基于三维激光扫描技术的古代城台及城楼的结构变形监测与分析方法研究

2022-08-23朱宇华乜小珂

北京建筑大学学报 2022年2期

朱宇华, 徐睦, 乜小珂

(北京建筑大学建筑与城市规划学院，北京 100044)

1 影响城台及城楼建筑的病害

1.1 古建筑病害的普遍性

中国的古建筑主要以砖石和木质梁架为主要结构体系，在带来卓越的科学价值与辉煌艺术成就的同时，材料特质和特性也决定了其保存难度大，并且往往伴随着病害的产生[1]。木结构部分的残损主要包括糟朽、虫蛀、开裂、劈裂、脱榫、歪闪等，砖石的残损主要包括风化、酥碱、空鼓、裂缝、变形等[2]。这些残损一旦产生则会对建筑整体的结构稳定性产生不同程度的破坏，对文化及相关研究领域的损失不可估量，因此必须贯彻落实文物建筑结构监测工作，以便适时采用人为干预手段，将建筑本体产生结构问题的风险降至最低[3]。

1.2 城楼及城台建筑病害的特殊性

城楼及城台建筑结构的特殊性决定了其残损病害的特殊性，主要表现在以下两方面。首先，城楼及城台建筑是木结构与砖石建筑的复合体，且砖石部分与外界环境接触面积较大，因此自然环境会对城台及城楼的砖石部分产生更大的影响，具体表现在风化、酥碱、空鼓等方面。其次，城楼建筑普遍占地面积大且地势较高，自然环境以及人为因素产生的震动会对建筑本体产生较大的威胁，进而对该类建筑的结构体系造成不同程度的破坏。为有效解决城楼及城台建筑潜在的结构安全问题，需要采用行之有效的技术手段与方法策略。

2 三维激光扫描与变形监测

三维激光扫描在文物建筑监测领域，更多的是将扫描成果作为数据留存，缺乏对数据本身的再利用。与此同时，仪器的多样化以及工程需求的差异化也导致了不同项目之间的技术路线缺乏相互借鉴的意义。因此，探寻三维激光扫描技术在文物建筑监测领域的普适化应用方法是十分必要的。

2.1 三维激光扫描技术的工作原理

三维激光扫描主要是利用激光测距的原理，通过机体内部发射脉冲至监测目标，从而记录监测对象表面游离密集点的三维坐标、纹理、反射率等信息，进而记录监测对象的三维空间坐标[4]。

2.2 三维激光扫描技术的优势

相较于传统测量方式，三维激光扫描技术可以更加高效、准确地复建出监测目标的三维模型信息以及由点到面的各种图件信息，克服了传统技术手段的片面性。该技术在文物建筑结构变形监测领域的优势主要可以概括以下4点：第一，高速性。三维激光扫描可以在单位时间内通过脉冲信号记录更多监测目标的三维空间信息，从而大幅度压缩了测绘过程中产生的时间成本。第二，无损性。三维激光扫描利用脉冲原理获取监测目标外部形态信息，不会对监测对象的现状产生影响，能够在最小干预的情况下保护监测对象的真实性与完整性。第三，穿透性。文物建筑的主体结构多为木质梁架结构，三维激光可以穿透梁架的缝隙从而记录多层次的空间维度信息，进而有效解决文物建筑梁架结构的复杂性问题。第四，准确性。三维激光扫描通过铺设密集的点云矩阵，在可控范围内规避了外部因素所造成的干扰，确保了监测对象信息获取的准确性[5]。

2.3 三维激光扫描技术运用的意义

城台建筑地势较高、建筑体量大，常为多层建筑且内部梁架位置较高，传统的测量方式无法准确且快速地获得全部空间信息。同时，城楼及城台建筑内部梁架空间较为复杂，其结构的复杂性决定了对测量工具的测量准确性需求更高。相较于传统的测量方式，三维激光扫描在测量分析结构问题方面有着得天独厚的优势。一是体现在其能够在确保数据准确性的同时，可以轻易获取视线可达但却不易测量的目标的位置数据；二是体现在其可以用于分析处理2个不同高度维度的平面，实现三维模型向二维可视化图像的转化。三维激光扫描技术在高效、准确获取监测目标的外部信息的同时，又能防止对该类建筑的残损部分进行二次破坏，既保障了城台建筑的真实性与完整性，又为预防性保护工作提供了良好的基础保障。

综上所述，三维激光技术能够满足文物建筑结构变形监测的基本需求，以三维激光扫描技术为主导，辅以传统测量手段可以有效解决城楼及城台类建筑中的结构安全监测问题，并丰富其成果的表现形式，符合我国对文物建筑保护的客观需求。

3 德胜门箭楼实例分析

3.1 德胜门箭楼现状简介

德胜门箭楼建筑群坐落在北京二环中路，存箭楼和城圈内的真武庙现为北京市古代钱币展览馆使用。德胜门箭楼始建于明正统元年(1436年)，矗立在雄厚的墩台上，平面呈凸字形。城台高12.5 m，墙体有收分，东西宽约39.5 m。箭楼坐南朝北，灰筒瓦绿剪边重檐歇山顶。前楼后厦合为一体，3座过梁式门朝南开。北侧楼体面阔7间，东西宽34.0 m，南北宽12.0 m。南侧庑座面阔5间，东西宽25.0 m，南北宽7.6 m，通进深为19.6 m，楼体高19.3 m。该建筑于2006被公布为第六批全国重点文物保护单位。

3.2 仪器的选择及作业流程

本次作业步骤主要包括数据采集、点云配准2个部分。为解决德胜门箭楼建筑跨度大、地势较高等问题，本次作业数据采集选择的仪器是RIEGL VZ- 400[6]，其系统的主要技术参数如图1所示。

图1 三维激光扫描仪主要技术参数

点云的配准主要使用RIGEL的配套软件RISCANPRO，使用该软件可以高效完成点云的配准工作(图2)。

图2 点云数据配准成果展示

3.3 三维激光扫描技术在德胜门箭楼结构监测系统中的运用

文物建筑结构监测系统的发展阶段现处于一种由人为主观的巡查向自动化在线监测转变的阶段。传统的人工技术手段有着其固有的弊端，但自动化的监测则无法最大效率的实现技术手段向应用成果的转化，而三维激光扫描技术可以在二者之间起到一定的过渡连接作用，具体运用如下。

3.3.1 辅助绘制法式图纸

通过三维激光扫描技术可以准确且高效地实现由三维数据向AutoCAD矢量工程图的转化，形成完整的法式图纸。在为文物保护工作提供特定时期的二维图像资料留存的同时，确保了初始数据的准确性与完整性。通过测量德胜门点云关键部位的数据，折合营造尺，计算吻合率，复原初建时的原始数据并绘制其理想状态，随后可将此理想状态作为后续分析的参照(表1)。

表1 德胜门箭楼数据复原

以折合营造尺之后的数据为标准，绘制德胜门箭楼的法式图纸(图3)。

图3 德胜门箭楼法式图纸成果展示

3.3.2 分析现存结构问题

通过将点云剖切面与法式图纸叠放处理，可以更加清晰且直观地判断梁架结构的变形特征。

第一，梁架变形分析。具体操作方法是将处理好的点云梁架剖切面与法式图纸剖面图以柱脚为基准对齐，沿点云剖切面梁架外边线拟合矩形，随后隐藏点云梁架剖切面，分析对比拟合得到的矩形与法式图纸中梁架的相对位置关系，通过测量二者沿垂直方向的差值来推导梁架的形变量，并整理成表格(表2)。将梁架由西至东按A～F命名，以A榀梁架为例，将A榀梁架的点云剖切面与法式图纸叠加，以脊檩为基本参照点对齐，提取出点云剖切面的梁架线(图4)。二者对比分析可得：三架梁自北向南偏移16.3 mm，五架梁自北向南偏移26.6 mm，七架梁自北向南偏移35.5 mm。

表2 A- F榀梁架的形变分析

图4 A榀梁架结构变形分析

第二，立柱变形分析。立柱变形分析是通过截取拼合、去冗过后的三维点云模型，提取目标范围内的立柱截面，自上而下观察，通过画圆的方式拟合出目标立柱柱头及柱脚的中心点坐标，进而通过测量分析二者中心点坐标的相对位置，推导得出立柱的倾斜量及倾斜方向[7]，并整理成表格(表3)。以A、B榀梁架为例，提取目标范围内的点云截面后，拟合出柱头及柱脚的圆心，柱头用蓝色圆圈表示，柱脚用红色圆圈表示。进而通过测量圆心间距可知，A榀梁架自北向南偏移6.0 mm，B榀梁架自北向南偏移60.1 mm(图5)。

表3 A- F榀梁架柱子的形变分析

图5 A、B榀梁架立柱结构变形分析

3.3.3 建立有限元模型确定预警阈值

结构的预警阈值是该结构所承受力的相对极限值，是反映该结构稳定性的重要指标，要做到及时预警就需要设定合理的预警阈值。本次预警阈值的确定主要依托于有限元分析法，即将目标分解成有限的单元，通过模拟材质、载荷等因素分析目标的力学性质。以德胜门箭楼为例，具体分析方式分为以下步骤：

第一，以三维激光扫描技术获取的点云数据为基准，通过Solidworks软件进行建模。在建模过程中需要对斗拱及屋面进行简化处理，并剔除外层维护结构，保留主体结构部分。

第二，将结构模型导入ABAQUS软件，以网格形式将其分为有限的单元(图6)，之后赋予各构件材质以及各部位的荷载与约束(图7)。第三，模拟该结构模型在自重荷载下的变形，即该结构模型在自重荷载的影响下结构位移的整体趋势(图8)。根据计算结果显示，该模型最大位移值(SMK)为14.883 3 mm，而此数值及该数值对应的极限结构荷载值均可以作为监测的预警阈值参考。