三維激光掃描在既有建筑檢測(cè)中的應(yīng)用

楊 敏，方 林，張 俊

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

城市更新是目前建筑行業(yè)最火熱的名詞，隨之而來是大規(guī)模的既有建筑改造，檢測(cè)成為該過程必不可少的重要環(huán)節(jié)，目前檢測(cè)的主要內(nèi)容有：建筑結(jié)構(gòu)測(cè)繪與復(fù)核、材料強(qiáng)度檢測(cè)、傾斜沉降測(cè)量、損傷調(diào)查、結(jié)構(gòu)建模計(jì)算、抗震措施分析等[1]，其中現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的人工工作量較大，方法較為陳舊，如何通過結(jié)合運(yùn)用一些新技術(shù)輔助增強(qiáng)檢測(cè)工作的效率和準(zhǔn)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(yīng)用較為廣泛的新型測(cè)繪技術(shù)，可解決許多傳統(tǒng)測(cè)繪方法的技術(shù)難題，該技術(shù)采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，利用向被測(cè)對(duì)象發(fā)射激光束和接收由被測(cè)物發(fā)射回的激光信號(hào)獲取被測(cè)對(duì)象的空間坐標(biāo)信息[2]。

三維激光掃描的成果是海量空間坐標(biāo)點(diǎn)，這些密集而連續(xù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)叫作點(diǎn)云，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對(duì)被測(cè)物體表面的描述，是由目標(biāo)物體表面一系列空間采樣點(diǎn)構(gòu)成的三維空間中數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，具有數(shù)據(jù)量大、密度高、帶光學(xué)特征、可量測(cè)性和表面紋理性質(zhì)，將各測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲取整體三維點(diǎn)云模型，并據(jù)此展開如測(cè)繪、檢測(cè)、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用。

2 三維激光掃描應(yīng)用

本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)歸納一系列三維激光掃描在檢測(cè)中的應(yīng)用點(diǎn)，以期為今后的檢測(cè)項(xiàng)目提供新思路。

2.1 結(jié)構(gòu)復(fù)核

結(jié)構(gòu)是既有建筑檢測(cè)的核心內(nèi)容，所有的數(shù)據(jù)采集最終均會(huì)為結(jié)構(gòu)安全及合理性的分析提供支撐，根據(jù)三維激光掃描的技術(shù)特點(diǎn)，經(jīng)過大量實(shí)際項(xiàng)目的探索嘗試，尋找一些可提高傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)效率或解決難題的方法。

2.1.1 輔助結(jié)構(gòu)調(diào)查

老舊建筑或歷史保護(hù)建筑由于建造年代久遠(yuǎn)，大多缺乏完整的結(jié)構(gòu)圖紙，且多年來經(jīng)過多次功能改變，因此結(jié)構(gòu)體系調(diào)查尤為重要，在結(jié)構(gòu)測(cè)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(duì)后續(xù)工作會(huì)帶來事半功倍的效果。某磚木歷史保護(hù)建筑的1～2層建筑平面剖切點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1，2所示，根據(jù)點(diǎn)云可大致判斷承重墻體的分布，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)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(gòu)件，但發(fā)現(xiàn)這道墻在2層布置的情況下1層中部偏南側(cè)卻沒有布置墻體，結(jié)構(gòu)布置不合理且存在安全隱患，因此可列為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的重點(diǎn)關(guān)注部位，后經(jīng)實(shí)地踏勘后發(fā)現(xiàn)，該處南北側(cè)凸出部位均為截面較大的磚柱，原結(jié)構(gòu)從1層升至屋架下方，后因改造將南側(cè)矩形磚柱拆除，而在上部布置1根鋼梁進(jìn)行承重。通過檢測(cè)前期現(xiàn)場(chǎng)三維掃描數(shù)據(jù)的采集，既能夠提供建筑測(cè)繪的依據(jù)[3]，同時(shí)也能第一時(shí)間為結(jié)構(gòu)調(diào)查提供參考輔助。

圖1 1層建筑平面剖切點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 2層建筑平面剖切點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.1.2 多坡屋面屋架測(cè)繪

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

圖3 多坡屋面點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.1.3 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架復(fù)核

鋼結(jié)構(gòu)屋架建筑普遍具有較高的層高，甚至在一些大型場(chǎng)館中就連使用登高作業(yè)車都無法觸及，面對(duì)登高作業(yè)、網(wǎng)架密度高、桿件弧度難定等因素[5]，給該類型檢測(cè)項(xiàng)目中的結(jié)構(gòu)復(fù)核工作帶來困難。采用三維激光掃描技術(shù)可精確采集距測(cè)站近百米的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合馬道上的補(bǔ)充掃描可獲取完整的鋼網(wǎng)架三維點(diǎn)云模型，隨后通過三維處理軟件的自動(dòng)擬合識(shí)別功能，可點(diǎn)選任意的圓形及矩形桿件進(jìn)行尺寸和長度復(fù)核，大大提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和效率（見圖4）。

圖4 鋼網(wǎng)架桿件尺寸擬合

2.2 非常規(guī)傾斜測(cè)量應(yīng)用

常規(guī)建筑物的傾斜測(cè)量往往是指測(cè)量房屋4個(gè)或多個(gè)角部的傾斜數(shù)據(jù)，整體判斷房屋的傾斜趨勢(shì)方向和傾斜率是否超過規(guī)范允許值，但在某些情況下，采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行傾斜測(cè)量將會(huì)有更為全面的數(shù)據(jù)依據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算后所反映的傾斜數(shù)據(jù)將更為合理。

2.2.1 圓柱體構(gòu)筑物傾斜測(cè)量

檢測(cè)鑒定中會(huì)遇到圓柱體的構(gòu)筑物，較為典型的如煙囪，要想準(zhǔn)確獲得其傾斜數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行等距離分段測(cè)量才更為合理，因此對(duì)煙囪各角度進(jìn)行全面掃描工作后獲得煙囪整體的三維點(diǎn)云模型，導(dǎo)入rhino軟件中進(jìn)行等距離切割，通過擬合上下2個(gè)圓的圓心位置關(guān)系判斷該段圓柱體的傾斜趨勢(shì)及具體數(shù)據(jù)，為煙囪的整體傾斜分析提供依據(jù)，也為類似的圓柱體建（構(gòu)）筑物測(cè)量提供借鑒（見圖5，6）。

圖5 煙囪點(diǎn)云數(shù)據(jù)等距離分段

圖6 切割面圓心擬合

2.2.2 墻面整體傾斜測(cè)量

在目前大規(guī)模老舊小區(qū)加裝電梯檢測(cè)項(xiàng)目中，除常規(guī)的房屋角部?jī)A斜測(cè)量外，加裝一側(cè)墻面的傾斜數(shù)據(jù)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(diǎn)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(diǎn)代面的測(cè)量方式所獲取的傾斜率精度較差。通過三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行單站的掃描數(shù)據(jù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Geomagic軟件中，可精確計(jì)算獲取墻面的整體傾斜率，這樣的成果依據(jù)更加全面，結(jié)果更為精確（見圖7）。

圖7 Geomagic軟件中整體墻面點(diǎn)云傾斜率的計(jì)算

3 損傷記錄應(yīng)用

損傷調(diào)查是既有建筑檢測(cè)工作內(nèi)容的重要組成部分，特別在完損性檢測(cè)和施工影響監(jiān)測(cè)類中尤為重要，行業(yè)內(nèi)在遇到多條明顯無規(guī)則裂縫的情況下目前通常會(huì)采用拍照后在平面圖上大致示意性表示，主要因?yàn)榱芽p的走向、定位及長度較難準(zhǔn)確測(cè)量及表述清楚[6]。針對(duì)上述問題，可采用三維激光掃描技術(shù)，采用高精度對(duì)明顯的地坪、墻體裂縫進(jìn)行掃描采集，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD中進(jìn)行1∶1的描繪，準(zhǔn)確反映明顯裂縫的數(shù)量、走向、定位及范圍，同時(shí)留下現(xiàn)狀的影像資料方便記錄歸檔，但對(duì)于裂縫寬度的測(cè)量仍需使用卡規(guī)進(jìn)行人工測(cè)量及判斷。

4 結(jié)語

本文根據(jù)工程實(shí)踐歸納了三維激光掃描在既有建筑檢測(cè)中的如下應(yīng)用點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)核，包括輔助結(jié)構(gòu)調(diào)查、多坡屋面屋架測(cè)繪、鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架復(fù)核；非常規(guī)傾斜測(cè)量，包括圓柱體構(gòu)筑物傾斜測(cè)量、墻面整體傾斜測(cè)量；損傷記錄。

通過詳細(xì)分析介紹，突出該技術(shù)在上述應(yīng)用點(diǎn)中解決傳統(tǒng)方式所不能解決的技術(shù)難題，提高傳統(tǒng)方式所不能達(dá)到的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，并可為類似檢測(cè)項(xiàng)目提供參考。