无人机＋BIM 技术在市政项目中的应用总结及思考

邱永祥，徐旭东，赵庆新（.燕山大学， 河北 秦皇岛 066004；.晨越建设项目管理集团股份有限公司， 四川 成都 60000）

0 引 言

建筑信息模型（BIM）作为提高建筑行业效率和投资收益的综合解决方案，不断融合人工智能、大数据和 VR 等技术[1-2]，技术框架不断扩展[3]。

从电子产品诞生起，建筑工程行业就走上了信息化的道路。由于专业知识折叠，每个阶段产生的数据几乎是一个行业里独立的一个分支，相互联动较少[4]。无人机作为一项新技术融入项目工程建设，将工程项目实施过程中的现场情况信息化[5]，拓展了数据边界[6]。

BIM 为这些数据带来了一个融合的承载体[7]，不断接入新的数据源。BIM 是单一数据到集成数据的进步，是经验向算法的进步。建筑业兼备信息化的实际需求和投资潜力[8]，但数据的整合利用十分有限[9]。特别是市政项目，空间跨度大、协调因素多，高级应用技术投入高、难度大、相对收益小。作为一项商业服务，如何能为技术应用者带来高额利润，是 BIM 技术进一步发展的关键[10]，也是目前 BIM在推广应用过程中亟待解决的问题。本文基于无人机的特点，结合 BIM 技术，探索市政项目实现低技术投入、高经济回报的应用场景并进行简单分析，为类似工程中 BIM 技术的实际应用提供一些参考。

1 项目背景

本文所涉及的四川省自贡市东部新城二期基础设施建设项目，由晨越建设项目管理集团股份有限公司（以下简称“晨越建管集团”）采用全过程工程咨询＋融资 EPC（FEPC）模式实施建设。项目空间跨度大、现场环境复杂、施工周期要求高，工程总投资达数百亿元，涉及建设参与方多，BIM 技术储备较差，关键节点施工工艺复杂，协调成本高。

当前 BIM 技术在房屋建设领域应用较多，市政领域应用尚处于探索阶段。鉴于市政项目在空间上的大跨度和线性特性，本次工程采用无人机＋BIM 配合的技术方案，全面探索市政项目基于全过程工程咨询管理的高收益应用场景及其应用价值，同时发现存在的问题并妥善加以解决。

2 无人机＋BIM 应用平台的搭建

2.1 无人机及配套软件的选取

无人机采用大疆系列精灵 PHANTOM4 RTK，其实时动态（Real-Time Kinematic，RTK）定位技术指标如下：水平定位精度为 1 cm＋1 ppm，垂直定位精度为 1.5 cm＋1 ppm，平面建图绝对水平绝对精度为 5 cm。

三维建模软件选用 ContextCapture、Pix4D，平面图处理软件选用 Adobe PhotoShop CC 2018，并配套相应的视频处理软件。计算平台配置如表 1 所示。

表1 计算平台配置

2.2 无人机数据采集

目前利用无人机进行全景测绘主要分为外业数据采集和内业数据处理两个过程。外业数据采集是无人机及 BIM应用开展的基础，其数据质量直接影响后期的绝大部分工作内容[11]。

外业数据的采集目前尚不能实现全自动化作业，采集过程中存在很多不确定因素，如磁场、乱流风等，其数据采集质量很难达到理想状态。如若某区域数据缺失或发生整体偏移，则要补全或整体处理图像数据；同时还需根据项目需求采集信息，以辅助地面移动雷达等设备的工作。

目前国内使用相应的应用软件对无人机采集的数据进行处理，应用时间较短且缺乏自主软件，而模型产生对软件的依赖性较强，其输出速度和质量又因模型的差异而略有不同。若外业数据越精准、融合数据源越多，则模型的质量也越高。

2.3 BIM 模型

设计及相关方应用三维正向设计难度大且采用传统二维出图，因此需要后期建模。为保证模型的通用性，采用 Revit 进行建模。Revit 作为一个集成的 BIM 模型应用平台，在国内应用基础较好。由于该软件基于自定义族的模型制作机制，在没有基础族数据库的前提下进行模型制作，对建模人员要求较高，人力成本投入较大。

2.4 协同平台

运用“鲁班工厂”客户端实现项目资料共享，可同时在电脑端和移动端实时查看，定时更新无人机数据及相关资料（如进度、安全问题等）。使用“晨越云平台” 进行信息云共享，可提高沟通效率（如定期上传项目管理情况），以便集团总部工程师定期审核，并就相关问题进行协调沟通，确保工程管理的质量。

3 无人机＋BIM 在工程上的应用

结合现有 BIM 技术应用经验，考虑项目相关人员技术储备，制定了大致应用流程（见图 1）。其中，无人机在BIM 平台的辅助下开展了大量工作，如设计方案优化、进度管理、工程量计算与复核以及施工安全文明管理等。

图1 无人机＋BIM 应用流程

3.1 设计方案优化

市政基础设施项目的空间跨度大，在设计阶段需要考虑诸多因素，因此基于二维信息的优化方案存在一定的局限性。通过无人机对项目情况进行航拍，生成高分辨率正射影像，并对关键节点进行实景建模，使各参建单位能充分了解地面构筑物并对照现有方案进行研讨，以确保方案的可行性。

本项目为二期项目，其中初步设计方案已经完成。在项目实施之初，运用无人机采集近期图像，对已有方案和变更方案进行比对，在 5 个工作日内即完成了一处规划道路的修改，节约拆迁及土方平衡费用近 800 万元。

3.2 进度管理

项目的空间跨度大、涉及专业多，若依靠传统的管理手段实现对项目进度的精准把控，则要投入较大的人力资源及时间成本。运用无人机定期对施工现场进行拍摄和建模，结合各标段提供的信息用文字和图形标注工程进度，再通过 BIM 协同平台将进度资料发放至指挥部和各施工管理单位，为施工管理提供了一个直观依据，操作简便且收益高。

3.3 施工辅助

在施工前期，运用无人机＋BIM 技术进行结构工程量和土方工程量计算。采用 BIM 模型在施工阶段计算所需材料，借助动画演示关键节点施工工艺，同时为造价工作提供计算辅助；运用无人机对现场进行实景建模，估算土方工程量。目前，运用 BIM 模型直接进行造价计算尚存在各参建方对数据认可的问题，但可作为造价人员的参考数据。

在施工后期，对于不便检查的节点，可运用无人机拍摄视频和图片进行辅助表观质量检查，为工程管理人员提供便利。

3.4 施工安全文明督察

市政项目不仅空间跨度大，还涉及较高的构筑物，依靠管理人员巡查耗时耗力。无人机可随时对施工现场进行督察、采集视频和图像资料、发现并识别问题，同时将信息上传至 BIM 协同平台，督促相关单位整改，并将整改结果进行反馈，形成一个管理闭环。

4 应用分析总结

4.1 方案的最优化

以往的方案设计多数参照二维的地形数据，存在两个问题：一是数据时效性差，测绘时间早，无法真实反应现阶段现场的实际情况，容易导致方案的不合理并造成不必要的浪费；二是传统设计参照较低精度的三维信息，特别是在工程量土方估算上存在较大误差，无法对方案作出最合理的优化。

利用无人机测绘技术，能较好地弥补以上不足，为方案设计提供符合实际、切实可行的优化建议。

4.2 提高工程管理质量和效率

传统的项目管理信息来源单一，整个过程存在信息失真及反馈不及时、刻意遮蔽的问题。无人机＋BIM 技术在原来的管理流程上增加了信息来源，且提升了信息的真实性，为工程管理人员特别是决策人员提供了便利。工程人员可利用实景三维模型查找项目安全隐患，如河道边坡坍塌及不合理堆放等，通过协同平台督促整改，整体上提高了工程管理的质量和效率。

4.3 为造价工作提供便利

BIM 模型本身自带工程量属性，但在具体应用时往往与实际存在误差。结合无人机拍摄的影像资料，能快速把握实际施工进程，为工程量签证及校核提供依据，极大地减少现场踏勘的时间成本。

5 存在的问题及解决思路

5.1 技 术

5.1.1 无人机建模精度

无人机技术虽然已经很成熟，但由于在工程中还存在一些应用问题，如数据采集的质量很容易受到外界的影响、既有处理技术不能完全消除误差、高精度设备的购置成本和建模时间成本较高等，目前在实际应用中仍有所受限。

因此，工程应用人员在实际工作中，一方面应制定基于环境和设备的标准作业指导流程，以提高外业数据质量；另一方面还需要避免过度依赖建模软件的“黑箱”建模流程，努力探索无人机数据的前处理技术和其他有效针对误差的处理技术。

5.1.2 应用软件

目前 BIM 产业正处于高速发展阶段，但应用软件繁杂、成熟度不尽相同。各大软件平台都对建筑信息化给出了各自不尽完整的解决方案，旨在满足不同的效率、应用深度和生命周期。随着技术框架的扩展，涉及的软件还会增加。目前市面上 BIM 涉及到的软件大体分类，如表 2 所示。

表2 软件生态

目前软件功能重叠，各公司发展方向各不相同。随着企业的整合，优秀的服务商将形成生态闭环。因此，在选择软件前，应提前根据项目特点，规划具体的应用方案，从应用实际收益出发，让软件真正体现其使用价值。

5.1.3 硬件要求

无人机数据作为 BIM 框架新引入的一个数据源，其数据量巨大，计算建模对平台要求高。目前对于大计算量的项目，其应用场景会受到硬件的限制。未来随着其他数据的接入，BIM 模型的数据量会逐步增大，BIM 应用将不得不考虑硬件支持这一现实因素。

目前可通过集群运算、云服务器等方式提高系统的综合运算能力，从而扩展应用边界。

5.2 应用环境

5.2.1 BIM 应用

传统作业流程才刚完善，新技术发展速度又太快，很多从业人员对数据的概念不清晰，BIM 应用在逻辑上比较混乱[12]，业主没有明确的应用规划，缺乏切实的管理方案。许多技术华而不实，增加了工作人员的工作内容，但其辅助作用有限，存在过度追求领导层的非技术性参与，造成了资源浪费且收益不高，降低了技术人员对 BIM 及相关新技术的学习热情[13]。

基于此，应避免过度追求高阶 BIM 应用，从实际出发，首先实行低投入、高收益的技术方案，然后逐步进行技术积累。

5.2.2 应用的生态链

相关的生态链企业未能达到较高的信息化程度，各自产生的数据没有进行整合便丢失，因而产生很多死数据。各参建方按照传统的工作流程开展工作，从方案设计到施工落地，都存在许多重复性劳作。同时，相关产业链数据未被整合，既无法凸显 BIM 技术应用过程中所呈现的“飞轮效应”，也无法让项目实施过程中的技术落地高于预期，导致很多技术人员将 BIM 技术视为鸡肋。

BIM 生态正在不断完善。企业应规范自身的 BIM 标准，提升 BIM 数据质量，为完善 BIM 应用生态链、降低BIM 应用边际成本、增大 BIM 技术收益做好准备。

5.2.3 政策导向

在政府层面，目前针对 BIM 技术应用还鲜有强制性规定出台，多以鼓励为主，且缺乏应用资金的支持。中小型企业在应用 BIM 技术过程中，由于应用条件不足，投入产出率很低，短期内很难出现大量使用的情况。

未来，随着相关成熟条例的出台、模型知识产权保护工作的加强、权责问题的修正和奖惩制度的完善， BIM 技术的应用将更加广泛和深入。

5.2.4 价值生命周期

数据价值生命周期短，是 BIM 技术应用受限的主要原因之一。目前国内中小型企业的 BIM 模型数据在工程结束后缺乏完善的后期应用规划，市场也缺乏成熟的后期 BIM应用生态。

提高 BIM 数据的应用周期，是当前开展其他 BIM 项目的一个重要问题。因此，企业在 BIM 应用的同时，还应对BIM 技术后期应用进行理论研究和技术研发，以加强数据库和数据资产的运维建设。

6 应用展望

本项目采用无人机＋BIM 的技术组合，是对 BIM 的一次技术扩展。当前 BIM 技术仍在飞速发展，此类情况还会频繁出现，也将会有新的突破，具体如下。

（1）多数据源耦合分析。BIM 技术数据源一直在扩展，模型不断在接近现实，数据噪声多。从有限因素综合分析到利用 AI、神经网络等多因素耦合成本及收益分析，将是未来工程的常态。这需要经过一个很长的过程。

（2）无人机功能复合。当前无人机在工程上的应用还处于单机人机协同作业、单向数据输入的阶段。未来无人机将向群体、自动起航和互动的作业方式发展，在工程中担任常态化角色。

（3）助力国际工程。随着全球化的深入发展，中国的基建技术必将加速走向国际，并在“一带一路”倡议下，加速沿线各国的经济增长和城市化进程，国际工程将大幅增多。值得注意的是，与国际工程相关的规范存在不一致、施行时沟通复杂的弊端。BIM 技术凭借三维可视化交互、能与各专业共同协作的特点，将为国际工程的实施带来更大的经济效益。

（4）项目全过程管理。本项目的 BIM 技术应用服务于全过程工程咨询管理工作，作为需要各方相互配合的综合技术，需要一个专业的协调方案来完善 BIM 模型[14-15]。笔者认为，全过程工程咨询公司将 BIM 技术贯穿于整个项目周期，通过统筹规划、专业维护和多方控制，将更好地激发BIM 技术的应用价值。

7 结 语

晨越建管集团将无人机＋BIM 技术应用于市政项目的全过程工程咨询管理工作中，打破了一贯的大而全、高而尖的 BIM 应用思路，结合市政项目特点，探索出一套低技术投入、高经济收益的应用流程，在方案设计阶段、施工阶段和验收阶段提供辅助，极大地节约了时间成本，产生了良好的经济效益，继而为类似工程的 BIM 应用提供了新思路。

当然，目前 BIM 在技术上和应用环境上依然存在很多问题，如落地缺乏现实条件等，且在短时间内无法克服。为此，BIM 的应用者应循序渐进，结合应用条件，选择合理的应用深度，在努力平衡收益与投入的同时，牢牢把握技术发展方向并完成对技术的积累，从而提高 BIM 模型的应用价值。