三维扫描在复杂形体膜结构收边件加工中的应用

曹晓凯 石 冬

中铁建工集团有限公司 北京 100160

膜结构作为一种新型建筑形式，打破了传统混凝土结构和钢结构的直线建筑风格的模式，多以伞状、蘑菇阵、球状、锥状和复杂多曲面混合体的形式出现，形成各种富有艺术性的建筑形体。近些年我国膜结构建筑的建造数量发展非常迅速，涌现出了一大批地标性的膜结构建筑，如国家体育中心“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”、天津于家堡火车站及北京世园会“妫汭剧场”等著名的膜结构工程。

在各种膜结构建筑中，膜结构通常与其他建筑形式同时出现，共同组成一个完整的建筑单体，受膜结构的复杂形体影响，收边构件通常为复杂空间结构，构件加工难度大。此外，收边构件的加工尺寸需充分考虑膜结构的施工误差，并消除部分施工误差，使膜结构的收边构件与膜面及相邻装饰构件完美贴合[1-2]。

本文以随州南站站房大曲率负高斯ETFE索膜结构为研究对象，采用三维扫描技术对已完工索膜结构进行高精度的逆向建模，并结合Rhino3D等专业三维设计软件，实现复杂形体收边铝板的高精度下料加工，保证了收边铝板与曲面膜面及相邻装饰构件的完美贴合。

1 工程概况

随州南站站房建筑造型取义“千年银杏、十里画廊”，屋面为钢梁钢桁架结构，设计为“伞状单元体”形式，由24根劲性混凝土柱支撑，屋面为24个伞状单元结构，伞状单元底部为单层金色ETFE膜结构（图1）。

图1 随州南站伞状单元体索膜结构

1.1 膜结构概况

随州南站站房采用了“伞状单元体”大曲率负高斯单层ETFE膜结构方案，通过金黄色ETFE索膜结构体系呈现银杏叶的艺术造型。每个伞状单元由6片不同形态的膜片组成。膜片背衬12 mm钢索，与膜面形成协同受力体系，膜片边缘设有铝合金夹具形成膜面的张拉硬边，伞状单元体钢结构上设有索膜结构张拉支座，作为钢索及张拉硬边的固定支座，索膜结构通过膜面四周硬边张拉与索网张拉结合的方式，形成上大下小的漏斗形态。ETFE膜材表面为顺滑的大曲率双曲面，膜材及索网形状和纹路，恰似银杏叶叶柄向下，叶脉竖向向上伸展，外形灵动、优美。同时，在膜材选型上采用75%透光的金黄色膜材，透过膜面能看到钢结构杆件的大致轮廓，体现结构的力学美（图2）。

图2 膜结构单元体平面

1.2 索膜结构收边件概况

受索膜结构张拉施工工艺及结构体系构造影响，伞状单元体的6片膜片之间预留有宽200 mm的结构间隔，结构张拉完成后，结构间隔处的张拉硬边、张拉索头及索膜支座均处于外露状态。另外，双曲面形态的膜面底部与柱头交接、顶部与波浪形屋面交接（图3）。

图3 收边件安装前的膜结构伞状单元体

为使室内装修效果美观、统一，且索膜结构能呈现出银杏叶的优美造型，需对膜片间的结构间隔及与柱头、吊顶的交接部位进行装饰，随州南站伞状单元体膜结构采用厚3 mm白色铝板进行装饰。铝板依据膜面及吊顶的曲面形态加工成相应的双曲面造型，在隐蔽结构构件的同时对单元体膜面进行装饰，清晰地展示伞状单元体的优美轮廓，并使膜结构单元体与主体结构立柱浑然一体，形成银杏叶叶柄、叶片、叶脉的形态。

因伞状单元体钢结构及双曲面膜结构、波浪形吊顶、柱头铝板均存在不可避免的施工误差，膜结构收边铝板的加工及安装需充分考虑各部位的施工误差并通过微调收边铝板的尺寸抵消膜结构及吊顶、柱头铝板的施工误差，使收边铝板与膜面、吊顶、柱头的曲面造型完美贴合，形成完整统一的整体（图4）。

图4 伞状单元体完工效果

2 膜结构收边铝板的加工及安装

为使收边铝板与膜面、吊顶、柱头的曲面造型完美贴合，抵消膜结构及吊顶、柱头铝板的施工误差，需要根据膜面、吊顶、柱头铝板完工后的实际形态及细微偏差加工收边铝板，使收边铝板的形态与之吻合。随州南站伞状单元体结构形态复杂，建筑实体复测难度巨大，经比选各种精度复测手段，最终采用三维扫描技术开展随州南站建筑实体复测。

2.1 膜结构高精度逆向建模

收边铝板精确加工的前提是对已完建筑结构进行高精度的复测，并依据复测结果逆向生成结构实体的三维模型。复杂的建筑形态对施工精度复测提出了挑战，采用常规测量手段对复杂曲面形体及柔性结构进行精度检测时变得非常不适用，曲面形态复测和曲线轮廓复测需要采集大量点位的数据，经纬仪、全站仪的三维坐标复测是通过不连续点模拟曲面或曲线，数据采集密度低时精度达不到要求。但数据采集点越密集，数据采集量即同比增加，这不仅会造成实体复测耗时大大延长、投入人工增加、拖延总体工期，同时，曲线及曲面数据采集还需要借助各种机械、耗费大量人工，数据采集后的电脑模型建立及数据处理同样工作量巨大，增加工程经济投入。

三维扫描作为近些年发展起来的新技术，在逆向建模方面得到了广泛的应用，通过激光扫描形成的密集点阵，三维扫描技术可以形成毫米级精度的物体表面轮廓点阵，结合电脑制图技术，高精度地建立建筑实体的数字建模。

随州南站三维扫描建筑实体复测主要分扫描及建模2个步骤。扫描即通过建立统一坐标系、多点建站及不同角度照射扫描，得到1.6 mm@10 m分辨率的室内顶棚全景点云数据。建模是通过数据处理功能强大的工作站采用Rhino3D对点云数据进行分析，删除环境干扰数据，并对膜面、柱头铝板、吊顶点云进行封装，得到已完结构的全景模型（图5）。通过三维扫描逆向建模得到的全景模型具有真实反映建筑实体尺寸、精度高、兼容性强、可编辑等优点。

图5 三维扫描过程影像

2.2 膜结构收边件加工图设计

三维扫描逆向建模建筑实体模型是膜结构收边铝板图设计的依据，它以毫米级的精度真实反映建筑实体的三维尺寸。通过对24个单元体分别编号，逐个对应地开展收边铝板的详细尺寸设计，根据收边铝板安装部位及已完建筑实体的实际尺寸调整收边铝板内侧尺寸，使收边铝板与膜面、吊顶及柱头铝板轮廓贴合，同时按理论形态设计收边铝板外侧轮廓，使每个单元体收边铝板形态完全一致。

铝板整体尺寸设计完成后根据装修排板对铝板进行分割，对每块铝板进行编号，得到尺寸有细微差别的单块收边铝板，再将双曲铝板根据折线位置及形态拆分展平为形态各异的小块平面铝板，工厂依据详细的加工图纸将平面铝板弯曲、拼接后，加工成可供现场直接使用的双曲面异形铝板（图6）。

图6 收边铝板设计截图

2.3 膜结构收边件安装

收边铝板的加工及进场以单元体为单位，每个单元体的收边铝板按加工图编号标示清楚，同批进场。

随州南站候车大厅为高大空间结构，为缩短施工周期，在膜结构及吊顶施工的同时地面石材已铺贴完成，施工现场不具备搭设脚手架的条件。因此收边铝板采用高空作业车进行安装。首先自柱头位置向上安装膜片间竖向分格铝板，再自最高点向两侧对称安装膜与吊顶间的收边铝板。每块收边铝板安装时由2名工人同时操作，2人各手持铝板的一端将铝板缓慢安装到指定位置，防止铝板边缘损坏膜面（图7、图8）。

图7 收边铝板安装

图8 随州南站正立面

3 结语

借助三维扫描精准的逆向建模，大大节省了膜结构收边件数据采集、处理及收边铝板的设计、加工时间，也简化了铝板厂模具加工工作，使施工材料加工及安装精度提高、施工周期大大缩短。

三维扫描技术在随州南站复杂形体膜结构收边件加工中的成功应用，使伞状单元膜结构收边铝板曲面过渡平顺，铝板与吊顶、膜结构完美结合，伞状单元膜结构与周边装饰材料自然交接、浑然一体，完美还原了随州南站“千年银杏、十里画廊”的艺术效果。