冬奥广场高线公园三维模型的建立及应用

李晓龙

(北京首钢国际工程技术有限公司, 北京 100043)

0 引言

为迎接2022年冬季奥运会,首钢园区围绕对工业遗存的改造、打造其周边景观,开展高线公园改造项目。冬奥广场高线公园以工业管廊为基础,兼顾生态景观廊道与工业遗址特征,整体贯穿冬奥广场、焦化厂生态公园、奥组委办公区等区域,在空间维度上形成整体化,打造冬奥广场整体环境,助力北京冬奥会的成功举办。

高线公园以停运管廊为基础,工业设施再利用,打造富有现代化特点的高线游览公园,同时保留工业建筑的风格。工业建筑保护留存与新型生态公园的建设结合离不开测绘技术的支撑,在实际建设改造过程中,许多现代测绘技术起到关键作用,尤其是三维激光扫描、三维建模等技术。建造过程中测绘信息的引入使得数据获取技术实现了新的变革。数据的获取由原来的局部区域采集少量关键数据模拟实体,到地面三维激光扫描,制作多维度高精度的全景立体数据;从原来提供单一测绘图纸发展到提供数据和模型。

为能够更高效地配合高线公园的建设,本次工程参考文献[1]中多维度测绘方式,以三维激光扫描为主,辅以传统测量,利用多种测绘手段高效准确地获取工业管廊的现势性数据,建立高线公园内管廊支架模型,为冬奥广场高线公园的建设改造工作提供可靠的数据保障。

测绘技术的不断革新,推动着工程设计的数字化,施工建设的可视化与工程指挥的信息化,全面提高了工程建设与管理水平,保障工程设计方案的科学性[2]。

1 案例概况

1.1 案例简介

2012年2月,《新首钢高端产业综合服务区控制性详细规划》获批,将首钢园区北部划分为石景山文化景观区、冬奥广场、工业遗址公园、公共服务配套区、城市织补创新工场五大功能分区,以及城市公共活动休闲带、滨河综合休闲带。

高线公园围绕着改造工业遗存、打造其周边景观,建设成工业遗产生态公园,在空间内连接各个功能区,为新首钢园区建设和发展营造良好的环境,提升区域价值,如图1所示。

图1 冬奥高线公园现状

高线公园测绘工作内容包含旧有架空管廊约2.7 km,皮带通廊5条(1.2 km)及转运站8座,材质多为钢结构。周边老旧工业设施繁多,因此，采用三维激光扫描技术对管廊及其附属进行数据采集,可降低作业难度,丰富数据内容。在三维点云基础上对支架管廊进行三维建模,对实景进行复制,保证数据采集完整性[3]。

本次研究以三维激光扫描技术为基础,结合Revit以及EdgeWise等三维建模软件,将现有管廊三维真实还原,建立三维可视化模型,对模型数据深入应用。

1.2 技术流程

高线公园项目的工作流程主要分为三个阶段：前期的数据采集,后期内业数据处理,建立三维模型及模型的应用。项目实施过程中,在完成控制测量的基础上，采用三维激光扫描技术为主,传统测绘技术校核检验的手段进行管道基础转运站的数据采集工作。通过对采集到的三维点云数据进行预处理去噪、拼接、布置扫描、配准、精度分析等,将采集到的高线公园所涉及的管廊支架单站点云形成三维整体数据[4]。

对于形状规则的建构筑物，通过建模软件Revit导入点云数据,在对应PointSense模块下拾取建筑面及边缘线条,结合对点云裁剪、特征提取获取三维建模所需要的基本数据,在Revit中完成建筑模型。对管廊及其钢结构基础的点云成果进行数据再处理,采用Edgewise模型软件合理化建模,模拟管道路线,贴合采集的点云数据建立管道模型以及基础架构模型,导出模型文件。加载到建筑Revit环境中,形成整体三维模型。结合Revit的模型特点,整理出关键位置剖面,提供所有管径和基础尺寸,加工成二维线画图,以满足工程建设需要。具体流程如图2所示。

图2 研究流程示意图

2 数据采集

数据采集阶段包括收集资料现场踏勘、控制测量、测站布设以及标靶盘的布设。

2.1 收集资料现场踏勘

收集的已有资料包括首钢厂区单体建筑原始图纸和1∶500地形图。由于年代久远,建筑图纸与实际偏差较多,且个别建筑经多次改造,与现状差别较大,参考采用。地形图为2005年首钢园区停产后所测,测区范围内建筑改动较小,利用价值较高。

2.2 控制测量

控制测量的目的在于统一坐标系、控制误差、精确测定控制点的三维位置。由于项目范围较大,三维测绘作业须多次采集完成,根据项目呈长条状的特点,在周围均匀设置控制点。架站扫描的同时利用全站仪采集标靶盘三维坐标数据,并选择部分采集条件良好的特征点进行传统校核。

2.3 测站布设

由于部分建构筑物内部空间相对狭小且垂直高度较高,在布设测站时考虑了站间的距离及高低位置,建构筑物外立面按10～15 m的间隔设置扫描仪站点,内部按照5～10 m的间隔设置扫描仪站点。对于拐角部分用增设扫描站点的方法处理,从而避免死角的产生。

根据不同的复杂程度，管廊测站布置采取不同的测量方法,管道走向清晰、视野开阔的情况下，可以适当调整测站间距,相邻测站数据通过标靶球拼接。部分管道拐点或者管廊之间有相互交错,测量难度较大,需要适当加密测站数量以及连接关系[5]。通过不同管道之间的空隙尽量获取完整的管道点云数据,可以增加管道拟合的精确度,使管道追踪拟合更加连贯减少内业建模的工作量,扫描时尽量通过不同的角度获取较为完整的点云,保障内业数据的精确性。对转运站的扫描由于高度落差较大,室外布置测站尽量远近结合摆站,单站有效距离点间距2 mm以内,站与站重复覆盖密度控制在30%以上,保障了建筑物的扫描精度,更加清楚表达结构关系[6]。

2.4 标靶盘布设

由于区域面积较大,环境较为复杂,采用控制点进行配准,并利用周围环境特征点配准方法作辅助校核。在测站的周围均匀布设控制标靶,扫描仪测扫时,会自动识别标靶,并计算出标靶的中心坐标。数据处理时,把多个控制点标靶作为特征点来进行数据配准,把点云数据配准到一个坐标系,形成整体点云模型。

3 点云数据处理方法

点云数据处理的完整过程包括点云数据预处理、点云数据拼接、数据结果的输出等步骤[7]。

3.1 点云数据预处理

三维点云数据预处理,一般需要对获取的原始数据进行加工,检查数据的完整性及数据的一致性,进行数据格式的规范化,进行点云去噪、配准、抽稀、分块和导出等操作[8]。将三维激光扫描仪采集的原始点云数据约450 G导入到点云处理软件中,通过对点云深色过滤、距离过滤以及离群点过滤,处理掉反射值有偏差,超出最佳扫描距离引起的数据不佳,保留最佳数据,剔除干扰数据,保证扫描数据的合理性。

3.2 测站拼接

扫描的数据经过预处理,将每个单站的数据处理完成,此时需要将每个测站拼接成整体点云数据模型。选取相邻测站之间的标靶球(规格统一为直径14 cm)进行标记,相邻测站之间最少保证三个标靶球相互强制对应,依次找到各个相邻扫描测站间的相互对应关系,建立联系。

通过对象拼接后,为减小重复点云的分层现象,采取计算二次布置扫描位置,设置较低的抽样值、最大迭代次数以及搜索距离等参数,优化拼接位置,提高拼接精度。

3.3 三维点云数据配准

通过去噪、拼接、点云赋色,点云数据已经形成整体,具备测量数据的提取需求。此时的数据为独立的坐标,在各个测站中导入控制点坐标,获取大地坐标值,与控制系统配准统一。为优化配准方案,采取每隔两站进行一次坐标配准,在首、中、尾均进行坐标控制,使得扫描点云点位误差降低[9]。完成整体点云的布置,生成项目点云,减少点云重复率,使得在不加载扫描数据的前提下操作点云数据,减小大量点云数据对计算机的负荷。平面整体扫描数据配准工作在Faro Scene点云处理软件中完成,导入控制点坐标后,整体拼接精度保持在5 mm以内。以部分连接目标统计误差为例，如表1所示。

表1 目标统计数据详细误差表

4 高线公园三维模型

高线公园的改造主要涉及钢结构安装拆除以及工业管道修复清理。两项内容的规格种类复杂且无规律,单纯提交二维成果,绘图作业量将会大大增多,无法体现全部现状。采取三维模型避免了繁重的作业,使成果全面立体呈现。模型建立依附于扫描点云,需要调整点云环境,设置点云动态运行记载密度,调整点云显示密度,以优化拟合钢结构和管道模型为主。

4.1 钢结构模型

钢结构的建模使用EdgeWise中的钢材模块提取钢结构,在软件中设置规格区间,结合点云模型拟合相关尺寸的角钢工字钢。采用结构钢材的自动提取,实现点云到钢结构模型的自动转换，如图3所示。提取结束后,对提取出的钢结构模型进行手动调节,纠正错误的提取成果。为实现模型的全面应用,将钢结构模型到出到Revit中,提取数据信息,直观明了[10]。

图3 钢结构提取过程

4.2 模拟管道建模

工业管道建模为反映管线主次关系和连接点位置真实反映管径。利用管道建模软件生成数据模型,对比点云数据，剔除识别错误的局部模型。经过提取处理的点云数据需要进行管道模拟建模,由于不同的管道半径存在差异,需要对不同管道逐个建模，如图4所示。根据扫描的管道点云数据进行管道半径模拟,然后根据同一半径进行管道模拟,直到这个管径结束。

图4 模型提取过程

4.3 模型细化检查

采用全站仪极坐标法、钢尺测距法、直接水准法等多种模式对成果数据进行了检核,水准全线复核,手持激光测距仪量校尺寸48处,全站仪测点146个。模型建立完成后,提取部分模型数据,与多种方式监测点互相检查,误差在10 mm之内。

4.4 提取成果

为了精准细化提取模型数据,在本次项目中结合Revit模型参数化的特点,在Revit软件中对模型加工导出,使得模型数据矢量化。

参照文献[11]所采用细化断面的原理,将管道模型应用到Revit,提取出关键管径以及管廊支架基础的剖面。通过剖面位置的选择,在模型中找到结构复杂管道交错的位置、管径大小有变化的位置、钢结构支架结构完整的位置,提取局部数据。

完成的剖面在Revit中导出,在CAD中完善细化二维图,添加管径、标高等标注参数，如图5所示。

图5 剖面提取细化

4.5 模型应用

冬奥广场高线公园利用首钢园区既有的管廊支架,建立由交通站商业区经工业遗址公园到冬奥广场的空中连接。工程建设涉及既有建筑较多,跨度大,资料短缺,连接匹配难度较高。三维模型的建立在项目改造过程中,为各参建单位提供了不同工作阶段的详细资料。建设单位在招投标阶段,采用三维模型对工程量进行初步估算。在设计单位的初步方案设计和方案深化中三维模型也起到关键作用。施工单位利用模型进行检查碰撞合理拆除等工作。测绘所提供的三维模型贯穿于整个建设过程,为工程的进展提供了有力的数据保障。

5 结束语

三维逆向建模在工业改造方向的应用,以及城区改造建设上有着独特的优势。基于三维激光扫描测绘技术速度快、数量大、精度高的特点,建立工程实体模型,最大限度地满足了项目改造过程中方案完善、拆除统计、工程预算、结构检测、设计施工等多种需求。在冬奥项目的场馆以及配套设施的建设中,测绘技术的进步革新起到了至关重要的作用。

利用三维激光扫描技术完成逆向建模的方法速度快,可视效果好,但是对于细部结构表达仍存在不足。现场扫描数据质量对模型影响较大,如何剔除干扰数据,分析数据成果可靠性将是进一步研究的方向。