способ построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния (варианты)

Формула изобретения

1. Способ построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния, заключающийся в том, что предварительно проводят анализ проектной и нормативной документации строительного объекта, устанавливают критерии пригодности и их допустимые величины, создают геодезическое обоснование объекта относительно, по крайней мере, двух базовых точек с одновременным уравниванием погрешностей, выбирают сеть связанных базовых точек внутри объекта, выверяют точность определения их координат относительно геодезического обоснования, затем создают координатно-пространственное обоснование строительного объекта, после этого определяют горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки отдельных конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих частей объекта, определяют линейные размеры конструктивных элементов и расстояния между точками контуров этих конструктивных элементов относительно координатно-пространственного обоснования с одновременным кодированием описания объекта и идентификацией конструктивных элементов объекта, вычисляют пространственные координаты точек конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих его частей, проводят детальное инструментальное обследование элементов строительного объекта, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов строительного объекта и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов строительного объекта, на основании этих данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей объекта и схем его нагружения, после этого расчетным путем определяют конкретные значения критериев пригодности элементов строительного объекта и сооружения в целом и сравнивают их с допустимыми величинами и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов строительного объекта и сооружения в целом для дальнейшей безопасной эксплуатации, недостаточность несущей способности или необходимые виды ремонта.

2. Способ построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния, заключающийся в том, что предварительно проводят анализ проектной и нормативной документации строительного объекта, устанавливают критерии пригодности и их допустимые величины, создают геодезическое обоснование объекта относительно, по крайней мере, двух базовых точек с одновременным уравниванием погрешностей, выбирают сеть связанных базовых точек внутри объекта, выверяют точность определения их координат относительно геодезического обоснования, затем создают координатно-пространственное обоснование строительного объекта, после этого определяют горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки отдельных конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих частей объекта, определяют линейные размеры конструктивных элементов и расстояния между точками контуров этих конструктивных элементов относительно координатно-пространственного обоснования с одновременным кодированием описания объекта и идентификацией конструктивных элементов объекта, вычисляют пространственные координаты точек конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих его частей, проводят детальное инструментальное обследование элементов строительного объекта, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов строительного объекта и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов строительного объекта, на основании этих данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей объекта и схем его нагружения, после этого расчетным путем определяют конкретные значения критериев пригодности элементов строительного объекта и сравнивают их с допустимыми величинами, моделируют состояние строительного объекта путем варьирования значений параметров и характеристик материалов элементов строительного объекта и параметров состояния и характеристик грунтового основания, вносят поправки в указанные значения параметров из предполагаемых восстановительных и ремонтных работ, на основании этих данных вводят поправки в многопараметрические цифровые модели строительного объекта в соответствии с принятым кодированным описанием элементов строительного объекта, после чего проводят анализ состояния и поведения строительного объекта на основе сравнения результатов расчета при фактических и моделируемых значениях параметров и характеристик и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов строительного объекта и сооружения в целом для дальнейшей безопасной эксплуатации, необходимые виды ремонта, возможные дальнейшие повреждения и недостаточность несущей способности.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при проведении моделирования состояния строительного объекта значения параметров и характеристик его состояния принимают в виде функциональных зависимостей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и строительству и может быть использовано для диагностики и экспертной оценки технического состояния строительных сооружений.

Известен способ проведения обследований строительных сооружений и оценки технического состояния строительных сооружений (Гиндоян А.Г. Пособие по обследованию строительных конструкций зданий. АО "ЦНИИПромзданий", М., 1997, с. 7 - 11).

Однако данный способ сложен и трудоемок, проведенные измерения по данному способу недостаточно точны, а анализ результатов не является достоверным.

Наиболее близким техническим решением является способ оценки технического состояния металлических конструкций строительных сооружений (патент N RU N 2086741), включающий анализ проектной и нормативной документации на металлические конструкции, определение параметров сечений для инструментального обследования, установление критериев пригодности и их допустимые величины, проведение замеров и другого инструментального обследования, сравнение полученных значений с допустимыми величинами и установка пригодности конструкции для дальнейшей безопасной эксплуатации. Однако и в данном способе не достигается достаточной точности измерений при наименьшей трудоемкости.

Технической задачей данного изобретения является повышение качества и точности проведения измерений и обследований и диагностики технического состояния строительного объекта.

Данный технический результат достигается тем, что по первому варианту способа построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния, предварительно проводят анализ проектной и нормативной документации строительного объекта, устанавливают критерии пригодности и их допустимые величины, создают геодезическое обоснование объекта относительно, по крайней мере, двух базовых точек с одновременным уравниванием погрешностей, выбирают сеть связанных базовых точек внутри объекта, выверяют точность определения их координат относительно геодезического обоснования, затем создают координатно-пространственное обоснование строительного объекта, после этого определяют горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки отдельных конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих частей объекта, определяют линейные размеры конструктивных элементов и расстояния между точками контуров этих конструктивных элементов относительно координатно-пространственного обоснования с одновременным кодированием описания объекта и идентификацией конструктивных элементов объекта, вычисляют пространственные координаты точек конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих его частей, проводят детальное инструментальное обследование элементов строительного объекта, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов строительного объекта и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов строительного объекта, на основании этих данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей объекта и схем его нагружения, после этого расчетным путем определяют конкретные значения критериев пригодности элементов строительного объекта и сооружения в целом и сравнивают их с допустимыми величинами и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов строительного объекта и сооружения в целом для дальнейшей безопасной эксплуатации, недостаточность несущей способности или необходимые виды ремонта.

В способе по второму варианту построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния предварительно проводят анализ проектной и нормативной документации строительного объекта, устанавливают критерии пригодности и их допустимые величины, создают геодезическое обоснование объекта относительно, по крайней мере, двух базовых точек с одновременным уравниванием погрешностей, выбирают сеть связанных базовых точек внутри объекта, выверяют точность определения их координат относительно геодезического обоснования, затем создают координатно-пространственное обоснование строительного объекта, после этого определяют горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки отдельных конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих частей объекта, определяют линейные размеры конструктивных элементов и расстояния между точками контуров этих конструктивных элементов относительно координатно-пространственного обоснования с одновременным кодированием описания объекта и идентификацией конструктивных элементов объекта, вычисляют пространственные координаты точек конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих его частей, проводят детальное инструментальное обследование элементов строительного объекта, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов строительного объекта и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов строительного объекта, на основании этих данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей объекта и схем его нагружения, после этого расчетным путем определяют конкретные значения критериев пригодности элементов строительного объекта и сравнивают их с допустимыми величинами, моделируют состояние строительного объекта путем варьирования значений параметров и характеристик материалов элементов строительного объекта и параметров состояния и характеристик грунтового основания, вносят поправки в указанные значения параметров из предполагаемых восстановительных и ремонтных работ, на основании этих данных вводят поправки в многопараметрические цифровые модели строительного объекта в соответствии с принятым кодированным описанием элементов строительного объекта, после чего проводят анализ состояния и поведения строительного объекта на основе сравнения результатов расчета при фактических и моделируемых значениях параметров и характеристик, и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов строительного объекта и сооружения в целом для дальнейшей безопасной эксплуатации, необходимые виды ремонта, возможные дальнейшие повреждения и недостаточность несущей способности. Возможно при проведении моделирования состояния строительного объекта значения параметров и характеристик его состояния принимать в виде функциональных зависимостей.

При проведении обмерных работ производится построение пространственной цифровой модели объекта, что позволяет получать более точные чертежи объектов без использования известного метода диагоналей и автоматически получать геометрические параметры конструкций, выявлять их геометрические особенности и отклонения от заданной формы или, например, имеющейся технической документации и соответствующих технических условий; позволяет получать с заданной точностью толщины стен, перегородок, перекрытий, конструктивных элементов неразрушающим методом; предоставляется возможным получать срезы обмеряемого объекта под любым углом и их построение в качестве чертежной документации, вычислять линейные расстояния между его элементами, не имеющими между собой прямой видимости, и определять площади поверхностей объекта и его объемов, как в целом, так и отдельных его частей. Кодированное описание элементов объектов и хранение данных натурных обмеров в виде цифровой пространственной модели позволяет автоматизировать процессы измерений и построений.

Способ осуществляют следующим образом.

Сначала изучается и анализируется проектная и исполнительная документация обследуемого строительного объекта (если таковая имеется) с целью определения его конструктивных особенностей при построении предварительной пространственной расчетной схемы и схемы нагружения и их идентификацией соответствия имеющейся типовой базе, а также планирования необходимого состава намечаемых работ, сбора исходных данных и характеристик объекта. Нагрузки определяются в соответствии с действующими СНиПами( СНиП 2.01.07-85, СНиП 2.03.01- 84, СНиП II-2-81, СНиП 3.03.01-87 и т.д.).

Затем проводится визуально-аналитическое обследование строительного объекта с целью определения общего технического и физического состояния сооружения, определения фактических условий его эксплуатации, дополнительных внешних воздействий и нагрузок, возникших в результате отклонения от проекта или естественного старения и износа конструктивных элементов. В результате таких работ определяются: наличие и характеристики трещин, отколов и разрушений, состояние защитных покрытий, нарушения сцепления арматуры с бетоном, наличие разрыва арматуры, состояние анкеровки арматуры и т.д., т.е. дефекты, характерные для бетонных и железобетонных конструкций; состояние швов (качество, ширину, глубину) и наличие трещин (степень развития, наличие дополнительных деформаций), отклонение или выпучивание стен и т.п. для каменных и армокаменных конструкций; разрывы, потеря устойчивости, трещины, расшатывание соединений, вмятины, прогибы, деформации, истирания, коробления, искривления, изменения геометрических размеров и сечений, состояние антикоррозионного покрытия, состояние сварных, болтовых, заклепочных соединений, степени и характера коррозии элементов и соединений, отклонения элементов от проектного положения и т.д. для стальных конструкций; прогибы, деформации, прочностные показатели, влажностное состояние, биоповреждения (грибками, жуками), коррозия древесины и т.п. для деревянных конструкций.

Полученные таким образом характеристики фактического состояния (вышеперечисленные дефекты, отклонения от проекта, возникшие как в результате строительства, так и в результате естественного старения и эксплуатации) объекта обрабатываются и вносятся в базу данных его электронной модели в виде поправок, корректируя ее и максимально приближая к реальному объекту. Производится также отбор образцов для физико-механических и физико-химических испытаний.

Особое внимание уделяется изучению состояния фундаментов и оснований на наличие вышеперечисленных дефектов. Производится отрывка шурфов для вскрытия фундаментов, обследование технического состояния конструкций фундаментов, гидроизоляции, определение дефектов и повреждений, определение и уточнение нагрузок и воздействий, инструментальное определение прочностных характеристик материала конструкций фундамента, отбор образцов для физико-механических и физико-химических испытаний. В соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83, СНиП 1.02.07-87, СНиП 2.01.14-83, ГОСТ 5180-84, ГОСТ 12248-78, ГОСТ 20276-85 и соответствующих инструктивно-нормативных документов проводятся обследования грунтов.

Проводятся также исследования химической агрессивности среды, производятся в соответствии с ГОСТ Р.21.15.01-92, СНиП 2.04.05-91, СНиП II-3-79. Степени агрессивного воздействия сред на незащищенные строительные материалы и конструкции определяются и классифицируются согласно СНиП 2.03.11-85 и подразделяются на слабо-, средне-, и сильноагрессивные. Степень агрессивного воздействия грунта выше уровня грунтовых вод на неметаллические конструкции устанавливается по СНиП II-3-79. Применяются различные методы выявления наличия и концентрации в воздухе вредных веществ, например, линейно-колористический (окрашивания порошков в индикаторных трубках) и различные газоанализаторы, которые позволяют определять содержание в воздухе сернистого ангидрида, ацетилена, окиси углерода, сероводорода, хлора, аммиака, окислов азота, бензина, бензола, толуола, ксилола, ацетона и т.п. Кроме того, проводятся исследования запыленности воздушной среды, используя аспирационные и седиментационные методы. Дисперсный состав витающей пыли определяют при помощи трехциклонных сепараторов. Все собранные данные обрабатываются, используются при построении электронной модели объекта и для определения функциональных зависимостей при прогнозировании скорости разрушения элементов конструкций.

Проводится также физико-химический и биохимический анализ материалов конструктивных элементов объекта, при этом используются компактные химические лаборатории "AQUAMERCK", а также производится отбор проб материалов элементов конструкций и грунтов основания для определения их характеристик и свойств в стационарных лабораториях.

После проведения предварительного анализа проектной и исполнительной документации строительного объекта выполняются электронные обмеры объекта. Создается геодезическое обоснование объекта относительно, по крайней мере, двух базовых точек с одновременным уравниванием погрешностей. После этого выбирается сеть связанных базовых точек внутри объекта, с выверкой точности определения их координат относительно геодезического обоснования, на основании которой создается координатно-пространственное обоснование. Определяются горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки отдельных конструктивных элементов строительного объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих частей объекта, определяются линейные размеры конструктивных элементов и расстояния между точками контуров этих конструктивных элементов относительно координатно-пространственного обоснования с одновременным кодированием описания объекта и идентификацией конструктивных элементов объекта. Затем вычисляются пространственные координаты точек конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих его частей, например, с помощью программы расчетов с использованием компьютерной техники.

На основании этих данных проводится построение пространственной цифровой модели объекта, определяется его пространственная расчетная схема и схема нагружения.

Далее в результате проведения детального инструментального обследования объекта устанавливаются фактические характеристики повреждений, дефектов и связей его отдельных составляющих конструктивных элементов, определяются дополнительные нагрузки, фактические параметры коррозионного износа, прочности, модулей упругости и коэффициентов Пуассона, плотности, твердости, влажности, пористости, водопроницаемости, теплопроводности, морозостойкости, трещиностойкости, адгезионной прочности материалов известными методами контроля и измерений конструктивных элементов строительного объекта с внесением изменений и поправок в цифровую модель в соответствии с принятым кодированным описанием элементов объекта.

Затем, в соответствии с кодированным описанием конструктивных элементов объекта определяются характеристики имеющихся дефектов и повреждений, уточняется пространственная схема сооружения и расположения основных несущих конструкций, проводится оценка общей устойчивости и жесткости объекта.

Определяются прочностные характеристики элементов конструкций при помощи неразрушающих методов. Так на основании методов упругого отскока, отрыва со скалыванием и отрыва, скалывания ребра и т.д. (ГОСТ 22690-88, ГОСТ 21243-75) определяются прочностные характеристики тяжелого и легкого бетона, раствора, кирпича (приборы SCHMIDT типа N, P, PМ, LB, DYNA, гидравлический переносной пресс ВМ-2.4); на основании метода ультразвукового сканирования (ГОСТ 17624-87) определяются параметры трещин, наличие и положение неметаллических включений, а также прочностные показатели вышеназванных материалов (приборы БЕТОН - 22М, TICO, DMV DL); на основании метода электромагнитного зондирования (ГОСТ 22904-93) определяются толщины защитного слоя, состав и диаметры арматуры, взаимное ее расположение, наличие иных металлических деталей в бетоне или кирпичной кладке (приборы PROFOMETER, BOCH DMO 10); при помощи электромагнитных методов определяется степень коррозионного износа (CANIN, RESI). Использование эхо-импульсного метода позволяет определять толщины стенок конструкций из различных материалов неразрушающим методом (прибор А 1209). На основании метода ультразвукового сканирования проводится геофизическое исследование состояния конструкций для контроля внутренней структуры строительных объектов с целью обнаружения внутренних пустот и свойств внутренних слоев (РАДАР-2). В соответствии с ГОСТ 12730.2-79 определяется относительная влажность строительных материалов (приборы ВИМС-1, GANN). В соответствии с ГОСТ 9012-59, ГОСТ 9013-59 определяется твердость металлических элементов конструкций объекта (приборы К5-Д, ТЭМП 2, EQUOTIP). Определяется также проницаемость бетона, определяющая его долговечность (прибор TORRENT). Определяются характеристики дефектов (трещин, сколов и т.д.) бетона, кирпичных кладок (деформометры, мерные рейки). С целью уточнения полученных физико-механических и физико-химических характеристик строительных материалов, а также для тарировки приборов неразрушающего контроля проводятся лабораторные испытания образцов, отобранных из обследуемого объекта, согласно методикам, утвержденным ГОСТами (ГОСТ 10060-87, ГОСТ 10180-90, ГОСТ 24452-80, ГОСТ 28570-90, ГОСТ 24332-88, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 10145-81, ГОСТ 11701-84, ГОСТ 18835-73, ГОСТ 12004-81, ГОСТ 10243-75, ГОСТ 18661-73).

После проведения детального комплексного инструментального обследования объекта и определения физико-технических характеристик материалов обследуемого объекта в лабораторных условиях производится обобщение результатов и их статистическая обработка.

Результаты обследований, данные электронных обмеров, свойства и характеристики материалов, полученные неразрушающими методами испытаний и в лабораторных условиях, обрабатываются и вносятся в базу данных электронной модели объекта, т.е. на основании полученной совокупности данных проводят построение многопараметрической цифровой модели строительного объекта.

При построении многопараметрической цифровой модели строительного объекта используется специально разработанное и стандартное программное обеспечение.

При проведении прогнозирования состояния объекта значения параметров, характеристик свойств материалов конструктивных элементов и их связей корректируют в соответствии с изменениями, возникающими при осуществлении восстановительных работ и реконструкции.

Кроме того, при проведении прогнозирования изменения технического состояния объекта в результате естественного старения и износа значения параметров, характеристики свойств материалов конструктивных элементов и их связей принимают в виде функциональных зависимостей. При проведении расчетов модели объекта определяют и учитывают свойства грунтов основания и несущую способность фундаментов и определяют состояние как отдельных конструктивных элементов, так и сооружения в целом.

На основании полученных данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей объекта и схем его нагружения.

После этого расчетным путем определяют конкретные значения критериев пригодности элементов строительного объекта и сравнивают их с допустимыми величинами, установленными ранее и нормативными.

По первому варианту способа далее определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов строительного объекта и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов строительного объекта. На основании этих данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей объекта и схем его нагружения. После этого расчетным путем определяют конкретные значения критериев пригодности элементов строительного объекта и объекта в целом и сравнивают их с допустимыми (нормативными) величинами и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов строительного объекта и объекта в целом для дальнейшей безопасной эксплуатации, недостаточность несущей способности или необходимые виды ремонта.

Для проведения анализа и определения возможных ремонтных, восстановительных работ и вариантов усиления конструкций, а также для оценки потерь несущей способности элементов строительного объекта в результате полученных дефектов и повреждений, нарушении связей, а также прогнозирования дальнейшего поведения строительного объекта и его отдельных конструктивных элементов (балок, перекрытий, стен и т.д.) в многопараметрических цифровых моделях моделируют состояние строительного объекта путем варьирования значений параметров и характеристик материалов элементов строительного объекта, их связей и параметров состояния и характеристик грунтового основания. Вносят поправки в указанные значения параметров из предполагаемых восстановительных и ремонтных работ и вариантов усиления конструктивных элементов. На основании этих данных вводят поправки в многопараметрические цифровые модели строительного объекта в соответствии с принятым кодированным описанием элементов строительного объекта. Затем проводят анализ состояния и поведения строительного объекта на основе сравнения результатов расчета при фактических и моделируемых значениях параметров и характеристик, и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов строительного объекта для дальнейшей безопасной эксплуатации, необходимые виды ремонта и возможные дальнейшие повреждения и недостаточность несущей способности. Возможно при проведении моделирования состояния строительного объекта значения параметров и характеристик его состояния принимать в виде функциональных зависимостей.

Такой способ (и его варианты) позволяет провести разработку мероприятий по восстановлению эксплутационных качеств строительных объектов, а также моделирования поведения, анализа и прогнозирования их технического состояния после осуществления восстановительных операций, реконструкции или в результате естественного износа и старения.

Данный способ позволяет повысить точность определения фактической несущей способности строительного объекта, ускорить и упростить анализ документации и выработку рекомендаций по наиболее эффективным решениям на усиление и ремонт строительных объектов и их конструктивных элементов или выдачи заключения по дальнейшей эксплуатации объекта в целом. Получение возможности моделирования и прогнозирования поведения объекта в результате естественного старения и износа, а также при осуществлении решений по его реконструкции или восстановлению позволяет упростить и удешевить проведение инженерного мониторинга технического состояния объекта с разработкой и поддержкой базы данных компьютерных версий экспертных систем диагностики, оценки состояния и прогнозирования при одновременном снижении трудоемкости производимых работ, в особенности при последующих обследованиях объекта, благодаря уже созданной его многопараметрической цифровой компьютерной модели. Данный способ предоставляет возможность использования его для моделирования и прогнозирования состояния объекта в будущем. Кроме того, данный способ позволяет проводить расчет системы "здание-фундамент-основание" и определение его технического состояния как единого целого.