Application of 3D Scanning Technology in Curved Curtain Wall
王彩峰 WANG Cai-feng；贺颖 HE Ying；石奇林 SHI Qi-lin
（中建七局建筑装饰工程有限公司，郑州 450000）
（The Construction Decoration Corporation Engineering Company Ltd. of China Construction Seventh Engineering Bureau，
Zhengzhou 450000，China）
摘要：融创大厦屋面采光顶为高空异形曲面全玻幕墙，其设计造型复杂、跨度空间大、施工精确度要求高等施工技术特点。其中，在屋面采光井玻璃安装过程中存在精确下料技术难题，现场通过采用三维扫描技术生成三维图纸，结合BIM三维参数化建模实现玻璃面板的精确下料，最终顺利完成了曲面采光顶玻璃幕墙的精确安装，不仅提高了工程质量，而且显著降低了工程成本，实现绿色节能施工，为类似工程施工提供借鉴。
Abstract: Rongchuang Building's roof lighting roof is a high-altitude all-glass curtain wall with special-shaped curved surface. Its design is complex, its span is large, and its construction accuracy requires high construction technology characteristics. Among them, in the process of installation of roof lighting well glass, there is a difficult problem of precise blanking technology. On the spot, three-dimensional drawings are generated by using three-dimensional scanning technology, and precise blanking of glass panel is realized by combining BIM three-dimensional parametric modeling. Finally, the precise installation of glass curtain wall on curved lighting roof is successfully completed, which not only improves the quality of the project, but also improves the quality of the project. Moreover, it significantly reduces the cost of the project, realizes the green energy-saving construction, and provides a reference for similar projects.
关键词：异形曲面；幕墙；三维扫描技术；精确下料
Key words: Profiled Surface；Curtain Wall；3D Scanning technology；Accurate Cutting
中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）24-0219-03
0 引言
三维激光扫描技术最初在上世纪90年代初期被提出，主要基于图像学和视觉融合产出了IBMR（Image-Based Modeling and Rendering）技术，又被成为实景复制技术或者高清晰测量技术[1-2]。三维扫描技术基于激光测距原理，通过扫描物体表面获得其表面的三维坐标信息，经过计算机信息数据处理，能够根据工程实际生成高质量的三维信息模型，因此在建筑模型重建[3-4]，建筑模型的精细化建模[5]，建筑物线性特征[6]的提取等领域都有重要价值。
目前三维扫描技术在工程中的得到良好的应用，这主要是三维扫描技术可以实现与多种软件进行数据交互处理，同时也可以根据工程实际测量结果对测的数据进行调整，实现扫描出的三维模型与实际物体精确对应[7]。三维扫描技术是对传统测量技术的突破，对于建筑工程发展提供全新的技术手段，也为建筑信息化模型的（BIM）技术发展提供强有力的数据支撑作用。
1 工程概况
融创大厦位于河南省郑州市郑东新区平安大道与博学路交汇处。本工程占地面积为10012m2，建筑面积10万m2，建筑高度99m，如图1所示。建筑类型包括：写字楼、商铺、地下车库以及人防工程。本工程外装饰面积约3100m2，玻璃幕墙面积约26700m2，屋面采光顶面积约1700m2，铝板封边约为2700m2。
本文以融创大厦屋面采光顶施工作为研究对象，由于屋面采光顶外形类似花生外壳，造型复杂，施工难度较大，对于玻璃块材下料尺寸要求较高，如图2所示。在钢结构骨架完成后，现场采用全站仪复合三维坐标发现，在吊装过程中钢结构跨度较大因自重产生变形，使得原有坐标系不能采用，为了确保玻璃板块精确下料，实现顺利安装，项目部决定建立新的坐标系，在此坐标系的基础上，使用三维扫描仪对钢结构进行扫描测量，重新生成三维图纸。
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2 三维扫描技术工程现场应用
2.1 现场实景测量
三维扫描技术与传统测量技术相比可以快速的构建物体的二维平面图和三维模型[8]，不需要像传统测量进行单点测量。三维激光扫描具有非接触性、实时性、高密度、高精度、数字化和自动化程度高等特点，不需要对物体进行任何处理，可以解决复杂条件环境下的测量。
采用三维激光扫描仪扫描屋面采光井钢结构，通过逆向建模流程如下：现场踏勘控制点布设设置标靶现场三维扫描点云数据整合处理初步逆向三维建模创建BIM模型精确下料。
2.2 勘站设置
根据现场采光顶井的大小、复杂程度、测量位置来进行靶球安放位置的划分，划分勘站原则是确保前后扫描仪、靶球以及观测点保持通视状态，从而保证后期点云数据精确拼接度高，相邻测站扫描的云点应保持一定的重叠，对于采光顶井由于造型复杂区域，在实际设置测站时增加了相邻测站点重叠面积。
2.3 三维扫描
根据现场采光顶弧形龙骨钢架，进行确定扫描行走的支线方向，扫描开始前应设置好扫描仪的参数，其中包括：扫描的密度、扫描的模式、棱镜常数以及扫描的单位；根据现场龙骨骨架的造型特征，应明确获取三维建模的关键点，尤其对于异形曲面的转折点或重点交接点部位，如龙骨骨架弯曲转折部位或者纵横龙骨交接点位置，采用常规扫描方案无法实现所有区域的覆盖位置，需要根据现场实际情况确定扫描仪的作业区域。在所有准备工作就绪后，进行开始扫描作业，如图3和图4所示。操作步骤：首先是对准棱镜，先后视再前视，扫描仪会根据前视后视获取的数据，通过系统计算出测站点空间坐标值，然后就可以进行全景扫描获取点云数据，最后根据同样步骤依次对预先设置好的勘站点进行扫描获取点云数据。
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2.4 点云数据整合与处理
采用三维扫描技术对于异形曲面建筑物的三维建模，其中最重要的技术就是点云信息的准确处理。本项目使用的软件是FAROscene，其处理流程如下：原始点云数据导入点云数据拼接点云数据的去燥与精简点云赋色点云数据转化与导出。
点云数据拼接是将勘站点获取的点云进行坐标的转化合成一片点云；对于整个建筑物设置多点站点，每个站点扫描时都会依据扫描仪的中心坐标系生产点云，将各个的扫描点云转化到同一个坐标系中。
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点云数据拼接的原理就是同名坐标映射[9]，如图5所示，对于一个建筑物的部分区域，同时两个测站都进行了扫描，如图架设的M1和M2两个站点，若M1站点扫描获得的点云集合为P1，其所属坐标系为O■，同样M2站点扫描获得的点云集合为Q2，其处所属坐标系为O■；其中A、B、C、D区域是两站扫描重叠区，坐标i（x1，y1，z1）∈P，i（x2，y2，z2）∈Q，i=A、B、C、D。两个集合同名的坐标点满足一刚体变换，如式（1）、式（2）和式（3）所示。
■ （1）
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（2）
■ （3）
其中R为旋转矩阵，T为平移矩阵，α、β、γ分别是指沿x、y、z轴的旋转角，tx、ty、tz分别是指沿x、y、z的平移量。
2.4.1 粗拼接
点云直接拼接是利用外业作业时必须保证相邻区域之间有30%以上的重合区域，通过寻找重合区域的相同坐标名，根据同名的坐标的法向量、曲率、积分不变等几何性质进行拼接；
2.4.2 精确拼接
精确拼接一般建立在粗拼接的基础上进行精确拼接，常采用的拼接方法是ICP算法[10]，该方法的原理是基于迭代法，通过一个误差函限反映各个站点点云重叠区域的吻合程度，如式（4）所示，通过最小二乘法迭代优化参数，使得误差限值最小，实现点云坐标数据精确拼接。
■ （4）
其中，P、Q为两个点云集合，n为重叠区选出的同名点个数，R是旋转矩阵，t为平移矢量。
2.5 点云数据降噪与精简处理
三维扫描仪在扫描过程中，会受到材料、风、强光、振动等周围环境的影响，可能会使扫描获得许多背景点、错误点等一些与扫描建筑物无关的点；将点云模型经过大尺度离群噪点去噪和小尺度噪点去噪处理，然后对点云模型的精简化，删除各站重叠区域的冗余点，在保证点云自身精度的条件下，将对点云进行抽稀化，降低点云密度，通过对点云模型进行精简处理，生成三维扫描龙骨骨架，如图6（b）所示。
2.6 BIM与三维激光扫描仪相结合的逆向建模
在点云数据处理完成后，将三维扫描处理后的点云数据导入到Revit软件中，进行钢龙骨的三维建模，通过建立的三维模型与完成的龙骨骨架进行校核，修改扫描获取的坐标点与实际现场是存在误差的地方，从而建立精确模型，在此基础上进行采光顶玻璃建模工作。
该工程采光顶外形类似花生壳，弧形曲面区域板块造型变化较大，体现出玻璃幕墙的设计风格，在追求美观的基础上使得采光顶玻璃板块尺寸各不相同，玻璃板块类型超过800多种，下料尺寸控制难度大。在生成钢龙骨线模的基础上采用Revit参数化设计功能，生成玻璃板块排版图，如图7（a）所示。通过对下料玻璃进行编号，实现每一块玻璃板块的精确下料，使得后期玻璃安装正确率达到100%，现场安装玻璃如图7（b）所示。经测算，减少玻璃材料损耗40%，同时节约工期25天，对该异形玻璃幕墙施工达到降本增效的目的。
3 结论
三维扫描技术结合BIM技术应用到曲面玻璃幕墙精确下料中具有重要意义，在实际运用中，不仅能够实现高精度快速测量、高效率准确下料，对于幕墙异形曲面玻璃板块下料提供强有力的技术支撑作用。
随着建筑信息化工程的应用，三维扫描技术与BIM技术相结合改变传统施工下料模式，实践表明，两者之间相结合可以确保复杂、异形幕墙工程的深化设计、板材下料以及现场施工的技术质量控制，从而实现解决现场难题，实现降本增效，提高公司的核心竞争力关键技术。
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