GIS & BIM双剑合璧，让无人机助力工程设计

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。

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