三维激光扫描在既有建筑检测中的应用

杨 敏，方 林，张 俊

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

城市更新是目前建筑行业最火热的名词，随之而来是大规模的既有建筑改造，检测成为该过程必不可少的重要环节，目前检测的主要内容有：建筑结构测绘与复核、材料强度检测、倾斜沉降测量、损伤调查、结构建模计算、抗震措施分析等[1]，其中现场作业的人工工作量较大，方法较为陈旧，如何通过结合运用一些新技术辅助增强检测工作的效率和准确性，成为值得探讨的问题。

1 三维激光扫描介绍

三维激光扫描是近年来应用较为广泛的新型测绘技术，可解决许多传统测绘方法的技术难题，该技术采用非接触式高速激光测量方式，利用向被测对象发射激光束和接收由被测物发射回的激光信号获取被测对象的空间坐标信息[2]。

三维激光扫描的成果是海量空间坐标点，这些密集而连续的点数据叫作点云，点云数据是对被测物体表面的描述，是由目标物体表面一系列空间采样点构成的三维空间中数据点的集合，具有数据量大、密度高、带光学特征、可量测性和表面纹理性质，将各测站的点云数据进行拼接，获取整体三维点云模型，并据此展开如测绘、检测、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等应用。

2 三维激光扫描应用

本文结合工程实践经验归纳一系列三维激光扫描在检测中的应用点，以期为今后的检测项目提供新思路。

2.1 结构复核

结构是既有建筑检测的核心内容，所有的数据采集最终均会为结构安全及合理性的分析提供支撑，根据三维激光扫描的技术特点，经过大量实际项目的探索尝试，寻找一些可提高传统结构检测效率或解决难题的方法。

2.1.1 辅助结构调查

老旧建筑或历史保护建筑由于建造年代久远，大多缺乏完整的结构图纸，且多年来经过多次功能改变，因此结构体系调查尤为重要，在结构测绘工作开展之前，如果能够先判断该建筑的承重体系，直观了解各楼层的墙体分布，将对后续工作会带来事半功倍的效果。某砖木历史保护建筑的1～2层建筑平面剖切点云数据如图1，2所示，根据点云可大致判断承重墙体的分布，仔细观察发现房屋中部有一道南北向的墙体，由于楼板为木格栅楼板，主要搁置在墙体上，考虑到楼板搁置的跨度判断该墙体为承重构件，但发现这道墙在2层布置的情况下1层中部偏南侧却没有布置墙体，结构布置不合理且存在安全隐患，因此可列为后续现场调查的重点关注部位，后经实地踏勘后发现，该处南北侧凸出部位均为截面较大的砖柱，原结构从1层升至屋架下方，后因改造将南侧矩形砖柱拆除，而在上部布置1根钢梁进行承重。通过检测前期现场三维扫描数据的采集，既能够提供建筑测绘的依据[3]，同时也能第一时间为结构调查提供参考辅助。

图1 1层建筑平面剖切点云数据

图2 2层建筑平面剖切点云数据

2.1.2 多坡屋面屋架测绘

多坡屋面是历史保护建筑的特色之一，同样也是该类建筑结构体系中的重要组成部分，其结构布置、木构件损伤情况均是贯穿检测、修缮、改造的重要参数[4]，对于木屋架可靠性的计算目前较多的是使用手动计算方式进行，但这一切的基础是需要整个多坡屋面的准确结构布置图及各种类型木屋架的细部详图，这对于普遍搭设阁楼和建筑布局凌乱且空间狭小的历史保护建筑而言是较为困难的工作内容，通过三维扫描技术的测站拼接功能，使用标靶或重合率拼接的方式将这些零散的屋架空间数据集合在一起形成整体，然后再对屋架进行任意剖切，截取不同的单品木屋架进行详图绘制，为后续的计算、分析、改造提供依据（见图3）。

图3 多坡屋面点云数据

2.1.3 钢结构网架复核

钢结构屋架建筑普遍具有较高的层高，甚至在一些大型场馆中就连使用登高作业车都无法触及，面对登高作业、网架密度高、杆件弧度难定等因素[5]，给该类型检测项目中的结构复核工作带来困难。采用三维激光扫描技术可精确采集距测站近百米的点云数据，结合马道上的补充扫描可获取完整的钢网架三维点云模型，随后通过三维处理软件的自动拟合识别功能，可点选任意的圆形及矩形杆件进行尺寸和长度复核，大大提高检测的准确度和效率（见图4）。

图4 钢网架杆件尺寸拟合

2.2 非常规倾斜测量应用

常规建筑物的倾斜测量往往是指测量房屋4个或多个角部的倾斜数据，整体判断房屋的倾斜趋势方向和倾斜率是否超过规范允许值，但在某些情况下，采用三维激光扫描技术进行倾斜测量将会有更为全面的数据依据，经分析计算后所反映的倾斜数据将更为合理。

2.2.1 圆柱体构筑物倾斜测量

检测鉴定中会遇到圆柱体的构筑物，较为典型的如烟囱，要想准确获得其倾斜数据，必须进行等距离分段测量才更为合理，因此对烟囱各角度进行全面扫描工作后获得烟囱整体的三维点云模型，导入rhino软件中进行等距离切割，通过拟合上下2个圆的圆心位置关系判断该段圆柱体的倾斜趋势及具体数据，为烟囱的整体倾斜分析提供依据，也为类似的圆柱体建（构）筑物测量提供借鉴（见图5，6）。

图5 烟囱点云数据等距离分段

图6 切割面圆心拟合

2.2.2 墙面整体倾斜测量

在目前大规模老旧小区加装电梯检测项目中，除常规的房屋角部倾斜测量外，加装一侧墙面的倾斜数据同样十分重要，一般采用全站仪在该墙面上任意选取上下两点的水平距离差除以高程上的差值获取墙体倾斜率，但这种方法受到墙面平整度的影响较大，因此用这种以点代面的测量方式所获取的倾斜率精度较差。通过三维激光扫描技术进行单站的扫描数据采集，首先可忽略拼接上的误差，其次采用较高的扫描精度可获得整面墙体的三维点云数据，将点云数据直接导入Geomagic软件中，可精确计算获取墙面的整体倾斜率，这样的成果依据更加全面，结果更为精确（见图7）。

图7 Geomagic软件中整体墙面点云倾斜率的计算

3 损伤记录应用

损伤调查是既有建筑检测工作内容的重要组成部分，特别在完损性检测和施工影响监测类中尤为重要，行业内在遇到多条明显无规则裂缝的情况下目前通常会采用拍照后在平面图上大致示意性表示，主要因为裂缝的走向、定位及长度较难准确测量及表述清楚[6]。针对上述问题，可采用三维激光扫描技术，采用高精度对明显的地坪、墙体裂缝进行扫描采集，将点云数据导入CAD中进行1∶1的描绘，准确反映明显裂缝的数量、走向、定位及范围，同时留下现状的影像资料方便记录归档，但对于裂缝宽度的测量仍需使用卡规进行人工测量及判断。

4 结语

本文根据工程实践归纳了三维激光扫描在既有建筑检测中的如下应用点：结构复核，包括辅助结构调查、多坡屋面屋架测绘、钢结构网架复核；非常规倾斜测量，包括圆柱体构筑物倾斜测量、墙面整体倾斜测量；损伤记录。

通过详细分析介绍，突出该技术在上述应用点中解决传统方式所不能解决的技术难题，提高传统方式所不能达到的检测效率和准确度，并可为类似检测项目提供参考。