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在北京工人体育场改造工程中对历史记忆构件进行保护及原貌复现。利用三维激光扫描技术对外侧九座雕塑进行数字建模，包括扫描环境处理、布站选点、外业扫描、点云数据拼接。介绍了外墙窗花保护性拆除、三维激光扫描及3D打印原貌复现的工程实践细节。实践经验表明：三维激光扫描技术生成的数字模型准确性较高，3D打印技术在制作复杂的结构构件上具有较强的实用性，二者结合可以用于保护和复现历史记忆构件。
0引言作为北京市极具代表性的地标建筑之一，北京工人体育场经历了60年风雨，举办过数千场赛事及演艺活动。因此，在改造重建施工过程中一项十分重要的任务是保留或原貌复现承载着人民群众美好记忆的历史构件。
其中需要保留的构件分为功能性构件与历史记忆构件：功能性构件指的是在旧体育馆中具有特定功能且可以在重建后的新体育馆继续使用的构件，如看台座椅、看台大屏幕、监控设备、电气设备、循环设备、消防设备、灯光音响设备等；历史记忆构件指的是旧体育馆中具有人文与艺术价值且主要起装饰性作用的构件，包括旧体育馆外墙窗花、浮雕以及场馆外围雕塑等。
对于功能性构件，在拆除及保留过程中的要求是维护其基本功能的正常使用，主要方式是整体拆除后通过吊车及升降机挪移到库房中储存，对于构件的整体外形的完整性及构件原貌的恢复性没有要求。
而对于历史记忆构件则需要满足《文物运输包装规范》(GB/T—)的要求，对于在重建施工过程中可以直接拆除的历史性构件，除了要保证拆除和储运过程中构件整体外观的完整性，还要在拆除前记录好构件的原貌及朝向位置等信息；对于重建施工过程中无法保留的历史记忆构件，则需要利用技术手段记录其原貌，并在重建过程中对这一类构件实现完整复现。
记录历史记忆构件原貌信息可以通过三维激光扫描技术；而对于无法在重建施工中保留的历史记忆构件，则需要在三维激光扫描模型的基础上利用3D打印技术，在新建体育馆结构上重建构件。
三维激光扫描技术出现于20世纪90年代，是继GPS技术之后在测绘学领域内的又一场技术革命。其特点是可以捕捉被测量物体的三维空间信息，与传统的二维测量技术相比可以更加全面地记录测量物体的整体信息。
三维激光扫描技术的基本原理是通过激光测距手段得到被测物体表面上的点与测量点之间的位置信息，然后将扫描出的点整合形成点云图，将点云图进行信息筛选、坐标变换后得到被测物体表面的整体信息。随着三维激光扫描技术的发展，可扫描物体的大小与扫描精度不断提高，三维激光扫描技术在建筑结构工程上有了广泛的应用。
3D打印技术是20世纪80年代逐渐兴起的一项新兴制造技术，其以数字模型为基础，运用计算机自动控制技术，通过逐层打印的方式构造三维实体的快速制造工艺。随着3D打印技术的不断成熟，这一技术也被应用到了建筑行业，大大加快了施工速度，极大降低了劳动强度，实现了建筑物美观与实用的要求。
本文介绍了北京工人体育场的重建施工过程中，采取三维激光扫描技术与3D打印技术，保留及重现两类历史记忆构件的工程实践，以期为国内外相似工程案例提供参考。
1基于三维激光扫描技术的雕塑原貌信息测量与建模北京工人体育场重建施工过程中需要挪移的历史记忆构件包括体育场馆外围道路侧共九座雕塑，这九座雕塑为年建设北京工人体育场时设立的，反映了我国当时的雕塑水准与文化风貌，承载了六十多年来人民群众的工体记忆。雕塑的整体分布位置及部分雕塑的实景如图1所示。
图1雕塑分布位置示意图与雕塑实景图
在北京工人体育场外分布的九座雕塑中，八座为表现具体运动种类的雕塑，高度2.8~3.7m，雕塑人像下部为2步混凝土地台，尺寸约为2.5m×2.5m×0.2m，地台下为基础，尺寸约为3m×3m×1.5m。北门雕塑为群像雕塑(编号为9)，高8.4m，下部为1步多边形混凝土地台，尺寸为3.6m×3.8m×0.25m，基础尺寸为5.4m×3.8m×2.5m。
使用TrimbleTX5手持三维激光扫描仪对体育馆外雕塑进行扫描，并制作了相应的数字模型。TrimbleTX5为便携性三维激光扫描仪，最大扫描距离m，精度可达2mm，能够以点每秒的速度进行测量，同时还集成了彩色相机，可以与扫描形成的数字模型合并贴图得到三维彩色模型，三维激光扫描仪外形见图2。
图2TrimbleTX5三维激光扫描仪
三维激光扫描的主要步骤包括：
(1)扫描环境处理。对扫描对象及周边整体环境进行清理，减少周边行人、汽车等运动物体对模型产生的额外噪影；对光照情况进行适当调整，由于白色雕塑反光较为强烈，因此不宜在过于强烈的阳光直射环境下进行扫描。
(2)测站分布及控制点选点测量。雕塑尺寸均比较大，为得到各个角度的模型信息，每件雕塑在4个不同角度及2个不同高度共8个控制点进行三维扫描。对于雕塑不同角度点云密度不够的情况增布测站。
(3)外业扫描。对于每件雕塑，在选取的8个控制点架设TrimbleTX5手持三维激光扫描仪，对雕塑进行实地三维扫描。
(4)点云数据拼接。目前商业三维激光扫描仪均依据特定产品的特点配置了对应的点云数据拼接算法，这些算法的基本步骤包括：根据扫描参照点确定点云角度，进行坐标变换；选取扫描主体，去除周围环境噪点；选取不同角度特征点，进行点云数据粗拼；调整拼接角度及特征点位置，进行点云数据细拼；生成三维模型，进行环境渲染。
图3武术雕塑三维激光扫描最终模型
图3展示了5号武术雕塑在三维激光扫描的两个阶段中得到的武术运动员雕塑的划分区域、去除噪影后的最终模型。根据九座雕塑的数字模型，可以进一步分析得到雕塑的整体体积及预估重量，为后续的吊装工作提供参考。九座雕塑的体积及质量见表1。
2基于激光扫描技术及3D打印技术的场馆外墙窗花建模与复现在北京工人体育场的重建施工过程中，为了与旧的工人体育场传统外观保持一致，新的体育馆外墙窗花需要对旧场馆进行原貌复现。考虑到原窗花具有复杂的三维内部构造，在施工中首先利用三维激光扫描仪对单个窗花结构进行建模，之后采用了高精度数字化模型技术，通过使用触变性好、凝结时间可控和强度发展快的混凝土，实现无模板布料逐层堆叠成形，进而达到窗花原貌复刻的效果。
原北京工人体育场的单个窗花尺寸约为mm×mm×mm，位于体育场挑檐下方距离地面18m高的位置。施工过程首先是对原有窗花进行保护性拆除取样，对窗花四周进行开空，之后在窗花内侧对窗花内附着的墙体进行凿除，使窗花与内附着墙体分离，同时外侧对窗花进行实时保护。内侧墙体全部分离后，外侧继续对窗花四周进行钳孔切割，直至使窗花与原墙面完全分割分离。窗花的保护性拆除施工取样过程见图4。
图4外墙原有窗花保护性拆除施工取样过程
窗花与原有墙面完全分割后分成上下两部分，将窗花用毛毡包裹，用汽车吊运至地面，通过三维激光扫描将窗花各项数据进行搜集汇总。当信息采集完成后，用50mm厚橡塑保温包裹放入专用文物箱进行保护。窗花的三维激光扫描采取了与雕塑的三维激光扫描相同的做法。之后将三维激光扫描后的模型进行处理并转化为3D打印模型，采用三维绘图软件Rhino对重建的模型进行3D打印，导入的三维窗花模型见图5。
图5导入到3D打印装置的窗花数字模型
窗花的建筑3D打印技术主要是针对混凝土进行打印，将配置好的混凝土浆体通过机械挤出装置，在三维软件的控制下，按照预先设置好的打印程序，由喷嘴挤出进行打印，最终得到设计要求的混凝土构件。
图63D打印设备示意图
本项目使用的3D打印设备型号是AFS-J喷墨砂型打印设备(图6)，是以喷墨原理将粘合剂喷射到专用砂材与固化剂的混合平台上，通过逐层凝固成形并最终获得铸造砂型，打印精度为(±0.3mm)。
主体结构主要由打印主机、搅拌输送系统、打印喷头等部分组成。搅拌输送系统由搅拌系统和输送系统组成，实现水泥基原材料的搅拌功能，并将搅拌合适的水泥基原材料输送至打印喷头进行打印，为3D打印提供性能合适、稳定且速度匹配的打印原材料。
打印喷头用于实现水泥基材料的挤出成形，是成形材料的输出端口，混凝土浆体通过打印喷头进行打印，因此配置浆体中颗粒大小要由喷头的大小决定，并需严格控制，杜绝大颗粒集料的出现，在打印过程中不致堵塞，以保证浆体顺利挤出，保证成形的质量及尺寸打印原材料包括专用水泥、耐碱玻璃纤维、水、石英砂，并采用玻璃纤维增强混凝土(glassfiberreinforcedconcrete，GRC)板专用抗老化剂，使用GRC板专用乳液作为封闭剂，增加制品的强度并降低吸水率。
为保证结构层的整体性，在结构料喷射完成后、初凝前预埋了螺纹钢加工成的套筒，预埋件长度为80mm，内螺纹为M20，内丝长度不小于40mm，套筒底部安装防拉拔加固钢筋，加固钢筋长度为mm，外径为8mm，预埋件位置如图7(a)所示。3D打印喷射成形后需要对打印件进行养护，温度在25~35℃之间。GRC板初凝后用塑料薄膜覆盖，养护时间28d以上，打印好的窗花结构如图7(b)所示。
图7预埋件位置及3D打印窗花示意图
3结论本文介绍了在北京工人体育场重建施工过程中为保护历史记忆构件采用的三维激光扫描技术与3D打印技术工程实践，得出主要结论如下：
(1)三维激光扫描技术在生成历史记忆构件的施工中较为实用，对于大尺度的雕塑、窗花等历史记忆构件具有较好的精度，生成的数字模型准确性较高，工程应用前景广阔。
(2)3D打印技术在生成复杂结构的建筑构件上具有较强的实用性，与三维激光扫描技术配合可以十分准确地实现历史记忆构件工程复现。
本文转自《建筑结构》——北京工人体育场历史记忆构件保护挪移和复现，作者王猛，李欣等；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！
