Как оцифровать земляные работы в строительстве?

Ранее мы уже говорили о том, как контролируются и принимаются земляные работы классическими методами. Однако, с шестидесятых годов прошлого века этот процесс практически не изменился. Но, современные технические средства, а именно лазеры и беспилотники помогают ускорить контроль и приёмку земляных работ. Как эффективно этими технологиями пользоваться и с какими подводными камнями вы столкнетесь, мы расскажем в этой статье.

Для начала определимся, какие именно земляные работы мы сегодня рассмотрим. Это:

• Разработка выемок (траншей) под конструкци

• Разработка котлована экскаваторами

• Разработка траншей под трубопроводы в нескальных грунтах

• Обратная засыпка грунта

• Вертикальная планировка

• Устройство насыпей

Однако, если открыть СП 45.13330.2017. «Свод правил. Земляные сооружения, основания и фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87», мы можем заметить массу других работ, будь то устройство дренажа, усиление грунтов и так далее.

Обычно, такие работы являются скрытыми и применять технологии лазерного сканирования просто негде. Сканеры и беспилотники хороши только там, где есть открытый способ разработки грунта. Отметьте для себя пожалуйста этот момент. Обозначенные виды работ условно разделим на 3 части по действию:

Планирование территории

При классическом методе, на объект будущей застройки выезжает геодезист для проведения топосъёмки и построения карты высот выемки и насыпи грунта относительно проектной отметки. При чём этот процесс повторяется несколько раз, начиная с «голого поля» и заканчивая засыпкой траншей и котлованов.

Согласно таблице 6.3 СП 45, отклонения от проектной  отметки спланированной поверхности не должны превышать:

• в нескальных грунтах — ±5 см;
• в скальных грунтах — от +10 до -20 см.
• уклона спланированной поверхности от проектного, кроме орошаемых земель — ±0,001

В зависимости от размера и морфологии снимаемой территории, нивелирование может вестись по квадратам, сеткой от или до 50 метров, по параллельным линиям, а также  по магистралям с поперечником.

В любом случае, это занимает большое количество времени сначала на съёмку с прибором, а потом и на обработку данных. В среднем, этот процесс может длиться от двух дней до месяца. При этом точность не всегда будет требуемого уровня. Человеческий фактор и требования к квалификации специалиста никто не отменял. 

При этом, мы бы хотели обратить ваше внимание на то, как формулируют задачи разные участники строительного процесса. 

Задача контролирующего органа — как усилить контроль и улучшить проверку корректности выполненных работ?

Задача инженера — как и с помощью каких современных технологий я могу ускорить процесс получения объёмов без потери качества выполнения работ?

Слабое место классической съёмки это, количество и качество получаемых данных. Мы не можем провести сплошную геодезическую съёмку территории и охватить все особенности рельефа. При этом скорость обработки данных будет зависеть от опыта геодезиста. Однако, благодаря современным программным комплексам, скорость приблизилась практически к своему максимуму. 

Следовательно, мы можем закрыть слабое место, подобрав оптимальную технологию съёмки местности. Воздушное или наземное лазерное сканирование, а также аэрофотосъёмка.

О их принципиальных отличиях мы говорили в одном из наших предыдущих выпусках на ютубе:  «Всё, что надо знать о технологиях аэрофотосъёмки и воздушного лазерного сканирования!»

Смотреть выпуск на YouTube

Что является ключевым для нашей задачи, без чего она не будет решена? Нет, не скорость. Качество выполнения работ. Обратимся к схеме операционного контроля качества вертикальной планировки территории. 

В таблице мы можем заметить четыре позиции, в которых используется измерительный метод. Это:

Величина уклонов и Величина отметок поверхности

Смотрим чуть ниже по схеме и видим допустимые отклонения.

Для корректного подбора оборудования и метода съёмки территории, следует проанализировать характеристики приборов для проведения НЛС, ВЛС и АФС. 

Главный параметр — заявленная точность измерения прибора. 

Поскольку для вертикальной планировки территории не требуется миллиметровая точность, то подходит и «слабое» оборудование, использующее технологии НЛС, ВЛС и АФС. 

Второй фактор, на который стоит обратить внимание, охват территории. И тогда наземное лазерное сканирование отпадает, как менее эффективное и требующее большего времени, чем его конкуренты.  

Третий фактор — это морфология площадки. Насколько территория заросла кустарником и высокой травой, насколько сложный рельеф местности, а также как много зданий и сооружений находится на территории застройки. 

Сопоставив эти три главных фактора, по итогу выбирается или ВЛС при более плотной застройке и зарослях, или АФС при относительно плоском рельефе и малом количестве зданий и сооружений на территории.

Правильно применяя технологии сканирования, время экономится приблизительно в 3-4 раза относительно классического метода, при этом, качество получаемых данных будет выше.

Связано это вот с чем.

По облаку точек можно получить любую координату в любой точке отснятого пространства и таким образом, найти максимально точный объём выемки и насыпи грунта, учитывающий все неровности поверхности застройки. Если использовать съёмку поверхности на регулярной основе, создавая единую модель строительства, можно чётко отслеживать реальные объёмы выполненных работ по вертикальной планировке территории и не только.

Выемка грунта

Вторая группа работ, о которой мы будем говорить, это выемка грунта. Стоит сразу выделить три особенности.

Первая. Выемка может производиться как ручным способом, так и машинами. Это влияет на подсчёт объёмов работ и их итоговую стоимость. 

Вторая. Выемка может производиться как на открытой территории, так и рядом с существующими зданиями и сооружениями. Эта особенность влияет на подбор измерительного оборудования.

Третья. Ключевым параметром контроля отклонений по выемке грунта будет уклон поверхности, поскольку от этого напрямую будет зависеть целостность соединений трубопроводов, а также направление стока вод. 

Обратимся к контролируемым параметрам при выемке грунта в соответствии с таблицами 6.1 и 6.3 сп земляные сооружения.

Нас интересует максимальное предельное отклонение для указанных видов работ. Оно составляет плюс-минус пять сантиметров.  

Для открытого котлована или траншеи, как и для вертикальной планировки подходят воздушное лазерное сканирование и аэрофотосъёмка, поскольку они обеспечивают требуемую скорость и точность измерений. 

Однако, для участков выемки отклована рядом со строящимся или уже построенным зданием, беспилотники не подходят по двум причинам. 

Во-первых, построенное здание может иметь сложную конфигурации подвальных помещений с внутренними опорными колоннами и выступающими частями, обнаруженными в процессе выемки грунта. 

Во-вторых, сложно отделить механизированную разработку и ручную выборку грунта из под здания. 

Конечно, можно воспользоваться и беспилотником, но шанс его сломать чересчур высок. Поэтому, самое оптимальное решение — наземное лазерное сканирование. 

Взглянем на три схемы операционного контроля.

Существует восемь контролируемых параметров, требующих измерительного метода контроля. Это:

• Отклонения отметок дна выемок котлована от проектных

• Контроль откосов котлована

• Контроль уклона дна котлована

Как это может происходить с открытым котлованом на этапе строительства. Сканирование будет проводиться от двух до пяти-шести раз. 

Первый скан делается до начала производства работ. Второй в процессе механизированной разработки грунта.  Когда больше нет возможности применять экскаватор, перед началом ручной выемки, всегда надо проводить сканирование. Это третий скан. Четвёртый скан деляется по окончании работ. Такой подход позволяет разделить объёмы механизированной и ручной разработки котлована, а также точнее подсчитать ценные кубометры грунта.

 

Но стоит ли применять сканер, если задача стоит просто подсчитать объёмы выемки грунта котлована у строящегося или существующего здания? Нет, с небольшим НО.

Прежде всего, это связано со скоростью и стоимостью проведения работ по сканированию.

Рационально использовать наземное лазерное сканирование можно только при условии, что будет производиться расширение подвала за счёт близлежащей территории или прокладка инженерных коммуникаций. 

Тогда последующие работы можно будет также сканировать и заносить в цифровую информационную модель. На одном из наших объектов, мы возводили цифровую строительную модель шаг за шагом, оцифровывания шесть видов работ.

В первую очередь, мы оцифровали процесс разработки котлована. Поставили реперы, привязали координаты, несколько раз отсканировали выемку грунта, сшили облако точек и построили модель. Однако, параллельно с нами работал геодезист подрядчика, производя съёмку с помощью тахеометра. 

И если ему понадобилось всего двое суток, чтобы не спеша сделать исполнительную геодезическую схему и подсчитать объемы, то у нас это заняло пять рабочих дней.

В процессе сканирования возникло три проблемы. 

Первая, это количество станций сканирования.  На котлован в 60 м2 потребовалось порядка 30 станций, где на каждой, сканер работал по 3 минуты. Прибавим время на перемещение и получим примерно четыре с половиной минуты на одну точку съёмки. Всего, время одного хода со сканером заняло около пяти часов. При этом Геодезисту подрядчика понадобилось всего полчаса на съёмку. 

Решить эту проблему можно с помощью мобильного или более мощного лазерного сканера. Но у нас в наличии был только BLK 360.

Вторая проблема, скорость сшивки облаков точек. Поскольку лазерный сканер снимает всё подряд, а процесс строительства идёт непрерывно, то в поле зрения прибора попадают люди и механизмы, перемещающиеся в котловане. Чтобы их вычистить, требуется немало времени. Без этого, качество облака точек будет низким, шумы и фигуры людей будут мешать при моделировании. 

Весь процесс работы с облаком точек в Циклоне занял 8 часов. По 3 часа на выгрузку и чистку, а также  2 часа на сшивку. В тоже время геодезист подрядчика уже досчитывал объёмы, когда мы к ним ещё не приступили. 

У этой задачи есть единственное решение — производить съёмку только в тот момент времени, когда на этом участке, работы не ведутся. А это накладывает два ограничения.

Либо мы сканируем, когда рабочая смена уже завершена или ещё не начата, либо мы останавливаем производство работ на период проведения лазерного сканирования. 

Третья проблема, с которой мы столкнулись, это несовершенство ПО для моделирования. 

Для решения наших задач по возведению моделей мы по-прежнему используем Autodesk Revit. До версии две тысячи двадцать четвёртого года создание топографических поверхностей было непростой задачей, поскольку объёмы с её помощью снять было невозможно. 

Нам пришлось самостоятельно создавать семейство выемки грунта, чтобы подсчитать объём выполненных работ. Причём, семейств было два: механизированная разработка и ручная. 

Не будем вдаваться в детали процесса, но заняло это шестнадцать часов. Оформление исполнительной схемы с разрезами в соответствии с нормативами заняло ещё порядка трёх часов. Общая продолжительность работ в таблице ниже.

Затраты времени на съёмку и создание модели

То есть. Геодезист, в одиночку, не спеша, выполнил работы за 2 дня, в то время как связка инженера строительного контроля и инженера-строителя, что возводит модель, сделала ту же самую работу за 5 дней.

Геодезист подрядчика выдал на согласование тысячу пятьсот двадцать метров кубических. В то время как мы определили объём в тысячу восемьсот метров кубических. Разница двести восемьдесят кубов. 

Более того, три проблемы, из-за которых сканирование занимает времени больше, чем при классическом методе съёмки котлована с тахеометром в стеснённых условиях строящихся зданий, вполне решаемы. 

Есть небезосновательные предположения, что при совершенствовании программных комплексов и методов организации труда, скорость предоставления данных способом лазерного сканирования и геодезической съёмки сравняется, так как ни одна из проблем не является критической.

Второе преимущество, это высокая точность определения отклонений фактических отметок дна котлована от проектных. В отличии от геодезической съёмки, на скане можно определить координату в любой точке котлована. Таким образом, удалось выявить отклонения до десяти миллиметров. Поскольку максимально допустимое значение для одного из видов механизмов для разработки грунта составляет пятьдесят миллиметров, на некоторых участках подрядчику пришлось выравнивать дно котлована.

Давайте подведём промежуточный итог.

Если у вас большой открытый котлован или протяжённая траншея, то беспилотник будет наилучшим вариантом. По стоимости применение технологии будет немногим дороже, но качество данных несопоставимо выше. Там, где геодезисту придётся ходить с прибором несколько дней или недель, беспилотник выполнит эту работу за пару суток.

Если вы разрабатываете грунт в стеснённых условиях, рядом с подвалами и фундаментами сложных конфигураций, чтобы сделать пристройку или проложить инженерные коммуникации, то имеет смысл воспользоваться наземным лазерным сканированием.

Но если у вас относительно небольшой котлован или траншея и не стоит задачи создавать информационную модель строительства, то применение технологий НЛС, ВЛС и АФС будет избыточным.

Насыпь грунта

Рассмотрим сначала устройство обратной засыпки. Если посмотреть схему операционного контроля по этому виду работ, то мы не увидим контролируемых геометрических параметров. 

Для обратной засыпки самым важным является уплотнение и состав грунта, а также наличие в нём инородных тел, таких как мёрзлые комья, древесина, камни и различный строительный мусор.

Контролируем наличие:

• Мёрзлые комья грунта

• Древесина и крупный камень

• Строительный мусор

Где в здесь можно применять сканер?

Во-первых, если вы уже оцифровали ранее произведённые работы, то у вас уже есть все объёмы в пространстве котлована перед его засыпкой. Отсканировав выровненную поверхность, можно найти разницу между засыпанным грунтом и объёмом внутри котлована. 

Однако, в чистом виде брать дельту нельзя, поскольку ни одна программа для комплексного моделирования не учитывает коэффициент уплотнения грунта. Объёмы будут некорректными.

Во-вторых, с помощью сканера можно определить степень усадки грунта на месте засыпки котлована. 

Вы ведь наверняка обращали внимание, что после дождя в местах прокладки трубопроводов образуются борозды. Эти борозды и есть следствие усадки грунта.

Отсканировав траншеи после засыпки и после усадки можно найти объём грунта, который необходимо добавить для выравнивания поверхности земли. 

С насыпями ситуация интереснее. 

Вновь смотрим на схему операционного контроля и видим, что в основе лежит контроль гранулометрического состава грунта. Однако, появляются ещё и геометрические параметры.  

Это положение оси насыпей, ширины насыпей по верху и по низу, а также отметки поверхностей. Предельное отклонение опять составляет плюс-минус пять сантиметров. От геометрических размеров зависит не только общий объём насыпи, но и объём грунтовых слоёв, из которых эта насыпь состоит. 

Чтобы точно подсчитать расход материала на устройство насыпи, необходимо проводить послойное сканирование. 

Даёт ли применение сканеров при устройстве насыпей выигрыш во времени и по экономике? Безусловно. 

Пожалуй, среди всех видов земляных работ, именно контроль качества и подсчётов объёмов при устройстве насыпей наиболее выгоден для внедрения беспилотников. Наземное сканирование на этих объектах показывает себя сильно хуже.