復(fù)雜裝飾景觀塔工程三維掃描測(cè)量技術(shù)應(yīng)用分析

靳文強(qiáng)

（中鐵二局集團(tuán)裝飾裝修工程有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化建設(shè)步伐加快，城市建筑也呈現(xiàn)豐富多樣的發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多的異形復(fù)雜構(gòu)筑物出現(xiàn)在人們的周圍，滿足人們對(duì)藝術(shù)和生活的高品質(zhì)追求。同時(shí)給實(shí)際工程的建造也帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，建筑是否能還原最初設(shè)計(jì)的樣子，裝飾工程測(cè)量、施工等技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了巨大的作用。裝飾專業(yè)傳統(tǒng)的測(cè)量方式采用全站儀進(jìn)行工程測(cè)量，空間中每個(gè)點(diǎn)位都需要測(cè)量人員進(jìn)行單點(diǎn)檢測(cè)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動(dòng)全靠測(cè)量人員，由于測(cè)量效率低、精度差、外業(yè)時(shí)間長(zhǎng)和工作強(qiáng)度高等方面不足，測(cè)量的準(zhǔn)確性很大程度上取決于施工人員的水平。針對(duì)復(fù)雜裝飾景觀塔，這類工程的定位難度大、復(fù)測(cè)困難，較難保證施工質(zhì)量，一旦出現(xiàn)偏差很難進(jìn)行補(bǔ)救[1]，同時(shí)會(huì)消耗大量的人力、物力，難以達(dá)到既定的要求。傳統(tǒng)測(cè)量方式已經(jīng)無(wú)法滿足日益復(fù)雜多樣的建筑造型和綠色建造的發(fā)展需求。針對(duì)這類復(fù)雜裝飾造型采用裝飾景觀塔三維掃描技術(shù)解決方案。采用三維掃描技術(shù)結(jié)合BIM 技術(shù)的施工測(cè)量技術(shù)研究，在指導(dǎo)復(fù)雜裝飾景觀塔落地實(shí)施過(guò)程中提供一些理論依據(jù)。

1 三維激光掃描技術(shù)的介紹及優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)是新型技術(shù)，三維掃描儀利用激光測(cè)距原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射和紋理等信息，可以快速地復(fù)建掃描目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種數(shù)據(jù)[2]。從傳統(tǒng)全站儀的單點(diǎn)測(cè)量轉(zhuǎn)化為面的測(cè)量。這項(xiàng)技術(shù)最早主要應(yīng)用于文物保護(hù)及犯罪現(xiàn)場(chǎng)等數(shù)據(jù)采集等工作，越來(lái)越多的異型建筑逐步引入建筑行業(yè)。針對(duì)常見的復(fù)雜裝飾景觀塔工程的特點(diǎn)，主體多位空間圓管鋼結(jié)構(gòu)曲線，傳統(tǒng)的軸線及標(biāo)高并不適用這類項(xiàng)目，無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行全面測(cè)量，影響裝飾施工單位對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集工作。使用三維掃描技術(shù)，使測(cè)量技術(shù)不再受建筑類型及空間曲線等方面的制約，也只有通過(guò)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行全方位掃描才能為后續(xù)裝飾施工提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用流程分析

針對(duì)主體采用全鋼結(jié)構(gòu)的裝飾景觀塔造型復(fù)雜，需要先分析整體施工流程，主要包括空間坐標(biāo)體系的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)采集分析與處理、測(cè)量數(shù)據(jù)與BIM 模型結(jié)合應(yīng)用等環(huán)節(jié)。

3 空間坐標(biāo)體系構(gòu)建

一般情況下，在傳統(tǒng)的裝飾施工現(xiàn)場(chǎng)采用的坐標(biāo)系是由業(yè)主提供的勘測(cè)3 個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)坐標(biāo)供施工單位使用，該坐標(biāo)通常采用大地坐標(biāo)系，坐標(biāo)數(shù)值較大，在常用的CAD 及BIM 建模軟件中沿用該大地坐標(biāo)系會(huì)超出作圖范圍。通常采用2 種方法解決這個(gè)問(wèn)題：1）縮減固定值法。由于大地坐標(biāo)系數(shù)值非常大，尤其是X值和Y值，那么就將X/Y同時(shí)減去一個(gè)固定值，這個(gè)固定值是大地坐標(biāo)系的前幾位數(shù)構(gòu)成的，這樣就可以大大減少X/Y的數(shù)值大小，關(guān)于Z值，一般情況下Z值往往不大，如果過(guò)大，超出模型控制范圍，就可以減掉一個(gè)固定值，注意這個(gè)固定值可以不同于X/Y方向的固定值。2）重建小坐標(biāo)系，將原大地坐標(biāo)系的首級(jí)控制點(diǎn)中的某個(gè)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，再通過(guò)其余2～3 個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，重新構(gòu)建三維坐標(biāo)系，它包括原點(diǎn)、X軸、Y軸、Z軸。該景觀塔塔高69.8 m，結(jié)構(gòu)采用鋼管斜網(wǎng)柱，由圓管組合成菱形單元編織而成，內(nèi)側(cè)采用桁架式弧形平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)單元組合而成，塔體中部采用核心筒結(jié)構(gòu)，BIM 模型組合單元如圖1 所示。

圖1 BIM 模型組合單元圖

該項(xiàng)目采用的是重建小坐標(biāo)體系以滿足復(fù)雜造型裝飾景觀塔工程施工，首先根據(jù)總承包單位移交的不少于3 個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)，在整個(gè)測(cè)控區(qū)內(nèi)引出布置16 個(gè)施工測(cè)量控制點(diǎn)，形成裝飾景觀塔工程測(cè)量體系，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，保證整個(gè)建筑物在創(chuàng)建的裝飾坐標(biāo)體系中，坐標(biāo)系創(chuàng)建完成后，在BIM 軟件中確定三維坐標(biāo)體系建立BIM 模型，方便將BIM 模型與現(xiàn)場(chǎng)共用同一坐標(biāo)體系，將BIM 模型與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互?？臻g坐標(biāo)體系點(diǎn)位布置如圖2 所示。

圖2 空間坐標(biāo)體系點(diǎn)位布置圖

4 數(shù)據(jù)采集分析與處理

針對(duì)復(fù)雜裝飾造型景觀塔項(xiàng)目，采用三維激光掃描技術(shù)需要對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行外業(yè)掃描工作和內(nèi)業(yè)掃描數(shù)據(jù)的分析與處理工作。

4.1 外業(yè)測(cè)量控制

項(xiàng)目采用法如FARO Focus 350，三維激光掃描儀，基于點(diǎn)云三維方式獲取目標(biāo)三維數(shù)據(jù)，采集過(guò)程為非接觸式，可遠(yuǎn)程遙控操作，激光采集速度為976 000 點(diǎn)/s，每站測(cè)量2 min～5 min，最大掃描距離為350 m，視角范圍水平360°，垂直300°。1）原點(diǎn)設(shè)置。使三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在裝飾坐標(biāo)體系中，須全站儀在掃描過(guò)程中進(jìn)行打點(diǎn)將掃描儀的空間點(diǎn)位融合到坐標(biāo)體系中，方便后期數(shù)據(jù)直接與BIM 模型直接合模。2）儀器站點(diǎn)規(guī)劃。按照設(shè)站規(guī)劃將設(shè)站網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)布置，爭(zhēng)取以最小的設(shè)站數(shù)量獲得最大的覆蓋面積（保證采樣率的前提下），減少拼接次數(shù)，提高拼接精度，減少累計(jì)誤差。3）標(biāo)靶球布設(shè)。擺放參考球，參考球與儀器之間應(yīng)當(dāng)通視，從儀器旋轉(zhuǎn)鏡片中心角度觀察來(lái)確認(rèn)參考球是否通視2、修改為：參考球與儀器之間應(yīng)當(dāng)通視，從儀器旋轉(zhuǎn)鏡片中心角度觀察來(lái)確認(rèn)參考球是否通視。參考球的距離根據(jù)掃描儀分辨率設(shè)置確定，對(duì)小范圍區(qū)域應(yīng)將參考球均勻分布在區(qū)域四周。參考球擺放應(yīng)穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)吹或震動(dòng)而發(fā)生晃動(dòng)。棱鏡應(yīng)與全站儀進(jìn)行協(xié)作保證掃描坐標(biāo)體系互通。4）儀器準(zhǔn)備完畢后，首先建立工程掃描文件夾，記錄掃描日期時(shí)間，查看掃描儀水平傾角儀以確保掃描儀器盡量水平放置，建議每站都檢查水平傾角儀并整平。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及后期處理結(jié)果需求設(shè)定合適的分辨率及質(zhì)量，該項(xiàng)目由于工期緊張，結(jié)構(gòu)通體為鋼結(jié)構(gòu)材料，異型圓管曲線造型，施工焊接等擾動(dòng)較大，在整體掃描前，要求整體施工作業(yè)暫停，從掃描的核心目的出發(fā)，采用高精度控制掃描，站點(diǎn)架設(shè)密集，未采用彩色掃描模式，大幅提高每站掃描的時(shí)間。5）按鍵掃描前先將掃描區(qū)域附近人員勸離至參考球和重點(diǎn)掃描區(qū)域范圍外，并防止震動(dòng)等外力對(duì)掃描數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生影響。6）檢查數(shù)據(jù)。查看掃描結(jié)果是否正常，參考球以及棱鏡球是否在測(cè)量范圍內(nèi)，是否有過(guò)往的行人遮擋被測(cè)區(qū)域。7）儀器搬動(dòng)至下一站，以推進(jìn)的方式擺放參考球，確保與下一次測(cè)站之間有至少3 個(gè)公共的參考球，布設(shè)相應(yīng)標(biāo)靶球。

4.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析與處理

通過(guò)數(shù)據(jù)采集目標(biāo)的外形表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可重新構(gòu)建物體的三維模型。根據(jù)項(xiàng)目具體精度要求及實(shí)際情況對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)站拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、剔除多余數(shù)據(jù)，并整體進(jìn)行降噪，保證局部數(shù)據(jù)密度統(tǒng)一，再根據(jù)需求進(jìn)行提取數(shù)據(jù)或創(chuàng)建實(shí)體模型。數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析處理流程

4.3 點(diǎn)云測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接

將不同測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)校準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，相鄰站點(diǎn)之間通過(guò)3 個(gè)及以上的公共同名點(diǎn)，才能快速進(jìn)行點(diǎn)云模型的拼合及數(shù)據(jù)分析，這個(gè)過(guò)程稱為點(diǎn)云拼接。

4.4 數(shù)據(jù)剔除、降噪、點(diǎn)云密度統(tǒng)一

在實(shí)際工程中，由于掃描過(guò)程中外界環(huán)境因素對(duì)掃描目標(biāo)的阻擋和遮掩，例如掃描過(guò)程中移動(dòng)的車輛、行人、樹木的遮擋以及建筑物本身的反射特性不均勻，導(dǎo)致最終獲取的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)可能包括不穩(wěn)定的點(diǎn)和錯(cuò)誤的點(diǎn)，這些影響將導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有偏差[3]通過(guò)剔除、降噪的目的過(guò)濾掉表面一些多余的數(shù)據(jù)，使點(diǎn)云噪點(diǎn)更小。對(duì)凹凸不平的表面或有較多粉塵的表面，噪點(diǎn)尤為突出，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中不可或缺的一步。點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)

5 測(cè)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析

5.1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建模型

三維掃描技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在裝飾工程中應(yīng)用的方向主要包括關(guān)鍵技術(shù)控制點(diǎn)提取和依賴整體模型重構(gòu)完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用。該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，空間曲線偏差分析復(fù)雜全面，要求水平高，對(duì)裝飾構(gòu)件的影響較大，必須采用模型重建技術(shù)手段。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的剔除、降噪、點(diǎn)云密度統(tǒng)一后得到比較完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，整體進(jìn)行高精度掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)體量較大，數(shù)據(jù)大小是以GB 來(lái)衡量的，該項(xiàng)目整體掃描數(shù)據(jù)體量達(dá)到100 GB 以上，為了更好地應(yīng)用數(shù)據(jù)，根據(jù)項(xiàng)目自身的需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，模型擬合，模型擬合一般分為2 種：1）采用掃描設(shè)備自帶軟件的擬合建模，這種方法針對(duì)傳統(tǒng)常規(guī)的幾何形式建筑及偏差不大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以大幅提高模型重建的效率。2）針對(duì)軟件及人工組合式的擬合模式，針對(duì)復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)景觀塔項(xiàng)目，曲線造型偏差及走向并不可控，完全通過(guò)軟件處理，無(wú)法滿足精度和應(yīng)用要求，采用軟件及人工組合的精細(xì)化模型重構(gòu)手段，多次與原始點(diǎn)云比對(duì)，進(jìn)行重建偏差分析，達(dá)到最終可使用的精度級(jí)別。點(diǎn)云模型重建輸出格式有很多，不同格式轉(zhuǎn)化有一定的不穩(wěn)定因素和偏差，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目反復(fù)測(cè)試，采用的stp 文件通用格式，數(shù)據(jù)使用會(huì)更精準(zhǔn)，信息丟失最小，這種文件格式目前適用于主流三維模型軟件，包括犀牛、REVIT 以及Catia 等，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

5.2 數(shù)據(jù)重構(gòu)與BIM 模型進(jìn)行分析

將處理后的掃描模型與BIM 理論模型進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，全面解決空間三維鋼結(jié)構(gòu)偏差影響裝飾及相關(guān)專業(yè)的問(wèn)題，為深化設(shè)計(jì)材料下料、定位安裝提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。可以快速判斷現(xiàn)場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后的實(shí)際偏差，從而指導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)施工單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整改。將主體鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差控制在允許范圍內(nèi)，裝修及相關(guān)專業(yè)有了準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后，就可以大規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)施工優(yōu)化及材料下單，相關(guān)措施也可以提前進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備，大幅提升整體項(xiàng)目的速度，保證裝修等相關(guān)專業(yè)快速、高質(zhì)量完成。

5.3 正向測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用

掃描數(shù)據(jù)和BIM 模型優(yōu)化完成后，通過(guò)模型數(shù)據(jù)直接提取三維空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)，進(jìn)行施工放樣，16 個(gè)控制樁位環(huán)景觀塔一周，用全站儀或放線機(jī)器人進(jìn)行安裝定位，輔助現(xiàn)場(chǎng)安裝指導(dǎo)。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)復(fù)雜裝飾景觀塔的測(cè)量技術(shù)的研究，可以針對(duì)復(fù)雜裝飾造型類項(xiàng)目帶來(lái)一些有價(jià)值的技術(shù)路線應(yīng)用分析實(shí)踐，與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，大幅度提升人工測(cè)量的效率、精度、數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用能力，降低裝飾工程施工難度，在縮短工期、節(jié)約人力、材料成本等多方面體現(xiàn)出絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)和BIM 技術(shù)融合解決測(cè)量復(fù)雜造型的難題，也更好地為裝飾施工企業(yè)提供技術(shù)和質(zhì)量保障。