三維激光掃描技術在古橋評估中的應用

宋曉杰，劉其軍，龔海涵 ，朱利明，周德梁

（1.南京工程咨詢中心有限公司，江蘇 南京 210031；2.南京揚子江新城發展有限公司，江蘇 南京 211899 3.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 210009）

1 引言

近年來，隨著信息技術的迅速發展，數字化技術在古建筑保護領域得到了廣泛應用[1～3]。三維激光掃描技術是近年發展起來的一項新技術，是測繪領域繼GPS技術之后的又一項技術革新，眾多學者都針對三維激光掃描技術在古建筑測繪與保護領域的應用進行了研究。

周俊召[4]等將地面三維激光掃描技術應用于石窟石刻文物保護測繪領域，并便利地得到了新的測繪成果。蔡廣杰[5]使用三維激光掃描儀完成了大昭寺的數字化掃描，初步探索了三維數字化技術在文物保護中的工程化應用。Allen[6]等利用掃描儀進行了圣皮埃爾大教堂的三維重建。馬宏毓[7]等提出將BIM技術與三維激光掃描技術相結合，創建了屬性信息豐富的古建筑三維模型。本文以無錫大公橋為研究對象，通過對其進行三維掃描，獲取點云數據，生成大公橋點云模型，并結合MIDAS建立有限元模型，對其現狀進行綜合分析與評估，為大公橋的后期修繕和保護提供數據支持。

2 三維激光掃描技術原理與特點

三維激光掃描技術突破了單點測量的限制，通過向目標表面發射連續激光束就可快速獲取點云數據。結合配套設備采集到的色彩和紋理信息，再利用相關軟件就可以高分辨率、大面積地復建掃描對象的三維空間模型[8]。三維激光掃描不與目標物體之間接觸，受環境因素限制小且測量速度快，精度高。

測量時三維激光掃描儀建立以儀器為中心的系統坐標系，X軸位于橫向掃描面內，Y軸在面內與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面，三維激光掃描技術測量原理如圖1所示，則可以用式（1）來表示監測點在掃描坐標系中的坐標。

圖1 三維激光掃描技術測量原理圖

式中：α為掃描儀測量到的水平角，β為掃描儀測量到的豎直角，S為坐標原點到監測點的距離。

3 三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用實例

本文三維激光掃描技術的應用對象為無錫清名橋歷史街區大公橋。大公橋位于南長街古運河上，建于民國19年。大公橋結構完整，保存較好，是南長街和古運河歷史發展的重要實物見證，承載著當地文化風俗與人情，作為“千橋會”建成的第一座橋梁，代表著“千橋會”所建橋梁的技術和藝術特點。大公橋為超靜定連續剛構橋，兼有拱橋特點，結構受力非常巧妙。大公橋現狀如圖2所示，2002年大公橋被評為江蘇省文物保護單位。

圖2 大公橋現狀照片

4 三維激光掃描工作流程

本次應用三維激光掃描技術的作業流程見圖3所示。

圖3 三維激光掃描工作流程

4.1 點云數據獲取

4.1.1 數據采集

三維激光掃描儀的數據采集，具有光的遮擋性。因此，為了獲得掃描對象完整的點云數據，掃描需要從多個角度及方向進行。使用地面掃描儀進行數據采集前，必須進行實地勘察，檢查掃描場地的通視情況和目標物的結構特征，確定最佳的掃描路線、掃描儀和標靶球的擺放位置，以及所需的掃描站數等，使得掃描工作全面高效。本次掃描測站點位布置圖見圖4所示。

圖4 測站布置示意圖

4.1.2 三維激光掃描儀

在三維激光掃描工作中使用不同的掃描儀會得到精度不同的結果，因此需要根據實際的工作需要選擇合適的掃描儀器[9]。本次掃描主要用到的儀器為法如Focus3D X330三維激光掃描儀，其具有體積小、重量輕、換站速度快等優點，比較適合換站頻繁與站點布置較密的掃描工作，其主要性能參數見表1所示。

三維掃描儀性能參數 表1

4.2 點云數據處理

4.2.1 點云拼接

通過三維激光掃描工作獲得的各個位點的點云數據僅顯示其站點掃描范圍內的信息。想要獲得掃描對象的完整信息需要拼接多個站點的數據[10]。幾種拼接方法中，基于標靶球的拼接比較常用，配準精度也比較高。本次掃描利用標靶球作為公共特征點，數據處理時識別標靶球點云，求解參數，進行點云拼接。后期處理時，對兩測站點云中的標靶球進行標定，以擬合標靶球中心點計算參數，進行點云配準。

4.2.2 點云去噪

在掃描操作過程中，由于周圍環境、儀器本身和操作者的影響，點云數據中不可避免地會產生噪點。所謂噪點，就是掃描到不屬于掃描對象的錯誤點。噪點的存在會對點云的整體質量造成影響，并干擾后續點云模型的建立，因此需要對點云數據進行去噪處理，否則就會影響模型的處理速度和精度[11]。處理噪點采用的方法通常包括：調整掃描的角度，改變儀器的掃描參數，以及利用濾波的方法等。同時還可以改變掃描對象和與儀器之間的距離以增強反射率。圖5是部分站點明顯噪聲被刪除后的情況。

圖5 初步去噪后點云數據圖

4.3 點云模型構建

通過對掃描獲得的點云數據進行拼接與去噪及其他相關處理后，即可進行點云模型的構建，真實地反映物體的立體形狀。三維激光掃描技術所獲得的古建筑三維模型可應用于古建筑的修繕與保護、二維圖紙的輸出、研究與展示等方面，根據最終需求與應用領域的不同，可采用不同的建模方法，使得原始的數據信息得到充分利用。本次掃描生成的點云立體模型見圖6所示。

圖6 點云模型圖

5 有限元分析

5.1 特征信息獲取

為了獲得大公橋現狀的精確尺寸與相關特征信息，在前述對點云數據的輕量化工作的基礎上，依據已建好的三維模型，利用PolyWorks軟件準確選取大公橋的特征點，描繪特征線，進行高精度二維圖紙的輸出繪制。描繪完后的二維圖紙能夠以(*.dxf)的格式導出，在AuTo-CAD軟件中打開。從三維模型中描繪出的二維圖紙帶有其原有的三維坐標，因此不但可以在AuToCAD中體現大公橋的二維形狀，還可以在三維視圖中直接量測和標注所需要的信息，可為后續有限元模型的建立與大公橋的評估保護工作提供重要的數據支撐。依據點云數據與模型繪制的大公橋立面圖見圖7所示。

圖7 大公橋立面圖（單位：cm）

5.2 有限元模型建立

根據三維點云數據與模型獲得的精確尺寸與相關特征信息，并結合已有相關資料，采用MIDAS CIVIL2019建立無錫大公橋有限元模型，進行結構現有檢算與評估。該橋為鋼筋混凝土結構，參考相關規范及文獻，取混凝土強度等級為 C15，彈性模量 Ec=2.2×104MPa；出于安全考慮，鋼筋采用R235，彈性模量Es=2.1×105MPa。恒載包括梁體自重、橋面鋪裝、護欄。人群荷載按照《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ69-95）中規定取值。橋臺后土壓力按土層參數、橋臺寬度和高度考慮。墩梁采用彈性約束中的剛性連接，主墩底部完全固結。有限元模型示意圖見圖8所示，構件編號見圖9所示。

圖8 大公橋有限元模型示意圖

圖9 構件編號圖

5.3 結構自振頻率計算

在大公橋的三跨跨中分別布置振動測點，使用動態信號測試系統和拾振器對大公橋結構自振頻率進行測試，實測得到大公橋豎向自振頻率為13.3Hz，由模型計算所得的自振頻率為13.1Hz，可知結構一階豎彎振型的計算自振頻率與實測自振頻率接近。參照《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69-1995）中的相關規定，天橋上部結構的豎向自振頻率應不小于3Hz。由此可知，大公橋自振頻率滿足規范要求。

5.4 強度計算

5.4.1 抗彎承載力計算

計算可得2#縱梁抗彎承載力最大，計算結果見表2所示，結果云圖見圖10所示。由計算結果可知，在荷載組合作用下，大公橋梁體控制截面抗彎承載能力滿足規范要求。

圖10 2#縱梁承載能力組合彎矩包絡及對應抗力圖

5.4.2 抗剪承載力計算

計算可得2#縱梁抗剪承載力最大，計算結果見表3所示，結果云圖見圖11所示。由結果可知，在荷載組合作用下，大公橋梁體控制截面抗剪承載能力滿足規范要求。

大公橋梁體抗剪承載能力計算結果 表3

圖11 2#縱梁承載能力組合剪力包絡及對應抗力圖

6 結語

本文基于古橋評估及保護的需求，對古建筑領域三維激光掃描技術的研究現狀進行了總結，結合無錫大公橋的三維掃描流程，研究了三維激光掃描技術的應用，建立了大公橋的有限元模型，對其現狀進行了檢測與評估，主要結論如下：

①三維激光掃描技術具有非接觸、限制小、速度快、精度高等優點，在應用過程中突破了單點測量方法的技術局限，與傳統測量技術相比優勢明顯；

②基于三維激光掃描技術獲取大公橋點云數據，結合MIDAS應用建立有限元模型，進行數值模擬計算，經綜合分析評估，各項計算結果均滿足規范要求；

③三維激光掃描技術是一項新興的測量技術，對于古建筑的數字化保護具有重要意義。希望通過本文的研究，能夠提高古建筑測繪及保護工作的效率，為古建筑保護工作作出貢獻。