Лазерное сканирование в архитектуре

ava
Компания


«Акрополь-Гео»

В этой статье:

Применение лазерного сканирования в архитектуре
Обмерные работы
Этапы работ и результаты
3D моделирование
Виды обмеров
Точность обмерных работ
Методы архитектурных обмеров, лазерное сканирование
Отчетная документация
Список использованных нормативных документов


Применение лазерного сканирования в архитектуре

Использование технологий лазерного сканирования в архитектуре стало уже повседневным делом. Ведь в большинстве случаев только используя лазерный 3D сканер, можно наиболее полно, точно, быстро и качественно выполнить следующие работы:

  • фасадная съемка;
  • архитектурные обмеры;
  • создание и восстановление исполнительной документации;
  • трехмерная фиксация состояния с выявлением дефектов и деформаций;
  • обратный инжиниринг (реинжиниринг) с построением трехмерных моделей существующих зданий и сооружений;
  • мониторинг состояния объекта на этапах последующей его эксплуатации;
  • осуществление авторского надзора при ведении проекта;
  • контроль строительных работ (объемы и процентовки).

Лазерное сканирование парка Зарядье

Безусловно, появление трехмерных технологий не отменило использование привычных 2D чертежей. На выходе Заказчик по-прежнему получает стандартные двухмерные поэтажные планы, развертки фасадов, разрезы, сечения и прочие чертежи. Но теперь это выполняется быстрее и качественнее.

Чертеж фасада здания

Обмерные работы

Обмеры - это точные измерения всех элементов архитектурного сооружения или комплекса с последующей фиксацией их размеров на чертеже. Обмеры служат одним из основных источников для реставрации или воссоздания произведений архитектуры и входят в состав комплексных инженерно-технических исследований.

Таргим

Целью проведения обмеров является получение наиболее полной пространственной геометрической и графической фиксации исследуемого объекта и его частей в их современном состоянии. Под объектами понимаются отдельные здания или сооружения, архитектурные или инженерные комплексы, скульптурные композиции и так далее. Результаты обмерных работ используются в дальнейшем в качестве исходного материала для:

  • определения или уточнения фактических конструктивных решений на объекте;
  • определения пространственного положения объекта и его частей;
  • уточнения геометрических форм отдельных элементов объекта;
  • определения деформаций конструкций объекта;
  • архитектурного мониторинга состояния объекта;
  • проведения конструктивных расчетов объекта или его элементов;
  • подготовки исходных материалов для проведения проектно-реставрационных работ;
  • построения трехмерных моделей с последующей 3D визуализацией;
  • использования в ГИС и иных потребительских приложениях.

Лазерное сканирование МГУ

Требования к проведению обмерных работ, их составу (видам и объемам), детализации и точности определяются Техническим заданием, утвержденным Заказчиком, Программой работ и нормативной документацией.

Этапы работ и результаты

Обмерные работы выполняются в два этапа: полевой и камеральный.

  1. Полевые работы производятся непосредственно на самом объекте. Выполняется инструментальный сбор геометрических характеристик объекта (измерения с использованием технологий 3D сканирования) и фотофиксация.

  2. Камеральные работы, как правило, производятся в офисе, с использованием специализированных компьютерных программ. Выполняются обработка полученных данных, составление графических материалов и отчетной документации.

Лазерное сканирование театра

На полевом этапе, кроме самих измерений, при сборе информации об объекте проводится фотофиксация – натурная, документально-протокольная, художественная или их комбинация. В последние годы становится особенно популярной 3D фиксация. Она также выполняется с помощью лазерного сканирования и представляет собой уже пространственный растр, сохраняющий точную геометрию. Это позволяет проектировщику получить абсолютно любые необходимые виды объекта. Более того, по такой растровой модели (облаку точек) можно выполнять любые измерения, находясь на своём рабочем месте, то есть без повторного выезда на объект.

На камеральном этапе на основе полученных измерений (обмеров полевого этапа) выполняются масштабные ортогональные чертежи основных проекций здания и его деталей. Так называемая графическая часть отчетной документации. В результате камеральной обработки данных лазерного сканирования создаются следующие материалы:

  • трехмерные построения;
  • чертежи отдельных конструкций;
  • чертежи деталей архитектурных элементов, шаблонов;
  • чертежи интерьеров;
  • чертежи планов;
  • чертежи разрезов;
  • чертежи фасадов.

Чертеж фасада

3D моделирование

С появлением современных технологий наземного лазерного сканирования именно трехмерные построения (3D моделирование) становятся самым актуальным и востребованным видом работ. Ведь полученная 3D модель – это точная компьютерная копия объекта в масштабе 1:1. Она легко загружается и обрабатывается в привычной CAD-среде архитектора или конструктора.

Как правило, трехмерные построения применимы в случаях:

  • объемной фиксации объекта, его частей и особенностей, которые невозможно достаточно полно описать при плоскостных построениях;
  • проведения расчетов и вычислений, анализа состояния конструкций и основания памятника, построения расчетных моделей, требующих объемного подхода;
  • необходимости воссоздания отдельных частей и конструкций;
  • более детального анализа объемно-планировочных решений за счет объемного компьютерного проектирования;
  • анализа геометрических параметров объекта в целях мониторинга;
  • макетирования, в том числе с использованием трехмерных принтеров;
  • объемной визуализации объекта.

визуализация объекта

Отличием обмерных работ для трехмерных построений от плоскостных является более полный сбор полевых материалов. Предпочтительным методом является наземное лазерное сканирование или комбинация лазерного сканирования с каким-либо другим методом измерений.

Важно: проведение трехмерных построений при выполнении обмерных работ на объектах культурного наследия федерального значения (Российской Федерации) и объектах всемирного значения ЮНЕСКО обязательно.

Цори

На базе трехмерных построений возможна разработка информационной модели объекта (создание BIM). Имеется в виду присвоение отдельным элементам дополнительной атрибутивной информации (тип, материал, охранный статус, год возведения, год проведения ремонта, реконструкции), а также занесение информации о выявленных дефектах, результатах обследования конструкций и пр.

В случае трехмерного построения объекта обмерных работ, топографические планы также представляются в трехмерном виде и могут дополнительно содержать информацию о грунтовом основании обследуемого объекта.

Коттеджи

Виды обмеров

Обмеры объекта, в зависимости от требуемой степени детализации и насыщения графических материалов, разделяются на следующие виды:

  • схематические;
  • архитектурные;
  • архитектурно-археологические.

Схематические обмеры являются обзорными и служат для определения основных размеров и планировочной структуры объекта культурного наследия. Выполняются на ранней стадии работ для составления общего представления об объекте и предварительного определения его объема.

Архитектурные обмеры являются точными измерениями всех элементов сооружения или комплекса с последующими построениями обмерных чертежей и трехмерных моделей. На них проставляются размеры, высотные отметки, делаются важные примечания.

Облако точек Сокол

При необходимости в состав обмерных работ могут быть включены требования по обмерам внутренних инженерных сетей и коммуникаций.

Архитектурно-археологические обмеры - исследовательская фиксация объекта культурного наследия. Выполняются при натурных исследованиях объекта для получения наиболее полных материалов, характеризующих объем, конструкцию, наружное и внутреннее декоративное убранство, а также чертежей раскрытий и зондажей, произведенных на объекте. Дают исчерпывающую информацию об объекте, учитывающую все отклонения от идеальной геометрической схемы.

Камень из храма Тхаба Ерды

Точность обмерных работ

Как и в любой измерительной работе, при архитектурных обмерах не обойтись без ошибок и погрешностей. Заметим, что в отличие от старых методов, современные технологии 3D сканирования сводят к нулю подавляющее большинство ошибок человеческого фактора. Но только если приборы находятся в руках профессионалов. Кажущаяся простота современных лазерных сканеров обманчива: если не владеть геодезическими знаниями, то в итоге легко можно получить дециметровые погрешности!

Обмеры являются исходным материалом для последующих проектных работ, выдачи экспертных заключений. Поэтому от качества выполнения обмерных работ во многом зависит качество проекта в целом. Однако требования, предъявляемые к точности обмерных работ, различны и устанавливаются в зависимости от многих факторов:

  • цели обмеров;
  • архитектурно-исторической ценности объекта культурного наследия;
  • технического состояния объекта;
  • планов дальнейшего приспособления и др.

Требования к точности обмерных чертежей приведены в Приложении А к РНиП [5], вот они:

Допустимые значения при проведении обмерных работ

Масштаб Вид работ Предельные погрешности, мм
1:1-1:20 Чертежи деталей, шаблонов, прорисей 1 - 2
1:50 Чертежи планов, разрезов, фасадов 2 - 5
1:100 Чертежи планов, разрезов, фасадов 10 - 20
1:200 Обзорные чертежи планов, разрезов, фасадов 30 - 50
1:500 Схемы 200 - 300

FARO Focus S350

Методы архитектурных обмеров, лазерное сканирование

При выполнении работ по архитектурным обмерам применяются следующие методы и их комбинации:

  • натурный (традиционный) обмер;
  • методы инженерной геодезии с использованием линейной и угловой засечки, перпендикуляров, створов и т.д.;
  • нивелирование;
  • наземное лазерное сканирование;
  • методы координатной геодезии;
  • воздушная и короткобазисная фотограмметрия, фототеодолитная съемка;
  • воздушное и мобильное лазерное сканирование;
  • методы GPS-измерений;
  • прочие методы, позволяющие достичь требований технического задания и нормативной документации.

В качестве оборудования выбираются приборы и средства измерений, соответствующие требованиям технического задания к точности и выбранным методам проведения работ. Это могут быть металлические и лазерные рулетки, мерные ленты, дальномеры, нивелиры, теодолиты, тахеометры, фототеодолиты, калиброванные фотоаппараты, лазерные сканеры, GPS-приемники и прочие инструменты.

Выбор того или иного оборудования обусловлен спецификой объекта, требованиями Технического задания и нормативной документации. В последние годы в большинстве случаев оптимальным по точности, качеству и стоимости является выбор технологий лазерного сканирования в комбинации с классической геодезией и натурными исследованиями.

Лазерное сканирование фасада храма

Лазерное сканирование как один из методов проведения обмеров имеет ряд преимуществ:

  • возможность проводить измерения в труднодоступных местах, максимально подробно фиксировать геометрию криволинейных элементов, дефектов и утрат;
  • результаты сканирования фасадов и внутренних пространств находятся в единой системе координат, что позволяет избежать возможных неточностей расположения отдельных элементов или помещений по высоте и/или в плане;
  • к избыточному массиву измерений (облаку точек) всегда можно обратиться повторно при необходимости получения дополнительных данных без проведения дополнительных полевых работ на объекте;
  • скорость работ при беспрецедентной полноте данных. Например, один оператор с тахеометром за день сможет снять на объекте порядка одной тысячи точек. А другой оператор с лазерным сканером за тот же день получит сто миллионов точек. При этом по стоимости оба метода съемки находятся в одном ценовом диапазоне.

В сумме все это обеспечивает высокую точность и полноту исходной информации.

Отдельно хочется выделить незаменимость лазерного сканирования при обмерах сложных архитектурных деталей и особенно – насыщенных скульптурных композиций. Ведь при изготовлении чертежей необходимо иметь виды композиции с нескольких сторон, обязательно нужно выполнить характерные сечения скульптуры. Выдать требуемый объем полевых данных могут только методы наземного лазерного сканирования и, пожалуй, методы фотограмметрии (с ограничениями).

Лазерное сканирование памятника 1000 лет Руси

Отчетная документация

Результатом проведения обмерных работ является отчетная документация, состав которой определяется Техническим заданием и требованиями нормативной документации. Как правило, отчет состоит из текстовой части, графической части и приложений.

В текстовую часть входят сведения о задачах, описание объекта, информация об исполнителе, сроках и объемах работ и т.д.

В графическую часть входят масштабные ортогональные чертежи основных проекций объекта и его деталей, выполненные по результатам обмеров, а также эскизы, зарисовки, фотоматериалы, собранные в процессе выполнения работ.

Чертежи составляются (или распечатываются) на бумаге в масштабах:

  • топографические планы 1:200 - 1:500;
  • интерьеры, отдельные фрагменты фасадов – 1:20;
  • узлы и детали – от 1:10 до натуральной величины, в зависимости от сложности;
  • шаблоны – 1:1;
  • для схематических обмеров принимается масштаб – 1:200 - 1:100;
  • планы, разрезы, фасады зданий и сооружений – 1:50 - 1:100.

План Сокол

Оформление чертежей осуществляется в соответствии с требованиями действующей нормативной документации ЕСКД и инструкций по выполнению обмерных работ.

При проведении обмеров методом лазерного сканирования итоговым материалом полевых работ является облако точек, записанное на цифровом носителе.

Для трехмерных построений в качестве отчетной документации Заказчику передаются файлы 3D моделей и их распечатки на бумаге в виде аксонометрических или перспективных проекций видов и разрезов.

Лазерный сканер FARO Focus S350

Список использованных нормативных документов

  1. ГОСТ 21.501-93. Правила выполнения архитектурно-строительных рабочих чертежей.
  2. ГОСТ 26433.0-85. Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Правила выполнения измерений. Общие положения.
  3. ГОСТ Р 55528-2013. Состав и содержание научно-проектной документации по сохранению объектов культурного наследия. Памятники истории и культуры. Общие требования.
  4. ГОСТ Р 55567-2013. Порядок организации и ведения инженерно-технических исследований на объектах культурного наследия. Памятники истории и культуры. Общие требования.
  5. РНиП. Реставрационные нормы и правила. Методические рекомендации по проведению научно-исследовательских, изыскательских, проектных и производственных работ, направленных на сохранение объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов Российской Федерации. Часть 5. Методические рекомендации по проведению обмерных и инженерно-геодезических работ на объектах культурного наследия.
  6. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Госстрой России. М.: 2004.
  7. СРП-2007. Свод реставрационных правил. «Рекомендации по проведению научно-исследовательских, изыскательских, проектных и производственных работ, направленных на сохранение объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов Российской Федерации». Нормативно-методическое издание. 4-я редакция. М.: 2011.