CC BY
19
/40 "Civil SecurityTechnology", Vol. 18, 2021, No. 1 (67) УДК 614.8
Применение современных технологий при топографическом обеспечении работ на местности для оценки уязвимости зданий и сооружений
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2021
К.В. Корнеев, А.Х. Авгуцевичс, Е.В. Расторгуева
Аннотация
Рассмотрены вопросы необходимости применения современных технологий топографического обеспечения работ на местности, проводимых при оценке уязвимости зданий и сооружений. Приведены примеры успешного применения лазерных систем определения топографических условий при оползневой и сейсмической опасности, а также при проведении реконструкции зданий и сооружений.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация; топографические условия; оползни; землетрясения; уязвимость зданий и сооружений; рельеф местности; современные технологии; лазерные системы.
Use of Modern Technologies in the Topographic Support of Work on the Ground to Assess the Vulnerability of Buildings and Structures
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2021
K. Korneev, A. Avgutsevichs, E. Rastorgueva
Abstract
The issues of the need for the use of modern technologies for topographic support of works on the ground, carried out when assessing the vulnerability of buildings and structures are considered. Examples of successful application of laser systems for determining topographic conditions in landslide and seismic hazards, as well as in reconstruction of buildings and structures are given.
Key words: emergency situation; topographic conditions; landslides; earthquakes; vulnerability of buildings and structures; terrain; modern technologies; laser systems.
20.01.2021
В условиях стесненной городской застройки здания и сооружения часто располагают на склонах, в непосредственной близости к рекам, оврагам, что приводит к повышению их уязвимости в случае чрезвычайной ситуации. При таких катаклизмах, как оползни, землетрясения, сели, обвалы и наводнения, существенное влияние на их последствия оказывает рельеф местности. Поэтому при оценке технического состояния зданий и сооружений важно учитывать топографические условия, которые оказывают наибольшее влияние на уязвимость зданий и сооружений при оползневой и сейсмической опасности [1].
Для того чтобы топографические условия определялись быстро, качественно и в полном объеме, необходимо использовать самые современные технологии.
1. Учет топографических условий при оползневой опасности
Оползни — это скользящие смещения грунтов вниз по склону, возникающие из-за нарушения равновесия под действием силы тяжести, вызываемого различными причинами (подмывом грунтов водой, ослаблением их прочности вследствие выветривания или переувлажнения осадками и подземными водами, систематическими толчками, неразумной хозяйственной деятельностью человека и др.) [2].
Здания населенных пунктов, технические и технологические сооружения, расположенные на берегах рек, озер, морей, оврагов или крутых холмов, в любой момент времени могут стать жертвами этого катаклизма. Поэтому важно своевременно спрогнозировать его размеры, мощность и скорость. Оползни проявляют себя самым незаметным образом, в чем и кроется их опасность. С течением времени грунт начинает смещаться, увлекая за собой все наземные постройки.
На основе изучения причин природных явлений, таких как обвалы и оползни в горах в результате сильных землетрясений, произошедших в предыдущие годы в разных странах земного шара, сделан анализ разрушения завальных дамб. Выполненный анализ представляет собой подробное описание последствий воздействия на гидротехнические сооружения этих природных бедствий, приводящих к разрушению плотин, наводнениям, значительному повреждению сети железных, шоссейных дорог и т.п. [3].
Для определения возможного очага зарождающегося оползня, расчета возможного направления движения и мощности прогнозируемого оползня рекомендуется выполнить комплекс геодезических, динамических и геофизических работ. Для оценки степени оползнеопасности склона необходимо провести измерения на достаточно больших площадях; при этом для анализа полученных данных необходимо точно указать места расстановки датчиков, створы, по которым проводились измерения. На рис. 1 показан пример отображения топографических данных при выполнении динамических и геофизических измерений на оползнеопасном склоне.
Рис. 1. Схема выполнения геофизических измерений на оползнеопасном склоне в районе дома № 37 по ул. Новосвияжский проезд в г. Ульяновске
Для оценки возможной краткосрочной опасности повторного схода оползня в районе дома № 37 по ул. Новосвияжский проезд в г Ульяновске применялся метод динамико-геофизических испытаний. Схемы измерений при этом отображались с учетом рельефа местности, строений, инженерных коммуникаций, потенциально опасных объектов. Для качественного, точного и быстрого создания схем измерений рекомендуется использовать современные технологии.
2. Влияние топографических условий на сооружения при сейсмической опасности
Землетрясение — это колебание земной поверхности, вызванное резким смещением горных пород. Очаг или центр землетрясения — это место в земных недрах, где землетрясение зарождается. Эпицентр — это место на поверхности земли, которое расположено наиболее близко к очагу [4].
Учитывая, что землетрясения являются серьезными природными катастрофами по числу жертв, размеру ущерба, по величине охваченных ими территорий и трудности защиты от них, человечество с давних времен интересовалось их природой и причинами их возникновения. «Следы» множества землетрясений находят при археологических раскопках, при изучении исторических документов, мифов, сказаний и легенд.
Опыт поиска решения проблемы прогнозирования землетрясений показывает насколько она трудна и далека еще от окончательного разрешения. Несмотря на усилия сейсмологов, землетрясения часто происходят неожиданно. Для определения направления удара зарождающегося землетрясения, расчета устойчивости сооружения, возможного сдвига и мощности ожидаемого катаклизма необходимо выполнить комплекс геодезических, динамических и геофизических работ.
Для строительства зданий и города в целом наиболее удобен рельеф с уклонами, не превышающими 6%. При таких уклонах возможно трассирование магистральных улиц с достаточно пологими продольными уклонами; при этом строительство зданий всякого рода и назначения не встречает затруднений в отношении вертикальной
планировки кварталов и самих строительных площадок [5]. Участки территории с уклонами в пределах от 6 до 12% могут быть использованы под жилую застройку, обслуживаемую главным образом сетью жилых улиц с местным движением. Территории с уклонами свыше 12%, как правило, исключаются из застройки и используются обычно под зеленые насаждения.
В горных условиях приходится застраивать территории с уклонами свыше 12%. В таких случаях применяются особые методы застройки: односторонняя застройка улиц; устройство их со сложным несимметричным поперечным профилем, застройка главным образом малоэтажными зданиями.
Все это и есть топографические условия, которые необходимо знать и соблюдать при строительстве с учетом уязвимости зданий и сооружений. При разработке проекта ремонта сооружения, планировки и застройки города должны быть произведены тщательные исследования рельефа планируемой территории как по картографическим материалам, так и на основе изучения рельефа в натуре.
Для характеристики сложного рельефа составляется картограмма рельефных условий в масштабе основного чертежа генерального плана города, на которой графически выделяются:
а) водоразделы, тальвеги, бассейны стока;
б) участки территории с уклонами: менее 0,4; от 0,4 до 6; от 6 до10; от 10 до 12% и свыше 12%.
Для наглядности и удобства совмещения рельефных условий с намечаемой планировкой города на картограмме показываются основные контуры планировки города и размещение его основных элементов: центра города;
основных магистральных улиц; промышленных предприятий; железнодорожных устройств. Топографические условия отражают на топографических картах или ситуационных планах с отображением рельефа, природных (реки, озера, зеленые массивы и др.) и искусственных объектов (населенные пункты или отдельно стоящие здания, автомобильные и железные дороги, плотины, мосты и т.д.), с указанием на плане, в ведомостях или пояснительной записке кратких характеристик отдельных объектов. Планы, карты и разрезы (профили) отдельных участков составляют на базе геодезических изысканий. Вот почему на больших территориях для скорейшего принятия решения и получения модели рельефа участка для предварительной оценки повреждения здания (сооружения), подготовительных работ (схема расстановки датчиков для геофизических измерений), а затем и в ходе строительства (ремонта), рекомендуется применять лазерное 3D-сканирование.
3. Примеры успешного применения современных технологий для оценки топографических условий
Природный рельеф и естественное окружение — это зачастую исходные условия, отправные точки для создания того или иного проекта здания или сооружения.
Именно они должны занимать основное положение при формировании объемно-планировочного решения архитектурного объекта, который в своем законченном виде будет продолжать композицию естественной природной среды. Проектируя, архитектор должен заботиться об органичном включении объекта в природное окружение.
Топографические условия, также как инженерно-геологические условия, рельеф и гидрология, являются важным природным фактором, учет которого обязателен при выборе территории для населенного пункта. Геологическое строение территории, литологический состав грунтов, физико-механические свойства грунтов в сочетании с характером залегания грунтовых вод определяют условия устойчивости сооружений и зданий, конструкции их фундаментов и оказывают значительное влияние на экономику строительства.
В последние годы для выполнения крупномасштабной топографической съемки все чаще используются наземные лазерные системы. Это обусловлено тем, что со стороны заказчиков постоянно повышаются требования к скорости производства, качеству и достоверности результатов измерений. Современные технологии лазерного сканирования вполне способны удовлетворить перечисленные требования.
Суть технологии сканирования заключается в определении пространственных координат объекта при помощи лазерного сканера. Лазерное 3D-сканирова-ние — это технология бесконтактного неразрушающего контроля, которая в цифровом формате фиксирует форму физических объектов с помощью лазерного луча. Процесс реализуется посредством измерения углов и расстояний до всех определяемых точек с помощью измерений лазерным лучом до отражающих поверхностей с нескольких точек сканирования с перестановкой прибора. Измерения производятся с очень высокой скоростью.
Управление работой лазерного сканера осуществляется с помощью ноутбука или планшета с набором программ, или с помощью сенсорной панели управления, встроенной в сканер. Полученные координаты точек из сканера создают так называемое «облако точек». Работа по сканированию происходит с нескольких точек стояния (так называемых станций сканирования) для получения полной информации о форме объектов, так как сложный объект зачастую не виден с одной точки наблюдения. Лазерное сканирование предоставляет возможность получить максимум информации о геометрической структуре объекта. Его результатом являются сшитые облака точек и 3Б-модели с высокой степенью детализации (пространственное разрешение — до нескольких миллиметров).
Другими словами, трехмерное лазерное сканирование — это способ запечатлеть и передать точный размер и форму физического объекта на компьютер в виде цифрового трехмерного изображения. Лазерные 3D-сканеры измеряют мельчайшие детали и фиксируют произвольные формы для быстрого создания высокоточных облаков точек. Трехмерное лазерное сканирование идеально подходит для измерения и проверки
контурных поверхностей и сложных геометрий, для точного описания которых требуются огромный объем данных, а также для тех случаев, когда снять данные традиционными методами практически невозможно.
Лазерное 3D-сканирование объектов, в частности зданий, может использоваться для разработки точных 3Б-моделей интерьера и экстерьера существующих зданий (сооружений), давая наиболее полную и объективную информацию об объекте для разработки и принятия решений о дальнейшем использовании (расселении жильцов), выполнения геофизических исследований. Трехмерное сканирование используется при строительстве, ремонте и обслуживании дорог и мостов, включая: топографическую съемку дорог; создание исполнительных чертежей мостовых конструкций и оценку повреждений мостов. 3D-сканирование также используется при техническом обслуживании и строительстве тоннелей, аэропортов, железных дорог, портов и гаваней.
3D-сканирование может помочь и с сохранением доказательств для судебно-медицинской экспертизы. Вместо того, чтобы полагаться на фото и полевые измерения, положенные вдоль вещдоков линейки, 3D-сканирование предлагает сохранить место происшествия в 3Б-модели, включающей все расположения предметов, размеры и расстояния с высокой точностью. Созданную с помощью сканирования модель можно использовать во время следствия или судебного разбирательства.
В качестве примера успешного использования лазера можно рассмотреть опыт австралийской компании Project Surveyors, которая получила заказ на создание архитектурно-структурной модели Revit для второго по величине торгового центра страны. В настоящее время торговый центр в Сиднее находится в процессе реконструкции, клиенту нужна была полная параметрическая модель Revit Building Information Modelling (BIM) для архитекторов, инженеров и руководителей объектов, чтобы точно спланировать необходимые работы. Измерение площади в 375 000 квадратных метров, с различными габаритными конструкциями, каскадными полами с различной высотой и переходами между корпусами, было одной из самых сложных задач за 43-летнюю историю существования фирмы. Результат работы реконструкторов представлен на рис. 2.
Специалисты использовали различные решения Leica Geosystems для сбора, моделирования и анализа данных. С помощью Leica ScanStation C10 и P20 геодезисты могли фиксировать мельчайшие детали. Leica ScanStation C10 использовалась для наружных фасадов и больших конструкций внутри, таких как парковочные этажи, из-за ее способности работать с большими расстояниями. Leica ScanStation P20 была использована для обеспечения быстрого получения надежных данных внутри здания [7].
В качестве еще одного примера приведем описание выполненного проекта по топографической съемке района строительства основных сооружений Рогунской гидроэлектростанции.
Рис. 2. Реконструкция торгового центра с помощью сканеров Leica
Рогунская ГЭС располагается в Республике Таджикистан на реке Вахш, на 70 км выше действующей Нурекской гидроэлектростанции. Специалисты этой компании выполнили инженерно-геодезические изыскания, целью которых было создание топографических планов местности (масштаб 1:500) и цифровых моделей основных подземных сооружений Рогунской гидроэлектростанции.
Как отмечают специалисты, выполнение измерительных работ на ГЭС при использовании традиционных геодезических методов заняло бы от 6 до 8 месяцев. Достоверность съемки в этом случае была бы явно недостаточной, т. к. измерения в таком случае выполняются тахеометром в безотражательном режиме и распознавать элементы, находящиеся за сотни метров от прибора, весьма затруднительно. Маловероятным было и использование фототеодолитного метода съемки, поскольку это слишком трудоемкий процесс, — в этом случае многочисленные станции пришлось бы размещать на склонах ущелья, что можно сделать только при помощи вертолета. В сложившейся ситуации было принято оптимальное решение — проводить геодезические съемки при помощи лазерного сканера. Условия проведения работ были, без преувеличения, экстремальными.
При проведении полевых работ были получены набор отдельных сканов и соответствующие координаты марок. Лазерным сканером по невидимым (с пунктов) участкам прокладывался самостоятельный ход: с каждой предыдущей станции привязывались точка следующей станции и 1-2 марки ориентации. Огромное количество измерений позволяет получить
наиболее достоверные полевые данные об объекте и создать точную 3Б-модель. На настоящий момент ни одна другая технология не в состоянии обеспечить такое количество измерений за столь короткое время. В результате получился подробный и достоверный план горной местности района строительства Рогун-ской ГЭС, выполненный в результате совокупности горизонтальных и вертикальных сечений с использованием технологий лазерного сканирования для топографической съемки и сканирования промышленных объектов в условиях горной местности [8]. План горной местности района строительства Рогунской ГЭС, составленный с помощью лазерного сканера, представлен на рис. 3.
Рис. 3. План горной местности района строительства Рогунской ГЭС
Еще один пример успешного использования лазера (FARO Focus-S350) — реконструкция здания Kreger Hall Университета Майами. Без сканера архитекторам пришлось бы работать с нарисованными вручную оригинальными чертежами 85-летней давности. С помощью аппарата сотрудникам Gilbane удалось отсканировать 50 000 квадратных футов здания за один день. Они смогли управлять всей механической, электрической, водопроводной, структурной и координационной деятельностью по проекту, основываясь на SD-модели [6]. Вид здания Kreger Hall Университета Майами после реконструкции представлен на рис. 4.
Рис. 4. Реконструкция здания Kreger Hall Университета Майами
Практические преимущества использования 3D-тех-нологий лазерного сканирования перед традиционными методами проведения топографической съемки
очевидны. Как подчеркивают специалисты, к ним в первую очередь относятся:
высочайшая скорость измерений, несравнимая с традиционными методами;
существенное сокращение временных и других ресурсных затрат, что особенно заметно на полевом этапе работ;
избыточность измерений, что позволяет не только повысить точность и качество работ, но и получить массу дополнительной информации об объекте.
Также с помощью лазерного сканирования стало возможным:
проводить измерения без остановки производственного процесса предприятия, что в целом повышает безопасность выполнения работ,— меньше требуется передвижений по опасному объекту, при этом дистанционных измерений делается больше;
экспортировать в любую систему автоматизации проектных работ (САПР) результаты измерений, представленные в виде цифровой и/или векторной 3D-модели;
сохранять в цифровом виде актуализированную на дату проведения съемки информацию об объекте (3D-модель), что в дальнейшем может быть использовано как для мониторинга процессов, так и для решения других задач, связанных с повседневной деятельностью объекта.
Выводы и рекомендации
Лазерное сканирование — это метод, позволяющий создать цифровую модель всего окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами. Основное отличие от традиционных тахеометров — принципиально другая скорость выполнения измерений, сервопривод, автоматически поворачивающий измерительную головку в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Но самое главное — скорость (не менее 5000 измерений в секунду, в среднем два-три полных рабочих дня измерений обычным тахеометром) и плотность (до десятков точек на 1 кв. см поверхности). Полученная после измерений модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с точностью до несколько миллиметров. Не нужно больше смотреть в окуляр тахеометра, выискивая цель, не нужно нажимать кнопку для запуска дальномера и записи полученных данных в память, и, наконец, не нужно бесконечно переставлять прибор для поиска наиболее выгодной для съемки позиции. Теперь это можно делать с одной точки, без участия оператора и в десятки раз быстрее, сохранив при этом необходимую точность.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что технология наземного лазерного сканирования показала себя не только как высокоэффективная, но и во многих случаях как незаменимая, позволяющая в сжатые сроки произвести оперативную съемку различных объектов без потери точности и полноты собираемых данных. Она может быть применена
практически в любой области в силу абсолютной объективности и отсутствия влияния человеческого фактора.
На уязвимость зданий и сооружений оказывает влияние множество условий. Это технологические и природные опасности, которые могут вызвать необратимые последствия, характеризующиеся внезапным нарушением жизнедеятельности населения, нарушением и уничтожением материальных ценностей, поражением и гибелью людей.
В настоящее время МЧС России уделяет большое внимание самым передовым методам исследований, особенно если это касается ЧС большого масштаба. Вот почему при проектировании, обследовании и строительстве возрастает необходимость применения высокоточных наземных лазерных систем. Это обусловлено постоянным повышением требований к скорости, качеству и достоверности результатов измерений. Современные технологии лазерного сканирования вполне способны удовлетворить все перечисленные требования.
Литература
1. Топографические условия // Большая энциклопедия нефти и газа. [Электронный ресурс] // ngpedia.ru: сб. статей. URL: https://www.ngpedia.ru/id547249p1.html (дата обращения: 10.12.2020).
2. Емельянова Е. П. Основные закономерности оползневых процессов. М.: Недра, 1972. 308 с.
3. Колобков Н. В. Катастрофические оползни // Природа. 1963. № 12. С. 112-113.
4. Никонов, А. А. Землетрясения. М.: Знание, 1984.
5. СП 47.13330.2012 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96».
6. Источник: https://www.elevar.com
7. Источник: https://leica-geosystems.com
8. Опыт использования технологий лазерного сканирования для топографической съемки и сканирования промышленных объектов в условиях горной местности. [Электронный ресурс] // URL: https://geosystems.ru/use/gornaya-promyshlennost/ articles/opyt-ispolzovaniya-tekhnologiy-lazernogo-skanirovaniya-dlya-topograficheskoy-syemki-i-skanirovaniya-/ (дата обращения: 10.12.2020).
Сведения об авторах
Корнеев Константин Викторович: к. т. н., ФГБУ ВНИИ
ГОЧС (ФЦ), нач. науч.-исслед. отд.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
e-mail: kostas_66@mail.ru
SPIN-код — 3334-2880.
Авгуцевичс Антон Хариевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),
с. н. с. науч.-исслед. отд.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
e-mail: ministr.82@mail.ru
SPIN-код — 8652-2190.
Расторгуева Екатерина Валерьевна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС
(ФЦ), н. с. науч.-исслед. отд.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
e-mail: katyaraa@rambler.ru
SPIN-код — 9220-2139.
Information about authors
Korneev Konstantin V.: Candidate of Technical Sciences, All-
Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies,
Head of Research Department.
7, Davydkovskaya st., Moscow, 121352, Russia.
e-mail: kostas_66@mail.ru
SPIN-scientific — 3334-2880.
Avgutsevichs Anton H.: Candidate of Sociological Sciences, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Senior Researcher, Research Department. 7, Davydkovskaya st., Moscow, 121352, Russia. e-mail: ministr.82@mail.ru SPIN-scientific — 8652-2190.
Rastorgueva Ekaterina V.: Candidate of Sociological Sciences, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Researcher, Research Department. 7, Davydkovskaya st., Moscow, 121352, Russia. e-mail: katyaraa@rambler.ru SPIN-scientific — 9220-2139.
Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
Авторы, название URL
Пучков В.А. Настольная книга руководителя гражданской обороны. Изд. 5-е, актуализ. и дополн. https://elibrary.ru/item.asp?id=32712123
Глебов В.Ю. и др. Научно-практический комментарий к федеральному закону от 21 декабря 1994 г. № 68-ФЗ «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». Издание 2-е, переработанное и дополненное https://elibrary.ru/item.asp?id=30601450
Фархатдинов Р.А. Проблемы реализации этноязыковой политики в России https://elibrary.ru/item.asp?id=32067052
Посохови Н.Н. др. Экологические последствия чрезвычайных ситуаций: актуальные проблемы и пути их решения. XXII Международная научно-практическая конференция по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. 7 июня 2017 г. Ногинск, Россия. Материалы конференции https://elibrary.ru/item.asp?id=30642616
