Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние изученности вопроса о геодезическом мониторинге высотных сооружений 10
1.1 Общие сведения о высотных строениях 10
1.2 Обзор существующей нормативной литературы по мониторингу сооружений 21
1.3 Виды деформаций и их характеристики 27
1.4 Обзор методов и технологий по учету деформаций высотных зданий и сооружений 31
1.4.1 Нивелирование 31
1.4.2 Методы определения плановых смещений и кренов 33
1.4.3 Фотограмметрические методы 34
1.4.4 Электронные тахеометры 36
1.4.5 Мониторинг объектов с применением глобальных навигационных спутниковых систем 37
1.4.6 Инструментальные наблюдения изменения пространственных характеристик здания 39
1.4.7 Автоматизированные системы геодезического мониторинга на основе видеонаблюдений 42
1.5 Общие сведения о технологии наземного лазерного сканирования 44
1.6 Анализ конечной продукции результатов наземного лазерного сканирования для определения деформаций высотных сооружений 48
ГЛАВА 2 Разработка алгоритмов обработки данных наземного лазерного сканирования для оценки деформаций высотных строений 60
2.1 Моделирование деформирования высотного строения 61
2.2 Фрагментация цифровых трехмерных моделей 66
2.3 Определение плоскости из облаков точек лазерных отражений по методу наименьших квадратов 69
2.4 Обоснование точности применения кластерного анализа 73
2.5 Создание ортоизображений 74
2.5.1 Последовательность создания ортоизображений з
ГЛАВА 3 Разработка методики геодезических наблюдении за процессом деформирования высотных сооружений с использованием технологии наземного лазерного сканирования 83
3.1 Подготовительные работы 84
3.2 Полевые работы 91
3.2.1 Создание сети планово-высотного обоснования лидарной съемки 91
3.2.2 Наземное лазерное сканирование объекта 101
3.3 Камеральные работы 104
3.3.1 Регистрация и обработка облаков точек 104
3.3.2 Цифровое трехмерное моделирование 105
3.3.3 Программный комплекс "3dot" 106
ГЛАВА 4 Экспериментальная проверка методики контроля деформационных процессов высотных зданий и сооружений на основе наземного лазерного сканирования 114
4.1 Геодезический мониторинг Шуховской башни 114
4.1.1 Характеристика Шуховской башни 115
4.1.2 Создание цифровых трехмерных моделей Шуховской башни 117
4.2 Цели, задачи и методика проведения экспериментальных исследований ... 122
4.3 Моделирование деформаций объекта панельного типа в лабораторных условиях 123
4.4 Апробация цикла геодезического мониторинга деформационных процессов на примере жилого здания 127
Заключение 132
Список литературы
- Виды деформаций и их характеристики
- Фрагментация цифровых трехмерных моделей
- Создание сети планово-высотного обоснования лидарной съемки
- Цели, задачи и методика проведения экспериментальных исследований
Виды деформаций и их характеристики
В настоящее время строительство высотных сооружений выделилось в отдельное направление, однако не только в России, но и в мире отсутствует единая однозначная трактовка термина "высотное строение".
Согласно [52], сооружение является результатом строительной деятельности для осуществления определённых потребительских функций.
При этом известны частые случаи использования термина «сооружение», обозначающего строительный объект, не являющийся зданием. Сюда могут относиться различные по конструкции и назначению инженерно-технические сооружения: мосты, плотины, вытяжные трубы (вентиляционные и дымовые), опоры антенных сооружений радио и телевидения, метеорологические вышки, опоры воздушных линий электропередач, а также мемориальные сооружения (памятники, мемориальные пирамиды и обелиски), архитектурные сооружения (аркады, колоннады, обелиски) и так далее.
Однако, в рамках выполняемого исследования предлагается все же исходить из того факта, что здание является разновидностью строительного сооружения, создаваемого для осуществления функций проживания, хозяйственной или иной деятельности людей [52]. Поэтому трактовка термина "высотное здание" не должна отождествляться от понятия "высотное сооружение" или "высотное строение".
Обычно понятие «высотное здание» обозначает любое высокое здание. Размер, при котором здание рассматривается как высокое, является, конечно, относительной величиной, и в разные времена и в разных странах воспринималась по-разному на всем протяжении истории строительства. Здание характеризуется как высотное тогда, когда оно значительно выше, чем окружающие его структуры [47]. Однако, 15-этажное здание вряд ли может считаться высотным, например, в Гонконге или Нью-Йорке, где количество небоскребов насчитывает несколько сотен объектов. В то же время в неком провинциальном европейском городе здание такой этажности может значительно выделяться на фоне существующих строительных норм.
Отвечая на вопрос, что подразумевается под высотной составляющей объекта, путем обзора отечественной нормативной литературы выяснилось, что в различных документах понятие "высота" может трактоваться по-разному. Данный факт напрямую зависит от направленности задач и специфики нормативного документа. В частности [53, 55] указывают высоту зданий в этажах.
С другой стороны, с точки зрения противопожарных правил высоту здания следует определять в метрах, учитывая разность отметок поверхности проезда для пожарных машин и нижнего уровня открывающегося оконного проема в наружной стене верхнего этажа (верхний технический этаж не считается). Высота данного объекта колеблется по степени пожарной опасности от 55 м до 75 м для жилых многоквартирных зданий [63]. Хотя верхний технический этаж не учитывается при выполнении противопожарных действий при эвакуации и спасению людей, а также, например, при расчете числа лифтов, он включается в расчет при определении этажности здания [51].
Поскольку высотные здания относятся к числу наиболее сложных объектов строительства, ряд основных решений по их проектированию согласованно принимается международными общественными организациями инженеров и архитекторов - IABCE - ASCE и СІВ. На симпозиуме СІВ в 1976 г. была принята общая классификация зданий по их высоте в метрах. Сооружения высотой до 30 м были отнесены к зданиям повышенной этажности, до 50, 75 и 100 м -соответственно к I, II и III категориям многоэтажных зданий, свыше 100 м - к высотным [10, 75]. Для классификации небоскребов был принят критерий высоты в метрах, а не этажности, поскольку высоты этажей принимаются различными в зависимости от назначения здания и требований национальных норм проектирования. При этом принятая СІВ классификация, безусловно, не является обязательной. Она может корректироваться согласно традициям и нормам проектирования, используемым в конкретных странах [75]. В Москве к высотным относят здания выше 75 м., так как многоэтажное строительство и соответствующие ему нормы проектирования были ориентированы на высоту до 75 м. В Санкт-Петербурге нормативный документ [59] регламентирует проектирование высотных зданий высотой более 75 м, а также общественных зданий высотой более 50 м.
В то же время важно отметить, что в Градостроительном кодексе Российской Федерации вовсе нет термина "высотное здание", но в статье 48.1. "Особо опасные, технически сложные и уникальные объекты" встречается понятие "уникальное здание". Для него указана высотная характеристика более 100 м., а также подразумевается повышенный уровень ответственности.
В своих сравнительных исследованиях такие международные базы данных, как skyscrapers.com, приняли за эталон здания высотой в 35 метров или 12 этажей
В Германии, опираясь на некоторые критерии пожарной безопасности и эффективной эвакуации, приняли следующее определение: «Высотными являются здания, в которых пол хотя бы одного занятого помещения расположен на высоте более 22 метров от уровня земли» [47]. Кроме того по действующей в Германии классификации высотные здания разделены на четыре группы:
Известно мнение специалистов международного совета по высотным зданиям и городской среде, занимающихся вопросами высотного строительства, изучая и описывая проектирование, конструирование и сооружение высотных объектов. Они считают, что нет возможности дать четкое и всеобъемлющее определение понятия "высотное здание". Однако отмечается, что в общих случаях в качестве пороговой можно рассматривать высоту объектов более 50 метров или от 14 этажей, хотя этажность и относительный показатель высотности по причине различной высоты потолков внутренних помещений зданий. Здания выше 300 метров отнесены к категории сверхвысоких, а выше 600 метров - мегавысокие. При этом представители совета предлагают три критерия измерения высоты здания (во всех случаях измерения производятся от наиболее низкого значимого входа в здание):
Фрагментация цифровых трехмерных моделей
Основными преимуществами твердотельного моделирования являются: удобство работы в системах автоматизированного проектирования (САПР), наглядность и связность получаемых моделей. В настоящее время реализовано большое количество программных комплексов, выполняющих трехмерное моделирование (AutoCad, 3DStudioMAX, Maya, LightWave, MicroStationn др.). Многочисленные функции, заложенные в данном ПО, позволяют создавать новые трехмерные модели, а также преобразовывать имеющиеся двухмерные чертежи. Недостатки твердотельного моделирования прежде всего связаны с трудозатратами по моделированию сложных объектов, при которых требуются значительные вычислительные ресурсы и аналитические средства проекционных преобразований, а уровень автоматизации недостаточен. Однако важным замечанием является факт того, что требуемая точность построения твердотельной ЦТМ зависит от назначения и значимости объекта, а также целей ее последующего использования.
В этой связи если говорить о мониторинге высотных объектов, то речь должна идти о создании высокоточных измерительных моделей, наиболее полно и наглядно предоставляющих информацию о геометрических характеристиках объекта.
При этом целесообразно разграничить процессы моделирования объектов в зависимости от наличия исходных данных. Если имеется исходная информация (проектная документация), то она позволяет создавать "идеальную" трехмерную модель объекта, отвечающую функционально-технологическим, конструктивным и инженерно-техническим требованиям. В другом случае, если проектная документация не сохранилась, но важно определить техническое состояние объекта и проследить за его стабильностью, то трехмерная цифровая модель, полученная по данным НЛС, может быть использована в качестве исходной информации для последующих сеансов мониторинга.
Модельно-ориентированный подход при изучении деформаций способствует проведению оценки деформационных изменений в широком спектре возможных деформаций (локальное деформирование, сдвиг и разрушение, деформации кручения и т.д.), а не только судить об интегральном виде деформирования (крен, изгиб) путем контроля нескольких точек. При этом трехмерная ЦТМ и ее изменения могут эффективно использоваться непосредственно в программных комплексах по оценке напряженно-деформированного состояния рассматриваемого объекта.
Таким образом, съемка с использованием НЛС достаточно точно и полно описывает поверхность высотных сооружений, но для определения деформаций данных объектов непосредственное использование облаков точек неудобно, поэтому необходимо их преобразование.
При этом представляется, что критерии, которым должны удовлетворять эти преобразованные материалы для быстрого и точного решения задачи определения деформаций, должны удовлетворять следующим требованиям: - описывать сооружение и его отдельные значимые элементы в полном объеме; - сохранять высокую детализацию сканерной съемки (без упрощений, свойственных генерализации), быть наглядными и понятными заинтересованному специалисту; - занимать меньший объем и требовать меньше вычислительных ресурсов, чем исходные облака точек, а также использоваться без специализированного ПО; - хорошо структурироваться и формализоваться (например, сечение на отметке +10 м., а не тысяча точек с координатами XYZ), что позволит их накапливать и легко сопоставлять между циклами наблюдений
Анализ технической литературы по контролю высотного строительства и эксплуатации высотных объектов показал, что данный вопрос широко обсуждается и нормативно закреплена общая регламентация наблюдений за высотными объектами. Это, безусловно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой тематики «Геодезические наблюдения за процессом деформирования высотных сооружений с использованием технологии наземного лазерного сканирования». Вместе с тем обзор источников обнаружил ряд вопросов, которые необходимо решить.
Одним из них является отсутствие четкой грани между высотными и невысотными строениям. По-видимому, можно говорить об определенном критерии соотношения высоты и других размеров объектов, а также его жесткости.
Анализ существующей нормативной документации, технической литературы и разработок в области мониторинга технического состояния высотных сооружений выявил, что основное внимание при наблюдениях за строениями уделяется его осадкам, в том числе неравномерным. При этом исходят из положения, что деформирование всего сооружения - следствие деформирования его основания. Это не всегда так. В высотном строении могут происходить деформации на определенных ярусах при отсутствии деформирования основания. Это относительно деформационного процесса главное отличие высотного от невысотного объекта. Встает вопрос об установлении определенных соотношений, разграничивающих эти объекты. Важно также отметить, что для высотного объекта неравномерные осадки куда более негативны, чем для невысокого.
В этих условиях целесообразно использовать технологию НЛС, ориентированную на модельный подход, при котором возможно проводить оценку деформационных изменений во всем объекте в широком спектре возможных деформаций, что может существенно повышать качество решений по обеспечению безопасного функционирования высотных строений.
Важным вопросом является создание методики сравнения результатов сканирования. Понятно, что когда речь идет о наблюдениях по деформационным маркам, то сравниваются их смещения по циклам наблюдений. При использовании технологии НЛС для сравнения сканов следует разработать специальную методику, обеспечивающую необходимую точность измерений.
Таким образом, для разработки методики контроля деформационных процессов высотных зданий и сооружений на основе применения наземного лазерного сканирования необходимо решить следующие задачи: 1) Разработка алгоритмов обработки данных наземного лазерного сканирования для оценки деформационных процессов; 2) Разработка методики геодезических наблюдений за процессом деформирования высотных сооружений с использованием технологии наземного лазерного сканирования; 3) Проверка в натурных условиях предлагаемой методики геодезических наблюдений деформационных процессов высотных сооружений.
Создание сети планово-высотного обоснования лидарной съемки
Данные работы проводились в рамках создания геоинформационной системы (ГИС) для Акрополя (Греция) в целях его сохранения и реставрации, а также научных задач [69].
В этой связи сканирование высотного объекта может выполняться и с вынесенных на определенных этажах площадок, например, по схеме, приведенной на рисунке 3.9. Связь между соседними станциями сканирования может осуществляться по специальным сканерным маркам и показаниям датчика наклона, позволяющим ориентировать сканы в вертикальном положении.
Схема сканирования высотного объекта с выносных площадок Однако, чрезвычайно важен факт стабильности подобных конструкций по отношению к ветровой нагрузке, что является сложной технической задачей. При этом для дополнительного контроля можно закреплять на противоположных концах исследуемого участка неподвижные отражатели и координировать положение их центров высокоточным тахеометром. Таким образом, рассматриваемое построение представляет собой частный случай сканерного хода. Его рассмотрение будет приведено ниже.
Кроме того для организации работ необходимо учесть, что НЛС может выполняться и в ночное время суток. Сдерживающим фактором применения НЛС может являться характеристика сканируемых поверхностей, а именно их материал и цвет. В [70], приведены исследования влияния представленных свойств.
Кроме вышеизложенного в [50] отмечено, что наличие зеркальных, полупрозрачных или кристаллических поверхностей следует покрывать специальным материалом или использовать дополнительные меры контроля точности измерений (дополнительные измерения или применение других методов сбора данных). В противном случае могут возникать переотражения луча и возникновение шумов на облаках точек (рисунок 3.10).
Рисунок 3.10 - Шумовые точки в результате переотражения лазерного луча Как видно, проектирование сканерных станций должно вестись избирательно в зависимости от геометрических особенностей объекта и состояния окружающей обстановки. При этом важно заметить, что избыточное число станций сканирования не всегда положительно влияет на результат, так как увеличивает время на производство полевых работ, а также может способствовать накоплению ошибок ориентирования сканов.
Полевые работы 3.2.1 Создание сети планово-высотного обоснования лидарной съемки На данном этапе следует разработать и закрепить сеть планово-высотного обоснования для последующей процедуры внепшего ориентирования облаков точек (регистрации, "сшивки" сканов).
Согласно [12, 66] в настоящее время выделяются следующие способы внепшего ориентирования: - определение элементов внешнего ориентирования (ЭВО) с помощью конструктивных особенностей применяемых лидаров; - использование набора опорных точек, пространственное положение которых однозначно определяется в необходимых системах координат; - взаимное ориентирование сканов по аналогии формы перекрывающихся участков.
Перечисленные способы имеют различное назначение, свои преимущества и недостатки, обуславливающие использование конкретного метода. В рамках диссертационной работы предлагается подробнее рассмотреть возможность применения набора опорных точек. При этом важно отметить, что разрабатывается прежде всего методика геодезического мониторинга, в основе которой лежит сравнение результатов НЛС после циклических наблюдений. Поэтому необходимо иметь исходное планово-высотное обоснование, относительно которого будут проводиться последующие сеансы сбора данных. В этих целях следует применять фиксированный набор специальных марок, незыблемость положения которых должна периодически проверяться соответствующими геодезическими измерениями.
В соответствии с [36], обоснование для осуществления геодезического мониторинга должно включать: исходную высотную и плановую основу, привязочные ходы, деформационную сеть.
При это исходная основа должна закрепляться глубинными реперами и пунктами полигонометрии не позднее чем за 2 месяца до начала наблюдений. Они должны располагаться на стабильной местности вне зоны действия предполагаемых деформаций (обычно на расстоянии, 1,5Н, где Н - высота здания или сооружения). Постоянства положения пунктов исходной высотной основы осуществляют циклическими измерениями с помощью геометрического нивелирования коротким лучом в каждом цикле измерений, а плановой основы -с применением линейно-угловых построений.
Привязочный ход должен устанавливать связь исходной высотной основы с деформационной сетью. Для этого наиболее предпочтительными являются методы нивелирования коротким лучом.
Деформационную сеть представляет собой совокупность деформационных марок. Кроме того в ходе геодезического мониторинга объектов закладываются и контролируются на устойчивость вспомогательные пункты, необходимые для передачи плановых координат от пунктов опоры к деформационным маркам.
В основе их дешифрирования лежат два принципа - определение геометрического центра плоской фигуры, однозначно контрастирующей с окружающими поверхностями (плоские сканерные марки) или определение центра геометрической фигуры известной формы и/или размеров (объемные сканерные марки), что важно при их однозначном распознании с нескольких сканерных позиций. Общим условием ведения работ по НЛС является закрепление марок в зонах хорошей видимости и недоступность для смещения посторонними лицами.
При этом в рамках предлагаемой методики для приведения всех результатов в единую систему координат предлагается применение универсальных сканерных пунктов, имеющих различную модификацию. В качестве примера предлагается рассмотреть цельную комбинацию пространственной (в виде цилиндра) и плоской (в виде плоского диска) марок, центры которых расположены на одной отвесной прямой. Общая конструкция может фиксироваться на металлической трубе, в которойзакреплена нивелирная марка. Представленное устройство наряду с бетонным основанием и металлической оградой является частью геодезического пункта (рисунок 3.12).
Цели, задачи и методика проведения экспериментальных исследований
Она строилась путем функций редактирования твердых тел, заложенных в ПО AutoCAD. По расставленным ранее твердотельным элементам узлов (рисунок 4.5) создавались сечения, которые затем выдавливались по направлению моделируемых конструкций.
По твердотельной трехмерной модели на заключительном этапе камеральных работ были созданы обмерные чертежи М :100 для фасадов, планов, а также разрезов башни (рисунок 4.8). Данный комплект документов был необходим для последующей разработки проектно-технической документации при реконструкции или капитальном ремонте сооружения [7].
Цели, задачи и методика проведения экспериментальных исследований Экспериментальные исследования проводились для проверки теоретических положений по контролю деформационных процессов высотных зданий и сооружений, выдвинутых в рамках диссертационного исследования, а также с целью оценки эффективности разработанных в диссертации предложений.
В рамках работы были проведены лабораторные исследования, направленные на проверку основных технологических процессов разрабатываемой методики.
В учебном помещении на 4 стенах были закреплены специальные плоские сканерные марки. Они играли роль опорных пунктов, относительно которых сравнивались циклические результаты НЛС. В качестве деформируемого объекта был выбран кусок плотного тканевого материала. С помощью специального закрепительного устройства он подвешивался на кронштейн. На его поверхности закреплялись 7 контрольных визирных марок. После принятия тканью отвесного положения производилось ее НЛС. Параллельно проводилось координирование всех сканерных марок (на стенах и на поверхности исследуемого объекта) с помощью высокоточного тахеометра. Общая композиция используемого съемочного оборудования и дополнительных принадлежностей представлена на рисунке 4.9.
Описанные операции составили работы по сбору данных на первом цикле наблюдений. Для второго цикла путем изгиба тканевого материала было имитировано изменение формы (деформация) рассматриваемого объекта. Действия по сканированию и определению координат сканерных марок повторялись. Аналогичные операции были выполнены и для третьего цикла наблюдений. Регистрация данных всех сеансов сканирования в единую систему координат позволила получить расхождения координат связующих марок, не превысившие 1 мм.
Путем вписывания цифрового твердотельного примитива (параллелепипеда) в облако точек первого цикла в ПО AutoCAD с применением модуля XTools была получена цифровая геометрическая модель объекта исследования. На следующем этапе с помощью программного аппарата "3dot" путем кусочно-линейной дефрагментации твердотельной модели были определены границы кластеров ТЛО, геометрические характеристики и положение которых осталось постоянным для всех циклов наблюдений. Для описания поверхности исследуемого объекта было создано 96 кластеров с площадью каждого 0,0122 м2 (рисунок 4.11).
Рисунок 4.11- Расположение кластеров ТЛО Для каждого кластера на всех циклах наблюдений была применена процедура определения плоскости из ТЛО по МНК с получением следующих характеристик: количество точек кластера, координаты центра тяжести (среднеарифметическая точка множества), направляющие косинусы нормали к плоскости (приложение Б). Данная информация была помещена в базу данных для оперативного анализа результатов наблюдений.
Для отслеживания изменения формы исследуемой поверхности в ПО Autodesk Civil 3d были сформированы полигональные сеть, узлами которых явились среднеарифметические точки множества кластеров (рисунок 4.12). первого (а); второго (б); третьего (в) Кроме того для визуализации деформационного процесса каждого цикла наблюдений были сформированы ортоизображения исследуемых участков с применением процедуры раскрашивания растров по глубине отстояния ТЛО от плоскости проекции по периоду 0,05 м (рисунок 4.13).
Ортоизображения исследуемого участка на различных циклах наблюдений: на первом (а); на втором (б); на третьем (в) 4.4 Апробация цикла геодезического мониторинга деформационных процессов на примере жилого здания
В мае 2013 года импульсной системой RieglVZ-400 было произведено НЛС одного из четырех 22-этажных жилых домов вдоль Новосмоленской набережной в г. Санкт-Петербурге архитектора Виталия Антоновича Сохина (рисунок 4.14).Это одни из первых монолитных зданий Ленинграда, строительство которых началось в 1986 году. Их возводили из монолитного железобетона на необычных опорах - центральном столбе и нескольких бетонных "ногах".
Сбор данных осуществлялся согласно рекомендациям, представленным во 2 главе. Данные о 4-х фасадах здания были получены в течение одного рабочего дня.
В результате обработки облаков точек и их взаимного ориентирования с помощью программного комплекса RiscanPro, была сформирована единая цифровая трехмерная точечная модель объекта исследования (рисунок 4.15).
В дальнейшем по облакам точек в программном комплексе Autodesk AutoCAD с помощью модуля-приложения XTools была создана цифровая твердотельная модель объекта.
При этом моделирование велось по набору сечений внешних стен, созданных по точечной модели. Следует отметить, что создание сечений в формате dxf происходило автоматически через заданный шаг в ПО RiscanPro. Затем сечения последовательно загружались в AutoCAD, где производилась их векторизация (рисунок 4.16).
Подчеркнем, что данный вид информации, представляя геометрические характеристики объекта на конкретном уровне, может структурироваться и храниться в соответствующем виде до следующих циклов наблюдений. Та же ситуация должна быть и с вертикальными сечениями, по которым дополнительно следует определять величину крена.
По представленным сечениям (рисунок 4.17) средствами AutoCAD строилась цифровая твердотельная модель (рисунок 4.18). При этом проверка габаритов и оконных проемов проводилась по построенным ортоизображениям (рисунок 4.19).
В дальнейшем с помощью программного комплекса "3dot" по полученной геометрической модели определялись границы кластеров данных НЛС (рисунок 4.20). Их площадь на первом этапе составила 0,73 м2. Определенные таким образом границы кластеров были сохранены в специальной базе данных с присвоением порядкового номера и учетом геометрических характеристик. Их пространственное положение будет использоваться для всех последующих циклов наблюдений деформационных процессов.