Skanowanie 3D w kontroli inwestycji budowlanych

Inspekcja stacjonarna i mobilna

Proces powstawania budynku składa się z wielu etapów – od opracowania ogólnej koncepcji po prace wykończeniowe i montażowe. Praktycznie na każdym z tych etapów potrzebna jest kontrola. Dzięki niej można wykryć nieprawidłowości, których usunięcie później mogłoby okazać się bardzo kosztowne lub wręcz niemożliwe.

Skaner Faro Focus S oraz oprogramowanie Faro BuildIt Construction

Firma ClearEdge3D szacuje, że od 5 do 12% budżetu budowy poświęcane jest na naprawianie błędów, takich jak niedokładny montaż konstrukcji lub postawienie ścian czy filarów w złym miejscu. Najczęściej do wykrywania tego typu nieprawid­łowości wykorzys­tywane są metody pomiaru punktowego (np. za pomocą ręcznego dalmierza laserowego czy tachimetru). A co ze skanowaniem 3D, gdzie mierzone są nie pojedyncze punkty, lecz całe obszary? Jak je odpowiednio wykorzystać?

Kolorowa mapa odchyłek pomiędzy skanem a modelem CAD (oprogramowanie Faro BuildIt Construction)

Kryteria selekcji

Wybór rozwiązania do inspekcji i kontroli uzależniony jest m.in. od następujących czynników:

• wielkości sprawdzanych obiektów, elementów (np. czy jest to sprawdzenie ugięcia pojedynczej belki czy całej konstrukcji stalowej pod kątem poprawnej lokalizacji oraz zamontowania poszczególnych kształtowników);
• wymaganych dokładności,
• czasochłonności pozyskania danych (w wielu przypadkach czas na wprowadzenie poprawek jest ograniczony np. przez okres schnięcia betonu);
• częstotliwości kontroli (w zależności od obiektu konieczne mogą okazać się pomiary co godzinę lub nawet w tygodniowych odstępach).

Skanery stacjonarne charakteryzują się dużą dokładnością i rozdzielczością wyrażaną w milimetrach, lecz czas pomiaru oraz późniejszej obróbki pozyskanych danych ogranicza ich zastosowanie do kontroli pojedynczych obiektów lub ich elementów. Z kolei skanery mobilne potrafią zeskanować znacznie większy obszar w tym samym czasie co instrumenty stacjonarne, lecz z centymetrową dokładnością.

Pod uwagę należy też wziąć oprogramowanie używane do przeprowadzanej kontroli. Rzadko kiedy aplikacja, która służy do przetwarzania wyników skanowania, może też być wykorzystana np. do sprawdzania odchyłek względem modelu CAD. Obecnie rozwiązania bazujące na skanowaniu 3D skupiają się już nie tylko na urządzeniu, czyli na skanerze. Coraz częściej jest to zestaw: skaner oraz oprogramowanie. W niniejszym artykule przedstawiam tego typu propozycje znajdujące się w ofercie TPI.

Faro Focus + Faro BuildIt Construction

Pierwsze rozwiązanie wykorzystuje skaner stacjonarny Faro Focus oraz oprogramowanie Faro BuildIt Construction. Urządzenia z serii Focus obecne są na rynku już od wielu lat i zyskały licznych zwolenników. Do ich zalet należą: kompaktowe rozmiary, mała waga, uniwersalność zastosowań, otwartość na zewnętrzne oprogramowania oraz intuicyjny i prosty interfejs. Od pewnego czasu mogą współpracować bezpośrednio z programem BuildIt Construction. Jest to system wywodzący się z rozwiązań do metrologicznej kontroli jakości w branży przemysłowej. Takie operacje, jak import rozbudowanych modeli CAD/BIM, dopasowanie skanu do układu współrzędnych modelu, analizy w postaci trójwymiarowych map odchyłek, przekrojów oraz tworzenie jas­nych i przejrzystych raportów, zostały dostosowane do specyfiki pracy z większymi obiektami – budynkami czy skomplikowanymi konstrukcjami.

Dzięki połączeniu wi-fi możliwe jest wyzwalanie skanu z poziomu komputera i pobieranie jego wyników bezpośrednio do programu. Pozwala to na natychmiastową pracę bez konieczności transferu danych przez nośniki SD lub USB oraz przetwarzania wyników w oprogramowaniu do wstępnej obróbki i łączenia skanów (np. Faro Scene, ReCap Pro).

Po złożeniu w całość chmury z kilku stanowisk konieczne jest dopasowanie pomiaru do modelu CAD/BIM. Jest to możliwe na dwa sposoby. Pierwszy realizuje się za pomocą punktów referencyjnych (punkty charakterystyczne obiektu lub znaczniki, takie jak kule lub szachownice) wskazywanych na modelu, a następnie na skanie. Drugi sposób to metoda Best-Fit, w której algorytm stara się wpasować pomiar w model CAD z jak najmniejszym błędem. Następnie możliwa jest analiza zgodności z modelem CAD/BIM pojedynczych elementów lub całych konstrukcji. Oprócz tego sprawdzimy pionowość ścian, płaskość posadzek oraz porównamy skan ze skanem. Ta ostatnia funkcja jest bardzo pomocna w wykrywaniu i badaniu deformacji postępujących w czasie.

Całość można podsumować raportem w formacie PDF, który zwiera zarówno ogólne, jak i szczegółowe analizy.

Skaner Topcon GTL-1000

Topcon GTL-1000 + Clearedge3D Verity/Rhitm

Kolejne rozwiązanie pochodzi z firmy Topcon. Urządzeniem pomiarowym jest tachimetr Topcon GT z nasadką skanującą. Dzięki połączeniu dwóch metod pomiaru w jednym urządzeniu (skanowanie i tachimetria) możliwe jest umieszczenie skanu 3D w docelowym układzie współrzędnych za pomocą pomiarów geodezyjnych.

Po rozstawieniu skanera należy go nawiązać, wykonując np. wcięcie. Następnie przeprowadza się pomiar całego otoczenia wokół lub wybranych obszarów. Późniejsza praca obejmuje usunięcie niepotrzebnych obszarów i eksport skanów do programów ClearEdge3D Verity lub Clear­Edge3D Rhitm (nakładki na oprogramowanie Autodesk Navisworks). Pozwala to na wczytanie rozbudowanych modeli CAD/BIM również spoza środowiska Autodesk.

Porównanie pozycji belki w rzeczywistości (niebieska bryła) w stosunku do modelu CAD (fioletowa bryła) wraz z informacją o przesunięciu na każdej z osi (oprogramowanie ClearEdge3D Verity)

Verity służy do sprawdzania zgodności skanu rzeczywistego obiektu z modelem CAD/BIM oraz wskazuje, które elementy umieszczone są zgodnie z założoną tolerancją, które ją przekraczają, a które w ogóle nie zostały zamontowane. Wyniki są przedstawiane w formie tabeli oraz zdjęć ukazujących dany zeskanowany element w porównaniu z jego modelem CAD. Druga aplikacja, czyli Rhitm, pozwala na sprawdzanie płaskości posadzek oraz pionowości ścian. Wynik jest przedstawiany jako kolorowa mapa odchyłek ze wskazaniem miejsc znajdujących się poza tolerancją.

GeoSLAM + Clearedge3D Verity

Następne rozwiązanie wykorzystuje skanery mobilne GeoSLAM. W przeciwieństwie do omawianych wcześ­niej skanerów stacjonarnych w tym urządzeniu pomiar odbywa się w ruchu. Umożliwia to szybkie zeskanowanie dużych obszarów z dokładnością do pojedynczych centymetrów. Do skanowania wewnątrz obiektów na dystansie do 30 metrów najlepiej użyć skanera GeoSLAM ZEB-Revo RT z ciąg­łym podglądem na zeskanowany obszar poprzez tablet lub smartfon. Chmura punktów jest generowana na bieżąco, a więc wynik jest dostępny zaraz po zakończeniu skanowania.

GeoSLAM ZEB-Revo RT

W przypadku większych odległości lepszym rozwiązaniem będzie GeoSLAM ZEB-Horizon, którego zasięg wynosi 100 metrów. Ponadto skaner można podłączyć do drona i zeskanować z powietrza obszary niedostępne z ziemi.

Kolejnym krokiem jest dopasowanie skanu do układu współrzędnych modelu poprzez wskazanie minimum trzech punktów referencyjnych na obu obiektach. Następnie z wykorzystaniem omawianego już oprogramowania ClearEdge3D Verity sprawdzimy, czy wszystkie obiekty konstrukcyjne są zamontowane z odpowiednią tolerancją.

Sprawdzenie położenia i pionowości słupa na obiekcie w porównaniu z dokumentacją CAD (oprogramowanie ClearEdge3D Verity)

Co wybrać?

Panuje przekonanie, że praca ze skanami 3D jest bardzo czasochłonna. Wszystkie omawiane metody pokazują, że czas ten da się znacząco skrócić. Rozwiązanie Faro umożliwia skanowanie, obróbkę oraz analizę danych w jednym oprogramowaniu, dzięki czemu z poziomu laptopa cały proces – od pomiaru po raportu – można przeprowadzić od razu na miejscu. Rozwiązanie Topcona z kolei pozwala zaoszczędzić czas poprzez wykorzystanie pomiarów tachimetrycznych do osadzenia skanów w układzie modelu, a więc nie trzeba później w oprogramowaniu łączyć skanów z sobą ani wpasowywać w układ współrzędnych. Z kolei skanery mobilne GeoSLAM przyspieszają pomiar, pozwalając w czasie kilku, kilkunastu minut zeskanować całą kondygnację albo mały budynek.

Podsumowując, do kontroli skupionej na pojedynczych obiektach lub elementach i wymaganych dokładnoś­ciach wyrażanych w milimetrach lepsze będą rozwiązania bazujące na skanerach stacjonarnych. Z kolei w przypadku kontroli całych budynków, dużych instalacji, podczas których mają być znalezione poważne błędy, jak np. brakująca belka w konstrukcji lub centymetrowe przesunięcia obiektów, lepiej spiszą się rozwiązania bazujące na skanerach mobilnych.

Jeśli ktoś z Czytelników chciałby przetestować rozwiązania zaprezentowane w niniejszym artykule, zachęcam do kontaktu z biurami TPI.

Karol Derejczyk
TPI

Artykuł ukazał się w bezpłatnym niezbędniku SKANOWANIE LASEROWE 2019