ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ТРЕХМЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ НА ОСНОВЕ BIM МОДЕЛИ

АННОТАЦИЯ

В настоящее время новые и современные инструменты должны активно использоваться в процессах модернизации зданий. Ручные измерения и процесс 2D-проектирования должны быть максимально сведены к минимуму и заменены передовыми компьютерными технологиями, такими как автоматизированная обработка данных и 3D-сканирование. Все эти меры позволят значительно минимизировать ошибки проектирования энергопотребления. Доступные вычислительные мощности позволяют обрабатывать данные в разумные сроки и с высоким качеством Трехмерная модель здания является эффективным инструментом для разработки проекта точной модернизации и правильной оценки энергопотребления. Трехмерная модель здания позволяет выполнять точное моделирование энергоэффективности зданий с использованием таких программ, как IDA-ICE, RISUKA, IES, EnergyPlus и др. В этом исследовании проведен подробный анализ существующего здания от сканирования до создания модели.

ABSTRACT

Nowadays new and modern tools should be actively used in buildings energy retrofitting processes. Handmade measuring and 2D design process should be minimized as possible and by replaced by advanced computer technologies such as automated data proceedings, 3D scanning and automated production lines. All these measures will allow significant minimization failures in design, energy simulation and construction. Available computing capacities allows data proceeding in reasonable time and quality. 3D building model is an efficient tool to develop precise retrofitting project and to make correct energy consumption estimation3D building model allows precise dynamic energy simulation using such software as IDA-ICE, RISUKA, IES, EnergyPlus etc. This research provides detailed analysis of existing buildings whole 3Ddevelopment process from scanning to creation of model.

Ключевые слова: информационная модель здания, облако точек, энергоэффективность.

Keywords: BIM, point cloud, energy efficiency.

Методы трехмерного лазерного сканирования были разработаны с конца 1990-х годов для трехмерных цифровых измерений, документирования и визуализации во многих областях, включая геодезическую отрасль, архитектуру, обрабатывающую и добывающую промышленность, инфраструктуру зданий, археологию и т. д. [1-2]. Последние достижения в области аппаратного обеспечения и повышение производительности программного обеспечения BIM помогают перейти на новый уровень приложений для сканирования в строительной отрасли.

Захваченная 3D модель здания служит нескольким целям. Одна из них - энергетический анализ до и после реконструкции, когда применяется выбранный тип и/или вариант изоляционного материала. Использование концепции BIM в строительной отрасли позволяет быстро и легко оценить несколько потенциальных решений, рассматриваемых в рамках одной модели BIM, для выбора наиболее выгодного.

Внедрение BIM для старого здания имеет свои проблемы и возможности по сравнению с новым строительством, которое изначально было спроектировано с использованием современных технологий. Например, в этом случае документация не доступна в требуемом формате BIM.

Создание встроенной модели BIM в основном включает в себя три задачи [3]: моделирование геометрии строительных элементов, присвоение категории объекта и свойств материала элементам и установление связей между элементами. Задача геометрического моделирования состоит в том, чтобы получить представление строительных элементов путем подгонки трехмерных геометрических примитивов к данным облака точек. Геометрические примитивы должны быть простыми объемными телами, например, простая стена может быть смоделирована как прямоугольная коробка. Более сложные структуры не требуются в настоящем исследовании, но они могут моделироваться непараметрически, например используя треугольные сетки. Поскольку BIM обычно определяются как сплошные тела, поверхностные представления, если таковые имеются, необходимо преобразовать в сплошные модели соответствующих строительных элементов.

Для точной оценки энергоэффективности используют специальные приложения (IDA ICE, TRACE 700, IES VE, DesignBuilder, AECOsim, TRNSYS и др.). Использование таких приложений требует методического подхода к созданию модели BIM.

Менее точно (подробно) можно быстро проверить с помощью очень простых, удобных и дешевых решений, таких как Trimble SketchUp, в сочетании с модулями EnergyPlus и OpenStudio. SketchUp позволяет очень быстро создавать модели как с низкой, так и со средней точностью. Программа поддерживает различные форматы САПР, что позволяет импортировать двухмерные чертежи в качестве подложки при создании трехмерной геометрии. SketchUp поддерживает кроссплатформенную коллекцию программных инструментов OpenStudio, которые поддерживают весь процесс моделирования энергоэффективности здания с использованием EnergyPlus и расширенный анализ дневного света с использованием Radiance.

В ходе экспериментального исследования было выбрано двухэтажное здание площадью около 300 квадратных метров. Это был жилой дом с четырьмя квартирами, который был спроектирован и построен в начале 1960-х годов. Здание расположено на пригородной территории небольшого города, и не было никаких опасений относительно того, как устранить «шум» пешеходов из данных сканирования. Участок застройки представляет собой единый прямоугольник с довольно простыми фасадами без мелких деталей. Поэтому количество мест расположения сканирующих станций в основном определялось только количеством соседних зеленых насаждений и мешающих объектов, таких как кабели. Лазерное сканирование здания выполнялось с девяти позиций (рис. 1) с помощью сканера FARO FOCUS 3D 120. Сканирование проводилось во время посещения объекта в хорошо освещенный день без осадков.

Рисунок 1. Положения сканера

Всего было использовано 18 регистрационных знаков или сферических эталонных объектов. Средние расстояния между точками сканирования на стенах составляли 5 мм. Время сканирования в каждой позиции сканера заняло около 7 минут. Фактическое время, потраченное на месте для настройки оборудования, калибровки и сбора данных с момента прибытия до отъезда в этом исследовании, составило около 6 часов. Информация о географической привязке (ориентация, местоположение и высота) участка вместе с характеристикой окрестности (тип почвы, деревья, близлежащие здания и т.д.), необходимая для дальнейшего анализа энергоэффективности, была задокументирована в тот же день посещения. Все процедуры были выполнены двумя лицами.

Наборы данных с примерно 400 миллионами точек со всех позиций сканирования были загружены со сканера. Предварительно обработанные данные сканирования в виде облаков точек были расположены и ориентированы в своих собственных системах координат. Слияние или соединение всех облаков точек в единой системе координат было выполнено программным обеспечением Faro Scene.

Не все точки сканирования в наборе данных могут быть использованы из-за существующего шума. Шумовые точки должны быть отфильтрованы или очищены от необработанных данных. Для очистки данных и удаления дубликатов использовались программы Faro Scene и Leica Cyclone. Все эти корректировки на этапе постобработки привели к точности 3 мм относительно станции. Потребовалось еще 4 часа, чтобы выполнить следующие процедуры:

• проверка сходимости позиций сканирования;

• проверка соответствия эталонных размеров, например, окна, двери различными методами обследования (тахеометр, рулетка или лазерный измеритель расстояния). В настоящем исследовании проверенные размеры находятся между 5-10 мм.

Поскольку для сканеров используются различные форматы необработанных данных, иногда необходимо преобразовать данные сканирования в другой формат, в зависимости от того, какое программное обеспечение для моделирования используется для последующей обработки. В этом исследовании * .pts и * .e57 форматы данных сканирования были использованы.

Необработанные данные, полученные с помощью лазерного сканирования, называются облаком точек, которое представляет собой набор вершин в трехмерной системе координат. Эти вершины в цифровой форме представляют координаты xyz точек внешней поверхности здания. Для большинства сканеров необработанные данные сканирования объединяются как по точкам, так и по интенсивности, поэтому можно получить соответствующее изображение интенсивности как в 2D, так и в 3D, что полезно для более подробной документации и идентификации объектов. Данные хранятся в форматах * .pts или * .e57, и примеры этого представления показаны на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Детали элементов здания в режиме визуализации облака точек в формате * .pts

Рисунок 3. Поверхностная модель двухэтажного жилого дома, визуализированного с помощью программного обеспечения Leica Cyclone

Для визуализации облаков точек и совместной работы всех заинтересованных сторон был использован бесплатный онлайн-инструмент просмотра и разметки Faro WebShare. Данные были переданы в облако, чтобы сделать их доступными для проверки с помощью обычного браузера.

Поверхностное моделирование здания включало следующие этапы:

• создание сетки,

• создание поверхности (поверхность B-сплайна),

• создание SmartSurface.

Самый популярный метод генерации поверхности - это триангуляция. Триангулированная сетка поверхности довольно сложна и проблематична для дальнейшего использования в большинстве популярных форматов САПР. Размер модели сетки для поверхностей всех стен превышал 100 МБ. Было решено использовать дополнительное программное обеспечение и преобразовать модель поверхности сетки в модель патча (Geomagic Studio) или модель SmartSurface (Bentley). Программное обеспечение использует другие алгоритмы интерполяции поверхности, и после преобразования полученные модели поверхностей становятся намного проще и меньше, и легче анализировать отклонения от точной геометрии.

Строительными элементами в модели BIM, которые представляют интерес в настоящем исследовании, являются те, которые обмениваются энергией с окружающей средой, а именно: стены, плиты, фундамент, крыши, окна, двери и почва. Ни один из результатов, доступных в рабочем процессе трехмерного сканирования, описанном выше, не предоставляет модель в BIM-совместимом формате, который требуется для дальнейшего анализа теплозащитных свойств ограждающих конструкций здания.

В данном исследовании применялся ручной подход к созданию модели BIM. Он оказался наиболее эффективным и быстрым по сравнению с автоматическим. Автоматический процесс создания модели BIM для старых зданий создает много ошибок, например, оконные проемы не являются ни прямоугольными, ни ортогональными к вертикальному и горизонтальному направлениям (рис.4).

Рисунок 4. Разница высот между левым и самым правым окном на северном фасаде

Другим фактором, препятствующим автоматическому распознаванию, является то, что на практике внешние стены очень часто не являются ни плоскими, ни строго вертикальными.

Поскольку программное обеспечение BIM предоставляет простой и интуитивно понятный интерфейс для визуального представления геометрической модели и манипулирования элементами, оно очень удобно для определения физических параметров элементов, рассматриваемых в ходе анализа.

4. Выводы

Процесс лазерного сканирования является самым быстрым методом сбора 3D-данных для существующих зданий. Выбор типа сканера и настроек сканирования зависит от архитектуры или геометрической сложности элементов здания. Точность точек в облаке и среднее расстояние между точками в обработанном облаке находятся в пределах 3 мм. Точность модели поверхности, автоматически генерируемой из облака точек по стандартным алгоритмам, находится в пределах 5-10 мм. Точность построенной вручную модели здания BIM в значительной степени зависит от точности облака точек, а также опыта и навыков разработчика моделей. Проверенный пример строительства очень прост, поэтому в случае реалистичных и более сложных зданий могут потребоваться более точные данные сканирования. Созданная модель BIM для предварительного анализа теплозащитных характеристик ограждающих конструкций здания может быть использована при проектировании готовых деревянных панелей. Дизайнеры деревянных панелей используют очень специфическое программное обеспечение и предпочитают обычные чертежи AutoCAD, а не 3D-модели в любой форме. 3D модели могут служить только дополнительной информацией для проекта. Набор чертежей вида сверху и чертежей всех фасадов вместе с характерными сечениями в формате * .dwg будет содержать необходимую информацию о геометрии для проектирования панели.

Список литературы:

1. Bohler W., Heinz G., Marbs F. The Potential of Non-Contact Close Range Laser Scanners for Cultural Heritage Recording // Proc. of XVIII Int. Symp. of CIPA 2001. Surveying and Documentation of Historic Buildings – Monuments – Sites. Traditional and Modern Methods. Potsdam, Germany, September 18-21. P. 430-436.
2. Remondino F., Campana S. 3D Recording and Modelling in Archaeology and Cultural Heritage: Theory and Best Practices // Archaeopress: Oxford. 2014. 171p.
3. Tang P., Huber D., Akinci B., Lipman R., Lytle A. Automatic reconstruction of as-built building information models from laser-scanned point clouds: A review of related techniques. Automation in Construction, 2010, 19: 829-843.