基于无人机 BIM的前瞻性施工策划
施工现场布置策划，是施工单位在施工准备阶段中的重要活动之一。其主要目的，是在拟建工程的建筑平面上（包括周围环境），布置为施工服务的各种临时建筑、临时设施、材料以及施工机械等。施工场地布置反映了已有建筑与拟建工程间、临时建筑与临时设施间的相互空间关系，合理、前瞻性强的总平面管理策划，可以有效降低项目成本，保证项目施工进度。
传统模式下的施工场地布置策划，是由编制人员依据现场情况及自身施工经验指导现场的实际布置，在施工前难以全方位评价其布置方案的优劣，更不能在前期发现布置方案中可能存在的问题。基于BIM+GIS技术的三维场地布置规划、模拟方法，可以在场地布置设计过程中对方案进行三维模拟，有利于在设计过程中发现问题、解决问题。此外结合BIM、GIS模型的数值属性，能对施工场地布置方案进行便道平纵线形指标分析、土方开挖计算、工程量清单统计等数值计算，为方案评价提供数据支撑。
BIM+无人机场地布置技术框架
基于BIM+无人机的三维场地布置方法是数据驱动的数字化解决方案。GIS数据、BIM数据是整个解决方案的基础。围绕数据基础，可以利用特定的软硬件搭建技术框架，其软件功能主要包括GIS数据生产、BIM数据生产、数值分析、场景模拟等。
总体技术框架
无人机数据生产
GIS数据是上述技术框架的数据底板，是数据基础的关键组成。这主要是因为，一方面，GIS数据可以对施工现场环境进行三维重建；另一方面，GIS数据集成了整个应用体系所需要的地理参考。采用无人机采集施工现场GIS数据用于三维重建是一种经济、高效的方法，特别是近年来，倾斜摄影测量技术的发展，为施工现场三维重建提供了新思路。目前围绕三维场地布置模拟，主要有两种类型的数据生产工作：一种是带实景纹理的数字地形模型，另一种是倾斜摄影模型。这两种三维重建方式，都能较好地还原施工现场，用户需根据实际情况选择不同的方案，前者多用于计算分析，后者多用于可视化展示。
数字地形模型生产
带实景纹理的数字地形模型，可以采用正直摄影测量的方式进行外业采集，该方式在保证效果的前提下，能极大降低外业数据采集的工作量以及内业数据处理计算资源消耗。
带实景纹理的数字地形模型效果图
带实景纹理的数字地形模型本质是由DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)/DTM(Digital Terrain Model,数字地面模型)与DOM(Digital Orthophoto Map,数字正射影像)合成。
免相控正直摄影数据处理流程
其中，DEM/DTM用于构建几何模型，DOM用于纹理贴图。采用Pix4D软件进行正直摄影航测数据内业生产，能得到较好效果的DOM和DSM，但由DSM到DTM/DEM还需要进行点云分类，用于过滤地物，以得到准确的地形数据。值得一提的是，通过软件自动进行的点云分类结果并不总是准确的，往往需要通过大量的人工编辑进行错分类纠正。
点云分类纠正结果
倾斜摄影模型生产
倾斜摄影模型能较好地还原真实世界，常被用于机械设备操作模拟、大型设备运输关键路径检查等，对现实环境还原度要求高的场景。此外，也可被用于搭建场地布置模拟的环境模型。
倾斜摄影模型效果
采用大疆智图或ContextCapture进行免相控倾斜摄影模型数据生产时，其主要工作路径如下图所示。
免相控倾斜摄影模型数据生产流程
BIM模型生产
临时设施模型是三维场地布置策划中的重要数据组成部分，其主要包括：两区三厂模型、施工便道模型、临时钢结构模型等。为保证三维场地布置策划高效进行，在临时设施模型生产过程中宜充分借助参数化建模技术进行模型生产。BIM单位可以在施工单位临时设施标准的基础上，对标准化程度较高的设施建立参数化库，用于临时设施快速建模。这种参数化库可以完全依赖于已有商业软件实现，也可以依赖于商业软件进行二次开发，还可以通过已有开源技术单独开发。尽管实现临建设施参数化建模的手段是多样的，但都是为了达到快速建模、快速修改的目标。
自研大临与特种设备管理平台是一个交互式场地布置模拟工具，其在企业标准的基础上建立了两区三厂、特种设备等模型的参数化库。通过该平台，能进行两区三厂快速布置以及交互式模拟；大临设施中的便道模型可以使用Autodesk Infraworks快速建模，软件可以进行平纵曲线快速设计以及土方量快速计算；在已有企业临时钢栈桥标准的基础上，对Autodesk Inventor进行二次开发，实现临时钢栈桥的参数化建模。
基于BIM的临建设施快速建模
定量分析
在场地布置方案实施前，定量分析能为实施方案提供部分评价依据.本文所描述的技术框架体系可以提供场地整平土方量计算、临建工程量计算、便道土方量计算、便道平纵线形参数等定量分析指标。其中，Autodesk Civil3D可用于对整平后的场地进行土方计算、基坑开挖土方量计算、弃土场放量计算等；Autodesk Infraworks可用于对施工便道的平纵线形、土方开挖量等进行快速计算和调整；Autodesk Inventor可以将钢栈桥等临时钢结构模型传递至有限元分析软件进行分析；自研大临与特种设备管理平台可以快速统计两区三厂工程量。
可视化模拟
可视化模拟是三维应用的一个重要方向。在基于无人机+BIM的临建场地布置策划中，通过可视化模拟能全方位地对整个策划方案进行展示，便于评价方案的布局是否合理、是否美观。本文所描述的框架中，有两种可视化模拟方案：其一是基于Autodesk Infraworks的静态三维可视化模拟方案，主要展示手段是三维漫游、场景快照；其二是基于自研大临与特种设备管理平台的交互式模拟方案。其中，前者能满足方案汇报、方案比选的要求；后者除满足前述要求外，还兼具部分碰撞模拟的功能，在交互式模拟的过程中可以发现临时设施与特种设备之间的动态碰撞。此外，相较于静态展示，交互式漫游能给用户带来更好的体验感。
基于Autodesk Infraworks的静态可视化模拟
交互式可视化模拟
在本文所提及的技术框架体系下，基于Autodesk Infraworks可视化模拟的优势在于数据集成方便、渲染效果较好，但其缺点是对施工现场还原效果不够，这主要是由于Autodesk Infraworks中的环境模型是DEM与DOM的合成效果，其关注点是地形而非地物，而三维场地布置模拟希望尽可能还原施工现场的环境，利用倾斜摄影模型能达成该目标，但是无法进行便道土方、便道线形等定量参数计算，而且编辑较为麻烦，不利于伴随式设计的快速响应。基于上述问题，宜采用倾斜摄影模型与地形模型混合叠加的模式构建施工现场环境模型，其主要思路是，以带实景纹理的数字地形模型作为环境模型的基础，对于现场的特殊关注点采用倾斜摄影模型代替，实现二者叠加显示。
混合模式下的静态可视化模拟效果
（倾斜摄影模型表达施工现场的重点关注对——水电站，施工现场带实景纹理的数字地形模型作为环境模型基础）
本文依托多个项目进行了技术框架的验证，总体应用效果良好。但是，通过应用也发现了一些问题：首先，三维场地布置常被用于可视化模拟，应用价值吸引力不足，为此，我们通过探索土方量计算、便道优化、有限元分析等应用，增加三维场地布置模拟的附加值；其次，三维场地布置模拟与设计分离，为此，我们参考伴随式设计理念，与临建设计团队建立联动，通过数值分析和三维表达的优势辅助设计，增加三维场地布置模拟在设计中的参与程度；再次，在上述技术框架内，如何用好倾斜摄影模型也是我们一直在探索的问题，倾斜摄影模型应该更多地被用于分析计算中，诸如设备与环境、设施与环境之间的碰撞检测等。最后，软件间的互操作性也亟待改善，尤其是环境模型、地形模型间的互操作在上述技术体系内不太理想，我们期待通过二次开发或者扩充外部工具的方式，实现环境模型和地形模型间的编辑联动、地形模型在不同软件之间的编辑联动。
本文刊载 / 《BIM视界》杂志
2021年 第2期 总第17期
作者 / 王雪 陈文凯
作者单位 / 中交武汉智行国际工程咨询有限公司
编辑 / 陈晨
美编 / 赵雯
责编 / 王硕
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲