宋曉杰，劉其軍，龔海涵 ，朱利明，周德梁

（1.南京工程咨詢(xún)中心有限公司，江蘇 南京 210031；2.南京揚(yáng)子江新城發(fā)展有限公司，江蘇 南京 211899 3.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

1 引言

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。三維激光掃描技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一項(xiàng)技術(shù)革新，眾多學(xué)者都針對(duì)三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪與保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

周俊召[4]等將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于石窟石刻文物保護(hù)測(cè)繪領(lǐng)域，并便利地得到了新的測(cè)繪成果。蔡廣杰[5]使用三維激光掃描儀完成了大昭寺的數(shù)字化掃描，初步探索了三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)中的工程化應(yīng)用。Allen[6]等利用掃描儀進(jìn)行了圣皮埃爾大教堂的三維重建。馬宏毓[7]等提出將BIM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建了屬性信息豐富的古建筑三維模型。本文以無(wú)錫大公橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行三維掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成大公橋點(diǎn)云模型，并結(jié)合MIDAS建立有限元模型，對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析與評(píng)估，為大公橋的后期修繕和保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

2 三維激光掃描技術(shù)原理與特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)突破了單點(diǎn)測(cè)量的限制，通過(guò)向目標(biāo)表面發(fā)射連續(xù)激光束就可快速獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。結(jié)合配套設(shè)備采集到的色彩和紋理信息，再利用相關(guān)軟件就可以高分辨率、大面積地復(fù)建掃描對(duì)象的三維空間模型[8]。三維激光掃描不與目標(biāo)物體之間接觸，受環(huán)境因素限制小且測(cè)量速度快，精度高。

測(cè)量時(shí)三維激光掃描儀建立以?xún)x器為中心的系統(tǒng)坐標(biāo)系，X軸位于橫向掃描面內(nèi)，Y軸在面內(nèi)與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面，三維激光掃描技術(shù)測(cè)量原理如圖1所示，則可以用式（1）來(lái)表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)在掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測(cè)量原理圖

式中：α為掃描儀測(cè)量到的水平角，β為掃描儀測(cè)量到的豎直角，S為坐標(biāo)原點(diǎn)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離。

3 三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例

本文三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象為無(wú)錫清名橋歷史街區(qū)大公橋。大公橋位于南長(zhǎng)街古運(yùn)河上，建于民國(guó)19年。大公橋結(jié)構(gòu)完整，保存較好，是南長(zhǎng)街和古運(yùn)河歷史發(fā)展的重要實(shí)物見(jiàn)證，承載著當(dāng)?shù)匚幕L(fēng)俗與人情，作為“千橋會(huì)”建成的第一座橋梁，代表著“千橋會(huì)”所建橋梁的技術(shù)和藝術(shù)特點(diǎn)。大公橋?yàn)槌o定連續(xù)剛構(gòu)橋，兼有拱橋特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)受力非常巧妙。大公橋現(xiàn)狀如圖2所示，2002年大公橋被評(píng)為江蘇省文物保護(hù)單位。

圖2 大公橋現(xiàn)狀照片

4 三維激光掃描工作流程

本次應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)流程見(jiàn)圖3所示。

圖3 三維激光掃描工作流程

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

4.1.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集，具有光的遮擋性。因此，為了獲得掃描對(duì)象完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描需要從多個(gè)角度及方向進(jìn)行。使用地面掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，必須進(jìn)行實(shí)地勘察，檢查掃描場(chǎng)地的通視情況和目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)特征，確定最佳的掃描路線、掃描儀和標(biāo)靶球的擺放位置，以及所需的掃描站數(shù)等，使得掃描工作全面高效。本次掃描測(cè)站點(diǎn)位布置圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 測(cè)站布置示意圖

4.1.2 三維激光掃描儀

在三維激光掃描工作中使用不同的掃描儀會(huì)得到精度不同的結(jié)果，因此需要根據(jù)實(shí)際的工作需要選擇合適的掃描儀器[9]。本次掃描主要用到的儀器為法如Focus3D X330三維激光掃描儀，其具有體積小、重量輕、換站速度快等優(yōu)點(diǎn)，比較適合換站頻繁與站點(diǎn)布置較密的掃描工作，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1所示。

三維掃描儀性能參數(shù) 表1

4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

4.2.1 點(diǎn)云拼接

通過(guò)三維激光掃描工作獲得的各個(gè)位點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)僅顯示其站點(diǎn)掃描范圍內(nèi)的信息。想要獲得掃描對(duì)象的完整信息需要拼接多個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)[10]。幾種拼接方法中，基于標(biāo)靶球的拼接比較常用，配準(zhǔn)精度也比較高。本次掃描利用標(biāo)靶球作為公共特征點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理時(shí)識(shí)別標(biāo)靶球點(diǎn)云，求解參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)云拼接。后期處理時(shí)，對(duì)兩測(cè)站點(diǎn)云中的標(biāo)靶球進(jìn)行標(biāo)定，以擬合標(biāo)靶球中心點(diǎn)計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)。

4.2.2 點(diǎn)云去噪

在掃描操作過(guò)程中，由于周?chē)h(huán)境、儀器本身和操作者的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)。所謂噪點(diǎn)，就是掃描到不屬于掃描對(duì)象的錯(cuò)誤點(diǎn)。噪點(diǎn)的存在會(huì)對(duì)點(diǎn)云的整體質(zhì)量造成影響，并干擾后續(xù)點(diǎn)云模型的建立，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，否則就會(huì)影響模型的處理速度和精度[11]。處理噪點(diǎn)采用的方法通常包括：調(diào)整掃描的角度，改變儀器的掃描參數(shù)，以及利用濾波的方法等。同時(shí)還可以改變掃描對(duì)象和與儀器之間的距離以增強(qiáng)反射率。圖5是部分站點(diǎn)明顯噪聲被刪除后的情況。

圖5 初步去噪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

4.3 點(diǎn)云模型構(gòu)建

通過(guò)對(duì)掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接與去噪及其他相關(guān)處理后，即可進(jìn)行點(diǎn)云模型的構(gòu)建，真實(shí)地反映物體的立體形狀。三維激光掃描技術(shù)所獲得的古建筑三維模型可應(yīng)用于古建筑的修繕與保護(hù)、二維圖紙的輸出、研究與展示等方面，根據(jù)最終需求與應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可采用不同的建模方法，使得原始的數(shù)據(jù)信息得到充分利用。本次掃描生成的點(diǎn)云立體模型見(jiàn)圖6所示。

圖6 點(diǎn)云模型圖

5 有限元分析

5.1 特征信息獲取

為了獲得大公橋現(xiàn)狀的精確尺寸與相關(guān)特征信息，在前述對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輕量化工作的基礎(chǔ)上，依據(jù)已建好的三維模型，利用PolyWorks軟件準(zhǔn)確選取大公橋的特征點(diǎn)，描繪特征線，進(jìn)行高精度二維圖紙的輸出繪制。描繪完后的二維圖紙能夠以(*.dxf)的格式導(dǎo)出，在AuTo-CAD軟件中打開(kāi)。從三維模型中描繪出的二維圖紙帶有其原有的三維坐標(biāo)，因此不但可以在AuToCAD中體現(xiàn)大公橋的二維形狀，還可以在三維視圖中直接量測(cè)和標(biāo)注所需要的信息，可為后續(xù)有限元模型的建立與大公橋的評(píng)估保護(hù)工作提供重要的數(shù)據(jù)支撐。依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型繪制的大公橋立面圖見(jiàn)圖7所示。

圖7 大公橋立面圖（單位：cm）

5.2 有限元模型建立

根據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型獲得的精確尺寸與相關(guān)特征信息，并結(jié)合已有相關(guān)資料，采用MIDAS CIVIL2019建立無(wú)錫大公橋有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)現(xiàn)有檢算與評(píng)估。該橋?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，參考相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，取混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C15，彈性模量 Ec=2.2×104MPa；出于安全考慮，鋼筋采用R235，彈性模量Es=2.1×105MPa。恒載包括梁體自重、橋面鋪裝、護(hù)欄。人群荷載按照《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）中規(guī)定取值。橋臺(tái)后土壓力按土層參數(shù)、橋臺(tái)寬度和高度考慮。墩梁采用彈性約束中的剛性連接，主墩底部完全固結(jié)。有限元模型示意圖見(jiàn)圖8所示，構(gòu)件編號(hào)見(jiàn)圖9所示。

圖8 大公橋有限元模型示意圖

圖9 構(gòu)件編號(hào)圖

5.3 結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算

在大公橋的三跨跨中分別布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)和拾振器對(duì)大公橋結(jié)構(gòu)自振頻率進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)得到大公橋豎向自振頻率為13.3Hz，由模型計(jì)算所得的自振頻率為13.1Hz，可知結(jié)構(gòu)一階豎彎振型的計(jì)算自振頻率與實(shí)測(cè)自振頻率接近。參照《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-1995）中的相關(guān)規(guī)定，天橋上部結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率應(yīng)不小于3Hz。由此可知，大公橋自振頻率滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5.4 強(qiáng)度計(jì)算

5.4.1 抗彎承載力計(jì)算

計(jì)算可得2#縱梁抗彎承載力最大，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示，結(jié)果云圖見(jiàn)圖10所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在荷載組合作用下，大公橋梁體控制截面抗彎承載能力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖10 2#縱梁承載能力組合彎矩包絡(luò)及對(duì)應(yīng)抗力圖

5.4.2 抗剪承載力計(jì)算

計(jì)算可得2#縱梁抗剪承載力最大，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示，結(jié)果云圖見(jiàn)圖11所示。由結(jié)果可知，在荷載組合作用下，大公橋梁體控制截面抗剪承載能力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

大公橋梁體抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果 表3

圖11 2#縱梁承載能力組合剪力包絡(luò)及對(duì)應(yīng)抗力圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于古橋評(píng)估及保護(hù)的需求，對(duì)古建筑領(lǐng)域三維激光掃描技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合無(wú)錫大公橋的三維掃描流程，研究了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，建立了大公橋的有限元模型，對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行了檢測(cè)與評(píng)估，主要結(jié)論如下：

①三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、限制小、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用過(guò)程中突破了單點(diǎn)測(cè)量方法的技術(shù)局限，與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)明顯；

②基于三維激光掃描技術(shù)獲取大公橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合MIDAS應(yīng)用建立有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，經(jīng)綜合分析評(píng)估，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求；

③三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)新興的測(cè)量技術(shù)，對(duì)于古建筑的數(shù)字化保護(hù)具有重要意義。希望通過(guò)本文的研究，能夠提高古建筑測(cè)繪及保護(hù)工作的效率，為古建筑保護(hù)工作作出貢獻(xiàn)。