基于三维激光扫描技术的弧形曲面展开应用

2023-09-20杨敏，方林，张俊

工程质量 2023年8期

杨敏，方林，张俊

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

近年来，三维激光扫描技术作为测绘行业中的新兴技术力量得到了大力的发展和推广，该技术可以无合作目标地进行快速高精度自动数据采集，实现从传统一维、二维测绘到三维扫描测绘的质变飞跃，为空间信息乃至纹理影像方面的获取提供了全新的测绘技术手段，并在诸多领域取得显著的应用成效及解决了一系列技术难题。

随着城市建筑的不断更新，建筑体呈现多样化的建筑形态，各种异形建筑、曲面建筑、网状建筑百花齐放，与此同时对施工带来了新的挑战。其中针对弧形曲面建筑体中，往往需要获得弧形曲面立面的精确现状展开图，来满足施工下料及一些附属构件的安装等［1］，然而由于现场实际施工误差以及图纸全面性等问题，可能会导致材料估算的不准确、附属构件由于尺寸偏差反复回厂返工等。因此合理的解决方式是在施工前对既有建筑体重新进行测绘复核后将成果通过技术手段进行展开铺面，基于复核后的测绘成果进行必要的施工调整来避免上述问题。对此传统单点采集的测量方式难以将弧形曲面准确绘制出来，且工作效率低，数据成果不直观，难以实现预期目标，三维激光扫描技术可以在较短时间内全方位、高精度地采集拟定目标的三维空间坐标，形成海量的数据成果，即点云，点云数据是被测物体表面的描述，具有数据量大、密度高、可量测、带光学特征信息、体现表面纹理影像信息等特点。

本文将以实际项目为例，详细介绍采用三维激光扫描技术，基于高精度点云数据，通过不同方法进行成果转换，进而准确获得弧形曲面建筑体现状立面的展开图，为类似的项目提供参考。

1 项目概况

某弧形建筑体为钢筋混凝土框架结构，建筑物的形状总体呈大跨度弧形曲面，建筑立面顶部及中间开口区域同样由弧线构造而成，建筑设计总长度为 53.2 m，弧长为 97.6 m，总高度为 8.3 m，建筑面积约为 1 350 m2，主要功能为体育馆附属配套活动中心，主体结构施工已基本完成，目前处于外立面装修施工及附属构件安装阶段。根据设计图显示，在建筑体几个主要立面将分别安装三段弧形的连续钢结构雨蓬，如图 1 所示，涉及的钢构件包括矩形钢管、等边角钢、工字梁、玻璃雨棚连系梁等，雨蓬外包采用氟碳铝单板。设计总说明中的钢结构安装和其他注意事项中明确指出：①必须保证锚固钢筋与预埋钢板的焊接可靠，预埋钢板定位准确；②预制钢构件加工前应对建筑图纸尺寸进行核对调整；③与主体结构相连部分，须结构设计计算认可后方可施工。考虑到弧形建筑体会存在一定的施工误差，且由诸多钢构件组装而成的弧形雨蓬是否能与所需安装段的建筑体本身的弧形曲面墙面相匹配，都将直接影响到现场安装的质量，可以预见的是钢构件反复返厂纠偏。因此需要对主体建筑进行现状测绘，随后通过技术手段还原曲面的展开面来为准确定位和尺寸纠偏提供支撑，此外根据现状测绘成果联合钢结构设计建立计算模型来进行结构安全性验算同样值得关注［2］。

图1 钢结构雨蓬设计平面布置图

2 弧形曲面建筑中的展开应用

本次采用三维激光扫描技术，对弧形曲面建筑体进行外立面的数据采集。现场采集的方式可以分为标靶拼接和重合率拼接两种，根据本项目特点，为保证精度的可靠性，建议采用标靶拼接的模式，同时通过尽可能地减少测站的架设数，来提升整体的拼接精度，获得三维点云数据模型后［3］，通过两种方法进行数据转换及分析拟合，从而获得建筑外立面的现状展开面，为施工安装提供可靠依据。

2.1 依托三维分析软件

根据现场扫描结果，将测站点云数据进行拼接、去噪等操作后得到立面三维点云模型，把点云数据导入 Geomagic 建模软件中，调试合适的三角面片数量后将现状点云直接转换成面形成三维实体模型［4］，进行一定的修面补面及网格优化处理，随后将模型导入 Rhino 三维软件中，如图 2 所示。在线框模式下对弧形曲面模型进行描绘使得建筑轮廓及立面开口区域得到重构，利用软件中的曲面展开功能进行展开，如图 3 所示。该方法适合于较为常规的弧形曲面，在操作过程中需要注意两点，一是弧形曲面只能单一区块的展开，因此对于立面上的弧形门窗及开口洞口需要分别逐个进行重构展开；二是当弧形曲面上有凹凸或不规则情况时，三维软件的算法将出错，无法准确识别及展开。

图2 弧形立面三维实体模型

图3 部分弧形曲面在软件中的展开

2.2 依托点云数据拟合

本方法的主要思路是定位曲面上类似门、窗、洞口等轮廓特征点在平面和立面上的位置关系，通过各类坐标点的剖切组合出弧形曲面的展开面。首先将处理后的三维点云数据导入 CAD 中进行平面的描绘，过程中通过与三维模型的结合确定各个特征点在平面上的准确位置，此时可以首先绘出弧形曲面建筑的平面图，通过不同标高的水平切片可以确定整个弧形展开面的总长度和其外立面上门、窗、洞口的宽度及在展开面上的定位关系，随后在点云模型上点选出这些特征点，共布置 22 个点位，如图 4 所示。通过软件的剖切功能对所有布设点进行逐个纵向剖切，如图 5 所示。获得该点及对应弧顶的高程坐标点，将这些数据信息补充到展开面的 CAD 测绘图中，通过各特征点对应弧顶的高程坐标点的连线来完成整个上部弧线的绘制，对于立面中部开口区域也采用同样的方式进行处理，最终获得整体的弧形建筑现状平面及展开图，测绘成果如图 6 所示。

图4 点云模型特征点选取

图5 点云模型特征点剖切过程

图6 弧形建筑立面现状测绘成果

2.3 方法比对分析

综上所述，软件分析法适用于立面上较为简洁的弧形曲面建筑，当立面元素较为复杂时，内部多个曲面使用软件展开功能可能出错，但对于最外围的整体体型轮廓而言较为可靠，相比于点云数据拟合法来说，它的优势在于大跨度弧形曲线更为自然，接近现状。而点云数据拟合法则是通过点位的弧线连线组合来实现目标，因此该方法适用的条件为整体建筑外立面上要有尽可能多且排列分布较为均匀的门、窗、洞口等特征点可以采集，即可以认为是立面元素复杂的情况，但对于顶部及中部的开口区域的弧线而言，最后的成果仅仅是多个弧线的连接组合，当立面特征点的数量越少，相邻点位间距越大时，将影响测绘成果的线形过渡及准确性。在实际应用过程中，两种方法也可以进行成果互校。