Специфика применения технологии трёхмерного сканирования в строительстве и проектировании

Специфика применения технологии трёхмерного сканирования в строительстве и проектировании

о ы

а

а

«

а б

Колчин Владимир Николаевич

старший преподаватель, кафедра строительства объектов тепловой и атомной энергетики, ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ), ksilocal2@mail.ru

Целью исследования было показать возможности современных цифровых и информационных технологий в строительстве и проектирование, а также возможность совмещения различных технологий, позволяющих повысить эффективность проектирования и контроля строительства строительного объекта.

В данной статье рассматривается метод сбора, обработки и накопления информации о строительном объекте, территории строительства и процессе строительства, основанный на сочетании технологий лазерного сканирования, систем автоматизированного проектирования и методов контроля строительства.

Положительные эффекты внедрения современных цифровых технологий в строительстве и проектировании и, в частности, от совмещения технологий лазерного сканирования и технологии автоматизированного проектирования позволяют повысить эффективность систем автоматизированного проектирования, и улучшить качество контроля строительства. Наиболее важным является применение данных технологий на стадии проектирования или возведения строительного объекта так как эффект от внедрения на данных стадиях будет наиболее максимальным. Ключевые слова: Наземное лазерное сканирование, Контроль строительства, Лазерные сканирующие системы, САПР , Беспилотный летательный аппарат, GIS/ГИС - Геоинформационная система, 3D-модель.

Наземное лазерное сканирование (НЛС) — современная технология позволяющая производить фиксацию в пространстве координат контрольных точек строительного объекта, а так же промежуточных точек, с фиксированной периодичностью, строительного объекта по средством специализированного программного и технического оборудования.

Наиболее важным в данной технологии является именно совмещение современных информационных технологий, технологий автоматизированного проектирования и технологий сканирования. Важнейшим эффектом такого совмещения технологий является повышение качества проектирования и контроля строительства, что достигается за счёт как многократного увеличения объёма данных используемых в процессе проектирования, так и за счёт сокращения работ и операций в которых принимает непосредственное участие человек. Также за счёт применения современных технических и программных средств данная технология позволяет обеспечить самый быстрый метод получения большого объёма точнейших геометрических данных.

Наземное сканирование применяется при съёмке зданий, мостов, путепроводов, эстакад, надземных коммуникаций, цехов заводов, линейных объектов, для построения модели рельефа и топографической съёмки небольших площадей (до 1500 Га).

Сканирование производится с точки установки штатива (станции); как правило, современные сканеры обеспечивают обзор не менее 360х270 градусов. Для обеспечения полноты геометрических данных об объекте сканирование последнего выполняется с нескольких станций (позиций на местности). Используя методы классической геодезии, данные, полученные при сканировании, приводятся к единой системе координат. В зависимости от условий и требований Технического Задания, одним сканером за один день на объекте можно выполнить до нескольких сотен станций. При этом, на каждой станции в автоматическом режиме выполняются десятки миллионов измерений объекта с точностью 2-5 мм. Миллиметровая плотность покры-

тия измерениями (точками) позволяет детализировать в итоговой съёмке (облаке точек) даже самые маленькие элементы объекта. [8]

Результат съёмки по технологии НЛС это облако точек, состоящее из миллиардов точных измерений исследуемого объекта в заданной системе координат. Никакими иными методами подобного результата невозможно достичь в соизмеримые сроки исполнения. Облако точек -это реальная трёхмерная модель объекта съёмки. Облако точек можно использовать для производства любых линейных и угловых измерений, получения ортофотопланов и сечений выполняя их на обычном компьютере. Векторизацией облака точек можно получить Эй-модель объекта для дальнейшей работы с ней в привычной для инженера среде проектирования, например, AutoCAD или выполнить экспорт в систему САПР. [8,12]

Технология НЛС применима в следующих областях:

1. электроэнергетика;

2. нефтегазовая отрасль;

3. промышленное производство;

4. добыча полезных ископаемых;

5. промышленное и гражданское строительство, градостроительство;

6. инженерные коммуникации; железные и автомобильные дороги;

7. архитектура, археология, сохранение памятников и исторических объектов. [8]

Преимущества технологии НЛС:

1) Результат лазерного сканирования это огромный массив измерений (облако точек), представленный в единой системе координат. После постобработки - трёхмерные цифровые модели, сечения и топографические планы в масштабах от 1:100;

2) Высочайшая детальность получаемых материалов;

3) Высокая скорость сбора данных;

4) Все данные поступают сразу в цифровом виде;

5) Точность регистрации сканов в общем облаке точек достигает 10 мм;

6) Съемка происходит дистанционно, что исключает риск травмирования персонала в опасных зонах на производстве;

7) Сегодня большинство программ для проектирования имеют возможность загружать и использовать облака точек для моделирования и отслеживания коллизий в процессе строительства. [8]

По облаку точек, полученному в итоге лазерной съёмки, можно выполнить моделирование элементов объекта с представлением результатов в любую среду автоматизированного проектирования: Autodesk, AVEVA, Bentley, ESRI, Intergraph и другие. Технология НЛС незаменима при проектировании и реконструкции любых объектов, поскольку является источником достоверной и точной информации об объекте и окружающей его обстановке. [В]

Применение лазерного сканирования. Периодические или постоянные геодезические измерения, выполняемые в интересах контроля строительства объектов, призваны обеспечить технические и управленческие службы заказчика и инвестора объективной информацией о ходе строительства, о допущенных нарушениях проекта, о выполненных физических объёмах строительного этапа. Своевременно обнаруженные отклонения от проекта позволяют быстро принять решения по изменению проекта и/или устранению недостатков работы строителей. Имеется масса жизненных примеров, когда нарушение проекта было выявлено на конечных стадиях строительства, когда исправить ситуацию уже практически невозможно или это сопряжено с серьёзными дополнительными затратами. [З]

Например, в 200В году при строительстве новой очереди УКПГ ВУГКМ заказчик, устав от постоянных препирательств геодезических служб подрядчика и тех.надзора, просто остановил стройку и вызвал независимых специалистов наземного 3D-сканирования для выполнения объективной исполнительной съёмки всего построенного. По итогам точных 3D-измерений было выявлено и доказано более двух тысяч серьёзных нарушений, допущенных строителями. То есть, заказчик и тех.надзор доказали свою правоту. [3]

3D сканирование - не является абсолютно универсальным методом. На строительной площадке есть ряд уникальных задач, с которыми лазерное сканирование не справится или его применение окажется не оптимальным по затратам. Например, если необходимо в процессе монтажа балки проконтролировать лишь несколько локальных точек, то для этого будет достаточно геодезиста с тахеометром. Но, если устанавливается сложная конструкция со множеством контрольных параметров или если необходимо осуществить сплошной контроль всего этапа строительства, то применение 3D сканера становится более чем оправданным. То есть, лазерный сканер ни в коей мере не заменяет, а качественно дополняет возможности геодезических работ.

Ранее при строительстве и реконструкции объектов осуществлялся "классический" надзор

О В

£

В

m ti H

о ы

а

а

«

а б

и контроль. По маркам и/или характерным точкам. Как правило, соответствующие геодезические службы имеются как в проектных институтах, так и в строительных организациях. Но, работают они, используя старые методики и пользуясь старым инструментарием (рулетки, теодолиты, строительные тахеометры и т.п.). К тому же, возникает проблема проверки качества работы самого геодезиста. Но развитие современного строительства постоянно усложняет конструкцию и конфигурацию возводимых объектов, появляются новые строительные материалы и технологии, ускоряются темпы как проектирования, так и строительства. Более того, частые остановки и простои, длительный режим контроля, сомнительное качество надзора - всё это не только ведёт к удорожанию проектов, но и серьёзно снижает качество строительства в целом. [3]

С технической стороны, при самом благоприятном стечении условий на строительной площадке и используя "классические" методы работы, бригада геодезистов способна за день выполнить порядка 1000 измерений (точек) и затем в полу-ручном режиме не менее одного - двух дней обрабатывать эту съёмку до отчета. Ошибки геообоснования, ограничения по времени и пространству передвижения, ошибки человеческого фактора постоянно оказывают влияние на геодезические работы, негативно сказываясь на качестве выполняемой работы. Чаще всего контрольные точки выбираются геодезистами по неким характерным геометрическим признакам элементов объекта, а не по специальным контрольным маркам, срок жизни которых на строительной площадке объективно очень мал. Человек не в состоянии помнить тысячи - сотни тысяч контрольных точек. Более того, в процессе строительства элементы объекта без предупреждения могут быть видоизменены и даже несколько смещены вместе с характерными точками. В итоге, контрольная съёмка очередного этапа строительства часто становится неактуальна. [3]

Человеческий фактор играет негативную роль не только из-за допускаемых людьми ошибок в своей работе. Для компенсации этого сама методика производства работ должна предусматривать нахождение и исправление ошибок. На деле частенько в какой-либо сложной ситуации на объекте два разных геодезиста, выполнив измерения одной и той же точки, получают два разных результата, после повторного измерения получают третий результат, отличный от обоих предыдущих. И главным недостатком является то что все сделанные измерения будут верны поскольку, внешние условия выполнения геодезических измерений на стройплощадке зачастую просто не соответствуют предъявляе-

мым требованиям по точности. Например, проблема смещения и/или уничтожения реперов в процессе работы строительной техники - одна из самых болезненных. [3]

Преимущества лазерного сканирования:

1. Существенно сокращается время на осуществление контрольных промеров при значительно большем их числе. Современный 3й сканер способен производить миллион измерений в секунду с точностью первых миллиметров. За 2-3 минуты лазерный сканер легко снимет окружающую его обстановку (по сфере 360 градусов). При этом, фокус измерений (рабочие дальности от станции до поверхностей элементов объекта) будет находиться в пределах от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров;

2. Измерения выполняются без контакта с поверхностями объекта и можно вести 3й съёмку вне жёстких рамок геодезического обоснования. Т.е. место установки сканера (станции) выбирается из принципов лучшего обзора объекта и/или отсутствия помехи строительному процессу;

3. Автоматическая регистрация всех измерений в едином координатном пространстве позволяет освободится от большинства ошибок человеческого фактора. Даже методы последующей взаимоувязки съёмок от нескольких станций (сшивки) во многом автоматизированы и результаты поддаются объективному контролю, в том числе и визуальному. Однозначно измеренные и трактуемые данные будут наглядно и точно отражать существующую конфигурацию объекта;

4. Оперативное получение и использование результатов 3й сканирования на локальных участках стройки позволяет осуществлять практический контроль геометрических параметров уже через несколько минут после окончания съёмки. Просто надо будет перенести данные из 3й сканера на ноутбук и становятся доступными любые промеры из миллионов снятых точек данной станции. Расстояния, углы, створы. Можно визуально оценить объект с разных видов, вращая и масштабируя полученные данные. Руководителю работ это позволяет принимать обоснованные оперативные решения практически в режиме реального времени, уверенно управляя ходом строительства;

5. Сопоставление выполненной 3й съёмки фактического состояния объекта с проектной 3й моделью моментально выявляет все неточности и ошибки строителей. Позволяет визуально и инструментально оценить физические объёмы выполненных строительных работ (на момент съёмки). Если в текущей съёмке будет порядка

20 станций (мест установки сканера), то общий результат можно будет получить и использовать уже через 5-6 часов. Важно: для возможности сравнения с проектной 3D моделью необходимо, что бы система координат модели была закреплена на территории объекта строительными реперами. Тогда совмещение проекта с реальностью будет происходить автоматически - простой загрузкой данных лазерного сканирования в проектную среду (AutoCAD, AVEVA и т.п.) на компьютере контролирующего специалиста;

6. Полученные данные лазерного сканирования могут быть оперативно загружены на web-сервер участников строительного проекта. Такой сервис помимо наглядной визуализации стройки поможет удалённо контролировать ход строительных работ (например, при ежедневной выгрузке), позволит удалённо выполнять любые промеры и подсчитывать физические объёмы. Можно будет специально выделять проблемные места и это увидят все, кому будет санкционирован доступ к данным. То есть, достигается принцип прозрачности строительных процессов. Web-интерфейс позволит заинтересованным сторонам (находящимся в разных уголках планеты) обмениваться комментариями, оперативно выдавать задания и указания;

7. В результате лазерного сканирования будут получены цифровые данные, актуальные на дату съёмки. То есть, производится 3D фиксация пространственного положения всех элементов объекта. Цифровые данные сохраняются в виде компьютерных файлов и могут быть использованы в любой последующий момент. Например, при подозрении на неправильную осадку строящегося здания всегда можно будет вернуться и дополнительно проанализировать котлован, свайное поле, ростверки, и т.д. Сравнение и анализ нескольких съёмок позволит судить о динамике поведения строящегося объекта, позволит своевременно выявить и отследить возможные негативные тенденции, а значит, позволит заинтересованным сторонам принять верные и своевременные решения. Таким образом, систематизацией и хранением 3D съёмок на разных этапах строительства решается задача по мониторингу возводимого объекта; [3]

Возможность проводить точные измерения сложных конструкции и элементов таких как декоративные украшения зданий, надстройки, решётчатые элементы, разрушенные части зданий или конструкций. Примеры применения лазерного сканирования совместно с САПР:

1. «Фирма «Г.Ф.К.» по заданию Центра прикладной геодинамики произвела сканирование сканером Leica HDS 3000 подмосковный акведук. Сканирование объекта производилось с шагом 5 мм. После связки сканов получен мас-

сив, который состоит более чем из 10 млн. точек. Облако точек очень информативно и отображает реальную картину объекта. По облаку точек можно измерить любой конструктивный элемент отсканированного объекта, например размер любого кирпича или ширину шва между кирпичами с точностью до 1 мм. В любой имеющейся CAD-программе несложно построить фасад по точкам, в данной технологии не требуется стереорежим, как при использовании фотограмметрических методов. Достаточно быстро происходит построение твердотельной модели объекта, получения любых разрезов, разбивок на поверхности, а также расчет объема и площади объекта. Одним из видов обработки результатов лазерного сканирования является получение различных сечений в любой желаемой плоскости и с любым шагом между сечениями. В результате получаются разрезы и планы на любом уровне.

2.Работы по сканированию внутреннего контура купола Московского планетария производила «Фирма «Г.Ф.К» в связи с ведущейся реконструкцией основного здания. Цель работы — строительные обмеры для определения геометрических параметров сооружения на объекте «Купол Московского планетария». Высоко эффективным и быстрым видом обработки результатов лазерного сканирования является получение различных сечений в любой желаемой плоскости и с любым шагом между сечениями. При сканировании Московского планетария было получено облако объемом 80 млн. точек за Э (три) полевых дня. Обработка облаков точек до получения контуров сечений на заданных высотных отметках и проходящих через указанные оси колоннах велась в программном обеспечении Cyclone, с последующей передачей данных в AutoCAD в формате DXF. Второй частью данной работы было сканирование купола Московского планетария снаружи. Цель этого сканирования создание Э-мерной модели наружной поверхности купола в виде облака точек, а также определение геометрических параметров сооружения по объекту. Конечным результатом явились вертикальные (меридиональные) сечения купола с угловым шагом 5 градусов и горизонтальные сечения купола в виде контуров с шагом по параллели 25 см. [1]

Как видно, данная технология позволяет получить исчерпывающую информацию о строительном объекте, его форме и размерах, как наружных так и внутренних, а также провести контроль строительства и/или реставрации, провести мониторинг и контроль строительных конструкций не разрушающим методом. Данные измерений предоставляются высокой точностью и в кратчайшие сроки, а результаты обработки данных позволяют быстро получить необходи-

0 55 I» £

55 П П Н

ы

а

s

«

а б

мую строительную документацию (планы, разрезы, чертежи, и т.д.) и даже аналитические трёхмерные модели строительного объекта.

Ещё одним из важнейших эффектов от применения данной технологии является экономический эффект - снижение затрат на разработку строительного проекта за счёт снижения объёма полевых работ, а также за счёт увеличения объёма получаемой информации. Дальнейшее развитие технологии 30-сканирования.

Технология 30-сканирования является не только перспективной строительной технологией но и является одной из наиболее развивающиеся. Примером этого может служить внедрение современных специализированных технических средств, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

Компании Autodesk и TraceAir создали решения для контроля качества и стоимости строительства c применением БПЛА. Его эффективное использование возможно благодаря интеграции программных продуктов Autodesk и веб-платформы TraceAir. Решение уже используется на стройплощадках ПИК, «Мортон», «Крост» и

др. [2]

Применение БПЛА и учёт данных полученных аппаратом в информационной модели строительного объекта становится возможным более оперативно контролировать допущенные ошибки при строительстве, отличия от проекта, и тем самым повысить качество строительства и снизить экономические потери.

TraceAir — первый в России многофункциональный GIS-сервис для решения задач мониторинга, управления и контроля работ на строительных площадках, объектах горной добычи, а также при планировании и развитии городов. Съемка земной поверхности производится с автономных беспилотных летательных аппаратов, что позволяет значительно сократить время получения данных и повышает их качество. Полученные фотографии местности преобразуются в облака точек и загружаются на веб-платформу. Информация может быть получена через интерактивную систему, доступную на любом устройстве. Это позволяет получать реальные преимущества, особенно компаниям, работающим в технологии BIM, переход на которую, согласно плану Минстроя, активно реализуется. Веб-платформа TraceAir взаимодействует с ключевыми программными продуктами Autodesk для проектирования, экспертизы, контроля качества процессов строительства. Геодезические данные, полученные с помощью TraceAir, могут быть загружены в BIM-модель и использованы для управления объектами на этапах концептуального проектирования, проектирования инфраструктуры территории, экспертизы архитектурно-строительных проектов, проектирования,

а также на этапе планирования и проведения земляных работ. Сочетание возможностей быстрого сравнения фактической данных с теми, что смоделированны на основе технологии BIM, позволяет принимать обоснованные решения при планировании, проектировании, строительстве и управлении жизненным циклом объектов инфраструктуры. Принципиальным отличием данного решения является в первую очередь срок получения геодезических данных. Традиционные способы получения подобной информации требуют от одной до двух недель для ее сбора и обработки. Решение TraceAir позволяет получить данные в течение нескольких часов, благодаря чему сохраняется их актуальность. Решение Autodesk и TraceAir уже используется на строительных площадках Москвы, Московской области, Екатеринбурга, Калининграда, Тюмени, Липецка, Анапы и Новокузнецка. [2,6,10,11]

Литература

1. Александр Ножкин, Сергей Серегин , Лазерные сканирующие системы в архитектуре и строительстве., Строительство. 2006. №3

2. Российские стройки оборудуют дронами.,

Интернет-портал: САПР и графика

Режим доступа: http://sapr.ru/article/25178, Дата обращения: 2016г.

3. Применение лазерного сканирования. Контроль строительства.

Интернет-портал: Информационный портал «АКРОПОЛЬ-ГЕО»

Режим доступа: http://www.3dls.ru/primenenie-lazernogo-skanirovaniya/34-kontrol-stroitelstva, Дата обращения: 17.07.2016г.

4. Malycha G.G., Kolchin V.N. Faciliti Management (FM) Information Systems, Key tasks and implementation tools., CIB W78 Dresden, Germany, Conference on Information Technology in Construction., 2005г. pp. 611 - 615.

5. Морозенко А.А., Информационный подход к решению организационных задач - основа прогресса в строительстве.,

Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 9. С. 57-60.

6. Гинзбург А.В., В1М-технологии на протяжении жизненного цикла строительного объекта.,

Информационные ресурсы России. 2016. № 5 (153). С. 28-31.

7. Теличенко В.И., Морозенко А.А. Разработка структуры виртуальных организаций в инвестиционно-строительных проектах.,

Технология и организация строительного производства. 2013. № 2 (3). С. 21-28.

8. 3DLS: Самое актуальное о лазерном сканировании и инженерной геодезии. Наземное лазерное сканирование.

Интернет-портал: Информационный портал «АКРОПОЛЬ-ГЕО»

Режим доступа: http://www.3dls.ru/project/11, Дата обращения: 17.07.2016г.

9. Марина Король., «В россии проведено первое исследование по эффективности применения информационного моделирования в строительстве»

Интернет-портал: Concurator Режим доступа:

http://concurator.ru/press_center/publications/7id_o bject=162, Дата обращения: 28.06.2016 г.

10. Ирина Дроздова., Интервью: BIM или не BIM: 4 «за», 4 «против»

Интернет-портал: Archi.ru Режим доступа:

http://archi.ru/russia/70983/bim-ili-ne-bim-4-za-4-protiv, Дата обращения: 25.10.2017г.

11. Ulrich Epp., От сканирования к ГИС Интернет-портал: Hexagon geosystems Режим доступа:

http://geosystems.ru/use/obshchee/articles/ot-skanirovaniya-k-gis/, Дата обращения: 2017г.

12. Денис Захаркин., Пресс-релиз: «VR Concept знает, что делать с облаком точек в виртуальной реальности»

Интернет-портал: 3D today Режим доступа:

http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/vr-concept-knows-what-to-do-with-the-cloud-of-points-in-virtual-realit/, Дата обращения: 16.02.2017г.

The specificity of the use of technology three-dimensional

scanning in construction and building design Kolchin V.N.

The national research Moscow state construction university The research objective was to show the possibilities of modern digital and information technologies in construction and design, as well as the possibility of combining different technologies to enhance the effectiveness of the design and control construction of the object. This article discusses a method of collecting, processing and accumulation of information about the construction site, the construction site and the construction process, based on a combination of laser scanning technologies, computer-aided design and control methods of construction. The positive effects of the introduction of modern digital technology in construction and design and, in particular, from combining the technologies of laser scanning technology and computer-aided design improve the efficiency of computer-aided design, and to improve the quality control of construction. The most important is the application of these technologies at the design stage or building construction as the effect of the implementation on these stages will be the most maximum.

Key words: TLS - Terrestrial laser scanning, construction Monitoring, LSS - Laser scanning systems, CAD - computer-aided design, UAV - Unmanned aerial vehicle, GIS - geo-information system, 3D model. References

1. Alexander Nozhkin, Sergey Seregin, Laser scanning systems

in architecture and construction., Construction. 2006. № 3

2. Russian construction sites are equipped with drones., Internet portal: CAD and graphics

Access mode: http://sapr.ru/article/25178, Date of circulation: 2016g.

3. Application of laser scanning. Construction control. Internet portal: Information portal "Acropolis-GEO"

Access mode: http://www.3dls.ru/primenenie-lazernogo-skanirovaniya/34-kontrol-stroitelstva, Date of circulation: 17.07.2016.

4. Malycha G.G., Kolchin V.N. Faciliti Management (FM) Information Systems, Key tasks and implementation tools., CIB W78 Dresden, Germany, Conference on Information Technology in Construction., 2005. pp. 611-615.

5. Morozenko AA, Informational approach to solving organizational problems - the basis for progress in construction.,

Industrial and civil construction. 2016. № 9. P. 57-60.

6. Ginzburg AV, VIM-technologies during the life cycle of the

building object.,

Information resources of Russia. 2016. No. 5 (153). Pp. 28-31.

7. Telichenko VI, Morozenko A.A. Development of the structure

of virtual organizations in investment-construction projects., Technology and organization of construction. 2013. No. 2 (3). Pp. 21-28.

8. 3DLS: The most relevant about laser scanning and engineering geodesy. Ground-based laser scanning.

Internet portal: Information portal "Acropolis-GEO" Access mode: http://www.3dls.ru/project/11, Date of circulation: 17.07.2016.

9. Marina Korol., "In Russia, the first study on the effectiveness

of the use of information modeling in construction" Internet portal: Concurator

Access mode:

http://concurator.ru/press_center/publications/?id_object=16 2, Date of circulation: June 28, 2016.

10. Irina Drozdova., Interview: BIM or not BIM: 4 for, 4 against Internet portal: Archi.ru

Access mode: http://archi.ru/russia/70983/bimi-ili-ne-bim-4-za-4-protiv, Date of circulation: 25.10.2017.

11. Ulrich Epp., From Scan to GIS Internet portal: Hexagon geosystems

Access mode: http://geosystems.ru/use/obshchee/articles/ot-skanirovaniya-k-gis/, Date of circulation: 2017.

12. Denis Zakharkin., Press-release: "VR Concept knows what to do with a cloud of points in virtual reality"

Internet portal: 3D today

Access mode: http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/vr-concept-knows-what-to-do-with-the-cloud-of-points-in-virtual-realit/, Date of circulation: 16.02.20m .

О R U

£

R

m fi H