Pomiar pionowości budynków i budowli – jak kontrolować wychylenia ścian, słupów i szachtów

*****
W artykule opisano sposoby kontroli pionowości budynków i budowli. Przedstawiono metody pomiarów oraz interpretacji wyników.

Measuring the verticality of buildings and structures. How to control the inclination of walls, columns and shafts?

The article describes the methods of controlling the verticality of buildings and structures. Methods of measurement and interpretation of results are presented.
*****

W jednej z nowych inwestycji szyb windowy na połowie kondygnacji wieżowca zlokalizowano w jednym miejscu, a na pozostałych kondygnacjach o kilkadziesiąt centymetrów obok. Ani architekt, ani inwestor nie mieli w planach zastosowania windy z przesiadką. Ponadto pionowość ścian tego szybu również nie była zgodna z projektem. Lokalizowanie dźwigu w takim szybie nie ma racji bytu. Poprawa wad budowlanych w tym przypadku kosztowała inwestora blisko pół miliona złotych. Inny z inwestorów zlecił pomiar portfela budynków wyłącznie skanerem. Okazało się, że miary były przekłamane nawet do 30%.

Kontrola pionowości budynków i budowli

Pomiar pionowości, osiadania, analiz spękań jest wpisany w proces budowy przede wszystkim bardzo wysokich budynków. Pomiary takie możemy podzielić na trzy etapy:

• w trakcie realizacji obiektu,
• po zakończeniu budowy,
• eksploatacji obiektu.

Pierwszy wykonuje się w ramach kontroli inwestycji i sprawdzenia, czy zachowane są parametry projektowe. Jest to kontrolny pomiar geodezyjny, który ma na celu uzyskanie informacji o geometrii i osiowości obiektu. W przypadku obiektów kubaturowych sprawdzeniu najczęściej podlegają ściany oraz słupy, a w przypadku np. mostów czy wiaduktów – filary oraz przyczółki.

Drugi etap jest po wybudowaniu obiektu, kiedy dokonujemy kontroli pionowości, jako pomiaru wyjściowego dla dalszych badań, których będziemy dokonywać w trakcie użytkowania obiektu, lub sprawdzamy obiekt przed jego dalszą eksploatacją, np. szacht windowy, którego geometrię kontrolujemy w celu umieszczenia elementów dźwigu. Jeden z inwestorów po wybudowaniu biurowca nie mógł umieścić dźwigu windowego w szybie, bo otwory w poszczególnych kondygnacjach nie trafiały w siebie. Koszty i czas przewidziane na kucie stropów i ścian oraz ponowna ich budowa są nieporównywalne do kosztów i czasu kontroli tych prac na etapie ich budowy. Dlatego obiektami poddawanymi kontroli są między innymi szyby windowe.

Pomiaru pionowości szybu windowego dokonuje się najczęściej w ostatnim etapie budowy w celu sprawdzenia możliwości umiejscowienia elementów dźwigu w zrealizowanym szybie. Często przyjmuje się, że dopuszczalna odchyłka od linii pionu wynosi 2 cm. Przekroczenie tej wartości niestety przeważnie skutkuje kuciem ścian żelbetowych. Odpowiednio dokonany i zilustrowany pomiar pokazujący geometrię szybu na określonych wysokościach, obrazujący płaskość ścian względem teoretycznego modelu pozwala dosyć dokładnie wskazać miejsca odchyłek, co oznacza skrócenie czasu kucia ścian i oszczędności finansowe.

Pomiar pionowości szybów windowych jest czynnością stałą dla budynków posiadających dźwigi. Szczególnie istotne jest to w świetle regulacji prawnych i resursu dźwigów.

Trzeci etap pojawi się, gdy dochodzi do kontroli pionowości eksploatowanych obiektów wysmukłych na skutek starzenia się materiałów konstrukcyjnych z biegiem czasu, gdy dochodzi do zmniejszenia naprężenia w ciałach fizycznych, działania szkodliwych związków chemicznych na konstrukcję lub oddziaływania czynników atmosferycznych. Zaliczamy do nich parcie wiatru czy nierównomierne nasłonecznienie, odkształcenia się podłoża, ciężaru własnego budowli, występowania drgań spowodowanych urządzeniami zainstalowanymi na obiekcie, drganiami zewnętrznymi, np. generowanymi przez ruch pociągów, maszyn zewnętrznych oraz ruchami własnymi Ziemi. W Warszawie to właśnie drgania spowodowane przez rozrastające się linie metra mają coraz większy wpływ na konstrukcje budynków.

W trakcie budowy warszawskiego metra wykonywaliśmy monitoring obiektów, badając przemieszczenia pionowe i poziome. Na okolicznych budynkach mieszkalnych pojawiały się spękania i odchylenia, które zagrażały bezpieczeństwu osób i mienia. Taki pomiar często jest wymogiem okresowych badań budynków, przy których budowane są np. tunele, wiadukty, mosty, ściany oporowe czy inne budowle, gdzie jest duże natężenie ruchu ulicznego, a bezpieczeństwo odgrywa znaczącą rolę.

Pomiary dotyczą zarówno tych budowli, jak i zlokalizowanych w ich sąsiedztwie budynków. Badanie pionowości wykonuje się jednorazowo, np. do celów rozbudowy, przebudowy obiektu w celu kontroli pionowości ściany, do której „doklejany” będzie inny budynek lub będzie dostawiana winda. Robi się to w ustalonych okresach czasowych, aby porównać wpływ budowy na kontrolowany obiekt (np. prowadzenia głębokich wykopów, prac odwodnieniowych, obciążenia gruntu ciężarem własnym budynku).

W wyniku przeprowadzanych pomiarów w różnych interwałach czasowych, można dostrzec ewentualne różnice odchyleń w odniesieniu do poprzednich sesji kontrolnych. Kontrola dotycząca pionowości ścian oraz analiza wyników z przeprowadzonych pomiarów wykazuje wartość i kierunek wychylenia ścian budynku, oraz pozwala określić zagrożenie dla konstrukcji budowli.

Pomiar pionowości masztów, wież i słupów

Inny rodzaj kontroli elementów wysmukłych obejmuje pomiar pionowości wysokich masztów oświetleniowych. Brak pionowości i działanie zewnętrznych czynników ma bezpośrednio przełożenie na skrócenie żywotności tych obiektów, których wysokość często wynosi od 20 m do nawet 35 m. Poza tym odchylenie osi geometrycznej słupa od jego osi teoretycznej ma również wpływ na nierównomierne oświetlenie, np. torów wyścigowych. To z kolei ma wpływ na koncentrację i zmęczenie oczu zawodników.

Bardzo ważna jest kontrola pionowości słupów budynków przemysłowych, szczególnie gdy budynki budowane są z prefabrykatów. Kontrole wykonuje się w trakcie budowy oraz po jej zakończeniu. Błędnie ustawione słupy spowodują problemy przy montażu już gotowych elementów konstrukcyjnych, które powstają w fabrykach, a nie na budowie, i mają określone parametry, zgodne z projektem. Wszelkie zmiany wpływające na pionowość tych elementów będą decydować o solidności konstrukcji takiego budynku przemysłowego.

W grupie obiektów wysmukłych elementami poddawanymi kontroli są też słupy linii energetycznych, wieże stalowe, maszty antenowe, maszty farm wiatracznych, nadajniki, wieże i inne konstrukcje stalowe czy betonowe. Czasami są to pojedyncze inwestycje, a czasami stanowią one uzupełnienie kompleksów budynków. Wykonuje się również pomiar pionowości wież o budowie szkieletowej. Polega to na kontroli stanu technicznego, wychylenia osi pionu, geometrii całej konstrukcji i co też jest bardzo ważne, na weryfikacji skręcania wieży wokół własnej osi. W przypadku takich konstrukcji, oprócz pomiarów pionowych wykonuje się również pomiary poziome na stałych płaszczyznach konstrukcji wieży.

Metody i dokładność pomiaru pionowości

W zależności od charakteru obiektu pomiar wykonuje się różnymi metodami. Pierwszą z nich jest rzutowanie krawędzi badanego obiektu na łatę poziomą ustawioną przy kominie lub maszcie.

Drugą metodą mogą być pomiary wykorzystujące ustawienie dwóch teodolitów na prostych prostopadłych do siebie, gdzie badany obiekt znajduje się w miejscu przecięcia linii.

Trzecim sposobem jest wykorzystanie pionownika optycznego wraz z przymiarem składanym. Dobrą dokładność dają też tachimetry bezlustrowe umożliwiające założenie bazy pomiarowej na dole badanego obiektu, następnie względem której określa się wychylenie badanej płaszczyzny.

Obecnie, wraz z rozwojem technik pomiarowych, do pomiaru pionowości i płaskości ścian można wykorzystać przede wszystkim skaning laserowy 3D. Nałożenie na model np. szachtu lub zbiornika pomierzonej chmury punktów pozwala dosyć dokładnie wskazać miejsca deformacji, wykorzystując do tego mapy hipsometryczne.

Na dokładność wyników pomiarowych ma wpływ kilka czynników. Należy do nich zaliczyć dobór instrumentu oraz metody pomiarowej. W przypadku tachimetrów bezlustrowych ważny jest również kąt padania wiązki lasera na badany przedmiot.

Wraz ze wzrastającym kątem celowania istotne stają się także kolor i faktura mierzonej powierzchni. Znaczenie ma także ustalenie okresu prowadzenia prac pomiarowych i w przypadku kontroli budowli w późniejszym czasie odpowiednie zabezpieczenie punktów pomiarowych przed zniszczeniem lub dokonanie czynności umożliwiających bardzo dokładne odtworzenie lokalizacji punktów pomiarowych.

Oprócz samego pomiaru, gdzie liczy się umiejętność osób pomiarowych oraz dokładność zastosowanych urządzeń i narzędzi towarzyszących pomiarowi, ważna jest właściwa prezentacja i interpretacja danych. Oczywiście rodzaj instrumentu oraz metodę pomiaru należy dobrać odpowiednio do wymaganych dokładności, parametrów mierzonego obiektu czy samego zamówienia. Sama kontrola pionowości może być tylko składową większego zlecenia, w którym oprócz kontroli wychylenia będzie potrzebne wyznaczenie skręcenia, osiowości czy wspomnianej płaskości obiektu.

Nie bez znaczenia jest cena i czas realizacji takich prac, co również wpływa na wybór metody pomiaru pionowości. Najczęściej na budynku przyjmuje się siatkę pomiarową lub linie pionowe pomiaru i markuje się punkty, które podlegają pomiarowi. Mogą to być charakterystyczne elementy elewacji budynku albo elementy, które ulegają zniszczeniu i zależy nam na ich obserwacji.

Te drugie jednak w przypadku zniszczenia można łatwo stracić. Dlatego warto markować punkty własne, np. poprzez tarcze celownicze. Jest to zasadne, gdy brakuje stałych, pewnych punktów na budynku. Duży wpływ na dokładność pomiaru ma ilość kontrolowanych punktów – im gęstsza siatka, tym dokładniejszy pomiar.

W zależności od metody, dany punkt może być mierzony z jednego lub kilku stanowisk. Z jednej strony wpływa to korzystnie na dokładność pomiaru, ale z drugiej strony wydłuża czas prac i przekłada się na cenę. W miejscach z utrudnionym dostępem można stosować konstrukcje tymczasowe, na które nanosi się zamarkowane punkty (do których odnosi się pomiar). Jednak na takie zabiegi wymagana jest zgoda właściciela budynku, a w przypadku wieloletnich i obszernych konstrukcji, gdzie ingerujemy w elewację, nawet zgoda odpowiedniego urzędu.

Miary przekłamane o 30%

Pomiar tachimetrem czy skanerem laserowym? Który daje większą dokładność? Owszem, tachimetr nie ma takich zdolności jak skaner, ale daje inne korzyści, których nie osiąga skaner.

Plusem skaningu jest szczegół odzwierciedlenia poszczególnych elementów i ilość punktów, które otrzymujemy w ramach pomiaru. Skanerowi nie dorówna w tym zakresie tachimetr. Jeśli model 3D został opracowany bezbłędnie i przy właściwych założeniach, to korzyści z opracowania po pomiarze skanerem można czerpać przez lata. Ja jednak jestem zwolennikiem metody hybrydowej wykorzystującej obie te technologie jednocześnie. Duże pomiary skanerem należy kontrolować poprzez założenie typowo geodezyjnej osnowy poziomej i pionowej przez odpowiednie pomieszczenia w budynku.

Jeżeli płaszczyzna skanów „siądzie” na rzędne z niwelacji, to wtedy mamy pewność, że wykonana chmura punktów na podstawie skanów, została wykonana prawidłowo. Wtedy możemy zacząć opracowywać model 3D. Osnowa pozioma i pionowa (pomiar kilku płaszczyzn na piętro) niweluje błędy programów, które potrafią lekko skręcić wybrany skan, lub go podnieść lub opuścić. Łączenie skanów z automatu, nawet przy bardzo gęstym pomiarze, jest fikcją.

Jedna z polskich firm zleciła wykonanie pomiaru portfela budynków metodą skaningową. Niektóre miary były przekłamane nawet o 30% w porównaniu do wybiórczego kontrolnego pomiaru tachimetrem. Dlaczego?

W tym przypadku powodem były nieudolne założenia pomiarowe. Każde piętro budynku pomierzone zostało jako osobny układ lokalny i było oderwane od geodezyjnej osnowy państwowej. Takie działanie jest wystarczające np. do celów zmian aranżacji lokalu najemcy, do spacerów 3D wynajmowanego lokalu, czy pomiaru statku morskiego. Kiedy zatem ma znaczenie nawiązanie się na pomiar w geodezyjnym układzie państwowym? Omówię na przykładzie.

Firma architektoniczna po oddanym komplecie dokumentów z opracowania w układzie lokalnym zwróciła się o przeformatowanie danych na układ państwowy. Sytuacja była podyktowana faktem, że właściciel budynku chciał zmienić układ ścian konstrukcyjnych. Potrzeba nastąpiła już po pomiarze i oddanej dokumentacji. Klient do PnB musiał wykazać dowiązanie budynku do granic działki. Oczywiście możliwe jest przejście z układu lokalnego na państwowy, ale jest to czasochłonne i kosztowne. Wymaga to ponownego nawiązania się na zewnętrzną osnowę lokalną z każdego piętra i dowiązanie się do osnowy państwowej. Niepotrzebny koszt da się wyeliminować przed przystąpieniem do prac, ale zamawiający musi wiedzieć, do jakich celów będzie wykorzystywane opracowanie.

Tu chcę wskazać na niemożliwą do zastąpienia przez skaner przewagę tachimetru (znacznie dłuższe i precyzyjne celowanie) i GPS-a. Firmy zajmujące się tylko skaningiem nie posiadają często tachimetrów ani GPS-ów i nie mają wiedzy na temat tych technik pomiarowych. Będą więc się upierać, że osnowa w układzie lokalnym będzie wystarczająca. I czasami faktycznie to wystarcza, ale nie zawsze. Ważne, żeby zamawiający był świadomy wyboru i ustalił jasno założenia pomiarowe, które od początku do końca muszą być jednolite dla całego budynku.

Niewiele osób mówi o wadach skaningu. Mam wrażenie, że próbuje się wyprzeć zastosowanie tachimetrów na rzecz skanerów. Czemu? Bo pomiar skanerem jest łatwiejszy, nie wymaga wiedzy z zakresu geodezji, bo opracowanie jest bardziej dochodowe, a praca na modelu 3D czy wirtualne spacery są modne. Skutków zleceń opartych wyłącznie na skaningu nie jest jednak często świadomy zamawiający. Pokazuje to, że super dokładny i drogi sprzęt mierzący detale z dokładnością ułamków milimetra, to nie wszystko. Najważniejsze jest logiczne myślenie osoby/ekipy pomiarowej w zakresie założeń pomiaru i ich późniejszego zastosowania. Pomiar skanerem zamykał poszczególne pomieszczenia i w sumie dał ten sam metraż powierzchni, co pomiar tachimetrem. Problem polegał na tym, że niektóre pomieszczenia były zniekształcone i „pływały”, bo pomiar nie był w osnowie! Autor pomiaru zaufał programowi, który z automatu połączył stanowiska. Nie było żadnej kontroli połączenia stanowisk.

Kolejnym, ważnym momentem skanowania jest połączenie stanowisk pomiarowych (scen) w chmurę punktów. Niestety, dostępne na rynku programy do łączenia scen pomiarowych są mocno niedoskonałe i przekłamują wartości. Potrafią skręcać czy podnosić o kilka centymetrów wybiórcze skany.

Pomiar skanerem zwykle wygląda tak, że wykonuje się pomiar w terenie na osnowę lokalną tak, aby piętra można było nałożyć jedno na drugie. Generowane są chmury punktów, które potem poddawane są obróbce i czyszczeniu z szumu pomiarowego. Wiele pojedynczych chmur punktów łączy się w jedną – przy użyciu stanowisk, które są odniesieniem orientacji pomiaru. Ale czy mamy pewność, że punkt, który przetwarzamy, jest we właściwym miejscu? I jak on się ma do współrzędnych najbardziej oddalonego narożnika piętra? Czy mamy pewność, że piętro budynku mieści się w obrysie budynku lub czy pokrywa się z obrysem piętra niżej?

Pomiar skanerem jest szybkim pomiarem i bardzo dokładnym, ale wyłącznie wtedy, gdy zostaną przyjęte prawidłowe założenia pomiaru. Hybryda łącząca pomiary skanerem z tachimetrem, GPS-em czy dronem pozyska najbardziej kompleksowe i wiarygodne dane przestrzenne 3D obiektu.

Czas pomiaru i opracowania

Do korzyści skaningu bezwzględnie należy zaliczyć szybki czas samego pomiaru (w porównaniu do tachimetru). Jednak zdecydowanie dłuższy jest czas opracowania w programach Revit, Scene2Go w porównaniu do klasycznych opracowań typu CAD z rzutami 2D poszczególnych elementów. Porównajmy czas realizacji pomiaru i opracowania obu technik.

W przypadku pomiaru skanerem można przyjąć proporcję 1:4 – jeden dzień pomiaru i cztery dni opracowania. Zależy to oczywiście od tego, ile szczegółów wymaga klient. W przypadku opracowywania rzutów poszczególnych elementów tachimetrem w płaszczyznach 2D – ta proporcja wynosi 1:1,5.

Czas opracowania przy skaningu wydłuża etapowanie pomiaru. Jest to bolączka wszystkich pomiarów w biurowcach czy galeriach handlowych, gdzie jest dużo najemców. Często do wybranych pomieszczeń nie można wejść w danym momencie, tylko po kilku dniach czy nawet tygodniach (szczególnie w okresie pandemii).

Każdorazowe dodawanie do modelu nowej chmury punktów pojedynczego pomieszczenia powoduje konieczność przetwarzania całości chmury i modelu. W jednym z kompleksów budynków o łącznej powierzchni 25 tys. m² najemcy opóźniali wejście do ok. 100 pomieszczeń na kilku różnych piętrach biurowca. Zamawiający rozciągnął czas domiaru tych lokali w okresie dwóch miesięcy (liczne pojedyncze wyjazdy). Czas na przetwarzanie chmury punktów i opracowywanie modelu 3D dla kilku pięter wydłużył się dwukrotnie. Dodam, że rzetelnie wykonany model 3D przed modelowaniem, musi być poprzedzony kontrolą samej chmury punktów i dowiązań do założonej osnowy. Tylko wtedy opracowywany model 3D odzwierciedla rzeczywistość.

Ile wynosi czas uczciwego pomiaru? Przy technologii hybrydowej (skaner i tachimetr) dziennie, jednym dwuosobowym zespołem przez 8 godz., można pomierzyć i jednocześnie nanieść współrzędne danego pomieszczenia, kondygnacji i budynku do programu komputerowego ok. 1000 m² biurowca i ok. 1500 m² powierzchni galerii handlowej. Jest to średnia stwierdzona na podstawie pomierzonych ok. 6,5 mln m² powierzchni. Przegraliśmy kiedyś przetarg, bo jedna firma z Krakowa zadeklarowała pomiar 20 tys. m² przez jedną ekipę w ciągu dwóch dni. Jest to całkowitą bzdurą – nie jest to pomiar, tylko „złapanie” kilku miar, uśrednienie ich i wpasowanie na projekt.

Tego typu działanie nie ma nic wspólnego z rzeczywistym pomiarem w terenie każdego pomieszczenia, elementu konstrukcji itp. Jednak i taka praktyka na rynku się zdarza. Dlatego zamawiający, zbierając oferty, powinien jasno zaznaczyć, czy chce rzeczywisty pomiar każdego z pięter biurowca, czy chce pomiar jednego i kopię na resztę kondygnacji. Takie zlecenia się zdarzają w nowych biurowcach o powtarzalnych piętrach i nie ma w tym nic złego, jeśli jest to inicjatywa zamawiającego.

Interpretacja wyników pomiaru

Podczas wykonywania opracowania kameralnego oblicza się wysokości względne każdego pomierzonego punktu oraz wartość odchyłek pomierzonych punktów względem najniżej pomierzonego punktu na danej linii.

Bardzo istotny jest sposób obliczania odchyłek, co robi się na kilka sposobów. Najłatwiejszym sposobem jest odnoszenie pomiaru do wybranych punktów bazowych u dołu mierzonego obiektu. Odchyłki odnoszą się wtedy do płaszczyzny pionowej i można je wskazać bezpośrednio w trakcie pomiaru. Każda z linii pomiarowych jest zaznaczana na szkicu dołączanym do dokumentacji.

Bardziej szczegółowe kontrole mają miejsce w przypadku badania pionowości obiektów wysmukłych, gdzie – jak pisałem – znaczenie ma również skręcanie obiektów wokół własnej osi. Obliczone odchyłki z pomiaru pionowości nanosi się na wykresy, rzuty i przekroje. Opracowanie wykonuje się w programach typu CAD, Winkalk, Microsoft Excel, a w przypadku skaningu laserowego również przy użyciu ­Revit.

Jaka powinna być forma opracowania?

Standardowo w ramach opracowania przekazujemy rysunki, szkice, wykresy i obliczenia odchyłek mierzonych punktów. Dołączane jest również sprawozdanie, które oprócz spostrzeżeń z pomiaru zawiera opis przyjętej technologii pomiaru, zastosowane instrumenty pomiarowe i ich dokładności, warunki atmosferyczne w trakcie pomiaru i inne istotne informacje. Rysunki zapisujemy w formacie.dwg (programy typu CAD). Nadmienię, że nie trzeba posiadać programu, żeby odczytać pliki. Dostępne są darmowe programy do przeglądania, wymiarowania i druku rysunków opracowanych w programach typu CAD.

W przypadku skaningu oddawane są dodatkowo zamodelowane (po obróbce chmury punktów) całe budynki, obiekty. Z modeli rzecz jasna można generować dowolne przekroje, widoki itp.

Zaskoczeniem dla osób, które pierwszy raz zlecają opracowania z pomiaru skanerem, jest pojemność plików. Pomiar skanerem elewacji jednego z wydziałów warszawskiej uczelni wygenerował przekazane pliki (chmury punktów) o pojemności 100 GB.

Kolejny przykład dotyczy kompleksu biurowego: trzy budynki 5–6-kondygnacyjne i jedna wieża z ponad dwudziestoma kondygnacjami. Modele 3D z pomiaru skanerem, tachimetrem i dronem i wszelkie przekroje, detale i rzuty 2D to pojemność 1 TB danych. Wchodząc w kolejne technologie, chcemy, żeby ułatwiały nam pracę, a nierzadko wymagają kolejnych technologii do ich obsługi. Cyfrowe zanieczyszczenie staje się poważnym problemem w emisji CO₂, a obsługa chmur punktów i modeli BIM przyłoży do tego znacząco rękę.