基于三維激光掃描技術的弧形曲面展開應用

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

近年來，三維激光掃描技術作為測繪行業中的新興技術力量得到了大力的發展和推廣，該技術可以無合作目標地進行快速高精度自動數據采集，實現從傳統一維、二維測繪到三維掃描測繪的質變飛躍，為空間信息乃至紋理影像方面的獲取提供了全新的測繪技術手段，并在諸多領域取得顯著的應用成效及解決了一系列技術難題。

隨著城市建筑的不斷更新，建筑體呈現多樣化的建筑形態，各種異形建筑、曲面建筑、網狀建筑百花齊放，與此同時對施工帶來了新的挑戰。其中針對弧形曲面建筑體中，往往需要獲得弧形曲面立面的精確現狀展開圖，來滿足施工下料及一些附屬構件的安裝等［1］，然而由于現場實際施工誤差以及圖紙全面性等問題，可能會導致材料估算的不準確、附屬構件由于尺寸偏差反復回廠返工等。因此合理的解決方式是在施工前對既有建筑體重新進行測繪復核后將成果通過技術手段進行展開鋪面，基于復核后的測繪成果進行必要的施工調整來避免上述問題。對此傳統單點采集的測量方式難以將弧形曲面準確繪制出來，且工作效率低，數據成果不直觀，難以實現預期目標，三維激光掃描技術可以在較短時間內全方位、高精度地采集擬定目標的三維空間坐標，形成海量的數據成果，即點云，點云數據是被測物體表面的描述，具有數據量大、密度高、可量測、帶光學特征信息、體現表面紋理影像信息等特點。

本文將以實際項目為例，詳細介紹采用三維激光掃描技術，基于高精度點云數據，通過不同方法進行成果轉換，進而準確獲得弧形曲面建筑體現狀立面的展開圖，為類似的項目提供參考。

1 項目概況

某弧形建筑體為鋼筋混凝土框架結構，建筑物的形狀總體呈大跨度弧形曲面，建筑立面頂部及中間開口區域同樣由弧線構造而成，建筑設計總長度為 53.2 m，弧長為 97.6 m，總高度為 8.3 m，建筑面積約為 1 350 m2，主要功能為體育館附屬配套活動中心，主體結構施工已基本完成，目前處于外立面裝修施工及附屬構件安裝階段。根據設計圖顯示，在建筑體幾個主要立面將分別安裝三段弧形的連續鋼結構雨蓬，如圖 1 所示，涉及的鋼構件包括矩形鋼管、等邊角鋼、工字梁、玻璃雨棚連系梁等，雨蓬外包采用氟碳鋁單板。設計總說明中的鋼結構安裝和其他注意事項中明確指出：①必須保證錨固鋼筋與預埋鋼板的焊接可靠，預埋鋼板定位準確；②預制鋼構件加工前應對建筑圖紙尺寸進行核對調整；③與主體結構相連部分，須結構設計計算認可后方可施工。考慮到弧形建筑體會存在一定的施工誤差，且由諸多鋼構件組裝而成的弧形雨蓬是否能與所需安裝段的建筑體本身的弧形曲面墻面相匹配，都將直接影響到現場安裝的質量，可以預見的是鋼構件反復返廠糾偏。因此需要對主體建筑進行現狀測繪，隨后通過技術手段還原曲面的展開面來為準確定位和尺寸糾偏提供支撐，此外根據現狀測繪成果聯合鋼結構設計建立計算模型來進行結構安全性驗算同樣值得關注［2］。

圖1 鋼結構雨蓬設計平面布置圖

2 弧形曲面建筑中的展開應用

本次采用三維激光掃描技術，對弧形曲面建筑體進行外立面的數據采集。現場采集的方式可以分為標靶拼接和重合率拼接兩種，根據本項目特點，為保證精度的可靠性，建議采用標靶拼接的模式，同時通過盡可能地減少測站的架設數，來提升整體的拼接精度，獲得三維點云數據模型后［3］，通過兩種方法進行數據轉換及分析擬合，從而獲得建筑外立面的現狀展開面，為施工安裝提供可靠依據。

2.1 依托三維分析軟件

根據現場掃描結果，將測站點云數據進行拼接、去噪等操作后得到立面三維點云模型，把點云數據導入 Geomagic 建模軟件中，調試合適的三角面片數量后將現狀點云直接轉換成面形成三維實體模型［4］，進行一定的修面補面及網格優化處理，隨后將模型導入 Rhino 三維軟件中，如圖 2 所示。在線框模式下對弧形曲面模型進行描繪使得建筑輪廓及立面開口區域得到重構，利用軟件中的曲面展開功能進行展開，如圖 3 所示。該方法適合于較為常規的弧形曲面，在操作過程中需要注意兩點，一是弧形曲面只能單一區塊的展開，因此對于立面上的弧形門窗及開口洞口需要分別逐個進行重構展開；二是當弧形曲面上有凹凸或不規則情況時，三維軟件的算法將出錯，無法準確識別及展開。

圖2 弧形立面三維實體模型

圖3 部分弧形曲面在軟件中的展開

2.2 依托點云數據擬合

本方法的主要思路是定位曲面上類似門、窗、洞口等輪廓特征點在平面和立面上的位置關系，通過各類坐標點的剖切組合出弧形曲面的展開面。首先將處理后的三維點云數據導入 CAD 中進行平面的描繪，過程中通過與三維模型的結合確定各個特征點在平面上的準確位置，此時可以首先繪出弧形曲面建筑的平面圖，通過不同標高的水平切片可以確定整個弧形展開面的總長度和其外立面上門、窗、洞口的寬度及在展開面上的定位關系，隨后在點云模型上點選出這些特征點，共布置 22 個點位，如圖 4 所示。通過軟件的剖切功能對所有布設點進行逐個縱向剖切，如圖 5 所示。獲得該點及對應弧頂的高程坐標點，將這些數據信息補充到展開面的 CAD 測繪圖中，通過各特征點對應弧頂的高程坐標點的連線來完成整個上部弧線的繪制，對于立面中部開口區域也采用同樣的方式進行處理，最終獲得整體的弧形建筑現狀平面及展開圖，測繪成果如圖 6 所示。

圖4 點云模型特征點選取

圖5 點云模型特征點剖切過程

圖6 弧形建筑立面現狀測繪成果

2.3 方法比對分析

綜上所述，軟件分析法適用于立面上較為簡潔的弧形曲面建筑，當立面元素較為復雜時，內部多個曲面使用軟件展開功能可能出錯，但對于最外圍的整體體型輪廓而言較為可靠，相比于點云數據擬合法來說，它的優勢在于大跨度弧形曲線更為自然，接近現狀。而點云數據擬合法則是通過點位的弧線連線組合來實現目標，因此該方法適用的條件為整體建筑外立面上要有盡可能多且排列分布較為均勻的門、窗、洞口等特征點可以采集，即可以認為是立面元素復雜的情況，但對于頂部及中部的開口區域的弧線而言，最后的成果僅僅是多個弧線的連接組合，當立面特征點的數量越少，相鄰點位間距越大時，將影響測繪成果的線形過渡及準確性。在實際應用過程中，兩種方法也可以進行成果互校。

3 結語

本文以實際施工安裝項目為例，詳細闡述了采用三維激光掃描技術在弧形曲面展開中的應用，分別介紹了依托三維分析軟件及點云數據模型擬合兩種方法，通過不同的軟件及操作方法對成果進行轉換，從而獲得弧形曲面建筑展開圖，同時根據各自的特點進行比較及適用要素的總結，為今后類似的項目提供參考。Q