CC BY
74Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-17-23
Г.Г. БОЛДЫРЕВ1, д-р техн. наук ([email protected]); А.Ю. КОНДРАТЬЕВ2, магистр ([email protected])
1 ООО «НПП Геотек» (440068, г. Пенза, ул. Центральная, 1М) 2 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (440028, г. Пенза, ул. Титова, 28)
Информационные системы в строительстве
Представлены результаты разработки комплексной технологии инженерно-геологических изысканий, геотехнических исследований и проектирования оснований. Показано, что существующие в настоящее время информационные системы передачи и обработки данных, информационно-измерительные системы позволяют не только управлять процессом испытаний грунтов и обрабатывать данные испытаний, но и выполнять одновременно расчеты оснований по предельным состояниям. Современные методы полевых исследований грунтов, такие как статическое и динамическое зондирование, позволяют получать непрерывную информацию о физических и механических свойствах грунтов по глубине в пределах исследуемой площадки изысканий. Используя известные или местные корреляционные уравнения и измеренные параметры зондирования, находятся характеристики грунтов и выполняется расчет оснований зданий и сооружений непосредственно в полевых условиях. Предлагаемая цифровая технология объединяет в единый производственный процесс инженерно-геологические, геотехнические исследования и проектирование оснований сооружений. Результатом является сокращение сроков проектирования зданий и сооружений вследствие применения современных методов полевых испытаний грунтов с автоматизированным контролем процесса и интерпретации данных испытаний и последующих расчетов оснований по предельным состояниям.
Ключевые слова: инженерно-геологические и геотехнические исследования, проектирование оснований, аналитические и численные решения, цифровое моделирование зданий, цифровое моделирование рельефа, информационные системы, 3D-геотехника.
Для цитирования: Болдырев Г.Г., Кондратьев А.Ю. Информационные системы в строительстве // Жилищное строительство. 2019. № 9. С. 17-23. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-17-23
G.G. BOLDYREV1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]); A.Yu. KONDRATIEV2, Magistr (Civil Engineering), ([email protected])
1 LLC "NPP Geotek" (M, Centralnay Street, Penza, 440068, Russian Federation)
2 Penza State University of Architecture and Construction (28, Titova Street, Penza, 440028, Russian Federation)
Information Systems in Construction
The paper presents the results of the development of complex technology of engineering-geological surveys, geotechnical investigations and design of foundations. It is shown that the currently existing information systems for data transmission and processing, information and measurement systems make it possible not only to control the process of soil testing and process the test data, but also to perform simultaneous calculations of the bases by the limit states. Modern methods of in-situ tests of soils, such as cone penetration test and dynamic penetration test, make it possible to obtain continuous information about the physical and mechanical properties of soils in depth within the study area. Using known or local correlation equations and the measured parameters of sounding, the characteristics of the soil are found and the calculation of the bases of buildings and structures are made directly under the field conditions. The proposed digital technology combines engineering-geological, geotechnical investigations and design of the foundations of structures in a single production process. The result is a reduction in the design time of buildings and structures due to the use of modern methods of in-situ testing of soils with automated process control and interpretation of test data and subsequent calculations of the bases of buildings by the limit states.
Keywords: engineering-geological and geotechnical investigations, foundation design, analytical and numerical solutions, digital modeling of buildings, digital terrain modeling, information systems, 3D-geotechnics.
For citation: Boldyrev G.G., Kondratiev A.Yu. Information systems in construction. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 9, pp. 17-23. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-17-23
В последние годы в РФ обратили внимание на необходимость развития и использования цифровых технологий, в том числе и в строительной отрасли. В июле 2018 г. Президент РФ направил в Правительство РФ Поручение за № Пр-1235 по обеспечению
внедрения технологий информационного моделирования. Летом 2018 г. Минстрой объединил технические комитеты ТК 465 «Строительство» и ПТК 705 «Технологии информационного моделирования» с целью внедрения BIM (Building Information Modeling)
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
технологий в строительной отрасли. В 2017-2018 гг. разработаны и утверждены ряд национальных стандартов, а в сентябре 2019 г. выходят в свет несколько стандартов в области технологий информационного моделирования зданий и сооружений (https://bim-association.ru/wp-content/uploads/2019/07/СТАНДАР-Tbl_nyrA4EB_02.07.2019.pdf).
В настоящее время в РФ и за рубежом разрабатываются и используются на практике технологии информационного моделирования при проектировании и строительстве зданий и сооружений. Ниже приведены основные программные продукты, предназначенные для трехмерного (3D) моделирования зданий и сооружений на стадии проектирования строительных конструкций и инженерного обеспечения зданий и сооружений. Однако до сих пор как в РФ, так и за рубежом отсутствуют информационные модели оснований зданий и сооружений, необходимые при их проектировании. Проблемы их создания и применения на практике рассмотрены в работах [1-7].
В связи с этим цель настоящей работы заключается в представлении основных положений для разработки информационной модели оснований зданий и сооружений, которую можно классифицировать как трехмерное геотехническое моделирование (3D Geotechnical Building Information Modelling - GBIM). Основными элементами, которые необходимы для функционирования GBIM, являются цифровая модель рельефа местности с привязанными конструкциями строительного объекта и цифровая геологическая модель с инженерно-геологическими элементами и характеристиками грунтов, необходимыми для расчета оснований по предельным состояниям.
В общем случае цифровое моделирование строительного объекта должно включать не только цифровое моделирование конструкций здания, но и цифровую модель основания с необходимыми характеристиками грунтов для расчетов по предельным состояниям (деформации и несущей способности). Подобное можно реализовать в виде следующих четырех этапов: 3D моделирование конструкций здания - 3D моделирование поверхности участка строительства (ЦМР - цифровая модель рельефа) -3D инженерно-геологические изыскания и расчеты основания по предельным состояниям (GBIM) - 3D проектирование фундаментов и надземных конструкций.
Таким образом, GBIM является одним из элементов BIM, составными частями которой являются цифровая геологическая модель основания, характеристики грунтов и расчет оснований по предельным состояниям с использованием аналитических или численных решений.
18| -
3D цифровое моделирование рельефа поверхности участка строительства
В настоящее время инженер-геолог при составлении программы изысканий в подавляющем большинстве случаев не использует ЦМР, заменяя ее ситуационным планом проектируемого объекта для размещения выработок и мест полевых испытаний, в то время как данные 3D цифрового моделирования рельефа поверхности могут использоваться как для целей инженерно-геологических и геотехнических исследований, так и для привязки проектируемого объекта строительства. Создать цифровую модель рельефа местности и добавить строительные объекты можно в пакетах AutoCAD, MICROSTATION, 3D-Studio MAX, ZWCAD и др.
3D цифровое моделирование конструкций здания или сооружения
В качестве технологии построения трехмерной модели строительных конструкций часто используют программу ArchiCAD, которая предназначена для архитекторов, проектировщиков, инженеров-строителей и основана на технологии информационного моделирования (Building Information Modeling - BIM).
Не менее популярными для создания BIM модели являются программные комплексы Bentley, GraphiSoft ArchiCAD, Civil 3D, Allplan, T-Flex, Autodesk Revit и др.
Геотехническое информационное моделирование (GBIM)
В отличие от рассмотренных выше BIM технологий, которые применяются при создании цифровых моделей местности и строительных конструкций в области инженерно-геологических изысканий, до сих пор сбор и обработка данных исследований выполняются вручную с представлением в виде отчетов на бумажном носителе или в лучшем случае в цифровом виде в формате ASCII и XLS. Одновременно результаты определения стратиграфии грунтов представляются в графическом формате JPEG, BMP и др., в виде литологических колонок и двумерных или трехмерных разрезов.
Среди наиболее часто применяемых инженерами-геологами программ в России являются CREDO геология, GEOSimple, EngGeo, GEOTECH Геолог + GeoDraw, GeoniCS GEODirect и др. Следует отметить, что в большинстве отмеченных программ для графического построения двумерной или трехмерной геологической модели используются программы AutoCAD, MicroStation и NanoCAD.
Все отмеченные и иные известные программы ориентированы на хранение данных инженерно-геологических и геотехнических исследований и их обработку.
|9'2019
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Прибор трехосного сжатия в составе ИИСАСИС
Анализ отмеченных выше программ для геологов показывает, что все они имеют следующие недостатки:
- данные полевых и лабораторных испытаний вводятся в программы интерпретации данных испытаний ручным способом в соответствующие таблицы или через Excel;
- отсутствие процедуры автоматического определения характеристик грунтов из геологических и геотехнических исследований, необходимых для расчета оснований с использованием аналитических решений;
- отсутствие процедуры определения параметров моделей грунтов из геологических и геотехнических исследований, необходимых для расчета напряженно-деформированного состояния оснований с использованием численных методов;
- отсутствие связи между геологическими и геотехническими исследованиями и программами расчета оснований по предельным состояниям;
- отсутствие оценки неоднородности природного массива грунта и ее влияние на поведение строительных объектов;
- традиционное представление объемной модели в виде слоев грунтов, а не в виде цифрового поля характеристик грунтов;
Рис. 2. Полевые испытания грунтов винтовым штампом в составе ИИС ASIS Field
- представление данных исследований в виде отчета на бумажном носителе в формате docx или pdf.
Однако более существенным недостатком является невозможность передачи данных инженерно-геологических исследований в цифровом виде из отмеченных выше геологических программ в геотехнические программы.
Программы геотехнического уровня, например Plaxis, Flac, Z-soil, MidasGTS и др., выполняют расчет оснований, используя данные инженерно-геологических и геотехнических исследований. Как правило, решение различных инженерных задач в геотехнических программах связано с ручным вводом характеристик грунтов непосредственно в программы или с использованием соответствующей процедуры конкретной конечно-элементной программы.
Технические средства GBIM
Большинство требуемых физико-механических характеристик грунтов для информационно-геотехнического моделирования можно определить из лабораторных и полевых испытаний грунтов. Результаты испытаний представляются в формате ASCII или XLS и могут быть переданы для последующей обработки в другие программы, например Geotek Report или Geotek Field.
Для определения механических характеристик дисперсных и скальных грунтов в лабораторных условиях предлагается использовать информационно-измерительную систему ИИС АСИС (рис. 1). ИИС АСИС сертифицирована Госстандартом РФ как средство измерения и включена в реестр промышленной продукции. В настоящее время ИИС АСИС - это совокупность средств измерения и набора управляющих и вычислительных программ для
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 3. Ситуационный план здания и расположение выработок
измерения физических величин и интерпретации данных лабораторных испытаний грунтов с целью определения их деформационных и прочностных характеристик.
Исследования свойств грунтов в полевых условиях предлагается выполнять с использованием информационно-измерительной системы ИИС ASIS Field, которая представляет собой совокупность средств измерения и набора управляющих и вычислительных программ (Geotek Field) для измерения параметров испытаний и интерпретации данных испытаний грунтов с целью определения прочностных и деформационных характеристик грунтов (рис. 2). Вид и количество измеряемых параметров испытаний зависят от используемого метода испытаний и
соответствующего технического устройства: статическое и динамическое зондирование, испытания винтовым штампом и вращательным срезом и др.
ASIS Field принимает сигналы в цифровом виде с датчиков устройств для полевых испытаний грунтов, преобразовывает их в физические величины, выполняет определение типа грунта [8-10], определяет различные физические и механические характеристики грунтов: линейную скорость погружения в грунт устройств; скорость вращения бурового инструмента. Усилие подачи и другие параметры силового воздействия контролируются и управляются через обратную связь с механизмом бурового станка.
Программные средства GBIM
Значения характеристик грунтов находятся с использованием соответствующих корреляционных уравнений (статическое и динамическое зондирование) или классических решений механики грунтов (винтовой и плоский штампы, вращательный срез, прессиометр). Для определения характеристик грунтов предлагается использовать программу Geotek Field.
Geotek Field - программное обеспечение для интерпретации данных: статическое и динамическое зондирование; испытания винтовым или плоским
Удельное сопротивление под конусом
2 -
4 -■ 6 8 -10 12
14 -
16
Удельное сопротивление по муфте трения
Модуль деформации, МПа
2 4 6 8 10 12 14 16
0 2 4 6 8 10 qc, МПа
2
4-
6
0 100 200 300 0 10 20 30 40 50 60
Гв, МПа Е, МПа
Рис. 4. Профили измеряемых параметров зондирования (а) и вычисляемая характеристика грунта в виде модуля деформации (б)
10
12
14-
16-
Индекс типа грунта
2
4
6
10
12
14
16
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Тип грунта SBTn Robertson1990
-СТТ-Т
Супесь
Песок
Супесь
Суглинок
Супесь
Рис. 5. Литологическая колонка по одной из выработок: а — индекс материала; б — тип поведения грунта [10]
а
а
0
0
8
8
0
2
3
4
Научно-технический и производственный журнал
штампами и др. Geotek Field принимает данные полевых и лабораторных испытаний грунтов, определяет физические и механические характеристики грунтов и выполняет расчет оснований зданий и сооружений по деформации и несущей способности.
В качестве примера на рис. 3 показан ситуационный план здания с местами статического зондирования. Для позиционирования мест испытаний можно использовать как относительные, так и географические координаты. Формирование ситуационного плана начинается с загрузки растровой подложки. Подложка может состоять из одного или нескольких изображений. Могут использоваться пользовательские файлы, а также загружаться с картографических сервисов Google и Яндекс.
После позиционирования бурового станка на заданной выработке выполняется бурение скважин с отбором монолитов грунта или статическое зондирование. При завершении процесса зондирования автоматически определяются характеристики грунтов на текущей выработке. Пример определения модуля деформации показан на рис. 4.
Цифровая геологическая модель
Основной задачей инженерно-геологических и геотехнических исследований является создание расчетной геомеханической модели основания (ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний»). Традиционно геомеханическая модель представляет собой трехмерный массив грунта, состоящий из различных инженерно-геологических элементов и набора нормативных и расчетных характеристик грунтов. В дальнейшем будем называть ее геологической моделью.
Для создания геологической модели необходимо провести следующие работы:
1. Анализ инженерно-геологических изысканий предшествующих лет.
2. Определение наименования грунтов по данным статического зондирования и построение лито-логической колонки.
3. Комплекс лабораторных и полевых исследований свойств грунтов.
4. Двух- или трехмерная цифровая визуализация характеристик грунтов.
На рис. 5 показан пример определения наименования грунтов и построения литологической колонки по одной из выработок используя данные статического зондирования [10]. Литологические колонки можно использовать для построения инженерно-геологического разреза, который отображает слои грунта различного типа, называемые инженерно-геологическими элементами.
Одной из существующих проблем является определение границ инженерно-геологических элементов, которые часто инженер-геолог находит субъективно, в особенности при наличии линз или выклинивании слоев грунта. Данную неопределенность можно устранить, если использовать не инженерно-геологические элементы, а цифровое распределение характеристик грунтов между выработками. Для этого нужно рассчитывать пространственные распределения характеристик грунта по дискретным значениям этих характеристик, получаемых в
Рис. 6. Двумерная визуализация распределения модуля деформации Е=Е(х,у,1) между выработками по Шепарду
Рис. 7. Расчет осадки, крена и коэффициента жесткости основания
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
выработках, например используя функцию интерполяции Шепарда [13] или Крига [3] и Мазерона [14]. Далее, рассчитав распределения характеристик грунтов, можно использовать их при расчете оснований и фундаментов в соответствии с действующим СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» и др.
На рис. 6 приведены примеры цифрового распределения модуля деформации по разрезу между выработками номер № 1 и № 5, полученные в программе Geotek Field. Аналогичную визуализацию можно получить как для распределений параметров прочности сил удельного сцепления с и угла внутреннего трения у, так и для других характеристик грунтов. Тип требуемой характеристики грунтов определяется используемым методом расчета оснований по предельным состояниям.
Расчет оснований по предельным состояниям
Согласно СП 22.13330.2016 проектирование оснований зданий и сооружений следует выполнять по двум группам предельных состояний - по деформации и несущей способности. В большинстве случаев определяющим является расчет оснований по деформации, который заключается в определении расчетной осадки здания и сравнении ее с предельно допускаемой осадкой. В обоих случаях расчета по предельным состояниям необходимо знать характеристики грунтов, тип которых зависит от принятого метода расчета. Если известно распределение модуля деформации в основании проектируемого здания и основные размеры фундамента, нагрузки на основание, то легко выполнить расчет осадки фундамента, крен фундамента или здания и найти значения коэффициента жесткости основания (рис. 7) [15]. Вычисления выполняются автоматически, последовательно для каждой выработки полевым компьютером, который входит в состав оборудования буровой установки. На рис. 7 кружочками на плане здания показаны места статического зондирования (№ 1 - № 5), а квадратиком - места динамического
Список литературы
1. Болдырев Г.Г., Барвашов В.А., Идрисов И.Х., Хря-нина О.В. Комплексная технология инженерно-геологических изысканий // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2017. Т. 8. № 3. С. 22-33.
2. Konietzky H. Geotechnical Building Information Modelling. TU Bergakademie Freiberg, Geotechnical Institute. 2019. 12 p.
22I -
зондирования конусом (№ 7). Данные зондирования пробоотборником на выработке № 6 не были включены в расчет. Изолинии коэффициента жесткости основания (КЖО, т/м3) показаны в нижнем левом окне, а численные значения - в таблице в правой нижней части экранной формы.
Расчет осадки по каждой выработке был выполнен методом послойного элементарного суммирования (СП 22.13330.2016), значения сжимаемой толщи (м) и осадки (см) показаны в таблице в нижней части экранной формы. Дополнительные напряжения в основании от внешней нагрузки определяются методом угловых точек или из решения Буссине-ска при произвольном в плане очертания плитного фундамента. В последнем случае план фундамента покрывается прямоугольной сеткой с заданным размером. В рассматриваемом случае размер сетки принят равным 1 м. Найденные значения коэффициента жесткости основания могут быть переданы в цифровом виде в программу ЛИРА с целью определения внутренних усилий в конструкции гибкого фундамента.
Заключение
Рассмотренное состояние использования BIM технологий иллюстрирует важность включения данных инженерно-геологических исследований в BIM процесс.
Предлагаемая информационная технология объединяет в единый производственный процесс инженерно-геологические исследования и проектирование оснований зданий и сооружений и может быть использована как один из элементов в составе цифровых информационных систем зданий и сооружений.
Технология информационного моделирования позволяет сократить сроки и повысить качество инженерно-геологических исследований вследствие автоматизации процесса лабораторных и полевых испытаний грунтов, определения характеристик грунтов с одновременным расчетом оснований зданий и сооружений по предельным состояниям.
References
1. Boldyrev G.G., Barvashov V.A., Idrisov I.Kh., Khryanina O.V. Integrated technology of geotechnical survey. Vestnik PNIPU. Stroitel'stvo i arkh-itektura. 2017. Vol. 8. No. 3, pp. 22-33. (In Russian).
2. Konietzky H. Geotechnical Building Information Modelling. TU Bergakademie Freiberg, Geotechnical Institute. 2019. 12 p.
|9'2019
Научно-технический и производственный журнал
3. Krige D.G. A statistical approach to some basic mine valuation problems on the Witwatersrand // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 52 (6). 1951, pp. 119-139.
4. Matheron G. Principles of geostatistics. Economic geology. 58 (8). 1963, pp. 1246-1266.
5. Möller O., Mahutka K.-P. BIM in der Geotechnik -Konzeptpapier, Hochschule 21, Buxtehude, Technical Report, 2018. No. 10. 18 p.
6. Morin G. Geotechnical BIM: Applying BIM principles to the subsurface, Autodesk University, TR-21042. 2018. 10 p.
7. Tawelin L.R., Mickovski S.B. The implementation of geotechnical data into the BIM process // Procedia Engineering, 143. 2016, pp. 734-741.
8. Болдырев Г.Г. Руководство по интерпретации данных испытаний методами статического и динамического зондирования для геотехнического проектирования. М.: Прондо, 2017. 476 с.
9. Lunne T., Robertson P.K., Powell, J.J.M. Cone penetration testing in geotechnical practice. Blackie Academic. Chapman-Hall Publishers, U.K.; available from EF Spon. Routledge Pub., New York. 1997. 312 p.
10. Robertson P.K., Cabal K.L. Guide to Cone Penetration Testing for Geotechnical Engineering. 2010. 138 p.
11. Барвашов В.А. О геометризации слоистых грунтовых массивов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2006. № 5. С. 8-12.
12. Шейнин В.И., Артемов С.А., Сарана Е.П., Фаво-ров А.В., Гаршин П.А. Формализация инженерно-геологической информации и ее подготовка для использования в компьютерных геотехнических расчетах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2005. № 6. С. 13-18.
13. Shepard D. A two-dimensional interpolation function for irregularly-spaced data. Proc. of the 23 ACM National Conference. ACM Press. New York. 1968, рp.517-524.
14. Matheron G. Principles of geostatistics // Economic geology. 1963. 58 (8), pp. 1246-1266.
15. Барвашов В.А., Болдырев Г.Г., Уткин М.М. Расчет осадок и кренов сооружений с учетом неопределенности свойств грунтовых оснований // Геотехника. 2016. № 1. С. 12-29.
3. Krige D.G. A statistical approach to some basic mine valuation problems on the Witwatersrand. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 1951. 52 (6), pp. 119-139.
4. Matheron G. Principles of geostatistics. Economic geology. 1963. 58(8), pp. 1246-1266.
5. Möller O., Mahutka K.-P. BIM in der Geotechnik -Konzeptpapier, Hochschule 21, Buxtehude, Technical Report. 2018. No. 10. 18 p.
6. Morin G. Geotechnical BIM: Applying BIM principles to the subsurface, Autodesk University, TR-21042. 2018. 10 p.
7. Tawelin L.R., Mickovski S.B. The implementation of geotechnical data into the BIM process. Procedia Engineering. 2016.143,pp. 734-741.
8. Boldyrev G.G. Rukovodstvo po interpretatsii dannykh ispytanii metodami staticheskogo i dinamicheskogo zondirovaniya dlya geotekhnicheskogo proektirova-niya [Guidance on the interpretation of test data by static and dynamic sounding methods for geotechni-cal design]. Moscow: Prondo. 2017. 476 p.
9. Lunne T., Robertson P.K., Powell, J.J.M. Cone penetration testing in geotechnical practice. Blackie Academic. Chapman-Hall Publishers, U.K.; available from EF Spon. Routledge Pub., New York. 1997. 312 p.
10. Robertson P.K., Cabal K.L. Guide to Cone Penetration Testing for Geotechnical Engineering. 2010. 138 p.
11. Barvashov V.A. Geometrization of laminated soil masses. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika grun-tov. 2006. No. 5, pp. 8-12. (In Russian).
12. Sheinin V.I., Artemov S.A., Sarana E.P., Favo-rov A.V., Garshin P.A. Formalization of geologic-engineering information and its preparation for use in computerized geotechnical analyses. Osnovani-ya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2005. No. 6, pp. 13-18. (In Russian).
13. Shepard D. A two-dimensional interpolation function for irregularly-spaced data. Proc. of the 23 ACM National Conference. ACM Press. New York. 1968, рp. 517-524.
14. Matheron G., Principles of geostatistics. Economic geology. 1963. 58 (8), pp. 1246-1266.
15. Barvashov V.A., Boldyrev G.G., Utkin M.M. Calculation of sediment and roll of structures, taking into account the uncertainty of the properties of soil bases. Geotekhnika. 2016. No. 1, pp. 12-29 (In Russian).
