三維掃描在復雜形體膜結構收邊件加工中的應用

曹曉凱 石 冬

中鐵建工集團有限公司 北京 100160

膜結構作為一種新型建筑形式，打破了傳統混凝土結構和鋼結構的直線建筑風格的模式，多以傘狀、蘑菇陣、球狀、錐狀和復雜多曲面混合體的形式出現，形成各種富有藝術性的建筑形體。近些年我國膜結構建筑的建造數量發展非常迅速，涌現出了一大批地標性的膜結構建筑，如國家體育中心“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、天津于家堡火車站及北京世園會“媯汭劇場”等著名的膜結構工程。

在各種膜結構建筑中，膜結構通常與其他建筑形式同時出現，共同組成一個完整的建筑單體，受膜結構的復雜形體影響，收邊構件通常為復雜空間結構，構件加工難度大。此外，收邊構件的加工尺寸需充分考慮膜結構的施工誤差，并消除部分施工誤差，使膜結構的收邊構件與膜面及相鄰裝飾構件完美貼合[1-2]。

本文以隨州南站站房大曲率負高斯ETFE索膜結構為研究對象，采用三維掃描技術對已完工索膜結構進行高精度的逆向建模，并結合Rhino3D等專業三維設計軟件，實現復雜形體收邊鋁板的高精度下料加工，保證了收邊鋁板與曲面膜面及相鄰裝飾構件的完美貼合。

1 工程概況

隨州南站站房建筑造型取義“千年銀杏、十里畫廊”，屋面為鋼梁鋼桁架結構，設計為“傘狀單元體”形式，由24根勁性混凝土柱支撐，屋面為24個傘狀單元結構，傘狀單元底部為單層金色ETFE膜結構（圖1）。

圖1 隨州南站傘狀單元體索膜結構

1.1 膜結構概況

隨州南站站房采用了“傘狀單元體”大曲率負高斯單層ETFE膜結構方案，通過金黃色ETFE索膜結構體系呈現銀杏葉的藝術造型。每個傘狀單元由6片不同形態的膜片組成。膜片背襯12 mm鋼索，與膜面形成協同受力體系，膜片邊緣設有鋁合金夾具形成膜面的張拉硬邊，傘狀單元體鋼結構上設有索膜結構張拉支座，作為鋼索及張拉硬邊的固定支座，索膜結構通過膜面四周硬邊張拉與索網張拉結合的方式，形成上大下小的漏斗形態。ETFE膜材表面為順滑的大曲率雙曲面，膜材及索網形狀和紋路，恰似銀杏葉葉柄向下，葉脈豎向向上伸展，外形靈動、優美。同時，在膜材選型上采用75%透光的金黃色膜材，透過膜面能看到鋼結構桿件的大致輪廓，體現結構的力學美（圖2）。

圖2 膜結構單元體平面

1.2 索膜結構收邊件概況

受索膜結構張拉施工工藝及結構體系構造影響，傘狀單元體的6片膜片之間預留有寬200 mm的結構間隔，結構張拉完成后，結構間隔處的張拉硬邊、張拉索頭及索膜支座均處于外露狀態。另外，雙曲面形態的膜面底部與柱頭交接、頂部與波浪形屋面交接（圖3）。

圖3 收邊件安裝前的膜結構傘狀單元體

為使室內裝修效果美觀、統一，且索膜結構能呈現出銀杏葉的優美造型，需對膜片間的結構間隔及與柱頭、吊頂的交接部位進行裝飾，隨州南站傘狀單元體膜結構采用厚3 mm白色鋁板進行裝飾。鋁板依據膜面及吊頂的曲面形態加工成相應的雙曲面造型，在隱蔽結構構件的同時對單元體膜面進行裝飾，清晰地展示傘狀單元體的優美輪廓，并使膜結構單元體與主體結構立柱渾然一體，形成銀杏葉葉柄、葉片、葉脈的形態。

因傘狀單元體鋼結構及雙曲面膜結構、波浪形吊頂、柱頭鋁板均存在不可避免的施工誤差，膜結構收邊鋁板的加工及安裝需充分考慮各部位的施工誤差并通過微調收邊鋁板的尺寸抵消膜結構及吊頂、柱頭鋁板的施工誤差，使收邊鋁板與膜面、吊頂、柱頭的曲面造型完美貼合，形成完整統一的整體（圖4）。

圖4 傘狀單元體完工效果

2 膜結構收邊鋁板的加工及安裝

為使收邊鋁板與膜面、吊頂、柱頭的曲面造型完美貼合，抵消膜結構及吊頂、柱頭鋁板的施工誤差，需要根據膜面、吊頂、柱頭鋁板完工后的實際形態及細微偏差加工收邊鋁板，使收邊鋁板的形態與之吻合。隨州南站傘狀單元體結構形態復雜，建筑實體復測難度巨大，經比選各種精度復測手段，最終采用三維掃描技術開展隨州南站建筑實體復測。

2.1 膜結構高精度逆向建模

收邊鋁板精確加工的前提是對已完建筑結構進行高精度的復測，并依據復測結果逆向生成結構實體的三維模型。復雜的建筑形態對施工精度復測提出了挑戰，采用常規測量手段對復雜曲面形體及柔性結構進行精度檢測時變得非常不適用，曲面形態復測和曲線輪廓復測需要采集大量點位的數據，經緯儀、全站儀的三維坐標復測是通過不連續點模擬曲面或曲線，數據采集密度低時精度達不到要求。但數據采集點越密集，數據采集量即同比增加，這不僅會造成實體復測耗時大大延長、投入人工增加、拖延總體工期，同時，曲線及曲面數據采集還需要借助各種機械、耗費大量人工，數據采集后的電腦模型建立及數據處理同樣工作量巨大，增加工程經濟投入。

三維掃描作為近些年發展起來的新技術，在逆向建模方面得到了廣泛的應用，通過激光掃描形成的密集點陣，三維掃描技術可以形成毫米級精度的物體表面輪廓點陣，結合電腦制圖技術，高精度地建立建筑實體的數字建模。

隨州南站三維掃描建筑實體復測主要分掃描及建模2個步驟。掃描即通過建立統一坐標系、多點建站及不同角度照射掃描，得到1.6 mm@10 m分辨率的室內頂棚全景點云數據。建模是通過數據處理功能強大的工作站采用Rhino3D對點云數據進行分析，刪除環境干擾數據，并對膜面、柱頭鋁板、吊頂點云進行封裝，得到已完結構的全景模型（圖5）。通過三維掃描逆向建模得到的全景模型具有真實反映建筑實體尺寸、精度高、兼容性強、可編輯等優點。

圖5 三維掃描過程影像

2.2 膜結構收邊件加工圖設計

三維掃描逆向建模建筑實體模型是膜結構收邊鋁板圖設計的依據，它以毫米級的精度真實反映建筑實體的三維尺寸。通過對24個單元體分別編號，逐個對應地開展收邊鋁板的詳細尺寸設計，根據收邊鋁板安裝部位及已完建筑實體的實際尺寸調整收邊鋁板內側尺寸，使收邊鋁板與膜面、吊頂及柱頭鋁板輪廓貼合，同時按理論形態設計收邊鋁板外側輪廓，使每個單元體收邊鋁板形態完全一致。

鋁板整體尺寸設計完成后根據裝修排板對鋁板進行分割，對每塊鋁板進行編號，得到尺寸有細微差別的單塊收邊鋁板，再將雙曲鋁板根據折線位置及形態拆分展平為形態各異的小塊平面鋁板，工廠依據詳細的加工圖紙將平面鋁板彎曲、拼接后，加工成可供現場直接使用的雙曲面異形鋁板（圖6）。

圖6 收邊鋁板設計截圖

2.3 膜結構收邊件安裝

收邊鋁板的加工及進場以單元體為單位，每個單元體的收邊鋁板按加工圖編號標示清楚，同批進場。

隨州南站候車大廳為高大空間結構，為縮短施工周期，在膜結構及吊頂施工的同時地面石材已鋪貼完成，施工現場不具備搭設腳手架的條件。因此收邊鋁板采用高空作業車進行安裝。首先自柱頭位置向上安裝膜片間豎向分格鋁板，再自最高點向兩側對稱安裝膜與吊頂間的收邊鋁板。每塊收邊鋁板安裝時由2名工人同時操作，2人各手持鋁板的一端將鋁板緩慢安裝到指定位置，防止鋁板邊緣損壞膜面（圖7、圖8）。

圖7 收邊鋁板安裝

圖8 隨州南站正立面

3 結語

借助三維掃描精準的逆向建模，大大節省了膜結構收邊件數據采集、處理及收邊鋁板的設計、加工時間，也簡化了鋁板廠模具加工工作，使施工材料加工及安裝精度提高、施工周期大大縮短。

三維掃描技術在隨州南站復雜形體膜結構收邊件加工中的成功應用，使傘狀單元膜結構收邊鋁板曲面過渡平順，鋁板與吊頂、膜結構完美結合，傘狀單元膜結構與周邊裝飾材料自然交接、渾然一體，完美還原了隨州南站“千年銀杏、十里畫廊”的藝術效果。