建筑技术丨倾斜摄影结合BIM技术辅助设计施工数字孪生的应用与研究

曲靖三宝至昆明清水高速公路（曲靖段）工程土建02标段（以下简称三清高速项目）全长22.7 km，标段内包含桥梁16座、车行天桥14座、互通1处、涵洞75座。

该项目仅有不到两年建设时间，需迅速落实。其规划设计周期短，涉及范围广，具有点多面广、踏勘调研工作量大、设计工作量大等难题。

为此，利用无人机航测技术完成施工区域的倾斜摄影模型创建，快速完成地形图制作，使设计更有依据；在深化设计和运维中，航测技术发挥了重要作用，实现了高效、精益、智慧建造。

在完成倾斜摄影模型搭建后实现地形数据采集整理，解决了前期规划设计阶段的地形数据分析问题。若按传统采用人工测量对大面积地形进行测摄，精度低且时间长，无法满足快速设计建设的要求。通过对倾斜摄影模型进行处理，实现了高精度地形图创建。

1 无人机航测

1.1 准备阶段

1.1.1 采集方案制订

根据建模精度，选择合适的分辨率精度并确定地形模型。对现场进行障碍物分析，判断适合无人机飞行的高度。

为避免环境、天气等原因对航拍造成影响，需对现场进行前期探查，以保证无人机的起落区域安全无障碍。

1.1.2 布置像控点及安装模型处理软件

像控点布置仪器选择GPS测量仪，初始坐标按照点位布置情况进行记录。根据建模精度，对像控点的布置进行调整。

本项目采用1:500的精度，故各个像控点间距为300 m，按照矩形布置。通过各种软件比选，建立Smart3D倾斜摄影模型最贴合要求。

选用EPS全息测绘系统软件进行倾斜摄影模型数据的处理以及模型点云数据采集、导出的相关工作。

1.2 倾斜摄影

无人机型号（图1）选用大疆M600，其拍摄距离以及飞行路线的设定，要通过无人机单次飞行时间来确定，约30 min。为确保模型准确，尤其是红线范围内，无人机的测量范围需超过红线范围约200 m。

图1 无人机航测

为保证建模的精确度，需要通过PPK天线以及GPS测量仪保证无人机照片的POS数据。避免在雾霾较重的天气进行航测。

2 地理数据信息处理

照片POS数据需要对GPS的数据及坐标信息对照片同步，通过坐标转换为smart3D的建模信息。由于图片信息量大，故需提前进行坐标信息处理，以提高数据应用效率。

在Smart3D软件中导入航测影像及更新后的POS数据，在软件端进行空三解算。第一次空三解算目的是测试影像和坐标信息的正确性。

通过检测解算完成的点云数据，确认坐标无较大偏差后，将航测前期确定的像控点坐标在图像中进行逐一定位对应，来提高模型生成精度，减小累计误差。完成第二次空三解算后，对模型进行渲染生成，输出模型（图2）。

图2 局部模型（计算机截图）

最后，采用AutodeskMeshmixer软件针对模型中的明显缺陷进行修补。

3 大场景地形数据协助完成高效设计

完成倾斜摄影模型搭建后，已实现地形数据采集整理，解决了前期规划设计阶段的地形数据分析问题。

3.1 地形图输出

模型数据采用EPS2016全息测绘系统进行处理，通过创建新文件，将OSGB格式文件在软件中打开，确定模型输出范围，完成施工标段的整个现场航测，以每米一个高程点对模型进行定点；对高差变化较大的区域则单独设点，以提高地形图的精准程度。

3.2 设计规划

倾斜摄影实景建模时，取得的第一手测量资料，可为设计单位提供精准的地理数据信息（DLG规划图），协助其进行设计。

投资各方和设计单位可利用模型讨论规划设计方案，对政府部门汇报设计内容，采用三维模型可提高沟通效率。上述过程中，应充分结合现场实际场景，与实际环境相融合，分析线路走向及构筑物设置位置。

4 BIM技术协助施工管理

4.1 进度管理分析

三清高速项目借助BIM技术可分析、可模拟的巨大优势，利用BIM技术的可视化特点，结合4D进度模拟对比分析模拟施工顺序。通过合理配置资料，辅助评选出最优施工进度方案，提升各方沟通协调效率。

结合BIM模型进行工程量提取，可为用于施工的人、材、机配置计划提供数据支撑，提高材料管理效率。通过数字模拟建造方式全方位分析进度计划的合理性，仅棠梨冲大桥施工优化即可节省工期21 d。

4.2 方案模拟

依据超前勘探数据报告，结合Revit软件建立三维地质层BIM模型，模拟地下溶洞分布及发育情况。通过与桩基模型进行链接整合，可直观了解溶洞与桩基交叉区域，通过revit场地修改命令及明细表等功能评估溶洞体积，可为后续方案选择和资金预算提供参考。

三清高速项目施工中提前结合现场施工地质模型，发现桩基冲孔易引发溶洞裂隙，初期预测该处溶洞体积约90 m3，通过模拟分析溶洞处理方案，摒弃了常规的泵送砂浆处理方案，采用片石、粘土按体积比6∶4比例进行回填冲击处理方案，节省了措施费用。针对回填过程塌孔、斜岩工况进行可视化交底，有助于保证施工安全和质量。

4.3 协调管理

作为三清高速项目全线形象及关键性控制工程，昌隆铺互通工程横跨既有道路（杭瑞高速）。为保证道路正常通行，施工前结合BIM技术进行预演，模拟昌隆铺互通工程各施工阶段平面布置及占道改道路线规划，为项目部与政府单位沟通协同提供便利，辅助本项目顺利通过保通施工方案评审，为施工阶段结合信息化手段实时监控现场施工和道路交通情况奠定基础（图3）。

图3 保通施工模拟（计算机截图）

5 结束语

三清高速项目施工中，采用倾斜摄影技术结合BIM技术，实现了基础设施类项目从规划设计到运维管理的全过程实施应用，以数字孪生的方式实现如下技术应用。

（1）在规划设计阶段，使用无人机高效采集实际地形数据，利用空三解算、刺点校准、模型修复等工作将现实世界以数字化模型方式进行存储展示；通过深入处理模型数据，快速完成地勘数据输出。实景模型可为设计、业主、政府等单位讨论方案提供直观载体；地勘数据可为设计单位出图提供基础数据载体，实现了项目快速落地实施。

（2）在设计优化阶段，应用BIM技术对设计内容进行模型搭建，全面反映设计内容，并对各项设计内容进行碰撞检测及优化分析。施工前完成深化设计，为顺利施工提供完备图纸。

（3）在施工阶段，分析项目实际环境内容，结合施工过程中的进度、质量、安全等因素，对施工方案进行分析；优化地下开挖断面，做到少开挖，少回填。通过道路保通方案优化，保证了施工过程中其他主干路正常通车；对桥梁施工进度进行模拟优化工期。将BIM模型与实景地形模型以数字模型的方式映射到施工现场，完成数字孪生建造，以“所见即所得”的方式指导工程建设。

（4）在管理运维阶段，使用施工监控摄像头等数据采集装置与模型结合搭建运维管理数据模型，将前端的数据采集映射到数字模型中，实现了高效管理。将模糊化的监管运维状态调整成为思路清晰、精准定位、快速分析、智慧管理的模式。