史 琦 王永生 王 賀

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

主題樂園在規(guī)劃時，會設(shè)計一些較大型的構(gòu)筑物來滿足創(chuàng)意需求，這些構(gòu)筑物沒有實際的使用功能，主要是通過外形來模擬山峰、湖泊、動植物等。假山的運用是主題樂園場景營造最為常用的一種手段，主題樂園假山往往具有規(guī)模宏大、造型奇特的特點。為了逼真地還原電影大片中的場景，假山的建造必須要完美呈現(xiàn)創(chuàng)意設(shè)想，而二維圖紙無法準(zhǔn)確傳達(dá)出設(shè)計師的創(chuàng)意效果，無法體現(xiàn)出三維的空間位置關(guān)系，使假山的施工難度變得十分巨大[1]。

北京某主題樂園，采用三維掃描與逆向建模技術(shù)，應(yīng)用于塑石假山的建造過程之中，解決了設(shè)計意圖到工程實體的轉(zhuǎn)化問題，實現(xiàn)了主題樂園場景營造的精益建造。

1 技術(shù)原理與技術(shù)路線

1.1 三維掃描與逆向建模原理

三維激光掃描技術(shù)，是一種非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點云的技術(shù)，它主要利用向被測對象發(fā)射激光后獲取被測對象反射回來的信號來獲取被測物體表面的空間信息。三維激光掃描技術(shù)精度高、數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)字化程度高，可快速獲取一些大型非規(guī)則構(gòu)筑物的信息[2-3]。而逆向建模技術(shù)是通過三維激光掃描，采集實體模型的三維信息數(shù)據(jù)，對三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)入相關(guān)專業(yè)的建模軟件中，根據(jù)處理后的點云數(shù)據(jù)對信息采集對象實體的三維特征進(jìn)行逆向重建，并以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列的應(yīng)用擴展的過程[2-3]。對于塑石假山這種大型非規(guī)則構(gòu)筑物，利用三維掃描縮小的假山模型，可以得到能反映其外觀的海量點云數(shù)據(jù)，通過對點云數(shù)據(jù)的處理，得到三維模型。相較于反映設(shè)計意圖的二維圖紙，三維點云數(shù)據(jù)模型可以清晰而完整地反映出假山的造型情況。

1.2 技術(shù)路線

本文以北京某大型主題樂園塑石假山為研究對象，通過三維激光掃描縮小的假山模型，采集表面的點云數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ZBrush進(jìn)行局部處理，處理后導(dǎo)入Revit、3DS Max軟件進(jìn)行逆向建模設(shè)計，經(jīng)鋼筋網(wǎng)片切片設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等深化過程，指導(dǎo)假山建造施工。

2 實例應(yīng)用

2.1 北京某主題樂園大型塑石假山概況

北京某主題樂園大型塑石假山是基于電影《侏羅紀(jì)公園》中群山環(huán)繞的場景，制作的假山造景。其山體高度約49.6 m、縱向投影長度約90 m、深度約50 m，表面積約為12 691.26 m2，總質(zhì)量約2 500 t，由3座山峰、3座瀑布，近9 400根鋼構(gòu)件組成。山體表皮采用鋼筋塑形網(wǎng)片＋主題立面雕刻（TCP）＋主題上色制作而成。不僅是樂園的最高建筑物，也是園區(qū)的主場景之一。

本工程采用三維掃描與逆向建模技術(shù)，根據(jù)業(yè)主的創(chuàng)意模型制作假山實體模型，對實體模型進(jìn)行3D掃描，采集假山表面的點云數(shù)據(jù)，利用Revit、Design-X、Rhino等軟件逆向建立數(shù)字模型，并進(jìn)行優(yōu)化整合，形成附有信息的數(shù)字三維模型，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，滿足工程需求。

2.2 制作縮小假山實體模型

根據(jù)外方創(chuàng)意團(tuán)隊的效果圖使用Sketchup創(chuàng)建假山空間模型，Sketchup模型應(yīng)包含假山的空間位置關(guān)系，根據(jù)假山的體積大小以及要求肌理的精細(xì)程度確定假山模型的比例為1∶25，1∶50或者1∶100。模型的制作一般需要以下幾個工序：打印等比例的軸網(wǎng)平面圖→搭設(shè)假山骨架→焊接假山表皮→油泥雕刻覆蓋→雕刻效果確認(rèn)→纖維增強復(fù)合材料（FRP）翻?！仙?。此階段要雕刻師與創(chuàng)意設(shè)計師經(jīng)過幾輪溝通，不斷調(diào)整假山表皮肌理與山形，使其完全符合原創(chuàng)設(shè)計理念。

2.3 三維掃描與數(shù)據(jù)采集處理

假山模型制作完成后，在假山表皮與四周粘貼若干個傳感器原件，本項目采用FARO Focus Laser Scanner系列激光掃描儀對假山模型進(jìn)行三維掃描，記錄假山表面點的三維坐標(biāo)、反射率、紋理等信息，獲取假山的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，快速復(fù)建出假山的三維模型。

三維掃描與數(shù)據(jù)采集工序為：信息采集→信息記錄→泛化→信息融合→模型優(yōu)化。采集過程需從各種角度、分多個階段實施，以確保所有相關(guān)細(xì)節(jié)信息都能被捕獲。在掃描時，一般先掃描一個較大的范圍，爭取使掃描范圍內(nèi)有盡可能多的傳感器元件，然后在較大的范圍內(nèi)，針對反射片的具體位置重復(fù)進(jìn)行多次掃描，以得到精確的三維坐標(biāo)。從各個采集階段獲取的數(shù)據(jù)集會在一致的參考幀內(nèi)被參考和校準(zhǔn)，在測量值集之間建立聯(lián)系，有助于將測量值融入緊密結(jié)合的模型中。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可以實現(xiàn)在數(shù)據(jù)點之間表面外插或填充，來自多個階段的測量值將被組合成單個物體。將采集的假山點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，以不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。

借助FARO SCENE 2019軟件對掃描點云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步轉(zhuǎn)換和處理，經(jīng)過噪聲消除、拼接、三角化、貼紋理等步驟得到假山模型的初步三維模型。對泛化、信息融合、模型優(yōu)化3個工序進(jìn)行若干次重復(fù)迭代是必需的，以便產(chǎn)生一個精確的模型。

2.4 逆向建模技術(shù)

利用Revit軟件識別rcp格式的點云文件，在插入選項卡下，選擇點云，以鏈接的方式將三維掃描數(shù)據(jù)載入Revit文件中，這樣就可以在軟件中進(jìn)行瀏覽。依據(jù)點云模型逆向建模，使用3DS Max或Rhino對假山表皮模型進(jìn)行分割，一般使用等分線切割成投影面積2 m×2 m的網(wǎng)片，此分割線作為假山網(wǎng)片的邊筋設(shè)計依據(jù)。使用等分線按照設(shè)計鋼筋的間距將網(wǎng)片進(jìn)行第二次分割，此分割線作為網(wǎng)片分布筋的設(shè)計依據(jù)，一般網(wǎng)片分布筋為單層雙向，間距為150 mm×150 mm。邊筋作為網(wǎng)片的固定筋，為φ10 mm的圓鋼，分布筋為網(wǎng)片的塑形鋼筋，為φ6 mm的圓鋼。

假山表皮切割完成后，移交設(shè)計院進(jìn)行主結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)假山整個表皮自重及全部施工荷載進(jìn)行整體計算和評估。根據(jù)假山網(wǎng)片的切割圖，首先要滿足網(wǎng)片4個角點的結(jié)構(gòu)布設(shè)，其次要根據(jù)施工方案的需求，將次結(jié)構(gòu)懸挑出網(wǎng)片，作為施工階段的操作平臺使用，一般寬度為1.2 m左右。其他配套專業(yè)設(shè)計，則在假山的主次結(jié)構(gòu)設(shè)計完畢后在模型中進(jìn)行正向設(shè)計，避免出現(xiàn)碰撞而影響結(jié)構(gòu)施工，導(dǎo)致山形的變化。

3 結(jié)語

三維掃描與逆向建模是塑石假山施工的前提和基礎(chǔ)，由于假山造型的非規(guī)則、非常規(guī)，利用圖紙準(zhǔn)確地表述塑石假山造型并指導(dǎo)施工一直是假山建造的難題，三維激光掃描逆向建模技術(shù)是建筑施工信息化應(yīng)用領(lǐng)域的新方向，利用三維激光掃描獲得假山的點云數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件逆向創(chuàng)建數(shù)字信息模型，將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維信息模型，準(zhǔn)確、形象地表達(dá)了設(shè)計師奇妙的創(chuàng)意設(shè)想。

本文以北京某大型主題樂園為例，詳細(xì)介紹了三維掃描與逆向建模在塑石假山施工中的應(yīng)用，解決了大型主題樂園塑石假山造型奇特、圖紙準(zhǔn)確表達(dá)難度大的問題，為今后文旅類工程施工提供了參考。

隨著人們對美好生活的需要日益增長，文化旅游已成為新時期人民群眾追求精神生活的重要內(nèi)容，本文的總結(jié)與研究，對文旅工程非規(guī)則構(gòu)筑物的精益建造具有一定的引領(lǐng)意義。