三维激光扫描技术在幕墙施工中的应用

卞涛 杨政宝 曹大伟

幕墙，顾名思义就是建筑物的一件外衣。幕墙是建筑物的灵魂，是建筑风格水平的外在表现，幕墙不断的更新换代推动了整个建筑业的迅速发展。正因如此，幕墙安装要符合玻璃幕墙安装施工质量要求,主体结构工程应满足幕墙安装的基本条件,特别是主体结构的垂直度和外表平整度及结构的尺寸偏差,必须达到有关施工及验收规范的要求。本文就青岛世界园艺博览会植物馆幕墙施工中的测量技术进行探讨。

1 工程概况

青岛世界园艺博览会植物馆工程位于青岛市李沧区天水路北百果山森林公园内，建筑总面积为12367平方米，建筑高度为35米，地下一层为钢筋混凝土框剪结构，地上部分为钢结构，分为A、B、C、D四个馆，本工程的幕墙形式为点支式玻璃幕墙，即采用钢结构作为玻璃的支撑受力体系,在钢结构上伸出点驳件用于固定玻璃幕墙。

2 测量方案的选择

青岛世界园艺博览会植物馆工程的设计理念源于树叶，主体结构为钢结构易变形，故给幕墙施工带来很大难度。为了保证幕墙能够顺利的施工，我们共制定了三种测量方案：近景摄影测量方案、三维激光扫描方案、免棱镜测量方案。通过现场的实践并综合考虑施工工期和测量精度这两个要素，发现近景摄影测量方案在测量精度上得不到保证，且三维激光扫描和免棱镜测量任何一个单独的方案都不能保证幕墙的施工进度，因此最终制定了三维激光扫描技术和免棱镜测量技术相结合的测量方案。此方案分为控制网的布设、三维激光扫描、免棱镜测量。免施工干扰和便于长期保存。

本工程共分为A、B、C、D四个馆，主体结构都为钢结构，经过现场的踏勘在A、B、C、D四个场馆的周围布设高精度的施工控制网。

3 施工控制网的布设

施工控制网是在施工期间为测设工程建筑而服务的，其布设应根据设计总图和施工总图，结合场区的条件统一考虑的。在布设控制网时，既要考虑建筑工地的整体要求（绝对精度），又要考虑建筑物的局部要求（相对精度），且控制点之间要通视良好，使用方便，尽量避

3.1 导线测量

首先在A、B、C、D四个场馆的周围进行踏勘，根据现场的实际情况和考虑到后期控制点的保护问题，在四个场馆的周围布设了九个控制点。控制点选定后，用徕卡TS15全站仪利用测回法进行四等导线测量。

3.2 水准测量

在A、B、C、D四个场馆周围选定了九个控制点之间利用天宝DiNi12高精度电子水准仪的进行水准测量。

导线测量的精度

水准测量的精度

3.3 平差计算

在A、B、C、D四个场馆布设的9个控制点中有两个点为已知点（已知点的坐标为青岛地方坐标系下的坐标）。导线测量和水准测量完毕后，将外业的测量数据根据最小二乘原理分别进行平差。平差结束后得到9个控制点在青岛地方坐标系下的坐标，即施工控制网布设完毕。

4 三维激光扫描仪对四个场馆扫描

本工程用的扫描仪为FARO的Focus3D激光扫描仪，其垂直扫描视野为305°、水平扫描视野为360°、垂直步长：0.009°(360°含40,960三维像素)、水平步长：0.009°(360°含40,960三维像素)、最大垂直扫描速度：5,820rpm或97Hz、测距误差：10米和25米时为±2mm。

4.1 标靶的三维坐标测量

为了将各测站的三维激光扫描数据拼接整合成全区域的三维点云，对每一测站扫描时，布设不少于3个标靶，标靶布设完毕后，在相应位置的控制点上架设全站仪利用免棱镜法测量出所有标靶在施工坐标系下的三维坐标坐，从而直接得到每一测站点云在场地施工坐标系下的相对位置。

4.2 分站扫描

考虑到施工现场的通视和三维激光扫描仪的覆盖状况，布设不同的测站以实现对A、B、C、D四个场馆三维激光点云数据的获取，在选择测站时遵循的原则为扫描覆盖面积最大和扫描精度最高。具体的分站数根据现场A、B、C、D四个场馆的占地面积和跨度而定。

分站扫描示意图

4.3 分站数据的拼接

待分站扫描结束后，要将所有分站扫描的数据进行拼接。分站扫描数据的拼接是通过标准直径的标靶球来完成的，即在分站扫描时要在扫描的视角范围内布设用于与下一站进行数据拼接的标靶球（相邻测站之间的标靶球在两测站未扫描完毕时不允许移动）。用三维激光扫描仪自带的数据后处理软件将所有的分站扫描数据通过标靶球进行拼接处理，拼接完毕后将所有数据整合成一个整体

4.4 三维激光扫描数据的处理

激光扫描数据的主要处理包括：坐标的转换、点云裁剪及噪声点的提出、点云坐标的拾取、点云坐标导出。

4.4.1 坐标系统的转换

三维激光扫描仪每一次扫描的数据都是使用的它自身所设定的工程坐标系统。为了检测钢结构主体的变形和保证幕墙工程的施工，需要将点云数据的坐标转换成施工坐标系下的坐标。本工程点云坐标系的转换通过前期测设标靶纸在施工坐标系下的坐标来实现的，即通过标靶纸在施工坐标系下的坐标和在三维激光扫描仪自身坐标系下的坐标用七参数法实现点云坐标系的转换。

4.4.2 点云裁剪以及噪声点剔除

在对四个场馆进行扫描时往往存在施工人员、车辆机械等遮挡物，在点云数据中测扫描体表面形成空洞，造成数据缺失。同时对场馆的某一个面进行扫描时，激光往往会通过钢结构之间的空隙对其他地方进行扫描形成冗余数据。剔除冗余数据，需要对点云数据进行滤波，提取扫描物体表面的点云数据。

三维激光点云数据量大导致后期处理困难，根据建模精度要求，对点云数据进行重采样。在进行重采样处理过程中，数据将因平均而降低。本次拟采用2*2对原始数据进行抽稀，将大大减小数据冗余度，且保证了数据的完整性，并且能够满足本工程的施工精度要求。

4.4.3 点云坐标的拾取和导出

在大量的扫描数据中将有用的点进行标记并拾取，然后将拾取的所有点直接输出到CAD中进行建模。

5 钢结构的变形监测和玻璃提料

四个场馆扫描结束后，将输出的CAD模型与设计模型进行对比以观测钢结构的变形，同时利用拾取出来点的三维坐标和CAD模型去完成A、B、C、D四个场馆玻璃幕墙的下料工作。通过对钢结构的变形进行监测以及现场扫描来完成玻璃的下料工作，保证了本工程幕墙工作的顺利施工。通过将三维激光扫描技术引用到幕墙的施工测量中来并与免棱镜测量技术相结合，使得青岛世界园艺博览会植物馆工程的工期得以保证。同时也为本工程的幕墙顺利施工做出了巨大的贡献。

三维激光扫描仪扫描的点云数据

6 结语

三维激光扫描技术是目前国内比较先进的测量技术在众多方面已经得到了广泛的应用，在本次工程中其与免棱镜测量方法的结合第一次在幕墙施工测量的应用取得了成功，为今后提高幕墙的施工测量精度和改进幕墙的测量方法奠定了基础，同时也体现了幕墙施工与现代高科技测量技术紧密结合的必要性和重要性,也为园区数字化做出了相应的贡献。

[1]GB50026-93.《工程测量规范》

[2]李青岳,陈永奇.工程测量学.北京:测绘出版社,1984.

[3]陈龙飞,金其坤.工程测量.上海:同济大学出版社,1990.