秦統一雕塑遷移改造工程測量方法

徐征剛

（中鐵二十局集團電氣化工程有限公司，陜西 渭南 714000）

1 工程概述

項目場地位于西安市臨潼區秦唐大道和西關正街十字，整體呈三角形，地處臨潼西大門入口位置，距秦風唐韻牌坊300 m，距華清池1 200 m，屬于名勝風景區，觀賞人數多。雕塑矗立于三角地帶，視野開闊、宏偉氣派，是如今進入臨潼城區的一大特色標志。秦統一雕塑廣場作為市民休閑健身的常去之處，為充分發揮地理環境優勢，進一步提升整段街區的區位環境，現進行整治改造工作，需要將其整體重新設計，并西移約50 m。

作為大型石刻群雕，其平面設計大體呈三角形，南北軸線32 m，東西軸線22 m，主體高12 m，周長約100 m，兩翼人物高約6 m，共出現24個人物和12匹馬，全部采用紅色花崗巖石雕刻和拼砌完成。本雕塑群共用到石料1 209塊，總重量為1 500 t。秦統一雕塑群歷史意義重大。

由于整座雕塑通過上千塊巖石拼砌而成，整體改造方案采取的拆除改造工作中，為充分了解施工前后雕塑建筑結構，確保施工的準確性，需要精確測量出每塊雕刻巖石的空間位置坐標，便于后期恢復原貌。考慮到其測量數據的復用性及異形雕塑的復雜性，通過三維激光掃描加近景攝影測量的方式展開工作，測量工作是項目的第一步工藝，測量數據的應用貫穿于整個遷移改造工程，因此測量方法直接決定整個遷移改造工程的質量。本文對測量方法和測量步驟做了重點論述，同時對測量數據在整個遷移改造中的具體應用做了說明。

2 遷移改造總體方案

2.1 總體方案

遷移改造總體方案具體工序流程：原有秦統一群雕塑三維建模、石材編號—原雕塑石材拆除—新建雕塑基坑開挖地基處理—新建雕塑基礎筏板施工—新建雕塑內部主體結構鋼筋混凝土施工—雕塑石材測量定位、放線—石材拼裝—雕塑石材拼裝縫修整—石材打磨修補清洗—竣工驗收。其中，測量貫穿于整個工程中，尤為重要。

2.2 工藝流程中需要注意其他事項

遷移改造工程涉及面多，在整體中有兩個需要特別注意的事項。

第一，原雕塑石材拆除：主要采用人工配合機械方法拆除，從最上層石材平面開始，先鑿除石材間連接縫隙黏結劑，再用風鎬從縫隙進行震動，使石材松動后，掛吊裝帶，用吊車將石材吊裝出來，安全吊至地面。在地面作業區，采用叉車按照分層運輸的規則運送至指定地點分層歸類堆放，避免出現層數石塊混淆。需要按層數分類單獨堆放，一層歸一個位置，并派專人負責。

第二，新建雕塑基坑開挖、地基處理：按照設計挪移位置，采用全站儀進行基坑放線，使用挖掘機與自卸汽車相配合進行土方開挖，再將所有土方運輸到環保地點，并加上綠色防護層覆蓋，避免因風吹污染環境。當開挖到基底時，為了保護原土，需要停止機械作業，采用人工使用鐵鍬清理的方式。開挖完成后，由專業工程師進行檢測實驗，實驗合格，報備完成，滿足要求后，按設計圖紙要求進行地基處理施工。

3 測量需要的軟硬件設備

測量工作由專業的測量團隊完成，其中用到的先進的軟硬件設備如下。

硬件設備有一臺Faro三維激光掃描儀、一臺“大疆”精靈四RTK無人機、若干臺GPS-RTK測量儀、若干臺高性能電腦。軟件設備有TrimbleRealworks點云后處理軟件、CAD、3Dmax、Sketchup、ContextCapture傾斜實景三維軟件。利用這些軟件和硬件設備，將三維空間數據及實景模型結合后，不僅對目標物的變形有一個直觀且全面的認識，還可以將其變形結果和趨勢與監測點之間進行對應，提高監測的關聯性與整體性，使監測結果更加立體和直觀［1］。

4 測量整體方案

4.1 準備工作

項目組在工程測量前做了充分的前期準備工作，這些準備工作讓測量組得到的建筑物數據更加完整，為后續繪制圖形和建模做了重要鋪墊。準備工作主要包括現場踏勘、控制網布設、掃描點布設、標靶布設、繪制草圖等。做好這些準備工作，能夠降低掃描誤差、避免數據遺漏，提高數據的精準度和全面性，確保采集點排列結構的合理性，提高數據采集的真實性和可靠性等。

4.2 點云數據采集

本雕塑群數據掃描采集范圍包括雕塑內部掃描、雕塑外部掃描。外部數據具體收集的數據包括石材間基座及每層的輪廓線。

4.3 點云數據處理

采集數據最終目的是為了建立模型，在建立模型前，必須對前期采集的數據進行一系列的處理。未經過軟件處理的原始點云數據的排列是無規則、零星、散亂及無序的，無法直接利用這些原始數據繪制草圖和建模，只有利用軟件經過點云處理的操作后，才能將數據規則化、秩序化。這些進一步得到的數據就可以直接導入Cad軟件中進行繪圖、導入3DMax軟件中進行建模處理。點云數據處理主要包括點云拼接、點云合并和點云降噪等［2］。

4.3.1 點云拼接

處理過程中，對各站點云進行拼接，站點間的拼接精度要根據設置的要求達到某個數值。外業掃描得到的點云數據在導入軟件之后，要進行群雕塑石塊采集數據的拼接工作，把多個站點掃描得到的點云數據根據軟件操作轉化到同一個坐標系空間中，簡化計算模式。采用公共重疊區域的點云數據在完成拼接操作這一過程后，就會將原來雜亂的數據去掉，形成一個新的數據整體。本雕塑群結構內外結構復雜，因此獲取的點云數據量非常大，合并施工前后兩期的點云數據的文件內存約48.3 GB。為了提高工作效率，快速啟動軟件、快速瀏覽和處理數據，測量項目組配置了專用的高配置的計算器材。

4.3.2 點云合并

相鄰兩站間有10%以上的重疊區，點云合并可以保證結構不變的情況下，有效地減少數據量。經過點云拼接裁剪，各點云統一到同一個坐標系下，然后把多片點云合并到同一塊點云，同時去掉兩塊點云之間重疊的冗余點，然后生成新的多邊形計算機模型［3］。

4.3.3 點云降噪

在使用軟件處理數據的過程中，點云降噪非常重要，也是必不可少的過程。在掃描過程中，所獲取到的點云數據成為原始數據，這些采集到的數據都會受到周圍環境的干擾，并且這些干擾是環境因素，是不可避免的。這些因素包括主要建筑物表面的光照影響、移動的行人、測量角度、綠化樹木的遮擋、臨時搭設的鋼管腳手架、施工設備等。這些噪聲主要分為兩種：一種是大范圍噪聲點云，另一種是零散噪聲點云。在Trimble Realworks軟件中，大范圍噪聲點云是能夠簡單識別出來的，這些大范圍噪聲點云采取的是人工刪除方法，在軟件直接人工刪除這些數據即可。本款軟件具有高度的自動識別數據功能，剩余零散的噪聲點云可以通過軟件自動識別的方法刪除凈化。刪除凈化完全部的噪聲點，從不同角度對數據進行了處理，提高了點云質量，在保證點云數據的真實性和完整性的前提下，得到了高清晰度的點云數據，為后續建模打下了基礎。經過一系列處理后，得到雕塑拆除中數字三維點云如圖1所示。

圖1 雕塑拆除中數字三維點云

4.4 點云建模

在本遷移改造工程中，用到的建模軟件是3DMax。最先采集的數據已經經過Trimble Realworks軟件點云拼接、點云合并和降噪處理，這些經過Trimble Realworks軟件處理的數據量非常大的云數據，一起導入電腦軟件3DMax當中進行建模。雕塑群由上千塊石材組成，外觀形狀極其復雜，造成建筑物的表面凸凹不平。雕塑群有的高，有的低，高度數值不在一個簡單的水平面上，數據隨著每一層的實際高度不斷變化。在施工方案中，需要隨時體現內、外部和不同時期的施工數據等。雕塑點云縱剖展示如圖2所示。

圖2 雕塑點云縱剖展示

5 工程測量數據的應用

工程測量數據應用于整個遷移改造工程。

5.1 測量數據在石材拼接前的應用

為保持挪移后的雕塑保持原狀，雕塑拆除前，先聯系專業測繪公司對原雕塑外輪廓進行掃描，建立三維模型，確定每塊石材的空間位置，以便在新地點能夠原狀復位。建模完成后，對石材進行編號，確定每塊石材的層數和在該層的位置，用油漆噴涂在石材上，以便安裝時尋找。

在新雕塑重建前，確保第一層石材位置正確是雕塑石材安裝能否保持原貌的關鍵，因此先按三維建模數據由測繪單位放出關鍵控制點，再將在原雕塑底層石材外輪廓處制作的石膏模型按主要控制點擺放出來，與測繪點對比，沒有偏差時用油漆繪出外輪廓線，作為底層石材安裝的控制線。

5.2 測量數據在石材拼接中的應用

每層雕塑石材全部拼裝完成后，由測繪單位按建模數據對雕塑外輪廓進行復測，不滿足要求的石材繼續進行調整，全部滿足要求后，用鋼筋將石材背面的對拉螺栓與主體剪力墻預留的鋼筋焊接牢固，保證石材不移位。這些工作為后續的工程維護提供了便利。

5.3 測量數據在石材拼接后的應用

為了加強群雕塑的牢固性，從兩個方面進行了工藝設計。一方面，在每層雕塑石材拼裝完成后，按建模數據對雕塑外輪廓進行復測，不滿足要求的石材繼續進行調整，再采用鋼筋將石材背面的對拉螺栓與主體剪力墻預留的鋼筋焊接牢固，保證石材不移位。另一方面，對雕塑石材與主體混凝土澆筑后留下的空腔進行填充。使用符合設計強度要求的混凝土對石材空腔進行填充，填充混凝土施工時要分層進行，分層原則為按照原有群雕塑石材的層次，分層數據已經提前測量。這樣能夠有效防止石材移位，在保證石材安全的同時也為后期的維護提供了便利。

秦統一雕塑的石材在整體拼接后要進行拼縫修整、除去多余的石材，然后使用精密儀器進行打磨和清洗。整個雕塑拼裝完成后，使用結構膠對石材的拼裝縫進行修整，結構膠是在石材運輸過程中安排專業工程師進行調配的，配置原則為與原有石材顏色保持一致。龐大的雕塑群常年暴露在外，石材因為日光的照射、風吹雨打、空氣對流等因素的影響，外觀顏色并不均勻，因此結構膠的顏色需根據石材的顏色做若干種色號調配。在施工收尾階段，做好拼裝縫的防水處理，對安裝轉運中出現的碰撞空隙用修補膠進行填充處理，確保與石材顏色完全一致。全部工作完成后，需要用高壓水對雕塑進行全面沖洗，沖洗遍數不少于3次，以達到石材表面浮灰、污染沖洗干凈，石材顯示出本身顏色報有關部門專業人員驗收合格即可。

6 結語

本次項目遷移后順利驗收合格，雕塑群遷移改造后大大改善西安市整體面貌，提升了西安市城市品位和城市承載力，進一步提升整段街區的區位環境，為當地居民創造了便利，受到廣大市民的好評，也為西安市的旅游服務提供了便利。該遷移工程的測量方法大大提高了工作效率和質量，對其他雕塑遷移工程能夠起到很好的借鑒作用。