基于BIM+无人机智能化喷涂技术的大跨径高墩桥梁病害处治应用研究

　　一、案例描述

　　(一)工程概况

　　龙潭河特大桥位于湖北省宜昌市沪渝高速长阳段内，主桥墩高达178米，桥面标高约190米，2009年底完工并通车，也是当时亚洲第一高墩。在特殊检测中发现腹板裂缝、墩身裂缝、墩身锈胀露筋等病害，需对上述病害使用除锈防腐、裂缝封闭等方式进行处治，作业区域呈点式分布于桥墩10米至160米各处。采用传统的桥墩病害修复方案需采用挂篮+人工的方式进行高空作业，许多位置难以到达，施工极为不便，且存在极大的安全风险。

　　图1-1 龙潭河特大桥立面图

　　(二)实施目的

　　为使龙潭河特大桥桥墩病害得到快速准确的修复，在保障施工人员安全、降低对主线交通的影响、压缩施工成本的前提下，湖北交投宜昌高速公路运营管理有限公司提出了“基于BIM+无人机智能化喷涂技术的大跨径高墩桥梁病害处治”方案，这在行业内还是首次。

　　(三)施工方案

　　1技术路线

　　BIM+无人机的数字化施工技术，先通过无人机采用倾斜摄影、点云数据采集方式，获取龙潭河特大桥的空间定位、几何特征、建筑外观等进行BIM建模，完成桥体病害点的标注工作。随后将模型通过数字化传输至无人机，在“病害点”依次完成病害表面清洗、除锈剂喷涂、防腐剂喷涂等主要步骤。

　　2具体实施方案

　　2.1 BIM建模

　　BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型，这里通过无人机采集龙潭河特大桥病害缺陷高清图像，对高清图像数据进行缺陷识别、标注和测量等分析，形成数字化检查结果。具体流程如下:

　　首先利用无人机采集桥梁的模型数据和高清图像数据，根据图像重构桥梁的轻量化三维实景模型，并对高清数据进行识别、测量及定位等处理，得到缺陷的类型、尺寸及位置等信息，最后将缺陷数据投射在轻量化三维实景模型上，形成三维可视化的数字化检查结果。

　　对高清图像的处理依靠人工智能算法自动处理，通过对卷积神经网络模型进行训练，可快速地对图片进行缺陷识别检查，目前对缺陷的识别率达到 90%，后期通过完善模型和采集更多训练数据来共同提高模型的识别率，预计模型识别率可达 92%以上。

　　针对已经识别出缺陷的图像，进行增强、去噪、图像分割、边缘检查等一系列处理，得到缺陷分割效果图和缺陷像素级的测量结果。采用基于深度学习的优化分割算法，缺陷像素级重叠率高，并且能够在细小裂纹、复杂背景、人为标识等干扰情况下给出正确的分割结果。

　　为了得到缺陷的真实长度、宽度和位置信息，首先建立所有平面照片与立体模型间的投影关系，找出每张照片在桥梁立体模型中的位置，并根据反投影关系开发了缺陷映射算法，将缺陷像素级的测量结果转化为缺陷的真实尺寸。

　　利用倾斜摄影+BIM重建技术，采用无人机拍摄的照片重建桥梁三维模型，作为数字底座，将裂缝等缺陷数据直观地展示在三维实景模型中。

　　通过无人机规划航线自动采集桥梁高精度图像数据，利用图像重构桥梁轻量化、单体化的三维实景模型，作为检查数字化数据的数字底座。采用VDIMI2.0处理软件，对高清图像数据自动进行缺陷识别、标注和测量，得到的数据结果投射在三维实景模型上，形成桥梁三维可视化、数字化成果，同时可在三维数字平台直接导出检查数据报告，从而实现检查数据采集自动化、数据处理智能化、数据结果可视化。检查结果可直接在公路桥梁大数据与智能决策系统中进行展示和查询。

　　2.2现场打样测试

　　正式施工前，先对本项目进行可行性打样测试。在确保安全的前提下，对整体施工方案进行可行性分析测试，现场评估施工方案的安全性、喷漆效果、工作效率，通过测试后才能正式施工。测试内容如下：

　　通过测试并确认效果良好后，方可进入正式施工阶段。正式施工主要由3道工序组成，即病害表面清洗，除锈剂喷涂和防腐剂喷涂。本工程工序安排为全部桥墩完成上一道工序后，再开展下一道工序。根据现场情况可进行调整，但必须保证同一病害点两道工序之间间隔至少一天。

　　2.3病害表面清洗

　　人员及机械材料到场后，布置现场安全设施，组装无人机及喷嘴，组装好后开展早班会，拍摄施工前照片，然后加水12kg左右，一名飞手启动无人机，一名飞手对照病害点清单报点，一名飞手进行肉眼观察，飞至该施工面最高病害点处，启动泵机进行病害点清洗，清洗范围应远大于病害点范围，完成一个点后，飞至次高点位哦，重复上述步骤，直至无人机电池用尽或水泵电池用尽或清洗用水用尽，返回地面进行电池或材料补充。每天完工后对或无人机每次降落，需对完成工程量进行拍摄。

　　2.4除锈剂喷涂

　　人员及机械材料到场后，布置现场安全设施，组装无人机及喷嘴，组装好后开展早班会，拍摄施工前照片，然后加除锈剂，一名飞手启动无人机，一名飞手对照病害点清单报点，一名飞手进行肉眼观察，飞至就近病害点处，启动泵机进行病害点除锈剂喷涂，喷涂范围略大于病害点范围，小于清洗范围，完成一个点后，飞至次近点，重复上述步骤，直至无人机电池用尽或水泵电池用尽或除锈剂用尽，返回地面进行电池或材料补充，每天完工后对或无人机每次降落，需对完成工程量进行拍摄。

　　2.5防腐剂喷涂

　　防腐剂喷涂需进行两次。人员及机械材料到场后，布置现场安全措施，组装无人机及喷嘴，组装好后开展早班会，拍摄施工前照片，然后加防护涂料，一名飞手启动无人机，一名飞手对照病害点清单报点，一名飞手进行肉眼观察，飞至就近病害点处，启动泵机进行病害点防护涂料喷涂，喷涂范围略大于喷除锈剂范围，完成一个点后，飞至次近点，重复上述步骤，直至无人机电池用尽或水泵电池用尽或除锈剂用尽，返回地面进行电池或材料补充，每天完工后对或无人机每次降落，需对完成工程量进行拍摄。

　　在第一道防护涂料喷涂完毕后，对施工成果进行验收，完成验收后进行第二到喷涂，施工过程与第一道施工一致，喷漆范围应略大于一道喷漆范围。

　　2.6查验复核

　　龙潭河特大桥8组桥墩在无人机喷涂完成后，经检测，已经不存在存在裂缝、变形、锈蚀等问题，表面无剥落、起泡、变色等现象，涂装完整且颜色一致，达到了相关的技术要求，修复效果较好。且项目未发生工期延误情况，未发生安全生产事故、质量生产事故、环保事故、消防事故，未收到政府、居民的投诉，施工过程顺利。

　　二、技术要求

　　(一)仪器

　　1飞行平台

　　BIM建模采用经纬M300 RTK无人机作为检查平台，平台拥有众多智能功能，可同时支持三云台，支持六向定位避障，防水等级IP45，续航可达 55 分钟，有效作业时间40分钟。GPS信号良好的区域，可利用GPS-RTK技术对无人机进行精确定位(精度为厘米级)，没有GPS信号或GPS信号弱的地方，可利用手动补拍。

　　表2-1 经纬M300 RTK主要性能参数

　　喷涂作业采用大疆FC30(FlyCart30)作为飞行平台，FC30采用4轴8桨多旋翼构型，双电模式下最大载重30公斤、满载最大航程16公里。整机具备IP55防护等级，可适应-20°C至45°C的工作环境温度，最大飞行海拔高度6000米，拥有超强环境适应性，可适应全天候、宽温域、跨海拔的作业场景。

　　表2-2 大疆FC30主要性能参数

　　2云台及相机负载

　　采用2010万像素双长焦相机，能够实现小画幅高分辨率图片的拍摄，能够捕捉并识别宽度0.15mm以上的裂缝等细小病害缺陷，大大提高作业质量和效率。

　　表2-3 双相机云台参数

　　3地面控制站

　　大疆M300 RTK的地面控制站为自带的图数传遥控一体机，利用地面站软件能够规划无人机航线和设置相机参数，并将任务指令在起飞前发送给无人机，使无人机实现桥梁全方位、自动化的影像采集，并获取高质量、清晰明亮的影像。

　　图数传遥控一体机随时保证与无人机平台系统的通讯，具备信息的收、发功能，在整个飞行过程中畅通无阻，实时、可靠地传输所有数据。

　　智能判断非正常的控制信号丢失情况，做出适当的失控保护处理。当无人机全自动执行飞行任务时，即使无线信号丢失，无人机也会继续完成预设的航线飞行任务;除此以外，也可以随时点击返航按钮，系统将立即中断当前的飞行任务，命令无人机开始返航。

　　4航线规划软件

　　根据桥梁不同的检查部位及检查精度，确定无人机飞行的轨迹及拍照参数，利用自研无人机航线规划软件，提前规划好无人机飞行航线，并将KML航线文件导入地面控制站，即可控制飞机按照规划的航线飞行并采集图像数据。

　　5数据处理软件

　　采用自研数据处理软件VDIMI2.0进行数据处理，可以实现缺陷的自动识别、 定位和测量，可识别0.1mm以上的裂缝等缺陷，缺陷的识别率在90%以上，缺陷定位精度为2cm，裂缝宽度的测量精度为0.02mm。

　　(二)材料

　　1 JTLAB-FTH·混凝土防碳化涂料

　　1.1材料介绍

　　JTLAB-FTH·混凝土防碳化涂料是一种高性能防碳化乳液改性的

　　水泥基聚合物复合材料。混凝土防碳化涂料乳液中含有独特的共聚成分在水泥中引起交叉 反应链形成聚合物--水泥水化物的互传网络结构，产生化学与机械结 合的内聚力与附着力，提高了拉伸强度和粘结强度，涂在混凝士表面 并与之牢固粘结形成高强坚韧耐久的弹性涂膜保护层，可有效阻止环 境中二氧化碳、氯化物、氧气和海水、酸雨等腐蚀介质对结构材料的侵蚀。

　　1.2材料特点

　　JTLAB-FTH·混凝土防碳化涂料具有良好的粘结强度与粘结能力，可涂刷在多种建筑材料表面;能够抵抗大气侵蚀，抗紫外线照射、耐磨损，正常使用条件下，使用寿命可以达20年以上;具有优良的柔韧性，既可封闭微细裂缝的进一步扩展，又可抵抗由于混凝土基体膨胀、收缩而引起的新的开裂的产生，阻止水份进入混凝土内部。

　　2高性能钢材除锈防护剂

　　2.1材料介绍

　　该产品是最新的钢铁防腐蚀材料，对已生锈的未预处理的钢铁表面提供长久高效的保护，不仅显著廷长防腐蚀面的使用寿命，而且防腐蚀涂装过程更加简单、高效、经济、环保。新方法是基于新的化学螯合方法将铁表面的锈饿转化为疏水钝化层。和传统体系相比，该转锈防腐蚀系统在再次锈蚀发生之前提供更长久的保护。

　　2.2材料特点

　　操作简单省时，比其它钢铁防蚀涂装技术表面处理要求少，不需对铁锈进行打磨、水洗、酸洗、磷化、喷砂等处理，防腐蚀涂装变得十分简单方便，易于操作。防再锈蚀性能优异，具有螯合反应性，得到致密黑色惰性保护层。极佳的成膜和粘结功能，对已经锈蚀严重的钢铁部件具有加固修复的作用，大大延长使用寿命。材料PH中性，对钢材基本无腐蚀。

　　(三)人员

　　在BIM建模时期投入的人员数量如下：

表2-4 BIM建模时期人员投入表

　　

　　在无人机喷涂施工时期根据实际工程量及进度计划安排，同时考虑现场环境、天气等各种因素，另选5人做好生产、预备防范，特别是在低温季节将来之时，将增加投入人员力量，确保施工高峰期我单位投入的劳动力满足工程实际要求，保证工程进度;我公司将对本标段的劳动力实行动态管理，即每月保持一定数量的各专业工种人数，力求在保证进度的前提下，使劳动力的配置尽量合理。

表2-5 喷涂施工作业人员配置表

　　

　　三、经济效益与市场前景

　　(一)无人机施工优势

　　1人员车辆投入

　　传统挂篮施工必须进行交通管制，需要人员摆放封闭区，出动桥梁检测车、汽车吊、警戒车、防撞车、皮卡车等，同时配备安全员、技术工人和普通工人，人员的费用按日结算，车辆的费用按台班结算，人员车辆费用投入合计约94.6万元。而无人机施工不需要进行交通管制，人员的投入也更少，可节约一部分的预算。

　　2安全设施费用投入

　　传统的挂篮施工要求作业工人悬于高空，依靠钢丝悬吊进行作业，需安装吊架平台，龙潭河特大桥安装吊架平台材料的花费约为165万元。无人机喷涂则没有这一部分的费用，可节约165万元的预算。

　　3施工周期

　　挂篮施工在移动和调整过程中耗时费力，封闭区的摆放也需要时间，部分作业区域难以达到;无人机喷涂作业无需摆放封闭区，仅需2分钟就可抵达160米处的目标点位，操作人员在电脑上输入指令，对锈蚀钢筋区先进行清水清洗作业，仅用时15分钟就能完成单个节点，随后再对病害区除锈、防腐剂喷涂工作，全部施工在45分钟内就可完成。喷涂作业效率高，能够在短时间内覆盖大面积区域，显著缩短了施工周期。

　　4材料利用率

　　传统的挂篮施工需要人工对病害点进行除锈和防腐材料涂刷，材料的用量控制无法做到精细化，材料的浪费不可避免。而无人机能够精准控制喷涂量，其喷涂厚度一般在0.1—0.12毫米，按每次装载5升材料计算，可以喷涂40平，这有效节省了喷涂物料的使用。

　　5可循环利用性

　　根据桥梁的具体结构和荷载要求，挂篮常常需要进行定制设计，可重复利用率低。无人机喷涂适用于各种结构的桥梁，无需定制设计专门的无人机，可重复利用率高。

　　(二)市场前景

　　无人机喷涂作业相较于传统的挂篮施工有着明显的优势。在成本投入方面，挂篮及封闭区措施费就高达160余万元，而无人机喷涂无需任何措施费投入，仅需管理人员和无人机飞手到场，节约了大量成本;在安全方面，无人机喷涂作业借助机器取代人工，无需任何工人进行高空作业，大大降低了施工的安全隐患;

　　龙潭河特大桥完成无人机喷涂后，我司对其他的有病害的桥梁桥墩也进行了无人机喷涂修复，病害修复效果较好，相较于传统挂篮施工，不仅施工速度大幅提升，成本效益也大大提升。目前，对于此项技术正在申请实用新型专利。

　　无人机还能在作业过程中实时采集高墩的图像数据，为病害评估和后续维护提供详细的资料依据，有助于实现智能化、精细化的桥梁管养。未来，此项技术可更多用于特大桥和特殊结构桥

　　的养护管理过程中，随着技术的进步和市场认知度的提高，预计这一领域的市场需求将会持续增长，可能成为未来行业发展的新趋势。

　　四、社会效益

　　在进行无人机喷涂作业时，无需像传统施工那样占用道路或公共空间，这不仅大大减少了对公众日常出行可能造成的干扰和不便，也有效避免了因施工现场而可能引发的交通事故或其他安全隐患，保障了道路交通的安全顺畅，从而显著提升了公共安全的整体水平。

　　与此同时，得益于无人机技术的高度精确性，无人机喷涂技术能够确保涂层均匀且精确，它能够更加精准地控制喷漆的用量与分布，确保涂料都被高效利用，提供更好的防腐蚀保护，延长桥梁等基础设施的使用寿命。这有助于维持交通网络的良好状态，减少因基础设施老化导致的维修频率和成本，保证了公共服务设施的可靠性。涂料的高效利用还能最大限度地降低有害物质向环境中的排放，对环境保护工作起到了积极的促进作用，体现了科技发展与环境保护相协调的进步理念。