BIM与航拍技术在路桥项目工程中的协同应用

付王科, 张 鑫, 张瑞龙

(中铁二十三局集团第四工程有限公司, 河南洛阳 471533)

随着社会经济高速发展，基础建设工作稳步推进，越来越高的交通要求也使公路桥梁的结构形式变得日益复杂。目前普遍使用的二维CAD图纸已经难以满足路桥工程复杂构造的设计与施工要求。因此，路桥项目工程的数字化建设应时而生。

建筑信息模型( Building Information Modeling,简称BIM) 是一种应用于工程设计、建造和管理的数据化工具，其核心是运用Revit软件建立参数化的三维建筑模型。BIM模型具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性的特点，在项目的不同阶段，建设单位、设计单位和建设单位均可以通过插入、提取和更新信息，使现场管理人员和工程技术人员对各种建筑信息做出正确的理解和高效的应对，在提高生产效率、节约施工成本和缩短建设工期等方面发挥重要作用。

BIM技术以Revit软件为核心，同时可以搭配Navisworks软件、Dynamo插件与航拍技术来建立3D模型，对项目工程进行可视化分析、碰撞检查、三维漫游和施工模拟。本文以黑龙滩环湖东路项目工程为研究对象，将BIM与航拍技术的协同应用引入到公路桥梁项目工程中，为路桥项目工程中的数字化建设提供了一种新的可参考思路。

1 工程概况及背景

1.1 工程简介

仁寿县黑龙滩环湖东路项目工程起于天府仁寿大道三绕互通，与天府仁寿大道清水至三绕段采用立交相接，跨越黑龙滩水库后上跨国道351线，路线全长20.942 km。其中桥隧总长5.8 km，占比27.7%(图1)。

图1 项目线路概况

1.2 研究背景

拟建工程项目位于黑龙滩景区内，山岭重丘区，地形复杂，地势陡峭，植被茂密。通过现场踏勘，多数桩基位于陡峭山腰处，纵向施工便道难以拉通，需大量借用乡村道路，且沿线路方向施工便道需分段绕山修筑。因此，如何科学合理的选用施工便道、做好施工调度就变得尤为重要。

本文以黑龙滩环湖东路项目工程中的重难点工程——周家山大桥(K7+015)为主要实施例，整合地形地貌、建筑物和设计图纸的相关信息，建立BIM桥梁三维模型和航拍实景地形模型，为选用施工便道、做好施工调度进行可视化分析。

2 建立航拍地图实景模型

2.1 航拍采集实景图片

随着路桥项目工程数字化建设的发展，真实可靠高效率的可视化信息越来越重要，这也对工程区域快速准确的进行实景采集提出了更高的要求。

目前常规的实景地图信息采集有3种方法，分别是步采、车采和航拍采集。步采，就是数据采集员拿着数据采集设备，按照行走线路一步步采集地图数据。车采，就是数据采集员驾驶着测绘车辆沿道路行驶完成数据采集工作。大多数路桥项目工程位于山岭重丘区，地形复杂，植被茂密，现场踏勘很难快速准确对沿线区域进行实景采集。无人机航拍采集，作为一个近几年新兴的数据采集方式，有着得天独厚的优势，航拍采集沿线区域实景图片，首先能够从宏观了解该地区的地图实况，便于制定拍摄采集计划;其次，航拍采集沿线区域实景图片能够获得步采和车采得不到的视角，有利于制作三维实景模型。同时，航拍在采集方式中是最省时间、最高效的。

航拍采集沿线区域实景图片时，需要通过在同一无人机上搭载可左右调节角度的相机，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像(一般航向和旁向重叠率最好不要低于70%，云台俯仰角正射影像图一般为-90°，拍摄3D立体斜角一般为-45°)，影像分辨率高、重叠度大、清晰度高、拍摄光照条件好，获取地面物体的信息就会更为完整准确，建成的三维模型效果也会更好。由这些正交和倾斜影像，通过Smart3D的图像处理即可生成航拍地图实景三维模型(图2)。

图2 周家山大桥(K7+015)下方航拍地图实景模型

2.2 Smart3D图像处理

Smart3D软件是一款全自动无人机后期图像处理软件，可以捕捉无人机拍摄的画面，自动运算并快速建立三维模型，具体使用流程如下：

(1)打开smart3D的ContextCapture Center Master软件，点击新建工程，依次填入工程名称、工程目录。

(2)选择照片选项卡，添加无人机采集的地图实景照片。默认选择使用照片坐标(红色)，若添加了控制点则选择使用控制点坐标(绿色)，各个选项保持默认。

(3)打开ContextCapture Center Engine进行空三运算，待空三运算完成之后，按线路长度进行分块。

(4)选择默认的3D mesh，选择输出的模型格式和模型所使用的坐标系，勾选要进行建模的瓦片后，程序会自动进行三维建模工作。

3 建立BIM桥梁三维模型

3.1 熟悉图纸

现在的图纸会审很大部分都是沿用以前的CAD平面图纸的模式，但是二维图纸很难满足目前复杂工艺的展示要求，需要结合CAD图纸和项目的实际需要绘制出三维模型。因此，熟悉CAD二维图纸变得至关重要。在识图、读图的过程中可以掌握项目工程概况，对整个项目有详细的了解。为了利用设计单位给出的原始数据，保证三维建模的真实性，需要将CAD图纸中的线条进行定位、拾取等，通过AutoCAD将图纸分层整理，且只保留线路走向和构件参数等信息，将CAD图纸导入Revit软件中作为底图。

3.2 Revit建模

路桥项目工程中的三维模型具有显著的特点，构件多、组合复杂和相似程度较高。针对这个特点，可以建立参数化的族来提高建模效率。

熟悉设计单位给出的原始图纸后，通过参照CAD底图，引用Revit软件自带的公制常规模型，通过拉伸、融合、旋转、放样、放样融合等操作创建桥梁构件的几何形状，将几何图形与参照平面锁定，创建尺寸标注标签并添加到新建参数化族。参数化族是某一类别中图元特点的集合，是根据族中构件外形的相似性与参数的差异性进行组合。族库的特点是通过已建好的参数化族样版直接建模，只需要调整族参数就可以得到需要的构件，从而减少重复性工作，提高建模效率。

针对难以定型且需要现场调节的无法形成参数化族的构件(如桥梁的平面曲线和纵断面曲线、垫石、调节块及路基等)，需要单独建模。以路基为例，首先捕捉设计单位给出的原始CAD图纸中的道路边线，绘制中线的平面和纵断面并区分图层，把中线导入Revit作为参照。在Revit中新建体量，导入刚才区分图层后的中线CAD文件。建模的时候，选用放样融合，选取绘制的中线作为路径来创建模型。

根据设计单位给出的平面图纸绘制轴网，按构件构造和里程桩号依次组合模型(图3、图4)。

图3 Revit参数化族构件

图4 周家山大桥(K7+015)桥梁三维模型

4 资源整合

4.1 三维地理信息系统

无论是航拍实景，还是路桥模型，单一的模块远没有叠加在一起更具有协调性、真实性和视觉冲击力。图新地球以三维地理信息系统作为基础平台，可以结合无人机实景三维模型和Revit 3D模型，三维展示路基、桥梁、隧道、互通等全项目场景信息，各种专业的数据进行高效整合，实现地理信息与路桥设计信息的互通，让技术与管理人员都能非常直观地了解工程的情况，满足项目管理需要。

4.2 数据整合

(1)以图新地球系统作为基础平台，打开图新地球加载地图(可选用高德地图、谷歌地图或其他)并设置为第1图层。导入.kml格式的项目工程奥维路线图为第2图层。

(2)将Smart3D图像处理后的航拍实景模型导出为.lfp格式，导入图新地球并选择加载为第3图层。初始航拍实景模型载入图层需要进行手动微调，直至俯视角度与第1图层的地图重合。同时，根据设计标高调整图层高度。

(3)将Revit建立的路桥模型导出为.fpx格式，经3DsMax运行布尔运算后导出为.obj格式，导入图新地球并选择加载为场景模型。初始场景模型载入图层同样需要进行手动微调，直至与奥维路线和设计图纸中所标注的位置重合。同时，根据图纸上的设计标高调整模型的海拔高度。

5 协同应用

5.1 三维展示

图新地球作为一款开放式的三维地理信息平台，协同应用了Smart3D图像处理后的航拍实景模型和Revit建立的路桥模型，可以形象的将项目的地理环境、设计方案和施工进度等信息简单直观地展示出来(图5、图6)。

图5 周家山大桥(K7+015)桥梁三维效果图(侧视)

图6 周家山大桥(K7+015)桥梁三维效果图(俯视)

(1)完成多少就导入多少模型的形象进度图，有利于建设单位快速了解到项目施工的进展情况，及时跟进，确保建设周期。

(2)项目工程沿线模型全局覆盖，有利于设计单位充分考虑挖填方量和路桥布局，协调建筑物与环境之间的关系，确保设计方案经济合理。

(3)实景模型与路桥模型一体化的3D图纸，有利于施工单位正确评估施工安全系数与难度系数，合理进行变更申报与技术交底，确保项目工程多快好省的可持续发展。

(4)参数化的三维技术交底，有利于劳动队伍正确理解技术交底，牢牢把控结构尺寸，确保生产质量。

5.2 施工调度

对于路桥项目工程而言，长战线的人材机调配往往是个非常大的问题，BIM与航拍技术的协同应用，可以实时更新人员和机械的位置信息，3D化的建模体量运算能够快速地反映出当日完成的形象进度和下一日的工作计划，可以做到人材机按需推进，避免材料和机械的不及时或人员窝工、材料过剩等现象。同时，使用三维实景模型可以有效地进行场地规划，从而更好地做好施工调度，保证项目施工的有序进行。

6 结束语

智慧化工地不是一蹴而就的，还包括施工安全、施工效率和环境友好等多方面的考量，公路桥梁结构形式的日益复杂也对现代建筑工业提出了越来越高的要求，BIM与航拍技术的协同应用仅仅是路桥项目工程数字化建设探索路上的一点经验，希望在施工管理和调度上能多一种参考思路。