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    大型塑石假山三維掃描與逆向建模技術(shù)研究與應(yīng)用

    2021-03-31 20:42:46王永生
    建筑施工 2021年4期
    關(guān)鍵詞:主題樂園假山網(wǎng)片

    史 琦 王永生 王 賀

    中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

    主題樂園在規(guī)劃時(shí),會(huì)設(shè)計(jì)一些較大型的構(gòu)筑物來滿足創(chuàng)意需求,這些構(gòu)筑物沒有實(shí)際的使用功能,主要是通過外形來模擬山峰、湖泊、動(dòng)植物等。假山的運(yùn)用是主題樂園場(chǎng)景營造最為常用的一種手段,主題樂園假山往往具有規(guī)模宏大、造型奇特的特點(diǎn)。為了逼真地還原電影大片中的場(chǎng)景,假山的建造必須要完美呈現(xiàn)創(chuàng)意設(shè)想,而二維圖紙無法準(zhǔn)確傳達(dá)出設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意效果,無法體現(xiàn)出三維的空間位置關(guān)系,使假山的施工難度變得十分巨大[1]。

    北京某主題樂園,采用三維掃描與逆向建模技術(shù),應(yīng)用于塑石假山的建造過程之中,解決了設(shè)計(jì)意圖到工程實(shí)體的轉(zhuǎn)化問題,實(shí)現(xiàn)了主題樂園場(chǎng)景營造的精益建造。

    1 技術(shù)原理與技術(shù)路線

    1.1 三維掃描與逆向建模原理

    三維激光掃描技術(shù),是一種非接觸主動(dòng)式快速獲取物體表面三維密集點(diǎn)云的技術(shù),它主要利用向被測(cè)對(duì)象發(fā)射激光后獲取被測(cè)對(duì)象反射回來的信號(hào)來獲取被測(cè)物體表面的空間信息。三維激光掃描技術(shù)精度高、數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)字化程度高,可快速獲取一些大型非規(guī)則構(gòu)筑物的信息[2-3]。而逆向建模技術(shù)是通過三維激光掃描,采集實(shí)體模型的三維信息數(shù)據(jù),對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,導(dǎo)入相關(guān)專業(yè)的建模軟件中,根據(jù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)信息采集對(duì)象實(shí)體的三維特征進(jìn)行逆向重建,并以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列的應(yīng)用擴(kuò)展的過程[2-3]。對(duì)于塑石假山這種大型非規(guī)則構(gòu)筑物,利用三維掃描縮小的假山模型,可以得到能反映其外觀的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理,得到三維模型。相較于反映設(shè)計(jì)意圖的二維圖紙,三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型可以清晰而完整地反映出假山的造型情況。

    1.2 技術(shù)路線

    本文以北京某大型主題樂園塑石假山為研究對(duì)象,通過三維激光掃描縮小的假山模型,采集表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ZBrush進(jìn)行局部處理,處理后導(dǎo)入Revit、3DS Max軟件進(jìn)行逆向建模設(shè)計(jì),經(jīng)鋼筋網(wǎng)片切片設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等深化過程,指導(dǎo)假山建造施工。

    2 實(shí)例應(yīng)用

    2.1 北京某主題樂園大型塑石假山概況

    北京某主題樂園大型塑石假山是基于電影《侏羅紀(jì)公園》中群山環(huán)繞的場(chǎng)景,制作的假山造景。其山體高度約49.6 m、縱向投影長度約90 m、深度約50 m,表面積約為12 691.26 m2,總質(zhì)量約2 500 t,由3座山峰、3座瀑布,近9 400根鋼構(gòu)件組成。山體表皮采用鋼筋塑形網(wǎng)片+主題立面雕刻(TCP)+主題上色制作而成。不僅是樂園的最高建筑物,也是園區(qū)的主場(chǎng)景之一。

    本工程采用三維掃描與逆向建模技術(shù),根據(jù)業(yè)主的創(chuàng)意模型制作假山實(shí)體模型,對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行3D掃描,采集假山表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用Revit、Design-X、Rhino等軟件逆向建立數(shù)字模型,并進(jìn)行優(yōu)化整合,形成附有信息的數(shù)字三維模型,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,滿足工程需求。

    2.2 制作縮小假山實(shí)體模型

    根據(jù)外方創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)的效果圖使用Sketchup創(chuàng)建假山空間模型,Sketchup模型應(yīng)包含假山的空間位置關(guān)系,根據(jù)假山的體積大小以及要求肌理的精細(xì)程度確定假山模型的比例為1∶25,1∶50或者1∶100。模型的制作一般需要以下幾個(gè)工序:打印等比例的軸網(wǎng)平面圖→搭設(shè)假山骨架→焊接假山表皮→油泥雕刻覆蓋→雕刻效果確認(rèn)→纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)翻?!仙?。此階段要雕刻師與創(chuàng)意設(shè)計(jì)師經(jīng)過幾輪溝通,不斷調(diào)整假山表皮肌理與山形,使其完全符合原創(chuàng)設(shè)計(jì)理念。

    2.3 三維掃描與數(shù)據(jù)采集處理

    假山模型制作完成后,在假山表皮與四周粘貼若干個(gè)傳感器原件,本項(xiàng)目采用FARO Focus Laser Scanner系列激光掃描儀對(duì)假山模型進(jìn)行三維掃描,記錄假山表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率、紋理等信息,獲取假山的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù),快速復(fù)建出假山的三維模型。

    三維掃描與數(shù)據(jù)采集工序?yàn)椋盒畔⒉杉畔⒂涗洝夯畔⑷诤稀P蛢?yōu)化。采集過程需從各種角度、分多個(gè)階段實(shí)施,以確保所有相關(guān)細(xì)節(jié)信息都能被捕獲。在掃描時(shí),一般先掃描一個(gè)較大的范圍,爭取使掃描范圍內(nèi)有盡可能多的傳感器元件,然后在較大的范圍內(nèi),針對(duì)反射片的具體位置重復(fù)進(jìn)行多次掃描,以得到精確的三維坐標(biāo)。從各個(gè)采集階段獲取的數(shù)據(jù)集會(huì)在一致的參考幀內(nèi)被參考和校準(zhǔn),在測(cè)量值集之間建立聯(lián)系,有助于將測(cè)量值融入緊密結(jié)合的模型中。

    經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間表面外插或填充,來自多個(gè)階段的測(cè)量值將被組合成單個(gè)物體。將采集的假山點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型,以不同的格式輸出,滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。

    借助FARO SCENE 2019軟件對(duì)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步轉(zhuǎn)換和處理,經(jīng)過噪聲消除、拼接、三角化、貼紋理等步驟得到假山模型的初步三維模型。對(duì)泛化、信息融合、模型優(yōu)化3個(gè)工序進(jìn)行若干次重復(fù)迭代是必需的,以便產(chǎn)生一個(gè)精確的模型。

    2.4 逆向建模技術(shù)

    利用Revit軟件識(shí)別rcp格式的點(diǎn)云文件,在插入選項(xiàng)卡下,選擇點(diǎn)云,以鏈接的方式將三維掃描數(shù)據(jù)載入Revit文件中,這樣就可以在軟件中進(jìn)行瀏覽。依據(jù)點(diǎn)云模型逆向建模,使用3DS Max或Rhino對(duì)假山表皮模型進(jìn)行分割,一般使用等分線切割成投影面積2 m×2 m的網(wǎng)片,此分割線作為假山網(wǎng)片的邊筋設(shè)計(jì)依據(jù)。使用等分線按照設(shè)計(jì)鋼筋的間距將網(wǎng)片進(jìn)行第二次分割,此分割線作為網(wǎng)片分布筋的設(shè)計(jì)依據(jù),一般網(wǎng)片分布筋為單層雙向,間距為150 mm×150 mm。邊筋作為網(wǎng)片的固定筋,為φ10 mm的圓鋼,分布筋為網(wǎng)片的塑形鋼筋,為φ6 mm的圓鋼。

    假山表皮切割完成后,移交設(shè)計(jì)院進(jìn)行主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),依據(jù)假山整個(gè)表皮自重及全部施工荷載進(jìn)行整體計(jì)算和評(píng)估。根據(jù)假山網(wǎng)片的切割圖,首先要滿足網(wǎng)片4個(gè)角點(diǎn)的結(jié)構(gòu)布設(shè),其次要根據(jù)施工方案的需求,將次結(jié)構(gòu)懸挑出網(wǎng)片,作為施工階段的操作平臺(tái)使用,一般寬度為1.2 m左右。其他配套專業(yè)設(shè)計(jì),則在假山的主次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后在模型中進(jìn)行正向設(shè)計(jì),避免出現(xiàn)碰撞而影響結(jié)構(gòu)施工,導(dǎo)致山形的變化。

    3 結(jié)語

    三維掃描與逆向建模是塑石假山施工的前提和基礎(chǔ),由于假山造型的非規(guī)則、非常規(guī),利用圖紙準(zhǔn)確地表述塑石假山造型并指導(dǎo)施工一直是假山建造的難題,三維激光掃描逆向建模技術(shù)是建筑施工信息化應(yīng)用領(lǐng)域的新方向,利用三維激光掃描獲得假山的點(diǎn)云數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件逆向創(chuàng)建數(shù)字信息模型,將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維信息模型,準(zhǔn)確、形象地表達(dá)了設(shè)計(jì)師奇妙的創(chuàng)意設(shè)想。

    本文以北京某大型主題樂園為例,詳細(xì)介紹了三維掃描與逆向建模在塑石假山施工中的應(yīng)用,解決了大型主題樂園塑石假山造型奇特、圖紙準(zhǔn)確表達(dá)難度大的問題,為今后文旅類工程施工提供了參考。

    隨著人們對(duì)美好生活的需要日益增長,文化旅游已成為新時(shí)期人民群眾追求精神生活的重要內(nèi)容,本文的總結(jié)與研究,對(duì)文旅工程非規(guī)則構(gòu)筑物的精益建造具有一定的引領(lǐng)意義。

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