| 标题 | 无人机与BIM融合技术在建筑工程领域内的创新价值链研究 |
| 范文 | 李茜 摘要： 建筑信息模型（BIM）被认为是提高建筑行业生产力的关键技术。但是，目前还很少有将建筑项目全生命周期内不断变化的工程信息集成到BIM平台中的解决方案。作为自动化数据采集平台的无人机可以作为BIM与和现实环境之间的桥梁。本文对无人机和BIM融合技术发展现状中的现存问题进行了分析，提出了技术应用方案和改进措施，基于以上研究成果构建了UAV-BIM在建筑行业中的创新价值链框架，为物理信息系统在建筑领域内的应用提供一定的参考价值。 Abstract： The Building Information Model （BIM） is regarded as the key technology to improve the productivity of the construction industry. However， there are few solutions to integrate engineering information that is constantly changing in the whole life cycle of the construction project into the BIM platform. As an automated data acquisition platform， Unmanned Aerial Vehicle can serve as a bridge between BIM and the real environment. In this paper， the existing present situation problems of the fusion technology of the Unmanned Aerial Vehicle and BIM are analyzed， and the technical solutions and improvement measures are put forward. Based on the above research results， this paper constructs an innovative value chain framework of UAV-BIM fusion technology in the construction industry. This paper provide certain reference value for the application of the physical information system in construction field. 關键词： BIM；无人机；应用；建筑工程；创新价值链 Key words： BIM；Unmanned Aerial Vehicle；application；constructional engineering；innovation value chain 中图分类号：V279+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0109-03 0 引言 近年来，制造业和建筑业之间的生产力差距显著增加。这种差距产生的主要原因就是制造业正逐步采用集成计算、网络和传感器的物理信息系统来提升本行业的生产效率。与施工现场大多是临时性的建筑业相比，制造业的生产活动发生在装备精良的工厂，可以为发展和长期使用物理信息系统提供便利条件。如果在建筑行业内采用这种高效、综合的物理信息系统，就可以为不同的项目参与方实时传递不断变化的各阶段工程信息来进行协同工作，改变工作模式，从而提升生产效率。近年来，在我国快速发展起来的BIM技术为物理信息系统在建筑业中的应用提供了可行性[1-2]。 由于BIM软件与各种安装在现场的监控、测量传感器之间还不能进行有效的直接连接，需要人工采集的方式将现场数据输入到BIM平台中。因此，目前BIM技术仅适用于设计阶段，还不能够直接应用到环境不断变化的施工阶段，因此需要一种作业模式灵活、可靠性高的数据采集系统作为BIM平台和现实环境之间的桥梁。近年来，无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）产业正蓬勃发展，凭借其灵活、高效的优势，可能会成为提高建筑行业生产力的关键因素[3-4]。建筑业中所采用的无人机并不是用来直接进行建筑生产活动的，而是一种集成不同传感器用来采集数据的自动化系统平台，UAV所采集的数据可以传输到BIM平台中，用来代替低效、耗时并易出错的人工采集方式。 基于国内外大量的文献和应用实例调研，本文对UAV和BIM融合技术发展现状中的现存问题进行了分析，提出了技术应用方案和改进措施，基于以上研究成果构建了UAV-BIM在建筑行业中的创新价值链框架，为物理信息系统在建筑领域内的应用提供一定的参考价值。 1 UAV与BIM融合技术发展现状 1.1 UAV发展中的法律障碍 由于UAV产业在发展前期并没有受到多少限制，民用UAV在各个领域内得到了快速应用，但是也带来了诸如失控堕落、侵犯隐私、窃取机密等隐患，这也迫使各国政府强制执行新的法律法规来监管UAV。例如，在美国，联邦航空管理局禁止公司出于商业目的使用UAV，需要申请特定的许可证才能使用UAV。在法国，申请UAV航线必须：①远离特定区域；②提供一个清晰和安全的地面区域；③避免在城市地区上空飞行；④站在安全驾驶员的视线之内[5-6]。我国部分省市已经对民用UAV监管开展了探索实践，例如，重庆禁止UAV在机关企事业上空飞行；广州市政府制定了民用运输机场管理办法草案；哈尔滨在机场周围设置矩形禁飞区等[7]。民用UAV监管法律问题的亟待解决，对UAV在建筑业内的健康发展至关重要。 1.2 UAV的硬件限制 建筑行业内应用的UAV应该是一种集成多种传感器的数据采集平台，这些传感器包括：高度和距离传感器、三维激光扫描传感器、高清照相机和摄像机等，如何将这些传感器在互不干扰的条件下进行有效集成是UAV硬件方面面临的一个主要问题。同时，由于UAV上所携带的应用传感器增多，也增加了有效负荷，这对目前主流的四轴旋翼UAV的电池来说也是一种考验，需要保证有效负荷与飞行持续时间之间的平衡。另外，如果在室内使用UAV进行数据采集，也要考虑UAV的尺寸不能太大，这也影响到了电池所能提供的续航时间。 1.3 数据采集方式和算法 目前，UAV采集数据的方式主要分为两种：①3D激光扫描，可以提供BIM模型所需要的原始点云数据；②高分辨率的照相机或摄像机，可以通过后期处理软件直接转换成建筑三维模型。但是，这两种方式还不能提供实时更新的现场数据和更详细的局部细节数据，这就要求在以上兩种方式中采用更先进的图形处理单元（GPU）和更高质量的传感器，并对采集的数据进行更高效的计算。这也是阻碍UAV在建筑行业内应用的瓶颈问题之一。 1.4 UAV与BIM软件间的数据转换 由于UAV采集的数据类型与BIM软件所能识别的数据类型不同，因此UAV一旦采集完数据就应该通过相关插件进行数据转换，这类插件起到了桥梁作用。但是，目前国内外研究人员主要都集中在开发基于BIM的新的建模软件，而在这方面的研究较少，这也限制了UAV的应用。 2 UAV在建筑工程领域内的应用方案 2.1 在设计阶段：将工程所在地的实际情况整合到BIM模型中 与农业领域和航空摄影相似，UAV在建筑行业内主要还是进行室外作业，这就完全依赖于机载GPS导航或驾驶员高超的技能。在初始设计阶段，可以利用UAV对施工阶段的建筑工地周围场景进行三维扫描，并将这些场景整合到设计阶段的BIM模型中，另外也可以引入虚拟现实技术，对整个建筑工地场景进行鸟瞰漫游。 2.2 施工阶段：对现场进行自主和定期的监测 对施工阶段进行定期和自主监测是现场工程师日常工作的一部分。这些监测数据主要是由施工单位工程师、监理工程师或第三方的测量工程师以照片、excel表格或其它方式进行采集，但是并没有集成到一个综合的管理系统中，而BIM技术可以将所有数据连接起来，为建设项目各方参与人员的协同工作提供了很好的平台。但是，BIM模型所需要的现场数据仍然是人工采集方式，耗费大量的人力和时间，而应用无人机可以解决这个问题。 UAV在施工阶段的应用主要有以下三种方案： ①可以将3D激光扫描仪安装在无人机上，利用无人机的灵活性对施工现场数据进行全方位采集。②对已经建成的构件进行监测，并将监测数据输入到4D BIM软件中，但是由于目前UAV的安全自主导航技术还不成熟，飞行高度的调整仍需要GPS，因此还不能应用到室内构件的监测中。③UAV还可以对机械设备、材料和临时结构进行监测和跟踪，例如，可以跟踪脚手架和塔式起重机的安装高度、监测材料的剩余用量以提高库存管理水平。 2.3 施工阶段：提高施工机械的自动化水平 由于无人机可以提供施工现场的全景鸟瞰图，可以将部分建筑施工机械改装成自动化机器人与UAV协同工作，例如可以将推土机改装成自动推土机，无人机与其连接，并提供实时的地形、高度等周围环境数据，指挥自动推土机根据这些数据进行精确施工。 3 UAV-BIM创新价值链应用框架 UAV与BIM技术是建筑行业中新的生产要素，两者的融合可以为建筑企业创造更多的增值活动，带来新的创新价值链。表1分析了UAV在建筑全生命周期中的创新价值链框架，对UAV在用户需求、现有解决方案、无人机附加值、现有成果和需要填补的技术差距方面进行了总结和分析。目前，基于GPS导航的无人机进行室外作业已经是一项很成熟的技术。但是，利用UAV在全生命周期内对建筑内部各个方面进行监测和测量短时间内还很难实现，这需要进一步开发自主导航技术，该技术可以利用4D-BIM模型提供室内详细的“地图”数据，为UAV在室内的自主航行提供导航。 4 结论 无人机已经被广泛用于勘察设计行业内的室外作业，能够实现对工程现场的监测和管理。但是，由于建筑项目施工现场地形复杂、空间拥挤和人机材流动性大，UAV在建筑领域内的应用还较少，为了能够使UAV真正提高本行业的生产力，本文对UAV与BIM融合技术的创新价值链进行了分析研究，认为UAV可以作为一种集成多种传感器的自动化系统平台，并将所采集的不断变化的现场数据与BIM平台进行有效连接，促使不同项目参与方进行协同工作，以提高生产力。 UAV还需要在以下两个方面进行技术创新：①在拥挤的室内环境中执行自主航行作业；②将采集到的现场数据转换集成到BIM综合管理平台中。 参考文献： [1]卢玉韬，韩春华，曾鹏.基于BIM的无人机桥梁检测实施方案研究[J].土木建筑工程信息技术，2017，9（2）：73-78. [2]孙亮，夏永华.基于无人机倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图的可行性研究[J].价值工程，2017（8）：209-212. [3]龚文璞，刘维忠，伍云天.无人机在建筑施工安全监管中的应用探析[J].重庆建筑，2017，16（5）：21-23. [4]徐胜利.建筑施工领域中无人机的应用分析[J].山西建筑，2017（5）：249-250. [5]Canis B. Unmanned Aircraft Systems（USA）： Commercial Outlook for a New Industry. Congressional Research Service， 2015. [6]Demir KA， Cicibas H， Arica N. Unmanned Aerial Vehicle Domain： Areas of Research. Defence Science Journal， 2015， 65：319. [7]郑翔.无人机物流业发展的法律障碍和立法思考[J].北京交通大学学报（社会科学版），2018，17（1）：136-143. |
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