符长青
建筑业生产是人类社会最古老、最活跃的生产建设活动之一。在世界上每一个国家的城市化和工业化发展过程中，建筑业都是迅速发展的行业。本文阐述先进无人机在建筑领域的运用，为科学有效的管理体系构建和建筑业生产经营的效率提升提供参考。
建设工程的定义包含建筑工程、土木工程、管道线路与设备安装工程、装修工程等内容。其中，建筑工程是指，为新建、改建或扩建房屋建筑和附属建筑设施，工程技术人员开展规划、勘察、设计、施工、竣工等工作并完成工程实体建设。房屋建筑工程是人们最熟悉的工程，房屋是指有屋顶、梁柱、墙壁、基础设施、内部空间的建筑物，满足人们生产、生活、公共活动的工程实体，包括厂房、剧院、旅馆、商店、学校、医院和住宅等建筑。
建筑行业简称建筑业，涉及建筑工程项目设计、施工、装修、管理等多个层面。建筑业生产是劳动者利用机械设备与工具，按设计要求对建筑对象进行加工和制作，从而生产出满足要求的产品。它具有工业生产的特征，而且拥有许多不同于一般工业生产的技术和经济特点，因而是一个独立的生产部门。
建筑产品的主要特点
1.产品固定在地面上，不能移动。
2.复杂多样，彼此各异。
3.形体庞大，整体难分。
4.经久耐用，使用期长。
建筑生产的主要特点
1.生产具有流动性。生产机构、人员、设备、工具随施工位置变化而流动，手工操作比较多。
2.生产针对单件建筑产品。由于建筑产品及其功能要求不同，每个建筑工程项目都有独特的工程设计和施工组织，产品成本必须单独核算，产品价格必须单独确定。
3.生产周期长。生产要长期占用大量的人力、物力和资金。
4.露天和高空作业多。生产过程受自然天气条件影响大，生产质量和安全问题突出。
建筑业是国民经济的重要行业，与整个国家经济发展、人民生活改善息息相关。当前，我国建筑业发展迅猛，如火如荼，遍及全国各个区域，建筑风格新颖多样，尤其是一些公共建筑，其独特的造型和结构彰显出特有的城市个性与风采，成为地标性城市建筑，使地区经济与文化获得了一种独特的魅力。同时，建筑业的发展是我国经济发展的重要支柱，起到举足轻重的关键性作用。2021年，全国建筑业企业总产值29.3万亿元，比2012年增长1.14倍。
图1 目前我国建筑业发展迅猛。
无人机是指机上没有操控员、安装了任务载荷的动力飞行器，采用空气动力提供飞行所需的升力，能够自动飞行或由操控员控制飞行，具备以下几方面突出优势。
1.无人机能出色完成单调枯燥、时间长、强度大的艰苦任务。
2.在恶劣、高危环境下，无人机能胜任核生化环境监测、应急救援等任务。
3.由于机上没有操控员，无人机在飞行中能完成大过载动作，机动性好，生存能力强。
4.研制、生产和使用成本低，经济性好。
5.配置灵活，任务多元化，任务模块可根据实际使用需求而灵活调整。
专用于建筑业的无人机称为建筑无人机，它按照建筑业施工作业的要求，执行多种任务，给建筑业带来了巨大的变化。新一代建筑无人机甚至能取代施工人员，承担施工工地上最危险或最困难的施工操作。
近年，随着科学技术的不断进步与发展，特别是随着无人机技术的快速发展、民用无人机性能的大幅提升、任务载荷功能的不断扩展，建筑业正在引进新的无人机技术。2015年，无人机在建筑工地观察施工现场，节省了时间和资金，提高了施工现场作业的效率和安全性。2018年，无人机在建筑业中的使用大幅增长。实践证明，建筑无人机的应用简化了高级施工程序。
建筑业生产使用无人机，将改变传统的作业模式，简化工作流程。无人机凭借机动性高、数据实时传输等独特优势，能节约劳动力，降低成本，有效提高施工质量、作业效率和施工安全性，非常适合在恶劣、复杂的施工环境下作业，给建筑业生产的工作条件改善、工作效率提升、现代化建筑业生产的快速发展带来了契机。
图2 无人机在建筑领域大有用武之地。
图3 无人机航拍建设中的工程项目。
地形测绘与土地调查
测绘是测量和地形制图的简称。建筑工程的勘察设计与施工阶段都需要地形测绘，特别是建筑部门在规划复杂的大型建筑工程项目时，首先要测量、采集自然地理环境，地面设施的形状、大小、空间位置及其属性等要素，并将相关要素绘制成图，作为建筑工程项目设计的依据，避免工程设计或施工过程出现地形不适合的错误。传统的测绘方法是，测绘人员使用全站仪、水准仪在地面上进行人工测绘，然后根据测量数据，绘制地形地貌图。这种传统测绘方法耗时长、工作量大。
无人机测绘与土地调查综合集成了无人机、传感器、通信、飞行控制与导航、图像处理等多学科技术。无人机在空中实时获取目标区域的地理空间信息、施工现场及周边环境的高分辨遥感数据，通过通信系统将这些数据传给影像处理系统，影像处理系统再对无人机遥感数据进行加工，最后，建筑部门获得了高质量的地形图及3D模型。在无人机实际作业中，平均测绘精度为20cm/像素。例如1km2的区域，光电吊舱测到的点可达2500万个，地形影像更加清晰。
与传统测绘方法相比，无人机地形测绘与土地调查仅需一名操控员即可完成影像拍摄、数据处理、地形地貌图制作，具有数据获取速度快、测绘精确度高、测绘工作量小、成本低、技术含量高等特点。统计资料显示，无人机测绘作业以及后期数据处理的用时，仅为传统人工测绘用时的30%。
城市规划
城市规划是一种空间地域的规划，涉及社会发展、城市经济发展、土地利用、空间布局、各项建设工作部署、具体安排和实施措施等内容。城市规划需要大量的测绘信息，并制作数字地形模型。城市规划采用无人机倾斜摄影技术，可以快速获取城市房屋的外部信息、高程信息、屋顶矢量信息等地物信息。内业人员利用房屋的外框、屋顶坐标等信息，快速生成数字线划图（DLG），同时利用无人机测绘信息，对大比例尺土地利用图、地形图进行修复，为1:2000、1:5000、1:10000规划制图提供经济、快速的数据源。
规划地图采用无人机数字正射影像图，使规划内容与周边环境的关系变得更加清晰。三维城市模型呈现了一种具有三维视觉、听觉和触觉的环境，使规划环境置身于现实环境之中，实现了可视化规划成果，为相关部门的规划方案设计、修改及实施提供了有效的信息支持。同时，建筑部门利用基于无人机倾斜摄影技术的正射影像数据和三维模型数据，可以从宏观和微观两个层面对城市进行视察，了解城市环境的每一个细节，非常方便地分析所规划地段的周边环境，提高了总体规划的效率。无人机提供的基础信息可以帮助城市规划管理者做出科学的规划决策，推动城市健康发展。
道路建设
道路建设不是一次性过程，包括道路建设及运营维护两个阶段。无人机机动性高、使用灵活、不受地形限制、环境适应性强，可承担道路“建、管、养”等任务。实时、准确、具有可比性的3D建模数据对道路施工前期、施工阶段及运维阶段都至关重要。
1.无人机在道路建设阶段的运用
工程技术人员结合无人机航拍影像，完成地质、水文判断工作，为线路选定、桥渡方案制定、线路勘测设计提供信息支撑，满足道路设计初测用图的需求，实现多种专题内容判断。
2.无人机在道路运维阶段的运用
无人机将航拍、计算机视觉、图像与影像处理、信息管理等技术相结合，替代人工开展道路建设后期的运维工作，持续记录路面的破损状况、道路修复后的使用情况。无人机影像数据在泥石流、崩塌、滑坡等调查工作中发挥了重要的参考作用。
桥梁和隧道巡检
桥梁和隧道在现代四通八达的路网（包括铁路和公路）系统中的占比较大。为了确保交通运输安全，桥梁和隧道预防性养护与巡检极为重要。传统的人工巡检方法是，人员使用爬梯、支撑架、桥检车到达检测区，依靠肉眼或望远镜等辅助工具来检测桥梁主要结构件的裂缝、开裂破损、露筋锈蚀、支座脱空等病害，以及隧道裂缝、渗漏水等状况。人工巡检属于高空危险作业，不仅效率低、难度大、危险系数高，而且操作难度非常大，存在检测盲区。特别是大跨高墩桥梁，斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥等具有特殊结构的桥梁，人工对梁底板、塔柱、索缆、斜拉索、塔顶避雷针等部位进行检测，难以达到桥梁检测精度的要求。
图4 在道路建设阶段，无人机为线路选定、桥渡方案制定提供信息支撑。
无人机应用于桥梁检测，能够实现空中定点悬停检测，搭载多种相机对桥梁进行拍摄，实时传输航拍影像（见图5），可消除人工桥梁检测方法的局限性，使桥梁检测工作更加安全、可靠。
图5 无人机在空中检测桥梁现场。
与传统人工巡检方法相比，无人机巡检具有以下优势。
1.安全性高
人工巡检一直是高危险、高成本工作。无人机巡检完全避免了检测人员伤亡的可能性，提高了作业的安全性。
2.精确度高
运维人员基于无人机采集的高清影像创建三维模型，定量标出各类缺陷的大小及位置，裂缝精度可达0.2mm。无人机搭载高清摄像机对桥梁病害进行细致的拍摄，大大提高了检测精准度。
3.效率高
通常，桥梁在建成20年或30年之后，便进入高龄、病害多发期，必须经常接受检测和维护。无人机对跨度120m的桥塔进行检测，只需不到15min的时间，大大提高了检测效率，而人工根本无法在如此短的时间内完成桥梁检测。
4.检测范围广
无人机按预设航线自主飞行，采集桥梁底部、桥墩、支座、侧面、桥塔、桥索等部位外观的高清影像，检测范围广。
5.成本低
无人机桥梁巡检所采用的技术均为比较成熟的技术，在其他工业领域早已大规模应用，如导航定位、高清相机与摄像机、无线电遥控遥测等技术，只需给电池充电，没有其他额外费用，巡检成本远低于搭架检测和桥梁检测车。
在科技高速发展的今天，人工巡检桥梁、隧道、路面的传统方法在不久的将来会被淘汰，取而代之的方法是无人机巡检。
建筑选址
建筑地选址必须满足相关部门已批准的城市规划的要求。一是需要与城市交通、通信、能源、市政、防灾规划和用地现状条件衔接，并考虑配套设施建设的可能性；
二是要与周边环境和谐共处，减少施工对周围交通设施的影响；
三是尽量保护原生态系统，对腐蚀物和沉积物给予控制，对地表径流进行科学管理；
四是与城市环境保护，风景名胜、文物古迹保护、历史风貌区保护等规划相协调。
无人机在建筑选址中的应用非常重要、广泛。在建筑工程前期的准备工作中，无人机利用航拍与导航定位等技术，辅助人工开展测量放线、场地平整、道路规划等工作。无人机在空中航拍地形，并向地面工作人员实时传输勘测图像（见图6），工程技术人员利用无人机传输的数据，以更加安全、高效的方式完成建筑工程位置勘测，为建筑师提供全面详实的大型建筑工程的位置测绘数据。通过无人机任务规划和3D建模软件，施工团队可以轻松且快速地收集各项数据，为建筑工程选址，其中包括周围已有的建筑物、道路、水源、电力线、管道等基础设施判释，为施工便道、用水、供电等需求提供设计参考资料。地形判释可为拟定施工运输方案提供依据。航摄影像中的河沟、洪水位点、水坡点等要素的立体判释资料将为施工现场防洪设计等工作提供支持。
图6 无人机勘测建筑工程的位置。
工地设备管理
大型建筑工地有许多塔式起重机、混凝土搅拌车、翻斗车、挖掘机、铲运机、配电箱、木工加工设备（圆盘锯）、钢筋加工设备（切割机，调直机，弯曲机）、工程三轮车等常用设备。只有少数简单工具属于施工单位的自有设备，大多数设备都是租赁的。在施工过程中，施工团队需要在工地各施工作业点调用这些设备。一些重要设备由专人负责管理，逐台跟踪，管用结合，严格监护。由于设备种类和数量多，工地项目经理要掌握和记录每台设备在工地上的实时位置、使用效果和维护情况。设备现场管理通常涉及大量而冗长的电子表格，给项目经理的日常管理工作带来巨大的压力。
项目经理使用无人机管理工地设备，可以定时或不定时地放飞无人机对设备进行监视，利用无人机在工地上空航拍的图片或实时影像，可快速检查设备是否真正位于实时需要、足够安全的位置，清楚掌握设备的实时运转状态，并详细填写重点设备每日运转跟踪手册及每月运转工作统计表。当无人机监视画面出现未经授权的人员靠近或使用设备时，项目经理利用无人机空中喊话器、高分贝喇叭进行空中喊话，以驱离未经授权的人员，防止设备损坏或被盗。另外，项目经理利用无人机传输的信息，可以快速找到工地现场中应该终止租赁的设备，从而避免昂贵的意外延期费用支出。
设备出现故障是工地设备管理经常面临的一个问题。若施工单位不能科学管理施工机械设备，就会直接影响施工安全。因此，施工单位应该合理养护、检修施工机械设备，确保设备满足工作规范。无人机可对高空施工设备的工作稳定性和结构件进行检测（见图7），为施工单位提供高分辨率检测图片和影像。无人机具有数据录制与远程访问功能，可实时展现和记录故障设备的画面。通过通信网络，设备租赁公司的维修技术人员可实时获取无人机传输的设备检测信息，以便在进入工地现场进行维修前，就能更快速、更准确地诊断故障。
图7 无人机对高空施工设备（塔吊）进行巡检。
施工安全管理
施工安全管理是指施工管理者运用经济、法律、行政、技术、舆论、决策等手段，对人、物、环境等管理对象实施管控，排除不安全因素，以达到安全生产的目的。建筑行业属于高危行业，施工现场高处作业多、露天作业多、体力劳动多、立体交叉作业多等因素容易导致人员伤亡事故。统计资料表明，在施工过程中，跌倒而死亡的人数约占事故死亡率的39%。例如人工测量，工人必须爬到一定高度并在危险条件下进行测量操作。针对此应用场景，无人机完全可以替代人工进行测量操作，既可消除施工人员在施工现场面临的风险，又能够提高测量精度与效率。
建筑工地之所以会发生施工安全事故，关键原因在于工地上存在一些事故隐患或危险源。因此，项目经理和施工安全员必须首先确定不安全的因素，然后采取措施消除或严格控制事故隐患和危险源，制定科学的防范规章制度来管理和控制各项风险。在施工开始时，施工安全员可使用无人机对施工现场进行空中实地勘察，对无人机获取的有可能导致事故发生的相关信息进行准确而客观的分析和评价，确定可能存在的各种隐患和危险源，编写隐患和危险源清单，以此清单作为安全防范的前提条件，合理制定安全风险防范策略，确保工程项目安全实施。例如，在建筑项目施工过程中，施工人员通常会在建筑平台板、脚手架等设施施工。因此，施工单位必须保证这些设施的结构和强度符合设计要求，并增设安全防护设施，确保建筑结构、外部结构的安全性和稳定性。施工人员开展高空作业必须系好保护绳，确保生命安全不遭受威胁等。
在施工过程中，施工单位首先应合理制定安全管理制度，划分清晰的安全生产责任，并落实到人。施工安全员使用无人机对施工现场进行监视和督导，利用无人机在工地上空拍摄的图片或录像画面，实时发现施工现场出现的各种不规范、不安全的施工情况或事故苗头，并用无人机空中喊话器通知、指导现场工人立即改正，达到及时消除事故隐患、确保施工安全的目的。
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