基于三維激光掃描技術(shù)的古代城臺(tái)及城樓的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與分析方法研究

朱宇華, 徐 睦, 乜小珂

(北京建筑大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 北京 100044)

1 影響城臺(tái)及城樓建筑的病害

1.1 古建筑病害的普遍性

中國(guó)的古建筑主要以磚石和木質(zhì)梁架為主要結(jié)構(gòu)體系，在帶來(lái)卓越的科學(xué)價(jià)值與輝煌藝術(shù)成就的同時(shí)，材料特質(zhì)和特性也決定了其保存難度大，并且往往伴隨著病害的產(chǎn)生[1]。木結(jié)構(gòu)部分的殘損主要包括糟朽、蟲(chóng)蛀、開(kāi)裂、劈裂、脫榫、歪閃等，磚石的殘損主要包括風(fēng)化、酥堿、空鼓、裂縫、變形等[2]。這些殘損一旦產(chǎn)生則會(huì)對(duì)建筑整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的破壞，對(duì)文化及相關(guān)研究領(lǐng)域的損失不可估量，因此必須貫徹落實(shí)文物建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)工作，以便適時(shí)采用人為干預(yù)手段，將建筑本體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)降至最低[3]。

1.2 城樓及城臺(tái)建筑病害的特殊性

城樓及城臺(tái)建筑結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其殘損病害的特殊性，主要表現(xiàn)在以下兩方面。首先，城樓及城臺(tái)建筑是木結(jié)構(gòu)與磚石建筑的復(fù)合體，且磚石部分與外界環(huán)境接觸面積較大，因此自然環(huán)境會(huì)對(duì)城臺(tái)及城樓的磚石部分產(chǎn)生更大的影響，具體表現(xiàn)在風(fēng)化、酥堿、空鼓等方面。其次，城樓建筑普遍占地面積大且地勢(shì)較高，自然環(huán)境以及人為因素產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)對(duì)建筑本體產(chǎn)生較大的威脅，進(jìn)而對(duì)該類(lèi)建筑的結(jié)構(gòu)體系造成不同程度的破壞。為有效解決城樓及城臺(tái)建筑潛在的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，需要采用行之有效的技術(shù)手段與方法策略。

2 三維激光掃描與變形監(jiān)測(cè)

三維激光掃描在文物建筑監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，更多的是將掃描成果作為數(shù)據(jù)留存，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)本身的再利用。與此同時(shí)，儀器的多樣化以及工程需求的差異化也導(dǎo)致了不同項(xiàng)目之間的技術(shù)路線(xiàn)缺乏相互借鑒的意義。因此，探尋三維激光掃描技術(shù)在文物建筑監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的普適化應(yīng)用方法是十分必要的。

2.1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

三維激光掃描主要是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)機(jī)體內(nèi)部發(fā)射脈沖至監(jiān)測(cè)目標(biāo)，從而記錄監(jiān)測(cè)對(duì)象表面游離密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、紋理、反射率等信息，進(jìn)而記錄監(jiān)測(cè)對(duì)象的三維空間坐標(biāo)[4]。

2.2 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)測(cè)量方式，三維激光掃描技術(shù)可以更加高效、準(zhǔn)確地復(fù)建出監(jiān)測(cè)目標(biāo)的三維模型信息以及由點(diǎn)到面的各種圖件信息，克服了傳統(tǒng)技術(shù)手段的片面性。該技術(shù)在文物建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)主要可以概括以下4點(diǎn)：第一，高速性。三維激光掃描可以在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)脈沖信號(hào)記錄更多監(jiān)測(cè)目標(biāo)的三維空間信息，從而大幅度壓縮了測(cè)繪過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)間成本。第二，無(wú)損性。三維激光掃描利用脈沖原理獲取監(jiān)測(cè)目標(biāo)外部形態(tài)信息，不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的現(xiàn)狀產(chǎn)生影響，能夠在最小干預(yù)的情況下保護(hù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的真實(shí)性與完整性。第三，穿透性。文物建筑的主體結(jié)構(gòu)多為木質(zhì)梁架結(jié)構(gòu)，三維激光可以穿透梁架的縫隙從而記錄多層次的空間維度信息，進(jìn)而有效解決文物建筑梁架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性問(wèn)題。第四，準(zhǔn)確性。三維激光掃描通過(guò)鋪設(shè)密集的點(diǎn)云矩陣，在可控范圍內(nèi)規(guī)避了外部因素所造成的干擾，確保了監(jiān)測(cè)對(duì)象信息獲取的準(zhǔn)確性[5]。

2.3 三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用的意義

城臺(tái)建筑地勢(shì)較高、建筑體量大，常為多層建筑且內(nèi)部梁架位置較高，傳統(tǒng)的測(cè)量方式無(wú)法準(zhǔn)確且快速地獲得全部空間信息。同時(shí)，城樓及城臺(tái)建筑內(nèi)部梁架空間較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了對(duì)測(cè)量工具的測(cè)量準(zhǔn)確性需求更高。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量方式，三維激光掃描在測(cè)量分析結(jié)構(gòu)問(wèn)題方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。一是體現(xiàn)在其能夠在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)，可以輕易獲取視線(xiàn)可達(dá)但卻不易測(cè)量的目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)；二是體現(xiàn)在其可以用于分析處理2個(gè)不同高度維度的平面，實(shí)現(xiàn)三維模型向二維可視化圖像的轉(zhuǎn)化。三維激光掃描技術(shù)在高效、準(zhǔn)確獲取監(jiān)測(cè)目標(biāo)的外部信息的同時(shí)，又能防止對(duì)該類(lèi)建筑的殘損部分進(jìn)行二次破壞，既保障了城臺(tái)建筑的真實(shí)性與完整性，又為預(yù)防性保護(hù)工作提供了良好的基礎(chǔ)保障。

綜上所述，三維激光技術(shù)能夠滿(mǎn)足文物建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的基本需求，以三維激光掃描技術(shù)為主導(dǎo)，輔以傳統(tǒng)測(cè)量手段可以有效解決城樓及城臺(tái)類(lèi)建筑中的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題，并豐富其成果的表現(xiàn)形式，符合我國(guó)對(duì)文物建筑保護(hù)的客觀需求。

3 德勝門(mén)箭樓實(shí)例分析

3.1 德勝門(mén)箭樓現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

德勝門(mén)箭樓建筑群坐落在北京二環(huán)中路，存箭樓和城圈內(nèi)的真武廟現(xiàn)為北京市古代錢(qián)幣展覽館使用。德勝門(mén)箭樓始建于明正統(tǒng)元年(1436年)，矗立在雄厚的墩臺(tái)上，平面呈凸字形。城臺(tái)高12.5 m，墻體有收分，東西寬約39.5 m。箭樓坐南朝北，灰筒瓦綠剪邊重檐歇山頂。前樓后廈合為一體，3座過(guò)梁式門(mén)朝南開(kāi)。北側(cè)樓體面闊7間，東西寬34.0 m，南北寬12.0 m。南側(cè)廡座面闊5間，東西寬25.0 m，南北寬7.6 m，通進(jìn)深為19.6 m，樓體高19.3 m。該建筑于2006被公布為第六批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

3.2 儀器的選擇及作業(yè)流程

本次作業(yè)步驟主要包括數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云配準(zhǔn)2個(gè)部分。為解決德勝門(mén)箭樓建筑跨度大、地勢(shì)較高等問(wèn)題，本次作業(yè)數(shù)據(jù)采集選擇的儀器是RIEGL VZ- 400[6]，其系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀主要技術(shù)參數(shù)

點(diǎn)云的配準(zhǔn)主要使用RIGEL的配套軟件RISCANPRO，使用該軟件可以高效完成點(diǎn)云的配準(zhǔn)工作(圖2)。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)成果展示

3.3 三維激光掃描技術(shù)在德勝門(mén)箭樓結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的運(yùn)用

文物建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展階段現(xiàn)處于一種由人為主觀的巡查向自動(dòng)化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變的階段。傳統(tǒng)的人工技術(shù)手段有著其固有的弊端，但自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)則無(wú)法最大效率的實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段向應(yīng)用成果的轉(zhuǎn)化，而三維激光掃描技術(shù)可以在二者之間起到一定的過(guò)渡連接作用，具體運(yùn)用如下。

3.3.1 輔助繪制法式圖紙

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)可以準(zhǔn)確且高效地實(shí)現(xiàn)由三維數(shù)據(jù)向AutoCAD矢量工程圖的轉(zhuǎn)化，形成完整的法式圖紙。在為文物保護(hù)工作提供特定時(shí)期的二維圖像資料留存的同時(shí)，確保了初始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。通過(guò)測(cè)量德勝門(mén)點(diǎn)云關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)，折合營(yíng)造尺，計(jì)算吻合率，復(fù)原初建時(shí)的原始數(shù)據(jù)并繪制其理想狀態(tài)，隨后可將此理想狀態(tài)作為后續(xù)分析的參照(表1)。

表1 德勝門(mén)箭樓數(shù)據(jù)復(fù)原

以折合營(yíng)造尺之后的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，繪制德勝門(mén)箭樓的法式圖紙(圖3)。

圖3 德勝門(mén)箭樓法式圖紙成果展示

3.3.2 分析現(xiàn)存結(jié)構(gòu)問(wèn)題

通過(guò)將點(diǎn)云剖切面與法式圖紙疊放處理，可以更加清晰且直觀地判斷梁架結(jié)構(gòu)的變形特征。

第一，梁架變形分析。具體操作方法是將處理好的點(diǎn)云梁架剖切面與法式圖紙剖面圖以柱腳為基準(zhǔn)對(duì)齊，沿點(diǎn)云剖切面梁架外邊線(xiàn)擬合矩形，隨后隱藏點(diǎn)云梁架剖切面，分析對(duì)比擬合得到的矩形與法式圖紙中梁架的相對(duì)位置關(guān)系，通過(guò)測(cè)量二者沿垂直方向的差值來(lái)推導(dǎo)梁架的形變量，并整理成表格(表2)。將梁架由西至東按A～F命名，以A榀梁架為例，將A榀梁架的點(diǎn)云剖切面與法式圖紙疊加，以脊檁為基本參照點(diǎn)對(duì)齊，提取出點(diǎn)云剖切面的梁架線(xiàn)(圖4)。二者對(duì)比分析可得：三架梁自北向南偏移16.3 mm，五架梁自北向南偏移26.6 mm，七架梁自北向南偏移35.5 mm。

表2 A- F榀梁架的形變分析

圖4 A榀梁架結(jié)構(gòu)變形分析

第二，立柱變形分析。立柱變形分析是通過(guò)截取拼合、去冗過(guò)后的三維點(diǎn)云模型，提取目標(biāo)范圍內(nèi)的立柱截面，自上而下觀察，通過(guò)畫(huà)圓的方式擬合出目標(biāo)立柱柱頭及柱腳的中心點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量分析二者中心點(diǎn)坐標(biāo)的相對(duì)位置，推導(dǎo)得出立柱的傾斜量及傾斜方向[7]，并整理成表格(表3)。以A、B榀梁架為例，提取目標(biāo)范圍內(nèi)的點(diǎn)云截面后，擬合出柱頭及柱腳的圓心，柱頭用藍(lán)色圓圈表示，柱腳用紅色圓圈表示。進(jìn)而通過(guò)測(cè)量圓心間距可知，A榀梁架自北向南偏移6.0 mm，B榀梁架自北向南偏移60.1 mm(圖5)。

表3 A- F榀梁架柱子的形變分析

圖5 A、B榀梁架立柱結(jié)構(gòu)變形分析

3.3.3 建立有限元模型確定預(yù)警閾值

結(jié)構(gòu)的預(yù)警閾值是該結(jié)構(gòu)所承受力的相對(duì)極限值，是反映該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，要做到及時(shí)預(yù)警就需要設(shè)定合理的預(yù)警閾值。本次預(yù)警閾值的確定主要依托于有限元分析法，即將目標(biāo)分解成有限的單元，通過(guò)模擬材質(zhì)、載荷等因素分析目標(biāo)的力學(xué)性質(zhì)。以德勝門(mén)箭樓為例，具體分析方式分為以下步驟：

第一，以三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過(guò)Solidworks軟件進(jìn)行建模。在建模過(guò)程中需要對(duì)斗拱及屋面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并剔除外層維護(hù)結(jié)構(gòu)，保留主體結(jié)構(gòu)部分。

第二，將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ABAQUS軟件，以網(wǎng)格形式將其分為有限的單元(圖6)，之后賦予各構(gòu)件材質(zhì)以及各部位的荷載與約束(圖7)。第三，模擬該結(jié)構(gòu)模型在自重荷載下的變形，即該結(jié)構(gòu)模型在自重荷載的影響下結(jié)構(gòu)位移的整體趨勢(shì)(圖8)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，該模型最大位移值(SMK)為14.883 3 mm，而此數(shù)值及該數(shù)值對(duì)應(yīng)的極限結(jié)構(gòu)荷載值均可以作為監(jiān)測(cè)的預(yù)警閾值參考。

圖6 德勝門(mén)箭樓結(jié)構(gòu)有限元模型

圖7 德勝門(mén)箭樓結(jié)構(gòu)有限元荷載與約束

圖8 德勝門(mén)箭樓有限元模型靜載變形

4 結(jié)論

綜上所述，本文嘗試以德勝門(mén)箭樓為例，提出三維激光掃描技術(shù)在城臺(tái)及城樓類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方式，旨在為文物建筑的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)提供研究技術(shù)路線(xiàn)的參考。

1)三維激光掃描技術(shù)可以有效解決古建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性所導(dǎo)致的測(cè)量難度大、效率低等問(wèn)題，克服了傳統(tǒng)測(cè)量手段的局限性，并且所獲取的數(shù)據(jù)相較于傳統(tǒng)測(cè)繪方法所得更加準(zhǔn)確。

2)通過(guò)測(cè)量三維激光掃描技術(shù)所獲取的剖切面數(shù)據(jù)，可以以此作為德勝門(mén)箭樓法式復(fù)原的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，繪制出完整的法式圖紙。通過(guò)對(duì)比法式圖紙與點(diǎn)云剖切面，可以清晰地測(cè)量出德勝門(mén)箭樓結(jié)構(gòu)的形變量。

3)以三維點(diǎn)云模型為基礎(chǔ)，可以復(fù)建出德勝門(mén)箭樓的有限元模型，并通過(guò)相關(guān)計(jì)算分析判斷該建筑的結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)及極限承載力，用作監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值的參考。