三維激光掃描在某歷保建筑結構測繪中的應用探討

2023-09-14 02:41:24李承銘

水利與建筑工程學報 2023年4期

楊敏,方林,李承銘

(華東建筑設計研究院有限公司,上海 200041)

歷史建筑沉淀了一個地方發展的人文和底蘊,記錄了一個城市的歷史和文化,訴說著城市的演變和新生。近年來,全國各個城市全力推動歷史建筑保護修繕,“一房一冊”、“歷保建筑甄別”等先驅工作已全面鋪開[1],接下來將陸續對建筑物進行進一步檢測評估,旨在為后續的改造修繕提供依據。

歷史建筑檢測的主要內容包括:建筑使用歷史沿革及修繕改造歷史調查、建筑結構圖紙測繪、材料強度測試、損傷情況調查、傾斜變形及沉降測量、結構計算和安全性評定、檢測結論及后續修繕建議等[2]。由于歷史保護建筑具有時間跨度大、形式復雜、改搭建普遍的特點[3],因此結構測繪成為檢測中難度最大也最為繁瑣的工作內容,其準確性是整個檢測評估的全過程的重點。

三維激光掃描技術是目前較為前沿的新型測繪技術,和傳統的單點測量相比,可以在短時間內采集百萬級的三維坐標數據,形成影像級的點云模型?；邳c云數據,可以快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖關鍵數據,已經在工程設計、數字城市、文物保護、土方工程等領域起到關鍵性應用[4]。在歷保房屋檢測方面,目前多用于建筑測繪,而結構測繪則需要更為專業的結構知識和經驗儲備,融合三維測繪技術進行成果的分析運用,繼而為結構鑒定提供可靠依據。

本文以上海某區級歷史保護建筑為例,詳細闡述采用三維激光掃描技術在歷保建筑結構測繪中的技術應用及過程方法,提出針對復雜屋架多方交匯擱置的情景,采用點云數據進行可視化反映,能更為準確地對其進行受力分析及評估,上述研究可為今后同類的檢測項目提供參考借鑒。

1 項目概況

案例歷史保護建筑為一棟2層磚木結構房屋,建于1889年,建筑平面呈不規則布局,東西方向外墻總長分別長約16.60 m和20.91 m,南北方向外墻輪廓線分別長約15.93 m和18.77 m,總建筑面積約603.6 m2。房屋主要由主樓和南北2個配樓組成,均為2層,主樓的底層層高約為3.950 m,二層層高約為7.000 m;南側配樓的底層層高約為2.850 m,二層層高約為4.830 m;北側配樓的底層層高約為3.200 m,二層層高約為5.640 m;房屋總高約為10.960 m。房屋曾作為巡捕房使用,后作為消防局辦公場所,現已空置。

采用三維激光掃描技術,經現場踏勘后預先設計掃描路線,對房屋室內外進行全面掃描,本次采用重合率拼接的方式,上部屋面數據通過西側5層住宅樓的陽臺進行數據采集,共布置81個測站點,經過拼接、去噪、抽稀、校核等處理工作后,獲取建筑三維點云模型[5]。通過點云模型首先在建筑方面將平、立、剖描繪出來,其中包括重點保護部位,如門頭、雕花、木飾、壁爐、線腳等。隨后轉為結構部分,將其應用分為結構平面布置測繪和復雜屋架布置測繪兩部分。房屋現狀及三維點云模型見圖1所示。

圖1 房屋現狀及三維點云模型

2 結構平面布置測繪

歷史保護建筑結構平面布置是結構測繪的重點和難點之一,其主要內容是準確的對承重砌體進行平面布置,對砌體墻厚進行測量及判斷。在實際項目中,該類型建筑的墻體厚度不像普通的框架、磚混或砌體等結構體系一樣,對內外墻的厚度設置有一個基本統一的規律可循,而面臨的是半磚、一磚、一磚半、兩磚墻體的復雜切換。此外,大部分歷保建筑由于年代久遠,多多少少會經歷一些改建、搭建,原結構和搭建結構的混合也會給結構測繪帶來不少麻煩[6],因此對結構測繪人員的經驗和細致程度要求較高。

2.1 結構外圍輪廓確定

許多歷保建筑的外圍輪廓,看似平平無奇,實則暗藏玄機,尤其是一些里弄建筑,由于建筑屬長條形,且建筑群排布緊密,所以很容易認為這就是一個呈長方形的建筑體,實際在對大量歷保建筑的掃描數據進行切片后,都會發現他們許多都呈一個梯形或不規則[7],各邊墻存在一定的斜度,因此在結構圖繪制的最初,就應該對結構外圍輪廓有一個準確的判斷。在案例項目中,基于房屋整體點云模型,選擇一個數據較為完整的樓層將平面進行切片后,發現僅僅存在一些墻體的斜度,因此在后續軸線的排布及墻體布置中,將視斜度的大小進行適當調整,以保證外圍輪廓的準確性,該步驟與后期的平、立面測繪圖對齊統一工作也有很大的關聯性。

2.2 砌體結構層厚度確定

由于房屋一層多側存在外部搭建使得部分外墻點云數據有所缺失,故將房屋二層點云進行平面切片,見圖2所示,導入CAD軟件進行細致描繪后,首先結合上下層數據將矢量墻線進行補齊。在材料強度檢測中,兩層共布置10個測試構件,實測這10個構件的磚截面和粉刷層厚度,將青磚材料的標準截面定為250 mm×130 mm×45 mm[8],即結構層半磚厚度125 mm、一磚厚度250 mm、一磚半厚度375 mm、二磚厚度500 mm,借鑒已開鑿的粉刷層的實測厚度假定其余未開鑿的墻體單側粉刷層為25 mm。隨后在描繪的平面圖中逐一對墻體進行編號,外墻及內墻代號分別設置為WQ、NQ,見圖3所示,并量取其切片厚度,根據每段墻體的雙側粉刷層設置情況,合理的進行扣除,最終向擬定的標準磚結構層厚度靠攏,將上述數據進行統計,見表1所示,匯總表顯示的結構層厚度與標準磚厚度均較為接近,認為結果是可靠合理的。以上述方法進行墻體結構層厚度的推定中,如遇到某墻體與標準尺寸差距較大的情況,應該進行現場復核。

圖2 二層平面點云切片

圖3 墻體編號示意圖

2.3 輔助承重構件調查

由于案例建筑一層安裝吊頂,無法看到上部的結構構件布置,只有在查格柵樓板的時候,才會進行局部的調查。通過比對上下兩層的點云數據模型,可以大致的看到各樓層墻體的布局,由此發現有兩處二層的墻體在底層的部位沒有豎向承重構件,且2#部位二層的墻體點云切片厚度僅為120 mm,具體位置見圖4所示,故進行現場復核調查,打開吊頂后發現1#部位一層上部設置一根木梁作為水平支撐,而2#部位二層的墻體材質為硅酸鈣板,作為隔墻使用,因此該處一層上部確無承重構件。三維點云模型可以輔助結構測繪人員直觀的比對上下層同一位置的布局情況[9],對一些隱蔽的承重構件給出明確的“線索”信息,避免了調查遺漏的情況。

3 復雜屋架布置測繪

傳統測繪方式對屋架進行結構調查時,往往需要在許多房間對上部吊頂進行破壞性開鑿,通過鉆進吊頂內對屋架的形式進行手工測量和推敲,由于歷史保護建筑中吊頂的雕花也是其保護對象之一[10],因此采用上述方式可能會損壞保護部位,其次整個過程顯的十分繁瑣,而獲取的測繪成果準確度也比較粗略。案例建筑的二層層高為4.830 m～7.000 m,且統一布置整體吊頂,如按照傳統方式將面臨頻繁登高和大面積開鑿等問題[11]。

3.1 現場掃描方案

根據前期完成的建筑整體三維點云模型,將屋面數據進行單獨截取,如由于環境條件受限無法采集到屋面點云數據時,也可以采用無人機進行屋面情況的拍攝[12]。隨后對屋面布局進行大致的分析,布置測站的主要思路是以單個屋面為一個區域,選其屋脊線交會點下方附近進行布站,如區域內存在明顯的左右對稱關系,則可以適當的減少一側的布站。經分析后,將案例建筑的屋面布置5個測站,具體位置見圖5所示,在其上方進行局部的吊頂開洞,通過采用在方格形木龍骨上架設平板的方式,給三維掃描儀提供一個平衡的掃描環境[13],繼而進行三維數據采集。

圖5 屋面測站布置圖

3.2 點云數據轉化

將采集的點云數據進行拼接、去噪處理,獲得屋架的三維點云模型,見圖6所示?；邳c云模型,通過描繪將各個屋架的平面布置先確定下來,見圖7所示,隨后逐一將所有的屋架剖切出來,進行細致的詳圖繪制。過程中發現兩個問題:(1)零散搭設的小三角屋架的下弦基本都會呈一定坡度搭接到主屋架或外墻之上,如按照傳統結構測繪成果整理方式一般均會將屋架詳圖簡單的按照平直繪制處理。(2)由多個方向的屋架聚集擱置在主屋架同一個節點交匯處,且搭接關系較為復雜,在一般的結構測繪詳圖上往往難以表達。上述問題將對木屋架安全性評估的準確性帶來重大影響,如采用有限元分析軟件進行應力分析[14],那么結構測繪成果必須準確的反映現狀,否則計算結果將毫無意義。通過三維點云模型,可以大大提高復雜屋架結構測繪準確度,同時在復雜搭接關系的表達處理上,結合平面定位及三維節點近景數據模型在檢測報告中進行反映,以此提升屋架結構測繪成果的準確度,典型交匯節點見圖8所示。此外,如果在項目現場可以較為完整采集到整個屋架的三維點云數據時,則可以將處理后的點云模型直接導入逆向建模軟件中進行三維重構[15],將點云模型面片化之后,再轉換合適的格式導入計算軟件中進行分析。