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山区桥梁施工便道设计中UAV+BIM技术的应用

2020-06-09 510 上传者：管理员

摘要：山区地形地势错综复杂，沟壑丛生，为桥梁建设过程中施工便道的选取带来了极大困难。利用无人机(UAV)倾斜摄影技术勘察获取项目区域的三维实景地形模型，为桥梁施工便道BIM设计提供真实、准确的三维地形数据，通过BIM技术快速完成施工便道精细化设计。结合工程实例，介绍了UAV+BIM技术在施工便道勘察设计等方面的应用。

关键词：
BIM技术
工程设计
施工便道
无人机倾斜摄影技术
桥梁建设
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1、概述

我国幅员辽阔，高原山区占比较大，西部山区地形地势错综复杂，沟壑丛生。就我国路网而言，西部高原及山区公路的建设对促进西部地区进一步发展具有重要作用[1]。目前，我国公路建设施工便道的选取大多取决于工程人员的经验设计—结合卫星地图或场勘测的方式进行平面设计。前者路线方案设计随意性大，后者实地勘测时间较长。近年来，随着无人机倾斜摄影技术的推进及BIM技术的高速发展，给山区公路建设地形勘察路线设计带来了极大便利。本文针对山区桥梁建设施工便道设计提出“UAV+BIM”模式，通过运用无人机倾斜摄影技术对现场地形建模，采用BIM技术对施工便道进行精细化设计，可以大大提高工程人员的工作效率。同时减少设计风险，降低工程成本。

2、无人机倾斜摄影技术原理

无人机倾斜摄影技术是测绘遥感领域近几年发展起来的一项新技术，它通过搭载单个或多个传感器对地物分别从1个垂直方向和4个倾斜方向进行拍摄，通过对其得到影像进行处理，获取地物平面和立面信息，在后处理软件下生成三维实景模型[2]。通过规划飞行区域及航线并进行参数设置，实现无人机自主飞行。在项目区布设多个像控点，在后处理软件下结合像控点RTK坐标信息，无人机系统获取的相片信息、POS信息等进行计算机图形计算。对获取的影像进行空中三角测量、密集匹配、自动纹理映射等处理方法获取有纹理的三维实景模型[3]。

3、倾斜摄影方案规划

本文依托工程某大桥桥址地貌:地形山峦起伏，沟壑纵横，梁峁相间，水土流失严重，地表支离破碎。“V”型沟发育，沟深多为20 m～50 m，宽20 m～40 m，沟坡一般30°～70°，沟壁陡立，坡度较大，高差明显，坍塌现象较多。基于如此复杂的地形，如何合理选取桥梁施工便道对工程进度起着巨大作用。

3.1 方案规划

本项目采用大疆精灵4Pro无人机，该机型为单镜头多旋翼无人机，体型较小，目前最智能的消费级无人机。使用大疆配套软件DJI GO4对飞机进行飞行前校核与设定。然后采用Altizure软件对拟飞行区域进行航线规划，本次无人机倾斜摄影相关参数设定如下:飞行高度结合现场地物，航向重叠率:75%，旁向重叠率:60%，相机倾斜角45°。

3.2 现场飞行

以项目区域中心桩号为中心，半径2 000 m范围区域进行飞行。结合现场地物设定飞行高度为80 m。对中心区域增加像控点布置，飞行完毕后获取的影像资料保存飞行器内置SD卡，为内业数据处理做准备。

3.3 实景模型建立

采用ContextCapture Center软件对航拍影像数据进行三维实景模型视觉重建，最终得到项目区域实景三维地形模型。其操作流程如图1所示。

图1 ContextCapture软件建模原理图

4、施工便道BIM模型

利用三维实景模型和无人机影像数据，可以快速获取满足施工便道设计的三维地表数据，以便利用BIM技术进行便道规划设计，实现倾斜摄影技术和两阶段设计的协同。

4.1 地形模型转换

平纵线形、横断面设计是施工便道精细化设计的重要工作，满足精细化设计的基础是高精度的地形模型数据。采用CNCCBIM OpenRoads软件对无人机倾斜摄影的地形数据进行提取转化。在CNCCBIM OpenRoads中主要采用在地形拟合方面表现最出色的狄洛尼(Delaunay)三角网构建原理，它能对该大桥地形模型进行编辑并读取各种点云数据和多种存储地形数据的文件，通过对地形文件进行分析来辅助技术人员进行便道设计[4]。如图2所示为数据地形。

图2 数据地形文件

4.2 便道BIM设计

对数据地形进行分析辅助便道设计，输入设计参数对便道进行平纵横设计，建立路廊模型，最终建立便道三维BIM模型。如图3所示为跨沟便道横断面模板，如图4所示为跨沟主便道BIM模型与实景模型。

图3 道路BIM设计文件

5、应用效果分析

5.1 设计便捷精细化

使用无人机对施工现场区域场地进行倾斜摄影建立三维地形模型，为便道选线提供分析地形基础。相较于传统勘测节省了大量时间，提高了工作效率，相较传统CAD等高线地形，倾斜摄影地形模型精度更高。相较于传统平面选线“UAV+BIM”技术对施工便道的设计更加精细化，且省时便捷。

5.2 可视化分析

与传统2D设计对比，无人机倾斜摄影技术与BIM技术的结合能较好的展示BIM技术可视化的特点。施工人员根据三维模型能很好的理解施工现场状况。三维可视化技术可以辅助施工。在可视化分析中对施工便道视距进行分析，在道路转弯处增加错车平台，完善设计方案。

5.3 土方复合

“UAV+BIM”技术在选线过程中能够对便道填挖方量进行精确计算，有利于施工规划，提高施工效率。利用BIM技术在自然地面进行方案设计后，将自然地面与规划地形进行叠加计算，可以快速计算出工程项目需要开挖和回填的土石方量，完成工程量计算。这既可作为方案设计的依据，也可为施工期间的工程量计算提供辅助参考。采用容积法，在选择进行算量的两种地形后，对挖方系数、填方系数进行设定就可以自动计算土方量。主便道BIM模型土方算量如下，数据分析主便道填挖方量误差均在5%以内(见表1)。

表1 跨沟主便道土方算量

6、结语

“UAV+BIM”模式在地形勘测阶段更加高效便捷，且可以对施工便道进行精细化设计，减少设计误差。三维模型的建立可以为项目管理者提供参考。随着无人机的高速发展以及BIM技术的持续推进，“UAV+BIM”技术必将为项目设计，施工以及运营管理中发挥更大的价值，推动BIM技术在施工便道甚至道路工程的飞速发展。

参考文献：

[1]冯书丽.BIM技术在青海某山区公路勘测施工中的应用[J].西南师范大学学报(自然科学版),2017,42(11):114-118.

[2]陈禹彤.基于CGA规则的倾斜影像数据批量建模技术研究[D].西安:长安大学,2018.

[3]冯雪峰.无人机单镜头倾斜摄影测量的精度研究[D].唐山:华北理工大学,2018.

[4]蒋艺,雷鹏,曹磊.基于OpenRoads技术的道路三维设计方法研究[J].中国水运(下半月),2015,15(11):244-246,249.

徐赞,王润泽,张舜.UAV+BIM技术在山区桥梁施工便道设计中的应用研究[J].山西建筑,2020,46(12):169-170.