г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 385 Строительные конструкции
В данное работе рассмотрен вопрос комплексного обследования несущих конструкций зданий и сооружений с применением BIM-технологий (Building Information Model) и систем автоматизированного проектирования (САПР). Освещены ключевые задачи, решаемые в ходе оценки технического состояния зданий, сооружений и застройки, попадающей в зону влияния нового строительства. Предложен системный подход к оценке технического состояния зданий и сооружений. Данный подход и используемый инструментарий позволяет повысить эффективность производства работ по обследованию зданий и сооружений и снизить последующие эксплуатационные издержки. Произведен анализ и расчетное обоснование наиболее эффективных вариантов предотвращения сверхнормативных осадок зданий и сооружений в период нового строительства в городских условиях плотной застройки. Разработаны рекомендации по комплексному обследованию зданий и сооружений, в том числе попадающих в зону влияния нового строительства с применением BIM-модели и расчетной модели на основе метода конечных элементов.
комплексное обследование здания, BIM-модель, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, расчетная модель, САПР.
Введение. Стремительный рост объемов вводимого в эксплуатацию жилья в России связан как со строительством новых объектов, так и с капитальным ремонтом и реконструкцией зданий, не отвечающих действующим требованиям нормативно-технической документации. Значительная часть зданий, подвергающихся реконструкции располагается в условиях плотной городской застройки, что накладывает определенные сложности на стадии проектирования и производства строительно-монтажных работ. К числу ключевых этапов, предшествующих проектированию, ОТНОСЯТСЯ комплексное обследование несущих конструкций и грунтов основания реконструируемых зданий и застройки, попадающей в зону влияния строительства.
Основной целью комплексного обследования зданий является оценка категории технического состояния несущих и ограждающих конструкций и зданий целом. В ходе работ устанавливают дефекты и повреждения, причины их появления, степени физического и морального износа. Результатом обследования становится комплекс рекомендаций, обеспечивающих дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта. Полученная информация является исходными данными для уточнения и расчета зоны влияния нового строительства в случаях реконструкции зданий и сооружений [1–3].
На практике обследователи часто сталкиваться с проблемой полного отсутствия исходных данных (проектная и рабочая документация, исполнительная документация, паспорта БТИ, отчеты ранее выполненных обследований) и разрозненностью данных (отчеты о ранее выполненных обследования разработаны разными организациями), данные факторы существенно увеличивают трудоемкость и издержки на выполнение текущих обследовательских и обмерных работ. Несмотря на наличие нормативного документа, регламентирующего порядок обследования – ГОСТ 31937-2011, довольно часто приходится сталкиваться с субъективными трактовками разных специалистов о категории технического состояния строительных конструкций, классификации и причинах появления дефектов.
Таким образом, отсутствие единого подхода к проведению обследования зданий, единого формата обработки, представления и дальнейшего применения полученной в ходе обследования информации значительно осложняет пользование данными результатами, в том числе на этапах проектирования, реконструкции и последующей эксплуатации объекта. В процессе эксплуатации здания происходит масса событий: изменений в структуре здания, изменение эксплуатационных нагрузок, надстройки, пристройки, все данные разрознены и их сложно структурировать.
Методология. В настоящем исследовании продемонстрировано применение комбинации программных продуктов и методов обследования, позволяющих достичь повышения эффективности выполнения обследовательских и обмерных работ, снизить сроки на их реализацию. Предлагаемая методика успешно апробирована более чем на 100 объектах различного назначения – жилые, общественные, объекты здравоохранения, спортивные сооружения.
Использование технологий информационного моделирования (BIM) в повседневной деятельности обследователя в совокупности с системами автоматизированного проектирования (САПР) дает значительные преимущества не только на этапе проектирования, но и на последующих этапах жизненного цикла зданий.
По сути BIM-модель – это база данных, которая в процессе жизненного цикла пополняется необходимой информацией. Создание такой модели происходит как раз на этапе обследования объекта, сюда же заносятся данные о дефектах и повреждениях строительных конструкций, элементов, узлов, в последствии появляется возможность отслеживания выявленных ранее дефектов, их динамики. В дальнейшей работе использовались методы визуального и инструментального контроля, получены данные также вносились в BIM-модель.
Получив информационную модель здания появляется возможность экспорта в расчетные программные комплексы. При проведении исследования для построения и анализа расчетной модели применялся метод конечных элементов. В приведенных примерах использованы ЛИРА-САПР PRO, ZSOIL, MIDAS GTS NX.
Основная часть. Применение и активное развитие BIM-технологий в повседневной деятельности строительных компаний уже не новинка, это тренд последних 3–5 лет. Уже сегодня действует несколько СП регламентирующих «правила игры» для пользователей BIM-модели, определены основные термины и определения, несомненно, будущее за BIM-технологиями [4–6].
Основные этапы исследования выражены в следующей последовательности действий, выполняемы в процессе обследования зданий и сооружений:
- Изучение и анализ исходно-разрешительной, проектной, рабочей, исполнительной и иной документации.
Уже на данном этапе приходится сталкиваться с рядом сложностей – отсутствие технической документации, нечитаемостью или ветхостью документации. В большинстве случаев необходимо восстановление и разработка графической части документации, это и есть старт создания BIM-модели, которая дополняется необходимой информацией в процессе обследования объекта. Результатом данной работы в зависимости от целей обследования является обмерные чертежи, 3D-модель с уровнем проработки модели LOD 100 и LOD 200. В качестве ключевого программного продукта использовался Autodesk Revit. Примеры реализованных в ходе исследования объектов представлены на рис. 1.
|
а |
б |
|
|
|
Рис. 1. BIM-модель объектов обследования:
а – вид 1; б – вид 2
- Составление Программы работ обследования зданий, попадающих в зону влияния нового строительства/реконструкции.
Сутью данного этапа является анализ исходной геоподосновы, рекогносцировка местности, установление факта наличия на местности зданий и сооружений, попадающих в зону влияния нового строительства/реконструкции, выбор оптимальных методов проведения работ. Схемы зон влияния нового строительства представлены на рис. 2.
- Инженерно-техническое обследование несущих конструкций, в том числе фундаментов и основания.
Один из ключевых этапов работ, именно здесь производится сбор и обработка основных параметров строительных конструкций, последующее наполнение и детализация BIM-модели. К числу получаемых параметров относятся: прочность бетона, каменной кладки и раствора, схемы армирования железобетонных элементов, химический состав стали, геометрические размеры, физико-механические характеристик грунтов. Кроме этого, проводится сплошной обмер всех строительных конструкций, элементов, узлов и помещений. Здесь уровень проработки BIM-модели достигает LOD 300 и LOD 400, результатом становится комплект чертежей марки АР и/или КР.
|
|
Рис. 2. План-схема с указанием предварительной зоны влияния строящегося объекта на окружающую
застройку
Неотъемлемой частью данного этапа является фотофиксация факта выполнения работ, выявленных повреждений строительных конструкции и дефектов, их величины (прогиб, ширина раскрытия трещин, крен, осадка). В проводимых исследованиях на ряде объектов апробирован метод фотограмметрии с целью получения BIM-модели. Последовательность работ включала в себя фотосъемку камерой высокого разрешения, постобработку снимков и получение облака точек, сшивка облака точек и последующая разработка BIM-модели. Основными достоинствами данного метода является достаточная точность параметров обследуемых объектов в рамках конкретных задач, снижение трудоемкости работ [7–10].
Еще одним вариантом решения поставленной задачи, а именно, получение исходных данных для создания BIM-модели, является применение дрона для получения фотоснимков труднодоступных объектов или комплекса объектов. Последующие операции аналогичны, как и для наземной фотосъемки. Одним из недостатков данного подхода является жесткий регламент получения разрешения для полетов над г. Москвой, ограниченность разрешенных зон полета. Примеры облака точек полученного в результате съемки объекта дроном представлены на рис. 3.
|
а |
б |
|
|
|
Рис. 3. Облако точек, полученное на основе съемки дроном:
а – вид 1; б – вид 2
- Разработка расчетной модели объекта и анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) объекта.
Работы данного этапа базируются на полученных данных в ходе инженерно-технического обследования. В большинстве случаев на апробированных объектах выполнялось моделирование объекта обследования, анализ НДС и поверочные расчеты несущих конструкций. Расчет НДС выполнен с применением программного комплекса ЛИРА-САПР PRO. Фрагмент расчётной модели показан на рис. 4.
|
а |
б |
|
|
|
Рис. 4. Расчетная модель в программных комплексах:
а –ЛИРА-САПР PRO; б – САПФИР
- Моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния грунтового массива, в том числе анализ нескольких вариантов усиления грунтового массива с целью обеспечения сохранности и безопасной эксплуатации зданий и сооружений, попадающих в зону влияния строительно-монтажных работ.
Дополнительно при оценке зоны влияния нового строительства/реконструкции производилось численное моделирование как в плоской постановке, так и в трехмерной. В качестве примера на рис. 5 представлены результаты расчета НДС методом конечных элементов (МКЭ) с помощью программного комплекса MIDAS GTS NX, апробированного при строительстве большого числа строительных объектов. Грунтовая среда моделировалась на основе нелинейной упруго-пластической модели Мора-Кулона (Mohr-Coulomb).
- Формирование технического заключения, с выводами и рекомендациями по устранению выявленных дефектов и повреждений.
Финальной точкой становится техническое заключение, концентрирующее в себе результаты все проделанной работы. Важной частью заключения являются корректно и однозначно сформированные выводы о техническом состоянии всех несущих конструкций, в том числе фундаментов и основания, и здания в целом. Предложенная и апробированная методология проведения работ, используемый инструментарий и САПР (Autodesk Revit, ЛИРА-САПР PRO, ZSOIL, MIDAS GTS NX) дают возможность сделать это с высокой точностью.
Выводы. В результате выполненных исследований предложена методология выполнения инженерно-технического обследования несущих конструкций зданий, сооружений и застройки, попадающей в зону влияния нового строительства/реконструкции, позволяющая сократить сроки работ, повысить их точность, снизить издержки, за счет применения технологичного оборудования. Главным преимуществом является получение BIM-модели объекта с высоким уровнем проработки и возможность ее дальнейшего применения на всех этапах жизненного цикла здания (эксплуатация, реконструкция, снос).
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
|
|
|
Рис. 5. Расчетная модель в программных комплексах: а, б – ZSOIL; в, г - MIDAS GTS NX
1. Allen B. The Future of BIM is Not BIM and It's Coming Faster Than You Think. 2016. URL: evolvebim.com/single-post/2016/11/21/The-Future-of-BIM-is-Not-BIM-and-Its-Coming-Faster-Than-You-Think (дата обращения: 12.02.2019).
2. Бедов А.И., Знаменский В.В., Габитов А.И. Оценка технического состояния, восстановление и усиление оснований и строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. В 2-х частях. Ч.I. Обследование и оценка технического состояния оснований и строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. Под ред. А.И. Бедова: Учеб.пос. М: Изд-во АСВ, 2014. 704 с.
3. Малахова А.Н., Малахов Д.Ю. Оценка несущей способности строительных конструкций при обследовании технического состояния зданий: учебное пособие; М-во образования и науки Рос. Федерации, Нац. Исследоват. Моск. гос. Строит. ун-т. 2-е изд. Москва: НИУ МГСУ, 2016. 96 с.
4. Дубинин Д.А., Набок А.А., Харин В.А., Лаврентьева Л.М. Преимущества использования и развития отечественного BIM: системы для трехмерного проектирования Renga // Инженерный вестник Дона. 2017. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2017/4334.
5. Alderton M. 3 Keys That Will Unlock the Future of BIM in Buildings, 2017. URL: auto-desk.com/redshift/future-of-bim (дата обращения: 12.02.2019).
6. Kuchinskas S. 3 Top Trends Show Green-Building Technology on the Rise. 2018. URL: autodesk.com/redshift/green-building-technology (дата обращения: 12.02.2019).
7. Усатая А. Информационные технологии строительного контроля. 2018. URL: blog.infars.ru/informacionnye-tehnologii-stroitelnogo-kontrolya (дата обращения: 12.02.2019).
8. Иванов М. О внедрении BIM технологий в регионах. 2018. URL: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=20181 (дата обращения: 12.02.2019).
9. Mohd-Nor M.F.I., Grant M.P. Building in-formation modelling (BIM) in the malaysian architecture industry. WSEAS Transactions on Environment and Development. 2014. 10. Pp. 264-273.
10. Papadonikolaki E., Vrijhoef R. and Wamelink H. The interdependences of BIM and supply chain partnering: empirical explorations // Architectural Engineering and Design Management. 2016. Vol. 12. №. 6. Pp. 476-494.
