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GIS & BIM双剑合璧,让无人机助力工程设计

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发表于 2019-5-23 11:34:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
无人机数据采集




无人机在我们的生活中越来越常见,应用范围也越来越广泛,最为常见的当然是视频、广告和自拍。
但其实无人机在工程行业也有很多应用,除了工地常常用它记录现场进度以外,它在数据采集这块有着天然的优势---快。
得益于这个特点,它的数据成果可以有多种用途:高清照片用于制作建筑实景效果图;正摄影像用于制作总图;DEM文件用做土方估算、汇水分析等;倾斜摄影模型用于与BIM结合等。












▲ 中南大学湘雅五医院施工进度记录
我们今天不讨论影像拍摄,主要介绍无人机数据采集在建筑设计方面的应用。
无人机采集的数据,很多人将它归为GIS数据或模型(Geographic Information System,地理信息系统),随着BIM的普及,也有人将城市级别的数据称为CIM(Building 换成 City),名字无所谓,总之是和信息化挂上了钩。
正摄影像




顾名思义,正射影像可以简单理解为:垂直地面进行的拍摄。
这是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片,经逐个像元进行投影差改正,再按影像镶嵌,根据图幅范围剪裁生成的影像数据。我们工程设计领域,可以用它来制作或核对总图。




上图为张家界市茅岩河鸭坪旅游区提质升级项目的等高线CAD图与正摄影像叠加,1:1000。
倾斜摄影




倾斜摄影则是同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像,将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。
但大家不要误解,以为一定要携带五个镜头的无人机才能完成倾斜摄影任务,单镜头和双镜头的无人机通过多航线飞行也一样可以实现。
倾斜摄影得到的模型,大致有以下几个方面的应用:
一、为智慧城市的管理提供基础数据








二、为新建建筑提供更加准确的参考




▲读取高程、坐标
(花垣县纸厂棚户区提质改造项目)




▲测量面积
(花垣县纸厂棚户区提质改造项目)
三、论证方案在实际场景中是否合适




▲ 花垣县纸厂棚户区提质改造项目
要实现倾斜摄影并得到合适的模型数据,简单 来说有如下步骤:
一、实景模型的制作
1、场地编程(路径规划):平地(容易)、山地(较难)、城市(最难)。
2、控制点设置(差分GPS点,RTK):RTK可以使模型进度到达厘米级,新出的大疆无人机已经自带了该功能。
3、飞行采集(集群飞行)分为:
◆ 单镜头-多航线(小飞机、小项目)
     ◆ 多镜头-单航线(大飞机、大项目)








二、实景模型运算
1、通过context capture、pix等来运算空三结果,得到XML文件。
2、检查、过滤(可能需要到问题点补拍)。
3、渲染。
三、实景模型修整
对品质要求不高,本身数据也不大的项目,到这一步就可以输出成果去应用了。但个人推荐
做好下面的几步,才能让成果数据更加轻便好用,观感也更好:
1、杂质去除
2、拉直屋面
3、道路平整
4、水面修复
5、三角面的简化
涉及软件:Geomagic、DP、Descartes、Rhino、3DMax
四、实景模型的输出
接下来就可以输出成果了,结合我个人的工程经验,我常用的也就4种格式(3MX、OBJ、FBX、点云),可以归纳如下:




说了这么多干巴巴的东西,大家可能还是不知道具体与工程是如何结合的。
下面我将结合几个具体工程案例来更生动的解释一下。
案例一
花垣县纸厂棚户区提质改造项目
这个项目属于HD工程总公司,HD建筑一院只负责结构设计,本来它与BIM毫无关联,因为我是结构专业负责人,在去现场踏勘了一遍之后,提了进行航拍的建议。
建议航拍的出发点有以下几个:
一、设计的范畴直线距离2公里,沿河道那就更长,而且道路不好走,标高起伏大,设计的内容除了少数新建单体建筑以外,大量的是立面改造及景观建筑,如:水中栈道、悬崖栈道、观景台、挡土墙等。
二、多处需要标高的点位,现场却反馈无法采集,工人无法达到位置或没有信号,这已经影响到工程进度。
三、山高路远,鉴于以上设计内容,可能需多次现场踏勘才能明确设计条件,成本本身较高,关键是影响效率。




▲ 延河需要提质改造的范围




▲ 需实施立面改造的部分建筑




▲ 中心为需要改造的建筑




比如上图:沿河步道的设计。
哪些做地面硬化就行?哪些地方需要护坡处理,需要做混凝土结构?地面标高设置为多少比较合理?这种琐碎的事情,其实可以随时去模型里查看设计条件。




需要设置悬崖栈道的整个范围,也可以看出存在局部滑坡可能对施工带来风险。
此类项目的设计与传统建筑设计差别较大,经常只有园林景观与结构两个专业,而园林景观提供的往往是剖面和一些细部做法,难以提供带有准确标高的平面图,因此结构设计师难以对设计对象有整体把握。
而实际上,悬挑构件的疏密、标高起伏处的构造,都需要仔细考虑。




如果当时园林景观设计师也具有三维设计能力,畅想一下,在三维模型之上将需要设计的各种小品一一放置上去,不仅可以极大的加快甲方的决策速度,也可以给配合专业更为直观的提资、更准确的设计条件。
这还是EPC项目,结合上工程量的控制、与现场施工的交接等,可以极大的体现出此类项目GIS+BIM的好处。












此项目建成效果还不错,但是设计和管理过程可优化的地方的确还有很多。
案例二
中南大学湘雅五医院项目
这个项目是建筑一院的项目,我担任BIM负责人和结构第二专负,在项目还没全面启动的时候,就在与美方对接景观设计时发现了问题,我对现场的永久支护及挡墙标高产生了质疑,因此,我又提议进行无人机倾斜摄影建模来进行论证和辅助设计工作。




▲ 实景模型截图
上图是2017年3月项目现场的状况,左侧与树林相连的即为焦点所在的挡墙。
方案的犀牛模型与Revit场地模型有冲突,尤其是需要作为精细设计指导的山体凸入建筑部分,然而美方不清楚现场具体情况,无法找到问题症结所在。




▲ Revit和犀牛的结合




▲ 实景和犀牛的结合




▲ Revit、实景和犀牛三者的结合
我论证过现场挡墙的标高与设计的挡墙标高一致后,转而论证美方提供的方案阶段Revit场地模型与Rhino模型的标高哪一个是正确的。




▲ 通过已知的挡墙将实景模型放置于正确的高度




▲ 比较契合
初步判定犀牛模型山体部分高程不正确








▲ 再验证具有代表性的几个点,发现问题症结出在整体正负零标高取值偏小了5.3米
通过实景模型分别与Revit及Rhino模型结合,发现是Rhino模型整体正负零设计的问题。




据上图显示,一层的顶板接近东侧山体位置,由于山体延伸进来,覆土较厚,为减小荷载,预备在山体之下设计结构空腔,减少覆土。
在排除错误之后,这部分景观的标高仍然是不合适的,还需要找到相对合理的标高。




▲ 实景模型与虚拟模型的结合再次告诉我们答案:可以上抬3米左右
用剖面来说,后期土体要自然过渡到顶板的景观上,荷载又不至于太大,很自然的,需要将现有标高抬高,当时我拍脑袋定了抬高3米。




专业的人做专业的事情,后来景观专业将标高定在了70.20米,比我的预计低了1米,但比原来的设计高了2米。




当然,除了实际应用,我们也可以将BIM模型与GIS模型结合在一起作为动画和VR的展示。




▲ 实景模型与BIM模型结合的效果图




▲ 传统效果图




▲ 还没看够的话,可以扫码用手机查看,在导航里可以切换场景




所有各专业的模型与实景模型可以整合在一起,包括市政管网,除了展示,相信从各个专业自身角度去考量,可以拓展的应用还有很多。
其他案例
中南大学湘雅医院教学科研楼




这个是无人机倾斜摄影模型,但其并不是我们提出要拍摄的,而是施工单位中建五局三公司提供给我们的。




在图中圆圈的位置,最后现场基坑与设计的挡墙范围有冲突,不得不修改挡墙轮廓。如果合模开展较早,也许这个变更单可以避免。
市政院某水厂项目








通过将新建水厂的BIM模型与GIS模型结合,可以很好的展示水厂的工艺,及建筑在片区的效果。
茅岩河鸭坪旅游区提质升级项目




杨瑛大师将在这里设计一个悬崖酒店和垂直电梯,期不期待?
结 语
我们研究GIS的机会不多,时间也不长,从2016年开始便陆续在多个BIM项目中采用(非BIM项目其实一样可以采用),也积累了一点经验。
我个人认为,项目标高复杂、建筑周边情况复杂、项目距离较偏远、重大BIM项目、片区整体提质改造项目、城市规划等项目,都值得采用该技术来提高设计及沟通效率。
实景模型的作用可以总结为:
一、记录原始现状,避免后期扯皮,尤其是遇到拆迁问题;
二、减少现场踏勘,可在模型中进行测量和读取尺寸信息;
三、与BIM建筑模型整合,为建筑与周边场地关系提供依据,减少设计问题;
四、可提供方案在真实场景下的效果图、动画、VR,直观地感受建筑放置在真实环境中的效果。
当然,国内还有很多先进的基于无人机的研究,比如:清华大学陆新征课题组的研究,它将城市级别的倾斜摄影模型与抗震分析结合。(真是黑科技,这可以极大地减少了灾害损失和为灾后救助提供参考。)
以下图片来自于陆新征课题组公众号




▲ 北川新县城场地
-城市建筑群耦合地震弹塑性分析




▲ 唐山市23万栋建筑抗震弹塑性分析结果
(2016年7月28日)




▲ 带纹理的建筑高真实感展示
总之,BIM并不只是建模型而已,它更多是一种信息化的思维模式,可以存在于工程的全生命周期。
海南省BIM中心致力于海南省BIM事业的发展,率先在海南省内开展BIM培训,BIM网站,BIM设计,BIM造价,BIM全过程管理、BIM+GIS\FM\VR\AR\大数据\云计算\智慧城市的探索,为海南省建筑信息化作出自己的贡献。我们的网站是www.xycost.net,公众号“CPPDBIM”,长按下面的图片有惊喜哟>_<~





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