BIM与无人机在城市道桥正向设计的应用研究

陈攀杰，顾鲍超，王雪原，刘卫民，邓红军，郭 灏，曾 琦

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

伴随着城市的发展和技术的进步，业主对市政道桥设计提出了更高的标准，而传统的二维设计不仅费时费力，难以直观地展示，出现错漏和信息丢失的几率较高。基于BIM的三维正向设计可以很好地解决上述问题，通过对道路桥梁和各节点的三维动态设计和仿真分析，实现标准化、可视化、系统化的设计。无人机倾斜摄影测量建立的三维模型，能保证建模的时效性和现场场景的真实性[1]，可在路线设计阶段提取原始地形[2]，包含高程点、等高线、坐标等信息，既节省了庞大的外业测量工作量，又提高了三维设计质量。

“BIM+无人机”技术(即将BIM模型和无人机倾斜摄影测量模型融合的技术)，能充分利用各类数据的优势，各尽所能，实现BIM场景的真实化[3]，不仅能提高道桥设计的客观性和准确性，而且有利于模型的传递。

1 无人机倾斜影像三维建模

无人机航测系统以其成本低、快速、实时的优势，得以迅速发展，获取的影像具有比例尺大、分辨率高的特点[4]，在三维建模中表现出独特的优势。根据无人机影像的特点，选用SWDC-5五镜头获取倾斜影像作为数据源，采用影像匹配彩色点云数据技术和三维网格优化算法，实现自动三维重建、纹理映射、连接点重构纹理和重建约束，快速建立了高精度道桥实景三维模型，并在成都市东西轴线市政道桥设计中得到成功应用。

1.1 获取无人机倾斜影像

本文以SWDC-5倾斜相机摄取影像。在其飞行摄取影像过程中，5个相机同时接受信号，获取后视(相机B)、底视(相机E)、前视(相机D)、左视(相机A)以及右视(相机C)5个角度的影像信息。其中，前后左右视与底视影像的关系如图1所示。

图1 SWDC-5倾斜影像获取示意

SWDC-5相机对应影像单元大小为6 μm，影像大小为8 176 pixels×6 132 pixels。下视相机E的焦距为50 mm，倾斜相机的焦距为80 mm，且倾斜角度为45°。在获取数据时，航高设置在1 000 m左右，航带间间距为500 m，航带内间距为150 m，即航向重叠度为80%，航带间重叠度为50%。

图2为倾斜相机获取的同区域各个视角的影像，同时刻曝光的5张相机倾斜影像没有重叠区域。事实上，左、底视影像与右视影像相隔一条航带才与底视影像有重叠区域，前、后视影像要与底视影像约隔5张影像才与底视影像有重叠区域。

图2 倾斜相机获取的同区域各个视角的局部影像

1.2 构建三维模型

本文采用立体视觉的三维建模，利用从多个角度获得的图像来推理出真实世界中包含准确色彩纹理的物体的结构。这种方法无论从建模效率还是精度、灵活性来说，都可以满足市政行业建模的需求。

首先对倾斜相机进行标定，然后进行空三测量，利用图像之间的重叠度，计算出目标物在各个角度或者位置的深度图(深度指的是摄影瞬间相机中心到目标点的距离)，再对获得的多个深度进行融合，构建三维三角网，产生比较完整的立体模型(白模)，最后进行纹理映射,如图3所示，获取真实的三维模型。

图3 三维模型创建流程

2 BIM技术

BIM技术在国外得到了很好的应用，但是国内现状却相对落后。虽然国家出台了一系列政策，国内学者也开展了不少研究[5-8]，但是由于各种因素，距BIM全生命周期应用普及还很遥远。尤其是对于市政行业，由于BIM标准不完善和市政BIM软件技术的限制，现阶段BIM在市政项目中多处于翻模阶段，这不仅直接增加了设计人员的工作量，还和引入BIM的初衷南辕北辙。

本文基于 Bentley 软件对市政道桥进行正向设计研究，结合无人机倾斜摄影建立的三维实景模型，直接在真实环境下进行路线规划设计与方案比选、设计优化、模型渲染等，不仅提高了设计效率和质量，而且节约了资源，减少了设计成本，为市政正向设计的推广提供了实践基础。

3 应用实例

通过无人机倾斜摄影获取试验区域的地形数据，并按照上文提出的方法建立三维地形模型，依据三维实景模型进行路线方案的设计，并以路线模型为参考进行后续的道路、桥梁、管线等市政项目的设计，实现“BIM+无人机”技术精细化三维设计,并在成都市东西轴线项目上得到了应用。

3.1 项目简介

本项目西起于成渝高速公路绕城收费站，东止于龙泉驿区界。项目全长约24 km，其中城区段长约11 km，红线宽80 m，两侧各有30 m绿带；中间设置BRT专用通道；山区段长约 13 km，双向八车道，全线含2座山区隧道，分别长2.1 km和2.0 km。该工程涉及专业多，且各专业设计界面交错；空间关系复杂，使用传统的二维设计手段难度大；工期紧张，部分作业面繁琐；参与方较多，难以保证信息的完整性与及时性。使用Bentley正向设计有效地解决了上述问题。

3.2 技术路线

与二维设计相比，基于Bentley 软件的正向设计(图4)在路线规划时就嵌入设计范围周边区域的实景模型，直接在地形上进行立体可视化设计，不仅表达直观，而且方便计算和调整各种参数，极大地提高了工作效率。

图4 基于Bentley的市政正向设计工作流程

3.3 建立模型

3.3.1 建立道路模型

概念设计阶段对精度要求不高，使用OpenRoads ConceptStation软件在仿真情况下快速建立模型，进行道桥概念设计，快速放置护栏、路灯、标线等附属设施。可以根据路线的变迁实时变换工程量，方便估算造价，为方案比选和业主决策提供了极大的便捷，提高了设计效率，降低了设计成本。

在方案设计阶段，如图5所示，需要在OpenRoads Designer 软件中提前导入设计标准与规范。确定线路的平面路线后，可依据实景模型提取原始地形，参考地形断面设计纵断面，不仅节省了外业测量，也提高了设计质量。对于路缘石、挡土墙和放坡等，也可以通过组件方式建立，方便重复利用。通过导入的标准可以自动检测设计是否符合规范，避免了繁杂的人工查询。

图5 基于Bentley的道路设计工作流程

3.3.2 建立桥梁模型

直接利用道路设计成果，使用OpenBridge Modeler 软件对桥梁进行设计，如图6所示，建立道路和桥梁之间的关联关系，便于后续的修改和调整。设计桥梁布跨线，使用参数化模块分别建立上、下部结构，建立能够自定义变换的桥梁，方便调整，而且能够快速生成桥梁的相关报表。

图6 基于Bentley的桥梁设计工作流程

3.3.3 碰撞检测

本项目工程涉及专业多，各专业设计界面交错，空间关系复杂，对既有地下管线进行勘测建模，与新建管线模型进行碰撞运算，可以有效避免管线冲突，保护既有管线。

3.3.4 BIM模型渲染

将各类模型文件汇总，导入LumenRT中进行渲染，对材质、环境、绿化和车辆进行设置，快速完成景观绿化设计，渲染后的景观模型可以根据四季变化，方便景观方案的比选和优化，最终形成的模型可与VR结合(图7)，让人仿佛身临其境，不仅丰富了业主的体验感，也节约了出效果图的成本。

图7 BIM最终模型展示

4 结 语

本文通过试验项目验证了“BIM+无人机”技术在市政行业正向设计的可行性及合理性。实践证明，“BIM+无人机”正向设计技术改变了传统的设计方式，不仅可以实现可视化、精准化设计，而且可以节约成本，减少返工。但是当前市政方向的BIM在模型建立和应用开发上还处于初级阶段，标准还不够完善，软件技术也不够成熟，做正向设计需要大规模的二次开发，要投入很多的人力和物力，市政正向设计的普及还有很长的路要走。