曾維強，潘 峰，石雨恒

（上海建工五建集團有限公司，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，同時也是上海市楊浦區(qū)區(qū)級文物保護單位和代表復(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，項目先后分別對現(xiàn)有的相輝堂南堂進行加固修繕和在緊鄰相輝堂南堂北側(cè)擴建一個新北堂。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，建筑面積約為1777 m2。緊鄰南堂北側(cè)擴建的新北堂是一個含有地下室的多功能劇場，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

復(fù)旦大學(xué)相輝堂改擴建修繕項目存在兩方面難點。一方面，由于相輝堂歷史悠久，南堂設(shè)計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)計和施工的必備條件。另一方面，為了使擴建的新北堂建筑設(shè)計滿足對環(huán)境的協(xié)調(diào)性以及減小新北堂擴建施工對原有建筑的影響，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)以實現(xiàn)模型重構(gòu)是本工程項目的關(guān)鍵。針對這一問題，本項目創(chuàng)建了基于三維掃描的歷史保護建筑結(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

針對相輝堂原有建筑復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和環(huán)境場景，開展建筑結(jié)構(gòu)及環(huán)境模型的快速重構(gòu)，實施步驟依次為數(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

本項目采用 Z+F Imager5010三維激光掃描儀先后對相輝堂原有建筑的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行掃描，對于掃描儀無法掃描到的外部結(jié)構(gòu)（如屋頂?shù)龋┖铜h(huán)境場景采用無人機航拍攝影系統(tǒng)進行掃描。對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行掃描時，先對內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)進行全景精細掃描，再對局部進行高精度掃描。整個掃描過程中，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，掃描測站間距＜15 m，建筑內(nèi)外共布設(shè)測站52個，三維掃描作業(yè)圖如圖1所示。無人機航拍攝影系統(tǒng)掃描流程包括范圍確定、測區(qū)劃分、無人機傾斜測量、像控測量等步驟。

圖1 三維掃描作業(yè)

3.1.2 數(shù)據(jù)處理

本項目分別采用了 Z+F Laser Control、JRC 3D ReconstructorRevit 和 Geomagic Control 等數(shù)據(jù)處理軟件進行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云拼接、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 無人機航拍攝影模型

3.1.3 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)對象及標(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個步驟[3]。

表1 模型重構(gòu)對象及標(biāo)準(zhǔn)

（1）針對相輝堂的歷史文化意義和對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。針對修繕項目的特殊性，除了常規(guī)的建模標(biāo)準(zhǔn)外，還需要對修繕部分進行區(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)點云模型對 BIM 初步模型進行修正更新，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 模型與點云模型進行融合。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

基于點云數(shù)據(jù)模型、無人機航拍數(shù)據(jù)模型和 BIM 模型，創(chuàng)建了高精度、精細化的三維重構(gòu)模型，開發(fā)了 BIM 項目集成交付平臺。通過平臺可實現(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，為本項目相輝堂原有建筑加固修繕和新北堂擴建改造提供了技術(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 模型與點云模型的對比，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。通過不同時期三維掃描結(jié)果的對比，為相輝堂加固修繕過程的風(fēng)險控制提供評估數(shù)據(jù)，保證了施工過程中既有建筑的安全。

3.2.2 擴建改造

三維重構(gòu)模型在擴建改造中的應(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)上進行建模分析，能夠有效地減小新北堂擴建過程中對原有建筑的影響，使得相輝堂原有建筑能充分合理地應(yīng)對外部擴建施工帶來的不利因素，實現(xiàn)擴建過程中對全局的把控。

圖4 三維重構(gòu)模型在擴建改造中的應(yīng)用

4 結(jié)語

以復(fù)旦大學(xué)相輝堂改擴建修繕項目為背景，針對歷史保護建筑原始數(shù)據(jù)勘測難、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)的實施步驟，再闡述了該技術(shù)在原有建筑加固修繕和擴建改造中的應(yīng)用，進而表明這一技術(shù)能很好的應(yīng)用于歷史保護建筑的修繕復(fù)原設(shè)計、施工和交付工作，具有較好的工程價值。