数据处理与显示

模型较为复杂时，在不影响显示效果前提下，降低图片分辨率及视频帧率来减少不必要细节，降低GPU占用率，提升处理效率。

使用数据库管理模型数据，解析管理模型原始数据，通过分析模型文件的数据结构，设计模型读取和绘制的流程，将模型显示组件整合到地图软件中实现模型动态和静态显示[8]。

通过空三解算、三维点云、影像预处理等技术处理生成DOM、DSM点云，使之与三维模型无偏差吻合[7]，生成电站的三维实景模型。

同时建立各类地形及建筑物的属性查询功能，将获得到的各项原始属性数据记录保存。

2.4 安全文明施工三维策划系统开发内容

2.4.1 构建抽水蓄能电站三维场景

根据抽水蓄能电站现有施工布置、施工进度等，创建施工三维总布置图，该图视觉真切清晰，覆盖整个工程施工作业面，三维总布置图中包括已有安全设置，施工设备、加工场，施工临时营地等全部设施。

2.4.2 建立抽水蓄能电站安全文明施工设施模型库

安全文明施工设施模型库模型根据国网新源控股有限公司《抽水蓄能电站工程安全文明施工设施标准化图册》及现场实际配备的安全设施建立，确保模型库模型符合标准规范要求，且模型数量齐全。

设施的三维模型主要通过三维软件建模、图像+视频建模、仪器设备测量建模这三种三维数字建模方法[4]，本次采用三维软件建模和图像+视频建模这两种方法。

2.4.3 开发抽水蓄能电站安全设施布置系统

研究开发安全设施布置系统，在电站工程三维施工总布置场景上，根据安全文明施工策划方案的要求，从安全文明施工设施标准模型库中选用合适的模型，用户在三维场景中可动态布置安全施工设施，完成安全文明施工设施布置策划，并能导出安全文明施工策划布置效果图（见图3）。

图3 策划管理功能界面，实现三维效果图中布置和修改安全设施Figure 3 Interface of planning management application, through which placement and modification of safety facilities can be realized in 3D map

3 三维策划系统的应用

首先对施工前需实施的安全文明施工设施进行分类分项统计，形成专项，然后根据策划方案将专项安全文明施工设施的三维模型布置在制作好的三维地图上，从而形成整体的、系统的各专项的三维布置图，可作为施工图直接实施，从而显著提高工作效率，并能够规范、统一现场的安全文明施工要求可达到创建高起点、高标准、高水平的安全文明施工样板工程的目标[9]。

三维策划布置图包括基础施工阶段、主体施工阶段及设备安装调试阶段，每个阶段都要结合施工图纸与现场设施布置进行现场标准化的三维效果图布置[10]。

3.1 系统访问

本系统软件部署于建设单位的机房服务器上，通过单位局域网，各部门通过布设于各部门的终端计算机可实现授权登录访问和相应的权限操作，各施工项目部人员通过设立于业主办公楼的公用计算机进行授权登录访问和相应的权限操作。

3.2 方便易用的模型库

系统具备模型库，内置了按新源公司国网新源控股有限公司《抽水蓄能电站工程安全文明施工设施标准化图册》标准建立的各类三维模型，包括安全标识、设施设备等，通过模型库可以实现快速查看、编辑、新增、删除模型。

3.3 提升策划编辑效率

可直接将三维模型库中已有的模型加载于三维地图中，并能批量布置安全标识。通过键盘鼠标能灵活对模型的摆放位置、大小、旋转角度及显示比例等进行快速调整，以获得更真实的视觉效果，实现“所见即所得”。

不同的施工单位分配不同的策划编辑权限，可同时在同一平台上分别策划自己的方案，协同工作，提升效率。

对局部部位再次规划或调整的也可利用本系统进行快速布置，达到日常策划修改及调整的目的。

3.4 直观真切的立体视觉效果

传统策划方案只能通过文字描述及平面图来对现场安全设施进行布置，存在直观性不强、空间信息缺失等痛点。而通过三维策划系统的应用，能有效地提升现场文明施工设施布置的视觉效果，达到了自然真实的视觉体验（见图4）。

图4 标准三维模型及三维安全标识在三维图上的布置Figure 4 Standard 3D model and it presentation in 3D map

3.5 三维导航

通过预先设定需要审查的场景区域并按其位置顺序编制成导航路径（路径根据需要可设置多条），建设单位、监理单位根据审查的需要，可方便快捷地调用预先设定好的导航路径来协助完成策划方案的审查，并可监督策划方案的执行，极大地提升了审查工作的效率。

3.6 策划方案模板

可将策划好的方案作为模板进行保存，使用本系统的各个施工单位都可相互学习，互相借鉴，促进项目安全施工管理规范化、合理化、全面化，使安全文明施工设施策划配置更科学、更全面、更合理，不留漏洞。

优秀的策划方案可通过系统向其他电站推荐共享，起到交流推广的作用，提高电站安全文明施工的策划水平和管理水平。

3.7 日常策划管理

日常施工作业中，由施工单位按照策划图开展施工作业，建设单位、监理单位监督策划执行，对局部部位需要再次规划或调整的由施工单位利用系统进行日常策划调整，指导安全设施的施工。

3.8 系统维护（三维效果图更新）

系统开发单位根据需要对本系统进行定期更新维护，对最新的施工现场进展状况，将需要布置的新设施通过卫星、无人机航拍等方式在电站三维图中展现。

3.9 年度三维策划

每年年底，建设单位组织各施工单位编制施工进度计划，并结合施工进度计划编制各施工作业面的安全文明施工策划方案。

系统开发单位会同相关单位根据策划方案将建筑物、临建设施、安全设施等模型布设于三维图中，完成三维效果图的制作。

由建设单位组织监理、设计、施工等各参建方开展年度三维策划图审查，经审查修改通过后，生成下一年度的三维效果图，指导下年度施工（见图5）。

本系统实现了全站的三维地图展示、导航、漫游等功能，便于施工策划人员使用该系统便捷地完成策划工作，也便于工程管理人员快速直观地了解现场施工策划情况，实时掌握全站作业现场的施工设施的规划、布置情况，极大地提高了安全文明施工管控的力度和时效性。

图5 策划成果功能界面，可分年度查看策划内容Figure 5 Interface of planning outcome, which can be viewed by years

4 结束语

抽水蓄能电站施工现场安全文明施工三维策划系统的开发应用使得策划成果自然、直观、真切，操作的便捷降低了策划的工作量及成本，提高了策划工作的效率；也是施工单位开展日常策划工作的助手，提升了施工管理水平，也提升了各参建单位安全管理水平。通过本系统的应用，优化了策划及管理流程，取得了明显的效果。

本系统具有通用性及可复制性，可广泛应用于各类建设工程及工程建设的各个阶段（基础施工阶段、主体施工阶段及设备安装调试等），可向所有建设单位推广应用，使安全文明施工策划更具科学性、合理性及规范性。