студент
Россия
Россия
Россия
УДК 69.05 Строительная площадка. Оборудование, организация и технология строительства. Индустриальное строительство. Монтаж. Испытания на строительной площадке. Строительные повреждения. Срок службы сооружений. Уход за сооружениями
В статье представлен опыт применения технологии наземного лазерного сканирования (НЛС) для диагностики технического состояния зданий промышленного назначения, выявления дефектов и повреждений конструкций, а также для последующего определения объемов ремонтных и демонтажных работ. Промышленные объекты характеризуются длительным сроком эксплуатации, частым отсутствием актуальной проектной документации и насыщенностью технологическим оборудованием, что существенно затрудняет проведение традиционных инструментальных обследований и обусловливает необходимость внедрения высокоточных бесконтактных методов. Практически подтверждено, что НЛС позволяет достоверно фиксировать информацию о дефектах и повреждениях, выявляемых визуальным методом, обеспечивая их точную пространственную привязку и количественную оценку (линейные размеры, площадь, объем). На основе сформированного облака точек определены геометрические характеристики дефектов, рассчитаны объемы демонтажных и ремонтных работ, составлены карты дефектов и ведомости объемов работ. По результатам исследования сделан вывод, что лазерное сканирование выступает не только как эффективный инструмент получения геометрических характеристик для измерения физического износа строительных конструкций, но и как инструмент для точного подсчета количественных данных. Применение НЛС на всех этапах жизненного цикла здания обеспечивает отслеживание материальных и экономических ресурсов, долговременный мониторинг состояния конструкций и формирование актуальной информационной модели.
наземное лазерное сканирование, НЛС, дефекты, объемы работ, облако точек, объект промышленного назначения, физический износ
Введение
В современной строительной отрасли технология лазерного сканирования занимают все более значимое место, предоставляя широкие возможности для решения разнообразных инженерных задач. Наибольшее практическое применение нашли наземные и мобильные лазерные сканеры, которые позволяют оперативно получать высокодетализированные пространственные данные об объектах капитального строительства и местности, как в области обследования, так и в области строительного контроля [1, 11]. Точность современных наземных лазерных сканеров составляет 1–2 мм на 100 м расстояния (в зависимости от класса прибора), что в полной мере соответствует требованиям нормативных документов в области геодезического мониторинга и обследования зданий.
Особого внимания заслуживает применение лазерного сканирования на этапах жизненного цикла зданий и сооружений. В настоящее время значительная часть объектов эксплуатируется в условиях отсутствия актуальной проектной документации либо ее частичной или полной утраты. Кроме того, даже при наличии исходных материалов зачастую фиксируется несоответствие между проектными решениями и фактическим состоянием объекта вследствие предыдущих ремонтов, деформаций и отклонений при строительстве. Отсутствие единой цифровой информационной модели здания на протяжении всего жизненного цикла усугубляет данную проблему, делая традиционные методы обследования недостаточно эффективными.
Материалы и методы
Использование лазерного сканирования в качестве инструмента оценки технического состояния строительных конструкций позволяет не только фиксировать их геометрию, но и определять количественные характеристики износа. По сравнению с визуальными и ручными инструментальными методами лазерное сканирование обеспечивает существенное повышение точности и достоверности измерений таких параметров, как отклонения от вертикали и горизонтали, глубина коррозионных повреждений, величина прогибов, а также размеры и геометрические характеристики различных дефектов железобетонных, металлических, каменных и деревянных конструкций.
Вопрос определения физического износа строительных конструкций в настоящее время приобретает особую актуальность в связи с изменениями нормативно-правовой базы. Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации № 883/пр отменены «Ведомственные строительные нормы ВСН 53-86(р) «Правила оценки физического износа жилых зданий»». На момент написания настоящей статьи новые нормативные документы, непосредственно регламентирующие порядок и методику подсчета физического износа строительных конструкций, отсутствуют. В то же время ГОСТ 31937-2024 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» предлагает методы определения технического состояния, базирующиеся главным образом на оценке факторов, влияющих на несущую способность, и не содержит прямых алгоритмов вычисления физического износа.
Таким образом, в сложившихся условиях нормативной неопределенности поиск альтернативных подходов к высокоточному определению характеристик строительных конструкций для расчета физического износа приобретает критическое значение. Применение методов наземного и мобильного лазерного сканирования позволяет восполнить существующий методический пробел, обеспечивая получение объективных количественных данных о деградации строительных материалов и конструкций. Следовательно, лазерное сканирование следует рассматривать как один из перспективных инструментов для определения физического износа строительных конструкций, который способен стать основой для разработки и актуализации нормативных и методических документов в данной области.
Помимо задачи количественного определения физического износа строительных конструкций, в практике обследования зданий и сооружений зачастую возникает не менее важный вопрос идентификации фактических геометрических параметров отдельных элементов. Особенно это касается сборных железобетонных конструкций, характерных для зданий промышленного назначения: ферм, подкрановых и стропильных балок, ребристых и пустотных плит перекрытия, а также монолитных участков. Проблема усугубляется тем, что перечисленные конструктивные элементы, как правило, располагаются на значительной высоте (подкрановые пути, покрытия пролетных зданий), что делает традиционные методы измерения (рулетки, штангенциркули, лазерные дальномеры) труднодоступными, трудоемкими и потенциально опасными для проведения работ по измерительному контролю.
Актуальность точной идентификации габаритов железобетонных элементов обусловлена необходимостью проведения поверочных расчетов -оценки фактической несущей способности конструкций по действующим нормам. В отличие от проектных данных, которые могут отсутствовать или не соответствовать реальному положению дел, фактические размеры сечений, пролеты, шаг элементов, расположение арматурных выпусков и закладных деталей напрямую влияют на результаты проверки прочности, устойчивости и деформативности. Ошибка в идентификации типа плиты перекрытия (например, ошибка классификации железобетонных конструкций или сечений металлоконструкций) или неточное определение высоты сечения балки может привести к неверной оценке класса нагрузки и, как следствие, к аварийной ситуации либо к необоснованным затратам на усиление.
Традиционные методы геодезического контроля позволяют получить координаты отдельных точек, но не дают непрерывного облака точек, необходимого для распознавания геометрии сложных ребристых и монолитных конструкций.
Лазерное сканирование (наземное и мобильное) обеспечивает получение плотного трехмерного облака точек с миллиметровой разрешающей способностью, что позволяет проводить работы по строительному контролю [1]. По полученным данным можно:
- измерить фактические сечения балок и ферм в любом сечении без прямого доступа;
- идентифицировать тип плиты перекрытия (ребристая, многопустотная, монолитная) по характеру рельефа нижней поверхности;
- определить фактические геометрические оси элементов, их отклонения от проектного положения (эксцентриситеты);
- выявить наличие или отсутствие связей, диафрагм жесткости, фактический шаг несущих конструкций.
Кроме того, облако точек служит основой для построения цифровой информационной модели (BIM) существующего объекта и последующей интеграции строительных процессов [2, 12, 13]. Эта модель, в свою очередь, позволяет автоматизировать поверочные расчеты путем интеграции с программными комплексами (например, SCAD, ЛИРА-САПР, Ansys). Таким образом, лазерное сканирование решает две взаимосвязанные задачи: дает исходные данные для поверочных расчетов (идентификация реальной геометрии) и одновременно позволяет оценить износ (по отклонениям, коррозии, потере сечения). Рассмотрим обобщенную схему последовательности выполнения работ (Рис. 1) [3, 10].
Рис. 1. Обобщенная технологическая последовательность выполнения работ
Результаты
Работы по 3D-сканированию осуществлялись с помощью наземного лазерного сканера Faro Focus S70, характеристики которого представлены в Таблице 1.
Таблица 1
Технические характеристики 3D-сканер Faro Focus S70
|
Внешний вид |
|
|
Класс лазера |
1 |
|
Скорость измерений (точек в секунду) |
122,000 / 244,000 / 488,000 / 976,000 |
|
Диапазон сканирования |
от 0,6 м до 70м |
|
Точность сканирования |
до ±1мм |
|
Точность 3D-позиционирования (в зависимости от дальности) |
10м: 2мм / 25м: 3.5мм |
|
Длина волны лазера |
1550 нм |
|
Поле зрения (вертикальное / горизонтальное) |
300° / 360° |
|
Камера |
есть |
|
Навигация |
встроенный GPS & ГЛОНАСС приемник |
|
Время работы |
4,5 ч |
|
Диапазон рабочей температуры |
от 5° до 40°C |
|
Степень защиты от пыли и влаги |
IP54 |
|
Размеры |
230 x 183 x 103 мм |
|
Вес |
4.2 кг (вместе с аккумулятором) |
В данной статье рассматривается один из корпусов здания промышленного назначения: цех двухэтажный, имеет прямоугольную форму габаритами 12,5х64,05 м. Низ стальных стропильных ферм на участке на отметке +10.550 м. Покрытие совмещенное, невентилируемое, кровля рулонная с внутренним организованным водостоком. Естественная освещенность в уровне покрытия обеспечивается светоаэрационными фонарями. Ограждающие конструкции стен предусмотрены из кирпича общей толщиной 500-540 мм с учетом отделки. Внутренние стены кирпичные толщиной 120-580 мм; частично деревянные, оштукатуренные с обеих сторон по дранке, толщиной 100 мм и гипсолитовые толщиной 100 мм. Лестницы из сборных железобетонных ступеней по металлическим косоурам. Оконные переплеты ограждающих конструкций обследуемого участка деревянные. Оконные переплеты фонарей обследуемого участка металлические.
Особенностью данного примера здания является отсутствие фактической проектной и исполнительной документации, а имеющаяся - предоставляет частичную информацию о здании, либо отсутствует на требуемых участках обследования. Следует учитывать, что ввиду постройки здания в 1950-х годах, геометрическое положение несущих и ограждающих конструкций могут иметь значительные отклонения от нормали. Наличие технологического оборудования, различных внутренних построек внутри цехов, а также производственные процессы дополнительно усложняют процесс визуальной и инструментальной идентификации строительных конструкций.
Совокупность вышеперечисленных факторов обуславливает применение лазерного сканирования как рациональный способ использования современных способов измерительного контроля, поскольку по результатам предоставится исчерпывающий объем информации о производственных цехах рассматриваемого здания.
После получения данных лазерного сканирования и этапа постобработки (Рис.1.), на основе данных облака точек и данных с камеры Insta360 (Рис.2-3) были идентифицированы сечения металлических ферм и балок, геометрические параметры стен и перекрытий и созданы обмерные планы [4], после чего нанесены дефекты и данные по демонтажу строительных конструкций.
Рис.2. Фрагмент облака точек
Рис. 3. Общий вид с камеры Insta360
Входе анализа дефектов и повреждений рассматривались железобетонные монолитные перекрытия, кирпичные стены и перегородки, а также отделочные слои. На этапе определения участков повреждения строительных конструкций изначально рекомендуется выполнить визуальный анализ облака точек в соответствующих ПО (например, Autodesk ReCap), где навигация осуществляется в ортогональных проекциях и в 3D-виде.
Следующим шагом для каждого выявленного дефекта определяются геометрические характеристики (длина, ширина, глубина, а также площадь и объем). Кроме того, возможность определения объемов демонтажных работ дает наиболее полное и точное представление по демонтажу строительных конструкций.
Стоит отметить, что при поэтапном использовании сканирования объекта на различных стадиях строительно-монтажных работ возможно решение следующих задач [5]:
-
Подсчет фактических объемов выполненных работ осуществляется путем сравнения облака точек, полученного после завершения этапа, с проектной моделью или с предыдущим этапом сканирования [6, 7];
-
Контроль соблюдения этапов и качества работ осуществляется путем верификации фактического положения конструкций проектным решениям и допускам, установленным нормативной документацией, в том числе возможен контроль отдельных участков, а также наблюдение изменений во время строительно-монтажных работ [8].
По результатам поэтапного лазерного сканирования формируется полная и достоверная информация о выполненных работах, включая все геометрические характеристики возведенных элементов. Это позволяет не только контролировать последовательность и полноту реализации каждого этапа строительства, но и своевременно выявлять отклонения от проекта и исключать возможность приемки некачественно выполненных работ.
В представленной Таблице 2 рассмотрены отдельные виды строительно-монтажных работ, фактические объемы которых различаются в зависимости от площади и объема повреждений и типа конструкций. Идентификация представленных работ выполнена как на основе визуально-измерительного контроля, так и посредством анализа облака точек.
Таблица 2
Сравнительная ведомость объемов работ
|
№ |
Наименование работы |
Ед. изм. |
Объем работ по данным визуально-измерительного контроля |
Объем работ по данным НЛС |
|
1 |
Демонтаж кирпичных перегородок на 2 м этаже |
м3 |
27,05 |
27,5 |
|
2 |
Демонтаж настила |
м2 |
122,72 |
124,5 |
|
3 |
Очистка конструкции от бетона и коррозионных отложений арматуры с применением жестких металлических щеток |
м2 |
31,74 |
33 |
|
4 |
Очистка поверхностей от биоповреждений и высолов на увлажненных участках покрытия методом мягкого бластинга |
м2 |
48,78 |
50 |
|
5 |
Демонтаж поврежденного кирпича |
м3 |
0,43 |
0,45 |
|
6 |
Демонтаж отделочного слоя |
м2 |
1810 |
1815 |
На основании полученных данных построена диаграмма, отражающая объемы работ (согласно Таблице 2), где объем работ представлен в условных единицах измерения, а также виды работ, соответствующие данным столбца №2 (Рис.4).
Рис. 4. Диаграмма сопоставления объемов работ, полученных данными измерительного контроля и данными НЛС
Заключение
По результатам проведенного исследования сделаны следующие выводы:
-
В процессе анализа объемов работ были рассмотрены основные, наиболее трудозатратные этапы работ для последующего сопоставления результатов. По результатам сравнения данных, полученных методом лазерного сканирования, и данных, основанных на ручных измерениях, расхождение составляет от 0,3 до 4% в процентном соотношении, при фактической разнице от 1,22 до 5 для работ измеряемых в м2 и от 0,01 до 0,45 для работ, измеряемых в м3.
-
Основная цель применения наземного лазерного сканирования заключается в получении высокоточных пространственных данных об объекте, однако возможность составления карт дефектов с точными геометрическими характеристиками участков повреждений и с последующим подсчетом объемов работ предоставляет более точную информацию и существенно расширяет границы применения данной технологии в строительной отрасли.
-
Получение данных лазерного сканирования в виде облака точек в совокупности с интеграцией технологий искусственного интеллекта предполагает автоматизацию процесса обработки, что позволяет сократить трудозатраты на камеральную обработку данных, а также автоматизировать подсчет ведомости объемов работ [9].
-
Применение лазерного сканирования на всех этапах жизненного цикла здания обеспечивает возможность отслеживания материальных и экономических ресурсов. Кроме того, данная технология позволяет проводить долговременный мониторинг состояния конструкций, что в совокупности с накоплением данных во времени создает основу для формирования информационной модели здания (BIM-модели), актуальной на всех этапах его жизненного цикла.
1. Шарафутдинова А. А., Брынь М. Я.. Расчет параметров наземного лазерного сканирования промышленных объектов // Вестник СГУГиТ. - 2023. - №2, Том 28. - С.26-39. DOI: https://doi.org/10.33764/2411-1759-2023-28-2-26-39; EDN: https://elibrary.ru/EJJPIM
2. Федорова А.С., Симченко О.Л.. Анализ современных применяемых технологий при проведении авторского надзора на объектах капитального строительства // Международный научный журнал «Инновационная наука». - 2025. - №4-2. - С. 97-101. EDN: https://elibrary.ru/TVNVLH
3. Берник Н.А., Горюнова А.В., Жданова Т.В. Применение ТИМ-моделирования при проведении инженерно-технического обследования зданий и сооружений // Известия ТулГУ. - 2024. - №4. - С.289-291.
4. Фомин Н.И.. Применение лазерного сканирования для определения фактического объема бетонных работ: подход Scan-vs-BIM / Н. И. Фомин, Н. С. Исупов // Вестник евразийской науки. - 2025. - Т. 17. - № 4.-URL: https://esj.today/PDF/37SAVN425.pdf. EDN: https://elibrary.ru/QOYVJY
5. Исупов Н.С., Фомин Н.И. Сравнительный анализ эффективности способов оценки выполненных строительных работ по облаку точек // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2025. Т. 15. № 3. С. 442–453. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2025-3- 442-453. EDN: https://elibrary.ru/KYBLKH. DOI: https://doi.org/10.21285/2227-2917-2025-3-442-453
6. Шеина С.Г., Мищенко В.Я., Сергеев Ю.Д., Сергеева А.Ю., Мясищев Р.Ю. Анализ объективности применения BIM-технологий в строительстве // Инженерный вестник Дона. – 2024 . - №4. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2024/9136 EDN: https://elibrary.ru/CXYEVN
7. И. Ковтун. Лазерное сканирование при строительстве и реконструкции зданий // ҚУРИЛИШ ВА ТАЪЛИМ ИЛМИЙ ЖУРНАЛИ. - 2023. - №5-6. - С. 84-91.
8. С.Б. Могучев. Строительный контроль с использованием облака точек и информационной модели здания // Инженерный вестник Дона. - 2022. - № 6. - С. 580-589. EDN: https://elibrary.ru/AORUME
9. Д.Д. Мунтяну, К.А. Малышева. Применение цифровых двойников в процессе обследования объектов строительства с целью контроля и прогнозирования // Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ». - 2026. - № 1 (94) Том 1. - С 194- 205. EDN: https://elibrary.ru/BRNNXK
10. Е.В. Макшина. Формирование сметной документации на основе цифровой информационной модели // Вестник МГСУ. - 2025.- Т. 20. Вып. 5. - С. 764–776. - DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2025.5.764-776. EDN: https://elibrary.ru/NSOGKF
11. Jovita Cepurnaite, Leonas Ustinovicius, Mantas Vaisnoras. Modernization with BIM technology through scanning building information. Procedia Engineering. 2017. Vol. 208, 2017. P. 8-13. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.11.014.
12. Fábio Matoseiro Dinis, Luís Sanhudo, João Poças Martins, Nuno M.M. Ramos. Improving project communication in the architecture, engineering and construction industry: Coupling virtual reality and laser scanning. Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 30. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101287.
13. Zhansheng Liu, Zehong Liu, Zhe Sun, Qinwen Zhang, Linlin Zhao. Intelligent detection method for construction quality of building structures based on point cloud data and BIM models. Journal of Building Engineering. 2025. Vol. 112. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2025.113492.
