基于“BIM%2B无人机”技术的市政路桥正向设计方法.pdf

第3 1卷第2 期2023 年6 月广州航海学院学报JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME UNIVERSITYVol.31No.2Jun.2023基于“BIM+无人机”技术的市政路桥正向设计方法张延（安徽水利水电职业技术学院市政与交通工程学院，安徽合肥2 3 16 0 3）摘要：因二维设计市政路桥耗时较长，研究基于“BIM+无人机”技术的市政路桥正向设计方法.依据无人机采集市政路桥设计区域地形影像数据，生成真实三维市政路桥设计区域地形模型；同时依据现场地质勘探结果，生成地质模型；在BIM的Bentley软件中直接导入三维市政路桥设计区域地形模型和地质模型实施线路平、纵设计，构建市政道路、桥梁、隧道等模型；经BIM模型总装后，通过碰撞检测实施设计校审，校审合理后完成市政路桥正向设计.实验结果表明：该方法可展现市政路桥正向设计的详细工程数量情况，对市政路桥项目施工起到重要指导作用。关键词：BIM无人机技术；市政路桥；正向设计方法；模型构建；数据采集；路桥模型设计中图分类号：U414.03市政路桥是城市基础建设工程中的核心项目，市政路桥设计与城市发展息息相关 I-3,因此城市建筑部门非常重视市政路桥设计.市政路桥设计需要充分了解该市政路桥区域的施工环境，合理设计市政路桥施工方案，提高市政路桥使用周期.以往二维设计市政路桥的方法耗时较长 4.5，已经无法满足人们对市政路桥设计的高要求.为此，相关学者对市政路桥设计方法展开深入研究.徐雷等人提出SWMM 耦合模型的道路设计方法 6 ,该方法主要考虑道桥排水功能,通过SWMM分析道桥周边的水文特征设计市政道桥.该方法虽然提升了道桥防涝能力，但仅对于道桥排水有效，适用范围较小.沙日娜提出模式化管理下道桥施工设计方法 7 ，该方法依据道桥地理条件，通过模式化管理合理设计道桥施工方案，但是在道桥设计阶段比较片面，导致所设计道桥的使用寿命会降低，应用效果不佳。BIM技术最早出现在19 7 5年建筑行业，具有完备性、可视化、一致性等特点，能够有效去除图纸穴余，节省人工成本，提升建筑企业经济效益，在建筑收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 3基金项目：安徽省教育厅自然科学重大项目（KJ2019ZD70）作者简介：张延（19 8 2 一），男，硕士，副教授，主要从事结构工程研究文献标志码：A文章编号：10 0 9-8 52 6(2 0 2 3)0 2-0 0 58-0 6行业有较好的应用效果.无人机技术是通过搭载摄像机采集图像数据，提高测量工作效率.因此，为解决市政路桥设计中存在的不足，本文将BIM和无人机技术相结合，提出基于BIM+无人机技术的市政路桥正向设计方法，以提升市政路桥设计效率，从而增加市政路桥使用寿命.1市政路桥正向设计方法1.1BIM+无人机技术的市政路桥正向设计流程建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM)设计平台的比选是一个选择最适合项目需求的BIM软件的过程，是后期BIM模型构建的关键.按照市政路桥正向设计角度评估本特利（Bentley）和达索（Dassault)公司的软件平台优缺点 8-10)，两种BIM设计平台比选结果如下：Dassault软件平台的优点是使用同一个软件建模，模型构建方便；软件参数化功能较全；主要流程是建模施工模拟三维展示，提供了完整的解决第2 期方案.但是该平台在使用过程中增加模型附属模块时需要二次加载，软件操作相对复杂.针对该问题，可以结合BIM软件中的3 DVIA、C A T I A、D E LM I A 或协同管理软件中的ENOVIA软件，优化软件操作效果.Bentley软件平台的优点是配备协同管理软件，协同管理功能强大；在市政建筑设计方面可视化效果较好，计算功能强大，可统计工程量；使用MicroStation开发软件，模型格式一致，可以相互融合.但该平台在使用过程中的V8i版本软件不支持在模型中直接添加附属信息功能.针对该问题，可以结合BIM软件中的OverHeadLine、M i c r o St a t i o n、RailTrsck等或协同管理软件中的ProjectWise，提高模型使用效果.根据上述对比结果可知,Bentley软件平台在市政路桥正向设计方面具有显著优势，满足市政路桥正向设计需求 11,12 ,因此选取Bentley软件平台作为BIM技术的市政路桥正向设计核心平台，利用Bentley软件实施市政路桥正向设计.BIM+无人机技术的市政路桥正向设计流程如图1所示.明确市政路桥正向设计目标无人机采集市政路桥设计区域前期阶段地形影像数据立生成三维地形模型市政路线平、纵、横设计市政道路设计市政桥梁设计正向设计阶段BIM模型总装碰撞检测不合格设计校审合格设计出图完成设计图1BIM+无人机技术的市政路桥正向设计流程张延：基于BIM+无人机”技术的市政路桥正向设计方法形三维模型构建采用无人机采集市政路桥设计区域地形数据，为下文市政路桥正向设计提供数据支持.无人机航飞和像控点合理设置是数据采集的关键.平面控制点基线数计算公式如下：a,=Ga,Vb3+2b+46(0.28)式中：G表示图像放大的倍数；,表示连接点平面误差；b表示相邻相控点间隔基线数；.表示视差测量单位权重误差.高程控制点基线数计算公式如下：an=(D/k)a g/6 3 +2 3 b +10 0 (0.0 8 8)(2)式中，k表示图像基线长度；h表示连接点高程误差；D表示图像基线高度.利用式(1)（2)求解出像控点间隔基线数为2 0个,为提高GPS协助拍摄的范围,格外增加5条基线；航线跨度为5个，需要在市政路桥设计区域设置20个像控点，采集该区域地形数据影像.在无人机航飞和像控点合理设置后，无人机搭载PSDK-102S-V3型号倾斜相机采集市政路桥影像.相机影像单元是7 mm，影像规格为8 19 8 像素6253像素.共有5个相机（前视相机、右视相机、后视相机、左视相机、底视相机），从5个视角全面采地质勘探集市政路桥全景影像数据，下视相机焦距6 0 mm，倾斜角度为50，无人机依据相机参数得出航行高度地质模型为12 0 0 m，航向重叠度分别为7 8%、6 8%，航带间距为2 0 0 m.依据无人机相机多视角采集市政路桥设计区域地形影像数据，通过立体视觉三维建模软件构建市政隧道设计互通设计591.2基于无人机的市政路桥影像采集及地(1)场地选址市政路桥设计区域地形三维模型,其流程为：1)在设置无人机倾斜相机位置后，拍摄采集市政路桥设计区域的地形影像数据,并求解空三测量;2)通过图像的重叠度得出相机与目标地的深度距离值，融合多个深度距离值，构建三维表面模型;3）对三维表面模型实施纹理映射后，生成真实的市政路桥设计区域地形三维模型.1.3市政路线平、纵、横设计路线设计是市政路桥正向设计核心，直接关系到整个市政路桥设计项目质量.市政路线平、纵、横设计可通过三维模型形式展示出来，使市政的道路、桥梁、隧道更好区分 13 ，满足市政道桥设计人员的路线走向的总体设计理念.市政道路平面设计是60在三维地形模型中采用导线法和线元法进行的，因此市政路线纵断面设计第一步为设计动态纵断面，将三维模型实施纵向剖切后断面线，同时实时更新剖切三维模型信息.市政路线纵断面设计第二步为设计纵断面，在第一步基础上设计市政路线纵断面设计线.在设计过程中选取设计标准、检查程序、完成设计标准识别，节省了市政道桥设计人员时间，提高了设计效率.市政路线设计中，引进装配和部件思想，完成参数化市政路线横截面设计.部件是指市政线路中基本组成部分，包括市政道桥护栏、行车道、路边石等.通过对部件数据实施参数化管理 14.15,采用部件编辑器，编辑部件符号，构建动态模型.部件平面图形包括连接、点和构造三个元素，同时通过代码形式实施参数化设计，部件平面图形见图2.02H构造Z连接H连接H4点（a）市政行车道部件图2 部件图2 中,H,一H4表示连接代码；0,一0 4表示点代码；Z,表示造型代码.多个部件构成装配，由装配构成市政道路三维模型.基准点线、偏移点线、插入点构成1个装配,在其中加入部件后，实现完整的总体装配.1.4市政路桥模型构建市政路桥模型构建是整个设计的重要环节.市政道路BIM模型构建流程：1)将市政道路纵截面设计线与市政道路线作为模型构建基准线；镜头拍摄相机规格数量范围五镜头多角度拍摄171 mm 配置下视角HDM图8 19 8 像素10 2 8 G192 mm 传功能，10 8 0 P动态186 mm码流图传广州航海学院学报2)按照纵截面道路提出市政道路线放坡目标曲线，并明确市政道路模型横截面装配；3）设置桩号步长，装配沿线加密控制值设置越低，模型构建准确性越高;4)生成市政道路BIM模型.依据市政道路BIM模型进行施工模拟，对设计方案实施碰撞检测和设计校审，如校审不合格需要修正设计方案，实时更新模型.市政桥梁BIM模型构建流程：1）依据三维地形模型，合理规划市政路线;2)设计市政桥梁跨线桥；3）通过参数化模块构建市政桥梁附属结构（市政桥梁上、下部结构）;4)生成市政桥梁BIM模型.依据市政道路与市政桥梁的联系，调整桥梁结构参数,修正市政桥梁BIM模型.在分析市政道桥设计区域地质基础上设计市政隧道和互通BIM模型，上述模型均采用Bentley软件实施构建.在科学测量后,选取适合市政桥梁的场地，将BIM模型组0装后,采用碰撞检测实施设计校审，校审合理后完H成市政路桥正向设计，如果校审不合格，需要重新设计,直至设计方案符合校审合理标准.碰撞测试是将新建管线模型和原有地下管线实施碰撞计算，降低管线间冲突.2实验分析04为验证本文方法的有效性，选取某地区市政道(b)部件代码桥项目作为试验对象.该市政道桥项目预计投资500000万元，全长48 km，城区段为40 km，其余为山区段，共包括2 座全互通立交、1座桥梁、道路、排水工程等.该项目具有工程量比较大、地质条件恶劣,地下管线较多等特点.分别采用本文方法、文献6SWMM耦合模型的道路设计方法、文献 7 模式化管理下道桥施工设计方法对该市政道桥实施设计.试验设备：无人机搭载东莞赛尔公司的PSDK102S-V3型号倾斜相机采集市政路桥影像.PSDK-102S-V3型号倾斜相机基本参数如表1所示.表1PSDK-102S-V3型号倾斜相机基本参数实时图传第3 1卷图像内存工作使用无线输出环境次数功能-3010万有智图Terra软6253 像素60 20万次配套软件件分析数据第2 期2.1工作效率分析每3 h统计一次该地区同一市政道桥的设计工作效率，结果如图3 所示.100中口9080%/率斗工70600DCiViL3D系统（S）视图（V）数据（C）工具（T）搜索项目BIM资料输入要检索关键字我的项目市政路桥正向设计项目张延：基于“BIM+无人机”技术的市政路桥正向设计方法一一本文方法文献 6 方法文献 7 方法36时间/小时图3工作效率帮助（H）BIM视图61图3 表明，本文方法的市政道桥设计工作效率一直保持平稳趋势，平均工作效率高达9 8%；文献6方法和文献 7 方法的市政道桥设计工作效率波动较大，平均工作效率分别为8 5%、7 5%，均低于本文方法平均工作效率.由此可知，本文方法可有效提升市政道桥正向设计工作效率.2.2模型构建采用本文方法构建该市政道桥正向设计的BIM模型,见图4.分析图4可知，利用BIM的Bentley软件设计市政道桥模型，效果较好，图像清晰，色彩鲜明，且符合项目设计目标，合理设计了2 座全互通立交、1912151824座桥梁、道路、排水工程施工图，为后续市政道桥施工提供理论依据.DCIM3D系统（S）视图（V）数据（C）工具（T）搜索项目BIM资料输入要检索关键字V.我的项目市政路桥正向设计项目帮助（H）BIN视阁心技系#品全部点市政未品连楼道路品迪型模型DICiViL3D系统（S）视图（V）数据（C）搜索项目BIM资料输入要检索关键子市政牛品连桥梁模型(a)市政道路BIM模型DICiviL3D工具（T）帮助（H）BIM视图(b)市政桥梁BIM模型系统（S）视图（V）数据（C）搜索项目BIM资料输入要检素关键字工具（T）帮助（H）BIN视网我的项目市政路桥正向设计项目我的项目市政路桥正向设计项目MECOEE技系统点市政品连校隧道品造型模型市政点交互模型(c）市政隧道BIM模型(d)互通BIM模型62广州航海学院学报第3 1卷DICiViL3D系统（S）视图（V）数据（C）搜索项目BIM资料翰入要检索关键字我的项目市政路桥正向设计项目工具（T)回4BIM视阁帮助（H）ECAE(e)总体BIM模型品全部市政总体BIM模型图4市政道桥正向设计的BIM模型2.3工程数量统计本文方法采用的Bentley软件具有工程数量统计功能，在构建模型后可自动生成工程数量统计路基工程对比填方挖方护肩护坡方法青混凝乳化沥青(m)(m)(m)(m)本文方法13 3 0 8 076 8521104.900实际值13 3 0 8 076 8521104.900由表2 可知，本文方法输出的市政道路正向设计工程数量统计结果与实际值基本一致，在道路及附属工程和路基排水工程中出现了数值上的较小偏差.根据无人机影像结果可知，该部分数量上的对比空心板桥面铺盖梁方法混凝土装混凝(m)(m)(m)2本文方法97.37实际值97.37从表3 可知，本文方法的市政桥梁正向设计工程量统计结果与实际值基本一致,HRB335钢筋、钢绞线的用料小于实际结果，其原因是采用本文方法节省了施工材料.依据表2、表3 中的数据，市政路桥项目负责人可以清晰掌握该市政路桥项目的工表.市政道路正向设计工程量清单如表2 所示，并将表2 统计结果与测试区域市政道桥实际工程量清单进行对比.表2 市政道路正向设计工程量清单道路及附属工程8cm沥0.8 cm 改性(m)封层()25 63725 63725 63725 637表3 桥梁工程建设工程量清单上部构造HRB335R235青石花岗岩钢筋钢筋栏杆(m)(kg)(kg)(m)4015.463 4496900604015.463 449 6.9026030230.48016.8程数量，并可分区域分工查看工程用料情况，为以后施工奠定基础；同时，项目核算部门可按照该地区市场的原材料价格，估算出该市政路桥工程的总造价，展示市政路桥正向设计的详细工程数量情况.路基排水混凝土碎石碎石基人行道车行道路缘石排水沟截水沟临时管路肩(m）层(m）（m）（m）(m)26 000 230 480 5 82012.333327025 000 230 55005.90012.3333300偏差是因为采用本文方法节省了施工材料，导致数量出现了变化.整体而言，本文设计结果与实际结果之间偏差较小市政桥梁工程建设工程量清单如表3 所示.下部构造碎石台帽背踏板混HRB335R235青石钢绞线块石基层墙混凝凝土钢筋钢筋栏杆(kg)(m)(m)土(m)(m)30230 48016.8(m)(m)涵(m)(m)2018420190(kg)(kg)(m)25.979009.200601 48513025.98 0009300601 5001303893896065桥基坑基(m)480480第2 期3结论市政工程主要以市政路桥建设为主，其施工环境复杂，与建筑工程区别较大.本文结合市政路桥建设特点，研究基于BIM+无人机技术的市政路桥正向设计方法：采用无人机搭载摄像机采集市政道路所需图像数据，并获取全部市政道路及周边原始地形，保证场景真实性，提高测量效率；利用BIM技术构建三维模型对道桥实施正向设计.实验结果表明：本文方法实现了市政路桥正向设计的三维可视化展示，应用效果较好，提高了设计人员工作效率.参考文献：1 木相诗尧,徐润，姚守峰，等.基于无人机机载LiDAR与BIM技术在复杂地形公路设计中的应用J.重庆交通大学学报（自然科学版）,2 0 2 1（12）：7 7-8 1.2NGUYEN D C,JIN R,JEON C H,et al.BIM-based Mixed-realityApplication for Bridge Inspection and Maintenance J.Construction Innovation,2022(03):487-503.3 余括.基于BIM技术的站房正向设计方法研究 J.结构工程师,2 0 2 1(0 1):19 8-2 0 5.4陈攀杰，顾鲍超，王雪原，等.BIM与无人机在城市道桥正向设计的应用研究 J.筑路机械与施工机械化,2 0 2 0(12)：6 3-6 6.5林国涛,孙增奎，肖斌，等.综合无人机、GIS、BIM 技术的道张延：基于“BIM+无人机技术的市政路桥正向设计方法工业建筑,2 0 2 1(11):2 6 2.8刘长伟.BIM技术在市政路桥设计中的运用与实践 J.工业建筑,2 0 2 2(0 2):2 58 -2 59.9YANG Y,CHEN Y,TANG Z.Analysis of the Safety Factors ofMunicipal Road Undercrossing Existing Bridge Based on FuzzyAnalytic Hierarchy Process MethodsJ.Transportation ResearchRecord,2021(12):915-928.10 孙少楠，吴家伟.基于BIM技术的被动式建筑敏感因子模拟与分析 J.计算机仿真,2 0 2 2（0 6）：2 9 8-3 0 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designmethod of municipal roads and bridges based on“BIM+UAV technology is studied.According to the terrainimage data of the municipal road and bridge design area collected by UAV,the real three-dimensional terrain modelof the municipal road and bridge design area is generated;At the same time,the geological model is generatedaccording to the results of field geological exploration;Directly import the 3D municipal road and bridge design areaterrain model and geological model into the Bentley software of BIM to implement the horizontal and vertical designof the line,and build the municipal road,bridge,tunnel and other models;After the final assembly of the BIMmodel,the design review is carried out through collision detection,and the forward design of municipal roads andbridges is completed after the review is reasonable.The experimental results show that this method can show thedetailed quantities of the forward design of municipal roads and bridges,and play an important role in guiding theconstruction of municipal roads and bridges.Key words:BIM UAV technology;Municipal roads and bridges;Forward design method;Model construction;Dataacquisition;Road and bridge model design