三維掃描在復(fù)雜形體膜結(jié)構(gòu)收邊件加工中的應(yīng)用

曹曉凱 石 冬

中鐵建工集團(tuán)有限公司 北京 100160

膜結(jié)構(gòu)作為一種新型建筑形式，打破了傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的直線建筑風(fēng)格的模式，多以傘狀、蘑菇陣、球狀、錐狀和復(fù)雜多曲面混合體的形式出現(xiàn)，形成各種富有藝術(shù)性的建筑形體。近些年我國膜結(jié)構(gòu)建筑的建造數(shù)量發(fā)展非常迅速，涌現(xiàn)出了一大批地標(biāo)性的膜結(jié)構(gòu)建筑，如國家體育中心“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、天津于家堡火車站及北京世園會“媯汭劇場”等著名的膜結(jié)構(gòu)工程。

在各種膜結(jié)構(gòu)建筑中，膜結(jié)構(gòu)通常與其他建筑形式同時(shí)出現(xiàn)，共同組成一個(gè)完整的建筑單體，受膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形體影響，收邊構(gòu)件通常為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)件加工難度大。此外，收邊構(gòu)件的加工尺寸需充分考慮膜結(jié)構(gòu)的施工誤差，并消除部分施工誤差，使膜結(jié)構(gòu)的收邊構(gòu)件與膜面及相鄰裝飾構(gòu)件完美貼合[1-2]。

本文以隨州南站站房大曲率負(fù)高斯ETFE索膜結(jié)構(gòu)為研究對象，采用三維掃描技術(shù)對已完工索膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度的逆向建模，并結(jié)合Rhino3D等專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形體收邊鋁板的高精度下料加工，保證了收邊鋁板與曲面膜面及相鄰裝飾構(gòu)件的完美貼合。

1 工程概況

隨州南站站房建筑造型取義“千年銀杏、十里畫廊”，屋面為鋼梁鋼桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為“傘狀單元體”形式，由24根勁性混凝土柱支撐，屋面為24個(gè)傘狀單元結(jié)構(gòu)，傘狀單元底部為單層金色ETFE膜結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 隨州南站傘狀單元體索膜結(jié)構(gòu)

1.1 膜結(jié)構(gòu)概況

隨州南站站房采用了“傘狀單元體”大曲率負(fù)高斯單層ETFE膜結(jié)構(gòu)方案，通過金黃色ETFE索膜結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)銀杏葉的藝術(shù)造型。每個(gè)傘狀單元由6片不同形態(tài)的膜片組成。膜片背襯12 mm鋼索，與膜面形成協(xié)同受力體系，膜片邊緣設(shè)有鋁合金夾具形成膜面的張拉硬邊，傘狀單元體鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)有索膜結(jié)構(gòu)張拉支座，作為鋼索及張拉硬邊的固定支座，索膜結(jié)構(gòu)通過膜面四周硬邊張拉與索網(wǎng)張拉結(jié)合的方式，形成上大下小的漏斗形態(tài)。ETFE膜材表面為順滑的大曲率雙曲面，膜材及索網(wǎng)形狀和紋路，恰似銀杏葉葉柄向下，葉脈豎向向上伸展，外形靈動、優(yōu)美。同時(shí)，在膜材選型上采用75%透光的金黃色膜材，透過膜面能看到鋼結(jié)構(gòu)桿件的大致輪廓，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)美（圖2）。

圖2 膜結(jié)構(gòu)單元體平面

1.2 索膜結(jié)構(gòu)收邊件概況

受索膜結(jié)構(gòu)張拉施工工藝及結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造影響，傘狀單元體的6片膜片之間預(yù)留有寬200 mm的結(jié)構(gòu)間隔，結(jié)構(gòu)張拉完成后，結(jié)構(gòu)間隔處的張拉硬邊、張拉索頭及索膜支座均處于外露狀態(tài)。另外，雙曲面形態(tài)的膜面底部與柱頭交接、頂部與波浪形屋面交接（圖3）。

圖3 收邊件安裝前的膜結(jié)構(gòu)傘狀單元體

為使室內(nèi)裝修效果美觀、統(tǒng)一，且索膜結(jié)構(gòu)能呈現(xiàn)出銀杏葉的優(yōu)美造型，需對膜片間的結(jié)構(gòu)間隔及與柱頭、吊頂?shù)慕唤硬课贿M(jìn)行裝飾，隨州南站傘狀單元體膜結(jié)構(gòu)采用厚3 mm白色鋁板進(jìn)行裝飾。鋁板依據(jù)膜面及吊頂?shù)那嫘螒B(tài)加工成相應(yīng)的雙曲面造型，在隱蔽結(jié)構(gòu)構(gòu)件的同時(shí)對單元體膜面進(jìn)行裝飾，清晰地展示傘狀單元體的優(yōu)美輪廓，并使膜結(jié)構(gòu)單元體與主體結(jié)構(gòu)立柱渾然一體，形成銀杏葉葉柄、葉片、葉脈的形態(tài)。

因傘狀單元體鋼結(jié)構(gòu)及雙曲面膜結(jié)構(gòu)、波浪形吊頂、柱頭鋁板均存在不可避免的施工誤差，膜結(jié)構(gòu)收邊鋁板的加工及安裝需充分考慮各部位的施工誤差并通過微調(diào)收邊鋁板的尺寸抵消膜結(jié)構(gòu)及吊頂、柱頭鋁板的施工誤差，使收邊鋁板與膜面、吊頂、柱頭的曲面造型完美貼合，形成完整統(tǒng)一的整體（圖4）。

圖4 傘狀單元體完工效果

2 膜結(jié)構(gòu)收邊鋁板的加工及安裝

為使收邊鋁板與膜面、吊頂、柱頭的曲面造型完美貼合，抵消膜結(jié)構(gòu)及吊頂、柱頭鋁板的施工誤差，需要根據(jù)膜面、吊頂、柱頭鋁板完工后的實(shí)際形態(tài)及細(xì)微偏差加工收邊鋁板，使收邊鋁板的形態(tài)與之吻合。隨州南站傘狀單元體結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜，建筑實(shí)體復(fù)測難度巨大，經(jīng)比選各種精度復(fù)測手段，最終采用三維掃描技術(shù)開展隨州南站建筑實(shí)體復(fù)測。

2.1 膜結(jié)構(gòu)高精度逆向建模

收邊鋁板精確加工的前提是對已完建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度的復(fù)測，并依據(jù)復(fù)測結(jié)果逆向生成結(jié)構(gòu)實(shí)體的三維模型。復(fù)雜的建筑形態(tài)對施工精度復(fù)測提出了挑戰(zhàn)，采用常規(guī)測量手段對復(fù)雜曲面形體及柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度檢測時(shí)變得非常不適用，曲面形態(tài)復(fù)測和曲線輪廓復(fù)測需要采集大量點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，經(jīng)緯儀、全站儀的三維坐標(biāo)復(fù)測是通過不連續(xù)點(diǎn)模擬曲面或曲線，數(shù)據(jù)采集密度低時(shí)精度達(dá)不到要求。但數(shù)據(jù)采集點(diǎn)越密集，數(shù)據(jù)采集量即同比增加，這不僅會造成實(shí)體復(fù)測耗時(shí)大大延長、投入人工增加、拖延總體工期，同時(shí)，曲線及曲面數(shù)據(jù)采集還需要借助各種機(jī)械、耗費(fèi)大量人工，數(shù)據(jù)采集后的電腦模型建立及數(shù)據(jù)處理同樣工作量巨大，增加工程經(jīng)濟(jì)投入。

三維掃描作為近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，在逆向建模方面得到了廣泛的應(yīng)用，通過激光掃描形成的密集點(diǎn)陣，三維掃描技術(shù)可以形成毫米級精度的物體表面輪廓點(diǎn)陣，結(jié)合電腦制圖技術(shù)，高精度地建立建筑實(shí)體的數(shù)字建模。

隨州南站三維掃描建筑實(shí)體復(fù)測主要分掃描及建模2個(gè)步驟。掃描即通過建立統(tǒng)一坐標(biāo)系、多點(diǎn)建站及不同角度照射掃描，得到1.6 mm@10 m分辨率的室內(nèi)頂棚全景點(diǎn)云數(shù)據(jù)。建模是通過數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的工作站采用Rhino3D對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，刪除環(huán)境干擾數(shù)據(jù)，并對膜面、柱頭鋁板、吊頂點(diǎn)云進(jìn)行封裝，得到已完結(jié)構(gòu)的全景模型（圖5）。通過三維掃描逆向建模得到的全景模型具有真實(shí)反映建筑實(shí)體尺寸、精度高、兼容性強(qiáng)、可編輯等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 三維掃描過程影像

2.2 膜結(jié)構(gòu)收邊件加工圖設(shè)計(jì)

三維掃描逆向建模建筑實(shí)體模型是膜結(jié)構(gòu)收邊鋁板圖設(shè)計(jì)的依據(jù)，它以毫米級的精度真實(shí)反映建筑實(shí)體的三維尺寸。通過對24個(gè)單元體分別編號，逐個(gè)對應(yīng)地開展收邊鋁板的詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)，根據(jù)收邊鋁板安裝部位及已完建筑實(shí)體的實(shí)際尺寸調(diào)整收邊鋁板內(nèi)側(cè)尺寸，使收邊鋁板與膜面、吊頂及柱頭鋁板輪廓貼合，同時(shí)按理論形態(tài)設(shè)計(jì)收邊鋁板外側(cè)輪廓，使每個(gè)單元體收邊鋁板形態(tài)完全一致。

鋁板整體尺寸設(shè)計(jì)完成后根據(jù)裝修排板對鋁板進(jìn)行分割，對每塊鋁板進(jìn)行編號，得到尺寸有細(xì)微差別的單塊收邊鋁板，再將雙曲鋁板根據(jù)折線位置及形態(tài)拆分展平為形態(tài)各異的小塊平面鋁板，工廠依據(jù)詳細(xì)的加工圖紙將平面鋁板彎曲、拼接后，加工成可供現(xiàn)場直接使用的雙曲面異形鋁板（圖6）。

圖6 收邊鋁板設(shè)計(jì)截圖

2.3 膜結(jié)構(gòu)收邊件安裝

收邊鋁板的加工及進(jìn)場以單元體為單位，每個(gè)單元體的收邊鋁板按加工圖編號標(biāo)示清楚，同批進(jìn)場。

隨州南站候車大廳為高大空間結(jié)構(gòu)，為縮短施工周期，在膜結(jié)構(gòu)及吊頂施工的同時(shí)地面石材已鋪貼完成，施工現(xiàn)場不具備搭設(shè)腳手架的條件。因此收邊鋁板采用高空作業(yè)車進(jìn)行安裝。首先自柱頭位置向上安裝膜片間豎向分格鋁板，再自最高點(diǎn)向兩側(cè)對稱安裝膜與吊頂間的收邊鋁板。每塊收邊鋁板安裝時(shí)由2名工人同時(shí)操作，2人各手持鋁板的一端將鋁板緩慢安裝到指定位置，防止鋁板邊緣損壞膜面（圖7、圖8）。

圖7 收邊鋁板安裝

圖8 隨州南站正立面

3 結(jié)語

借助三維掃描精準(zhǔn)的逆向建模，大大節(jié)省了膜結(jié)構(gòu)收邊件數(shù)據(jù)采集、處理及收邊鋁板的設(shè)計(jì)、加工時(shí)間，也簡化了鋁板廠模具加工工作，使施工材料加工及安裝精度提高、施工周期大大縮短。

三維掃描技術(shù)在隨州南站復(fù)雜形體膜結(jié)構(gòu)收邊件加工中的成功應(yīng)用，使傘狀單元膜結(jié)構(gòu)收邊鋁板曲面過渡平順，鋁板與吊頂、膜結(jié)構(gòu)完美結(jié)合，傘狀單元膜結(jié)構(gòu)與周邊裝飾材料自然交接、渾然一體，完美還原了隨州南站“千年銀杏、十里畫廊”的藝術(shù)效果。