三維激光掃描在既有建筑檢測中的應用

楊 敏，方 林，張 俊

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

城市更新是目前建筑行業最火熱的名詞，隨之而來是大規模的既有建筑改造，檢測成為該過程必不可少的重要環節，目前檢測的主要內容有：建筑結構測繪與復核、材料強度檢測、傾斜沉降測量、損傷調查、結構建模計算、抗震措施分析等[1]，其中現場作業的人工工作量較大，方法較為陳舊，如何通過結合運用一些新技術輔助增強檢測工作的效率和準確性，成為值得探討的問題。

1 三維激光掃描介紹

三維激光掃描是近年來應用較為廣泛的新型測繪技術，可解決許多傳統測繪方法的技術難題，該技術采用非接觸式高速激光測量方式，利用向被測對象發射激光束和接收由被測物發射回的激光信號獲取被測對象的空間坐標信息[2]。

三維激光掃描的成果是海量空間坐標點，這些密集而連續的點數據叫作點云，點云數據是對被測物體表面的描述，是由目標物體表面一系列空間采樣點構成的三維空間中數據點的集合，具有數據量大、密度高、帶光學特征、可量測性和表面紋理性質，將各測站的點云數據進行拼接，獲取整體三維點云模型，并據此展開如測繪、檢測、分析、仿真、模擬、展示、監測、虛擬現實等應用。

2 三維激光掃描應用

本文結合工程實踐經驗歸納一系列三維激光掃描在檢測中的應用點，以期為今后的檢測項目提供新思路。

2.1 結構復核

結構是既有建筑檢測的核心內容，所有的數據采集最終均會為結構安全及合理性的分析提供支撐，根據三維激光掃描的技術特點，經過大量實際項目的探索嘗試，尋找一些可提高傳統結構檢測效率或解決難題的方法。

2.1.1 輔助結構調查

老舊建筑或歷史保護建筑由于建造年代久遠，大多缺乏完整的結構圖紙，且多年來經過多次功能改變，因此結構體系調查尤為重要，在結構測繪工作開展之前，如果能夠先判斷該建筑的承重體系，直觀了解各樓層的墻體分布，將對后續工作會帶來事半功倍的效果。某磚木歷史保護建筑的1～2層建筑平面剖切點云數據如圖1，2所示，根據點云可大致判斷承重墻體的分布，仔細觀察發現房屋中部有一道南北向的墻體，由于樓板為木格柵樓板，主要擱置在墻體上，考慮到樓板擱置的跨度判斷該墻體為承重構件，但發現這道墻在2層布置的情況下1層中部偏南側卻沒有布置墻體，結構布置不合理且存在安全隱患，因此可列為后續現場調查的重點關注部位，后經實地踏勘后發現，該處南北側凸出部位均為截面較大的磚柱，原結構從1層升至屋架下方，后因改造將南側矩形磚柱拆除，而在上部布置1根鋼梁進行承重。通過檢測前期現場三維掃描數據的采集，既能夠提供建筑測繪的依據[3]，同時也能第一時間為結構調查提供參考輔助。

圖1 1層建筑平面剖切點云數據

圖2 2層建筑平面剖切點云數據

2.1.2 多坡屋面屋架測繪

多坡屋面是歷史保護建筑的特色之一，同樣也是該類建筑結構體系中的重要組成部分，其結構布置、木構件損傷情況均是貫穿檢測、修繕、改造的重要參數[4]，對于木屋架可靠性的計算目前較多的是使用手動計算方式進行，但這一切的基礎是需要整個多坡屋面的準確結構布置圖及各種類型木屋架的細部詳圖，這對于普遍搭設閣樓和建筑布局凌亂且空間狹小的歷史保護建筑而言是較為困難的工作內容，通過三維掃描技術的測站拼接功能，使用標靶或重合率拼接的方式將這些零散的屋架空間數據集合在一起形成整體，然后再對屋架進行任意剖切，截取不同的單品木屋架進行詳圖繪制，為后續的計算、分析、改造提供依據（見圖3）。

圖3 多坡屋面點云數據

2.1.3 鋼結構網架復核

鋼結構屋架建筑普遍具有較高的層高，甚至在一些大型場館中就連使用登高作業車都無法觸及，面對登高作業、網架密度高、桿件弧度難定等因素[5]，給該類型檢測項目中的結構復核工作帶來困難。采用三維激光掃描技術可精確采集距測站近百米的點云數據，結合馬道上的補充掃描可獲取完整的鋼網架三維點云模型，隨后通過三維處理軟件的自動擬合識別功能，可點選任意的圓形及矩形桿件進行尺寸和長度復核，大大提高檢測的準確度和效率（見圖4）。

圖4 鋼網架桿件尺寸擬合

2.2 非常規傾斜測量應用

常規建筑物的傾斜測量往往是指測量房屋4個或多個角部的傾斜數據，整體判斷房屋的傾斜趨勢方向和傾斜率是否超過規范允許值，但在某些情況下，采用三維激光掃描技術進行傾斜測量將會有更為全面的數據依據，經分析計算后所反映的傾斜數據將更為合理。

2.2.1 圓柱體構筑物傾斜測量

檢測鑒定中會遇到圓柱體的構筑物，較為典型的如煙囪，要想準確獲得其傾斜數據，必須進行等距離分段測量才更為合理，因此對煙囪各角度進行全面掃描工作后獲得煙囪整體的三維點云模型，導入rhino軟件中進行等距離切割，通過擬合上下2個圓的圓心位置關系判斷該段圓柱體的傾斜趨勢及具體數據，為煙囪的整體傾斜分析提供依據，也為類似的圓柱體建（構）筑物測量提供借鑒（見圖5，6）。

圖5 煙囪點云數據等距離分段

圖6 切割面圓心擬合

2.2.2 墻面整體傾斜測量

在目前大規模老舊小區加裝電梯檢測項目中，除常規的房屋角部傾斜測量外，加裝一側墻面的傾斜數據同樣十分重要，一般采用全站儀在該墻面上任意選取上下兩點的水平距離差除以高程上的差值獲取墻體傾斜率，但這種方法受到墻面平整度的影響較大，因此用這種以點代面的測量方式所獲取的傾斜率精度較差。通過三維激光掃描技術進行單站的掃描數據采集，首先可忽略拼接上的誤差，其次采用較高的掃描精度可獲得整面墻體的三維點云數據，將點云數據直接導入Geomagic軟件中，可精確計算獲取墻面的整體傾斜率，這樣的成果依據更加全面，結果更為精確（見圖7）。

圖7 Geomagic軟件中整體墻面點云傾斜率的計算

3 損傷記錄應用

損傷調查是既有建筑檢測工作內容的重要組成部分，特別在完損性檢測和施工影響監測類中尤為重要，行業內在遇到多條明顯無規則裂縫的情況下目前通常會采用拍照后在平面圖上大致示意性表示，主要因為裂縫的走向、定位及長度較難準確測量及表述清楚[6]。針對上述問題，可采用三維激光掃描技術，采用高精度對明顯的地坪、墻體裂縫進行掃描采集，將點云數據導入CAD中進行1∶1的描繪，準確反映明顯裂縫的數量、走向、定位及范圍，同時留下現狀的影像資料方便記錄歸檔，但對于裂縫寬度的測量仍需使用卡規進行人工測量及判斷。

4 結語

本文根據工程實踐歸納了三維激光掃描在既有建筑檢測中的如下應用點：結構復核，包括輔助結構調查、多坡屋面屋架測繪、鋼結構網架復核；非常規傾斜測量，包括圓柱體構筑物傾斜測量、墻面整體傾斜測量；損傷記錄。

通過詳細分析介紹，突出該技術在上述應用點中解決傳統方式所不能解決的技術難題，提高傳統方式所不能達到的檢測效率和準確度，并可為類似檢測項目提供參考。