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        三維激光掃描技術(shù)在舊房改造設(shè)計(jì)中應(yīng)用
        ——以琿春陽光小區(qū)為例

        2020-09-30 02:31:10劉翰霖劉永吉
        福建建筑 2020年9期
        關(guān)鍵詞:舊房全站儀工程量

        劉翰霖 林 楠 劉永吉

        (吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130118)

        0 引言

        三維激光掃描儀是近年來新興發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù),具有著快速、精準(zhǔn)、方便、非接觸的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得其可以有效解決采集數(shù)字化信息的難題。相較于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量技術(shù),三維激光掃描技術(shù)能連續(xù)自動(dòng)地獲取批量數(shù)據(jù),提高了測(cè)量的精度與速度。這些優(yōu)勢(shì)使其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,包括地形測(cè)量,古建筑結(jié)構(gòu)測(cè)量,變形監(jiān)測(cè),游戲場(chǎng)景制作,文物保護(hù),電影特技等,是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)繪領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

        基于此,本文首先闡述了三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)來源,然后以琿春陽光小區(qū)為案例,論述其在舊房改造設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

        1 數(shù)據(jù)來源

        1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

        通過查閱相關(guān)資料,獲取德國(guó)Z+F IMAGER 5010C型號(hào)儀器操作方法,進(jìn)行實(shí)地踏勘前結(jié)合琿春陽光小區(qū)周邊情況制定合理的布設(shè)方案,如圖1所示。三維激光掃描儀可通過掃描已知坐標(biāo)的2個(gè)或2個(gè)以上標(biāo)靶球進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換自由設(shè)站,也可以在已知控制點(diǎn)上置鏡掃描另外一個(gè)已知控制點(diǎn)上球棱鏡進(jìn)行已知點(diǎn)設(shè)站[1]。

        圖1 掃描路線示意圖

        傳統(tǒng)測(cè)量方式一般采取單點(diǎn)測(cè)量方式,而三維激光掃描技術(shù)利用的則是從水平至垂直的步進(jìn)式全自動(dòng)360°掃描測(cè)量[2]。在進(jìn)行三維激光掃描時(shí),對(duì)樓房掃描數(shù)據(jù)精度影響較大的是它的入射角,當(dāng)入射角超過60°時(shí)掃描數(shù)據(jù)誤差會(huì)急劇增加[3]。數(shù)據(jù)采集可根據(jù)入射角及樓房長(zhǎng)度和寬度來確定最大測(cè)站間距選擇設(shè)站位置、設(shè)站方式,在設(shè)置好掃描范圍、掃描質(zhì)量、掃描分辨率以及拍照參數(shù)后然后進(jìn)行自動(dòng)掃描。

        1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

        1.2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

        點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理一般分為4個(gè)部分,其包含有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換[4]。

        在應(yīng)用地面三維激光掃描儀進(jìn)行實(shí)際掃描時(shí),會(huì)受到人為的或其他因素的影響,點(diǎn)云數(shù)據(jù)中或多或少混入了噪聲點(diǎn),根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及文獻(xiàn)記載證明,掃描所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi),大約存在0.1%~5%的噪聲數(shù)據(jù)是需要清除,所以在使用這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前,必須要去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所混入的噪聲。去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

        圖2 去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

        根據(jù)噪聲數(shù)據(jù)的高頻率特性,通過設(shè)計(jì)合適的濾波函數(shù),對(duì)高頻噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。平滑濾波一直是常用的有序點(diǎn)云去噪方法?,F(xiàn)階段數(shù)據(jù)平滑通常采用高斯、平均、和中值濾波算法,如圖3所示。

        圖3 三種常見的濾波效果

        點(diǎn)云抽稀是在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和濾波處理之后所必需進(jìn)行的操作。通過三維激光掃描儀所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量的,實(shí)施多期數(shù)據(jù)的拼接會(huì)出現(xiàn)很多重疊的區(qū)域,而且重疊面積比較廣。這些重疊區(qū)域在后續(xù)的建模中會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)潔性和實(shí)用性,如圖4所示。

        圖4 抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

        所謂的點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換,是指為了將處理好的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入到建模軟件中經(jīng)歷的必不可少的一個(gè)步驟。輸出的點(diǎn)云文件格式一般為.asc文件,需要將其改為.xyz格式文件,然后導(dǎo)入Autodesk recap 2016,轉(zhuǎn)換為Revit可以使用的兩種點(diǎn)云格式(rcp格式和rcs格式)。

        1.2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)定

        為了分析拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)的總體精度,利用高精度Lecia TS30全站儀選取建筑物特征點(diǎn)和特征邊,利用極坐標(biāo)測(cè)量和對(duì)邊測(cè)量的方法,進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)測(cè)量和邊長(zhǎng)測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果作為真值檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

        (1)坐標(biāo)檢查

        設(shè)某一特征點(diǎn)的全站儀測(cè)量坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0),基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量取的特征點(diǎn)的坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1),則:

        本次試驗(yàn)共選擇了20個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行檢核,觀測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示,計(jì)算點(diǎn)位中誤差為±0.0239m。

        表1 特征點(diǎn)坐標(biāo)與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比表 m

        (2)邊長(zhǎng)檢查

        基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量取10條特征邊長(zhǎng),與全站儀實(shí)際量取值進(jìn)行對(duì)比分析,如圖5所示。通過數(shù)據(jù)比對(duì)計(jì)算所量取特征邊的中誤差為±0.0184m(表2)。

        圖5 數(shù)據(jù)對(duì)比柱狀圖

        表2 特征邊長(zhǎng)與全站儀實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)對(duì)比表 m

        從特征點(diǎn)和特征邊的檢查分析結(jié)果可以看出,掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較高,與高精度全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比,誤差均在±5cm范圍,該精度完全可以滿足三維模型建立。

        2 研究過程

        基于加大住房保障,中央政府高度重視棚戶區(qū)改造,全國(guó)各地面對(duì)繁重的改造任務(wù),普遍面臨的難題是資金短缺,影響項(xiàng)目推進(jìn)[1]。在有限的資金和時(shí)間的影響下,傳統(tǒng)的GPS RTK和全站儀等二維測(cè)量技術(shù)已無法滿足現(xiàn)實(shí)中施工效率的需要,因此該改造將三維激光技術(shù)引入具體施工中,充分發(fā)揮目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出的快速、連續(xù)、自動(dòng)等特點(diǎn),整合多種傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù),并將其一體化,以快速獲取目標(biāo)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

        2.1 模型重構(gòu)

        琿春陽光小區(qū)共有8幢樓,8幢樓設(shè)計(jì)一致,所以只需對(duì)其中一幢樓進(jìn)行建模即可。每一幢樓長(zhǎng)約65m,寬約13m,占地面積近900m2。

        模型重構(gòu)共分為7步,分別為點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、創(chuàng)建標(biāo)高和軸網(wǎng)、創(chuàng)建墻族、創(chuàng)建門族和窗族、創(chuàng)建樓板、創(chuàng)建樓梯以及創(chuàng)建屋頂。經(jīng)過對(duì)琿春陽光小區(qū)的模型重構(gòu),可以得到其立體三維模型,并以立面圖形式觀察模型姿態(tài)(圖6),與外業(yè)實(shí)體觀測(cè)照片進(jìn)行比對(duì),檢驗(yàn)其合理性和真實(shí)性。

        圖6 琿春市舊房三維模型各立面圖

        2.2 工程量統(tǒng)計(jì)

        在CAD時(shí)代,CAD軟件是無法自動(dòng)計(jì)算工程量的。工程量的統(tǒng)計(jì)有兩種方法:一種方法是需要造價(jià)預(yù)算人員根據(jù)圖紙或CAD文件進(jìn)行手工計(jì)算。這樣既消耗大量的人力和時(shí)間,而且容易出現(xiàn)算量誤差。第二種方法是根據(jù)施工圖紙或CAD文件利用專門的工程算量軟件重新建模,再由計(jì)算機(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量,如廣聯(lián)達(dá)軟件、神機(jī)妙算軟件等,但是也同樣需要不斷更新模型信息,才能獲得有效的工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

        而Revit軟件包含了建筑項(xiàng)目各種構(gòu)件的真實(shí)工程量信息,使計(jì)算機(jī)可以快速地統(tǒng)計(jì)和分析工程量,并且減少了復(fù)雜的人工計(jì)算和潛在的錯(cuò)誤。同時(shí),軟件具有“一處修改、處處更新”的功能,這樣就容易使工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)方案的一致。

        琿春舊房改造項(xiàng)目從結(jié)構(gòu)、建筑模型的建立開始,就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)外墻、門窗、樓梯等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)。在進(jìn)行舊房建模時(shí)就按照各構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行1∶1建模,以便在進(jìn)行預(yù)算工程量統(tǒng)計(jì)時(shí)快速有效地按功能類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì),減輕了造價(jià)預(yù)算人員在繁瑣的圖紙算量中耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力,從而更合理地分析材料的損耗情況和實(shí)際成本使用情況,并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算出模板需求量,使該項(xiàng)目造價(jià)預(yù)算人員可以更好地監(jiān)控施工班組的實(shí)際材料及損耗數(shù)量、詢價(jià)以及評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等工作。

        表3 原外墻面積統(tǒng)計(jì)表 m2

        改造完成后,實(shí)際工程量與原清單工程量對(duì)比,如表4所示。各項(xiàng)差值不大,符合項(xiàng)目要求,達(dá)到了預(yù)算的目的,圓滿完成了工程量預(yù)算的任務(wù)。

        表4 工程量對(duì)比清單

        3 結(jié)語

        作為一種新型工程量統(tǒng)計(jì)方法,基于Revit三維建模的工程量統(tǒng)計(jì),不僅可以提高統(tǒng)計(jì)的精度和效率,增加可視化效果,而且通過構(gòu)建的三維模型,可以及時(shí)地掌握舊房每一個(gè)位置的集體情況,為現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外,因測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地狹小,建筑材料使用量大,材料堆放場(chǎng)地緊張的實(shí)際情況,利用模型軟件在模型中提取材料信息,結(jié)合總體施工計(jì)劃,統(tǒng)計(jì)出每個(gè)施工階段所需的各類材料使用量,在滿足施工工期節(jié)點(diǎn)任務(wù)的基礎(chǔ)上,編制出各施工階段所需材料的進(jìn)場(chǎng)計(jì)劃,根據(jù)計(jì)劃提前做好材料的準(zhǔn)備工作,及時(shí)組織材料進(jìn)場(chǎng),不僅緩解了現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小帶來的巨大壓力,也減少了材料在現(xiàn)場(chǎng)堆放過程中因儲(chǔ)存或防護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生的損壞和失竊,可靠保證材料一次性到位,減少了材料的二次搬運(yùn)等問題,進(jìn)而達(dá)到了保證工程質(zhì)量、節(jié)約材料和加快施工進(jìn)度的目的。

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