Bezdotykowe metody obserwacji i pomiarów obiektów budowlanych

Instrukcje, Wytyczne, Poradniki 443/2009 SYSTEM KOMPLEKSOWEGO ZARZĄDZANIA JAKOŚCIĄ W BUDOWNICTWIE Bezdotykowe metody obserwacji i pomiarów obiektów budowlanych Warszawa 2009

INSTYTUT TECHNIKI BUDOWLANEJ Instrukcje, Wytyczne, Poradniki nr 443/2009 SYSTEM KOMPLEKSOWEGO ZARZĄDZANIA JAKOŚCIĄ W BUDOWNICTWIE Bezdotykowe metody obserwacji i pomiarów obiektów budowlanych Warszawa 2009

PORADNIK Autorzy: dr hab. inż. PIOTR WITAKOWSKI, prof. AGH (rozdz. 1, 2 i 7) prof. dr hab. inż. ZDZISŁAW KURCZYŃSKI (rozdz. 3) mgr inż. JAROSŁAW WÓJTOWICZ (rozdz. 4) prof. dr hab. inż. MAŁGORZATA KUJAWIŃSKA, mgr inż. GRZEGORZ DYMNY (rozdz. 5) mgr inż. PIOTR GAWĘCKI (rozdz. 6) dr inż. MAREK WOŹNIAK (rozdz. 8) Redaktor naukowy: dr hab. inż. PIOTR WITAKOWSKI, prof. AGH Recenzenci: prof. dr hab. inż. JAN SZARLIŃSKI (rozdz. 1) dr hab. inż. ANDRZEJ WINNICKI, prof. PK (rozdz. 2) prof. dr hab. inż. JERZY BERNASIK (rozdz. 3) dr inż. MAREK WOŹNIAK (rozdz. 4) dr hab. inż. ANDRZEJ TRUTY, prof. PK (rozdz. 5) dr hab. inż. ALEKSANDER URBAŃSKI, prof. PK (rozdz. 6) prof. dr hab. inż. MAŁGORZATA KUJAWIŃSKA (rozdz. 7) prof. dr hab. inż. ZDZISŁAW KURCZYŃSKI (rozdz. 8) Skład komputerowy: PIOTR WITAKOWSKI Projekt okładki EWA KOSSAKOWSKA Copyright by Instytut Techniki Budowlanej Warszawa 2005 Publikacja z oryginałów dostarczonych przez redaktora naukowego ISBN 978 83-249-2000-6 INSTYTUT TECHNIKI BUDOWLANEJ DZIAŁ WYDAWNICZY 02-656 WARSZAWA, UL. KSAWERÓW 21, TEL. 843-35-19 Format B5 ark.wyd.8,65 ark. druk. 9,37 Złożono w marcu 2009 r.

Spis treści 1. WPROWADZENIE...7 1.1. OBIEKTY BUDOWLANE I STAWIANE IM WYMAGANIA...7 1.1.1. Zagadnienia prawne...7 1.1.2. Cykl życia obiektu budowlanego...9 1.2. SYSTEMY JAKOŚCI I TELEINFORMATYKA W BUDOWNICTWIE...10 1.2.1. Nowoczesność w budownictwie i lokomotywy postępu...10 1.2.2. Poziomy systemów jakości...11 1.2.3. Zinformatyzowane sfery budownictwa...12 1.3. TELEINFORMATYCZNY PRZEŁOM TECHNOLOGICZNY W BUDOWNICTWIE...14 1.4. AUTOMATYKA I ROBOTYKA W BUDOWNICTWIE...16 1.5. KOMPLEKSOWE ZARZĄDZANIE JAKOŚCIĄ W BUDOWNICTWIE...23 1.5.1. Uwarunkowania ogólne...23 1.5.2. Wyjątkowość budownictwa betonowego...24 1.5.3. Warunki zapewnienia jakości w budownictwie betonowym...27 1.6. SYSTEM ZARZĄDZANIA JAKOŚCIĄ W BUDOWNICTWIE BETONOWYM...28 1.7. MONITORING...29 1.7.1. Cel monitorowania...29 1.7.2. System zdalnego monitoringu RMS i jego segmenty...30 1.7.3. Zdalny Monitoring Wizualny Remote Video Monitoring...31 1.7.4. Zdalny monitoring w budownictwie...32 1.7.5. Faza realizacji zagrożenia...32 1.7.6. Faza eksploatacji zagrożenia...32 1.8. CENTRUM USŁUG ZARZĄDZANIA JAKOŚCIĄ W BUDOWNICTWIE...34 1.9. SYMPOZJA NA TEMAT KOMPLEKSOWEGO ZARZĄDZANIA JAKOŚCIĄ...38 1.10. ZAKOŃCZENIE...39 2. LASEROWO-WIZYJNA METODA POMIARU PRZEMIESZCZEŃ OBIEKTÓW BUDOWLANYCH...41 2.1. WPROWADZENIE...41 2.2. DOTYCHCZAS STOSOWANE METODY POMIARU...42 2.3. SYSTEM ZDALNEJ OBSERWACJI WIZUALNEJ...44 2.3.1. Segment obserwacji...45 2.3.2. Segment transmisji...49 2.3.3. Segmenty analizy i dystrybucji...51 3

2.4. SYSTEM ZDALNEGO POMIARU PRZEMIESZCZEŃ...51 2.4.1. Zasada pomiaru przemieszczeń w metodzie laserowo-wizyjnej...51 2.4.2. Segment obserwacji...54 2.5. TESTY NA PLACU BUDOWY...58 2.6. ZAKOŃCZENIE...60 3. INTERFEROMETRIA RADAROWA JAKO TECHNIKA DETEKCJI ZMIAN WYSOKOŚCI TERENU...61 3.1. OBRAZOWANIE RADAROWE...61 3.2. PODSTAWY INTERFEROMETRII RADAROWEJ. INTERFEROMETRIA LOTNICZA...62 3.3. PRODUKTY LOTNICZEJ INTERFEROMETRII RADAROWEJ...64 3.4. INTERFEROMETRIA SATELITARNA. RADAROWA MISJA TOPOGRAFICZNA PROMU KOSMICZNEGO SRTM...66 3.5. PERSPEKTYWY OBRAZOWANIA RADAROWEGO...68 3.6. KONCEPCJA TANDEM-X...68 3.7. RÓŻNICOWA INTERFEROMETRIA RADAROWA...70 3.8. PODSUMOWANIE...71 4. METODY TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ NA PLACU BUDOWY...73 4.1. WSTĘP...73 4.2. SIECI BEZPRZEWODOWE...73 4.2.1. Pozytywne i negatywne cechy sieci bezprzewodowych...74 4.2.2. Zasięg i przepływność...74 4.2.3. Topologia...75 4.2.4. Anteny...76 4.3. TECHNOLOGIE TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ...78 4.3.1. Transmisja optyczna...78 4.3.2. Transmisja przez podczerwień...78 4.3.3. Bluetooth...79 4.3.4. Telefonia komórkowa GSM (2G)...79 4.3.5. Telefonia komórkowa UMTS (3G)...80 4.3.6. WiFi (Wireless Fidelity)...80 4.3.7. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)...80 4.3.8. Radiomodemy...81 4.3.9. Łączność satelitarna...81 4.4. PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ...82 4.5. BEZPRZEWODOWY SYSTEM POMIAROWY...83 4.6. WNIOSKI...86 4

5. DOŚWIADCZENIA Z ZASTOSOWANIA OPTYCZNYCH METOD POMIARU PRZEMIESZCZEŃ I ODKSZTAŁCEŃ NA PLACU BUDOWY...87 5.1. WSTĘP...87 5.2. HIERARCHICZNE MONITOROWANIE I POMIARY ODKSZTAŁCEŃ NA PLACU BUDOWY88 5.3. METODA KORELACJI OBRAZÓW I WYNIKI UZYSKANE TĄ METODĄ...91 5.4..METODA PRĄŻKÓW MORY I WYNIKI UZYSKANE TĄ METODĄ...94 5.5. METODA INTERFEROMETRII SIATKOWEJ I WYNIKI UZYSKANE TĄ METODĄ...95 5.6. PODSUMOWANIE...99 6. WIBROMETRY LASEROWE. POMIARY PRZEMIESZCZENIA I PRĘDKOŚCI DRGAŃ OBIEKTÓW BUDOWLANYCH....101 6.1. WSTĘP...101 6.2. EFEKT DOPPLERA...102 6.3. RODZAJE WIBROMETRÓW LASEROWYCH...103 6.4. APLIKACJE...106 6.5. PRZYKŁAD POMIARU DRGAŃ MOSTU PRZY WZBUDZENIU RUCHEM ULICZNYM Z WYKORZYSTANIEM DOPPLEROWSKIEGO WIBROMETRU LASEROWEGO...106 6.5.1. Wprowadzenie...106 6.5.2. Model teoretyczny...107 6.5.3. Ocena korzyści płynących z zastosowania Dopplerowskich Wibrometrów Laserowych w pomiarach konstrukcji mostowych...108 6.5.4. Pomiar...109 6.6. PODSUMOWANIE...112 7. ZASTOSOWANIE SYSTEMU REX DO POMIARU PRZEMIESZCZEŃ OBIEKTÓW BUDOWLANYCH...115 7.1. POMIARY PRZEMIESZCZEŃ W BUDOWNICTWIE...115 7.2. SYSTEM REX...116 7.2.1. Informacje ogólne...116 7.2.2. Koncentrator systemu REX...117 7.2.3. Program Rex Serwer...118 7.2.4. Program REX-KLIENT...121 7.3. ZASTOSOWANIE SYSTEMU REX W BUDOWNICTWIE...122 7.4. ANALIZATOR PRZEMIESZCZEŃ...123 7.5. LASEROWO-WIZYJNA METODA POMIARU...123 7.6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI...125 8. BEZREFLEKTOROWE SYSTEMY POMIAROWE W MONITOROWANIU PRZEMIESZCZEŃ...127 8.1. WPROWADZENIE...127 8.2. SYSTEM GEOSURVEY...130 5

8.3. SYSTEM TC-CALC...132 8.4. POMIARY ZMIAN KSZTAŁTU ŚCIAN...132 8.5. WIDEOTACHIMETRIA...134 8.6. WNIOSKI KOŃCOWE...134 ZAŁĄCZNIK...137 BIBLIOGRAFIA...141 6

1. WPROWADZENIE Piotr Witakowski 1 1.1. Obiekty budowlane i stawiane im wymagania 1.1.1. Zagadnienia prawne Historia budownictwa jest równie stara jak historia ludzkości. Od zarania cywilizacji budownictwo stanowiło zawsze jedną z najważniejszych dziedzin kultury ludzkiej, a jego świadectwa sięgają czasów nawet wcześniejszych niż okres objęty badaniami historycznymi. Jest przy tym rzeczą niezwykłą, że niektóre technologie i sposoby budowania pozostają przez cały ten czas stale aktualne. Jednocześnie jednak obserwujemy nieustanne pojawianie się nowych technologii, co określa się jako postęp w budownictwie. W ostatnich latach zaczęto używać w odniesieniu do niektórych nowych technologii określenia nowoczesne technologie budowlane. W określeniu tym kryje się pozytywna ocena. Jednocześnie świadczy ono o jakościowej różnicy tak określanej technologii w stosunku do innych. Trzeba wyjaśnić, czym jest ta jakościowa różnica i na czym polega obecnie nowoczesność w budownictwie. Podstaw nowoczesności w budownictwie nie należy szukać w zastosowaniu nowych materiałów lub wyższym poziomie techniki budowlanej, lecz w zmianie kryteriów oceny i związanej z tym kodyfikacji wymagań stawianych obiektom budowlanym. Kodyfikacja ta zmieniła nie tylko prawo stricte budowlane, lecz również prawo ogólne i zmieniła odbiór społeczny produkcji budowlanej. Podstawowym kryterium oceny stała się jakość. Legislacja w zakresie budownictwa pod tym właśnie kątem reguluje wymagania wobec obiektów, metody kontroli i odpowiedzialność za błędy. Zasadniczą różnicą w stosunku do dawniejszego sposobu budowania jest nacisk na zapobieganie powstaniu lub eksploatacji obiektu wadliwego. Jeśli w przeszłości nawet zaostrzano kontrole jakościowe, to dotyczyły one istniejącego obiektu w trakcie jego budowy lub eksploatacji. Obecnie stosowane systemy jakości mają na celu nie dopuszczenie do tego, aby wadliwy obiekt w ogólne powstał i dotyczą elementów poprzedzających jego budowę lub wytworzenie elementu składowego w trakcie budowy. Podkreślić trzeba, że wprowadzenie takiej legislacji stało się możliwe dzięki pojawieniu się nowych 1 dr hab. inż., prof. AGH, Instytut Techniki Budowlanej, Akademia Górniczo-Hutnicza 7

Piotr Witakowski możliwości kontroli jakości, jakie wnosi przede wszystkim postęp w dziedzinie informatyki. Porządek prawny w Polsce w dziedzinie budownictwa jest dostosowany do ogólnych wymagań stawianych przez prawo unijne. Podstawą jest tu Dyrektywa Rady nr 89/106/EWG z dnia 21 grudnia 1988, w sprawie zbliżenia przepisów prawnych i administracyjnych państw członkowskich dotyczących wyrobów budowlanych, która stwierdza, że Państwa członkowskie ponoszą odpowiedzialność za zapewnienie tego, aby obiekty budowlane i inżynierskie na ich terytorium były projektowane i wykonywane w sposób, który nie zagraża bezpieczeństwu ludzi, zwierząt domowych i mienia, uwzględniając przy tym, w interesie dobra ogólnego, inne wymagania podstawowe oraz precyzuje 6 wymagań podstawowych wobec obiektów budowlanych, a mianowicie: 1) nośność i stateczność, 2) bezpieczeństwo pożarowe, 3) wymagania w zakresie higieny, zdrowia i ochrony środowiska, 4) bezpieczeństwo użytkowania, 5) ochronę przed hałasem, 6) oszczędność energii i izolację cieplna, a ponadto stwierdza, że przy normalnej konserwacji obiektów wymagania te powinny być spełniane przez ekonomicznie uzasadniony okres użytkowania, co przekłada się na siódmy wymóg - 7) trwałość. Tak jak każdy kraj członkowski również Polska musiała swoje prawo budowlane dostosować do tej Dyrektywy zharmonizować z Dyrektywą jeszcze przed wstąpieniem do Unii. Na prawo to składają się 3 ustawy i około 60 rozporządzeń. Ustawy to: A) prawo budowlane [1], B) o wyrobach budowlanych [2] i C) o systemie oceny zgodności [3]. Ostatnia z tych ustaw dotyczy ogólnego systemu zgodności, a w tym również wyrobów budowlanych. Rozporządzenia, czyli akty wykonawcze do ustaw, są bardzo liczne. Można wymienić około 60 różnych rozporządzeń, które bezpośrednio ingerują w proces budowy. Do najważniejszych należą rozporządzenia: 1) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], 2) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie [5], 3) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie [6], 8

WPROWADZENIE 4) w sprawie warunków, jakim powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich usytuowanie [7], 5) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać morskie budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie [8]. Jest rzeczą ciekawą, że prawo budowlane nie definiuje obiektu budowlanego. W ustawie Prawo budowlane [1] wymienia się jedynie 3 rodzaje obiektów budowlanych. W Art. 3 podaje się, że przez obiekt budowlany należy rozumieć: a) budynek wraz z instalacjami i urządzeniami technicznymi, b) budowlę stanowiącą całość techniczno-użytkową wraz z instalacjami i urządzeniami, c) obiekt małej architektury, przy czym przez budowlę należy rozumieć każdy obiekt budowlany nie będący budynkiem lub obiektem małej architektury. Jest to typowa tautologia. Trzeba więc uznać, że polskie prawo budowlane nie definiuje pojęcia obiektu budowlanego. Nie mniejsze wątpliwości nasuwa definicja wyrobu budowlanego. Zgodnie z definicją podaną w ustawie [2] w Art. 2 przez wyrób budowlany należy rozumieć rzecz ruchomą, bez względu na stopień jej przetworzenia, przeznaczoną do obrotu, wytworzoną w celu zastosowania w sposób trwały w obiekcie budowlanym, wprowadzaną do obrotu jako wyrób pojedynczy lub jako zestaw wyrobów do stosowania we wzajemnym połączeniu stanowiącym integralną całość użytkową i mającą wpływ na spełnienie wymagań podstawowych, o których mowa w art. 5 ust. 1 pkt. 1 ustawy z dnia 7 lipca 1994 r. - Prawo budowlane. Wbrew tej definicji wyroby przemysłu hutniczego (np. kształtowniki stalowe), ani elektrycznego nie są traktowane jako wyroby budowlane. Żeby nie mieć trudności interpretacyjnych na potrzeby niniejszej pracy można przyjąć następującą definicję: obiekt budowlany jest to dowolny obiekt spełniający 3 warunki: 1) jest obiektem trwałym, 2) jest posadowiony w terenie, 3) został wzniesiony przez człowieka z myślą o zaspokajaniu określonych potrzeb. Taka definicja wymaga dla oceny spełnienia wymagań podstawowych znajomości przeznaczenia funkcjonalnego obiektu intencji, z jaką dany obiekt został wzniesiony. Ten sam obiekt może spełniać pewne funkcje bardzo dobrze, podczas gdy do innych funkcji może się w ogóle nie nadawać. 1.1.2. Cykl życia obiektu budowlanego Każdy obiekt budowlany cechuje się tzw. cyklem życia, na który składa się 5 etapów. Są to: 1. Koncepcja 2. Projektowanie 3. Realizacja 4. Eksploatacja 9

Piotr Witakowski 5. Rozbiórka Podkreślenia wymaga fakt, że prawo budowlane obejmuje jednie etapy od 2 do 5. Etap 1, tj. koncepcja, nie jest regulowany przez żadne przepisy prawa budowlanego. Jest to bardzo niefortunne, gdyż właśnie wybór koncepcji decyduje w dużej mierze o możliwości spełnienia wymaganych od obiektu funkcji, o koszcie jaki pociągnie za sobą realizacja i eksploatacja, a także o jakości obiektu wykonanego w konkretnych warunkach technicznych. Spośród pozostałych 4 faz do problematyki jakości największe znaczenie przywiązuje się w fazie realizacji i eksploatacji. Szczególny nacisk kładzie się zwykle na fazę realizacji i do tej fazy zostały dostosowane systemy jakości. Nie mogłyby być one jednak wyposażone w skuteczne narzędzia kontroli bez wykorzystania osiągnięć z dziedziny informatyki. 1.2. Systemy jakości i teleinformatyka w budownictwie 1.2.1. Nowoczesność w budownictwie i lokomotywy postępu Nowoczesność budownictwa oznacza przede wszystkim nowe podejście do zagadnień jakości. W tym kontekście istotną okolicznością jest rozwój systemów jakości. Rozwój tych systemów pozwala na osiąganie coraz wyższej jakości właściwie w każdej dziedzinie wytwórczości. Znaczenie tych systemów w budownictwie różni się jednak od ich znaczenia dla innych dziedzin gospodarki ze względu na konstrukcje prawa budowlanego. Zgodnie z prawem odpowiedzialność za to, czy obiekty budowlane spełniają wymagania podstawowe spada na państwo. Wdrażanie systemów jakości w budownictwie znajduje oparcie w aparacie państwowym i stanowi jeden z najważniejszych czynników postępu w budownictwie. Przykładem intensywnych zmian w tym kierunku jest coraz powszechniejsze przyjmowanie i stosowanie standardów wyznaczanych przez normy ISO. Drugim takim czynnikiem postępu w budownictwie jest ogólny rozwój informatyki i stopniowe informatyzowanie wielu prac w dziedzinie budownictwa. Niektóre z nich, jak np. obliczenia projektowe, zostały już w całości zinformatyzowane. Inne uzyskują coraz silniejsze wsparcie ze strony informatyki, a dotyczy to w szczególności czynności związanych z wdrażaniem systemów jakości, co dowodzi możliwości wprowadzenia głębokiego przewrotu w całej filozofii budowania. Zauważmy też, że szybkiemu rozwojowi informatyki towarzyszy równie szybki rozwój telekomunikacji. Co więcej, nie buduje się już obecnie żadnych urządzeń łączności, których działanie nie byłoby nadzorowane przez procesory, jak też nie buduje się żadnych urządzeń informatycznych bez możliwości teletransmisji. Obie te dziedziny wiedzy i techniki od kilka lat są ze sobą tak ściśle związane, iż obecnie mówimy o już o jednej wspólnej dziedzinie - teleinformatyce. Właśnie pojawienie się i rozwój teleinformatyki rodzi możliwość zrewolucjonizowania systemów budowlanych. 10

WPROWADZENIE Można więc stwierdzić, że w budownictwie mamy obecnie dwie lokomotywy postępu - teleinformatykę i systemy jakości. Obie te dziedziny rozwijały się dotąd niezależnie. Oczywistym jest jednak, że najskuteczniejsze będą dla postępu w budownictwie te działania, które stanowią połączone wykorzystanie osiągnięć teleinformatyki i systemów jakości. Po raz pierwszy w historii budownictwa pojawia się możliwość oceny jakości bez żadnych ograniczeń w czasie i przestrzeni. Mówiąc o nowoczesnym budownictwie mamy na myśli taki sposób budowania, którego intencją jest zapewnienie jakości, lecz środkami prowadzącymi do tego celu w praktyce jest informatyka. Zinformatyzowanie procesów budowlanych jest więc znamieniem nowoczesności budownictwa i można powiedzieć, że: Tyle jest w budownictwie nowoczesności ile w niej informatyki. 1.2.2. Poziomy systemów jakości Przez system jakości rozumie się ogół powiązanych ze sobą środków, których zastosowanie ma doprowadzić do sytuacji, iż przekazany do użytku produkt lub wyrób będzie spełniał wcześniej określone wymagania dobrej jakości. Wszystkie znane systemy jakości można podzielić na 4 poziomy 1. Systemy kontroli jakości. Systemy z tego poziomu znane są od dawna. Ich działanie polega na funkcjonowaniu kontroli jakości gotowego wyboru i porównanie go kryteriami oceny jakości. Jeśli wyrób nie spełnia założonych kryteriów jest eliminowany z dalszego obrotu, skutkiem czego do użytkowania przekazywane są wyłącznie wyroby o dobrej jakości. Znamieniem systemów tego poziomu są istniejące do niedawna działy kontroli jakości i stanowiska brakarza we wszystkich większych zakładach produkcyjnych. 2. Systemy zapewnienia jakości. Systemy te działają w oparciu o normy ISO (International Standard Organisation) z 1994 roku. Cechą charakterystyczną tych systemów jest działanie w oparciu o procedury zapewnienia jakości. Procedury te określają precyzyjnie wszystkie czynności składające się na proces wytwarzania i warunki, w jakich te czynności powinny być wykonane, aby uzyskać wyrób dobrej jakości. W odróżnieniu od systemów kontroli jakości istotą tych systemów jest nie dopuszczenie do powstania produktu nie spełniającego kryterium jakości. 3. Systemy zarządzania jakością. Systemy te działają w oparciu o normy ISO z 2000 roku. Cechą charakterystyczną tych systemów jest działanie w oparciu o wyróżnienie w całym procesie wytwarzania procesów składowych mających wpływ na jakość wyrobu końcowego. W odróżnieniu od systemów zapewnienia jakości istotą tych systemów nie jest wierne przestrzeganie ustalonych procedur, lecz nieustanna analiza procesów i stałe ich doskonalenie celem poprawy jakości. Systemy takie umożliwiają stałe udoskonalanie procesów przez implementację najnowszych osiągnięć techniczno-organizacyjnych. 11

Piotr Witakowski 4. Systemy kompleksowego zarządzania jakością. W literaturze anglosaskiej określane są one mianem Total Quality Management - w skrócie TQM. Są to systemy zarządzania jakością, lecz obejmujące wszystkie procesy funkcjonujące u wytwórcy i umożliwiające kompleksową optymalizację procesu wytwarzania. Optymalizacja nie obejmuje tu funkcjonowania każdego z procesów oddzielnie, lecz wspólnie traktuje je wszystkie jako całość. W dziedzinie budownictwa można obecnie spotkać wszystkie 4 systemy jakości. Wyraźnie widoczny jest jednak dynamiczny proces przechodzenia od niższych do wyższych poziomów systemów jakości. Wśród dużych przedsiębiorstw działających w obrębie budownictwa normą jest obecnie posiadanie certyfikatu ISO 2000. Ze względu na znaczną konkurencję w Unii i brak barier w postaci granic przedsiębiorstwa nie posiadające tego certyfikatu nie mogą sprostać konkurencji i w praktyce nie mogą utrzymać się na rynku. Nie ma natomiast do tej pory przedsiębiorstwa budowlanego, które miałoby wdrożony system TQM. 1.2.3. Zinformatyzowane sfery budownictwa Ekspansja informatyki w dziedzinie budownictwa jest faktem już od wielu lat i szereg sfer budownictwa zostało już zdominowane przez techniki informatyczne. Poniżej przedstawiono przykłady tych sfer budownictwa, które w praktyce zostały już całkowicie zinformatyzowane. 1. Obliczenia inżynierskie. Rozwój technik obliczeniowych opartych o metodę elementów skończonych MES doprowadził do całkowitego zarzucenia technik tradycyjnych. Właściwie wszelkie obliczenia inżynierskie -statyczne, dynamiczne, termiczne, hydrotechniczne i inne - wymagane przy projektowaniu obiektów budowlanych wykonuje się programami komputerowymi. Na rynku dostępnych jest wiele różnych programów zarówno krajowych jak też zagranicznych. 2. Projektowanie konstrukcji i sporządzanie dokumentacji technicznej. Dziedzina ta całkowicie została zdominowana przez zastosowanie programy komputerowego projektowania z dziedziny Computer Added Design. Programy te określane są w skrócie jako CAD. 3. Harmonogramowanie prac. Znanych jest od dawna szereg algorytmów służących do automatyzacji harmonogramowania prac budowlanych. Od kilku lat zaczyna w tej sferze dominować oprogramowanie firmy Microsoft znane pod nazwą MS PROJECT. Z polskich produktów zdobył uznanie i od wielu lat utrzymuje się na rynku pakiet PLANISTA. Z pakietu tego korzysta wiele programów kosztorysujących. 4. Kosztorysowanie prac. Istnieje wiele komputerowych systemów kosztorysowania. Wśród polskich programów najpopularniejsze są: NORMA, ZUZIA i WINBUD. Dostępna oferta handlowa zawiera wiele innych programów. Wszystkie te programy działają w oparciu o katalogi nakładów rzeczowych, tzw. KNR, i cenniki. 12

WPROWADZENIE 5. Sterowanie węzłami betoniarskimi. Wszystkie liczące się na rynku węzły betoniarskie produkujące beton towarowy zostały całkowicie skomputeryzowane. System komputerowy nie tylko steruje urządzeniami dozującymi i mieszalnikiem, lecz również tworzy samoczynnie dokumentację dla każdego wykonanego zarobu, co umożliwia pozytywne przejście auditu i uzyskanie certyfikatu ISO. 6. Obsługa finansowo-księgowa. Tak jak w innych dziedzinach gospodarki obsługa finansowo-księgowa w jednostkach organizacyjnych budownictwa została całkowicie zinformatyzowana, a na rynku dostępnych jest wiele różnorodnych pakietów oprogramowania pozwalających na informatyczną obsługę wszystkich operacji finansowo-księgowych, a dodatkowo na wiele różnych analiz ekonomicznych praktycznie niewykonalnych bez zastosowania informatyki. 7. Zarządzanie bazami danych. Tradycyjne zasoby informacji budowlanej (katalogi, wykazy, rejestry itp.) właściwie już zanikły. Albo straciły swe znaczenie, albo zostały zinformatyzowane. Wszelkie zasoby informacji są obecnie przechowywane w bazach danych stanowiących jedno z najbardziej spektakularnych osiągnięć informatyki. Zarówno szybkość dostępu do informacji jak też wielkość zasobów przechowywanych we współczesnych bazach danych są zupełnie nie do osiągnięcia bez zastosowania technik komputerowych Powyższe przykłady nie wyczerpują zakresu zastosowania informatyki w budownictwie. Właściwie nie ma już obecnie takiej sfery, w której nie stosowano by komputerów i technik informatycznych. Jednakże już te powyżej wymienione przykłady ilustrują, jak wielki wpływ na współczesne budownictwo wywiera postęp w informatyce. Pamiętać ponadto trzeba, że dzięki teleinformatyce informacja może być przekazywana z ogromną prędkością na bardzo nawet duże odległości. Niejednokrotnie ma to decydujący wpływ na sprawność organizacji procesu budowlanego. Prawie wszystkie (poza sterowaniem węzłami betoniarskimi) wymienione powyżej zinformatyzowane sfery budownictwa mieszczą się jednak w ramach prac określanych jako biurowe. Informatyzacja tych sfer biegnie już od lat 30. Można stwierdzić, że cały zakres prac technicznych składających się na etap Projektowanie został już w pełni zinformatyzowany. Około 10 lat temu zaczął się okres informatyzowania etapów Realizacja i Eksploatacja. W doniesieniu do tych etapów coraz powszechniejsza staje się obsługa informatyczna obejmująca przygotowanie inwestycyjne, obsługę finansową i zarządzanie. Odrębnym zagadnieniem było przeniesienie produkcji betonu z placu budowy do węzłów betoniarskich i powszechne stosowanie betonu towarowego. Pozwoliło to na wykorzystanie w produkcji betonu metod przemysłowych i tak jak w innych zamkniętych zakładach produkcji materiałów budowlanych na zastosowanie zinformatyzowanych systemów sterowania przemysłowego. 13

Piotr Witakowski 1.3. Teleinformatyczny przełom technologiczny w budownictwie Początek wieku XXI przyniósł nowe jakościowo zjawiska wpływające bezpośrednio na technologie budowlane i zmieniające stopniowo całą filozofię budowania, a jednocześnie stwarzające możliwość wprowadzenia w budownictwie kompleksowego zarządzania jakością - TQM. Zjawiska te polegają na implementacji w budownictwie najnowszych osiągnięć z dziedziny teleinformatyki i zwiastują wręcz przełom technologiczny. Przełom ten polega na informatyzowaniu samego placu budowy. Oprócz ogólnego postępu w dziedzinie elektroniki, teleinformatyki i miernictwa istotnymi elementami w tym procesie były: rozwój Internetu, rozwój sieci bezprzewodowych WLAN, usunięcie sygnału zakłócającego w GPS, rozwój systemów informacji geograficznej GIS i rozwój systemów zdalnego monitoringu RMS. W wyniku tych przemian stało się możliwe pozyskiwanie właściwie każdej informacji o obiekcie budowlanym w sposób zdalny, tj. bez konieczności obecności na obiekcie. Po raz pierwszy w historii budownictwa pojawiła się możliwość obserwacji i pomiarów obiektów budowlanych bez żadnych ograniczeń wynikających z czasu i przestrzeni. Z punktu widzenia technik pomiarowych cały glob ziemski może być traktowany jak pomieszczenie laboratoryjne w dowolnym miejscu i dowolnym czasie możemy mieć komplet informacji o interesującym nas obiekcie, jeśli tylko zainstalowano na nim odpowiednie urządzenia obserwacyjno-pomiarowe. W szczególności możemy mieć w czasie rzeczywistym komplet informacji o procesie budowy i poddać go analizie niezbędnej z punktu widzenia TQM. Obserwowany proces informatyzowania placu budowy biegnie wielowątkowo i trudno byłoby do niedawna wskazać jakiś punkt, który go zapoczątkował. Wydaje się jednak obecnie, że za punkt taki można uznać decyzję prezydenta USA Bila Clintona z 2 maja 2000 roku o zniesieniu sygnału Selective Availability zakłócającego wcześniej dokładność systemu GPS. Podniesienie dostępnej dla użytkowników cywilnych dokładności otworzyło cały kierunek badań i zastosowań technicznych satelitarnego pozycjonowania [9, 10]. W szczególności otworzyło nowe możliwości przed geodezją inżynierską i jej zastosowaniami w budownictwie, zrewolucjonizowało systemy informacji o terenie [11], stworzyło możliwość globalnej nawigacji satelitarnej GNSS [12] i możliwość nawigacji precyzyjnej. Ta ostatnia znana jest pod nazwą RTK (ang. Real Time Kinematic) [13] pozwala na ustalanie w czasie rzeczywistym położenia ruchomego obiektu z dokładnością lepszą niż 1 cm. Technologia ta stała się podstawą do budowy maszyn i bezoperatorowych urządzeń budowlanych działających w oparciu o zakodowany w pamięci maszyny projekt obiektu i aktualne położenie maszyny i narzędzia roboczego identyfikowane przez odbiornik GPS. zagadnieniom tym 14

WPROWADZENIE poświęcone są w dużej części ostatnie konferencje IARCC. State of art w tej dziedzinie znaleźć można w pracy [14]. Rys. 1. Równiarka wyposażona w system RTK i system sterowania oparty na aktualnej pozycji i projekcie budowlanym zakodowanym w pamięci komputera pokładowego. Przy wsparciu skanera laserowego maszyny takie mogą w pracować w sposób bezoperatorowy i zapewnić dokładność niwelety 1 mm. Powszechne zastosowanie znalazła teleinformatyka w zarządzaniu procesem budowy i coraz częściej przy wspieraniu zarządzania jakością z uwzględnieniem informacji zbieranych na placu budowy - w pracy [15] można znaleźć informacje o zastosowaniu teleinformatyki w zarządzaniu jakością w budownictwie chińskim. Informatyzacja placu budowy obejmuje stopniowo wszystkie rodzaje prac. Najbardziej znamienne jest stopniowe automatyzowanie prac budowlanych, co nie byłoby możliwe bez zastosowania teleinformatyki. W pracy [16] przedstawiono 12 kategorii prac budowlanych w których, znajduje zastosowanie automatyzacja. Zdaniem autorów są to: 1) sterowane przez GPS i laser roboty ziemne polegające na przemieszczaniu, układaniu i zagęszczaniu gruntu, 2) zastosowanie palmtopów dla kontroli jakości i ilości wykonanych robót, 3) skaner laserowy 3D (LADAR) dla tworzenia rysunków i danych o obiektach budowlanych, 15

Piotr Witakowski 4) badanie dojrzałości betonu i modelowanie dla optymalizacji jego układania i przyspieszenia budowy, 5) zautomatyzowane zbieranie danych o wydajności, 6) modelowanie 4D CAD dla analizy poprawności konstrukcji i udoskonalenia wymiany informacji, 7) internetowe rozstrzyganie przetargów i systemy zarządzania projektem, 8) zdalne monitorowanie budowy z wykorzystaniem Internetu i rozmieszczonych na placu budowy kamer, 9) prefabrykacja i modularyzacja, np. przez zastosowanie elementów z betonu sprężonego, 10) zastosowanie szybkich robotów do naprawy styków, wybojów i uszczelniania pęknięć w nawierzchni, 11) zarządzanie parkiem maszynowym za pośrednictwem GPS i radiokomunikacji i 12) zastosowanie ręcznych automatów do wiązania zbrojenia. Ich zainteresowanie skupia się przede wszystkim na budownictwie drogowym. Lecz nawet w tym budownictwie automatyzacja obejmuje już szereg innych prac, w szczególności drążenie tuneli (automatyczne TBM) i roboty bezwykopowe (mikrotunelowanie, przewierty sterowane teleoptycznie i inne). 1.4. Automatyka i robotyka w budownictwie Zagadnieniom zastosowania teleinformatyki w budownictwie poświęcone jest międzynarodowe czasopismo Automation in Construction ( Automatyka w budownictwie ). Czasopismo zamieszcza materiały na temat wszystkich aspektów odnoszących się do wykorzystania technologii informatycznych w zakresie projektowania, inżynierii budowy, technologii, zarządzania i konserwacji oraz wykonawstwa budowlanego. Zakres pisma jest szeroki, obejmujący wszystkie 5 etapów cyklu życia obiektu - od wstępnego planowania i projektowania, poprzez budowę obiektu, jego eksploatację i konserwację, do ewentualnego demontażu i recyklingu budynków i konstrukcji inżynierskich. Poniższa lista tematów nie jest wyczerpująca, lecz raczej wskazuje tematy, które wchodzą w zakres kompetencji czasopisma: komputerowo wspomagane projektowanie (CAD), modelowanie, systemy wspomagania decyzji, klasyfikacja i normalizacji, wymiana danych o obiektach, komputerowo wspomagane wykonawstwo, modele symulacyjne procesów, grafika, robotyka, metrologia, logistyka, zautomatyzowana kontroli, rozbiórki i rekultywacje, usługi zarządzania, zarządzanie systemami informacji, systemów inteligentnego sterowania i nadzoru. Automation in Construction stała się międzynarodowym organem reprezentującym środowiska zajmujące się implementacją teleinformatyki w budownictwie. Środowiska te 16

WPROWADZENIE skupione są w kilku organizacjach zajmujących się automatyzacją i zastosowaniem technik informatycznych w budownictwie. Są to przede wszystkim: - Education in Computer Aided Architectural Design in Europe (ecaade) - International Association for Automation and Robotics in Construction (IAARC) - International Council for Research and Innovation in Building and Construction (C.I.B.) Na szczególna uwagę zasługuje tu IAARC, która poczynając od roku 1984 corocznie organizuje międzynarodową konferencję ISARC (International Symposium on Automation and Robotics in Construction) poświęconą informatyzacji i automatyzacji budownictwa. Pierwsza z nich odbyła się w USA, ostatnia, 24, jaka miała miejsce w roku 2007 odbyła się w Cochin w Indiach. Najbardziej spektakularnym zastosowaniem teleinformatyki jest automatyzacja i robotyzacja robót budowlanych przy wznoszeniu budynków. Prekursorem w tej dziedzinie była Japonia, gdzie systemy automatycznego montażu rozwijano poczynając już od roku 1980. Systemy te określane jako automatyczne systemy budowlane ABCS (ang.:the Automated Building Construction System). Są one szczególnie przydatne przy budowie wieżowców z wieloma powtarzalnymi kondygnacjami. Pierwszy prototyp ABCS do budowy wieżowców został uruchomiony przez koncern Shimizu w roku 1990. Od tamtej pory przez różne przedsiębiorstwa japońskie (Taisei, Takenaka, Kajima, Maeda, Kumagai) zostało wprowadzonych do użytku już 20 systemów ABCS [17]. W ogólnym zarysie ABCS polega na zmontowaniu na placu budowy zautomatyzowanego zakładu budowlanego (montażowego) SCF (ang.: Super Construction Factory), który wyposażony jest we własny dach i ściany boczne oraz posiada wyposażenie do automatycznego podnoszenia z terenu dostarczanych prefabrykowanych elementów i automatycznego ich montażu na budowanej kondygnacji. Po zmontowaniu całej kondygnacji zakład montażowy wspina się po zmontowanej kondygnacji i rozpoczyna montaż następnej kondygnacji - Rys. 2[18]. Rys. 2. Kolejne fazy wznoszenia budynku za pomoca ABCS [18]. 17

Piotr Witakowski Rys. 3. Wnętrze SCF (bez ścian bocznych) [18] System ABCS składa się z 3 części: 1) zautomatyzowanego zakładu budowlanego SCF, 2) systemu równoległego (równoczesnego) zaopatrzenia PDS (ang. Parallel Delivery System) i 3) zintegrowanego systemu zarządzania, na który składają się 4 podsystemy: a) system zarządzania produkcją, b) system zarządzania urządzeniami, c) system sterowania maszynami i d) system obserwacji i nadzoru 3D (trójwymiarowy). Kluczową sprawą dla funkcjonowania ABCS i wszystkich jego części jest pozyskiwanie informacji o wszystkich wydarzeniach technologicznych i przekazywanie jej do wszystkich osób, urządzeń i podsystemów informatycznych, dla których ta informacja ma znaczenie. Toteż niezwykle intensywnie rozwijane są w ostatnich kilku latach systemy monitorowania. Monitorowaniu poddaje się wszystkie czynności technologiczne [19], a także miejsce pobytu poszczególnych pracowników [20]. Wykorzystuje się do tego system GPS, a także wszystkie możliwości naziemnej łączności bezprzewodowej, co zwykle związane jest z budową sieci WLAN (ang. Wireless Local Area Network) opartej na punktach dostępowych (ang. Access Point) i łączności radiowej WiFi (ang. Wireless Fidelity) o częstotliowści 2,4 lub 5 GHz, a także telefonię GSM, GPRS, UMTS i systemy Bluetooth. Pozwala to na tworzenie bezoperatorowych systemów monitorowania i pomiarów [21,22]. 18