CC BY
44
УЕБТЫНС
мвви
ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ. СПЕЦИАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.04:004.94
А.Г. Тамразян, А.Л. Жолобов*, Н.А. Иванникова*
ФГБОУ ВПО «МГСУ», *ГАОУ АО ВПО «АИСИ»
ТЕХНОЛОГИЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ ОШТУКАТУРЕННЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНЫХ АРХИТЕКТУРНЫХ ФОРМ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДАМИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Создан модифицированный лазерный дальномер, ориентированный на съем показаний через равный шаг углового сегмента, позволяющий дистанционно оценить ровность поверхности строительной конструкции, радиус ее кривизны, выявить допущенное отклонение его значения от проектного, осуществить контроль качества выполненных работ криволинейных поверхностей, отделанных различными видами штукатурки.
Ключевые слова: архитектура, криволинейная поверхность, лазерный дальномер, геометрическое моделирование, кривые и поверхности Безье, штукатурные работы.
В настоящее время строительная отрасль переживает век своего бурного развития. Архитектура жилых и общественных зданий прошлого столетия, выраженная в прямоугольных формах и несложных конструкциях, перестает удовлетворять потребностям современного человека. Поэтому при проектировании и строительстве зданий и сооружений все чаще проявляется большой интерес к конструкциям сложной формы. Особенно ярко это выражается при возведении культовых, спортивных, культурных зданий и сооружений.
Воссоздаются или реставрируются здания и сооружения, представляющие историческое или культурное богатство нашей страны. Такие здания и сооружения отличает ясно выраженная архитектурная идея, основанная на нетрадиционной геометрии объемов и форм.
При строительстве и реконструкции уникальных зданий и сооружений архитектор сталкивается с необходимостью проектирования сложных поверхностей, имеющих криволинейные геометрические формы. В свою очередь, конструкции со сложными криволинейными геометрическими формами нуждаются в более квалифицированном исполнении, поскольку, из какого бы материала они не были изготовлены, уровень сложности их конструирования и отделки гораздо выше, чем элементов с плоскими поверхностями.
По указанной причине для повышения конкурентоспособности на строительном рынке подрядные организации заинтересованы в разработке и применении новых технологий и средств, с помощью которых можно улучшить технико-экономические показатели строительных процессов и эксплуатационные качества строительной продукции, а главное — увеличить срок службы готового объекта.
Согласно Техническим рекомендациям ТР 182-08 по научно-техническому сопровождению и мониторингу строительства большепролетных, высотных и других уникальных зданий и сооружений [1], в основной перечень работ включены объемы по выполнению отделочных работ, в составе которых значительный удельный вес имеют работы по оштукатуриванию поверхностей зданий и сооружений.
Значение штукатурки нельзя недооценивать. Штукатурка на поверхностях различных конструкций зданий и сооружений (стен, перегородок, перекрытий, колонн)
© Тамразян А.Г, Жолобов АЛ., Иванникова Н.А., 2012
125
вестник 11/2012
выравнивает поверхности, придает им определенную форму, защищает конструкции от влаги, выветривания, огня, повышает сопротивление теплопередаче, уменьшает воздухопроницаемость и улучшает звукоизолирующие свойства ограждающих конструкций и т.д.
В процессе эксплуатации зданий и сооружений наружные и внутренние поверхности ограждающих конструкций могут подвергаться физическим и химическим воздействиям, вследствие чего происходит разрушение этих конструкций.
Например, наружные поверхности ограждающих конструкций подвергаются жестким атмосферными воздействиям, которые приводят к неравномерным деформациям вследствие температурного расширения материала поверхностного слоя, а внутренние поверхности, в свою очередь, также могут разрушаться, в частности при наличии системы отопления и вентиляции — от образующегося на поверхности конденсата, резких колебаний температуры воздуха внутри помещений.
Параметры штукатурки, как и всякого другого конструктивного элемента здания, предназначены для возможности количественной оценки ее соответствия требованиям проекта и СНиП 3.04.01—87 [2] с помощью рекомендованных инструментальных методов и средств. Все заданные параметры штукатурки должны подлежать выборочной проверке, а ее результаты учитываться при приемке выполненных работ. В число наиболее важных и в то же время трудно контролируемых параметров штукатурки ограждающих конструкций можно отнести:
прочность сцепления, толщину, влажность и плотность штукатурки;
ровность поверхности или радиус ее закругления;
близость деформативных свойств штукатурного слоя к деформативным свойствам оштукатуриваемых конструкций.
Технология оштукатуривания поверхностей сложных архитектурных форм представляет собой трудоемкий процесс, при реализации которого важно учитывать мельчайшие детали [3]. Работы по оштукатуриванию относятся к скрытым видам работ. Проверить качество их выполнения возможно двумя способами. Первый способ заключается в осуществлении операционного контроля, т.е. контроля выполнения штукатурных работ на каждом этапе. Так как объем указанных работ иногда достигает очень больших значений, то в данном случае проверка становится затруднена. Ко второму способу относится визуальный или инструментальный приемочный контроль. Но оба эти способа трудно осуществимы при оценке качества штукатурки, наносимой на криволинейные поверхности [4].
Контроль над обеспечением заданного профиля конструкций связан с трудностями проведения осмотра, поскольку криволинейные поверхности в большинстве своем располагаются на значительной высоте над уровнем земли или пола [5]. Данный факт свидетельствует о необходимости разработки метода неразрушающе-го контроля качества работ при строительстве, реконструкции и отделке указанных зданий и сооружений.
В соответствии с Правилами обследования зданий, сооружений и комплексов богослужебного и вспомогательного назначения (МДС 11-17.2004) [6], контроль качества криволинейных поверхностей, отделанных различными видами штукатурки, должен выполняться с помощью индивидуального лекала для каждого типа и вида покрытия, а также с учетом геометрических размеров здания или сооружения. Естественно, что такой процесс индивидуального изготовления лекал технологически несовершенный и трудоемкий. Данные шаблоны для проверки заданного профиля криволинейных поверхностей по имеющемуся отклонению не пригодны для обследования вышеуказанных конструкций дистанционно, т.е. без прямого контакта с ними.
Созданные до настоящего времени приборы по осуществлению контроля качества выполненных работ криволинейных поверхностей, отделанных различными видами штукатурки, не удовлетворяют быстро растущему спросу потребителей,
126
КБИ 1997-0935. Vestnik Мвви. 2012. № 11
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство
VESTNIK
MGSU
поскольку указанный контроль качества является крайне неэффективным в рамках большого объема производства.
Таким образом, в строительстве существует потребность в создании метода нераз-рушающего контроля качества наружных и внутренних ограждающих конструкций с криволинейными поверхностями в большепролетных, высотных и других уникальных зданиях и сооружениях, содержащих элементы сложной архитектурной формы.
Решение задачи становится возможным благодаря разработке аппаратного и программного инструментария, позволяющего с высокой точностью дистанционно определять кривизну поверхности.
В качестве аппаратного средства выступает созданный авторами статьи модифицированный лазерный дальномер, ориентированный на съем показаний через равный шаг углового сегмента. Для обработки результатов измерений, полученных указанным прибором, с целью построения соответствующих кривых и поверхностей целесообразно использование методов геометрического моделирования. Данные методы прикладной математики позволяют объединить в единое целое знания геометрии и инструментарий вычислительной математики на базе компьютерных технологий.
Сущность принятого за основу подхода для обработки результатов измерений заключается в представлении исходного объекта в виде упорядоченного набора по -люсов — точек в конечномерном евклидовом пространстве. Построение осуществляется с помощью параметрического варианта метода Кастельжо — метода последовательных линейных интерполяций. Кривые и поверхности, построенные по данному алгоритму, являются кривыми и поверхностями Безье. Форрест установил связь между аналитическим представлением кривой Безье и полиномами в форме Бернштейна:
B(t (t) при 0 < t < 1, (1)
i=0
где P. — компоненты векторов опорных вершин; Ъ' n (t) — базисные полиномы Бернштейна n-й степени (весовые функции Безье), общий вид которых
Ъ,,п (() = СП t' (1 -1))-', где Cn . (2)
I! () -')!
Из чего следует, что функция, задающая кривую Безье, может быть представлена в виде линейной комбинации базисных полиномов Бернштейна, что позволяет исследовать свойства кривых, опираясь на свойства указанных полиномов [7].
В качестве результатов, полученных при обследовании ограждающих криволинейных поверхностей зданий и сооружений, выступают расстояния, дистанционно зафиксированные посредством специально сконструированного устройства со сканирующим лазерным дальномером. Данные величины позволяют определить опорные точки, по которым выстраивается искомая кривая либо поверхность. Увеличение количества опорных точек ведет к усложнению алгоритма рекурсивного метода при определении формы многочленов Бернштейна, а, следовательно, и кривых Безье (табл.).
Частные случаи кривой Безье
Линейные кривые
о П = 1
о Опорные точки: P0, P1 о Уравнение: в (t) = (1 -1 )P0 + tP1
ГРг /
о
t= 70
Квадратичные кривые
о n = 2
о Опорные точки: P0, P1, P2 о Уравнение:
B(t) = (1-t)2Po + 2t(1-t)Pi + t2P2
вестник
11/2012
Окончание табл.
Кубические кривые
о п = 3
о Опорные точки: р0, Р1, р2, Р3 о Уравнение:
в (г) = (1 - г)3 Р0 + 3г(1 - г)2 Р1 + 3г2 (1 - г)Р2 + г3Р3
Кривые Безье 4-й степени
о п = 3
о Опорные точки: р0, Р1, р2, р3 о Уравнение: в (г) = (1 - г)4 Р0 +
+4г(1 - г)3 р + бг2 (1 - г)2 Р2 + 4г3 (1 - г)Р3 + г4Р4
Осуществить переход от кривых Безье к поверхностям возможно двумя способами (см. рис.). По первому способу вводятся имеющие одинаковую параметризацию образующие кривые Безье. При каждом значении параметра по точкам на этих кривых в свою очередь строится кривая Безье. Перемещаясь по образующим кривым, получаем поверхность, которая является поверхностью Безье на четырехугольнике. Областью задания параметров такой поверхности является прямоугольник. По другому способу используют естественное обобщение полиномов Бернштейна на случай двух переменных, при этом создается поверхность Безье на треугольнике.
Примеры поверхностей Безье
В общем случае поверхность Безье порядка п х т задается (п + 1)т +1) контрольными точками Р. .. Точки поверхности определяются следующей параметризацией:
п т
в(и, V)= £ ,п (и)ь;- т (V)при 0 < г < 1, (3)
I=0 ]=0
где Ь.п (и), bj,т (у) — многочлены Бернштейна.
Для доступности и прозрачности методики обработки массива опорных точек и наглядности реализации алгоритма предполагается разработка программы для ЭВМ.
Установлено, что использование предлагаемого аппаратного средства, сориентированного относительно исследуемой ограждающей криволинейной поверхности здания или сооружения, позволяет не только оценить ровность поверхности строительной конструкции или определить радиус ее кривизны, но и выявить допущенное отклонение его значения от проектного, что крайне важно при проведении оценки отделочных работ наружных и внутренних оштукатуренных поверхностей сложных архитектурных форм строительных конструкций.
Предложенное решение по технологии обследования оштукатуренных поверхностей сложных архитектурных форм строительных конструкций методами геометриче-
128
/ББМ 1997-0935. Уеэгтк МвЭи. 2012. № 11
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство
VESTNIK
MGSU
ского моделирования проверено на практике и готово к применению в строительном и ремонтно-строительном производстве. Кроме достижения основной цели, указанной в названии статьи, эти методы позволяют снизить трудозатраты, уменьшить стоимость штукатурных работ и получить при этом существенный экономический эффект.
Примечание. Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России», проект 14.B37.21.0170.
Библиографический список
1. ТР 182—08. Технические рекомендации по научно-техническому сопровождению и мониторингу строительства большепролетных, высотных и других уникальных зданий и сооружений. М. : ГУП «НИИМосстрой», 2008. 36 с.
2. СНиП 3.04.01—87. Изоляционные и отделочные покрытия / Минстрой России. М. : ГУП ЦПП, 1996. 56 с.
3. Тишкин Д.Д. Анализ экспериментальных данных и результатов апробации механизированной технологии оштукатуривания стен помещений // Вестник гражданских инженеров. 2011. № 1. С. 91—97.
4. ИванниковаН.А., Жолобова О.А. Проблема обеспечения заданного профиля криволинейных поверхностей труднодоступных строительных конструкций // Строительство-2012 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2012. С. 137—138.
5. ГОСТ 26433.2—94. Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Правила выполнения измерений параметров зданий и сооружений. М. : Изд-во стандартов, 1996. 42 с.
6. МДС 11-17.2004. Правила обследования зданий, сооружений и комплексов богослужебного и вспомогательного назначения. М., 2005. 48 с.
7. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. М. : Мир, 2001. 604 с.
Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.
Об авторах : Тамразян Ашот Георгиевич — доктор технических наук, профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Жолобов Александр Леонидович — кандидат технических наук, профессор кафедры промышленного и гражданского строительства, ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт» (ГАОУ АО ВПО «АИСИ»), 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, д. 18, [email protected];
Иванникова Надежда Александровна — аспирант кафедры промышленного и гражданского строительства, ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт»
(ГАОУ АО ВПО «АИСИ»), 414056, г Астрахань, ул. Татищева, д. 18, [email protected].
Для цитирования: ТамразянА.Г., ЖолобовА.Л., ИванниковаН.А. Технология обследования оштукатуренных поверхностей сложных архитектурных форм строительных конструкций методами геометрического моделирования // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 125—130.
A.G. Tamrazyan, A.L. Zholobov, N.A. Ivannikova
TECHNOLOGY OF EXAMINATION OF PLASTERED SURFACES OF COMPLEX ARCHITECTURAL FORMS OF BUILDING STRUCTURES USING METHODS OF GEOMETRICAL MODELING
In the course of construction and restructuring of unique buildings and structures, any architect faces the need to design complex surfaces that have curvilinear geometrical forms that cannot be neglected. In turn, designs with complex curvilinear geometrical forms require higher skills in their development, as the complexity of their design and implementation is a lot higher than that of elements that have flat surfaces.
The value of plaster cannot be underestimated. Plaster applied to surfaces of various buildings and structures (walls, partitions, columns) flattens the surface, shapes it up and protects it from moisture and fire; it improves resistance to heat transfer; it reduces air permeability and improves the soundproofing properties of protected designs, etc.
вестник 11/2012
All pre-set parameters of plaster are to constitute the subject of random inspections, and inspection results are to be considered in the course of acceptance of any work. The most important though hard to control parameters of plaster include:
bond strength, thickness, moisture content and density;
flatness or its radius of curvature;
deformation properties of the plaster layer versus deformation properties of the design.
Control over compliance with the design is hard to implement as curvilinear surfaces are located at a significant height above the ground and/or the floor level. Therefore, there is a need to develop a non-destructive method of quality assurance of construction, restructuring and finishing works.
The solution to the problem becomes possible due to development of specific hardware and software designated for remote though accurate identification of the surface curvature.
The authors have developed a modified range-oriented laser methodology that employs angular segments to remotely assess the flatness of the building structure and its radius of curvature and to determine the deviation of its value from the designed one. The software also makes it possible to implement the quality control of the work performed over the curved surfaces coated with various types of plaster.
The proposed solutions have been pilot tested in practice, and they are ready for use in the building industry, namely, in construction, repair and restructuring works.
Key words: industrial building, bridge crane, stiffness matrix, probability calculations, residual resource, software.
References
1. TR 182—08. Tekhnicheskie rekomendatsii po nauchno-tekhnicheskomu soprovozhdeniyu i moni-toringu stroitel'stva bol'sheproletnykh, vysotnykh i drugikh unikal'nykh zdaniy i sooruzheniy. [Technical Recommendations 182—08. Technical Recommendations concerning Scientific and Technical Support and Monitoring of Construction of Large-span, High-rise and Other Unique Buildings and Structures]. Moscow, GUP «NIIMosstroy» Publ., 2008, 36 p.
2. SNiP 3.04.01—87. Izolyatsionnye i otdelochnye pokrytiya [Construction Norms and Regulations 3.04.01—87. Insulation and Finishing Coatings]. Minstroy Rossii [Ministry of Construction of Russia]. Moscow, GUP TsPP Publ., 1996, p.
3. Tishkin D.D. Analiz eksperimental'nykh dannykh i rezul'tatov aprobatsii mekhanizirovannoy tekh-nologii oshtukaturivaniya sten pomeshcheniy [Analysis of Experimental Data and Results of Testing of Technology of Power-driven Plaster Application onto Walls of Premises]. Vestnik grazhdanskikh inzhen-erov [Bulletin of Civil Engineers]. 2011, no. 1, pp. 91—97.
4. Ivannikova N.A., Zholobova O.A. Problema obespecheniya zadannogo profilya krivolineynykh poverkhnostey trudnodostupnykh stroitel'nykh konstruktsiy [The Problem of Compliance with the Preset Pattern of Curvilinear Surfaces of Hard-to-access Structural Elements]. Materials of Scientific and Practical Conference. Stroitel'stvo-2012 [Construction'2012]. Rostov-on-Don, Rostov State University of Civil Engineering, 2012, pp. 137—138.
5. GOST 26433.2—94. Sistema obespecheniya tochnosti geometricheskikh parametrov v stroitel'stve. Pravila vypolneniya izmereniy parametrov zdaniy i sooruzheniy. [System of Assurance of Accuracy of Geometrics in Building Engineering. Building and Structure Measurement Rules]. Moscow, Izd-vo standartov publ., 1996, 42 p.
6. MDS 11-17.2004. Pravila obsledovaniya zdaniy, sooruzheniy i kompleksov bogosluzhebnogo i vspomogatel'nogo naznacheniya [Rules of Inspection of Buildings, Structures, Liturgic and Supplementary Facilities]. Moscow, 2005, 48 p.
7. Rodzhers D., Adams Dzh. Matematicheskie osnovy mashinnoy grafiki [Mathematical Fundamentals of Computer Graphics]. Moscow, Mir Publ., 2001, 604 p.
About the authors: Tamrazyan Ashot Georgievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Zholobov Aleksandr Leonidovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Industrial and Civil Engineering, Astrakhan Institute of Civil Engineering (AICI), 18 Tatishcheva st., Astrakhan, 414056, Russian Federation; [email protected];
Ivannikova Nadezhda Aleksandrovna — postgraduate student, Department of Industrial and Civil Engineering, Astrakhan Institute of Civil Engineering (AICI), 18 Tatishcheva st., Astrakhan, 414056, Russian Federation; [email protected].
For citation: Tamrazyan A.G., Zholobov A.L., Ivannikova N.A. Tekhnologiya obsledovaniya oshtuka-turennykh poverkhnostey slozhnykh arkhitekturnykh form stroitel'nykh konstruktsiy metodami geomet-richeskogo modelirovaniya [Technology of Examination of Plastered Surfaces of Complex Architectural Forms of Building Structures Using Methods of Geometrical Modeling]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 125—130.
130
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 11
