基于三維掃描的歷史保護建筑模型快速重構技術

曾維強，潘 峰，石雨恒

（上海建工五建集團有限公司，上海 200063）

1 工程概況

相輝堂位于復旦大學邯鄲校區，屬于上海市第四批優秀歷史建筑，同時也是上海市楊浦區區級文物保護單位和代表復旦大學精神文化的標志性建筑。為了更新提升相輝堂建筑功能，項目先后分別對現有的相輝堂南堂進行加固修繕和在緊鄰相輝堂南堂北側擴建一個新北堂。相輝堂南堂主體為混凝土框排架結構，屋面采用三角形木屋架和不上人的四坡青瓦屋面，基礎采用柱下獨立基礎。南堂修繕后為地上2F，1 F 主要布置多功能室、貴賓接待室、公共衛生間以及設備用房，2 F 主要布置禮堂和舞臺，建筑面積約為1777 m2。緊鄰南堂北側擴建的新北堂是一個含有地下室的多功能劇場，為現澆鋼筋混凝土框架結構，建筑面積為3270 m2。

2 工程特點

復旦大學相輝堂改擴建修繕項目存在兩方面難點。一方面，由于相輝堂歷史悠久，南堂設計資料存在缺失或不準確的問題，難以獲取完整、精確的南堂建筑結構尺寸，但這恰是加固修繕設計和施工的必備條件。另一方面，為了使擴建的新北堂建筑設計滿足對環境的協調性以及減小新北堂擴建施工對原有建筑的影響，需要精確獲取原有建筑的結構和環境信息，以便于計算分析。因此，如何快速、精確地獲取相輝堂原有建筑結構和環境的三維數據以實現模型重構是本工程項目的關鍵。針對這一問題，本項目創建了基于三維掃描的歷史保護建筑結構及環境模型快速重構技術[1]。

3 建筑結構及環境模型快速重構技術

3.1 技術步驟

針對相輝堂原有建筑復雜的結構和環境場景，開展建筑結構及環境模型的快速重構，實施步驟依次為數據采集、數據處理和模型重構。

3.1.1 數據采集

本項目采用 Z+F Imager5010三維激光掃描儀先后對相輝堂原有建筑的外部結構和內部結構進行掃描，對于掃描儀無法掃描到的外部結構（如屋頂等）和環境場景采用無人機航拍攝影系統進行掃描。對建筑內部結構進行掃描時，先對內部框架結構進行全景精細掃描，再對局部進行高精度掃描。整個掃描過程中，在建筑出入口處建立外部掃描數據和內部掃描數據的連接測站，以確保掃描數據的完整性[2]。

三維掃描采用無標靶配準模式，掃描測站間距＜15 m，建筑內外共布設測站52個，三維掃描作業圖如圖1所示。無人機航拍攝影系統掃描流程包括范圍確定、測區劃分、無人機傾斜測量、像控測量等步驟。

圖1 三維掃描作業

3.1.2 數據處理

本項目分別采用了 Z+F Laser Control、JRC 3D ReconstructorRevit 和 Geomagic Control 等數據處理軟件進行點云數據預處理、點云拼接、屋頂及周圍環境攝影照片數據處理、數字模型初步建立、結構模型建立和偏差分析，所得航拍攝影模型如圖2所示。

圖2 無人機航拍攝影模型

3.1.3 模型重構

模型重構對象及標準如表1所示。三維模型重構的主要流程可以概括為以下3個步驟[3]。

表1 模型重構對象及標準

（1）針對相輝堂的歷史文化意義和對歷史信息集成的需求，整合原始手繪圖紙信息，根據原始手繪圖紙信息建立 BIM 初步模型，如圖 3（a）所示。針對修繕項目的特殊性，除了常規的建模標準外，還需要對修繕部分進行區分建模。包括柱加固部分區分建模、樓板加固部分區分建模、木屋架增設的水平系桿區分建模、除銹和封閉處理部分區分建模以及化學種植鋼筋加固部分區分建模。

（2）根據點云模型對 BIM 初步模型進行修正更新，精確復原建筑原貌，如圖 3（b）所示。

圖3 三維模型重構主要流程

（3）將更新之后的 BIM 模型與點云模型進行融合。融合后的模型可以用來輔助現狀調查、預覽完成后的建筑與周邊環境、記錄建筑歷史原貌、輔助場地安排布置和記錄施工狀態等。

3.2 技術應用

基于點云數據模型、無人機航拍數據模型和 BIM 模型，創建了高精度、精細化的三維重構模型，開發了 BIM 項目集成交付平臺。通過平臺可實現建造全過程的協同管理，包括模型管理、文件管理和任務管理等，有效提高了信息化管理水平，為本項目相輝堂原有建筑加固修繕和新北堂擴建改造提供了技術保障。

3.2.1 加固修繕

精確的三維重構模型為加固修繕設計提供了基礎條件。三維重構模型在加固修繕中的應用包括拆除、梁柱結構加固、修復與新建、結構框架加固、門窗修復與復原等。通過 BIM 模型與點云模型的對比，可以直觀地觀察到相輝堂施工過程中不同位置的偏差大小。通過不同時期三維掃描結果的對比，為相輝堂加固修繕過程的風險控制提供評估數據，保證了施工過程中既有建筑的安全。

3.2.2 擴建改造

三維重構模型在擴建改造中的應用如圖4所示。在相輝堂原有建筑精確的結構信息的基礎上進行建模分析，能夠有效地減小新北堂擴建過程中對原有建筑的影響，使得相輝堂原有建筑能充分合理地應對外部擴建施工帶來的不利因素，實現擴建過程中對全局的把控。

圖4 三維重構模型在擴建改造中的應用

4 結語

以復旦大學相輝堂改擴建修繕項目為背景，針對歷史保護建筑原始數據勘測難、效率低和精度不高的現狀，創建了基于三維掃描的歷史保護建筑結構及環境模型快速重構技術。首先介紹了建筑結構及環境模型快速重構技術的實施步驟，再闡述了該技術在原有建筑加固修繕和擴建改造中的應用，進而表明這一技術能很好的應用于歷史保護建筑的修繕復原設計、施工和交付工作，具有較好的工程價值。