Геодезия
Вальков В.А., аспирант Яковлев А.А., доктор технических наук, профессор
(Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»)
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Предложены алгоритмы оценки деформаций зданий и сооружений на основе наземного лазерного сканирования, которые программно реализованы и математически обоснованы авторами.
Ключевые слова: деформации сооружений, геодезический контроль, наземное лазерное сканирование, компьютерное моделирование.
GEODETIC MONITORING OF HIGH-RISE BUILDINGS BASED ON TERRESTRIAL
LASER SCANNING
Estimation algorithms of deformations of buildings based on the terrestrial laser scanning are proposed, proved mathematically and implemented in programs.
Keywords: deformation of buildings, geodetic monitoring, terrestrial laser scanning, computer modeling.
Настоящая статья посвящена вопросам, связанным с развитием способов геодезического мониторинга деформаций высотных зданий и сооружений на основе наземного лазерного сканирования (НЛС).
Рассматриваются два важных вопроса:
1. Анализ деформаций высотных зданий и сооружений.
2. Представление обследуемых объектов в виде кусочно-линейных моделей - дефрагмен-тация зданий на элементарные плоские участки заданного размера.
Несмотря на тот факт, что промышленное и гражданское строительство в России в большинстве своем ориентировано на возведение зданий и сооружений средней этажности, заметна и тенденция строительства высотных объектов.
В этих условиях возрастают требования к контролю деформационных процессов высотных строений, которые существенно более чувствительны как к собственным деформациям, так и к изменениям состояния окружающей среды. Для обеспечения нормального и безаварийного функционирования объектов важно выполнять необходимые геодезические измерения, в том числе по учету различных видов деформаций и оценке технического состояния объекта, состав которых регламентируется соответствующей нормативно-методической документацией [1,2,3]. Однако пока недостаточно рассмотрены современные геодезические возможности, связанные с методами дистанционного зондирования, в частности технологией НЛС.
Существенным достоинством технологии НЛС считается возможность оперативного моделирования различных инженерных объектов по точкам лазерных отражений (ТЛО)[4,5]. Модельно-ориентированный подход позволяет проводить оценку деформационных изменений объекта в широком спектре возможных деформаций, а не только судить об интегральном виде деформирования путем контроля определенного набора точек. При этом программные комплексы (ПК) по оценке напряженно-деформированного состояния могут эффективно использовать подобные модели.
С увеличением высоты сооружений в большей степени проявляются разнообразные деформации, характеризующиеся существенными статическими и динамическими составляющими, контроль которых должен проводиться по всей поверхности объекта с определением пространственного положения отдельных элементов.
Проведя модельные исследования с использованием программного комплекса (ПК) «НЕДРА» [6], направленные на решение объемной задачи о деформировании зданий высотой от 10 м до 200 м с учетом ветровой нагрузки и природных условий, соответствующих Санкт-Петербургу, авторы констатировали следующие результаты. Распределение горизонтальных смещений модели высотой 10 м имеет симметричный характер, что свидетельствует об устойчивости здания при соотношении его высоты (Н) к малому размеру основания (Б): Н/Б = 0,5. Но при моделировании здания высотой 200 м с учетом ветровой нагрузки наблюдается существенная разница в характере и величине смещений. Отсутствует симметрии, величина абсолютных смещений составляет 15 мм, обнаруживается еще один вид деформаций - кручение. Данные результаты свидетельствуют о сложном характере деформирования зданий при отношении Н/Б > 3, что следует учитывать при организации геодезических наблюдений.
Выполнение полевых работ в рамках применения НЛС подробно описано различными авторами [4,5]. С учетом того, что на этапе первичной обработки получена цифровая трехмерная точечная модель, пространственная картина деформаций высотного сооружения включает в себя построение его твердотельной модели по результатам НЛС (рис. 1).
После этого происходит фрагментация модели сооружения на элементарные плоские участки заданного размера (рис. 2). Данная процедура проводится один раз после первого сбора геопространственных данных о техническом состоянии объекта. Соответствующая функция реализована в программном аппарате 3dot, разработанном на базе среды ObjectARX, позволяющей создавать компилированные приложения AutoCAD. При этом есть возможность корректировать размер фрагментов, ограничивая максимальное расстояния между их узлами, отклонение элементов от оригинала.
После проведения дальнейших сеансов наблюдений на каждой стадии предлагается оценивать положение и ориентацию фрагментов плоскостей с помощью метода наименьших квадратов (МНК) по множеству ТЛО. В программе 3dot эта функция включает два этапа: вычисление центра тяжести (среднеарифметическая точка множества), через которые проходит определяемая плоскость и вычисление нормали к плоскости.
Рис. 1. Цифровая трехмерной твердотельная модель
Рис. 2. Фрагментация трехмерной твердотельной модели
Рис. 3. Фрагмент цифровой трехмерной точечной модели 2
Рассматривается фрагмент фасада без учета оконных проемов площадью 611 м . Количество ТЛО, полученное импульсной системой Ше§1 У2-400 (Австрия) при максимальном угловом шаге сканирования 0,003 градуса, на заданном участке составило порядка 28715000 единиц (рис. 3). Плотность точек на высоте 59 м. ниже, чем на низких ярусах, хотя за счет дальности действия оборудования (до 600 м.) достаточна для определения плоскостей по
м2
МНК. Усредняя названные данные, отметим, что на 1 м приходится примерно 47000 ТЛО, что является внушительным значением. Поэтому важна возможность корректировать величину фрагмента плоскости для определенного набора данных.
Таким образом, методика, включающая дефрагментацию объектов на элементарные плоские участки заданного размера, позволяет эффективно интерпретировать характер пространственных деформаций. А основу предлагаемой методики составляет тот факт, что при геодезическом контроле деформационных процессов под измеряемым объектом рассматривается не какая-то конкретная ТЛО или их набор из огромного массива получаемых данных, а фрагмент-плоскость.
Несмотря на появление достаточного количества программных продуктов, выполняющих обработку материалов НЛС, при изучении вопросов мониторинга технического состояния и учета деформаций требуется дополнительная реализация специальных алгоритмов, направленных на оптимизацию рабочего процесса. Таким образом, основными результатами обсуждаемых исследований являются разработанные программные средства, а точнее их математическое обоснование и алгоритмизация. Описанные подходы позволяют выявлять и контролировать как локальные участки сооружения, так и в целом устойчивость высотного объекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 24846-2012. Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений [Текст]. - введ. 2013 - 07 - 01. - Москва: Межгос. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации; Москва: Стандартинформ, 2014. - 18 с.
2. МГСН 4.19-05 (временные). Многофункциональные высотные здания и комплексы. -Москва, 2005.
3. МДС 13-22.2009. Методика геодезического мониторинга технического состояния высотных и уникальных зданий и сооружений. - Москва, 2010.
4. Вальков В.А. Применение наземного лазерного сканирования для создания трехмерных цифровых моделей Шуховской башни / Вальков В.А., Мустафин М.Г., Макаров Г.В. // Записки Горного института. - 2013. - том 204. - С. 58-61.
5. Середович, В.А. Наземное лазерное сканирование [Текст]: Монография / В.А.Середович [и др.]. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
6. Мустафин М.Г. Геомеханическая модель системы «выработка - вмещающие породы» и ее использование при прогнозировании динамических проявлений горного давления. Горная геомеханика и маркшейдерское дело. С.-Петербург, ВНИМИ, 1999, С. 117-121.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.