一种提高建筑物防台风能力的方法技术领域
本发明涉及一种台风天气建筑物结构设计方法，特别涉及一种提高建筑物防台风
能力的方法。
背景技术
我国福建沿海地带是台风的易发地区，历史上曾有多次超强台风在此登陆，均给
当地造成了大量的房屋破坏。2016年9月15日凌晨3时5分在厦门市翔安区登入的该年太平
洋第14号超强台风“莫兰蒂”中心附近最大风力达到17级以上(68m/s)，是自建国以来登入
闽南地区的最强台风，对沿途的区域造成了超级严重的破坏，尤其是轻钢建筑物、道路树
木、指示牌以及广告牌等严重损毁。此次超强台风的风力威猛，对沿途造成的经济损失惨
重。台风过后的建筑损失实物量评估是防灾减灾科学决策的重要基础，如何完整可靠地检
测台风损毁建筑是损失实物量评估的前提。传统灾后调查统计是采用人工野外作业方法，
需要大量的人力、物力，采集数据效率低下且精度差，同时在调查灾损建筑过程中，存在极
大的危险性。应用遥感技术可以大范围、快速获取台风造成的大面积建筑物破坏信息并进
行损失评估，对于抗台救灾快速响应，减少灾损和灾后重建等具有重要意义。传统光学及雷
达遥感技术获取的建筑物破坏信息是宏观的，虽能较好地识别顶面破坏及完全倒塌的建筑
物信息，但无法反映建筑物内部结构和外立面的破坏情况；对于结构已经破坏，但顶面基本
完好的建筑的识别能力更低，影响灾损评估精度，TLS技术则可以获取灾损建筑物结构的高
精度空间三维信息，实现任意角度建筑物的屋顶及侧面损毁状况及周围地形特征的定量量
测[1]。
地面三维激光扫描技术(TLS)是继GPS技术之后的又一项测绘新技术，可快速、非
接触、高精度地获取目标对象表面高密度的空间三维坐标，并实现信息提取与建模。早期主
要应用在建筑物文物修复及机械设备逆向工程检测。近年来，TLS技术不断发展并日益成
熟，其应用领域已经拓展到土木工程、地质调查、地形测绘、数字城市以及灾害监测等多个
领域，比如古建筑文物保护[2]，高层建筑仿真分析[3]，地质滑坡监测[4],道路建模[5]，自
然灾害监测[6]，数字城市
[7]等。在国外，如Pesci等[8]等对意大利两座斜塔进行了三维数字化模型构建，
结果为斜塔的监测和维护提供了准确数据来源；I.Stamos等[9]成功的研制出一套相对全
面的三维激光测量系统，利用获取到的三维数据信息，进行软件制作出建筑工程所需的成
果。在国内，赵煦等[10]通过纠正的数字影像纹理映射到云岗石窟点云上，生成完整的三维
景观，并实现文物立面的三维重建。李必军等[11]从三维激光扫描点云数据中提取出了的
建筑物特征线并恢复建筑物的三维模型和可视化表达。赵彬等[12]等开展了三维几何模型
的纹理映射技术研究，其基于ICP算法实现了点云与纹理数据的配准并较好地解决了纹理
数据间的平滑处理。这些研究都已获得了良好的成果，但尚无有关台风作用下灾后建筑结
构信息三维建模与统计分析的报道。
2016年9月“莫兰蒂”超强台风使正好位于台风登入过境的厦门理工学院集美校区
惨遭破坏，该校区内的车辆检测与试验中心的建筑物的屋顶及墙面受到严重的破坏，其中
屋顶的轻钢围护结构全部被破坏摧毁，墙面门窗受到巨大损毁，极具研究价值。
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发明内容
本发明的目的，在于提供一种提高建筑物防台风能力的方法，其可构建台风灾损
建筑物的三维模型，并根据三维模型对建筑物的防台结构提供具有理论指导。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种提高建筑物防台风能力的方法，包括如下步骤：
步骤1，构建台风灾损建筑物的二维线划图和三维模型；
步骤2，根据二维线划图和三维模型，统计建筑物的灾损结构类型及面积，提供相
应的对策。
上述步骤1的详细步骤是：
a，获取灾损建筑物的激光点云数据；
b，对点云数据进行配准拼接，从而得到二维线划图；
c，对二维线划图配合点云数据进行实体建模，从而得到建筑物的三维模型。
上述步骤a的详细内容是：根据灾损现场的地形及建筑物的特征，确定扫描站点的
布设方案，并在每个扫描站点分别设置三维激光扫描仪，获取建筑物的点云数据。
上述步骤b中，对点云数据进行配准拼接前，先对点云数据依次进行噪声剔除、滤
波简化及点云赋色的处理。
上述对点云数据进行噪声剔除的内容是：将点云数据投影到正交平面上，采用人
工交互的方式剔除悬浮在建筑物周围及空中的散乱点。
上述步骤b的详细内容是：对点云数据进行配准拼接后，定义建筑物的UCS坐标系，
然后在UCS坐标系中对不同视图进行切片，选择适当的视图对点云数据进行描画轮廓线，从
而得到二维线划图。
上述定义建筑物的UCS坐标系的方法是：利用HD Modeling软件中的面拟合以及三
面交线的功能得到建筑物对应的三条交线，然后确定出X、Y、Z三轴的方向，建立建筑物的
UCS坐标系。
上述描画轮廓线时，对于点云数据的空洞，采用分层切片技术对缺失的数据进行
曲线拟合。
上述步骤2中，根据建筑物的二维线划图计算灾损面积，根据三维模型判断建筑物
结构的灾损类型，根据灾损类型对建筑物的不同结构采用不同的设计方案。
采用上述方案后，本发明具有以下改进：
(1)传统的人工灾后野外调查方法需要大量的人力、物力且效率低下，还存在极大
的危险性，与传统的台风房屋损失实物量评估方法相比，本发明采用的地面三维激光扫描
技术(Terrestrial Laser Scanner,TLS)方法可快速、高效、非接触式地获取损毁建筑物表
面高精度三维信息，因此其较传统建筑物三维建模方法优势显著；
(2)本发明利用三维激光扫描技术对台风灾后的损毁建筑物内外部结构进行高精
度的现场点云数据获取，进行该结构的正视图、侧视图及俯视图等二维信息的提取，以及损
毁房屋面积的精确统计，损毁轻钢构件的二维线划信息提取和三维建模分析；
(3)就轻钢围护结构在台风中损毁巨大的问题提出建筑屋面局部节点加固及门窗
加固的改进措施，强调了轻钢围护结构设计的必要性；在此基础上对损毁严重的轻钢围护
结构以及损毁的面积进行详细研究，实现了任意角度建筑物的表面损毁状况以及内部结构
特征的定量量测，快速、真实地还原该建筑物的损毁情况场景，并对数据进行存档管理，实
现了台风灾害信息的永久保留，为科研学者进行灾后的监测分析提供最原始的数据；
(4)本发明对开展建筑物钢结构和轻钢围护结构在超强台风作用下的风致破坏研
究分析，对于提高钢结构建筑物的整体的抗风质量、风灾评估以及防风减灾等具有重要的
借鉴意义。
附图说明
图1是本发明实施例的扫描现场示意图；
图2是灾损建筑物局部点云数据的示意图；
图3是对点云数据进行噪声剔除的示意图；
其中，(a)为原始点云数据，(b)为剔除噪声点后的点云数据；
图4是对点云数据进行预处理的效果图；
其中，(a)为匹配效果图，(b)为赋色效果图；
图5是细部损毁钢结构的点云数据示意图；
图6是车辆检测与试验中心损毁建筑物三视图；
图7是灾损建筑物钢结构框架示意图；
图8是灾损建筑物三维模型示意图；
其中，(a)为灾损建筑物钢结构实体模型示意图，(b)为灾损建筑物还原的三维模
型示意图；
图9是本发明的流程图。
具体实施方式
如图9所示，本发明提供一种提高建筑物防台风能力的方法，以下将以超强台风
“莫兰蒂”对厦门理工学院集美校区造成的损害为例，对本发明的技术方案进行详细说明。
1数据采集方案设计
1.1研究区域及方案设计
本研究区域位于厦门理工学院集美校区精工园9号楼和10号楼之间的车辆检测与
试验中心实验基地，该实验基地是一组钢结构房屋建筑，几何形状复杂且细节特征丰富等，
为满足损毁房屋精细化信息提取的要求，需要获取灾损房屋现场的高精度激光点云数据。
首先，进行现场踏勘。由于该房屋刚受到超强台风的损毁，部分房屋的结构及损毁的轻钢围
护结构很不稳定，存在较大的危险性，踏勘时尤其注意的受损房屋结构及周围的易掉损物。
经过现场勘测后，了解到该研究区域地势比较平坦，但因该房屋结构受到破坏，若使用人工
野外手拉皮尺的测量调查，存在一定的危险性。因此，需要设计最优的激光点云数据采集方
案，来保障数据收集的安全、后续的三维建模及分析，尤其屋顶受损严重的关键部位如建筑
物本身的重要特性或常规扫描方案无法覆盖的区域，来确定作业的范围。最终，根据现场的
地形及目标对象的特征初步确定扫描站点的布设方案。笔者采用FARO Focus3D三维激光扫
描仪对该损毁房屋进行激光扫描，快速构建三维信息模型，为灾后调查分析提供技术支撑。
1.2现场数据采集
本次数据采集使用的仪器为FARO Focus3D三维激光扫描仪，该系统主要由扫描头、
控制器及计算机组成的，包括LIDAR发射器、LIDAR接收器、时间计数器、可自动旋转的滤光
镜及高分辨率相机、电路板、微电脑和软件等。FARO Focus3D三维激光扫描仪是基于相位式
测距原理，具有扫描速度快，可达97万点/秒；扫描精度高(20m内分辨率达1mm)；该扫描仪扫
描视场范围广为310°×360°(垂直×水平)，可快速、高效、完整地获取台风损坏各类信息。
本研究项目的扫描重点区域为车辆检测与试验中心房屋屋顶及墙面结构。在进行站点勘查
时先确定扫描站点的视角的覆盖范围，尤其要确保完整采集到靶球位置信息，便于后续各
个站点的点云数据的配准拼接。笔者根据踏勘灾损现场的实际情况设计制定了点云数据采
集方案，共设置了8个扫描站点，扫描范围覆盖了研究区内的钢结构建筑物内外部结构特征
及地形特征。图1为该车辆检测与试验中心损毁房屋的激光扫描现场，图2为激光扫描获取
的损毁房屋局部点云数据。
2数据处理及结果分析
2.1点云数据预处理
对三维激光扫描仪采集得到的激光点云数据的预处理主要采用FAROscene软件来
完成。预处理流程主要包括原始点云数据导入、噪声剔除、配准拼接、滤波简化、点云赋色以
及原始点云导出等，其目是将不同扫描站点的点云数据精确匹配，统一到特定的坐标系，以
便对研究对象进行各类信息提取、三维实体建模以及定量化分析。以下重点论述点云的配
准拼接和点云去噪两个预处理过程。
2.1.1去噪简化
激光点云数据在采集过程中，容易受到空气中的水汽、烟雾，仪器扫描头旋转产生
的抖动以及移动物体干扰等的周围环境与自身的影响，以至于产生空中悬浮的散乱点和目
标物体附近孤立的点等点云噪点。本次数据采集处于台风过后的秋季，当地气候湿度较大，
空气中的气溶胶较高，导致激光点云的反射率较低，成团聚集的点簇，对信息提取及模型构
建影响较大。
噪声点剔除主要流程是将点云数据投影到正交的平面上，基于各点云的高程信
息，采用人工交互的方式剔除悬浮在建筑物周围及空中的散乱点，如图3所示。同时，由于该
损毁房屋的目标对象大，单独一站的扫描工作无法完成整个场景的数据采集，三维激光扫
描仪需从不同位置、不同视角对研究进行多站、多角度的扫描。而不同的扫描站的点云数
据，均以各自的扫描仪为原点建立的局部坐标系，需对点云数据进行配准拼接。由于损毁房
屋的激光点云数据量大，目标对象内外共采集8个扫描站点，数据量高达1.2G，为了降低匹
配的复杂度和误差，提高配准的精度和效率，不使用自动拼接的方式，本文采用有标靶的人
工配准拼接方式。然后，在保证点云精度的前提，对点云数据进行去噪简化，剔除冗余数据
来降低原始点云数据的密度，以节省后续点云数据的信息提取及处理的效率。
2.1.2配准拼接
在点云数据的配准拼接过程中，将配准平均误差小于0.005mm的点视为完全匹配。
经过点云数据的配准拼接，最大的配准偏差为0.0048mm，最小的配准偏差为0，平均配准误
差0.0026mm,满足了完全配准误差小于0.005mm的要求。可得该目标对象损毁房屋的场景扫
描以及配准的精度较高，得到的配准拼接后如图4(a)所示。最后，经过地理空间纠正后的扫
描仪获取的实景照片与激光点云精确配准，同时将实景照片的各像素点的RGB的彩色信息
赋值到的激光点云上，实现研究对象点云数据的真彩色显示。在真彩色点云数据上，均带有
空间点位的三维可量测的坐标信息，可以更精确、更直观地获取屋顶刚结构的损毁信息。最
终，赋色后的点云能够更清晰地显示车辆检测与试验中心损坏房屋的完整信息，如图4(b)
所示。
2.2二维信息统计
配合激光点云数据对目标对象的描画，即可获取损毁房屋的二维线划图数据
[13]。本文利用HD Modeling for CAD2013软件分层切片技术来提取损毁房屋的轮廓线。由
于该目标对象是类似四方形的房屋，首先是定义房屋的UCS坐标系，在定义UCS的过程中，使
用HD Modeling软件中的面拟合以及三面交线的功能得到损毁房屋对应的三条交线，然后
确定出X、Y、Z三轴的方向，建立损毁房屋的UCS坐标系。接着，在坐标系中对模型的正视图、
俯视图及侧视图等不同部位进行切片，然后选择合适视图对激光点云进行描画轮廓线。鉴
于剔除目标对象周围的小物件及运动物体等噪点后，会留下点云数据的空洞，可采用分层
切片技术对缺失的数据进行曲线拟合。同时，在遇到细节特征丰富的损毁房屋围护结构及
损毁屋顶等内部构建情况时，在切换三种视图时不能清楚的提取出轮廓线时，可借助激光
点云数据的不同位置，不同视角任意选取视角的局部放大图，提取各个部件的信息模型，来
更加准确表达损毁房屋的真实形态结构。图5为该实验基地的损毁房屋的细部的损毁钢结
构的点云数据。
通过激光点云数据提取出损毁房屋的详细、精确的房屋结构：屋脊、屋面檩条、屋
面板、屋面梁、檐口檩条、连续梁框架、端部框架，墙面檩条，墙面卷门及墙面板等的具体形
状尺寸。通过点云数据，首先,可以提取出建筑物的侧视结构图，包括墙面窗户、墙面卷门，
以屋顶斜面檩条的具体形状尺寸，如图6(a)，以及该房屋结构的正视图结构轮廓线，以及具
体损毁变形的刚卷门如图6(b)，还可精细提取该建筑结构的俯视图，细致到屋脊及灾损后
暴露的每一个屋顶檩条的具体形状和尺寸，如图6(c)所示。根据该建筑物，查看该建筑物的
外围线，可获得该建筑物的俯视图面积为1087.3679m2，正视图面积196.1576m2，侧视图面积
423.0227m2。
通过前期的现场勘测和激光点云数据提取出的二维线划图信息中，大致可以得
出：此次该建筑物灾损主要是外部围护结构破坏，而钢结构的主体结构保持完好。因此，笔
者把该建筑物的灾损分为屋顶的轻型钢板部分、墙面卷门和墙面轻型钢板三个部分来统计
外围钢结构灾损情况。(1)首先是屋顶轻型钢板灾损统计，是此次灾损构件面积最大的部
分。由图6(c)可得，包括损毁房屋一、损毁房屋二和车间部分，由于该建筑物时斜面屋顶，根
据图6(a)、图6(b)可得，损毁房屋一屋顶钢板面积为：684.4368m2，损毁房屋二屋顶钢板面
积为：461.6829m2，车间屋顶钢板的面积为：75.7152m2，总共面积为1221.8349m2；(2)其次是
轻型刚卷门的灾损面积统计，主要是靠近道路的房屋卷门也受损毁，以及该建筑物车间的
各个卷门结构受损严重，均被超强风力摧毁，由图6(a)、图6(b)，受损墙面卷门面积中具体
为损毁房屋一：21.1125m2，损毁房屋二：14.5926m2，车间：142.6173m2，墙面卷门受损总面积
为178.3224m2；(3)再次是墙面轻型钢板受损，主要是车间上顶的车间前部、左部和右部的
三个轻钢围护结构，面积比较小，损毁面积共45.9405m2。因此，可精确得出此次灾损的建筑
物构件的总共受损面积为1446.0978m2；(4)同时，对各构件进行标注时可提取出损毁房屋
各个视图损毁构件的面积，查看该建筑物的外围线，最后还可获得该建筑物的俯视图占地
面积为1087.3679m2，具体如下表1所示。
表1灾损建筑物面积统计
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通过对该灾损建筑物完整的点云数据及提取的二维线划图的三视图统计结果得
出，该建筑物损毁最严重的是屋顶的轻钢围护结构、门窗围护结构和墙面围护体系。由于该
建筑物靠近公路，周围没有围墙，屋面是一些比较薄的轻型钢板。此次台风的超强风力使得
钢结构斜屋面的上下气压差瞬时增大，气流对屋面产生巨大的向上冲击压力，再加上屋面
铺设的轻型钢板与主体钢结构骨架的连接不够牢固等，因此该钢结构屋顶的大部分轻型钢
板被摧垮，还有面对道路的轻刚卷门和车间的围护结构也均被摧毁。
2.3三维模型构建
利用三维激光扫描仪获取的目标对象的原始点云是不连续的离散点，需对其进行
建模，变成连续的面状可以更加直观地显示灾损建筑物的信息及成因。因此在提取完整的
灾损建筑物二维线划图轮廓线后，本文采用HDModeling forCAD2013软件进行灾损建筑物
三维实体建模，该软件可配合激光点云数据的空间信息，从局部到整体对建筑物的二维轮
廓线进行实体模型的构建，并输出该建筑物的真三维模型。二维线划图提取出建筑物外围
结构受损统计后，在三维模型构建中，尤其要注重建筑物内部的主体钢结构框架信息的准
确提取及构建，以便后期对建筑物进行仿真分析。该建筑物的主体钢结构包括屋面顶部的
屋脊、屋面檩条、檐口檩条、高强度螺栓、屋面梁、连续型框架；墙面的檩条、中柱、边柱、角柱
子以及角底螺栓等。笔者通过激光点云数据并根据二维线划图，对该灾损建筑物内部钢结
构的框架，进行信息提取，最终发现该建筑物主体钢结构保存完好，说明该建筑物的主体钢
结构设计是稳定可靠的。图7为该车辆检测与试验中心的灾损建筑物钢结构框架图。
同时，对该建筑物实体模型进行重构，首先，提取并构建出屋脊、连续梁框架、边柱
和角柱等建筑物灾后主体结构保存完整的实体框架，以及对墙面的保存较完整窗户结构进
行真三维模型重建。其次，对于灾损后的屋面板和墙面板，尤其是损毁严重的车间的围护结
构和卷门结构，根据该损毁痕迹以及二维线划图重构出各类轻钢围护结构的模型，如图8
(a)所示。通过HDModeling for CAD2013软件，对灾损的建筑物的各类结构进行损毁部件模
型还原，并对模型进行贴图，可更加直观地获取各建筑物部件的三维信息，这些信息均是台
风灾损后最原始的信息和最可靠的数据，可为后期建筑物损毁构件修复提供参考借鉴。最
终，灾损建筑物还原的真三维模型如图8(b)所示。
2.4结果分析
通过二维线划图信息统计得出，此次超强台风过程中，灾损房屋主要是外围的轻
钢围护结构，其中建筑物屋顶轻钢结构的屋面板及车间全部被摧毁、墙面的墙面板和轻钢
卷门结构破坏尤其严重，损毁建筑物构件总面积达1446.0978m2，经济损失较大；通过灾损
建筑物框架的三维模型，发现该建筑物主体框架保持完整。因此，建筑物钢结构的主体框架
设计施工规范是安全稳定可靠的，但该建筑物钢结构外围的轻钢围护结构，根据超强台风
特点，分析损毁原因并重新改进修复。该建筑物的轻钢围护结构破坏严重主要是由于损毁
建筑物的屋面是一些比较薄的轻型钢板，屋面板与刚结构骨架的连接，采用螺栓和拉柳钉
连接，且该钢结构建筑物没有围墙，在超强台风的巨大吸力作用下，屋顶屋面上气压瞬间骤
减，气流对屋面产生极大的向上冲击压力，建筑物的轻型屋面板由周边面支承变为点支承，
屋面板和墙板在超强风力作用下发生强烈的冲剪力或面板被拔出而导致的轻型屋面板的
严重损毁。此外，被超强台风吹下的围护构件还对其它物体砸坏而产生的次生破坏。
本次研究结果表明，轻钢房屋维护结构遭受的风致损坏是造成风灾经济损失的最
直接的原因，其中屋面、门窗和墙面的风致损坏是风灾破坏的最主要方面。轻钢围护结构自
身重量轻，刚度小等特点，风荷载往往成为其控制的荷载[14-15]，导致轻钢结构易损毁，因
此，钢结构的围护系统应引起极大的重视。钢结构建筑物由于风灾造成的损失居各种自然
灾害之首[16]，所以在台风多发的福建地区，钢结构结构及围护结构应引起重视。在建筑设
计时，为了提高钢结构及围护结合的抗风能力，减少建筑物的风灾损失，根据风灾损失的特
点和破坏原因。提出减少钢结构建筑轻钢围护风灾损失的主要措施：
(1)首先，从建筑外形结构和材料布置上考虑抗风，合理选用抗风能力强的钢结构
建筑模型，采用有利于空气流动疏通，不易阻挡风的建筑类型，同时对于墙门的门结构，可
采用抗风能力强的推拉门，不宜采用抗风能力弱的卷帘门。
(2)针对此次屋面板全部损毁，对于轻钢屋面板和墙面板采用可靠性的连接：尽量
减少屋面、墙板的接缝，不适宜采用抗风能力较弱的拉柳钉连接，可采用合理的自攻螺丝来
连接屋面板与钢结构骨架，增强屋面板对檩条、墙梁以及柱的蒙皮效应，从而增加整体结构
性能的刚度，来不断提高钢结构建筑的整体抗风性能，把风灾损失减至最小。同时采用特殊
的钢板也能减少风荷载的作用力，在超强风荷载下能够保持整体建筑物结构的稳定可靠。
(3)最后，在台风来临之前对轻钢围护结构及轻钢卷门结构的易损部位进行加固
和危险排查也是减少风灾损害的有效方法。
3结论
本实施例利用三维激光扫描技术对1614号“莫兰蒂”超强台风灾后的车辆检测与
试验中心损毁房屋内外部结构进行快速、非接触式的、高精度的激光点云数据获取，并进行
该结构的正视图、侧视图及俯视图等二维信息的提取，以及各部分损毁建筑物体系的面积
统计及分析，最后进行建筑物真三维模型构建；得出该建筑主体钢结构保存完整，外围轻钢
围护结构损坏严重，物损毁面积达1446.0978m2，损毁结构多，经济损失较大。在此基础上对
损毁建筑物的围护结构进行信息提取以及损毁建筑的面积进行详细研究，实现灾损建筑物
的任意方位的表面损毁状况以及内部结构特征的定量测量与分析，快速、完整、真实地还原
该建筑物的损毁情况场景，并对数据进行存档管理，实现了台风灾损信息的永久保留，为科
研学者进行灾损评估、监测提供最原始的数据和科学依据，与传统测量方法相比，TLS还可
在很多复杂危险的灾损环境下应用，未来必将成为台风灾后详细评估、房屋结构损毁调查
及分析的重要手段，对提高整个建筑物的抗风质量、灾损评估、决策分析以及防风减灾等具
有重要参考意义。未来，在后续的工作中还需进一步进行仿真分析，以实现对台风灾害后更
有效的评估。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是
按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围
之内。