秦統(tǒng)一雕塑遷移改造工程測量方法

徐征剛

（中鐵二十局集團(tuán)電氣化工程有限公司，陜西 渭南 714000）

1 工程概述

項目場地位于西安市臨潼區(qū)秦唐大道和西關(guān)正街十字，整體呈三角形，地處臨潼西大門入口位置，距秦風(fēng)唐韻牌坊300 m，距華清池1 200 m，屬于名勝風(fēng)景區(qū)，觀賞人數(shù)多。雕塑矗立于三角地帶，視野開闊、宏偉氣派，是如今進(jìn)入臨潼城區(qū)的一大特色標(biāo)志。秦統(tǒng)一雕塑廣場作為市民休閑健身的常去之處，為充分發(fā)揮地理環(huán)境優(yōu)勢，進(jìn)一步提升整段街區(qū)的區(qū)位環(huán)境，現(xiàn)進(jìn)行整治改造工作，需要將其整體重新設(shè)計，并西移約50 m。

作為大型石刻群雕，其平面設(shè)計大體呈三角形，南北軸線32 m，東西軸線22 m，主體高12 m，周長約100 m，兩翼人物高約6 m，共出現(xiàn)24個人物和12匹馬，全部采用紅色花崗巖石雕刻和拼砌完成。本雕塑群共用到石料1 209塊，總重量為1 500 t。秦統(tǒng)一雕塑群歷史意義重大。

由于整座雕塑通過上千塊巖石拼砌而成，整體改造方案采取的拆除改造工作中，為充分了解施工前后雕塑建筑結(jié)構(gòu)，確保施工的準(zhǔn)確性，需要精確測量出每塊雕刻巖石的空間位置坐標(biāo)，便于后期恢復(fù)原貌?？紤]到其測量數(shù)據(jù)的復(fù)用性及異形雕塑的復(fù)雜性，通過三維激光掃描加近景攝影測量的方式展開工作，測量工作是項目的第一步工藝，測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用貫穿于整個遷移改造工程，因此測量方法直接決定整個遷移改造工程的質(zhì)量。本文對測量方法和測量步驟做了重點論述，同時對測量數(shù)據(jù)在整個遷移改造中的具體應(yīng)用做了說明。

2 遷移改造總體方案

2.1 總體方案

遷移改造總體方案具體工序流程：原有秦統(tǒng)一群雕塑三維建模、石材編號—原雕塑石材拆除—新建雕塑基坑開挖地基處理—新建雕塑基礎(chǔ)筏板施工—新建雕塑內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土施工—雕塑石材測量定位、放線—石材拼裝—雕塑石材拼裝縫修整—石材打磨修補(bǔ)清洗—竣工驗收。其中，測量貫穿于整個工程中，尤為重要。

2.2 工藝流程中需要注意其他事項

遷移改造工程涉及面多，在整體中有兩個需要特別注意的事項。

第一，原雕塑石材拆除：主要采用人工配合機(jī)械方法拆除，從最上層石材平面開始，先鑿除石材間連接縫隙黏結(jié)劑，再用風(fēng)鎬從縫隙進(jìn)行震動，使石材松動后，掛吊裝帶，用吊車將石材吊裝出來，安全吊至地面。在地面作業(yè)區(qū)，采用叉車按照分層運輸?shù)囊?guī)則運送至指定地點分層歸類堆放，避免出現(xiàn)層數(shù)石塊混淆。需要按層數(shù)分類單獨堆放，一層歸一個位置，并派專人負(fù)責(zé)。

第二，新建雕塑基坑開挖、地基處理：按照設(shè)計挪移位置，采用全站儀進(jìn)行基坑放線，使用挖掘機(jī)與自卸汽車相配合進(jìn)行土方開挖，再將所有土方運輸?shù)江h(huán)保地點，并加上綠色防護(hù)層覆蓋，避免因風(fēng)吹污染環(huán)境。當(dāng)開挖到基底時，為了保護(hù)原土，需要停止機(jī)械作業(yè)，采用人工使用鐵鍬清理的方式。開挖完成后，由專業(yè)工程師進(jìn)行檢測實驗，實驗合格，報備完成，滿足要求后，按設(shè)計圖紙要求進(jìn)行地基處理施工。

3 測量需要的軟硬件設(shè)備

測量工作由專業(yè)的測量團(tuán)隊完成，其中用到的先進(jìn)的軟硬件設(shè)備如下。

硬件設(shè)備有一臺Faro三維激光掃描儀、一臺“大疆”精靈四RTK無人機(jī)、若干臺GPS-RTK測量儀、若干臺高性能電腦。軟件設(shè)備有TrimbleRealworks點云后處理軟件、CAD、3Dmax、Sketchup、ContextCapture傾斜實景三維軟件。利用這些軟件和硬件設(shè)備，將三維空間數(shù)據(jù)及實景模型結(jié)合后，不僅對目標(biāo)物的變形有一個直觀且全面的認(rèn)識，還可以將其變形結(jié)果和趨勢與監(jiān)測點之間進(jìn)行對應(yīng)，提高監(jiān)測的關(guān)聯(lián)性與整體性，使監(jiān)測結(jié)果更加立體和直觀［1］。

4 測量整體方案

4.1 準(zhǔn)備工作

項目組在工程測量前做了充分的前期準(zhǔn)備工作，這些準(zhǔn)備工作讓測量組得到的建筑物數(shù)據(jù)更加完整，為后續(xù)繪制圖形和建模做了重要鋪墊。準(zhǔn)備工作主要包括現(xiàn)場踏勘、控制網(wǎng)布設(shè)、掃描點布設(shè)、標(biāo)靶布設(shè)、繪制草圖等。做好這些準(zhǔn)備工作，能夠降低掃描誤差、避免數(shù)據(jù)遺漏，提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度和全面性，確保采集點排列結(jié)構(gòu)的合理性，提高數(shù)據(jù)采集的真實性和可靠性等。

4.2 點云數(shù)據(jù)采集

本雕塑群數(shù)據(jù)掃描采集范圍包括雕塑內(nèi)部掃描、雕塑外部掃描。外部數(shù)據(jù)具體收集的數(shù)據(jù)包括石材間基座及每層的輪廓線。

4.3 點云數(shù)據(jù)處理

采集數(shù)據(jù)最終目的是為了建立模型，在建立模型前，必須對前期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理。未經(jīng)過軟件處理的原始點云數(shù)據(jù)的排列是無規(guī)則、零星、散亂及無序的，無法直接利用這些原始數(shù)據(jù)繪制草圖和建模，只有利用軟件經(jīng)過點云處理的操作后，才能將數(shù)據(jù)規(guī)則化、秩序化。這些進(jìn)一步得到的數(shù)據(jù)就可以直接導(dǎo)入Cad軟件中進(jìn)行繪圖、導(dǎo)入3DMax軟件中進(jìn)行建模處理。點云數(shù)據(jù)處理主要包括點云拼接、點云合并和點云降噪等［2］。

4.3.1 點云拼接

處理過程中，對各站點云進(jìn)行拼接，站點間的拼接精度要根據(jù)設(shè)置的要求達(dá)到某個數(shù)值。外業(yè)掃描得到的點云數(shù)據(jù)在導(dǎo)入軟件之后，要進(jìn)行群雕塑石塊采集數(shù)據(jù)的拼接工作，把多個站點掃描得到的點云數(shù)據(jù)根據(jù)軟件操作轉(zhuǎn)化到同一個坐標(biāo)系空間中，簡化計算模式。采用公共重疊區(qū)域的點云數(shù)據(jù)在完成拼接操作這一過程后，就會將原來雜亂的數(shù)據(jù)去掉，形成一個新的數(shù)據(jù)整體。本雕塑群結(jié)構(gòu)內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此獲取的點云數(shù)據(jù)量非常大，合并施工前后兩期的點云數(shù)據(jù)的文件內(nèi)存約48.3 GB。為了提高工作效率，快速啟動軟件、快速瀏覽和處理數(shù)據(jù)，測量項目組配置了專用的高配置的計算器材。

4.3.2 點云合并

相鄰兩站間有10%以上的重疊區(qū)，點云合并可以保證結(jié)構(gòu)不變的情況下，有效地減少數(shù)據(jù)量。經(jīng)過點云拼接裁剪，各點云統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下，然后把多片點云合并到同一塊點云，同時去掉兩塊點云之間重疊的冗余點，然后生成新的多邊形計算機(jī)模型［3］。

4.3.3 點云降噪

在使用軟件處理數(shù)據(jù)的過程中，點云降噪非常重要，也是必不可少的過程。在掃描過程中，所獲取到的點云數(shù)據(jù)成為原始數(shù)據(jù)，這些采集到的數(shù)據(jù)都會受到周圍環(huán)境的干擾，并且這些干擾是環(huán)境因素，是不可避免的。這些因素包括主要建筑物表面的光照影響、移動的行人、測量角度、綠化樹木的遮擋、臨時搭設(shè)的鋼管腳手架、施工設(shè)備等。這些噪聲主要分為兩種：一種是大范圍噪聲點云，另一種是零散噪聲點云。在Trimble Realworks軟件中，大范圍噪聲點云是能夠簡單識別出來的，這些大范圍噪聲點云采取的是人工刪除方法，在軟件直接人工刪除這些數(shù)據(jù)即可。本款軟件具有高度的自動識別數(shù)據(jù)功能，剩余零散的噪聲點云可以通過軟件自動識別的方法刪除凈化。刪除凈化完全部的噪聲點，從不同角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，提高了點云質(zhì)量，在保證點云數(shù)據(jù)的真實性和完整性的前提下，得到了高清晰度的點云數(shù)據(jù)，為后續(xù)建模打下了基礎(chǔ)。經(jīng)過一系列處理后，得到雕塑拆除中數(shù)字三維點云如圖1所示。

圖1 雕塑拆除中數(shù)字三維點云

4.4 點云建模

在本遷移改造工程中，用到的建模軟件是3DMax。最先采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過Trimble Realworks軟件點云拼接、點云合并和降噪處理，這些經(jīng)過Trimble Realworks軟件處理的數(shù)據(jù)量非常大的云數(shù)據(jù)，一起導(dǎo)入電腦軟件3DMax當(dāng)中進(jìn)行建模。雕塑群由上千塊石材組成，外觀形狀極其復(fù)雜，造成建筑物的表面凸凹不平。雕塑群有的高，有的低，高度數(shù)值不在一個簡單的水平面上，數(shù)據(jù)隨著每一層的實際高度不斷變化。在施工方案中，需要隨時體現(xiàn)內(nèi)、外部和不同時期的施工數(shù)據(jù)等。雕塑點云縱剖展示如圖2所示。

圖2 雕塑點云縱剖展示

5 工程測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用

工程測量數(shù)據(jù)應(yīng)用于整個遷移改造工程。

5.1 測量數(shù)據(jù)在石材拼接前的應(yīng)用

為保持挪移后的雕塑保持原狀，雕塑拆除前，先聯(lián)系專業(yè)測繪公司對原雕塑外輪廓進(jìn)行掃描，建立三維模型，確定每塊石材的空間位置，以便在新地點能夠原狀復(fù)位。建模完成后，對石材進(jìn)行編號，確定每塊石材的層數(shù)和在該層的位置，用油漆噴涂在石材上，以便安裝時尋找。

在新雕塑重建前，確保第一層石材位置正確是雕塑石材安裝能否保持原貌的關(guān)鍵，因此先按三維建模數(shù)據(jù)由測繪單位放出關(guān)鍵控制點，再將在原雕塑底層石材外輪廓處制作的石膏模型按主要控制點擺放出來，與測繪點對比，沒有偏差時用油漆繪出外輪廓線，作為底層石材安裝的控制線。

5.2 測量數(shù)據(jù)在石材拼接中的應(yīng)用

每層雕塑石材全部拼裝完成后，由測繪單位按建模數(shù)據(jù)對雕塑外輪廓進(jìn)行復(fù)測，不滿足要求的石材繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，全部滿足要求后，用鋼筋將石材背面的對拉螺栓與主體剪力墻預(yù)留的鋼筋焊接牢固，保證石材不移位。這些工作為后續(xù)的工程維護(hù)提供了便利。

5.3 測量數(shù)據(jù)在石材拼接后的應(yīng)用

為了加強(qiáng)群雕塑的牢固性，從兩個方面進(jìn)行了工藝設(shè)計。一方面，在每層雕塑石材拼裝完成后，按建模數(shù)據(jù)對雕塑外輪廓進(jìn)行復(fù)測，不滿足要求的石材繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，再采用鋼筋將石材背面的對拉螺栓與主體剪力墻預(yù)留的鋼筋焊接牢固，保證石材不移位。另一方面，對雕塑石材與主體混凝土澆筑后留下的空腔進(jìn)行填充。使用符合設(shè)計強(qiáng)度要求的混凝土對石材空腔進(jìn)行填充，填充混凝土施工時要分層進(jìn)行，分層原則為按照原有群雕塑石材的層次，分層數(shù)據(jù)已經(jīng)提前測量。這樣能夠有效防止石材移位，在保證石材安全的同時也為后期的維護(hù)提供了便利。

秦統(tǒng)一雕塑的石材在整體拼接后要進(jìn)行拼縫修整、除去多余的石材，然后使用精密儀器進(jìn)行打磨和清洗。整個雕塑拼裝完成后，使用結(jié)構(gòu)膠對石材的拼裝縫進(jìn)行修整，結(jié)構(gòu)膠是在石材運輸過程中安排專業(yè)工程師進(jìn)行調(diào)配的，配置原則為與原有石材顏色保持一致。龐大的雕塑群常年暴露在外，石材因為日光的照射、風(fēng)吹雨打、空氣對流等因素的影響，外觀顏色并不均勻，因此結(jié)構(gòu)膠的顏色需根據(jù)石材的顏色做若干種色號調(diào)配。在施工收尾階段，做好拼裝縫的防水處理，對安裝轉(zhuǎn)運中出現(xiàn)的碰撞空隙用修補(bǔ)膠進(jìn)行填充處理，確保與石材顏色完全一致。全部工作完成后，需要用高壓水對雕塑進(jìn)行全面沖洗，沖洗遍數(shù)不少于3次，以達(dá)到石材表面浮灰、污染沖洗干凈，石材顯示出本身顏色報有關(guān)部門專業(yè)人員驗收合格即可。

6 結(jié)語

本次項目遷移后順利驗收合格，雕塑群遷移改造后大大改善西安市整體面貌，提升了西安市城市品位和城市承載力，進(jìn)一步提升整段街區(qū)的區(qū)位環(huán)境，為當(dāng)?shù)鼐用駝?chuàng)造了便利，受到廣大市民的好評，也為西安市的旅游服務(wù)提供了便利。該遷移工程的測量方法大大提高了工作效率和質(zhì)量，對其他雕塑遷移工程能夠起到很好的借鑒作用。