MODERN METHODS OF GEODETIC CONTROL ON THE EXAMPLE OF VERTICALITY DETERMINATION OF ELEMENTS OF A BUILDING UNDER CONSTRUCTION

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.005

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ НА ПРИМЕРЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОЯЩЕГОСЯ ЗДАНИЯ

Научная статья

Вдовенко А.В.^1, *, Вдовенко В.А.², Егоров П.И.³, Эунап Р.А.⁴, Кашина Ж.В.⁵

¹ ORСID 0000-0002-9543-1369;

^{1, 2, 3, 4, 5} Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

* Корреспондирующий автор (avdovienko[at]list.ru)

Аннотация

В статье описан ход выполнения работ по контролю вертикальности и форм деформации монолитных железобетонных конструкций в строящемся здании. Предложен концептуальный подход к программе выполнения аналогичных работ, где последовательность действий разделена на этапы: выбора характерных сечений, сбора пространственных данных и автоматизированной постобработки с выводом заключения о соответствии нормативным требованиям. В процессе выполнения работы данные собираются в единую цифровую модель для всего здания, которая представляет собой облако точек похожее на результаты 3D сканирования, но выполненное с меньшей разрешающей способностью и избыточностью. Для оценки вертикальности несущих элементов используются полуавтоматические алгоритмы на основе аппроксимаций методами наименьших квадратов, написанные на языке AutoLisp.

Ключевые слова: деформации, контроль, безотражательный тахеометр, алгоритм, цифровая модель.

MODERN METHODS OF GEODETIC CONTROL ON THE EXAMPLE OF VERTICALITY DETERMINATION OF ELEMENTS OF A BUILDING UNDER CONSTRUCTION

Research article

Vdovenko A.V.^1, *, Vdovenko V.A.², Egorov P.I.³, Eunap R.A.⁴, Kashina Zh.V.⁵

¹ ORСID 0000-0002-9543-1369

^1,2,3,4,5  Pacific National University, Khabarovsk, Russia

* Corresponding author (avdovienko[at]list.ru)

Abstract

The article describes work progress on vertical control and forms of deformation of reinforced concrete structures in a building under construction. A conceptual approach to the program of similar work is proposed, where the sequence of actions is divided into stages: selection of characteristic cross-sections, spatial data and automated post-processing collection with conclusion on compliance with regulatory requirements. In the work process, the data is collected into a single digital model for the entire building in the form of a cloud of dots similar to the results of 3D scanning, but with less resolution capability and redundancy. For the evaluation of the bearing component verticality, algorithms based on least-squares fitting written in AutoLisp are used.

Keywords: deformations, control, reflectorless total station, algorithms, digital model.

Введение

Обеспечение безопасной эксплуатации промышленных и гражданских зданий, ответственных инженерных сооружений достигается проведением мониторинга, включая инженерно-геодезические работы на этапе строительства. Оценка деформационного состояния зданий и сооружений является одной из областей применения высокоточных геодезических способов и средств измерений.

Разработке и совершенствованию методов и средств геодезических измерений с целью определения деформаций конструкций зданий и инженерных сооружений посвящено достаточное количество научных публикаций [1], [2], [3], [4]. Значительный вклад в разработку геодезических способов, технологических схем геодезического обеспечения процесса строительства зданий и сооружений, внесли отечественные и зарубежные ученые, такие как Асташенков Г.Г., Брайт П.И., Васютинский И.Ю., Рязанцев Г.Е., Ганьшин В.Н., Донских И.Е., Жуков Б.Н., Зайцев А.К., Клюшин Е.Б., Левчук Г.П., Михелев Д.Ш., Новак В.В., Ямбаев X.К., Шторм В.В. и другие.

Совершенствование существующих и разработка новых методик геодезических измерений для контроля геометрических параметров зданий и сооружений в процессе строительства является актуальной научно-технической задачей [5], [6], [7].

Методологическая и теоретическая основа работы включает в себя использование методов статистической обработки результатов измерений, а также теории математической обработки геодезических данных для анализа результатов производимых измерений.

Перед исследователями была поставлена задача: осуществить контроль вертикальности и взаимного (проектного) расположения, включая сдвиги и повороты центрального сечения в уровнях перекрытий, монолитных несущих железобетонных конструкций (колонны, пилоны, стены) строящегося здания, где первые три этажа (включая подвал) являются монолитным железобетонным сооружением. Верхние этажи, начиная с четвертого, представлены сборными железобетонными конструкциями переменной этажности.

Основные результаты и обсуждение

Контролируемые железобетонные конструкции представлены в трех видах: колонны, пилоны, стены (рисунок 1). Колонны в данном сооружении – это монолитные вертикальные конструкции высотой 10,5 метров проходящие сквозь все три этажа (4+4+2,5)м и возводимые в несколько этапов с сооружением монолитных перекрытий; в поперечном сечении прямоугольные с соотношением сторон в среднем 2 : 1. Пилоны – то же, что и колонны с разницей в том, что соотношение сторон поперечного сечения 5 : 1 и более. Все колонны и пилоны ориентированы «широкой» стороной в направлении запад-восток, поперечно основному фасаду. Монолитные стены представлены в двух вариантах: это ограждающие/несущие стены лифтовой шахты и незадымляемой лестницы высотой 10,5 метров и подпорные стены первого (подвального) этажа высотой 2,5 метра, не воспринимающие значительных вертикальных нагрузок.

Рис. 1 – План контролируемых монолитных железобетонных конструкций

В развитии результатов предыдущих работ [8], для решения задачи предложен способ, при котором на первом этапе происходит анализ конструкции и выбираются характерные сечения (рис.2а), на втором этапе происходит сбор пространственных данных, а на третьем этапе выполняется автоматическая обработка данных по предложенному алгоритму и вывод отчета с заключением о соответствии нормативным требованиям [9], [10].

В связи с конструктивными особенностями здания, основное внимание было уделено вертикальности «широких» сторон основных несущих элементов (колонн и пилонов), так как отклонения по отношению к малой толщине элементов в этом направлении вносят более весомый вклад в надежность сооружения в целом.

Контролируемые параметры для колонн и пилонов включают: общий крен конструкции, крен в отдельных плоскостях и гранях, а также смещения и повороты центрального сечения в уровне перекрытий и в общем виде представлены на схеме (рис. 2в, 2г).

Рис. 2 – Схемы выполнения работ и контролируемых параметров:

а – общий крен конструкции; б – крен в отдельных плоскостях и гранях; в – смещения центрального сечения; г – повороты центрального сечения

Для сбора исходных данных использовался тахеометр Sokkia 530r в высокоточном безотражательном режиме. Для выполнения сьемки предварительно нанесены высокоточные базовые стенные метки (световозвращающий грунт и тонкое перекрестье по трафарету) на выступающие колонны в торцевых частях секций каждого этажа (всего 12), а также метки в средней части перекрытий внутри межэтажных технологических отверстий под трубопровод и канализацию (продухи).

Схема измерений построена таким образом, что тахеометр устанавливается на характерных точках по центральной линии здания так, чтобы первые три точки, снимаемые в режиме высокой точности, были одни и те же для всех измерений в пределах данной секции этажа, а также с высокой точностью выполнялось наблюдение меток в межэтажных технических отверстиях (рис. 3).

Рис. 3 – Схема плановой и высотной привязки станций

Остальные измерения с данной станции выполнялись без визирования в оптическую систему «от руки по лучу» по характерным сечениям с равными промежутками (рис.2б). В дальнейшем разрозненные облака точек с каждой станции сводились в единое облако данного этажа/секции по первым трем общим точкам, а сами этажи – в единое облако здания по общим межэтажным меткам. Конечным результатом второго этапа работ является единое облако точек по характерным сечениям, в общем виде напоминающее результаты 3D сканирования, но выполненное с меньшей разрешающей способностью и избыточностью (рис. 4).

Рис. 4 –Облако точек (перспективная проекция)

Для реализации третьего этапа в программном комплексе Autocad на языке AutoLisp были написаны подпрограммы, выполняющие анализ, визуализацию и выгрузку в таблицу отчета состояния контролируемого элемента. Входными данными для подпрограммы «колонна/пилон» являются пять групп точек выделяемые при разметке на видовом экране «план». После окончания «разметки» текущего элемента, подпрограмма строит профиль для каждого сечения и выполняет анализ на основе аппроксимаций методами наименьших квадратов, контролируя как общий крен конструкции, так и крен и взаимное смещение секций на уровне каждого этажа по предварительно заданным высотам уровней перекрытий (рис. 5). По завершению вычислений подпрограмма предложит выполнить разметку следующего элемента.

Рис. 5 – Схема алгоритма оценки состояния несущих конструкций здания

Подпрограмма «стена» действует похожим образом за исключением того, что в ней не выполняется контроль продольных смещений.

Схематичное изображение процессов предлагаемой концепции и использованный параметроизвлекающий алгоритм представлены на рисунке 6.

Рис. 6 – Схема процессов и параметроизвлекающего алгоритма

При этом конкретизируем этапы алгоритма:

• инициализация: указание основных параметров (уровни перекрытий, базисный горизонтальный угол);
• итерации: именование элемента, разметка элемента (выбор пяти групп профилеобразующих точек);
• процессирование: для каждого сечения (как в целом, так и для каждой его межуровневой части) методом наименьших квадратов вычисляются параметры функции

k – тангенс угла наклона аппроксимируемой конструкции (αобщ, α1, α2, α3);

b – смещение положения основания.

По разнице параметров blvl0, blvl1, blvl2 (после приведения их к общему основанию) вычисляются параметры Δ1, Δ2 – сдвиг плоскости грани колонны.

Получив результаты для всех пяти сечений, из попарных сечений северной и южной граней вычисляются их основные параметры, такие как средний наклон, средние смещения в районе перекрытий, а также горизонтальный угол.

Далее противоположные грани приводятся к общей оси конструктивного элемента для вычисления параметров крена и смещений.

В конце статьи приведен детализированный фрагмент отчета (рис. 7) на один из проблемных элементов (крайнего пилона в торце здания), у которого вследствие ошибки установки опалубочных щитов и их оползания наблюдались сильные отклонения от вертикальности (до 70мм на высоту элемента по одной из граней).

Заключение

Предложенный в данном исследовании метод геодезического контроля с использованием безотражательного тахеометра и автоматизированных алгоритмов постобработки может быть использован при выполнении аналогичных работ при строительстве промышленных и гражданских зданий. При этом предлагаемая технология выполнения работ является достаточно гибкой и позволяет оперативно вносить изменения в случае добавления новых инженерных задач, как на этапе сбора данных, выполняя их «дополнение» по известному съемочному основанию с добавлением новых сечений, так и на этапе создания параметроизвлекающих алгоритмов, когда исследователям могут потребоваться дополнительные сведения о сооружении.

Например, так было и в данном случае, когда представитель заказчика по окончании основного цикла работ попросил рассмотреть возможность предоставления ведомости плановых отклонений центральных осей элементов от проектных значений. Для этого потребовалась лишь увязка съемочного основания с разбивочной сетью строительного объекта.

Рис. 7 – Фрагмент отчета для проблемного конструктивного элемента здания

 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Скрипникова М.А. Возможности применения автоматизированных высокоточных электронных тахеометров при измерении деформаций инженерных сооружений / М.А. Скрипникова // ГЕО-Сибирь-2010 : сб. материалов VI Междунар. науч. конгр. – Новосибирск : СГГА, 2010. – Т. 1, ч. 1. – С. 131–134.
2. Мазуров Б.Т. Анализ геодезических измерений с учетом динамики объектов мониторинга / Б.Т. Мазуров // Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2012. – № 2/1. – С. 18–21.
3. Михайлов В.И. Опыт применения электронного тахеометра для измерения вертикальности стен / В. И. Михайлов, С.И. Кононович, Ю.Н. Чиберкуч // Главный инженер в строительстве. – 2013. – № 9. – С. 26–31.
4. Шеховцов Г.А. Современные геодезические методы определения деформаций инженерных сооружений / Г.А.Шеховцов, Р.П. Шеховцова // – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2009. – 156 с.
5. Никитин А.В. Способ определения крена сооружений цилиндрической формы / А.В. Никитин // Геодезия и картография. – 2008. – Вып. 6. – С. 15–17.
6. Комиссаров А.В. Системное представление лазерного сканирования / А.В. Комиссаров // Геодезия и картография.− 2015. – №. 7 – С. 18–23
7. Никонов А.В. Исследование точности измерения расстояний электронными тахеометрами в безотражательном режиме / А.В. Никонов // Вестник СГУГиТ. – 2015. – Вып. 1(29). – С. 43–53.
8. Вдовенко А.В. Решение задачи определения вертикальности строительных конструкций с помощью современных технологий на примере четырехгранной колонны / А.В. Вдовенко, В.А. Вдовенко, И.Ю. Трофимов и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2021. – №3-1(105). – С. 27-32.
9. СП 126.13330.2017 Свод правил «Геодезические работы в строительстве». – Утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 24 октября 2017 г. N 1469/пр
10. Руководство по определению кренов инженерных сооружений башенного типа геодезическими методами. – Москва : Стройиздат, 1981. – 56 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Skripnikova M.A. Vozmozhnosti primeneniya avtomatizirovannykh vysokotochnykh elektronnykh takheometrov pri izmerenii deformatsiy inzhenernykh sooruzheniy [Possibilities of using high-precision Automated Motorized Total Stations in measuring the deformations of engineering structures] / M.A. Skripnikov // GEO-Sibir'-2010 : sb. materialov VI Mezhdunar. nauch. Kongr [collection of materials of the VI International Scientific Congress]. – Novosibirsk : SGGA, 2010. – Vol. 1, ch. 1. – Pр. 131–134. [in Russian]

2. Mazurov B.T. Analiz geodezicheskikh izmereniy s uchetom dinamiki ob"yektov monitoringa [Analysis of geodetic measurements taking into account the dynamics of monitoring objects] / B.T. Mazurov // Izv. universities. Geodeziya i aerofotos"yemka [Geodesy and aerial photography]. – 2012. – No. 2/1. – Pр. 18–21. [in Russian]
3. Mikhailov V. I. Opyt primeneniya elektronnogo takheometra dlya izmereniya vertikal'nosti sten [Experience of using an electronic total station to measure the verticality of walls] / V. I. Mikhailov, S. I. Kononovich, Yu.N. Chiberkuch // Glavnyy inzhener v stroitel'stve [Chief Engineer in Construction]. – 2013. – No. 9. – Pр. 26–31. [in Russian]
4. Shekhovtsov G.A. Sovremennyye geodezicheskiye metody opredeleniya deformatsiy inzhenernykh sooruzheniy [Modern geodetic methods for determining the deformations of engineering structures] / G.A. Shekhovtsov, R.P. Shekhovtsova // – Nizhniy Novgorod : NNGASU, 2009. – 156 p. [in Russian]
5. Nikitin A.V. Sposob opredeleniya krena sooruzheniy tsilindricheskoy formy [A method for determining the roll of cylindrical structures] / A.V. Nikitin // Geodeziya i kartografiya [Geodesy and cartography]. – 2008. – Vol. 6. – Pр. 15–17. [in Russian]
6. Komissarov A.V. Sistemnoye predstavleniye lazernogo skanirovaniya [System representation of laser scanning] / A.V. Komissarov // Geodeziya i kartografiya [Geodesy and cartography]. – 2015. – № 7 – pр. 18-23. [in Russian]
7. Nikonov A.V. Issledovaniye tochnosti izmereniya rasstoyaniy elektronnymi takheometrami v bezotrazhatel'nom rezhime [Investigation of the accuracy of measuring distances by electronic total stations in reflectorless mode] / A.V. Nikonov // Vestnik SGUGiT. – 2015. – Vol. 1(29). – Pр. 43–53. [in Russian]
8. Vdovenko A.V. Resheniye zadachi opredeleniya vertikal'nosti stroitel'nykh konstruktsiy s pomoshch'yu sovremennykh tekhnologiy na primere chetyrekhgrannoy kolonny [Solving the problem of determining the verticality of building structures using modern technologies on the example of a tetrahedral column] / A.V. Vdovenko, V.A. Vdovenko, I.Y. Trofimov et al // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal [International Research Journal ]. – 2021. – № 3-1(105). – Pр. 27-32. [in Russian]
9. SP 126.13330.2017 Svod pravil Geodezicheskiye raboty v stroitel'stve. – Utv. prikazom Ministerstva stroitel'stva i zhilishchno-kommunal'nogo khozyaystva Rossiyskoy Federatsii ot 24 oktyabrya 2017 g. N 1469/pr [Code of practice Geodetic works in building. – Approved. by order of the Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation of October 24, 2017 N 1469 / pr]. [in Russian]
10. Rukovodstvo po opredeleniyu krenov inzhenernykh sooruzheniy bashennogo tipa geodezicheskimi metodami [Guidelines for determining the heels of tower-type engineering structures by geodetic methods]. – Moscow : Stroyizdat, 1981. – 56 p. [in Russian]