基于三维扫描的历史保护建筑模型快速重构技术

曾维强，潘 峰，石雨恒

（上海建工五建集团有限公司，上海 200063）

1 工程概况

相辉堂位于复旦大学邯郸校区，属于上海市第四批优秀历史建筑，同时也是上海市杨浦区区级文物保护单位和代表复旦大学精神文化的标志性建筑。为了更新提升相辉堂建筑功能，项目先后分别对现有的相辉堂南堂进行加固修缮和在紧邻相辉堂南堂北侧扩建一个新北堂。相辉堂南堂主体为混凝土框排架结构，屋面采用三角形木屋架和不上人的四坡青瓦屋面，基础采用柱下独立基础。南堂修缮后为地上2F，1 F 主要布置多功能室、贵宾接待室、公共卫生间以及设备用房，2 F 主要布置礼堂和舞台，建筑面积约为1777 m2。紧邻南堂北侧扩建的新北堂是一个含有地下室的多功能剧场，为现浇钢筋混凝土框架结构，建筑面积为3270 m2。

2 工程特点

复旦大学相辉堂改扩建修缮项目存在两方面难点。一方面，由于相辉堂历史悠久，南堂设计资料存在缺失或不准确的问题，难以获取完整、精确的南堂建筑结构尺寸，但这恰是加固修缮设计和施工的必备条件。另一方面，为了使扩建的新北堂建筑设计满足对环境的协调性以及减小新北堂扩建施工对原有建筑的影响，需要精确获取原有建筑的结构和环境信息，以便于计算分析。因此，如何快速、精确地获取相辉堂原有建筑结构和环境的三维数据以实现模型重构是本工程项目的关键。针对这一问题，本项目创建了基于三维扫描的历史保护建筑结构及环境模型快速重构技术[1]。

3 建筑结构及环境模型快速重构技术

3.1 技术步骤

针对相辉堂原有建筑复杂的结构和环境场景，开展建筑结构及环境模型的快速重构，实施步骤依次为数据采集、数据处理和模型重构。

3.1.1 数据采集

本项目采用 Z+F Imager5010三维激光扫描仪先后对相辉堂原有建筑的外部结构和内部结构进行扫描，对于扫描仪无法扫描到的外部结构（如屋顶等）和环境场景采用无人机航拍摄影系统进行扫描。对建筑内部结构进行扫描时，先对内部框架结构进行全景精细扫描，再对局部进行高精度扫描。整个扫描过程中，在建筑出入口处建立外部扫描数据和内部扫描数据的连接测站，以确保扫描数据的完整性[2]。

三维扫描采用无标靶配准模式，扫描测站间距＜15 m，建筑内外共布设测站52个，三维扫描作业图如图1所示。无人机航拍摄影系统扫描流程包括范围确定、测区划分、无人机倾斜测量、像控测量等步骤。

图1 三维扫描作业

3.1.2 数据处理

本项目分别采用了 Z+F Laser Control、JRC 3D ReconstructorRevit 和 Geomagic Control 等数据处理软件进行点云数据预处理、点云拼接、屋顶及周围环境摄影照片数据处理、数字模型初步建立、结构模型建立和偏差分析，所得航拍摄影模型如图2所示。

图2 无人机航拍摄影模型

3.1.3 模型重构

模型重构对象及标准如表1所示。三维模型重构的主要流程可以概括为以下3个步骤[3]。

表1 模型重构对象及标准

（1）针对相辉堂的历史文化意义和对历史信息集成的需求，整合原始手绘图纸信息，根据原始手绘图纸信息建立 BIM 初步模型，如图 3（a）所示。针对修缮项目的特殊性，除了常规的建模标准外，还需要对修缮部分进行区分建模。包括柱加固部分区分建模、楼板加固部分区分建模、木屋架增设的水平系杆区分建模、除锈和封闭处理部分区分建模以及化学种植钢筋加固部分区分建模。

（2）根据点云模型对 BIM 初步模型进行修正更新，精确复原建筑原貌，如图 3（b）所示。

图3 三维模型重构主要流程

（3）将更新之后的 BIM 模型与点云模型进行融合。融合后的模型可以用来辅助现状调查、预览完成后的建筑与周边环境、记录建筑历史原貌、辅助场地安排布置和记录施工状态等。

3.2 技术应用

基于点云数据模型、无人机航拍数据模型和 BIM 模型，创建了高精度、精细化的三维重构模型，开发了 BIM 项目集成交付平台。通过平台可实现建造全过程的协同管理，包括模型管理、文件管理和任务管理等，有效提高了信息化管理水平，为本项目相辉堂原有建筑加固修缮和新北堂扩建改造提供了技术保障。

3.2.1 加固修缮

精确的三维重构模型为加固修缮设计提供了基础条件。三维重构模型在加固修缮中的应用包括拆除、梁柱结构加固、修复与新建、结构框架加固、门窗修复与复原等。通过 BIM 模型与点云模型的对比，可以直观地观察到相辉堂施工过程中不同位置的偏差大小。通过不同时期三维扫描结果的对比，为相辉堂加固修缮过程的风险控制提供评估数据，保证了施工过程中既有建筑的安全。

3.2.2 扩建改造

三维重构模型在扩建改造中的应用如图4所示。在相辉堂原有建筑精确的结构信息的基础上进行建模分析，能够有效地减小新北堂扩建过程中对原有建筑的影响，使得相辉堂原有建筑能充分合理地应对外部扩建施工带来的不利因素，实现扩建过程中对全局的把控。

图4 三维重构模型在扩建改造中的应用

4 结语

以复旦大学相辉堂改扩建修缮项目为背景，针对历史保护建筑原始数据勘测难、效率低和精度不高的现状，创建了基于三维扫描的历史保护建筑结构及环境模型快速重构技术。首先介绍了建筑结构及环境模型快速重构技术的实施步骤，再阐述了该技术在原有建筑加固修缮和扩建改造中的应用，进而表明这一技术能很好的应用于历史保护建筑的修缮复原设计、施工和交付工作，具有较好的工程价值。