三维激光扫描在某历保建筑结构测绘中的应用探讨.pdf
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1、第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ,:收稿日期:修稿日期:基金项目:上海既有建筑功能提升工程技术研究中心资助项目()作者简介:杨敏(),男,硕士,工程师,主要从事结构鉴定及三维扫描测绘的应用研究工作。:三维激光扫描在某历保建筑结构测绘中的应用探讨杨敏,方林,李承铭(华东建筑设计研究院有限公司,上海 )摘要:以上海市某区级优秀历史保护建筑为例,采用三维激光扫描技术对其结构测绘方面的应用进行探讨。在建筑结构平面布置方面,采用整体点云模型确定准确的外部轮廓,有效避免了粗略的规则形处理;将各楼层的点云切片平面描绘出来进行适当调整,结合标准砖及粉刷层尺寸推导出合理的结构层厚度;通过点云数据直观的比对
2、上下层同一位置的墙体布局情况,以此判断底层隐蔽的上部承重构件。在复杂屋架布置测绘方面,介绍了采集整体屋面的现场扫描布站方案和主要思路,基于三维屋架点云模型将平面布置和屋架详图逐一剖截绘制,提出小三角屋架的下弦带有坡度及多屋架交汇搁置至主屋架节点的复杂性,提出通过可视化点云数据在报告中详细反映,以此提高屋架结构测绘成果的精度及可靠性。关键词:三维扫描;测绘;结构;墙体;屋架中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,):,:;历史建筑沉淀了一个地方发展的人文和底蕴,记录了一个城市的历史和文化,诉说着城市的演变和新生。近年来,全国各个城市全力推动历史建筑保护修缮,“一房一册”、“历保建筑甄别”等先
3、驱工作已全面铺开 ,接下来将陆续对建筑物进行进一步检测评估,旨在为后续的改造修缮提供依据。历史建筑检测的主要内容包括:建筑使用历史沿革及修缮改造历史调查、建筑结构图纸测绘、材料强度测试、损伤情况调查、倾斜变形及沉降测量、结构计算和安全性评定、检测结论及后续修缮建议等 。由于历史保护建筑具有时间跨度大、形式复杂、改搭建普遍的特点 ,因此结构测绘成为检测中难度最大也最为繁琐的工作内容,其准确性是整个检测评估的全过程的重点。三维激光扫描技术是目前较为前沿的新型测绘技术,和传统的单点测量相比,可以在短时间内采集百万级的三维坐标数据,形成影像级的点云模型。基于点云数据,可以快速重构出目标的三维模型及线、
4、面、体、空间等各种制图关键数据,已经在工程设计、数字城市、文物保护、土方工程等领域起到关键性应用 。在历保房屋检测方面,目前多用于建筑测绘,而结构测绘则需要更为专业的结构知识和经验储备,融合三维测绘技术进行成果的分析运用,继而为结构鉴定提供可靠依据。本文以上海某区级历史保护建筑为例,详细阐述采用三维激光扫描技术在历保建筑结构测绘中的技术应用及过程方法,提出针对复杂屋架多方交汇搁置的情景,采用点云数据进行可视化反映,能更为准确地对其进行受力分析及评估,上述研究可为今后同类的检测项目提供参考借鉴。项目概况案例历史保护建筑为一栋 层砖木结构房屋,建于 年,建筑平面呈不规则布局,东西方向外墙总长分别长
5、约 和 ,南北方向外墙轮廓线分别长约 和 ,总建筑面积约 。房屋主要由主楼和南北个配楼组成,均为 层,主楼的底层层高约为 ,二层层高约为 ;南侧配楼的底层层高约为 ,二层层高约为 ;北侧配楼的底层层高约为 ,二层层高约为 ;房屋总高约为 。房屋曾作为巡捕房使用,后作为消防局办公场所,现已空置。采用三维激光扫描技术,经现场踏勘后预先设计扫描路线,对房屋室内外进行全面扫描,本次采用重合率拼接的方式,上部屋面数据通过西侧 层住宅楼的阳台进行数据采集,共布置 个测站点,经过拼接、去噪、抽稀、校核等处理工作后,获取建筑三维点云模型 。通过点云模型首先在建筑方面将平、立、剖描绘出来,其中包括重点保护部位,
6、如门头、雕花、木饰、壁炉、线脚等。随后转为结构部分,将其应用分为结构平面布置测绘和复杂屋架布置测绘两部分。房屋现状及三维点云模型见图 所示。图 房屋现状及三维点云模型 结构平面布置测绘历史保护建筑结构平面布置是结构测绘的重点和难点之一,其主要内容是准确的对承重砌体进行平面布置,对砌体墙厚进行测量及判断。在实际项目中,该类型建筑的墙体厚度不像普通的框架、砖混或砌体等结构体系一样,对内外墙的厚度设置有一个基本统一的规律可循,而面临的是半砖、一砖、一砖半、两砖墙体的复杂切换。此外,大部分历保建筑由于年代久远,多多少少会经历一些改建、搭建,原结构和搭建结构的混合也会给结构测绘带来不少麻烦 ,因此对结构
7、测绘人员的经验和细致程度要求较高。结构外围轮廓确定许多历保建筑的外围轮廓,看似平平无奇,实则暗藏玄机,尤其是一些里弄建筑,由于建筑属长条形,且建筑群排布紧密,所以很容易认为这就是一个水利与建筑工程学报第 卷呈长方形的建筑体,实际在对大量历保建筑的扫描数据进行切片后,都会发现他们许多都呈一个梯形或不规则 ,各边墙存在一定的斜度,因此在结构图绘制的最初,就应该对结构外围轮廓有一个准确的判断。在案例项目中,基于房屋整体点云模型,选择一个数据较为完整的楼层将平面进行切片后,发现仅仅存在一些墙体的斜度,因此在后续轴线的排布及墙体布置中,将视斜度的大小进行适当调整,以保证外围轮廓的准确性,该步骤与后期的平
8、、立面测绘图对齐统一工作也有很大的关联性。砌体结构层厚度确定由于房屋一层多侧存在外部搭建使得部分外墙点云数据有所缺失,故将房屋二层点云进行平面切片,见图 所示,导入 软件进行细致描绘后,首先结合上下层数据将矢量墙线进行补齐。在材料强度检测中,两层共布置 个测试构件,实测这 个构件的砖截面和粉刷层厚度,将青砖材料的标准截面定为 ,即结构层半砖厚度 、一砖厚度 、一砖半厚度 、二砖厚度 ,借鉴已开凿的粉刷层的实测厚度假定其余未开凿的墙体单侧粉刷层为 。随后在描绘的平面图中逐一对墙体进行编号,外墙及内墙代号分别设置为 、,见图 所示,并量取其切片厚度,根据每段墙体的双侧粉刷层设置情况,合理的进行扣除
9、,最终向拟定的标准砖结构层厚度靠拢,将上述数据进行统计,见表 所示,汇总表显示的结构层厚度与标准砖厚度均较为接近,认为结果是可靠合理的。以上述方法进行墙体结构层厚度的推定中,如遇到某墙体与标准尺寸差距较大的情况,应该进行现场复核。图 二层平面点云切片图 墙体编号示意图表 墙体厚度推定汇总墙体编号切片墙厚 外墙粉刷 内墙粉刷 结构层推导 清水 (实)()清水 (实)()清水 ()清水 (实)()清水 ()清水 ()清水 ()清水 ()清水 ()清水 (实)()清水 ()清水 (实)()清水 ()清水 ()()()()清水 ()()()()()()()()()()()第 期 杨敏,等:三维激光扫描
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