技術(shù)助力建筑改造 提升人居環(huán)境品質(zhì)

文｜本刊編輯部

寶慶路3號是一幢有著80年歷史的老洋房，它位于上海黃金地段中的黃金位置——淮海中路與寶慶路交叉口，被稱為“上海第一私人花園”，市值1.8億元人民幣。2012年,由某設(shè)計(jì)單位承擔(dān)該建筑物的改造項(xiàng)目，亟需詳實(shí)的現(xiàn)場測繪成果，傳統(tǒng)測繪方式難以解決風(fēng)格獨(dú)特、形式多樣的建筑物數(shù)據(jù)采集。

宏觀寶慶路3號內(nèi)部，寬闊的草坪、蔥郁的樹木、褪色的門窗和扶手，縱然久經(jīng)風(fēng)雨，坐觀歷史，它依舊彰顯宏偉的氣勢。因此，如何全面、準(zhǔn)確地獲取建筑物的空間信息、結(jié)構(gòu)信息成為測繪專業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的測繪方式，往往以點(diǎn)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，偌大的庭院，每一個(gè)不可放過的細(xì)節(jié)都讓傳統(tǒng)測繪方式難以開展工作。

3D激光掃描技術(shù)是目前可以采取的最有效途徑，具有高分辨率、高精度以及色彩還原等特色。3D掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形、結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。3D掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，而且其測量結(jié)果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天很受歡迎。

3D激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是上世紀(jì)九十年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測繪技術(shù)新突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的3D影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。由于其具有快速性、不接觸性、穿透性、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等特性，其應(yīng)用推廣很有可能會像GPS一樣引起測量技術(shù)的又一次革命。

重建模型 高度還原

作為新的高科技產(chǎn)品，3D激光掃描儀已經(jīng)成功的在文物保護(hù)、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測、工廠、大型結(jié)構(gòu)、管道設(shè)計(jì)、飛機(jī)船舶制造、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建、事故現(xiàn)場取證、醫(yī)療研究等領(lǐng)域里應(yīng)用。3D激光掃描儀的掃描結(jié)果直接顯示為點(diǎn)云，利用3D激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場景的3D可視化模型，高效地對真實(shí)世界進(jìn)行3D建模和虛擬重現(xiàn)。既省時(shí)又省力，這種能力是現(xiàn)行的3D建模軟件所不可比擬的。

但在該項(xiàng)目中，受限于測量的通視性，現(xiàn)場樹木的遮擋增加了作業(yè)的周期和難度，尤其是房屋頂部的數(shù)據(jù)存在缺失，給數(shù)據(jù)后期應(yīng)用帶來額外的處理工序。

設(shè)計(jì)單位聯(lián)合掃描實(shí)施方工程師現(xiàn)場實(shí)地勘察，制定細(xì)化作業(yè)方案。選擇FARO Focus3D系列三維激光掃描儀開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，使用后處理軟件FARO Scene進(jìn)行點(diǎn)云全局配準(zhǔn)、濾波降噪等預(yù)處理，獲得與現(xiàn)場空間信息相符的高質(zhì)量點(diǎn)云。

在相關(guān)軟件中，對點(diǎn)云進(jìn)行逆向建模，快速重建掃描對象的現(xiàn)狀三維模型，后期建模中有部分房屋頂部數(shù)據(jù)是靠掃描到的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行合理的推測得出模型。

該項(xiàng)目中三維激光掃描技術(shù)主要包括三部分的應(yīng)用內(nèi)容：三維激光掃描、建立模型和數(shù)據(jù)分析。三維激光掃描部分。工作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場放置固定標(biāo)靶以及臨時(shí)標(biāo)靶，用于數(shù)據(jù)拼接；使用三維激光掃描儀在每一個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行360度全方位數(shù)據(jù)采集，并在每次掃描完成后，用外置相機(jī)360度拍攝以獲得現(xiàn)場色彩信息 （單站色彩像素超過1億）。然后將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，并用專門的軟件將數(shù)據(jù)在電腦中以點(diǎn)云的形式顯示出來。針對彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還原現(xiàn)場，且可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及實(shí)時(shí)測量功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)可能存在問題，保證數(shù)據(jù)完整性。

建立模型部分。掃描目標(biāo)的表面往往存在一些噪聲點(diǎn)，這些冗余數(shù)據(jù)或噪聲數(shù)據(jù)是無效的，同時(shí)增加了計(jì)算機(jī)內(nèi)存，降低了數(shù)據(jù)處理效率。需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，剔除冗余數(shù)據(jù)，消除噪聲點(diǎn)，提取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過掃描設(shè)備后處理軟件，對點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理。掃描系統(tǒng)所獲得的原始測量數(shù)據(jù)是多個(gè)不同坐標(biāo)系下構(gòu)筑物的分塊點(diǎn)云集合，需要對多個(gè)測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。利用掃描作業(yè)中多塊點(diǎn)云中公共的標(biāo)靶點(diǎn)，通過設(shè)備后處理軟件進(jìn)行配準(zhǔn)計(jì)算，以得到整體空間數(shù)據(jù)信息。在Revit軟件中，對構(gòu)筑物進(jìn)行逆向建模，即將離散的點(diǎn)云擬合成最貼近實(shí)際的實(shí)體模型。

數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用。Revit軟件的點(diǎn)云工具可直接將激光掃描數(shù)據(jù)連接至BIM流程，從而加速改造和翻新項(xiàng)目流程。通過在Revit軟件環(huán)境中直接對點(diǎn)云進(jìn)行可視化，用戶可以更加輕松、更加自信、更加精確地創(chuàng)建竣工模型。

數(shù)據(jù)更直觀 改造更便捷

將建立好的既有建筑信息模型在Revit軟件中進(jìn)行綜合分析，可以實(shí)時(shí)對確定的現(xiàn)場位置進(jìn)行測量以及周邊結(jié)構(gòu)信息查詢，較傳統(tǒng)二維圖紙、傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)更加直觀和便捷。此外，還可為深化設(shè)計(jì)提供精確數(shù)據(jù)，與現(xiàn)狀完全相同的三維模型為改造工程的深化設(shè)計(jì)提供了極大的便利。工作人員直接在辦公室的電腦上打開三維模型就可以將預(yù)計(jì)施工現(xiàn)場盡收眼底，在整體規(guī)劃布局，細(xì)部調(diào)整方面都更顯游刃有余。

3D激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的3D影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。由于它采用的是不用接觸目標(biāo)物而進(jìn)行測量的方式，掃描時(shí)目標(biāo)物的表面也不需進(jìn)行任何處理，直接獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的3D數(shù)據(jù)，獲得的數(shù)據(jù)也是高分辨率的數(shù)據(jù)，使得測量工作更容易進(jìn)行，避免了測量人員直接接觸一些復(fù)雜危險(xiǎn)的目標(biāo)物，能確保測量工作的安全性。

3D激光掃描可以快速的獲取高精度，高分辨率的海量點(diǎn)位數(shù)據(jù)，可以高效率的獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的3D坐標(biāo)，從而達(dá)到高分辨率的目的。通過直接獲取數(shù)字信號采集數(shù)據(jù)，具有全數(shù)字特征，方便進(jìn)行后期處理和輸出，以掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用建模專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)掃描目標(biāo)的3D重建，從而幫助精確呈現(xiàn)現(xiàn)場真實(shí)信息。

本項(xiàng)目掃描天數(shù)為2.5天，掃描總面積達(dá)4578平方米，共設(shè)72站，掃描精度1毫米，后期數(shù)據(jù)處理周期25天，并提交了彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫，BIM三維現(xiàn)狀模型，彩色點(diǎn)云視頻，在線測量共享數(shù)據(jù)庫。

針對這座古建筑，傳統(tǒng)方式下的測繪方法需要大約1個(gè)月才能完成，而三維激光掃描技術(shù)的引進(jìn)，不僅解決了測繪難點(diǎn)，更使得測量工作時(shí)間大大縮短，只需3天便完成所有測量工作，大大提升效率。

使用三維激光掃描技術(shù)對建筑物是非接觸式測量，一方面對建筑物沒有任何損壞；另一方面測量工作人員的安全也得到了極大的保障。

此次項(xiàng)目的模型成果直接與Revit軟件對接，依BIM技術(shù)應(yīng)用的思路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，較好地解決了改造工程的設(shè)計(jì)深化過程可能遇到的問題，三維激光掃描技術(shù)在BIM技術(shù)全過程應(yīng)用中的指導(dǎo)意義非常明顯。