“松江辰花路二号地块”世茂深坑酒店项目^[1,2,3,4]位于上海松江区天马山的废弃采石坑内，坑深达80m，周长约1 000m，面积约36 800m²，近似呈椭圆形。项目主体建筑设计于深坑内，依崖壁建造，总建筑面积55 058m²，总高度约为74m。采石坑内部勘察深度范围内的地基土为碎石及弱风化岩，结构为两点支撑体系，坑内主体建筑下端通过分块箱形基础和堆石混凝土基础坐落于坑底的弱风化基岩上，上端通过跨越钢桁架支撑与坑口的基础梁连接，由基础梁提供竖向和水平约束。采石坑原貌及酒店效果图分别见图1、图2。

　　 由于本项目设计理念独特，周围地貌环境复杂，基础设计成为最具挑战性的问题之一。岩壁爆破开挖后的形状，无法精确实现预期的设计造型，若采用人工对岩石进行局部修整，则工作量繁重而不现实。因此，只能对原始设计方案进行局部调整。如何调整优化方案才能保证主体结构-紧贴岩壁而不发生碰撞，是建筑设计师面临的难题。采用传统测绘方法已经无法满足项目设计精度和工程进度的要求。

　　 为此，本项目采用了三维激光扫描技术，进行逆向重构，在极短时间内获取坑内复杂岩体的三维可视化模型，以此为参照，实现结构基础与深坑周围岩壁的三维协同设计，为方案的深化提供了精确的地貌资料。

　　 三维激光扫描技术^[5]能够快速、全面、海量地获得原始点云数据，并利用点云数据，完整高精度地重建被测物体。进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等数据，进行各种后处理分析。与传统测绘手段相比，三维激光扫描技术具有密度高、精度高、速度快、全数字化、非接触性等优点^[6,7,8]。在国内外被广泛应用于数字城市建设、滑坡监测、变形监测、地形测绘、建筑测绘、文物保护、三维模型重构、土石方算量等领域^[9,10]。

　　 根据三维激光扫描技术的特点，将其引入深坑复杂地貌的测绘工作，形成复杂地貌三维激光扫描测绘技术，以实现高效、便捷、准确的目的。复杂地貌三维激光扫描关键技术路线如图3所示。

　　 本次扫描作业采用徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪进行，如图4所示。

　　 为得到后续逼真的三维模型，在实际条件允许的情况下，要尽可能从各个角度去对实物进行扫描，因此需要合理地选择站点，每两个将进行拼接的站之间至少要有15%以上的重合区域，且重合区域要有比较明显的特点，为后续的点云数据拼接创造条件。经现场勘查后，在深坑底部中心点附近及深坑顶部岩壁周边各布置3个测站，其中测站1,2,7位于坑顶，测站3,4,5位于坑底，测站6因操作失误而剔除。通过这6个测站的扫描结果，可以完整地反映深坑岩壁的基本特征。测站布置如图5所示。

　　 标靶用来进行两站的点云数据配准拼接，每两站之间至少设置三个标靶。标靶应布设在至少前后两站均能看到的视野范围内，尽量让最多的测站可识别同一位置的标靶，以减少标靶布设次数，一方面提高外业扫描速度，另一方面提高后期内业点云拼接精度，减小拼接误差。将扫描仪扫描精度设置为高分辨率的扫描标靶，以便能准确地提取靶标中心点。为了防止标靶挪动和丢失，需在一站扫描结束后立即扫描标靶。

　　 为获取三维点云数据，将三维激光扫描仪逐一放置在选定的6个测站进行扫描(实际扫描7站，其中测站6因操作失误而剔除)。在扫描过程中，应保证扫描范围内无人走动，避免因遮挡而产生噪点，影响后期点云处理。整个深坑现场测绘时间(包括转站)约4h。采用三维激光扫描技术不仅测量速度快，而且可以清晰精确地反映岩石细节特征，如颜色、表面纹理裂隙等信息。如图6所示，为深坑岩壁局部纹理点云数据。

　　 为了得到深坑岩体的完整信息，需要将各站扫描的点云导入后处理软件Cyclone中进行拼接总装。软件自动选取两站中3个以上同名控制点(即上述标靶)实行拼接，拼接完成的数据后，再次利用数据融合功能将重合部分的数据进行归并，以避免数据的冗余和不一致。经过拼接后，各站点云数据处于统一的坐标系中，形成山体完整点云数据模型。

　　 此次拼接完成后，各测站之间的最大拼接误差为0.014m，针对地形如此复杂且面积巨大的深坑，已经十分精确，在可接受范围内。拼接过程中局部误差信息示意图如图7所示。

　　 噪点^[4]将导致点云数据含有偏差，对后期利用点云数据建立三维曲面模型会产生较大影响。因此点云数据拼接后的预处理工作，必须要清除一些不正确的数据，获取有效数据，才可继续进行后续操作。

　　 现场扫描作业时，前后两测站不可避免地会存在重叠区域，因此点云数据拼接完成后，会出现同一位置上点云数据重复，导致点云数据量巨大。因此需要对点云数据进行抽稀，尽量精简点云数据量，从而缩短计算机的计算时间，提高效率。

　　 图7 Cyclone点云拼接过中局部误差信息示意图

　　 去噪抽稀前深坑点云数据如图8所示，点云数量约2亿;去噪抽稀后深坑点云数据如图9所示，点云数量约4千万。通过去噪和抽稀，极大地减少了点云数据，提高了计算机处理效率。

　　 深坑复杂岩壁三维模型对酒店主体结构设计和施工具有至关重要的作用。通过三维激光扫描技术逆向重构岩壁三维模型，再导入酒店结构地基基础，进行精确定位，不仅仅是建筑主体内部各专业的协同设计，而且实现了建筑主体与周围岩壁环境的可视化协同设计。从而优化结构地基基础设计，将施工过程中可能发生的问题提前解决，及时发现错、漏、碰、缺等问题，避免了重复与返工，节约了大量时间和成本。

　　 目前，基于点云的三维建模方法主要有以下几种:1)对于常规几何体，采用Cyclone等软件自动匹配建模;2)以点云作为背景底图，采用Rhino等软件人工手动建模;3)基于Geomagic多边形的不规则曲面建模。其中，第一种方法只适用于那些与软件中所包含的常用几何形体相一致的目标实体组件，对于不能分解为常用几何形体的目标实体组成部分则是无效的。第二种方法工作量巨大且需要丰富的建模经验。第三种方法是最方便也是最贴近被测物实际的方法，由该方法建立的模型数据文件庞大，常常采用对不关心区域进行网格简化处理以减少对计算机资源的占用。如图10所示，将处理好的深坑点云数据导入Geomagic后，采用多边形网格建模，辅以手动修复补齐漏洞缺陷，迅速形成深坑岩壁的复杂三维实体模型。

　　 深坑岩壁采用爆破的方式开挖，一方面无法保证爆破完成面能精确符合设计要求，另一方面，考虑到安全因素，某些范围不能继续爆破，只能对建筑方案、基础布置做出调整。如图11所示，主体结构地基基础三维模型导入岩壁三维模型后，某局部区域爆破完成面与原始基础承台设计对比，可直观发现承台底面距爆破完成面约3.07～3.50m(图11(a))。最终，此处采用回填混凝土的方式使地基基础达到设计标高要求。

　　 基础通过回填混凝土来找平高差较大的坑底岩面。设计遵循以下原则要求:1)保证放坡构造要求;2)回填混凝土方量尽量少;3)基础外轮廓贴近建筑外形而呈现圆弧状。

　　 由于原设计中相邻承台间水平间距较小，为满足安全放坡构造要求，相邻承台间的垂直落差不能过大，同时还需兼顾工程混凝土用量，因此上述调整过程涉及多因素的影响。为此，以回填混凝土用量最少为目标变量，以承台标高为设计变量，以承台与岩面间距、承台之间垂直间距为限值变量，基于Grasshopper平台，编制优化设计程序，实现计算机自动化设计，对承台布置方案调整，保证回填混凝土用量少且放坡安全，如图12所示。

　　 主体结构BIM模型导入岩壁三维模型后，可以进一步直观发现建筑结构与深坑岩壁环境的位置关系。例如原建筑楼梯设计方案与岩壁发生了碰撞，此时若对岩壁进一步爆破开挖可能会引起岩壁安全问题。最终确定对建筑方案进行调整，将楼梯间旋转90°放置，避免与岩壁碰撞。建筑方案调整后，进而结构、暖通、给排水等其他专业进行了相应的联动调整。在规范许可的前提下，使各种构件、管线尽量最大限度地满足建筑空间要求。从而避免因各专业管线互相挤占冲突而造成的返工、延误工期，节省项目成本。

　　 通过三维扫描迅速获得深坑岩壁爆破开挖前后的三维模型，利用爆破开挖前后的三维模型进行岩石爆破方量计算和碎石混凝土基础填方量计算准确而高效。解决了复杂地形下采用传统土方量勘测统计难度大的问题。

　　 如图13所示，曲线根据爆破前岩壁扫描结果绘制而成，与爆破后岩壁扫描结果对比，可计算出爆破方量。如图14所示，根据设计承台标高，绘制回填混凝土的三维模型，从而统计出回填混凝土方量。

　　 深坑岩石地基与上部的回填混凝土之间交界面复杂，由于地质、材料、施工等因素的影响，交界面可能出现抗剪强度较低等情况，引起回填混凝土滑移失稳等事故发生。

　　 因此需要对回填混凝土进行稳定性分析。而如此复杂的地形，如何建立有限元模型，成为稳定性分析的难点。利用三维激光扫描逆向重构技术，将由点云生成的深坑岩壁三维模型与回填混凝土三维模型一起导入到通用有限元程序ANSYS，进行网格划分，迅速建立有限元模型，如图15所示。

　　 利用三维激光扫描技术，可以迅速方便地获得复杂地形地貌的等高线图，解决了传统测绘方法需要耗费大量人力和时间的缺点。

　　 将三维激光扫描得到的三维点云数据模型导入Rhino软件中，首先沿竖直方向，在不同标高处(例如每隔200mm)对点云数据进行水平切面，然后将同一标高处的点云采用曲线连接描绘，最终形成整体深坑的等高线图，如图16所示。

　　 图1 4 回填混凝土方量计算示意

　　  

　　 图1 5 有限元计算模型

　　 与传统测绘手段相比，三维激光扫描技术具有密度高、精度高、速度快、全数字化、非接触性等优点。将其引入深坑复杂地貌的测绘工作，形成复杂地貌三维激光扫描测绘技术，以实现高效、便捷、准确的目的。在本工程的应用中解决了如下难题:1)迅速建立深坑复杂地貌的三维可视化模型;2)检查承台标高与深坑岩壁的位置关系;3)对基础承台优化设计，确定回填混凝土量;4)将深坑岩壁三维模型与建筑主体模型结合进行碰撞分析，及时调整建筑方案;4)其他如土方量统计、有限元建模以及等高线绘制等。采用三维激光扫描技术不仅大大减少现场测量时间和往返现场的次数，而且测绘结果详尽、精度高。利用三维激光扫描技术得到的三维模型，进行可视化协同设计，极大提高了设计人员的工作效率，避免了施工过程才发现问题而返工。　  

　　 基于本工程形成的复杂地貌三维激光扫描测绘技术，是三维激光扫描技术在土木工程领域的有益尝试，也为其他类似工程提供了重要的借鉴意义。