Sparti technologinė raida į architektūros veiklos barus atneša vis daugiau inovatyvių būdų, kaip optimizuoti kūrybinius procesus, pagerinti projektų efektyvumą, paspartinti planavimo ir tvarkomų pastatų vertinimo darbus ar kurti naujos kartos media turinį. Vienas iš tokių galingų įrankių – 3D skenavimo technologija. Šiame straipsnyje aptarsime, kaip 3D skenavimo technologijos praplėtė architektų galimybes ir suteikė jiems naujų būdų interpretuoti bei kurti aplinką.

Kas yra 3D skenavimas ir kiek tai kainuoja?

3D lazerinis skenavimas veikia gana paprastu būdu – skeneris lazeriu išspinduliuoja šviesos srautą, o šis, atsimušęs į kliūtį, grįžta atgal į prietaiso sensorių, kuris apskaičiuoja laiko pokytį, per kurį atspindys grįžo. Tokiu būdu gaunamas atstumas iki konkretaus objekto. Šiuolaikiniai 3D skeneriai geba išmatuoti milijonus taškų per sekundę, taip sukurdami daugybės mažų, koordinates turinčių, taškų tinklą – taškų masyvą. 3D skeneris surenka informaciją apie mus supančią aplinką – pastatus, gatves ir visa, kas „matoma“ prietaisui.

Skirtingoms 3D skenavimo užduotims – skirtingos ir skenavimo metodikos. Visada geriau skirti daugiau laiko išsamiam norimo rezultato apibūdinimui, nei pulti ieškoti „tiksliausiai skenuojančio skenerio“. 3D matuojančių įrankių, jų sistemų yra pačių įvairiausių, tačiau dažniausiai sutinkami – antžeminiai, ant trikojo pastatomi skeneriai. Norint tokiu prietaisu gauti išsamų pastato ar kvartalo dalies vaizdą, reikia tam skirti nemažai laiko ir fiziškai perkėlinėti įrangą į daugybę skirtingų matavimo pozicijų, kurias apjungus ir gaunamas galutinis 3D vaizdas – tankus taškų masyvas, iš kurio vėliau „gaminami“ įvairiausi skaitmeniniai produktai.

Lietuvoje 3D skenavimo rinka kas met vis plečiasi. Dažniausiai sutiksime specialistus, skenuojančius įvairius architektūros objektus Leica, Faro, Trimble ir kitų žymiausių pasaulyje tokios technikos gamintojų įranga. Viena tokių įmonių – TerraModus – jau virš 15 metų vykdantys skaitmeninės teritorijų, pastatų, kultūros paveldo statinių bei pramonės objektų matavimus. Kaip teigia šios įmonės vadovas Egidijus Žilinskas:

„Didžiausią 3D paslaugų užsakovų dalį sudaro pastatų projektavimo bendrovės. Tačiau pastaruoju metu stebimas augantis poreikis integruoti lazerinio skenavimo technologiją į skaitmeninimo procesus ir infrastruktūros projektuose. Išties, visų mūsų užsakovų tikslas tas pats – užfiksuoti objekto esamą situaciją. Lazerinis skenavimas yra modernesnė matavimų technologija, kuomet skenuojamas plotas tampa taškų debesimi – pastato skaitmeniniu dvyniu iš kurio galima gauti visą reikiamą informaciją apie statinį (pjūviai, išklotinės, fasadų projekcijos, atstumai, 3D vizualizacijų parengimas, plotų, tūrių skaičiavimai ir kt.).“

Remiantis 2022 metų gruodžio mėn. Gminsights.com paskelbta ataskaita, 3D skenavimų rinka globaliai auga po maždaug 5% kas met. Praeitais metais tai sudarė per 3 milijardų JAV dolerių rinką, be to, skaičiuojama, kad iki 2032 metų šios technologijos generuos jau virš 8 milijardus JAV dolerių.

Galima drąsiai teigti, jog 3D technologijų panaudojimas įvairiuose statybos, planavimo, projektavimo ar būklės vertinimo procesuose vis dar sudaro menką darbų sąnaudų dalį, o kiekvienas atvejis reikalauja vis kitokios technologinės prieigos bei reikalingų resursų, todėl kartais architektams sunku patiems įsivertinti finansinius ir laiko kaštus. Vis dėlto, galima gana greitai apskaičiuoti reikiamą investiciją, tereikia išsamiai apsibrėžti siekiamą tikslą, o tam pravartu žinoti bazinius iš taškų masyvo pagaminamų produktų privalumus ir panaudojimo galimybes, todėl toliau straipsnyje pristatomi dažniausi 3D skenavimo rezultatai ir jų naudos. Šis tekstas nepraras aktualumo ir po daugelio metų, tad galima jį išsisaugoti, kaip parankinę medžiagą.

Taškų masyvas ir jo produktai

Taškų masyvas (angl. point cloud) yra didelis kiekis trijų matmenų koordinačių taškų, surinktų naudojant 3D lazerio skenavimą ar kitas susijusias technologijas, pavyzdžiui, fotogrametriją. Kiekvienas taškas šiame masyve atitinka tam tikrą vietą realiame pasaulyje. Šie taškai nėra sujungti ar pavaizduoti kaip paviršius ar struktūra – jie tiesiog nurodo koordinates, o jau darbo su taškų masyvu metu, specialistas atlieka eilę gan sudėtingų procesų, kurių metu išgaunamas reikiamas produktas: ortofotografiniai vaizdai, skaitmeniniai paviršiaus ar reljefo modeliai, CAD brėžiniai, 3D vizualizacijos, ar 3D/BIM modeliai.

Architektai, dirbantys su kultūros paveldo objektais ar projektuojantys naujus pastatus, teritorijas teoriškai galbūt ir galėtų išsiversti be visų minėtų produktų, tačiau braižymas ranka ar lėti ir netikslūs matavimai senomis technologijomis nebėra prasmingi. Toks požiūris grįstas akivaizdžiomis naudomis, tačiau jas suprasti yra lengviau ne vertinant pačius 3D technologijų galimus rezultatus, bet konkretizuojant jais pasiekiamus darbų sąnaudų optimizavimo, komunikacinio efektyvumo, tikslumo, patikimumo, pinigų taupymo aspektus. Būtent apie tai – kitame šio straipsnio skyriuje.

Ko iš tiesų reikia architektui?

Planavimo uždaviniams. Bene žinomiausias iš 3D taškų masyvo pagaminamas produktas – ortofotografija. Jos pagalba matoma reali pastato situacija, galima tiksliai įsivertinti, išmatuoti pažeistas ir renovuotinas vietas, pavyzdžiui, mūro plytų nutrupėjimai, perteklinės drėgmės pažeidimai ir kt.

Pastato fasado ortofotografija – vienas detaliausių 3D skenavimo rezultatų.

Virtualiai apžiūrai. Virtualūs turai taip pat puikus būdas vizualiai įvertinti objekto situaciją, suplanuoti esminius, probleminius ar kitaip aktualius mazgus, plokštumas, įvertinti jų aplinką ar kitus parametrus.

Vizualizacijai ir virtualiai realybei. Kuriamo pastato ar teritorijos vizualizavimui dažniausiai pasitelkiami šie formatai: taškinis 3D modelis, 3D mesh bei vektorizuotas 3D modelis. Kiekvienas jų pasirenkamas skirtingiems uždaviniams spręsti. Pirmuoju atveju, taškinis modelis rodo bendrą vizualinę situaciją – tokią, kokia ji yra. Taškų masyvą lengva „pjaustyti“ ir atsirinkti aktualias vietas ar mazgus, prie kurių bus dirbama detaliau. 3D mesh modelis kuriamas tuomet, kada reikia vizualiai išbaigto, realistinio vaizdo. Jis nėra skirtas matavimams ar braižymams, tačiau puikiai tarnauja prezentacijoms, virtualios ar papildytos realybės projektams, filmams, žaidimams ir panašiai. Vektorinis 3D modelis yra skirtas projektavimui ir skaičiavimams atlikti, jeigu darbai atlikti laikantis tam tikrų taisyklių bei skaitmeninių duomenų detalumo specifikacijų.

3D taškinis modelis, 3D mesh bei vektorizuotas 3D modelis. Kiekvienas jų pasirenkamas skirtingiems uždaviniams spręsti.

Plotų skaičiavimams. Tai „darbinėms“ užduotims skirti produktai, kuomet skaičiuojami konkrečių elementų – fasadų, patalpų, paviršių plotai. Kultūros paveldo atveju tokie produktai naudingi atliekant tikslius apskaičiavimus dailės, mažosios architektūros kūrinių restauracijai (pavyzdžiui, suskaičiuoti tikslų aukso poreikį) ar polichrominiams tyrimams, kur reikia įvertinti atidengtų plotų visumą, darbų kaštus ir pan. Taip pat tokie supaprastinti 3D modeliai naudingi, pavyzdžiui, keičiamų stogo dangų, langų plotų, fasado dekoro elementų medžiagų poreikių apskaičiavimams. 3D technologijos leidžia pasiekti tikslius įvertinimus, todėl taupomas laikas ir pinigai, lengviau pagrindžiami projektuojami biudžetai.

3D modeliai plotų bei tūriu apskaičiavimui

Kultūros paveldo tvarkybos dokumentacijai. Kultūros paveldo objektų tvarkyba dažniausiai susijusi su fotogrametriniais apmatavimais. Tokie apmatavimai – tai iš 3D taškų masyvo pagaminti tikslieji 2D brėžiniai, be kurių neįmanomas kultūros paveldo tvarkymas. Architektams gerai pažįstama situacija, kai tvarkomas objektas turi tik senus, nekokybiškus, neskaitmenizuotus, netikslius brėžinius arba tokie pastatų planai apskirtai neegzistuoja. Taip pat ne visada tinkamai dokumentuojami ir bėgant laikui daryti pokyčiai. Priklausomai nuo planuojamų darbų, 2D brėžiniai parengiami pagal konkretų poreikį – nuo nedetalių konstruktyvo brėžinio iki faktinio vaizdo, kuriame matomi visi nelygumai, deformacijos, netektys, nutrupėjimai ir medžiagiškumas.

3D realybės fiksacija perverčiama į tikslius 2D CAD brėžinius.

Konstrukcijų projektavimo darbams. Konstrukcijų projektavimo darbams 3D skenavimas naudojamas esamų konstrukcijų būklės ir geometrinių parametrų užfiksavimui. Dažniausiai tai atliekama planuojant pastato rekonstrukcijos darbus. Pavyzdžiui, tiksliai įvertinama esamų laikančiųjų konstrukcijų pozicijos, perdangų plokščių susikirtimai projektuojamoms pastato apkrovoms apskaičiuoti ir pan.

Pastato fasado detalizacijos, kurių pakanka apskaičiuoti sienų, angų ir kt. konstrukcinių dalių plotus, projektuojant papildomus elementus ar pastato dalis jau prie esamo objekto.

Skaitmeninei stebėsenai vykdyti. Skaitmeniniai paviršiaus ar reljefo modeliai dažnai naudojami didesnės apimties architektūros objektų stebėsenai, tam tikrų teritorijų monitoringui, pokyčių vertinimui, teritorijų ir pavienių sklypų planavimui. Skaitmeniniai aukščių modeliai naudingi kultūros paveldo teritorijų stebėsenai užtikrinti. Pavyzdžiui, Lietuvoje tokius skaitmeninius tyrimus atlieka Vilniaus Universiteto Komunikacijos fakulteto komanda – skaitmeniniai paviršiaus modeliai registruoja paveldo pasikeitimus ir potencialias pažaidas bei įgalina savalaikį žalų užkardymą. Aukščių skirtumų modeliai taip pat labai svarbūs vertinant karjerų ar kitų kintančio paviršiaus pokyčius. 3D skeneris tokioms užduotims yra nepakeičiamas instrumentas, o gauti duomenys – tikslūs. Matavimus atliekant įprastiniais geodeziniais metodais, gaunamos didžiulės paklaidos, gaištamas laikas, o surinkti duomenys nebus tokie išsamūs, kaip matuojant 3D skeneriu ar fiksuojant fotogrametriškai.

3D duomenų panaudojimas architektūrinio kultūros paveldo stebėsenai. Surinkti duomenys gali būti naudojami kultūros paveldo objektų stebėsenai, paveldo pokyčių dokumentavimui, galimoms modifikacijoms ir laiku prevencijai nuo žalos.

Deformacijų įvertinimui. Deformacijų žemėlapiai – dar vienas architektams aktualus produktas, išgaunamas iš 3D skenavimų. Pastarieji ypač aktualūs pastatų būklei įvertinti, tikslių matmenų užfiksavimui, gamybinių patalpų nusidėvėjimo ar rimtų, tačiau de visu nematomų kultūros paveldo objektų probleminių taškų ar paviršių užfiksavimui, analizei bei darbų planavimui.

BIM projektavimas. BIM (angl. building information modeling) – tai šiuolaikinio projektavimo metodologija, kurios pagrindą sudaro skaitmeniniai 3D duomenys, surinkti įvairiais metodais, įskaitant ir 3D lazerinį skenavimą. Pritaikius BIM, reikšmingai sumažėja brangių klaidų atvejų, pilna skaitmeninė dokumentacija leidžia efektyviai komunikuoti, o išlikęs pastato 3D dokumentas visada leis patikrinti norimą mazgą visais įmanomais pjūviais.

BIM metodologija leidžia efektyviai projektuoti bei vykdyti šiuolaikines statybas

3D skenavimo technologijos padeda architektams sukurti tikslų ir išsamų projektą, skatina kūrybiškumą bei efektyvų bendradarbiavimą su kitomis profesinėmis grupėmis. Ši technologija neabejotinai tampa nepakeičiamu įrankiu moderniame architekto arsenale, užtikrinančiu aukštą projektų kokybę ir taupančią laiką bei pinigus. Taškų masyvas – universali bazinė informacija, iš kurios galima sukurti pačių įvairiausių skaitmeninių produktų, tačiau iš tiesų architektas perka ne juos, o informaciją, aktualius duomenis ar esamos būklės dokumentą. Tokiu būdu, projektavimo darbas tampa greitesniu, tikslesniu ir kainuojančiu žymiai mažiau klaidų arba apskritai jų išvengiama.

Architektams vertėtų išmanyti 3D skenavimo technologijų teikiamas naudas, tačiau nebūtina patiems spręsti sudėtingų technologijos panaudojimo aspektų – tereikia suformuluoti tikslią užduotį ir darbus optimaliausiai atliks 3D skenavimo ir duomenų apdorojimo specialistai, kurių Lietuvoje vis daugėja, o rinka nuolatos auga. Ši skaitmeninė transformacija tik spartės ir ateityje.