楊 敏，方 林，張 俊

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

近年來，三維激光掃描技術(shù)作為測繪行業(yè)中的新興技術(shù)力量得到了大力的發(fā)展和推廣，該技術(shù)可以無合作目標(biāo)地進(jìn)行快速高精度自動數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)一維、二維測繪到三維掃描測繪的質(zhì)變飛躍，為空間信息乃至紋理影像方面的獲取提供了全新的測繪技術(shù)手段，并在諸多領(lǐng)域取得顯著的應(yīng)用成效及解決了一系列技術(shù)難題。

隨著城市建筑的不斷更新，建筑體呈現(xiàn)多樣化的建筑形態(tài)，各種異形建筑、曲面建筑、網(wǎng)狀建筑百花齊放，與此同時對施工帶來了新的挑戰(zhàn)。其中針對弧形曲面建筑體中，往往需要獲得弧形曲面立面的精確現(xiàn)狀展開圖，來滿足施工下料及一些附屬構(gòu)件的安裝等［1］，然而由于現(xiàn)場實(shí)際施工誤差以及圖紙全面性等問題，可能會導(dǎo)致材料估算的不準(zhǔn)確、附屬構(gòu)件由于尺寸偏差反復(fù)回廠返工等。因此合理的解決方式是在施工前對既有建筑體重新進(jìn)行測繪復(fù)核后將成果通過技術(shù)手段進(jìn)行展開鋪面，基于復(fù)核后的測繪成果進(jìn)行必要的施工調(diào)整來避免上述問題。對此傳統(tǒng)單點(diǎn)采集的測量方式難以將弧形曲面準(zhǔn)確繪制出來，且工作效率低，數(shù)據(jù)成果不直觀，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，三維激光掃描技術(shù)可以在較短時間內(nèi)全方位、高精度地采集擬定目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)，形成海量的數(shù)據(jù)成果，即點(diǎn)云，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是被測物體表面的描述，具有數(shù)據(jù)量大、密度高、可量測、帶光學(xué)特征信息、體現(xiàn)表面紋理影像信息等特點(diǎn)。

本文將以實(shí)際項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹采用三維激光掃描技術(shù)，基于高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過不同方法進(jìn)行成果轉(zhuǎn)換，進(jìn)而準(zhǔn)確獲得弧形曲面建筑體現(xiàn)狀立面的展開圖，為類似的項(xiàng)目提供參考。

1 項(xiàng)目概況

某弧形建筑體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑物的形狀總體呈大跨度弧形曲面，建筑立面頂部及中間開口區(qū)域同樣由弧線構(gòu)造而成，建筑設(shè)計總長度為 53.2 m，弧長為 97.6 m，總高度為 8.3 m，建筑面積約為 1 350 m2，主要功能為體育館附屬配套活動中心，主體結(jié)構(gòu)施工已基本完成，目前處于外立面裝修施工及附屬構(gòu)件安裝階段。根據(jù)設(shè)計圖顯示，在建筑體幾個主要立面將分別安裝三段弧形的連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)雨蓬，如圖 1 所示，涉及的鋼構(gòu)件包括矩形鋼管、等邊角鋼、工字梁、玻璃雨棚連系梁等，雨蓬外包采用氟碳鋁單板。設(shè)計總說明中的鋼結(jié)構(gòu)安裝和其他注意事項(xiàng)中明確指出：①必須保證錨固鋼筋與預(yù)埋鋼板的焊接可靠，預(yù)埋鋼板定位準(zhǔn)確；②預(yù)制鋼構(gòu)件加工前應(yīng)對建筑圖紙尺寸進(jìn)行核對調(diào)整；③與主體結(jié)構(gòu)相連部分，須結(jié)構(gòu)設(shè)計計算認(rèn)可后方可施工?？紤]到弧形建筑體會存在一定的施工誤差，且由諸多鋼構(gòu)件組裝而成的弧形雨蓬是否能與所需安裝段的建筑體本身的弧形曲面墻面相匹配，都將直接影響到現(xiàn)場安裝的質(zhì)量，可以預(yù)見的是鋼構(gòu)件反復(fù)返廠糾偏。因此需要對主體建筑進(jìn)行現(xiàn)狀測繪，隨后通過技術(shù)手段還原曲面的展開面來為準(zhǔn)確定位和尺寸糾偏提供支撐，此外根據(jù)現(xiàn)狀測繪成果聯(lián)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計建立計算模型來進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算同樣值得關(guān)注［2］。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)雨蓬設(shè)計平面布置圖

2 弧形曲面建筑中的展開應(yīng)用

本次采用三維激光掃描技術(shù)，對弧形曲面建筑體進(jìn)行外立面的數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場采集的方式可以分為標(biāo)靶拼接和重合率拼接兩種，根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，為保證精度的可靠性，建議采用標(biāo)靶拼接的模式，同時通過盡可能地減少測站的架設(shè)數(shù)，來提升整體的拼接精度，獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型后［3］，通過兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及分析擬合，從而獲得建筑外立面的現(xiàn)狀展開面，為施工安裝提供可靠依據(jù)。

2.1 依托三維分析軟件

根據(jù)現(xiàn)場掃描結(jié)果，將測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪等操作后得到立面三維點(diǎn)云模型，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Geomagic 建模軟件中，調(diào)試合適的三角面片數(shù)量后將現(xiàn)狀點(diǎn)云直接轉(zhuǎn)換成面形成三維實(shí)體模型［4］，進(jìn)行一定的修面補(bǔ)面及網(wǎng)格優(yōu)化處理，隨后將模型導(dǎo)入 Rhino 三維軟件中，如圖 2 所示。在線框模式下對弧形曲面模型進(jìn)行描繪使得建筑輪廓及立面開口區(qū)域得到重構(gòu)，利用軟件中的曲面展開功能進(jìn)行展開，如圖 3 所示。該方法適合于較為常規(guī)的弧形曲面，在操作過程中需要注意兩點(diǎn)，一是弧形曲面只能單一區(qū)塊的展開，因此對于立面上的弧形門窗及開口洞口需要分別逐個進(jìn)行重構(gòu)展開；二是當(dāng)弧形曲面上有凹凸或不規(guī)則情況時，三維軟件的算法將出錯，無法準(zhǔn)確識別及展開。

圖2 弧形立面三維實(shí)體模型

圖3 部分弧形曲面在軟件中的展開

2.2 依托點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合

本方法的主要思路是定位曲面上類似門、窗、洞口等輪廓特征點(diǎn)在平面和立面上的位置關(guān)系，通過各類坐標(biāo)點(diǎn)的剖切組合出弧形曲面的展開面。首先將處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入 CAD 中進(jìn)行平面的描繪，過程中通過與三維模型的結(jié)合確定各個特征點(diǎn)在平面上的準(zhǔn)確位置，此時可以首先繪出弧形曲面建筑的平面圖，通過不同標(biāo)高的水平切片可以確定整個弧形展開面的總長度和其外立面上門、窗、洞口的寬度及在展開面上的定位關(guān)系，隨后在點(diǎn)云模型上點(diǎn)選出這些特征點(diǎn)，共布置 22 個點(diǎn)位，如圖 4 所示。通過軟件的剖切功能對所有布設(shè)點(diǎn)進(jìn)行逐個縱向剖切，如圖 5 所示。獲得該點(diǎn)及對應(yīng)弧頂?shù)母叱套鴺?biāo)點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)信息補(bǔ)充到展開面的 CAD 測繪圖中，通過各特征點(diǎn)對應(yīng)弧頂?shù)母叱套鴺?biāo)點(diǎn)的連線來完成整個上部弧線的繪制，對于立面中部開口區(qū)域也采用同樣的方式進(jìn)行處理，最終獲得整體的弧形建筑現(xiàn)狀平面及展開圖，測繪成果如圖 6 所示。

圖4 點(diǎn)云模型特征點(diǎn)選取

圖5 點(diǎn)云模型特征點(diǎn)剖切過程

圖6 弧形建筑立面現(xiàn)狀測繪成果

2.3 方法比對分析

綜上所述，軟件分析法適用于立面上較為簡潔的弧形曲面建筑，當(dāng)立面元素較為復(fù)雜時，內(nèi)部多個曲面使用軟件展開功能可能出錯，但對于最外圍的整體體型輪廓而言較為可靠，相比于點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合法來說，它的優(yōu)勢在于大跨度弧形曲線更為自然，接近現(xiàn)狀。而點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合法則是通過點(diǎn)位的弧線連線組合來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，因此該方法適用的條件為整體建筑外立面上要有盡可能多且排列分布較為均勻的門、窗、洞口等特征點(diǎn)可以采集，即可以認(rèn)為是立面元素復(fù)雜的情況，但對于頂部及中部的開口區(qū)域的弧線而言，最后的成果僅僅是多個弧線的連接組合，當(dāng)立面特征點(diǎn)的數(shù)量越少，相鄰點(diǎn)位間距越大時，將影響測繪成果的線形過渡及準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，兩種方法也可以進(jìn)行成果互校。

3 結(jié)語

本文以實(shí)際施工安裝項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述了采用三維激光掃描技術(shù)在弧形曲面展開中的應(yīng)用，分別介紹了依托三維分析軟件及點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型擬合兩種方法，通過不同的軟件及操作方法對成果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而獲得弧形曲面建筑展開圖，同時根據(jù)各自的特點(diǎn)進(jìn)行比較及適用要素的總結(jié)，為今后類似的項(xiàng)目提供參考。Q