曾維強(qiáng)，潘 峰，石雨恒

（上海建工五建集團(tuán)有限公司，上海 200063）

1 工程概況

相輝堂位于復(fù)旦大學(xué)邯鄲校區(qū)，屬于上海市第四批優(yōu)秀歷史建筑，同時(shí)也是上海市楊浦區(qū)區(qū)級(jí)文物保護(hù)單位和代表復(fù)旦大學(xué)精神文化的標(biāo)志性建筑。為了更新提升相輝堂建筑功能，項(xiàng)目先后分別對(duì)現(xiàn)有的相輝堂南堂進(jìn)行加固修繕和在緊鄰相輝堂南堂北側(cè)擴(kuò)建一個(gè)新北堂。相輝堂南堂主體為混凝土框排架結(jié)構(gòu)，屋面采用三角形木屋架和不上人的四坡青瓦屋面，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。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(wèi)生間以及設(shè)備用房，2 F 主要布置禮堂和舞臺(tái)，建筑面積約為1777 m2。緊鄰南堂北側(cè)擴(kuò)建的新北堂是一個(gè)含有地下室的多功能劇場(chǎng)，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為3270 m2。

2 工程特點(diǎn)

復(fù)旦大學(xué)相輝堂改擴(kuò)建修繕項(xiàng)目存在兩方面難點(diǎn)。一方面，由于相輝堂歷史悠久，南堂設(shè)計(jì)資料存在缺失或不準(zhǔn)確的問題，難以獲取完整、精確的南堂建筑結(jié)構(gòu)尺寸，但這恰是加固修繕設(shè)計(jì)和施工的必備條件。另一方面，為了使擴(kuò)建的新北堂建筑設(shè)計(jì)滿足對(duì)環(huán)境的協(xié)調(diào)性以及減小新北堂擴(kuò)建施工對(duì)原有建筑的影響，需要精確獲取原有建筑的結(jié)構(gòu)和環(huán)境信息，以便于計(jì)算分析。因此，如何快速、精確地獲取相輝堂原有建筑結(jié)構(gòu)和環(huán)境的三維數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)是本工程項(xiàng)目的關(guān)鍵。針對(duì)這一問題，本項(xiàng)目創(chuàng)建了基于三維掃描的歷史保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)及環(huán)境模型快速重構(gòu)技術(shù)[1]。

3 建筑結(jié)構(gòu)及環(huán)境模型快速重構(gòu)技術(shù)

3.1 技術(shù)步驟

針對(duì)相輝堂原有建筑復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和環(huán)境場(chǎng)景，開展建筑結(jié)構(gòu)及環(huán)境模型的快速重構(gòu)，實(shí)施步驟依次為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目采用 Z+F Imager5010三維激光掃描儀先后對(duì)相輝堂原有建筑的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，對(duì)于掃描儀無法掃描到的外部結(jié)構(gòu)（如屋頂?shù)龋┖铜h(huán)境場(chǎng)景采用無人機(jī)航拍攝影系統(tǒng)進(jìn)行掃描。對(duì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描時(shí)，先對(duì)內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行全景精細(xì)掃描，再對(duì)局部進(jìn)行高精度掃描。整個(gè)掃描過程中，在建筑出入口處建立外部掃描數(shù)據(jù)和內(nèi)部掃描數(shù)據(jù)的連接測(cè)站，以確保掃描數(shù)據(jù)的完整性[2]。

三維掃描采用無標(biāo)靶配準(zhǔn)模式，掃描測(cè)站間距＜15 m，建筑內(nèi)外共布設(shè)測(cè)站52個(gè)，三維掃描作業(yè)圖如圖1所示。無人機(jī)航拍攝影系統(tǒng)掃描流程包括范圍確定、測(cè)區(qū)劃分、無人機(jī)傾斜測(cè)量、像控測(cè)量等步驟。

圖1 三維掃描作業(yè)

3.1.2 數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目分別采用了 Z+F Laser Control、JRC 3D ReconstructorRevit 和 Geomagic Control 等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云拼接、屋頂及周圍環(huán)境攝影照片數(shù)據(jù)處理、數(shù)字模型初步建立、結(jié)構(gòu)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(jī)航拍攝影模型

3.1.3 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)對(duì)象及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。三維模型重構(gòu)的主要流程可以概括為以下3個(gè)步驟[3]。

表1 模型重構(gòu)對(duì)象及標(biāo)準(zhǔn)

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

（2）根據(jù)點(diǎn)云模型對(duì) BIM 初步模型進(jìn)行修正更新，精確復(fù)原建筑原貌，如圖 3（b）所示。

圖3 三維模型重構(gòu)主要流程

（3）將更新之后的 BIM 模型與點(diǎn)云模型進(jìn)行融合。融合后的模型可以用來輔助現(xiàn)狀調(diào)查、預(yù)覽完成后的建筑與周邊環(huán)境、記錄建筑歷史原貌、輔助場(chǎng)地安排布置和記錄施工狀態(tài)等。

3.2 技術(shù)應(yīng)用

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)模型和 BIM 模型，創(chuàng)建了高精度、精細(xì)化的三維重構(gòu)模型，開發(fā)了 BIM 項(xiàng)目集成交付平臺(tái)。通過平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)建造全過程的協(xié)同管理，包括模型管理、文件管理和任務(wù)管理等，有效提高了信息化管理水平，為本項(xiàng)目相輝堂原有建筑加固修繕和新北堂擴(kuò)建改造提供了技術(shù)保障。

3.2.1 加固修繕

精確的三維重構(gòu)模型為加固修繕設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)條件。三維重構(gòu)模型在加固修繕中的應(yīng)用包括拆除、梁柱結(jié)構(gòu)加固、修復(fù)與新建、結(jié)構(gòu)框架加固、門窗修復(fù)與復(fù)原等。通過 BIM 模型與點(diǎn)云模型的對(duì)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(shí)期三維掃描結(jié)果的對(duì)比，為相輝堂加固修繕過程的風(fēng)險(xiǎn)控制提供評(píng)估數(shù)據(jù)，保證了施工過程中既有建筑的安全。

3.2.2 擴(kuò)建改造

三維重構(gòu)模型在擴(kuò)建改造中的應(yīng)用如圖4所示。在相輝堂原有建筑精確的結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析，能夠有效地減小新北堂擴(kuò)建過程中對(duì)原有建筑的影響，使得相輝堂原有建筑能充分合理地應(yīng)對(duì)外部擴(kuò)建施工帶來的不利因素，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建過程中對(duì)全局的把控。

圖4 三維重構(gòu)模型在擴(kuò)建改造中的應(yīng)用

4 結(jié)語

以復(fù)旦大學(xué)相輝堂改擴(kuò)建修繕項(xiàng)目為背景，針對(duì)歷史保護(hù)建筑原始數(shù)據(jù)勘測(cè)難、效率低和精度不高的現(xiàn)狀，創(chuàng)建了基于三維掃描的歷史保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)及環(huán)境模型快速重構(gòu)技術(shù)。首先介紹了建筑結(jié)構(gòu)及環(huán)境模型快速重構(gòu)技術(shù)的實(shí)施步驟，再闡述了該技術(shù)在原有建筑加固修繕和擴(kuò)建改造中的應(yīng)用，進(jìn)而表明這一技術(shù)能很好的應(yīng)用于歷史保護(hù)建筑的修繕復(fù)原設(shè)計(jì)、施工和交付工作，具有較好的工程價(jià)值。