水利水电工程施工中 BIM 技术融合无人机测绘的应用实践

水利水电工程是关系到国民经济和社会发展的重大基础建设项目，其建设过程中面临着地形测绘、数据管理和多专业协同等诸多难点问题。在数据管理和协作效率等方面，传统的建造方法已逐渐显现出局限性。BIM技术是一种基于 3D 建筑信息模型的可应用于建筑全寿命周期的数据集成和信息共享技术，而无人机测绘具有高效精确的地形数据获取的优点，两者的结合为我国水利水电工程的建设带来新的思路和尝试，对提高项目的建设水平具有重要的现实意义。

一、BIM 技术与无人机测绘的原理及优势

（⟶） BIM 技术原理与优势

BIM 技术是一种在建筑结构、机电设备和运维等多个领域应用的数据融合关键技术。在设计阶段，各专业工程师通过统一的 BIM 模型进行协同，实现了建筑、结构和水利水电等多专业之间的相互融合和实时校验；在施工建设阶段，将进度、费用、质量等数据进行关联，对项目进行动态控制；在运行期，利用模型前期保存的设备调试及运行参数和维修记录，为后期设备的正常运行提供有力支持。

其优点在于：一是跨专业协作，可以突破各专业之间的界限，防止“设计冲突”。例如：水坝的混凝土浇筑和堤坝的不透水建筑物的建造，可以通过 BIM 进行预先的工艺模拟，从而提高工程施工的劳动效率；二是数字化的管理，项目资料采用数字化格式保存，可以迅速查询到工程量、设备参数、材料检测报告等，为成本计算和资源配置提供精确的参考；三是直观交流，三维模型可以直观地展示项目相关情况，业主、设计和施工单位可以通过模型进行充分交流，提高了各方沟通效率；例如，厂房设备、水电管线等设施的布设，可以利用模型对各种布局的空间效应和建造困难进行仿真[1]。

（二）无人机测绘原理与优势

无人机观测是一种利用基于高清光学摄像机和激光雷达（LiDAR）的无人飞行器，根据预先设定的路线进行飞行观测的技术。采用摄影测量、激光点云数据处理等手段，形成数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）模型，可应用于计算土方量、洪水模拟分析和地形地貌研究等。

其优点在于：一是效率高，对于长距离输水渠道、大型水库库区等大型水利工程的建设用地，无人机几个小时就能完成传统方法需要几天时间才能完成的地图绘制工作量。二是精度高，利用高分辨率图像进行厘米级的精确定位，能够捕获精细的地貌形态，如坝址区的山体裂隙、河谷的冲淤地貌等，为项目的设计提供精确的基础资料。三是灵活性高，通过多次飞行获得各时间段的观测资料，实现对施工进度监控及滑坡等变形状态的跟踪，比如在洪水期间对坝体进行巡查，可以实现对滑坡灾害的及时预警。

二、水利水电工程施工各阶段应用实践

（⟶） 工程勘测阶段

1、地形数据采集与处理

水利水电项目的选址往往涉及到复杂的山区和河谷地区，采用传统的手工测绘方法不仅效率低下，而且存在较大的安全风险。无人驾驶飞机按照预定的路线进行作业，对施工现场及其周围的地貌进行全方位的监控，获取多视角的图像资料。以一座规模超过 100km 的大型水电项目为研究对象，采用机载多波段摄像机的方法，3日之内即可获取全部资料，并通过专用的软件进行处理，得到 0.1 米的 DSM 和 DEM 模型。

通过 BIM 技术（如 Revit，Bentley 系统等）建立 3D 地貌模型。将地质调查资料（如地层分布、岩土力学参数等）进行叠加，使设计者能够更好的了解地形因素对水库选址、输水线路走向等的作用。通过分析多个大坝选址的地形适应性和施工难度，单纯采用基于 BIM 技术的多源信息进行综合分析，既费时又费力，而 BIM 技术和无人机技术相结合可以使方案优选的速度提高 50%以上[2]。

2、工程选线与方案比选

在 BIM 模型的基础上，进行了大坝、输水管线等基础设施的初步规划。运用 BIM 可视化技术，通过对地形地貌和地质信息的分析，实现多个工程情景的仿真。以供水管线的选择为例，比较沿着山谷布线和穿越山地的两种方案：沿着山谷布线需要应对复杂地势的斜坡保护，而穿越山区的路线虽然造价较高，但是后期的维修比较容易。在此基础上，利用 BIM 技术对两个选择方案的施工进度、成本投入、生态效应等进行仿真分析，并依此优化规划，以规避后期由于与地貌匹配不佳而引起的设计变更。

（二）施工准备阶段

1、施工场地规划

利用 BIM 技术和无人机测量结果，对营地、料场、道路等进行临时设施规划。例如，在一项大型水电项目中，必须将建设地点设在地势较为平坦和交通方便的地区，并且要避开库区的积水区域。为此，利用无人机采集的数字高程模型，通过对营地内部的排水方式进行仿真，优化营地建筑和道路的布局，以防止暴雨后的积水。在路网的规划中，通过 BIM 建模，对地势进行合理的坡降和曲线设计，保证行车安全，较 2D 平面图方案可提高 20%的土地利用率，减少道路建设造价 15%^[3] 。

2、施工进度模拟

利用 BIM 技术进行工程进度模拟，并将其与无人机获取的现场情况进行对比。建模时，将大坝浇筑、厂房建设等过程的构件时序与 BIM 构件相挂接，设定施工逻辑和时间参数。利用无人机定期（例如每个月）进行空中拍摄，获得工程现场的实时图像，与 BIM 的进展模型进行比较。当施工过程出现延迟时，查找出诸如混凝土供应不足、施工团队工作效率低下等原因，并进行有针对性的调整和优化，再对优化后的施工进度进行仿真模拟，从而实现施工计划的动态调整，保证项目按时完成。

（≡） 施工实施阶段

1、施工质量管控

通过对工地进行定时的无人机拍摄，采集高清晰图像，并将其输入 BIM 模型，进行与设计图纸进行比较。以坝体的浇筑为例，在确定浇筑层厚度和平整度参数的基础上，利用无人机拍摄的图像对浇筑表面的平整度和几何尺寸进行实时监测。当出现局部混凝土厚度不足时，BIM 会自动找出有问题的位置，以便施工方能更快的找到问题的根源并进行纠正。在一座水电站工程中，采用这种方法，使坝体内的混凝土浇筑质量误差校正率由原来的 30%提高到 70% ，坝踵和坝趾等重要部分的合格率达到 100% 。

2、施工安全管理

在水利水电工程中，存在着大量的高边坡、深基坑和水库蓄水后发生的泥石流灾害风险（如表 1）。运用携带热成像摄像机和激光雷达的无人机，对危险地区进行日常性的巡逻。利用红外热像仪探测边坡土壤的温度变化（例如由于裂隙内的湿度变化引起的温差），利用 Lidar 采集地表的点云资料进行地表形变分析。BIM 模型对危险点位置和等级进行标注，并将其与无人机的监控结果进行关联，在变形超出警戒范围时进行报警。在一座库区的边坡工程中，通过无人驾驶飞机观测到了一处有 0.3 米的山体的变形，通过及时的保护和加固，防止了该地区的塌方，使事故的损失减少了 60%VLE^[4]， 。

表 1：某库区边坡无人机+BIM 技术风险监测与处置成果

3、多专业协同施工

大坝、电站和输水系统的建设，涉及土建、机电和金属结构等多个专业的交叉。以 BIM 技术为基础，将各个专业的施工数据（例如：厂房的电气设备安装进度、防渗墙施工等）进行整合。通过无人机对施工过程进行实时跟踪，如在施工过程中发现有缺陷的地方，可以在 BIM 模型上标注出来，施工团队可以迅速做出反应并修正。例如，在一座电厂的建筑工程中，采用 BIM 技术和无人机技术相结合的方法，实现了多个专业的交叉作业，提高了 40%的工作效率，减少了 3 个月的时间[5]。

（四）竣工验收阶段

1、工程实体核查

将项目竣工后的全景进行航拍，生成竣工 DSM 和 DEM，并与 BIM 设计模型进行比较。检查建筑物的大小和位置是否符合设计要求，如坝顶高度，溢流口宽度等。在一项大型水电项目的竣工验收过程中，通过对溢流口的检查，发现有一处溢流口的宽度小于设计值 0.2 米。与手工定点测绘相比，无人机测绘的工作效率提高了80%以上，并能有效防止漏检。

2、运维数据移交

基于 BIM 技术，将施工过程中所有施工阶段的数据（设计图、施工记录、质量检验报告）与无人机获取的竣工图像相融合，构建运营管理数据库。在移交给运营方后，运营方可以通过 BIM 模型获取机组运行状态、施工缺陷修复（例如坝体裂纹治理）等数据。在以后的装备巡视过程中，通过无人机定时空中航拍，实现对设施变形的实时监控，为水利工程的长效安全运营提供全程的数据支持。

三、应用案例分析——某大型水利枢纽工程

（一）工程概况

我国西南山地地区的一项重大水电项目，由大坝（最高 120 米）、地下电站（1000MW）和输水隧道（15km）组成，涉及多个高山峡谷和河流淤积地区，工期 6 年，对数据的准确性和协同效率提出了严格的要求（如图 1）。

图 1：大型水利枢纽工程模型图

（二）BIM 与无人机测绘应用流程

1、勘测阶段

本项目以多旋翼无人机为载体，利用高精度摄像机和激光雷达，在项目用地及其周围 50km²的范围内，按照1：500 的尺度进行采样，形成 DEM 和 DSM 模型。通过 BIM 技术将资料输入到地质勘探井中，并与已有的勘探资料进行叠加，建立地质-地貌的 3D 建模。通过对三个不同类型的大坝选址进行对比分析，最后确定了既考虑了地形的适应能力又考虑了地基稳定的选址方案，较常规勘察方法节省了 2 个多月时间 。

2、施工阶段

利用固定翼式（长航时、大范围）的无人机对工程现场进行空中拍摄，并将图像资料传输到 BIM 管理平台。平台相关的进度，质量，安全模块：进度模块将实时进度和计划进度相比较，并能自动提醒滞后的过程；品质模型利用影像辨识技术，侦测混凝土瑕疵；监控高斜坡的变形。在工程建设过程中，由于坝体的混凝土浇筑出现了严重问题，为此调整方案并进行了搅拌站扩容后的仿真，引导了物资的分配，确保了整个工程的工期。

3、验收阶段

项目完成后，通过无人机获取项目全景照片，与 BIM 模型进行比对，核对出误差 3 个（溢洪道尺寸、厂房预留孔洞等），修改完成后移交运营。本项目以 BIM 技术为基础，将施工过程中的质量测试记录和工程图片进行集成，建立运营管理数据库，支撑后期运营和维修。

4、应用成效

提高了工作效率：减少了 60%的勘察时间，提高了 45% 的建设协作效率，节省了 4 个月的工期；品质保证：大坝重要部件（大坝防渗墙和机电基础）的质量异常改正率提高 75%以上；造价管理：降低了工程变更造价 1200多万，施工便道和临时营区等的规划优化节省造价 800 万，合计节省造价 2000 多万。

四、应用难点与解决策略

（一）数据融合难

目前，由于无人机获取的点云具有多种格式（JPEG、TIFF 格式、LAS 格式），和 BIM 软件（以 RVT 格式）存在较突出的兼容问题，造成导入后坐标偏差和信息缺失。针对上述问题，本项目拟通过建立数据界面规范，研发专用数据转化插件（例如：FME 定制化转化过程），将 DSM、DEM、点云等数据与 BIM 模型进行精确的融合，保证模型的几何属性和信息的准确传输。

（二）人员技术适配

BIM 技术和无人机测绘对专业人才的需求较大，而现实中水利水电从业人员大多对传统的建造流程比较熟悉，在数字技术的运用上还比较欠缺。应对对策：内部进行有针对性地分级培训：对管理人员进行技能运用的价值和决策过程培训；对技术人员进行 BIM 建模、无人机操作和资料分析等方面的培训。另外引进科技咨询，引进 BIM 咨询公司和无人机测绘团队到工地进行现场辅导，帮助项目进行实操，逐渐培训出一支合格的专业团队。

（三）设备与环境限制

无人机容易受到大风（6 级以上大风）、暴雨和大雾等恶劣气象条件以及水电厂高压装置等电磁环境的干扰，导致资料获取过程容易被打断。应对对策：科学安排航拍时间，建立气象和电磁环境监控体系，对极端天气进行预警。配备抗扰动无人机（如波段分离等），建立应对复杂条件的应急测绘方案（如备用无人机、重点地区人工补测等），以保证数据的连续获取。

结束语

将 BIM 技术和无人机测绘技术结合起来，打破了传统方法的束缚，推广到从工程勘察到交付运营的全寿命周期均可以进行数字化和智能化的应用。通过对数据的精确采集、高效的协同管理和动态的质量安全管理，使项目的质量管理、效率和成本控制等都得到明显的提高。随着数字技术的不断进步和产业应用的不断深入，通过多项关键技术的集成和全寿命周期的覆盖应用，必将为我国的水安全和能源供给提供有力的支持，进一步促进我国的现代水利基础设施建设。

参考文献

[1]朱孟东.基于 BIM 技术的水利水电工程施工管理体系研究[J].科技创新与应用，2025，15（13）：185-188.

[2]于翔.水利工程无人机倾斜摄影测量技术应用研究[J].珠江水运，2024，（19）：122-125.

[3] 谈政， 邸国辉， 万年锋， 汪洋. 倾斜摄影技术在水利勘测设计中的应用[J]. 测绘与空间地理信息，2022，45（07）：232-234+238.

[4]杨阳.水利工程逆向建模空地数据融合及降噪方法研究[D].华北水利水电大学，2022.

[5]孙少楠，张瑞，于景波，杨仲洪.倾斜摄影技术与 BIM 技术结合在水利工程地形处理中的研究[J].中州大学学报，2018，35（06）：100-105+127.

[6]郭雁霄.水电工程 HBIM 数字图形信息采集技术研究与应用[D].华北水利水电大学，2018.

作者简介：李国民（1972-11）男，汉族，湖南耒阳人，本科，研究方向：工程技术，绿色建造，BIM 技术应用。