CC BY
64
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ СООРУЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО
СКАНИРОВАНИЯ
THE IMPROVEMENT OF THE METHOD FOR MONITORING STRAIN SPACE BAR STRUCTURES USING LASERSCANNING
B.A. Ермаков
V.A. Ermakov
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
В статье рассматриваются проблемы мониторинга пространственных деформаций сооружений. Для стержневых конструкцийописана методика мониторинга с помощью лазерного сканирования на основе разработки вспомогательных подпрограммы на VisualBasic для AutoCAD.
Thepaperconsiderstheproblemofspatialdeformationstructuresmonitoring. For beam structures the method of monitoring by means of laser scanning on the basis of supporting routines in Visual Basic for AutoCAD is described.
Неотъемлемой частью процедуры мониторинга технического состояния зданий и сооружений, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях, является контроль пространственных деформаций конструкций,осуществляемый с помощью современных геодезических средств измерений. Наиболее широкое распространение для решения данных задач на сегодняшний день получили электронные тахеометры, совмещающие в себе функции теодолита и лазерного дальномера.Современные роботизированные тахеометры в некоторых случаях оснащаются специальными сервоприводами, что позволяет выполнять съемку целей и мониторинг деформаций на 4060% быстрее, чем при использовании традиционных моторизованных тахеометров.
В случае крупногабаритных объектов, в том числе для большепролетных стержневых пространственных конструкций с большим количеством элементов и узлов проведение полномасштабных измерений с применением тахеометров становится затруднительным в виду значительного количества точек измерений. В таких ситуацияхста-новится целесообразным использование современных лазерных сканеров, позволяющих проводить измерения до 100 000 измерений в секунду с точностью в диапазоне от 1мм до 10мм на расстояниях до 1000м.
Первичным результатом получаемых данных является трехмерное облако точек, преобразуемое впоследствии с помощью специального программного обеспечения в электронную пространственную модель объекта, на основании которой определяются
8/2011 ВЕСТНИК
перемещения, и оценивается состояние сооружения по сравнению с предыдущим этапом измерений.
Наибольшее распространение наземное лазерное сканирование получило в топографии и горном деле, в исполнительных топогеодезических работах, городском моделировании, для решения задач в области архитектуры, таких как обмерные работы, паспортизация исторических сооружений и т.д. При этом доля использования лазерного сканирования в решении задач мониторинга деформаций сооружений на сегодняшний день незначительна, что связано в первую очередь с отсутствием в нормативной и технической литературе эффективной методики проведения подобного вида измерена начальном этапе разработки методики мониторинга пространственных деформаций сооруженийс помощью наземных лазерных сканирующих систем были решены следующие задачи[1]:
• создание принципиальной схемы мониторинга;
• формирование принципов размещения и установки пунктов опорной сети, необходимых компонентов сети деформационных марок;
• разработка рекомендаций по проведению процесса сканирования в целях мониторинга;
• описание процесса обработки результатов сканирования с помощью трехмерной цифровой модели объекта или его элементов.
Разрабатываемая методика может быть использована для мониторинга деформаций сооружений по 2 классу точности при использовании световозвращающих марок, устанавливаемых на конструкции в подготовительный период работ с помощью промышленных альпинистов. Необходимо отметить, что, что в случаях мониторинга уникальных крупногабаритных, большепролетных объектов такие работы требуют существенных дополнительных временных и финансовых затрат.
С этим учетом целью настоящего исследования является усовершенствование методики мониторинга с помощью наземных лазерных сканирующих систем, применительно к пространственным стержневым конструкциям (металлические фермы, железобетонные каркасы), и ориентированной на решение следующих задач:
■ минимизация количества световозвращающих марок для снижения трудоемкости и стоимости работ;
■ минимизация количества станций съемки для повышения точности измерений;
■ разработка методики мониторинга пространственного положения узлов стержневых конструкций при съемке с фиксированных станций, в том числе при неполном объеме полученных данных, описывающих геометрию элемента;
■ упрощение и оптимизация процесса построения пространственно-координатной модели и МКЭ-модели сооружения для дальнейшего математического моделирования напряженно-деформированного состояния.
В большинстве случаев при сканировании удаленных объектов, расположенных на большой высоте, получение полного облака точек, характеризующего всю геометрию сечения или элемента, зачастую невозможно.Сканирование в такой ситуации производится с нескольких позиций снизу и охватывает нижнюю и частично боковую поверхность конструкции (рис.1).В результате оценка происходящих в ходе мониторинга конструкций изменений на основе таких данных является затруднительной.
Сечение двугавра
Сечение грубы
Облако точек
ли
s \
Ось аппроксимирующей линии
Рис. 1. Пример получения ограниченного облака точек, описывающего сечение двутавровой балки и трубы при удаленном сканировании
С целью преодоления указанных затруднений в разрабатываемой методике предлагается использовать так называемыеаппроксимирующие линии, проходящие через центр тяжести 3D облаков точек, формирующих сечения стержней в условиях неполных данных.Аппроксимирующие линии в пространстве не пересекаются в одной точке. При идентичном объеме точечных данных аппроксимирующие линии смежных стрежней позволяют получить «условный» пространственный узел, характеризующий положение конструкции на различных этапах мониторинга.
Необходимыми условиями получения идентичных данных являются следующие условия проведения измерений:
1. сканирование производится с одних и тех фиксированных позиций для обеспечения возможности получения идентичного облака точек;
2. разрешающая способность сканирования одних и тех же конструкций должна быть одинакова на каждом этапе мониторинга.
Усовершенствование методики мониторинга проводилось на примере пространственных стержневых металлических конструкций круглого и двутаврового сечения.
Ниже представлены основные этапы реализации разрабатываемой методики.
1. Создание опорной сети. Стабильная опорная сеть необходима для получения одних и тех же массивов точек на каждом этапе мониторинга.
a. Установка неподвижных измерительных тумб [1]. Съемка со стабильных станций обеспечивает одинаковую степень видимости элементов и получение идентичного облака точек по сравнению с предыдущим этапом измерений.
b. Устройство опорной сети из 3-5 световозвращающих марок.
2. Сканирование элементов конструкции с максимально возможной разре-шающейспособностъю для данных условий съемки. Степень насыщенности облака точек влияет на точность определения деформаций.
3. Обработка данных сканирования. Фильтрация и удаление лишних данных из облака точек, не относящихся к стержневым конструкциям, и дальнейший экспорт полученного облака точек в AutoCAD.
4. Обработка полученного облака точек посредством подпрограмм FitLine.bas и No des. bas. Подпрограммы разработанына языке программирования VisualBasiccneuHanbHO для реализации настоящей методики. Результатом данной работы на каждом этапе мониторинга является файл Nodes.xlsx, содержащий пространственные координаты и номера «условных» узлов.
А/ЭПИ ВЕСТНИК
5. Определение деформаций конструкций сооружения.Посредством сравнения пространственных координат «условных» узлов на каждом этапе мониторинга относительно нулевого этапа оценивается смещения элементов.
Ах — _ ^ij, АУ = Уи+1 " УiJ,
— Zi,j+1 ~ Zi,j> гдех, y,z - координаты узлов сооружения, i - номер узла сооружения, j - номер этапа мониторинга сооружения.
Подпрограмма FitLine создана с целью создания аппроксимирующей линии. В основу подпрограммы FitLine был принят алгоритм подбора наилучшей линии для массива точек [2].
Исходными данными для работы алгоритма служит облако точек, каждая из которых имеет координаты x^y^Zj .Искомая линия может быть определена точкой (x0,y0,z0), находящейся на данной линии, и направляющими косинусами(а, Ь, с).
Математический алгоритм состоит из следующих этапов:
1. На первом шаге определяются средние значения координат точек, то есть координаты центра масс облака точек.
х = У — ;у = У — ;z = X —, где п - количество точек.
п п п
2. Далее формируется матрица А, которая описывает смещенный в центр массив точек, где первый столбец это Xj — х, второй yi—y и третий zi—z
(хг — х у\—у z±—z\ х2~х у2~у z2-z
хп-х уп-у Zn-zJ
3. МатрицаА решается сингулярным разложением. Выбирается самое малое сингулярное число и соответствующий ему сингулярный вектор, компоненты которого являются направляющими косинусами (а, Ь, с).
В результате работы подпрограммы FitLine на чертеже AutoCAD появляется аппроксимирующая линия.
После выполнения подпрограммы FitLine для всех стержней конструкции в работу включается подпрограмма Nodes, целью которой является создание точки, характеризующей «условный»узел пространственной конструкции. В ходе работы подпрограммы пользователь выбирает несколько аппроксимирующих линий, соответствующих стержням, формирующим реальный узел конструкции.Встроенный алгоритм с помощью метода наименьших квадратовопределяет координаты «условного» узла, расположенного на минимальном расстоянии от всех аппроксимирующих линий и автоматически записывает их в файл Nodes.xlsx для дальнейшего вычисления смещений в последующих циклах измерений.
Данная методика была апробирована на арочном навесе терминала Da3ponopTa Шереметьево с помощью наземного лазерного сканера Riegl 390i. Расстояние прохождения лазерного пучка до конструкций ферм в среднем составило 65 метров, разрешающая способность сканирования при этом была задана 0,017 градуса в обоих плоскостях.
На рис. 2 представлена пространственно-координатная модель нижней поверхности арочного навеса, состоящая из 3792711 точек. Для работы были установлены две-стационарные станцийсканирования (рис.3).
ВЕСТНИК МГСУ
8/2011
Рис. 2.Пространственно-координатная модель здания
Рис. 3.Стационарная станция сканирования
Рис. 4. Линзообразная ферма арочного навеса с результатом работы подпрограммРИЫпе и Nodes, где 1,2,3,4 - номера узлов фермы
В результате работы подпрограмм FitLine и Nodesпoлyчeнo 4 узловых точки нижнего пояса фермы (рис. 4), пространственные координаты которых автоматически записываются в Excel-таблицу.
Таблица №1
1 этап мониторинга 2 этап мониторинга Разница этапов 2-1
№ x У z x У z x У z
1 -38.9281 34.2810 10.7537 -38.9279 34.2847 10.7606 0.0001 0.0037 0.0070
2 -43.4176 34.4553 6.5338 -43.4124 34.4561 6.5340 0.0052 0.0008 0.0002
3 -48.5595 34.7654 3.4743 -48.5590 34.7669 3.4725 0.0005 0.0015 -0.0018
4 -54.4120 35.1816 1.5532 -54.4150 35.1878 1.5483 -0.0030 0.0062 -0.0048
Анализ таблицы 1 показал, что методика мониторинга реализует паспортную инструментальную точность сканера, обозначенную фирмой производителем в технической характеристике, которая составляет по дальности ± 6 мм, а по углу ± 5 секунд. Таким образом, в ходе мониторинга суммарный вектор погрешностей измерений на расстоянии 80 м составляет ±6,3 мм.
Повторная обработка данных иллюстрирует повторяемость определения координат по неполному облаку точек, с точностью сопоставимой с результатами, полученными при сканировании световозвращающих марок [1].
При таких показателях точности измерений описанная методика мониторинга может быть использована для мониторинга пространственных деформаций сооружений по 2 классу точности.
8/2011 М1ВЕСТНИК
Стоит отметить, что помимо мониторингапространственных деформаций стержневых объектов, разработанная подпрограмма FitLine.bas может быть использована для создания ПК- и МКЭ-моделей сооружения на начальном этапе мониторинга при отсутствии обмерных чертежей объекта.
Перспективой дальнейшего совершенствования данной методики является разработка алгоритма контроля деформаций плоских перекрытий каркасных зданийпосред-ством использования алгоритма создания поверхностей по облаку точек.
Литература
1.Мониторинг пространственных деформаций конструкций сооружений с помощью лазерного сканирования/А.В. Коргин, В.А. Ермаков //Научные труды XIVмеждународной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» /Моск. гос. строит.ун-т. - 2011. С.41-47.
2.Least Square Best Fit Line [Текст]. Режим доступа: http://www.udel.edu/HNES/HESC427/Sphere%20Fitting/LeastSquares.pdf
3.Шевякова Д.А., Самоучитель Visual Basic 2005/ Шевякова Д.А., Степанов A.M., Карпов Р.Г. //Под общ. Ред. А.Ф. Тихонова. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 576 с. ил.
4.Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и ее применение [Текст] / В.Е. Дементьев. - Тверь: ООО ИПП «Ален», 2006. - 592с.: ил.
References
1.Monitoring of spatial deformation structures using laser scanning/ A. V. Korgin, V.A. Ermakov // Scientific works of the XIV International Scientific and Practical Conference of Young Scientists, graduate students and postdoctoral"Construction - the formation of living environment"/ MSUCE. - 2011. p.41-47.
2.Least Square Best Fit Line [Text]. Access mode: http://www.udel.edu/HNES/HESC427/Sphere%20Fitting/LeastSquares.pdf
3.Shevyakova D.A., Self-teacher Visual Basic 2005/Shevyakova D.A., Stepanov A.M.,Karpov R.G. // Under the general editorship. A.F.Tikhonova. - St. Petersburg.: BHV-Peterburg, 2006. - 576 p.il.
4.DementievV.E. Modern geodetic technique and its application[Text] / V.E.Dementiev. - Tver: OOOIPP «Alen», 2006. - 592p.: il.
Ключевые слова: стержневые конструкции, лазерное сканирование, мониторинг, методика мониторинга, аппроксимирующая линия, условный узел, подпрограмма
Key words: frame construction, laser scanning, monitoring, monitoring methodology, approximate line, conditional node, subroutine
E-mail: ermakov@mgsu.ru Рецензент: Подгорный А. С., к.т.н., профессор кафедры механики ФБОУ ВПО «МГАВТ»
