三維掃描技術在曲面幕墻中的應用

王彩峰

摘要：融創(chuàng)大廈屋面采光頂為高空異形曲面全玻幕墻，其設計造型復雜、跨度空間大、施工精確度要求高等施工技術特點。其中，在屋面采光井玻璃安裝過程中存在精確下料技術難題，現(xiàn)場通過采用三維掃描技術生成三維圖紙，結合BIM三維參數(shù)化建模實現(xiàn)玻璃面板的精確下料，最終順利完成了曲面采光頂玻璃幕墻的精確安裝，不僅提高了工程質量，而且顯著降低了工程成本，實現(xiàn)綠色節(jié)能施工，為類似工程施工提供借鑒。

Abstract： Rongchuang Building's roof lighting roof is a high-altitude all-glass curtain wall with special-shaped curved surface. Its design is complex， its span is large， and its construction accuracy requires high construction technology characteristics. Among them， in the process of installation of roof lighting well glass， there is a difficult problem of precise blanking technology. On the spot， three-dimensional drawings are generated by using three-dimensional scanning technology， and precise blanking of glass panel is realized by combining BIM three-dimensional parametric modeling. Finally， the precise installation of glass curtain wall on curved lighting roof is successfully completed， which not only improves the quality of the project， but also improves the quality of the project. Moreover， it significantly reduces the cost of the project， realizes the green energy-saving construction， and provides a reference for similar projects.

關鍵詞：異形曲面;幕墻;三維掃描技術;精確下料

Key words： Profiled Surface;Curtain Wall;3D Scanning technology;Accurate Cutting

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0219-03

0? 引言

三維激光掃描技術最初在上世紀90年代初期被提出，主要基于圖像學和視覺融合產出了IBMR（Image-Based Modeling and Rendering）技術，又被成為實景復制技術或者高清晰測量技術[1-2]。三維掃描技術基于激光測距原理，通過掃描物體表面獲得其表面的三維坐標信息，經過計算機信息數(shù)據(jù)處理，能夠根據(jù)工程實際生成高質量的三維信息模型，因此在建筑模型重建[3-4]，建筑模型的精細化建模[5]，建筑物線性特征[6]的提取等領域都有重要價值。

目前三維掃描技術在工程中的得到良好的應用，這主要是三維掃描技術可以實現(xiàn)與多種軟件進行數(shù)據(jù)交互處理，同時也可以根據(jù)工程實際測量結果對測的數(shù)據(jù)進行調整，實現(xiàn)掃描出的三維模型與實際物體精確對應[7]。三維掃描技術是對傳統(tǒng)測量技術的突破，對于建筑工程發(fā)展提供全新的技術手段，也為建筑信息化模型的（BIM）技術發(fā)展提供強有力的數(shù)據(jù)支撐作用。

1? 工程概況

融創(chuàng)大廈位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)平安大道與博學路交匯處。本工程占地面積為10012m2，建筑面積10萬m2，建筑高度99m，如圖1所示。建筑類型包括：寫字樓、商鋪、地下車庫以及人防工程。本工程外裝飾面積約3100m2，玻璃幕墻面積約26700m2，屋面采光頂面積約1700m2，鋁板封邊約為2700m2。

本文以融創(chuàng)大廈屋面采光頂施工作為研究對象，由于屋面采光頂外形類似花生外殼，造型復雜，施工難度較大，對于玻璃塊材下料尺寸要求較高，如圖2所示。在鋼結構骨架完成后，現(xiàn)場采用全站儀復合三維坐標發(fā)現(xiàn)，在吊裝過程中鋼結構跨度較大因自重產生變形，使得原有坐標系不能采用，為了確保玻璃板塊精確下料，實現(xiàn)順利安裝，項目部決定建立新的坐標系，在此坐標系的基礎上，使用三維掃描儀對鋼結構進行掃描測量，重新生成三維圖紙。

2? 三維掃描技術工程現(xiàn)場應用

2.1 現(xiàn)場實景測量

三維掃描技術與傳統(tǒng)測量技術相比可以快速的構建物體的二維平面圖和三維模型[8]，不需要像傳統(tǒng)測量進行單點測量。三維激光掃描具有非接觸性、實時性、高密度、高精度、數(shù)字化和自動化程度高等特點，不需要對物體進行任何處理，可以解決復雜條件環(huán)境下的測量。

采用三維激光掃描儀掃描屋面采光井鋼結構，通過逆向建模流程如下：現(xiàn)場踏勘控制點布設設置標靶現(xiàn)場三維掃描點云數(shù)據(jù)整合處理初步逆向三維建模創(chuàng)建BIM模型精確下料。

2.2 勘站設置

根據(jù)現(xiàn)場采光頂井的大小、復雜程度、測量位置來進行靶球安放位置的劃分，劃分勘站原則是確保前后掃描儀、靶球以及觀測點保持通視狀態(tài)，從而保證后期點云數(shù)據(jù)精確拼接度高，相鄰測站掃描的云點應保持一定的重疊，對于采光頂井由于造型復雜區(qū)域，在實際設置測站時增加了相鄰測站點重疊面積。

2.3 三維掃描

根據(jù)現(xiàn)場采光頂弧形龍骨鋼架，進行確定掃描行走的支線方向，掃描開始前應設置好掃描儀的參數(shù)，其中包括：掃描的密度、掃描的模式、棱鏡常數(shù)以及掃描的單位;根據(jù)現(xiàn)場龍骨骨架的造型特征，應明確獲取三維建模的關鍵點，尤其對于異形曲面的轉折點或重點交接點部位，如龍骨骨架彎曲轉折部位或者縱橫龍骨交接點位置，采用常規(guī)掃描方案無法實現(xiàn)所有區(qū)域的覆蓋位置，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定掃描儀的作業(yè)區(qū)域。在所有準備工作就緒后，進行開始掃描作業(yè)，如圖3和圖4所示。操作步驟：首先是對準棱鏡，先后視再前視，掃描儀會根據(jù)前視后視獲取的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)計算出測站點空間坐標值，然后就可以進行全景掃描獲取點云數(shù)據(jù)，最后根據(jù)同樣步驟依次對預先設置好的勘站點進行掃描獲取點云數(shù)據(jù)。

2.4 點云數(shù)據(jù)整合與處理

采用三維掃描技術對于異形曲面建筑物的三維建模，其中最重要的技術就是點云信息的準確處理。本項目使用的軟件是FAROscene，其處理流程如下：原始點云數(shù)據(jù)導入點云數(shù)據(jù)拼接點云數(shù)據(jù)的去燥與精簡點云賦色點云數(shù)據(jù)轉化與導出。

點云數(shù)據(jù)拼接是將勘站點獲取的點云進行坐標的轉化合成一片點云;對于整個建筑物設置多點站點，每個站點掃描時都會依據(jù)掃描儀的中心坐標系生產點云，將各個的掃描點云轉化到同一個坐標系中。

點云數(shù)據(jù)拼接的原理就是同名坐標映射[9]，如圖5所示，對于一個建筑物的部分區(qū)域，同時兩個測站都進行了掃描，如圖架設的M1和M2兩個站點，若M1站點掃描獲得的點云集合為P1，其所屬坐標系為O■，同樣M2站點掃描獲得的點云集合為Q2，其處所屬坐標系為O;其中A、B、C、D區(qū)域是兩站掃描重疊區(qū)，坐標i（x1，y1，z1）∈P，i（x2，y2，z2）∈Q，i=A、B、C、D。兩個集合同名的坐標點滿足一剛體變換，如式（1）、式（2）和式（3）所示。

2.4.1 粗拼接

點云直接拼接是利用外業(yè)作業(yè)時必須保證相鄰區(qū)域之間有30%以上的重合區(qū)域，通過尋找重合區(qū)域的相同坐標名，根據(jù)同名的坐標的法向量、曲率、積分不變等幾何性質進行拼接;

2.4.2 精確拼接

精確拼接一般建立在粗拼接的基礎上進行精確拼接，常采用的拼接方法是ICP算法[10]，該方法的原理是基于迭代法，通過一個誤差函限反映各個站點點云重疊區(qū)域的吻合程度，如式（4）所示，通過最小二乘法迭代優(yōu)化參數(shù)，使得誤差限值最小，實現(xiàn)點云坐標數(shù)據(jù)精確拼接。

其中，P、Q為兩個點云集合，n為重疊區(qū)選出的同名點個數(shù)，R是旋轉矩陣，t為平移矢量。

2.5 點云數(shù)據(jù)降噪與精簡處理

三維掃描儀在掃描過程中，會受到材料、風、強光、振動等周圍環(huán)境的影響，可能會使掃描獲得許多背景點、錯誤點等一些與掃描建筑物無關的點;將點云模型經過大尺度離群噪點去噪和小尺度噪點去噪處理，然后對點云模型的精簡化，刪除各站重疊區(qū)域的冗余點，在保證點云自身精度的條件下，將對點云進行抽稀化，降低點云密度，通過對點云模型進行精簡處理，生成三維掃描龍骨骨架，如圖6（b）所示。

2.6 BIM與三維激光掃描儀相結合的逆向建模

在點云數(shù)據(jù)處理完成后，將三維掃描處理后的點云數(shù)據(jù)導入到Revit軟件中，進行鋼龍骨的三維建模，通過建立的三維模型與完成的龍骨骨架進行校核，修改掃描獲取的坐標點與實際現(xiàn)場是存在誤差的地方，從而建立精確模型，在此基礎上進行采光頂玻璃建模工作。

該工程采光頂外形類似花生殼，弧形曲面區(qū)域板塊造型變化較大，體現(xiàn)出玻璃幕墻的設計風格，在追求美觀的基礎上使得采光頂玻璃板塊尺寸各不相同，玻璃板塊類型超過800多種，下料尺寸控制難度大。在生成鋼龍骨線模的基礎上采用Revit參數(shù)化設計功能，生成玻璃板塊排版圖，如圖7（a）所示。通過對下料玻璃進行編號，實現(xiàn)每一塊玻璃板塊的精確下料，使得后期玻璃安裝正確率達到100%，現(xiàn)場安裝玻璃如圖7（b）所示。經測算，減少玻璃材料損耗40%，同時節(jié)約工期25天，對該異形玻璃幕墻施工達到降本增效的目的。

3? 結論

三維掃描技術結合BIM技術應用到曲面玻璃幕墻精確下料中具有重要意義，在實際運用中，不僅能夠實現(xiàn)高精度快速測量、高效率準確下料，對于幕墻異形曲面玻璃板塊下料提供強有力的技術支撐作用。

隨著建筑信息化工程的應用，三維掃描技術與BIM技術相結合改變傳統(tǒng)施工下料模式，實踐表明，兩者之間相結合可以確保復雜、異形幕墻工程的深化設計、板材下料以及現(xiàn)場施工的技術質量控制，從而實現(xiàn)解決現(xiàn)場難題，實現(xiàn)降本增效，提高公司的核心競爭力關鍵技術。

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