大型塑石假山三維掃描與逆向建模技術研究與應用

史 琦 王永生 王 賀

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

主題樂園在規劃時，會設計一些較大型的構筑物來滿足創意需求，這些構筑物沒有實際的使用功能，主要是通過外形來模擬山峰、湖泊、動植物等。假山的運用是主題樂園場景營造最為常用的一種手段，主題樂園假山往往具有規模宏大、造型奇特的特點。為了逼真地還原電影大片中的場景，假山的建造必須要完美呈現創意設想，而二維圖紙無法準確傳達出設計師的創意效果，無法體現出三維的空間位置關系，使假山的施工難度變得十分巨大[1]。

北京某主題樂園，采用三維掃描與逆向建模技術，應用于塑石假山的建造過程之中，解決了設計意圖到工程實體的轉化問題，實現了主題樂園場景營造的精益建造。

1 技術原理與技術路線

1.1 三維掃描與逆向建模原理

三維激光掃描技術，是一種非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點云的技術，它主要利用向被測對象發射激光后獲取被測對象反射回來的信號來獲取被測物體表面的空間信息。三維激光掃描技術精度高、數據獲取速度快、數字化程度高，可快速獲取一些大型非規則構筑物的信息[2-3]。而逆向建模技術是通過三維激光掃描，采集實體模型的三維信息數據，對三維點云數據進行處理，導入相關專業的建模軟件中，根據處理后的點云數據對信息采集對象實體的三維特征進行逆向重建，并以此模型為基礎進行一系列的應用擴展的過程[2-3]。對于塑石假山這種大型非規則構筑物，利用三維掃描縮小的假山模型，可以得到能反映其外觀的海量點云數據，通過對點云數據的處理，得到三維模型。相較于反映設計意圖的二維圖紙，三維點云數據模型可以清晰而完整地反映出假山的造型情況。

1.2 技術路線

本文以北京某大型主題樂園塑石假山為研究對象，通過三維激光掃描縮小的假山模型，采集表面的點云數據，然后將數據導入ZBrush進行局部處理，處理后導入Revit、3DS Max軟件進行逆向建模設計，經鋼筋網片切片設計、鋼結構設計等深化過程，指導假山建造施工。

2 實例應用

2.1 北京某主題樂園大型塑石假山概況

北京某主題樂園大型塑石假山是基于電影《侏羅紀公園》中群山環繞的場景，制作的假山造景。其山體高度約49.6 m、縱向投影長度約90 m、深度約50 m，表面積約為12 691.26 m2，總質量約2 500 t，由3座山峰、3座瀑布，近9 400根鋼構件組成。山體表皮采用鋼筋塑形網片＋主題立面雕刻（TCP）＋主題上色制作而成。不僅是樂園的最高建筑物，也是園區的主場景之一。

本工程采用三維掃描與逆向建模技術，根據業主的創意模型制作假山實體模型，對實體模型進行3D掃描，采集假山表面的點云數據，利用Revit、Design-X、Rhino等軟件逆向建立數字模型，并進行優化整合，形成附有信息的數字三維模型，指導現場施工，滿足工程需求。

2.2 制作縮小假山實體模型

根據外方創意團隊的效果圖使用Sketchup創建假山空間模型，Sketchup模型應包含假山的空間位置關系，根據假山的體積大小以及要求肌理的精細程度確定假山模型的比例為1∶25，1∶50或者1∶100。模型的制作一般需要以下幾個工序：打印等比例的軸網平面圖→搭設假山骨架→焊接假山表皮→油泥雕刻覆蓋→雕刻效果確認→纖維增強復合材料（FRP）翻模→上色。此階段要雕刻師與創意設計師經過幾輪溝通，不斷調整假山表皮肌理與山形，使其完全符合原創設計理念。

2.3 三維掃描與數據采集處理

假山模型制作完成后，在假山表皮與四周粘貼若干個傳感器原件，本項目采用FARO Focus Laser Scanner系列激光掃描儀對假山模型進行三維掃描，記錄假山表面點的三維坐標、反射率、紋理等信息，獲取假山的幾何圖形數據和影像數據，快速復建出假山的三維模型。

三維掃描與數據采集工序為：信息采集→信息記錄→泛化→信息融合→模型優化。采集過程需從各種角度、分多個階段實施，以確保所有相關細節信息都能被捕獲。在掃描時，一般先掃描一個較大的范圍，爭取使掃描范圍內有盡可能多的傳感器元件，然后在較大的范圍內，針對反射片的具體位置重復進行多次掃描，以得到精確的三維坐標。從各個采集階段獲取的數據集會在一致的參考幀內被參考和校準，在測量值集之間建立聯系，有助于將測量值融入緊密結合的模型中。

經過數據處理，可以實現在數據點之間表面外插或填充，來自多個階段的測量值將被組合成單個物體。將采集的假山點云數據和影像數據轉換成絕對坐標系中的空間位置坐標或模型，以不同的格式輸出，滿足空間信息數據庫的數據源和不同應用的需要。

借助FARO SCENE 2019軟件對掃描點云數據進行初步轉換和處理，經過噪聲消除、拼接、三角化、貼紋理等步驟得到假山模型的初步三維模型。對泛化、信息融合、模型優化3個工序進行若干次重復迭代是必需的，以便產生一個精確的模型。

2.4 逆向建模技術

利用Revit軟件識別rcp格式的點云文件，在插入選項卡下，選擇點云，以鏈接的方式將三維掃描數據載入Revit文件中，這樣就可以在軟件中進行瀏覽。依據點云模型逆向建模，使用3DS Max或Rhino對假山表皮模型進行分割，一般使用等分線切割成投影面積2 m×2 m的網片，此分割線作為假山網片的邊筋設計依據。使用等分線按照設計鋼筋的間距將網片進行第二次分割，此分割線作為網片分布筋的設計依據，一般網片分布筋為單層雙向，間距為150 mm×150 mm。邊筋作為網片的固定筋，為φ10 mm的圓鋼，分布筋為網片的塑形鋼筋，為φ6 mm的圓鋼。

假山表皮切割完成后，移交設計院進行主結構設計，依據假山整個表皮自重及全部施工荷載進行整體計算和評估。根據假山網片的切割圖，首先要滿足網片4個角點的結構布設，其次要根據施工方案的需求，將次結構懸挑出網片，作為施工階段的操作平臺使用，一般寬度為1.2 m左右。其他配套專業設計，則在假山的主次結構設計完畢后在模型中進行正向設計，避免出現碰撞而影響結構施工，導致山形的變化。

3 結語

三維掃描與逆向建模是塑石假山施工的前提和基礎，由于假山造型的非規則、非常規，利用圖紙準確地表述塑石假山造型并指導施工一直是假山建造的難題，三維激光掃描逆向建模技術是建筑施工信息化應用領域的新方向，利用三維激光掃描獲得假山的點云數據，將數據導入相關軟件逆向創建數字信息模型，將二維圖紙轉化為三維信息模型，準確、形象地表達了設計師奇妙的創意設想。

本文以北京某大型主題樂園為例，詳細介紹了三維掃描與逆向建模在塑石假山施工中的應用，解決了大型主題樂園塑石假山造型奇特、圖紙準確表達難度大的問題，為今后文旅類工程施工提供了參考。

隨著人們對美好生活的需要日益增長，文化旅游已成為新時期人民群眾追求精神生活的重要內容，本文的總結與研究，對文旅工程非規則構筑物的精益建造具有一定的引領意義。