Строительный мониторинг исторических зданий
За последние десятилетия облик Санкт-Петербурга значительно изменился. Город развивается, появляются новые жилые кварталы, торговые и офисные здания. Возникло такое явление, как уплотнительная застройка. Однако Петербург — это прежде всего уникальный памятник всемирного значения. Уберечь историческое наследие — сложная задача, требующая комплексного подхода.
Сегодня многие памятники старины безвозвратно утрачены, часть находится в аварийном состоянии. Существенное негативное влияние на состояние зданий оказывают такие свойственные нашему времени явления, как шум и вибрация от проезжающего транспорта, масштабное строительство в близлежащих районах, а также неблагоприятные воздействия природного характера, например, погодные аномалии и деградация грунтов вследствие техногенных воздействий мегаполиса. Все это сказывается на геометрии здания, приводит к возникновению трещин в зонах концентрации нагрузок и к ускоренному старению строительных материалов. Чтобы избежать разрушения и огромных затрат в будущем, требуется систематически проводить предупредительные ремонтные мероприятия и осуществлять иные поддерживающие меры на основе непрерывного получения достоверной информации о техническом состоянии исторических зданий и сооружений.
В дополнение к расчетным методам оценки прочности и устойчивости строительных конструкций в настоящее время все большее применение находят методы строительного мониторинга, который позволяет в режиме реального времени отслеживать текущее состояние любых строительных конструкций, их элементов и узлов. Необходимость проведения строительного мониторинга у большинства экспертов не вызывает сомнений, однако выбор методов его реализации зачастую бывает непростым.
Так сотрудники Русского музея в настоящее время весьма обеспокоены состоянием знаменитого исторического памятника — Летнего дворца Петра I в Летнем саду, построенного по проекту архитектора Доменико Трезини в 1714 г. Дворец не подвергался существенной реконструкции и до сих пор хранит в себе атмосферу семейной жизни царя. Здание, безусловно, должно сохраняться в первозданном виде и надлежащем техническом состоянии. Так, на фасаде дворца были замечены трещины, одна из которых проходит непосредственно по уникальному барельефу А. Шлютера, и было принято решение о проведении комплекса мероприятий по определению и оценке фактических значений и параметров, характеризующих эксплуатационное состояние объекта. В Русском музее уже несколько лет работает беспроводная сеть климатического мониторинга. Следующим и более сложным шагом должна стать аналогичная сеть строительного мониторинга.
Выполнение работ по реализации и внедрению проекта поручено коллективу специалистов, специализирующихся на разработке программного обеспечения и имеющих большой опыт в сфере интеграции автоматизированных систем с промышленным оборудованием. Целью проекта является получение достоверной информации о фактическом состоянии несущих строительных конструкций дворца и выявление необходимости применения превентивных мер. Сегодня благодаря стремительному развитию современных технологий есть возможность перейти от разовых замеров и визуальных осмотров исторических памятников к внедрению полноценной системы мониторинга, включающей специально предназначенные для этого оборудование, датчики и необходимое программное обес-печение. Только по результатам мониторинга можно сделать обоснованные выводы о природе возникновения трещин и динамике их изменения во времени, а также оценить степень влияния на их раскрытие различных природно-климатических и техногенных факторов и воздействий.
Здесь необходимо учитывать, что специфика мониторинга исторических зданий накладывает существенные ограничения на применяемое оборудование. Например, установка оборудования должна осуществляться без нанесения технического ущерба интерьерам, но во многих случаях внутри помещений нет возможности проложить ни открытую, ни скрытую электропроводку. Помимо этого надо добиться минимальной необходимости присутствия людей на объекте измерений. Желательно, чтобы оборудование работало в автоматическом или дистанционно-управляемом режиме.
Важный этап при проектировании измерительно-вычислительного комплекса системы мониторинга — разработка схемы подключения оборудования и типа передачи данных. В общем случае комплекс оборудования для мониторинга зданий состоит из блоков сбора и обработки информации. Полученная на блоке сбора данных информация должна передаваться на блок хранения и анализа данных. Не всегда удобно располагать блок обработки непосредственно на объекте. В этом случае, чтобы избежать необходимости прокладывать обычную кабельную сеть, связь между серверами блоков можно организовать с помощью активно использующихся сегодня и получающих все большее распространение технологий беспроводной передачи данных по радиоканалу, например GPRS или Wi-Fi.
Технология пакетной передачи данных GPRS обеспечивает доступ к сети Интернет и обладает пропускной способностью до 170 кбит/сек. Данную услугу предлагают операторы сотовой связи. Технологией Wi-Fi называют один из форматов передачи цифровых данных по радиоканалам. Такие устройства предназначены для замены традиционных кабельных сетей. Они не уступают им по скорости, являются более надежными, просты в установке и экономичны, поскольку не требуют кабельных со-единений. Если говорить о недостатках, то надо сказать о характерной для сетей Wi-Fi проблеме незначительного понижения качества связи из-за неблагоприятных погодных условий. И все же, воспользовавшись данной технологией, несложно организовать локальную сеть для передачи информации с сервера сбора данных на сервер базы данных для дальнейшего просмотра и анализа в специально разработанной программе обработки результатов.
В основе строительного мониторинга представлены два вида наблюдений: первый — это измерение воздействия на исследуемые объекты окружающей среды, а второй — отслеживание поведения самого объекта. Очевидно, что зная величину воздействия и имея динамику изменения измеряемых характеристик, можно делать предположения о причинах возникновения изменений и степени опасности выявленных дефектов.
К оборудованию, предназначенному для измерения воздействий окружающей среды, в первую очередь относятся такие приборы, как температурно-влажностные датчики и акселерометры (для измерения кратковременных ударно-вибрационных воздействий). В качестве одного из методов наблюдения за изменениями характеристик обнаруженных трещин на объекте исследования оптимальным кажется использование датчиков, предназначенных для измерения расстояний. Они дают возможность отслеживать такие параметры, как ширина раскрытия трещины и изменение ширины раскрытия во времени. Датчики могут использовать различные принципы измерений: индуктивный, ультразвуковой, магнитный или оптический; все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта. Каждый из этих принципов имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для решения определенного спектра задач. Изменение геометрии строительных конструкций отслеживается с помощью современных инклинометров, точность и чувствительность которых вполне соответствует задачам, поставленным этим приборам.
Количество и разновидности датчиков определяются в каждом конкретном случае построения системы строительного мониторинга.
Блок сбора информации представляет собой локальную сеть, организованную по промышленному протоколу RS-485, обеспечивающему связь с входящими в сеть устройствами. Сеть состоит из следующих компонентов: сервера сбора данных, преобразователя интерфейса RS232/485, модулей сбора данных и управления для каждой зоны измерения, набора датчиков и устройства беспроводной связи с сервером базы данных. Последнее время основной тенденцией в автоматизации технологических процессов стало применение распределенных систем управления и сбора данных. Это позволяет, во-первых, значительно сократить затраты на кабельные коммуникации, идущие к датчикам, а во-вторых, легко заменять отказавшие элементы и дублировать критически важные узлы, значительно увеличивая этим надежность сети. В качестве универсальных инструментов для построения распределенных систем используются модули удаленного ввода-вывода серий I-7000. Запущенное на сервере сбора данных программное обеспечение по заданным правилам выдает управляющие команды в сеть. Эти команды принимаются модулями удаленного ввода-вывода, которые фиксируют показания датчиков и передают их обратно на сервер. Наличие индивидуального адреса у каждого модуля и разделение каналов ввода дают возможность задавать для каждой зоны измерения и для каждого датчика индивидуальный режим работы.
Информация с модулей сбора данных передается на сервер сбора данных, и в этом случае альтернативой кабельным соединениям может выступать радиомодем. На рынке представлен большой выбор оборудования данного типа. Так, присутствует модуль радиомодема SST-2450, оснащенный направленной антенной с интерфейсом RS-232/RS-485, сертифицированный на соответствие требованиям CE и FCC, способный обеспечить передачу накопленных данных без прокладки коммуникаций. Протокол ZigBee — еще одна достаточно новая и перспективная технология для построения сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Стандарт ZigBee регламентирует обмен данными на всех семи уровнях открытой модели взаимодействия систем OSI. При этом на двух нижних уровнях, на физическом и на МАС уровне, используется спецификация IEEE 802.15.4.
Особое внимание следует уделить способу организации электропитания датчиков. Обычно применяется стандартное питание от сети или децентрализованное питание от независимых внешних источников — аккумуляторов. Использование аккумуляторных батарей имеет ряд преимуществ, таких, как гарантия длительной бесперебойной работы, отсутствие необходимости проведения проводки, а также возможность использования в условиях достаточно агрессивных сред (повышенной влажности, перепада температуры).
Рассмотрев общие принципы создания измерительно-вычислительного комплекса для проведения мониторинга зданий, можно сказать, что сегодня не существует универсальных готовых решений. Каждая задача уникальна и требует отдельного рассмотрения. К тому же выявление изменения параметров здания не решает вопроса о том, насколько опасно такое изменение, окончательные выводы остаются за специалистами.
В ближайшее время будет установлена и введена в эксплуатацию система мониторинга Летнего дворца Петра 1 в Летнем саду. Целенаправленного и систематического наблюдения требуют многие исторические здания, а современные технологии помогут бережно осуществлять задуманное.
| Автор: А. А. Донов, Н. И. Шевченко Дата: 30.10.2007 Журнал Стройпрофиль 7-07 Рубрика: мониторинг зданий Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |