基于BIM＋倾斜摄影技术的超高层信息化管理

吴红兵 薛晓宏 姜继果 肖 男

（1.中铁二十局集团第六工程有限公司 陕西西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院 陕西西安 710055）

1 引言

随着智慧建造、智慧工地等信息化技术的发展，传统的施工管理方法已无法满足当前建筑工程智能化发展需要，各大学者开始将目光转向信息化施工管理的研究。郭红领与潘在仪［1］以BIM系统为基础构建施工管理平台，为施工阶段的信息化管理提供了思路；杨红岩等［2］通过将现有的设计和进度计划管理及资料管理等专业软件及平台相整合，形成一套信息化项目管理系统并成功应用，推进了项目管理的信息化发展。

以往的信息化施工管理多以BIM技术为基础，倾斜摄影技术的出现为施工管理信息化发展提供了新思路。刘洋等［3］提出了一种自主飞行结合手动拍照的古建筑实景模型三维重建的新方法，推进了近景摄影测量在古建筑领域的研究；马茜芮等［4］将无人机倾斜摄影技术用于地籍调查中，降低了地籍调查所需的人力物力，提高了效率；刘乾飞等［5］利用轻小型无人机，开展旅游景观的三维模型和全景场景的构建。

虽然倾斜摄影技术已在多领域的应用中日渐成熟，但当前研究主要集中于模型的创建上，鲜少有人将其运用到施工管理中。为了拓展倾斜摄影技术在施工管理中的应用，也为了顺应建筑工程智能化建造的发展趋势，本文将基于倾斜摄影的实景三维建模技术、BIM技术以及项目进度计划关联起来，构建集实景模型三维重建、BIM模型及配套技术于一体的超高层信息化施工管理平台，为超高层建筑工程信息化施工管理提供新思路。

2 建筑物实景三维模型建立的技术关键

传统三维建模技术往往难以在精度和工作量上取得双向高效的结果［6］，倾斜摄影测量技术作为一种高新测绘技术，有效融合了常规航空摄影测量及近景摄影测量的优势，既可以借助无人机进行项目整体的外部实景三维重建，又可以通过近景拍摄构建建筑物内部构件实景模型，从而实现宏观与微观的有效结合。

2.1 建筑物外部实景模型建立

与传统的正向摄影不同，倾斜摄影通过搭载于飞行平台上的摄取设备，分别从一个竖直方向、四个相互垂直的倾斜方向获取待测区域的图像资料［7］，简单连续的二维影像即可还原真实的三维实景模型。其模型生成过程为：航线规划→影像采集→区块导入→创建工程→空三处理→重建生成模型→三维实景模型。

（1）航线规划

无人机倾斜摄影在进行影像采集前需要根据测量区域的现场环境及目标地物特征，规划合理的飞行路线。常用的航线类型有折线型和环绕型。环绕型航线是无人机以地物垂直轴为环绕轴设置飞行高度和飞行半径，其适应于独立地物的拍摄，航线如图1所示。

图1 环绕型航线示意

（2）航测数据后期处理

航测数据后期处理采用Smart3D建模软件，该软件可运算基于真实影像的高密度点云，并以此为基础，在没有人工干预的情况下，生成具有高分辨率的三维实景模型，极大地提高了传统三维建模的效率。

2.2 建筑物内部构件实景模型建立

目前，室内场景三维测图手段主要是激光扫描技术以及基于视觉图像序列的三维重建技术。前者测量得到的数据精度高但是仪器笨重且价格昂贵，后者通过一组视觉图像序列来重建室内三维场景，建模耗时长，且测量精度受室内环境影响较大［8］。

（1）内部构件实景建模技术关键

内部构件建模需要手动拍摄。为了提高照片拍摄质量以及后期模型精度，需要从正视、俯视、仰视等多个角度对目标物进行环绕拍摄并保持相机始终处于稳定状态，以获取连续的二维影像序列。

（2）内部构件实景三维模型管理平台

借助Smart3D软件建立的建筑物内部结构实景三维模型具有精度高、模型更新速率快等特点。为了提高模型实用性，本文搭建了实景三维模型管理平台，如图2所示。

图2 模型管理平台架构

该模型管理平台可分别在手机端和电脑端登录，现场施工人员通过手机将现场照片实时上传至平台，技术人员借助平台照片进行三维实景重建并定期更新储存模型，为后期隐蔽工程的检查验收及其他工作提供可视化参考依据。

3 基于BIM技术建模的技术关键

BIM技术是以信息模型为载体，利用三维数字化仿真技术，真实地模拟工程建（构）筑物的空间位置、外观形态、几何尺寸等信息，可以对建筑的各种功能进行三维展示。利用Autodesk Revit软件建立建筑工程的BIM模型核心数据库，进行数据处理，根据建筑工程项目管理需要输出模型文件［9－10］。BIM数据存储及访问的过程可以归纳为：建立数据存储中心、建立并完善访问机制、对结构化和非结构化数据建立相应的组织存储机制［11］。

4 平台设计与实现

4.1 平台的基本架构

本文以建筑物实景三维模型、BIM模型及项目进度计划为基础设计超高层信息化施工管理平台，如图3所示。

图3 超高层信息化管理平台基本架构

4.2 模型融合与链接

4.2.1 BIM模型与进度计划的链接

将传统的三维模型与进度计划链接，形成4D模型，使之成为一种能够模拟施工过程的模型，链接流程如图4所示。

图4 BIM计划模型创建流程

4.2.2 内部构件实景模型与进度软件的链接

在关键工序施工完毕后，对建筑物内部构件进行三维实景建模，并将模型与进度计划软件链接，直观地反映出该阶段工程进度实际完成情况与计划进度的出入，有助于在施工阶段对施工进度进行实时管理。链接步骤如下：

（1）将实景建模获得的点云数据转化为Civil 3D模型。

（2）利用Civil3D建模平台与Revit建模平台可交互的特点，在Civil3D中选择“转换Civil模型为AutoCAD文件”，将模型导出为“R14”格式文件。

（3）在 Revit软件中，选择“导入 CAD”，将 Civil3D导出的“R14”格式文件导入Revit软件中。

（4）将Revit生成的三维模型与Project生成的项目进度计划在Navisworks中整合。

4.2.3 BIM模型与实景三维模型的融合

Smart3D提供多种三维模型格式，包括OSGB、OBJ、3DTiles、S3C等。其中OSGB是一种公开的格式，其存储形式为二进制，并带有嵌入式链接纹理数据（jpg）。Revit创建的建筑物三维模型输出格式为rvt、fbx等。fbx是一种封闭的、可以跨平台进行三维数据交换的模型格式，由Autodesk公司提供的基于C＋＋／Python的SKD可以读取fbx格式的文件并将其转化［12］。

在了解BIM模型和实景模型的源格式以及各模型融合平台对不同数据格式的接受度后，本文选择Skyline平台进行模型融合。Skyline能兼容这两种数据格式，并且能以3DML（3D mesh layer）格式进行统一存储，如图5所示。

图5 技术路线

4.3 平台功能介绍

基于三维实景模型、BIM模型及项目进度计划的超高层信息化管理平台共包含六大模块，如图6所示。

图6 超高层信息化管理平台功能设计

（1）BIM＋三维实景模型可视化管理

在模型融合中，BIM模型提供了建筑物的空间形态，实景三维模型提供了建筑区域的场地信息，实现宏观场景与微观场景的结合，为施工现场场景分析与场地规划提供可视化依据。

（2）模型库管理

模型库管理模块整合了BIM模型、建筑物外部实景三维模型、内部结构实景三维模型以及项目进度计划等相关数据，包含模型导入与下载、模型分类储存管理等功能，实时更新现场三维实景模型。

（3）进度管理

进度管理包含进度计划导入、进度模拟、进度检查与调整三个模块。该模块的进度计划分别与BIM模型、三维实景模型相关联，在项目施工阶段开始之前进行进度模拟，通过三维实景模型与BIM计划模型的对比能够直观地反映施工现场进度与计划进度的偏差，项目管理人员能够以此为依据及时纠正。

（4）物料管理

物料管理包括物料前期规划、物料信息录入、物料使用情况追踪三个模块。利用BIM将工程中的构件准确划分，将构件作为信息管理对象在BIM模型中标出，通过二维码生成器，生成一个“活码”，将实时更改的信息同步到物料管理平台中，通过扫描二维码便可浏览该构件的物料使用情况。

（5）质量管理

质量管理包含变形监测、质量偏差纠正两大模块。通过在建筑物外墙面布置监控点，将各监控点高程数据输入系统，定期进行实景三维建模，量测同一监控点并将数据输入系统进行数据比对，生成监测报告。对超高层建筑物的沉降进行实时监测，使现场管理人员能够及时纠正偏差，降低损失。

（6）安全管理

安全管理包括安全教育、安全检查、安全监测三个模块。安全教育模块利用信息管理平台定期向现场施工人员的手机端发送安全教育提醒，现场工作人员在进行安全巡检时通过手机记录安全问题出现的部位、检查时间及相应的解决措施，并将信息上传平台，方便管理人员随时查看现场安全状况；安全监测模块与现场质量监测模块相关联，现场质量监测数据会同步到安全监测模块中，当监测数据超过安全允许的阀值后，平台会在模型的相关区域发出红色预警，使项目管理人员能够及时做出调整。

5 应用实例

（1）项目背景

本工程为绿地丝路全球文化中心项目，为第十四届全运会配套项目，包括两栋超高层、一栋高层、一栋多层商业及裙房和地下车库。两栋超高层对称设计，均为矩形钢管混凝土框架－钢筋混凝土核心筒的结构形式，房屋地下2层、地上36层，建筑高度为144.85 m。

（2）BIM 建模

结合项目特点，综合设计图纸及项目参与各方的需求，制定合理的BIM工作流程和实施制度，建立标准规范的BIM模型。

（3）基于倾斜摄影的三维实景建模

针对本项目测量区域范围小的特点，采用单镜头无人机倾斜摄影，环绕型影像采集方法，以超高层垂直中轴线为环绕轴。部分影像如图7所示，Smart3D所建模型如图8所示。

图7 BIM模型与航拍影像

图8 建筑物三维实景模型

（4）平台搭建

本项目将基于倾斜摄影的建筑物整体及局部的三维实景模型与BIM模型及BIM配套技术集成，搭建了一个集可视化管理、进度管理、质量管理等多方位管理为一体的超高层信息化管理平台。该平台的应用，有效提升了本项目超高层建筑施工管理的信息化水平，为项目的施工技术管理、质量管理、安全管理、进度管理等提供了既精确又高效的支持与保障。

6 结论与展望

本文分析了倾斜摄影实景建模技术和BIM技术的技术关键、BIM模型和三维实景模型分别与进度计划软件链接及其自身相互融合的方法，在此基础上设计了集可视化管理、模型库管理、进度管理、物料管理、质量管理、安全管理为一体的超高层信息化施工管理平台，实现了超高层进度监控、变形监测、安全检查等现场管理的精准化、信息化、实时化与可视化，为超高层建筑工程施工管理的信息化发展提供了新的思路。