本發(fā)明涉及一種臺(tái)風(fēng)天氣建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種提高建筑物防臺(tái)風(fēng)能力的方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)福建沿海地帶是臺(tái)風(fēng)的易發(fā)地區(qū)，歷史上曾有多次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在此登陸，均給當(dāng)?shù)卦斐闪舜罅康姆课萜茐摹?016年9月15日凌晨3時(shí)5分在廈門(mén)市翔安區(qū)登入的該年太平洋第14號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”中心附近最大風(fēng)力達(dá)到17級(jí)以上(68m/s)，是自建國(guó)以來(lái)登入閩南地區(qū)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，對(duì)沿途的區(qū)域造成了超級(jí)嚴(yán)重的破壞，尤其是輕鋼建筑物、道路樹(shù)木、指示牌以及廣告牌等嚴(yán)重?fù)p毀。此次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)力威猛，對(duì)沿途造成的經(jīng)濟(jì)損失慘重。臺(tái)風(fēng)過(guò)后的建筑損失實(shí)物量評(píng)估是防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)決策的重要基礎(chǔ)，如何完整可靠地檢測(cè)臺(tái)風(fēng)損毀建筑是損失實(shí)物量評(píng)估的前提。傳統(tǒng)災(zāi)后調(diào)查統(tǒng)計(jì)是采用人工野外作業(yè)方法，需要大量的人力、物力，采集數(shù)據(jù)效率低下且精度差，同時(shí)在調(diào)查災(zāi)損建筑過(guò)程中，存在極大的危險(xiǎn)性。應(yīng)用遙感技術(shù)可以大范圍、快速獲取臺(tái)風(fēng)造成的大面積建筑物破壞信息并進(jìn)行損失評(píng)估，對(duì)于抗臺(tái)救災(zāi)快速響應(yīng)，減少災(zāi)損和災(zāi)后重建等具有重要意義。傳統(tǒng)光學(xué)及雷達(dá)遙感技術(shù)獲取的建筑物破壞信息是宏觀的，雖能較好地識(shí)別頂面破壞及完全倒塌的建筑物信息，但無(wú)法反映建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外立面的破壞情況；對(duì)于結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，但頂面基本完好的建筑的識(shí)別能力更低，影響災(zāi)損評(píng)估精度，TLS技術(shù)則可以獲取災(zāi)損建筑物結(jié)構(gòu)的高精度空間三維信息，實(shí)現(xiàn)任意角度建筑物的屋頂及側(cè)面損毀狀況及周?chē)匦翁卣鞯亩苛繙y(cè)[1]。

地面三維激光掃描技術(shù)(TLS)是繼GPS技術(shù)之后的又一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，可快速、非接觸、高精度地獲取目標(biāo)對(duì)象表面高密度的空間三維坐標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)信息提取與建模。早期主要應(yīng)用在建筑物文物修復(fù)及機(jī)械設(shè)備逆向工程檢測(cè)。近年來(lái)，TLS技術(shù)不斷發(fā)展并日益成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到土木工程、地質(zhì)調(diào)查、地形測(cè)繪、數(shù)字城市以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，比如古建筑文物保護(hù)[2]，高層建筑仿真分析[3]，地質(zhì)滑坡監(jiān)測(cè)[4],道路建模[5]，自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)[6]，數(shù)字城市

[7]等。在國(guó)外，如Pesci等[8]等對(duì)意大利兩座斜塔進(jìn)行了三維數(shù)字化模型構(gòu)建，結(jié)果為斜塔的監(jiān)測(cè)和維護(hù)提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)來(lái)源；I.Stamos等[9]成功的研制出一套相對(duì)全面的三維激光測(cè)量系統(tǒng)，利用獲取到的三維數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行軟件制作出建筑工程所需的成果。在國(guó)內(nèi)，趙煦等[10]通過(guò)糾正的數(shù)字影像紋理映射到云崗石窟點(diǎn)云上，生成完整的三維景觀，并實(shí)現(xiàn)文物立面的三維重建。李必軍等[11]從三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出了的建筑物特征線(xiàn)并恢復(fù)建筑物的三維模型和可視化表達(dá)。趙彬等[12]等開(kāi)展了三維幾何模型的紋理映射技術(shù)研究，其基于ICP算法實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云與紋理數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)并較好地解決了紋理數(shù)據(jù)間的平滑處理。這些研究都已獲得了良好的成果，但尚無(wú)有關(guān)臺(tái)風(fēng)作用下災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)信息三維建模與統(tǒng)計(jì)分析的報(bào)道。

2016年9月“莫蘭蒂”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)使正好位于臺(tái)風(fēng)登入過(guò)境的廈門(mén)理工學(xué)院集美校區(qū)慘遭破壞，該校區(qū)內(nèi)的車(chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心的建筑物的屋頂及墻面受到嚴(yán)重的破壞，其中屋頂?shù)妮p鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部被破壞摧毀，墻面門(mén)窗受到巨大損毀，極具研究?jī)r(jià)值。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種提高建筑物防臺(tái)風(fēng)能力的方法，其可構(gòu)建臺(tái)風(fēng)災(zāi)損建筑物的三維模型，并根據(jù)三維模型對(duì)建筑物的防臺(tái)結(jié)構(gòu)提供具有理論指導(dǎo)。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種提高建筑物防臺(tái)風(fēng)能力的方法，包括如下步驟：

步驟1，構(gòu)建臺(tái)風(fēng)災(zāi)損建筑物的二維線(xiàn)劃圖和三維模型；

步驟2，根據(jù)二維線(xiàn)劃圖和三維模型，統(tǒng)計(jì)建筑物的災(zāi)損結(jié)構(gòu)類(lèi)型及面積，提供相應(yīng)的對(duì)策。

上述步驟1的詳細(xì)步驟是：

a，獲取災(zāi)損建筑物的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

b，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接，從而得到二維線(xiàn)劃圖；

c，對(duì)二維線(xiàn)劃圖配合點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體建模，從而得到建筑物的三維模型。

上述步驟a的詳細(xì)內(nèi)容是：根據(jù)災(zāi)損現(xiàn)場(chǎng)的地形及建筑物的特征，確定掃描站點(diǎn)的布設(shè)方案，并在每個(gè)掃描站點(diǎn)分別設(shè)置三維激光掃描儀，獲取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

上述步驟b中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接前，先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)依次進(jìn)行噪聲剔除、濾波簡(jiǎn)化及點(diǎn)云賦色的處理。

上述對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲剔除的內(nèi)容是：將點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到正交平面上，采用人工交互的方式剔除懸浮在建筑物周?chē)翱罩械纳y點(diǎn)。

上述步驟b的詳細(xì)內(nèi)容是：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接后，定義建筑物的UCS坐標(biāo)系，然后在UCS坐標(biāo)系中對(duì)不同視圖進(jìn)行切片，選擇適當(dāng)?shù)囊晥D對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行描畫(huà)輪廓線(xiàn)，從而得到二維線(xiàn)劃圖。

上述定義建筑物的UCS坐標(biāo)系的方法是：利用HD Modeling軟件中的面擬合以及三面交線(xiàn)的功能得到建筑物對(duì)應(yīng)的三條交線(xiàn)，然后確定出X、Y、Z三軸的方向，建立建筑物的UCS坐標(biāo)系。

上述描畫(huà)輪廓線(xiàn)時(shí)，對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空洞，采用分層切片技術(shù)對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。

上述步驟2中，根據(jù)建筑物的二維線(xiàn)劃圖計(jì)算災(zāi)損面積，根據(jù)三維模型判斷建筑物結(jié)構(gòu)的災(zāi)損類(lèi)型，根據(jù)災(zāi)損類(lèi)型對(duì)建筑物的不同結(jié)構(gòu)采用不同的設(shè)計(jì)方案。

采用上述方案后，本發(fā)明具有以下改進(jìn)：

(1)傳統(tǒng)的人工災(zāi)后野外調(diào)查方法需要大量的人力、物力且效率低下，還存在極大的危險(xiǎn)性，與傳統(tǒng)的臺(tái)風(fēng)房屋損失實(shí)物量評(píng)估方法相比，本發(fā)明采用的地面三維激光掃描技術(shù)(Terrestrial Laser Scanner,TLS)方法可快速、高效、非接觸式地獲取損毀建筑物表面高精度三維信息，因此其較傳統(tǒng)建筑物三維建模方法優(yōu)勢(shì)顯著；

(2)本發(fā)明利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)后的損毀建筑物內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度的現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的正視圖、側(cè)視圖及俯視圖等二維信息的提取，以及損毀房屋面積的精確統(tǒng)計(jì)，損毀輕鋼構(gòu)件的二維線(xiàn)劃信息提取和三維建模分析；

(3)就輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)中損毀巨大的問(wèn)題提出建筑屋面局部節(jié)點(diǎn)加固及門(mén)窗加固的改進(jìn)措施，強(qiáng)調(diào)了輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性；在此基礎(chǔ)上對(duì)損毀嚴(yán)重的輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及損毀的面積進(jìn)行詳細(xì)研究，實(shí)現(xiàn)了任意角度建筑物的表面損毀狀況以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的定量量測(cè)，快速、真實(shí)地還原該建筑物的損毀情況場(chǎng)景，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔管理，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)災(zāi)害信息的永久保留，為科研學(xué)者進(jìn)行災(zāi)后的監(jiān)測(cè)分析提供最原始的數(shù)據(jù)；

(4)本發(fā)明對(duì)開(kāi)展建筑物鋼結(jié)構(gòu)和輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下的風(fēng)致破壞研究分析，對(duì)于提高鋼結(jié)構(gòu)建筑物的整體的抗風(fēng)質(zhì)量、風(fēng)災(zāi)評(píng)估以及防風(fēng)減災(zāi)等具有重要的借鑒意義。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的掃描現(xiàn)場(chǎng)示意圖；

圖2是災(zāi)損建筑物局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的示意圖；

圖3是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲剔除的示意圖；

其中，(a)為原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，(b)為剔除噪聲點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

圖4是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的效果圖；

其中，(a)為匹配效果圖，(b)為賦色效果圖；

圖5是細(xì)部損毀鋼結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖；

圖6是車(chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心損毀建筑物三視圖；

圖7是災(zāi)損建筑物鋼結(jié)構(gòu)框架示意圖；

圖8是災(zāi)損建筑物三維模型示意圖；

其中，(a)為災(zāi)損建筑物鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型示意圖，(b)為災(zāi)損建筑物還原的三維模型示意圖；

圖9是本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖9所示，本發(fā)明提供一種提高建筑物防臺(tái)風(fēng)能力的方法，以下將以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”對(duì)廈門(mén)理工學(xué)院集美校區(qū)造成的損害為例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

1.1研究區(qū)域及方案設(shè)計(jì)

本研究區(qū)域位于廈門(mén)理工學(xué)院集美校區(qū)精工園9號(hào)樓和10號(hào)樓之間的車(chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)基地，該實(shí)驗(yàn)基地是一組鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑，幾何形狀復(fù)雜且細(xì)節(jié)特征豐富等，為滿(mǎn)足損毀房屋精細(xì)化信息提取的要求，需要獲取災(zāi)損房屋現(xiàn)場(chǎng)的高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘。由于該房屋剛受到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的損毀，部分房屋的結(jié)構(gòu)及損毀的輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，存在較大的危險(xiǎn)性，踏勘時(shí)尤其注意的受損房屋結(jié)構(gòu)及周?chē)囊椎魮p物。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)后，了解到該研究區(qū)域地勢(shì)比較平坦，但因該房屋結(jié)構(gòu)受到破壞，若使用人工野外手拉皮尺的測(cè)量調(diào)查，存在一定的危險(xiǎn)性。因此，需要設(shè)計(jì)最優(yōu)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方案，來(lái)保障數(shù)據(jù)收集的安全、后續(xù)的三維建模及分析，尤其屋頂受損嚴(yán)重的關(guān)鍵部位如建筑物本身的重要特性或常規(guī)掃描方案無(wú)法覆蓋的區(qū)域，來(lái)確定作業(yè)的范圍。最終，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形及目標(biāo)對(duì)象的特征初步確定掃描站點(diǎn)的布設(shè)方案。筆者采用FARO Focus^3D三維激光掃描儀對(duì)該損毀房屋進(jìn)行激光掃描，快速構(gòu)建三維信息模型，為災(zāi)后調(diào)查分析提供技術(shù)支撐。

1.2現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集使用的儀器為FARO Focus^3D三維激光掃描儀，該系統(tǒng)主要由掃描頭、控制器及計(jì)算機(jī)組成的，包括LIDAR發(fā)射器、LIDAR接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的濾光鏡及高分辨率相機(jī)、電路板、微電腦和軟件等。FARO Focus3D三維激光掃描儀是基于相位式測(cè)距原理，具有掃描速度快，可達(dá)97萬(wàn)點(diǎn)/秒；掃描精度高(20m內(nèi)分辨率達(dá)1mm)；該掃描儀掃描視場(chǎng)范圍廣為310°×360°(垂直×水平)，可快速、高效、完整地獲取臺(tái)風(fēng)損壞各類(lèi)信息。本研究項(xiàng)目的掃描重點(diǎn)區(qū)域?yàn)檐?chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心房屋屋頂及墻面結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行站點(diǎn)勘查時(shí)先確定掃描站點(diǎn)的視角的覆蓋范圍，尤其要確保完整采集到靶球位置信息，便于后續(xù)各個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)拼接。筆者根據(jù)踏勘災(zāi)損現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)制定了點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方案，共設(shè)置了8個(gè)掃描站點(diǎn)，掃描范圍覆蓋了研究區(qū)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)外部結(jié)構(gòu)特征及地形特征。圖1為該車(chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心損毀房屋的激光掃描現(xiàn)場(chǎng)，圖2為激光掃描獲取的損毀房屋局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)三維激光掃描儀采集得到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要采用FAROscene軟件來(lái)完成。預(yù)處理流程主要包括原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、噪聲剔除、配準(zhǔn)拼接、濾波簡(jiǎn)化、點(diǎn)云賦色以及原始點(diǎn)云導(dǎo)出等，其目是將不同掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確匹配，統(tǒng)一到特定的坐標(biāo)系，以便對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行各類(lèi)信息提取、三維實(shí)體建模以及定量化分析。以下重點(diǎn)論述點(diǎn)云的配準(zhǔn)拼接和點(diǎn)云去噪兩個(gè)預(yù)處理過(guò)程。

2.1.1去噪簡(jiǎn)化

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中，容易受到空氣中的水汽、煙霧，儀器掃描頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抖動(dòng)以及移動(dòng)物體干擾等的周?chē)h(huán)境與自身的影響，以至于產(chǎn)生空中懸浮的散亂點(diǎn)和目標(biāo)物體附近孤立的點(diǎn)等點(diǎn)云噪點(diǎn)。本次數(shù)據(jù)采集處于臺(tái)風(fēng)過(guò)后的秋季，當(dāng)?shù)貧夂驖穸容^大，空氣中的氣溶膠較高，導(dǎo)致激光點(diǎn)云的反射率較低，成團(tuán)聚集的點(diǎn)簇，對(duì)信息提取及模型構(gòu)建影響較大。

噪聲點(diǎn)剔除主要流程是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到正交的平面上，基于各點(diǎn)云的高程信息，采用人工交互的方式剔除懸浮在建筑物周?chē)翱罩械纳y點(diǎn)，如圖3所示。同時(shí)，由于該損毀房屋的目標(biāo)對(duì)象大，單獨(dú)一站的掃描工作無(wú)法完成整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集，三維激光掃描儀需從不同位置、不同視角對(duì)研究進(jìn)行多站、多角度的掃描。而不同的掃描站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，均以各自的掃描儀為原點(diǎn)建立的局部坐標(biāo)系，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接。由于損毀房屋的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，目標(biāo)對(duì)象內(nèi)外共采集8個(gè)掃描站點(diǎn)，數(shù)據(jù)量高達(dá)1.2G，為了降低匹配的復(fù)雜度和誤差，提高配準(zhǔn)的精度和效率，不使用自動(dòng)拼接的方式，本文采用有標(biāo)靶的人工配準(zhǔn)拼接方式。然后，在保證點(diǎn)云精度的前提，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪簡(jiǎn)化，剔除冗余數(shù)據(jù)來(lái)降低原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度，以節(jié)省后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的信息提取及處理的效率。

2.1.2配準(zhǔn)拼接

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)拼接過(guò)程中，將配準(zhǔn)平均誤差小于0.005mm的點(diǎn)視為完全匹配。經(jīng)過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)拼接，最大的配準(zhǔn)偏差為0.0048mm，最小的配準(zhǔn)偏差為0，平均配準(zhǔn)誤差0.0026mm,滿(mǎn)足了完全配準(zhǔn)誤差小于0.005mm的要求?？傻迷撃繕?biāo)對(duì)象損毀房屋的場(chǎng)景掃描以及配準(zhǔn)的精度較高，得到的配準(zhǔn)拼接后如圖4(a)所示。最后，經(jīng)過(guò)地理空間糾正后的掃描儀獲取的實(shí)景照片與激光點(diǎn)云精確配準(zhǔn)，同時(shí)將實(shí)景照片的各像素點(diǎn)的RGB的彩色信息賦值到的激光點(diǎn)云上，實(shí)現(xiàn)研究對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真彩色顯示。在真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，均帶有空間點(diǎn)位的三維可量測(cè)的坐標(biāo)信息，可以更精確、更直觀地獲取屋頂剛結(jié)構(gòu)的損毀信息。最終，賦色后的點(diǎn)云能夠更清晰地顯示車(chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心損壞房屋的完整信息，如圖4(b)所示。

2.2二維信息統(tǒng)計(jì)

配合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的描畫(huà)，即可獲取損毀房屋的二維線(xiàn)劃圖數(shù)據(jù)[13]。本文利用HD Modeling for CAD2013軟件分層切片技術(shù)來(lái)提取損毀房屋的輪廓線(xiàn)。由于該目標(biāo)對(duì)象是類(lèi)似四方形的房屋，首先是定義房屋的UCS坐標(biāo)系，在定義UCS的過(guò)程中，使用HD Modeling軟件中的面擬合以及三面交線(xiàn)的功能得到損毀房屋對(duì)應(yīng)的三條交線(xiàn)，然后確定出X、Y、Z三軸的方向，建立損毀房屋的UCS坐標(biāo)系。接著，在坐標(biāo)系中對(duì)模型的正視圖、俯視圖及側(cè)視圖等不同部位進(jìn)行切片，然后選擇合適視圖對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行描畫(huà)輪廓線(xiàn)。鑒于剔除目標(biāo)對(duì)象周?chē)男∥锛斑\(yùn)動(dòng)物體等噪點(diǎn)后，會(huì)留下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空洞，可采用分層切片技術(shù)對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。同時(shí)，在遇到細(xì)節(jié)特征豐富的損毀房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)及損毀屋頂?shù)葍?nèi)部構(gòu)建情況時(shí)，在切換三種視圖時(shí)不能清楚的提取出輪廓線(xiàn)時(shí)，可借助激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不同位置，不同視角任意選取視角的局部放大圖，提取各個(gè)部件的信息模型，來(lái)更加準(zhǔn)確表達(dá)損毀房屋的真實(shí)形態(tài)結(jié)構(gòu)。圖5為該實(shí)驗(yàn)基地的損毀房屋的細(xì)部的損毀鋼結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出損毀房屋的詳細(xì)、精確的房屋結(jié)構(gòu)：屋脊、屋面檁條、屋面板、屋面梁、檐口檁條、連續(xù)梁框架、端部框架，墻面檁條，墻面卷門(mén)及墻面板等的具體形狀尺寸。通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先,可以提取出建筑物的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖，包括墻面窗戶(hù)、墻面卷門(mén)，以屋頂斜面檁條的具體形狀尺寸，如圖6(a)，以及該房屋結(jié)構(gòu)的正視圖結(jié)構(gòu)輪廓線(xiàn)，以及具體損毀變形的剛卷門(mén)如圖6(b)，還可精細(xì)提取該建筑結(jié)構(gòu)的俯視圖，細(xì)致到屋脊及災(zāi)損后暴露的每一個(gè)屋頂檁條的具體形狀和尺寸，如圖6(c)所示。根據(jù)該建筑物，查看該建筑物的外圍線(xiàn)，可獲得該建筑物的俯視圖面積為1087.3679m²，正視圖面積196.1576m²，側(cè)視圖面積423.0227m2。

通過(guò)前期的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出的二維線(xiàn)劃圖信息中，大致可以得出：此次該建筑物災(zāi)損主要是外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，而鋼結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)保持完好。因此，筆者把該建筑物的災(zāi)損分為屋頂?shù)妮p型鋼板部分、墻面卷門(mén)和墻面輕型鋼板三個(gè)部分來(lái)統(tǒng)計(jì)外圍鋼結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況。(1)首先是屋頂輕型鋼板災(zāi)損統(tǒng)計(jì)，是此次災(zāi)損構(gòu)件面積最大的部分。由圖6(c)可得，包括損毀房屋一、損毀房屋二和車(chē)間部分，由于該建筑物時(shí)斜面屋頂，根據(jù)圖6(a)、圖6(b)可得，損毀房屋一屋頂鋼板面積為：684.4368m²，損毀房屋二屋頂鋼板面積為：461.6829m²，車(chē)間屋頂鋼板的面積為：75.7152m²，總共面積為1221.8349m²；(2)其次是輕型剛卷門(mén)的災(zāi)損面積統(tǒng)計(jì)，主要是靠近道路的房屋卷門(mén)也受損毀，以及該建筑物車(chē)間的各個(gè)卷門(mén)結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，均被超強(qiáng)風(fēng)力摧毀，由圖6(a)、圖6(b)，受損墻面卷門(mén)面積中具體為損毀房屋一：21.1125m²，損毀房屋二：14.5926m²，車(chē)間：142.6173m²，墻面卷門(mén)受損總面積為178.3224m²；(3)再次是墻面輕型鋼板受損，主要是車(chē)間上頂?shù)能?chē)間前部、左部和右部的三個(gè)輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)，面積比較小，損毀面積共45.9405m²。因此，可精確得出此次災(zāi)損的建筑物構(gòu)件的總共受損面積為1446.0978m²；(4)同時(shí)，對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)注時(shí)可提取出損毀房屋各個(gè)視圖損毀構(gòu)件的面積，查看該建筑物的外圍線(xiàn)，最后還可獲得該建筑物的俯視圖占地面積為1087.3679m²，具體如下表1所示。

表1災(zāi)損建筑物面積統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)該災(zāi)損建筑物完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及提取的二維線(xiàn)劃圖的三視圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，該建筑物損毀最嚴(yán)重的是屋頂?shù)妮p鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)、門(mén)窗圍護(hù)結(jié)構(gòu)和墻面圍護(hù)體系。由于該建筑物靠近公路，周?chē)鷽](méi)有圍墻，屋面是一些比較薄的輕型鋼板。此次臺(tái)風(fēng)的超強(qiáng)風(fēng)力使得鋼結(jié)構(gòu)斜屋面的上下氣壓差瞬時(shí)增大，氣流對(duì)屋面產(chǎn)生巨大的向上沖擊壓力，再加上屋面鋪設(shè)的輕型鋼板與主體鋼結(jié)構(gòu)骨架的連接不夠牢固等，因此該鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)拇蟛糠州p型鋼板被摧垮，還有面對(duì)道路的輕剛卷門(mén)和車(chē)間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)也均被摧毀。

2.3三維模型構(gòu)建

利用三維激光掃描儀獲取的目標(biāo)對(duì)象的原始點(diǎn)云是不連續(xù)的離散點(diǎn)，需對(duì)其進(jìn)行建模，變成連續(xù)的面狀可以更加直觀地顯示災(zāi)損建筑物的信息及成因。因此在提取完整的災(zāi)損建筑物二維線(xiàn)劃圖輪廓線(xiàn)后，本文采用HDModeling forCAD2013軟件進(jìn)行災(zāi)損建筑物三維實(shí)體建模，該軟件可配合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間信息，從局部到整體對(duì)建筑物的二維輪廓線(xiàn)進(jìn)行實(shí)體模型的構(gòu)建，并輸出該建筑物的真三維模型。二維線(xiàn)劃圖提取出建筑物外圍結(jié)構(gòu)受損統(tǒng)計(jì)后，在三維模型構(gòu)建中，尤其要注重建筑物內(nèi)部的主體鋼結(jié)構(gòu)框架信息的準(zhǔn)確提取及構(gòu)建，以便后期對(duì)建筑物進(jìn)行仿真分析。該建筑物的主體鋼結(jié)構(gòu)包括屋面頂部的屋脊、屋面檁條、檐口檁條、高強(qiáng)度螺栓、屋面梁、連續(xù)型框架；墻面的檁條、中柱、邊柱、角柱子以及角底螺栓等。筆者通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)并根據(jù)二維線(xiàn)劃圖，對(duì)該災(zāi)損建筑物內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)的框架，進(jìn)行信息提取，最終發(fā)現(xiàn)該建筑物主體鋼結(jié)構(gòu)保存完好，說(shuō)明該建筑物的主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是穩(wěn)定可靠的。圖7為該車(chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心的災(zāi)損建筑物鋼結(jié)構(gòu)框架圖。

同時(shí)，對(duì)該建筑物實(shí)體模型進(jìn)行重構(gòu)，首先，提取并構(gòu)建出屋脊、連續(xù)梁框架、邊柱和角柱等建筑物災(zāi)后主體結(jié)構(gòu)保存完整的實(shí)體框架，以及對(duì)墻面的保存較完整窗戶(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行真三維模型重建。其次，對(duì)于災(zāi)損后的屋面板和墻面板，尤其是損毀嚴(yán)重的車(chē)間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和卷門(mén)結(jié)構(gòu)，根據(jù)該損毀痕跡以及二維線(xiàn)劃圖重構(gòu)出各類(lèi)輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，如圖8(a)所示。通過(guò)HDModeling for CAD2013軟件，對(duì)災(zāi)損的建筑物的各類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損毀部件模型還原，并對(duì)模型進(jìn)行貼圖，可更加直觀地獲取各建筑物部件的三維信息，這些信息均是臺(tái)風(fēng)災(zāi)損后最原始的信息和最可靠的數(shù)據(jù)，可為后期建筑物損毀構(gòu)件修復(fù)提供參考借鑒。最終，災(zāi)損建筑物還原的真三維模型如圖8(b)所示。

2.4結(jié)果分析

通過(guò)二維線(xiàn)劃圖信息統(tǒng)計(jì)得出，此次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，災(zāi)損房屋主要是外圍的輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其中建筑物屋頂輕鋼結(jié)構(gòu)的屋面板及車(chē)間全部被摧毀、墻面的墻面板和輕鋼卷門(mén)結(jié)構(gòu)破壞尤其嚴(yán)重，損毀建筑物構(gòu)件總面積達(dá)1446.0978m²，經(jīng)濟(jì)損失較大；通過(guò)災(zāi)損建筑物框架的三維模型，發(fā)現(xiàn)該建筑物主體框架保持完整。因此，建筑物鋼結(jié)構(gòu)的主體框架設(shè)計(jì)施工規(guī)范是安全穩(wěn)定可靠的，但該建筑物鋼結(jié)構(gòu)外圍的輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)，分析損毀原因并重新改進(jìn)修復(fù)。該建筑物的輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重主要是由于損毀建筑物的屋面是一些比較薄的輕型鋼板，屋面板與剛結(jié)構(gòu)骨架的連接，采用螺栓和拉柳釘連接，且該鋼結(jié)構(gòu)建筑物沒(méi)有圍墻，在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的巨大吸力作用下，屋頂屋面上氣壓瞬間驟減，氣流對(duì)屋面產(chǎn)生極大的向上沖擊壓力，建筑物的輕型屋面板由周邊面支承變?yōu)辄c(diǎn)支承，屋面板和墻板在超強(qiáng)風(fēng)力作用下發(fā)生強(qiáng)烈的沖剪力或面板被拔出而導(dǎo)致的輕型屋面板的嚴(yán)重?fù)p毀。此外，被超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)吹下的圍護(hù)構(gòu)件還對(duì)其它物體砸壞而產(chǎn)生的次生破壞。

本次研究結(jié)果表明，輕鋼房屋維護(hù)結(jié)構(gòu)遭受的風(fēng)致?lián)p壞是造成風(fēng)災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失的最直接的原因，其中屋面、門(mén)窗和墻面的風(fēng)致?lián)p壞是風(fēng)災(zāi)破壞的最主要方面。輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身重量輕，剛度小等特點(diǎn)，風(fēng)荷載往往成為其控制的荷載[14-15]，導(dǎo)致輕鋼結(jié)構(gòu)易損毀，因此，鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)系統(tǒng)應(yīng)引起極大的重視。鋼結(jié)構(gòu)建筑物由于風(fēng)災(zāi)造成的損失居各種自然災(zāi)害之首[16]，所以在臺(tái)風(fēng)多發(fā)的福建地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)引起重視。在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高鋼結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)合的抗風(fēng)能力，減少建筑物的風(fēng)災(zāi)損失，根據(jù)風(fēng)災(zāi)損失的特點(diǎn)和破壞原因。提出減少鋼結(jié)構(gòu)建筑輕鋼圍護(hù)風(fēng)災(zāi)損失的主要措施：

(1)首先，從建筑外形結(jié)構(gòu)和材料布置上考慮抗風(fēng)，合理選用抗風(fēng)能力強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑模型，采用有利于空氣流動(dòng)疏通，不易阻擋風(fēng)的建筑類(lèi)型，同時(shí)對(duì)于墻門(mén)的門(mén)結(jié)構(gòu)，可采用抗風(fēng)能力強(qiáng)的推拉門(mén)，不宜采用抗風(fēng)能力弱的卷簾門(mén)。

(2)針對(duì)此次屋面板全部損毀，對(duì)于輕鋼屋面板和墻面板采用可靠性的連接：盡量減少屋面、墻板的接縫，不適宜采用抗風(fēng)能力較弱的拉柳釘連接，可采用合理的自攻螺絲來(lái)連接屋面板與鋼結(jié)構(gòu)骨架，增強(qiáng)屋面板對(duì)檁條、墻梁以及柱的蒙皮效應(yīng)，從而增加整體結(jié)構(gòu)性能的剛度，來(lái)不斷提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體抗風(fēng)性能，把風(fēng)災(zāi)損失減至最小。同時(shí)采用特殊的鋼板也能減少風(fēng)荷載的作用力，在超強(qiáng)風(fēng)荷載下能夠保持整體建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠。

(3)最后，在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨之前對(duì)輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)及輕鋼卷門(mén)結(jié)構(gòu)的易損部位進(jìn)行加固和危險(xiǎn)排查也是減少風(fēng)災(zāi)損害的有效方法。

3結(jié)論

本實(shí)施例利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)1614號(hào)“莫蘭蒂”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)后的車(chē)輛檢測(cè)與試驗(yàn)中心損毀房屋內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、非接觸式的、高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，并進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的正視圖、側(cè)視圖及俯視圖等二維信息的提取，以及各部分損毀建筑物體系的面積統(tǒng)計(jì)及分析，最后進(jìn)行建筑物真三維模型構(gòu)建；得出該建筑主體鋼結(jié)構(gòu)保存完整，外圍輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，物損毀面積達(dá)1446.0978m²，損毀結(jié)構(gòu)多，經(jīng)濟(jì)損失較大。在此基礎(chǔ)上對(duì)損毀建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息提取以及損毀建筑的面積進(jìn)行詳細(xì)研究，實(shí)現(xiàn)災(zāi)損建筑物的任意方位的表面損毀狀況以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的定量測(cè)量與分析，快速、完整、真實(shí)地還原該建筑物的損毀情況場(chǎng)景，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔管理，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)災(zāi)損信息的永久保留，為科研學(xué)者進(jìn)行災(zāi)損評(píng)估、監(jiān)測(cè)提供最原始的數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，TLS還可在很多復(fù)雜危險(xiǎn)的災(zāi)損環(huán)境下應(yīng)用，未來(lái)必將成為臺(tái)風(fēng)災(zāi)后詳細(xì)評(píng)估、房屋結(jié)構(gòu)損毀調(diào)查及分析的重要手段，對(duì)提高整個(gè)建筑物的抗風(fēng)質(zhì)量、災(zāi)損評(píng)估、決策分析以及防風(fēng)減災(zāi)等具有重要參考意義。未來(lái)，在后續(xù)的工作中還需進(jìn)一步進(jìn)行仿真分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害后更有效的評(píng)估。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。