采用全站儀進(jìn)行危舊古建筑結(jié)構(gòu)測量方法的探討

祝啟祥

（無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫214072）

0 引言

無錫南下塘是一條歷史悠久的古街，它位于江蘇省無錫市梁溪區(qū)中心地段，為獨(dú)具特色的古運(yùn)河畔江南人家歷史文化街區(qū)。街區(qū)以古運(yùn)河為中軸，南長古街和南下塘古弄分列左右，街區(qū)現(xiàn)存有少量明、清古民居，絕大部分歷史建筑為19 世紀(jì)末、20 世紀(jì)初所建的有著濃厚運(yùn)河江南人家特點(diǎn)，又有中西合璧風(fēng)格的石庫門商賈別墅。

南下塘景區(qū)內(nèi)的清名橋歷史文化街區(qū)，是大運(yùn)河畔典型的江南水鄉(xiāng)，被譽(yù)為“江南水弄堂，運(yùn)河絕版地”。2014 年6 月22 日，清名橋歷史文化街區(qū)被列為世界文化遺產(chǎn)大運(yùn)河中的江南運(yùn)河無錫城區(qū)段組成部分。

現(xiàn)南下塘古街沿運(yùn)河段主體建筑已全部修復(fù)并投入使用，成為人文無錫，歷史老街的標(biāo)志之一；南下塘古運(yùn)河?xùn)|側(cè)花園里作為南下塘歷史街區(qū)與現(xiàn)有街區(qū)的銜接段，尚有部分老舊建筑未進(jìn)行修復(fù)。為保護(hù)歷史老街，傳承運(yùn)河文化，現(xiàn)對(duì)花園里弄的部分古建筑進(jìn)行保護(hù)性結(jié)構(gòu)測量及修復(fù)。

1 南下塘花園里危舊古建筑群特點(diǎn)

無錫花園里古建筑作為南下塘古建筑群的一部分，其主體建筑均為民國時(shí)期及上世紀(jì)建筑混搭而成。花園里在整個(gè)南下塘古建筑群中承接了古代與現(xiàn)代風(fēng)格銜接過渡的作用，其內(nèi)部房屋犬牙交錯(cuò)，新舊相間，大部分建筑結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，搖搖欲墜（見圖1～圖3）。

圖1 航拍南下塘花園里歷史古建筑群

圖2 街區(qū)現(xiàn)狀照片

花園里古建筑群大部分建筑均為民國時(shí)期所建民居，其建筑結(jié)構(gòu)圖紙已無從尋找，同時(shí)由于缺乏維護(hù)，許多建筑已破壞嚴(yán)重，更有甚者有部分建筑上已長滿高大樹木，整個(gè)花園里古建筑群修復(fù)起來困難重重，為了保留南下塘原有建筑的統(tǒng)一及協(xié)調(diào)性，并最大可能的保留原有建筑；花園里危舊古建筑保護(hù)性修復(fù)必須在詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖及外立面圖上對(duì)現(xiàn)有危舊古建筑進(jìn)行修復(fù)及復(fù)原。

圖3 街區(qū)現(xiàn)狀照片

2 危舊古建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)測量方法選取

建筑的結(jié)構(gòu)及立面測量常用方法有常規(guī)全站儀測量法，攝影測量法，三維激光掃描法等[1-2]。

2.1 常規(guī)全站儀測量法

常規(guī)全站儀測量法是利用全站儀對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)及立面進(jìn)行測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制平面結(jié)構(gòu)圖及立面圖，該方法是最常用也是最經(jīng)濟(jì)的一種測量方法，但是該測量方法由于需要人為對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷分析并手動(dòng)測量特征點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單的建筑測量及成圖均方便快捷，但是對(duì)結(jié)構(gòu)及形狀復(fù)雜的建筑將會(huì)消耗大量的時(shí)間，而且由于測量數(shù)據(jù)過多而特征點(diǎn)無法詳細(xì)測出常常會(huì)出現(xiàn)各類錯(cuò)誤，無法詳細(xì)的體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)及立面。

2.2 攝影測量法

常用的攝影測量分航空攝影測量及近景攝影測量，針對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)及立面測量常使用近景攝影測量。近景攝影測量是現(xiàn)場對(duì)待測目標(biāo)按照攝影測量的要求拍攝成組照片，然后用計(jì)算機(jī)對(duì)照片進(jìn)行內(nèi)業(yè)解析作業(yè)，從而獲得目標(biāo)空間三維尺度信息的一種測量方法。近景攝影測量操作簡單測量精度高，針對(duì)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)及立面具有較好的成圖效果，但是近景攝影測量需要在建筑上布設(shè)大量的控制點(diǎn)以統(tǒng)一成圖比例尺及方便圖形銜接，這需要消耗大量的時(shí)間布點(diǎn)。

2.3 三維激光掃描法

三維激光掃描法是利用三維激光掃描儀對(duì)建筑進(jìn)行測量的一種方法。三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，通過三維激光掃描儀密集測量并記錄被測物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，同時(shí)利用相應(yīng)三維成圖軟件可快速得到被測物體的三維模型，而通過三維模型可詳細(xì)讀取被測物體的各項(xiàng)信息。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集的大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的全站儀單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)更能詳細(xì)的反應(yīng)出目標(biāo)對(duì)象的各類信息。但是由于三維激光掃描技術(shù)是通過大量測取被測物體的表面點(diǎn)，其海量數(shù)據(jù)的處理需要消耗大量的時(shí)間，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件也具有極高的要求。

3 測量方案的實(shí)施

南下塘花園里建筑大多為民國時(shí)期及上世紀(jì)民間建筑混搭而成，其建筑相互錯(cuò)落形成了獨(dú)特的弄堂建筑，同時(shí)弄堂建筑內(nèi)部狹小布局復(fù)雜，外部結(jié)構(gòu)單一無裝飾結(jié)構(gòu)，同時(shí)其布局又參差不齊（見圖3）。在該情況下如果選擇攝影測量法及三維激光掃描儀法將會(huì)需要頻繁架設(shè)儀器，消耗大量時(shí)間在不同站間的銜接上，而每一測站獲得的有效數(shù)據(jù)卻不多，成本高昂而效率低下，故本次測量方案選擇常規(guī)全站儀測量法。

3.1 危舊古建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)測量

南下塘花園里建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)測量任務(wù)是主要測量出建筑的內(nèi)外墻體，建筑門窗位置及建筑承重結(jié)構(gòu)柱及結(jié)構(gòu)梁。南下塘花園里建筑大多為一至三層磚結(jié)構(gòu)建筑，其主體承重結(jié)構(gòu)柱及結(jié)構(gòu)梁主要為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱及木制結(jié)構(gòu)柱，并且為裸露狀態(tài)（見圖4）。

圖4 建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于南下塘花園里建筑間距狹小，故測量時(shí)利用Leica Tcr802 型全站儀沿南下塘花園里主弄堂密集布設(shè)控制點(diǎn)并進(jìn)行導(dǎo)線測量，然后通過相鄰兩控制點(diǎn)利用后方交會(huì)法進(jìn)行任意架站，并分別對(duì)每一棟建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，其成果見圖5。

3.2 危舊古建筑外立面測量

南下塘花園里建筑的外立面具有結(jié)構(gòu)簡單，無裝飾的特點(diǎn)，故本次針對(duì)南下塘花園里建筑的立面測量也采用常規(guī)全站儀法。

圖5 南下塘建筑平面結(jié)構(gòu)圖

利用全站儀進(jìn)行建筑立面測量的方法有許多種，本文根據(jù)作者實(shí)際工作總結(jié)并得出針對(duì)復(fù)雜程度不同的建筑立面，具有三種方法進(jìn)行測量與繪制。

方法一（常規(guī)量距法）：對(duì)于僅有門窗而無造型的簡單建筑立面。可以使用全站儀直接測量門窗尺寸，離地距離，門窗邊至墻邊距離等數(shù)據(jù)，并利用筆記本電腦現(xiàn)場進(jìn)行繪制，見圖6。

圖6 簡單立面結(jié)構(gòu)圖

方法二（CAD 展繪法）：對(duì)于造型復(fù)雜，具有多層次立體造型且建筑立面較小的建筑可以采用直接測量利用CAD 展繪法。首先利用全站儀（無棱鏡模式）直接對(duì)建筑立面上門窗及各種造型進(jìn)行測量并獲得相應(yīng)特征點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，然后將獲得的特征點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)展繪至CAD 軟件上，并在展繪的圖中選區(qū)建筑上處于同一平面上的最外側(cè)兩個(gè)特征點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，以這兩基準(zhǔn)點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)將整個(gè)展繪的數(shù)據(jù)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至與Y 軸平行，然后提取旋轉(zhuǎn)后的各特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以提取的特征點(diǎn)的Y 坐標(biāo)及Z 坐標(biāo)分別作為新的坐標(biāo)系統(tǒng)中的Y（新）坐標(biāo)及X（新）坐標(biāo)并將其展繪至CAD 軟件上建立建筑立面坐標(biāo)系，最后根據(jù)展繪的特征點(diǎn)繪制建筑立面圖，見圖7。

圖7 復(fù)雜立面結(jié)構(gòu)圖

方法三（立面坐標(biāo)系法）：對(duì)于造型復(fù)雜，具有多層次立體造型且建筑立面較大的建筑采用直接建立建筑立面坐標(biāo)系進(jìn)行測量。首先選取建筑同一面上最外側(cè)同等高度處兩點(diǎn)，用全站儀（無棱鏡模式）直接測取該兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后利用該兩點(diǎn)的X、Y、Z 坐標(biāo)分別作為建筑立面坐標(biāo)系中的Z（建）、Y（建）、X（建）坐標(biāo)，然后利用該兩點(diǎn)的新坐標(biāo)（建筑立面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)）通過全站儀后方交會(huì)法架設(shè)儀器直接對(duì)建筑立面進(jìn)行測量，最后再展繪至CAD 中并利用測量所得的特征點(diǎn)直接繪制建筑立面圖。南下塘花園里建筑也是通過該方法進(jìn)行立面測量。南下塘花園里建筑立面圖測量成果見圖8。

圖8 南下塘花園里建筑立面成果圖

4 結(jié) 語

隨著城市化進(jìn)程的加快，經(jīng)濟(jì)的深化發(fā)展，社會(huì)對(duì)歷史文化傳承的需求與日俱增，地方人文歷史街區(qū)的建設(shè)在越來越多的城市與地區(qū)被受到重視，而人文歷史街區(qū)的建設(shè)離不開建筑的結(jié)構(gòu)及立面測量，因地制宜，針對(duì)不同的建筑采用不同的測量方法，將有效的節(jié)約經(jīng)濟(jì)及時(shí)間成本，在新的時(shí)期中，傳統(tǒng)的測量方式也將大放異彩。