简介:关于建筑修缮方面的论文题目、论文提纲、建筑修缮论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
■蔡颖佶Cai Yinji
【摘 要】文章介绍三维激光扫描技术和Tru View软件技术的相关原理,结合钱仓路吴氏民居与和平饭店南楼两个典型案例,论述其在建筑修缮中的设计与技术应用.
【关键词】优秀历史建筑；三维激光扫描技术；TruView软件技术：修缮：设计
0前言
上海市现存有四批共632处优秀历史建筑,历史悠久、为数众多且建筑风格和流派丰富多彩.作为历史文化载体,这些优秀历史建筑保存了上世纪建筑技术发展水平的信息,反映了近代社会和城市的历史变迁和文化传承,是一部用砖石谱写的上海近代史.但由于自然老化、使用功能发生变化、或超负荷的使用等原因,造成许多历史建筑结构和外观受到严重的损坏,建筑结构本体在安全性和耐久性方面都有不同程度的下降.根据《中华人民共和国文物保护法》、《上海市历史文化风貌区和优秀历史建筑保护条例》、《优秀历史建筑修复技术规程》等有关法律法规的要求,有关部门加大力度进行优秀历史建筑的保护和修缮,即维护好建筑外观、历史风格、结构安全,贯彻原真性原则,尊重原设计风格,提高历史建筑的使用价值,使其重新焕发异彩.
每处优秀历史建筑因其建成时代、技术手段等不同而具有鲜明而独特的个性.这首先就要求历史建筑修缮设计应体现对优秀历史建筑历史性、科学性、艺术性的尊重.修缮勘查设计阶段重点就是历史溯源,探求历史原貌,对有价值的历史遗存进行详细勘查和精确测绘,而准确详尽的现场测绘以及对现存的历史原物的评估判断,则是保证优秀历史建筑修缮的原真性的首要条件.现场测绘的准确性不可避免地受到常规的技术水平、测量工具误差、设计人员的素质经验以及工作面的可操作程度等因素影响.比如大型公共建筑空间高大,项部装饰造型繁复、或者保护部位为精美的历史原物,部分缺损,采用传统测绘勘察方式不仅耗时长,表达也不够细致准确,未免美中不足.
目前,三维激光扫描技术和以三维数据为基础的TruView软件技术在历史建筑的修缮中逐步开始应用.我们在历史建筑修缮工程设计中,试着运用三维激光扫描技术对重点保护部位的复杂细部和高大空间作为测绘和勘查的辅助手段,将现场肉眼难以看见的例如立体雕花、石膏线脚等具有细节性、自由性特征的物体真实地在图纸或模型中表现出来.最大限度地还原历史原状,确保了对历史原物修缮的真实性,所采集的三维点云数据可被永久保存,为将来再次修缮的留下准确详实的数据,实际上还大大缩短了设计周期.TruView软件技术则可以动态地观察、测量三维空间的任意细节,具有较强的现场感,有利于对现场尚存的历史原物或后期增建进行准确的评估和判断.
本文选择了钱仓路吴氏民居与和平饭店南楼两个典型案例,一个是海派住宅建筑,一个是公共建筑,分别代表了上海的优秀历史保护建筑和文物保护建筑,详述这两项计算机信息技术在实际工程修缮中的成功应用.
1三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破.最早由瑞士徕卡公司1 998年推出的第一代产品,扫描速度仅有100点／s.现在技术更新,已经出现了具有97万点／s的空间数据的采集能力的三维激光扫描仪.这项世界先进技术是介于测绘领域与工程领域之间的一项新兴科技,自问世以来被广泛应用于工业管道安装和船舶机械等方面.它通过高速激光扫描测量的方法获取被测对象表面的三维坐标数据,可以快速、大量地采集空间点位信息,而且具有很高的分辨率,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段.
1.1技术原理
采用最新的光学、机械和电子技术——激光扫描仪获取建筑物立面点云的近景目标三维测量系统.在扫描过程中实时地采集、处理、显示和记录三维数据(图1).三维激光扫描仪通过光源发射出一束水平的激光束来扫描物体,该激光经过旋转平面镜的作用,改变角度,使得激光线发射到物体表面.这样连续地对空间以一定的取样密度进行扫描测量,就能得到被测目标物体密集的三维彩色散点数据,称作点云( PointC！oud).
整个系统每秒能够数字化上万个均匀、细密的轮廓点.从而快速、准确、详细地测量整个建筑的三维数据,充分满足各类立体测量需求.后期可以根据项目的特点和设计要求,通过建立相应的坐标系,转换模型确定坐标系之间的坐标转换关系,实现建筑物立面激光点云的定位工作.测量结果以多文件格式输出到CAD软件以产生数字化模型,可以对常规方法难以测量准确的建筑部位提供有效长照图.提供的点云数据处理,扫描数据对齐、合成等功能,支持AutoCAD,3DMAX等CAD计算机辅助设计软件,可实现与CAD软件的无缝集成,可以输出到后处理软件以实现三维的模型检查,建筑形态控制,三维测量等功能.
1.2与传统测量方式相比的优势
高精度三维激光扫描与传统测量工具例如尺、经纬仪、激光测距仪甚至是运用现代技术手段的单点高精度的全站仪相比,具有快速、不接触、实时、动态、高密度、高精度、数字化、自动化等特性.也就是说,可以把高精度三维激光扫描看作针对某一特定平面或客体收集3D数据的工具,可以较高的速度及时地捕获大空间范围内的信息.这三个特征使其在采集客体数据的速度、信息量、色彩信息等方面都比传统意义上的测量工具具有优势.
1.2.1三维测量优势
传统测量概念里,所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图）,以全站仪,GPS比重居多,但测量的数据都是二维形式的.而在逐步数字化的今天,三维已经逐渐代替二维,因为其直观性是二维无法表示的,现在的三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含×、Y、Z点的信息,还包括R、G、B颜色信息,同时还有物体反色率的信息,这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉,是一般测量手段无法做到的.
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1.2.2快速扫描优势
快速扫描是扫描仪诞生产生的概念,在常规测量手段里,每一点的测量费时都在2～5s不等,更甚者,要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量.在数字化的今天,这样的测量速度已远远不能满足测量的需求,三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状,最初1 000点／s的测量速度已经让测量界大为惊叹,而现在脉冲扫描仪( scanstation2)最大速度已经达到5 0 00 0点／s,相位式扫描仪( HDS6000)最高速度已经达到500 000点／s,这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证.
1.3三维激光扫描所获取的数据类型及相关应用
经三维激光扫描仪采集得到的直接数据为点云,即由数百亿个点组成的一个集合.每个点具有其三维坐标系统（设备坐标系）,根据项目需求可在扫描前提供不少于3个大地坐标系的参考点,即扫描后所有数据（点云数据库）的坐标系统等同于现场的大地坐标系统.
2钱仓路336号吴氏民居——应用三维激光扫描技术
2.1项目概况
吴氏民宅为上海市第三批优秀历史建筑,地处浦东论文范文与东方路两条城市干道的交叉口,该地块涉及到上海世博重大工程东西通道的建设.为了在城市建设的同时更好地对优秀历史建筑进行保护,2008年上海市重大工程办公室组织的多方专家论证,对该优秀历史建筑将采取在“原地复建”的方式来进行保护.该工程不同于常规修缮设计的最主要环节在于要采用特殊工艺和保护修缮措施,将民宅先拆除后保存,再原地复建用作博览展示功能的场所,成为城市的重要景观建筑.
2.2项目特点
吴宅始建于1924年,为砖木结构形式的“一正两厢”院落住宅（图2）,重点保护部位为南立面清水砖墙雕花、内院落、楼梯、特色装饰.包括“观音兜”式山墙、门头、窗楣、腰线等部位的清水砖雕、屋脊处的“火烧脊”、 檐口的“勾头”及“滴水”、格扇长窗及室内木雕等,呈现出既具有传统文化风貌又富有西方典型装饰风格的建筑特征,体现了上世纪二三十年代的技术水平和市井民俗文化特征.由于建筑外墙为承重墙,而且为青红二色相拼的具有多处精美砖雕的清水墙,修缮设计的难点之一就是如何真实地再现清水承重墙及砖雕部分的砌筑方式,使得复建后的建筑能够最大限度地保存历史原物的原状,保存近一个世纪前的市井文化信息（图3）.
2.3设计难题及技术运用
吴氏民居的修缮事关市政府重大工程,设计工期很紧张.从房屋拆卸到原地复建将有一段过渡时期,这给保护修缮设计带来了难题,即如何最大限度地保存房屋建筑的历史信息,保存并修缮具有上海近现代特色的木立帖,重要的历史原物等的保存及施工复建.设计师坚持和突出“不改变保护建筑原状”原则,进行了全面、认真及深入的调研,拆卸和修缮之前、之中更是进行现场实地调查、拍照、测绘.
为了力求把握历史建筑真实的信息,力求使建筑的复建过程趋向于真实有据、切实保存,相关工作人员顶着380C酷暑,采用LEICAHDS6000高精度三维激光扫描仪完成了立面所有数据的采集,当天建立了该项目的点云数据库.一周后所有数据的提交按时、保质地完成,内容包括 二维立面图（DWG格式）、三维模型（WRL格式）等.由于三维激光扫描仪每秒钟能采集至少50万个点,通过海量的点云数据能高清晰、高精度地获取被测表面的实际数据,并永久保存.数据的精确程度达到了足以绘制出墙面每一处的砖缝和雕花细节,还可以看出建筑高处的实际损毁情况,这是使用传统手工测量方式在通常视点高度所不可能达到的!同时,为了更好地体现现场墙面的色彩性、纹理性,本项目特采用Texture Map功能将数码影像正确地与点云数据结合,并以此生成“正射影像”图片加以保留,为设计过程以及随后的修缮施工留下真实的数据证据.
2.4修缮设计过程中相关资料
2.4.1基本流程
应用的基本流程为 现场勘查一布置测量控制网一选点设站一扫描现场一彩色影像一建立点云数据库一数据处理（二维图纸、三维模型、虚拟碰撞等）设计阶段中,先期进行周密的现场勘查,确定需要详细修缮的重点部位,再运用三位激光扫描技术对保护部位进行全面扫描,获得外观、雕饰等的点云数据（图4、5）,数据在后期处理中与现场的实拍照片进行正射影像处理,利用标靶定位进行数据的无缝拼接.
在随后的绘制图纸过程中,基于激光点云数据绘制的二维图像（图6）和曲面拟合的砖雕花饰三维视图(图7),在很大程度上加快了整个保护修缮设计工作,与设计图纸（图8、9）的互相印证使得专家评审过程具有了很强的说服力,本工程如期进行了施工.
2.4.2主要技术参数
(1)扫描精度：2mm<,25m 90%反射率.
(2)扫描点距 1.3mm-->,超精细扫描模式.
(3)扫描时间．6min-->,精细扫描模式
(4)扫描范围 360.×31 06.
(5)扫描速率50万点／s.
2.5小结
吴氏民居修缮项目借助三维扫描技术手段,按照建筑的具体保护要求,对建筑保留的历史原物如外墙立面清水砖雕装饰、屋脊装饰、石库门头、门窗细部、花饰牛腿及栏杆、石鼓磴、槡皮石等进行精确测绘并精确记录存档,对原建筑在形制、做法上不符常规及存在缺陷的部位也作为历史信息的客观存在,予以忠实再现.它保证了原地重建后的建筑能够真实地恢复建筑外立面和内院落布局,重现上世纪二三十年代当地特有的中西合璧式的民居风貌,使得本项目通过对历史建筑的整治和修复,在城市发展中延续历史建筑文脉.
（未完待续）
（收稿日期：2010-08-10）
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