CC BY
95УДК 69.058.3
ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ
ЗДАНИЙ
И.Ковтун НамИСИ, старший преподаватель
Аннотация. В данной статье рассматриваются новые решения в различных сферах строительной отрасли, способствующих ускорению рабочих процессов и обеспечивающих максимально высокую производительность с минимальными вложениями. Лазерное сканирование — это фотографирование или сканирование поверхности объекта с помощью лазерной технологии. Он создает основную информацию о форме, размере, плоскости, цвете изучаемого объекта. Собранные данные затем можно использовать для создания двухмерных цифровых чертежей или трехмерных моделей с помощью различного программного обеспечения.
Annotatsiya. Ushbu maqola qurilish sanoatining turli sohalarida ish jarayonlarini tezlashtirish va minimal investitsiyalar bilan maksimal mahsuldorlikni ta'minlashga yordam beradigan yangi echimlarni ko'rib chiqadi. Lazerli skanerlash - bu lazer texnologiyasidan foydalangan holda ob'ekt yuzasini suratga olish yoki skanerlash. U o'rganilayotgan ob'ektning shakli, o'lchami, tekisligi, rangi haqida asosiy ma'lumotlarni yaratadi. Keyin to'plangan ma'lumotlar turli xil dasturlardan foydalangan holda 2D raqamli chizmalar yoki 3D modellarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin.
Annotation. This article examines new solutions in various areas of the construction industry that help speed up work processes and ensure maximum productivity with minimal investment. Laser scanning is the act of photographing or scanning the surface of an object using laser technology. It creates basic information about the shape, size, plane, color of the object being studied. The collected data can then be used to create 2D digital drawings or 3D models using various software.
Ключевые слова: строительство, лазерное сканирование, 3D-сканирование, компьютерная копия, лазерная съемка сооружения.
Kalit so'zlar: qurilish, lazerli skanerlash, 3D skanerlash, kompyuterdan nusxa ko'chirish, strukturani lazer bilan suratga olish
Keywords: construction, laser scanning, 3D scanning, computer copy, laser photography of a structure
Введение. Одной из современных технологий проведения обмеров зданий и сооружений, позволяющая получить наиболее точную и полную информацию о размерах и форме сканируемого предмета является - лазерное сканирование зданий и сооружений. Это современная технология, позволяющая получать трехмерные модели зданий и сооружений. В процессе работы 3D-сканера создается облако точек (от нескольких тысяч до нескольких миллионов) с заданными координатами, дающее объемное изображение. Измерения ведутся с точностью до миллиметра. Результатом является точная компьютерная копия объекта любой сложности [1].
Лазерное сканирование используется при:
• проектировании;
• строительстве;
• ремонте или реконструкции;
• модернизации;
• восстановлении или актуализировании технической документации.
А также применяется при исправлении, выявлении дефектов, деформаций на каждом этапе строительных работ, при работе с объектами, для контроля техники безопасности, для определения технического состояния зданий и сооружений в процессе эксплуатации; реинжиниринге объектов строительства - разработка 3D моделей в системах BIM моделирования для определения оптимальных способов модернизации, реконструкции, перепланировки, технического оснащения и инженерных сетей; сканировании зданий для комплексного строительного надзора при реализации проекта.
Цели и задачи. Производится качественный и современный контроль строительно-монтажных, отделочных и инженерных работ (сроки, количество, подтверждение соответствия проектным и нормативным требованиям), обмер объектов со сложной геометрией, многочисленными архитектурными элементами (арки, колонны, лестницы).
ЭБ-сканирование выполняется снаружи и внутри помещения и помогает максимально точно передать архитекторам исходную информацию о здании и сооружении — его размеры, фасады, разрезы и другие данные. Получение цифрового детального трехмерного «портрета» объекта — лучший способ подготовиться к его реконструкции, ремонту или перепланировке.
При лазерном сканировании происходит передача габаритов, геометрии здания, место несущих конструкций, его положения в пространстве и др.
В отличие от полевых исследований традиционными тахеометрами, объемное лазерное сканирование с построением 3D-моделей дает наиболее полную информацию о строительных объектах с привязкой к пространственным, инфраструктурным и центральным инженерным коммуникациям.
Методы. Принцип работы лазерного сканера можно сравнить с работой любого радара. Он заключается в излучении лазерного луча, который обладает высокой частотой, и отражении его на колеблющемся зеркале. Так, луч достигает объекта, а затем вновь возвращается в отправную точку (рис.1.). В этот момент прибор фиксирует время возврата, согласно которому получает данные о расстоянии, на котором находится объект. Так создается облако точек. При этом стоит отметить, что прибор может отправить сразу множество лучей, то есть мгновенно получить информацию сразу о значительной части объекта.
Рис.1. Лазерное сканирование
В отличие от использования тахеометра, этот метод проведения съемки является бесконтактным и максимально автоматизированным. Прибор содержит специальный сервопривод, который самостоятельно вращает измерительную головку в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Специалисту не нужно больше нажимать какие-либо кнопки для включения дальномера или записи полученных координат, выискивать цель через окуляр тахеометра, переставлять технику с места на место и пр. Теперь все необходимые измерения можно провести с одной точки без ущерба точности.
Различают три основных вида лазерной съемки сооружения. В зависимости от
сложности объекта, площади и его технических особенностей вам предложат провести [2]:
Наземное лазерное сканирование. Производится с применением статичного сканера. Метод позволяет с высокой детализацией исследовать конструктивные элементы, помещения. Полученные данные можно собрать в единый массив информации.
Мобильное сканирование. При съемке приборы закреплены на транспортное средство, движущееся по заданному маршруту. В них встроены компенсаторы наклонов и вибраций, что позволяет избежать неточностей при осуществлении 3D-сканирования в движении. Применяется этот метод при исследовании объектов большой площади.
Сканирование с воздуха. Указанный тип работ считается наиболее детальным и быстрым. Он позволяет получить полную картину местности с учетом ландшафта, соседних зданий, с привязкой к инфраструктуре. Послойное сканирование дает исчерпывающую информацию о каждом исследуемом ярусе — рельефе, инженерных коммуникациях, узлах конструкции.
Независимо от вида исследования, оно дает возможность получить данные обо всем объекте в целом. Лазерная съемочная система с миллиметровой точностью измеряет трехмерные координаты каждого пикселя.
Обмерные работы с использованием лазерных систем включают несколько этапов.
1. Подготовительный: анализ поставленных задач и оценка требующейся точности съемки, предварительная рекогносцировка объекта, планирование исследований по составу и объему.
2. Полевой: создание геодезической основы, размещение на сооружении необходимого количества марок, съемка лазерным сканером, привязка к абсолютным координатам и формирование планового каркаса.
3. Камеральная обработка полученных результатов: сшивка данных с разных станций, построение крупномасштабных топографических планов, трёхмерных CAD-моделей, сечений, профилей, расчёт объемов и площадей поверхностей, построение планов, разрезов, фасадов зданий, планов интерьеров.
В отличие от первых двух этапов третий наиболее трудоёмкий и длительный, для него необходимо использование специальных компьютерных программ.
Преимущества лазерного сканирования зданий. С 2021 года лазерное сканирование стало одним из наиболее востребованных методов проведения обмеров. Оно широко применяется в промышленном и жилищном строительстве (рис.2.), а также в инженерных изысканиях линейных сооружений. Этому способствуют такие преимущества, как:
• высокая точность измерений с погрешностью не более 7 мм;
• высокий уровень детализации данных, позволяющий получить полную копию объекта;
• визуализация полученных результатов с возможностью использования 3D-моделей;
• сведение к минимуму вмешательства человеческого фактора;
• полная безопасность для измеряемого объекта благодаря отсутствию контактов;
• высокая скорость работы лазерного сканера.
Опыт показывает, что по сравнению с традиционными методами время съемки можно уменьшить в 2-3 раза. Это также снижает стоимость и на треть сокращает сроки работ, начиная от подготовки проектов или смет и заканчивая строительством и авторским надзором.
Лазерное сканирование памятников архитектуры. При выполнении обмерных работ на объектах культурного наследия и объектах всемирного значения ЮНЕСКО
трехмерные построения являются обязательным требованием. Из-за сложной геометрии и конструкции традиционный метод не подходит. Построение чертежей по фотографиям занимает много времени и не отличается высокой точностью. Создать детальную копию архитектурного памятника можно только с помощью лазерной съемки и цифровой
обработки данных.
Рис.2. Облако точек, полученное в результате лазерного сканирования фасада 10-
этажного здания
Рис.3. Результат лазерного сканирования помещения в процессе демонтажных
работ
Работа с памятниками архитектуры требует высокого мастерства и большого опыта при проведении измерений с помощью лазерной съемки. Это объясняется техническими особенностями данных объектов.
1. Фасады памятников архитектуры чаще всего отличаются богатством архитектурных элементов и декора. Они могут создавать затененные места, недоступные для лазерной съемки, особенно на верхних этажах.
2. Интерьеры памятников архитектуры отличаются сложностью форм. Это многократно увеличивает объем обрабатываемой измерительной информации. Может потребоваться параллельная исполнительная съемка разными сканерами, последующая чистка и сшивка без потери точности.
На сегодняшний день это единственная технология, позволяющая зафиксировать все конструктивные детали и параметры помещений, а также имеющиеся деформации и разрушения.
Лазерное сканирование фасадов и интерьеров в В1М-проектировании.
Полученная по итогам сканирования 3D-модель может стать основой для В1М-проектирования (рис.4.). Это технология информационного моделирования, включающая все технологические, экономические и другие данные, имеющие отношение к зданию. Каждый отдельный элемент сопровождается дополнительной информацией — от используемых стройматериалов и охранного статуса до сведений о проведении ремонта или реконструкции.
Рис.4. BIM-модель оборудования аэропорта
BIM-модель учитывает все физические характеристики объекта, варианты его размещения в пространстве, стоимость строительных материалов и другие параметры. Применение технологии информационного моделирования позволяет свести к минимуму количество переделок и непредвиденных затрат, а также сократить расходы на строительство или реконструкцию на 10-30 %.
Проверить модель на наличие коллизий. При лазерном сканировании мы получаем актуальную информацию об объекте, инженерных коммуникациях, ландшафте. Благодаря высокой точности данных можно без ошибок рассчитать присоединение объекта к сетям.
Если в BIM, построенной на основе данных лазерного сканирования, возникла коллизия, программа найдет и покажет ее автоматически при запуске проверки (рис.5.). Например, инженер, который проектировал вентиляцию, не учел расположение колонн в здании. В итоге воздуховод пересекается с колонной. С помощью BIM ошибку можно выявление и устранить до монтажа.
Рис.5. Отчет о проверке на коллизии
Бывают также неявные коллизии, когда элементы не пересекаются, но расстояние между ними меньше допустимого. Их тоже поможет обнаружить 3D-модель. Проверки на коллизии рекомендуется проводить ежедневно в течение всего периода работы над объектом.
Данные о сравнении лазерного сканирования с традиционными методами сбора данных приведены в таблице 1.
таблица 1
Лазерное сканирование в сравнении с традиционными методами сбора
данных
Параметр Лазерное сканирование Традиционный метод
Скорость сбора данных 360000 измерений в секунду Меньше 1-го измерения в секунду
трудозатраты 1 человек/1 день на 10000 м.кв. Минимум 2 человека/3 дня на 10000 м.кв.
Оборудование Не требуется. Дополнительное подъемное оборудование для измерения высотных объектов (элементов объекта) Требуется. Дополнительное оборудование для измерения высотных объектов
Точность Процесс автоматизирован-человеческий фактор исключен Человеческий фактор приводит к ошибкам и неточностям в измерениях
Повторные измерения Не надо выезжать на место при возникновении новых задач - точный цифровой образ объекта всегда под рукой Выезд на объект при возникновении необходимости провести новые измерения
Стоимость работ Сопоставима с традиционными методами Сопоставима с лазерным сканированием
Работа в слабоосвещенных местах Есть возможность проведения измерений в полной темноте Нет возможности проведения измерений в полной темноте
Результаты. Результаты лазерного сканирования применяются во множестве сфер. Их используют дизайнеры, архитекторы-проектировщики, реставраторы, инженеры производств, археологи и надзорные органы в чью компетенцию входит контроль состояния памятников архитектуры. Перечисленным специалистам нужны пространственные компьютерные модели с высокой детализацией и максимальной точностью отображения. Так исследуют элементы конструкции и помещения на предмет деформации и наличия дефектов.
Сферами применения лазерного сканирования являются:
Железнодорожные магистрали и инфраструктурные объекты. Определение фактических значений геометрических параметров железнодорожной инфраструктуры. Мониторинг состояния жедезнодорожных путей. Проектирование и реконструкция дорожных объектов;
Автомагистрали и транспортная инфраструктура. Создание паспорта автодороги. Оценка зон видимости, колейности и ровности покрытия. Создание ведомостей дорожных объектов. Кадастровый учет;
Нефтегазовая отрасль. Проектирование новых и расширение существующих трубопроводов. Мониторинг заростания просек. Кадастровый учет и определение охранных зон;
Электроэнергетика. Обнаружение и анализ негабаритов ВЛ. Определение центров опор, их отклонения от вертикальной оси. Обнаружение повреждений элементов опор.
Поиск опасных деревьев, угрожающих повреждением элементов ВЛ. Мониторинг роста растительности и прогноза распределения средств на расчистку просек ВЛ. Определение территорий под затопление при проектировании объектов гидроэнергетики. Кадастровый учет и определение охранных зон;
Горнодобывающая отрасль. Подготовка и проектирование объектов, предоставление точных расчетов объема выработки и мониторинг просадки грунта и других изменений на объектах;
Картографирование. Получение точнейшей модели рельефа для создания ортофотопланов и построения изолиний;
Управление природными ресурсами. Создание на основе ВЛС моделей растительности позволяющих определять высоты деревьев и оценивать объем биомассы в самых труднодоступных районах. Мониторинг оползневых процессов, высот снежного покрова и движения горных ледников;
Городское хозяйство. Создание трехмерных моделей и топопланов городских кварталов, промышленных объектов и других объектов градостроительного комплекса;
Археологические исследования. Обнаружение и картирование скрытых археологических объектов и областей захоронений, 3d-визуализация и моделирование памятников архитектуры для последующей реставрации.
Основные преимущества лазерного сканирования [3]:
- непревзойденная скорость съемки -в зависимости от типа сканера и круга решаемых задач скорость выполнения съемки объекта быстрее в разы, а в некоторых случаях, например при воздушном лазерном сканировании труднодоступных районов, в десятки и сотни раз;
- детальность и информативность данных -данные, полученные посредством лазерного сканирования, позволяют полностью отобразить геометрические параметры объекта и детально описать не только форму, но и характер обследуемой поверхности, что невозможно получить при съемке стандартными методами;
- стоимость работ - учитывая высокую производительность и точность сканирующих систем, стоимость работ, выполняемых с использованием методов сканирования, ниже, чем при съемке традиционными методами;
- безопасность - за счет применения безотражательного метода измерений лазерное сканирование не требует присутствия человека непосредственно на объекте съемки. Это позволяет получать точные данные даже в опасных или в самых труднодоступных районах;
- экономия трудозатрат - большой объем полевых работ по сканированию может быть выполнен даже бригадой из трех человек в короткие сроки;
- автоматизация процесса обработки - полностью цифровой формат данных позволяет максимально автоматизировать процесс их обработки и практически исключить влияние субъективных факторов на результат
Заключение. Технология лазерного сканирования находят широкое применение в строительстве. Она помогает снизить риски:
• погрешности в измерениях и изысканиях;
• ошибок при проектировании;
• коллизий;
• отклонений от проекта;
• неточностей в расчетах материалов.
Лазерное сканирование - это выгодная экономия материальных и временных затрат. Оно позволяет в кротчайшие сроки получить максимальное количество данных, а
ДУРИЛИ
затем создать детальную 3D-модель. Это дает возможность хранить в электронном виде подробную информацию о любом объекте.
При этом она может быть в дальнейшем использована в различных компьютерных программах для планирования реконструкций, ремонтных и строительных работ. Современные приборы создают системы данных с Autodesk, AVEVA, AutoCAD и прочими средствами проектирования мировых производителей.
1. Богданов А. Н., Алешутин И. А. Наземное лазерное сканирование в строительстве и В1М-технологиях //Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2018. - №. 4 (46). - С. 326-332.
4. Неволин А. Г., Медведская Т. М. Классификация результатов наземного лазерного сканирования с учетом коэффициента отраженного сигнала //Интерэкспо ГеоСибирь. - 2014. - Т. 1. - №. 2. - С. 166-171.
3 . Кошанулы К. Е. Возможности, преимущества и недостатки наземного лазерного сканирования //Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2017. - Т. 9. - №. 1. - С. 27-30.
ЛИТЕРАТУРА
