采用全站仪进行危旧古建筑结构测量方法的探讨

2019-11-23祝启祥

城市道桥与防洪 2019年11期

祝启祥

（无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡214072）

0 引言

无锡南下塘是一条历史悠久的古街，它位于江苏省无锡市梁溪区中心地段，为独具特色的古运河畔江南人家历史文化街区。街区以古运河为中轴，南长古街和南下塘古弄分列左右，街区现存有少量明、清古民居，绝大部分历史建筑为19 世纪末、20 世纪初所建的有着浓厚运河江南人家特点，又有中西合璧风格的石库门商贾别墅。

南下塘景区内的清名桥历史文化街区，是大运河畔典型的江南水乡，被誉为“江南水弄堂，运河绝版地”。2014 年6 月22 日，清名桥历史文化街区被列为世界文化遗产大运河中的江南运河无锡城区段组成部分。

现南下塘古街沿运河段主体建筑已全部修复并投入使用，成为人文无锡，历史老街的标志之一；南下塘古运河东侧花园里作为南下塘历史街区与现有街区的衔接段，尚有部分老旧建筑未进行修复。为保护历史老街，传承运河文化，现对花园里弄的部分古建筑进行保护性结构测量及修复。

1 南下塘花园里危旧古建筑群特点

无锡花园里古建筑作为南下塘古建筑群的一部分，其主体建筑均为民国时期及上世纪建筑混搭而成。花园里在整个南下塘古建筑群中承接了古代与现代风格衔接过渡的作用，其内部房屋犬牙交错，新旧相间，大部分建筑结构破坏严重，摇摇欲坠（见图1～图3）。

图1 航拍南下塘花园里历史古建筑群

图2 街区现状照片

花园里古建筑群大部分建筑均为民国时期所建民居，其建筑结构图纸已无从寻找，同时由于缺乏维护，许多建筑已破坏严重，更有甚者有部分建筑上已长满高大树木，整个花园里古建筑群修复起来困难重重，为了保留南下塘原有建筑的统一及协调性，并最大可能的保留原有建筑；花园里危旧古建筑保护性修复必须在详细的结构图及外立面图上对现有危旧古建筑进行修复及复原。

图3 街区现状照片

2 危旧古建筑的内部结构测量方法选取

建筑的结构及立面测量常用方法有常规全站仪测量法，摄影测量法，三维激光扫描法等[1-2]。

2.1 常规全站仪测量法

常规全站仪测量法是利用全站仪对建筑的结构及立面进行测量，并根据测量数据绘制平面结构图及立面图，该方法是最常用也是最经济的一种测量方法，但是该测量方法由于需要人为对建筑结构进行判断分析并手动测量特征点，对于结构简单的建筑测量及成图均方便快捷，但是对结构及形状复杂的建筑将会消耗大量的时间，而且由于测量数据过多而特征点无法详细测出常常会出现各类错误，无法详细的体现建筑结构及立面。

2.2 摄影测量法

常用的摄影测量分航空摄影测量及近景摄影测量，针对建筑的结构及立面测量常使用近景摄影测量。近景摄影测量是现场对待测目标按照摄影测量的要求拍摄成组照片，然后用计算机对照片进行内业解析作业，从而获得目标空间三维尺度信息的一种测量方法。近景摄影测量操作简单测量精度高，针对复杂的建筑结构及立面具有较好的成图效果，但是近景摄影测量需要在建筑上布设大量的控制点以统一成图比例尺及方便图形衔接，这需要消耗大量的时间布点。

2.3 三维激光扫描法

三维激光扫描法是利用三维激光扫描仪对建筑进行测量的一种方法。三维激光扫描技术是利用激光测距的原理，通过三维激光扫描仪密集测量并记录被测物体表面点的三维坐标，同时利用相应三维成图软件可快速得到被测物体的三维模型，而通过三维模型可详细读取被测物体的各项信息。由于三维激光扫描系统可以密集的大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的全站仪单点测量，三维激光扫描技术更能详细的反应出目标对象的各类信息。但是由于三维激光扫描技术是通过大量测取被测物体的表面点，其海量数据的处理需要消耗大量的时间，同时对计算机硬件也具有极高的要求。

3 测量方案的实施

南下塘花园里建筑大多为民国时期及上世纪民间建筑混搭而成，其建筑相互错落形成了独特的弄堂建筑，同时弄堂建筑内部狭小布局复杂，外部结构单一无装饰结构，同时其布局又参差不齐（见图3）。在该情况下如果选择摄影测量法及三维激光扫描仪法将会需要频繁架设仪器，消耗大量时间在不同站间的衔接上，而每一测站获得的有效数据却不多，成本高昂而效率低下，故本次测量方案选择常规全站仪测量法。

3.1 危旧古建筑内部结构测量

南下塘花园里建筑的内部结构测量任务是主要测量出建筑的内外墙体，建筑门窗位置及建筑承重结构柱及结构梁。南下塘花园里建筑大多为一至三层砖结构建筑，其主体承重结构柱及结构梁主要为预制钢筋混凝土结构柱及木制结构柱，并且为裸露状态（见图4）。

图4 建筑内部结构

由于南下塘花园里建筑间距狭小，故测量时利用Leica Tcr802 型全站仪沿南下塘花园里主弄堂密集布设控制点并进行导线测量，然后通过相邻两控制点利用后方交会法进行任意架站，并分别对每一栋建筑内部结构进行测量，其成果见图5。

3.2 危旧古建筑外立面测量

南下塘花园里建筑的外立面具有结构简单，无装饰的特点，故本次针对南下塘花园里建筑的立面测量也采用常规全站仪法。

图5 南下塘建筑平面结构图

利用全站仪进行建筑立面测量的方法有许多种，本文根据作者实际工作总结并得出针对复杂程度不同的建筑立面，具有三种方法进行测量与绘制。

方法一（常规量距法）：对于仅有门窗而无造型的简单建筑立面。可以使用全站仪直接测量门窗尺寸，离地距离，门窗边至墙边距离等数据，并利用笔记本电脑现场进行绘制，见图6。

图6 简单立面结构图

方法二（CAD 展绘法）：对于造型复杂，具有多层次立体造型且建筑立面较小的建筑可以采用直接测量利用CAD 展绘法。首先利用全站仪（无棱镜模式）直接对建筑立面上门窗及各种造型进行测量并获得相应特征点的三维数据，然后将获得的特征点的三维数据展绘至CAD 软件上，并在展绘的图中选区建筑上处于同一平面上的最外侧两个特征点作为基准点，以这两基准点为旋转点将整个展绘的数据点旋转至与Y 轴平行，然后提取旋转后的各特征点的三维坐标，以提取的特征点的Y 坐标及Z 坐标分别作为新的坐标系统中的Y（新）坐标及X（新）坐标并将其展绘至CAD 软件上建立建筑立面坐标系，最后根据展绘的特征点绘制建筑立面图，见图7。

图7 复杂立面结构图

方法三（立面坐标系法）：对于造型复杂，具有多层次立体造型且建筑立面较大的建筑采用直接建立建筑立面坐标系进行测量。首先选取建筑同一面上最外侧同等高度处两点，用全站仪（无棱镜模式）直接测取该两点的三维坐标，然后利用该两点的X、Y、Z 坐标分别作为建筑立面坐标系中的Z（建）、Y（建）、X（建）坐标，然后利用该两点的新坐标（建筑立面坐标系中的坐标）通过全站仪后方交会法架设仪器直接对建筑立面进行测量，最后再展绘至CAD 中并利用测量所得的特征点直接绘制建筑立面图。南下塘花园里建筑也是通过该方法进行立面测量。南下塘花园里建筑立面图测量成果见图8。