三维实景建模在水泥厂改造中的应用

蒋惠民，岳彦哲，阮 健，张兵涛，许 可，刘士渊

（洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南 洛阳 471003）

0 引言

近年来，无人机倾斜摄影成为了一些摄影爱好者的新时尚，基于无人机的倾斜摄影测量已经成为测绘领域的重要手段[1]。无人机倾斜摄影测量技术具有灵活且便于携带的特点[2]，然而无人机拍摄的照片还可以通过软件处理生成三维实景模型。随着建模软件、计算机工作站等科学技术的迅猛发展，航拍建模技术也越来越成熟，并逐步取代传统手工建模[3]。现在，国内外各个厂家均有通过航拍建模软件。这种基于图片的建模技术提供给了非专业建模人士来构建3D模型的工具。用户不需要很多复杂的专业知识，仅仅围着物体从不同的视角拍摄照片即可，方便快捷。Bentley作为全球基础设施行业提供BIM解决方案的定位，其实景建模软件是一款能够通过扫描、拍摄等手段获得实景模型的专业应用软件，为将现实的模型转变成为数字模型提供了解决方案。实景建模软件的主要特点有：数据量小，在算法优化后，大约为同类系统的1/4的数据量；兼容性强，输入输出多种主流格式，如OBJ、3MX、FBX和KML等等[4]；抓取生成的模型进行体积测量。倾斜摄影测量技术、BIM技术和GIS均是数字化城市建设的核心技术，是智慧城市建设的必要基础数据[5]。综合各方面优势，实景建模具有广泛的应用前景。

1 项目介绍

作为高耗能、高污染的行业，资源、能源、环境等因素严重制约着水泥工业的可持续发展[6]。随着国家对水泥行业发展提出的循环经济方向，走清洁能源生产的道路，各大水泥厂节能减排改造也提到了日程。余热发电成为高耗能企业节能减排的重要措施之一[7]。

该项目是某水泥厂升级改造工程，项目业主为了将水泥生产中浪费的余热资源充分利用起来，在原有的5000t/d水泥生产线上增加余热发电系统。业主对改造项目要求是整个实施工程不能影响水泥主线的正常生产。项目实施的难点在于总工期短，SP（Suspension Preheater）窑尾锅炉放置位置空间狭小，设备、烟道厂区管线以及施工机械等布置困难，整个设计和施工都有不小的挑战。

运用实景建模软件进行建模技术符合项目实际需求，在项目设计之初得到现场的模型有利于方便与业主交流，也方便了设计余热发电系统过程中与现有水泥生产线接口。

2 设计流程以及实施

实景建模与余热发电的BIM模型结合的设计流程，见图1。

（1）总图工程师对实际现场用无人机进行航拍或测量部分数据，拍摄或测量数据的重点放在改造项目与BIM模型的接口处。

（2）将航拍图片和测量数据处理形成实景模型，成为总体设计模型；

（3）将工程项目的建筑结构模型、工艺设备模型、给排水模型和电气模型等总装成为BIM模型，各个专业模型进行管线综合和碰撞检查，由模型审核人员对模型文件进行优化处理。

（4）将优化后的工程项目BIM总装模型参考到实景建模模型，再进行优化处理，形成完整的改造后总装模型。

实施项目前期，公司组织两名工作人员在项目现场用无人机对整个水泥生产线连续拍摄，收集整理好实景模型所需的照片文件2万多张。然后打开实景建模模块，导入整理好的图片文件并选择好处理图形所需的相关参数选项，接下来提交文件。提交的任务被实景建模模块自动分解成几个不同的任务。等待处理结束后，形成水泥厂的三维模型。对形成的实景模型修正处理后，得到了如图2实景模型轴测图和图3实景模型顶视图。

图2 实景模型轴测图

图3 实景模型顶视图

余热发电的主要车间为AQC余热锅炉（全称Air Quenching Cooler）、SP窑尾锅炉和汽机房。图4是将设计好的AQC锅炉车间总装模型摆放到实景模型的位置。关键点在AQC锅炉模型的进口与篦冷机顶部接口是否吻合，并且与其他管线是否有碰撞情况。图4、5是将余热发电系统的AQC锅炉、SP锅炉、汽机房和循环水等等总装模型与水泥厂实景模型结合的场景。

图4 余热发电AQC模型在实景模型

图5 余热发电BIM模型在实景模型情况

3 总结

在该水泥厂升级改造设计余热发电系统中，通过利用四旋翼无人机拍摄的图片在实景三维建模系统中生成的实景模型，减少了人员劳动强度和提高了工作效率，在初设中模型的数字化和可视化方便与业主交流，在详细设计中方便设计人员与现有的水泥生产线进行碰撞检查、管线综合等，规避风险。实景建模在工程设计施工中有巨大的应用前景。但是该技术也存在一些问题，大面积实景建模对无人机镜头、计算机处理能力等硬件的投入比较高，并且需要人工修复，合成处理的模型成果精度有待提高。期待下一阶段的软件更新能够更加方便设计人员、降低修复工作时间。