Информационное моделирование и проектирование многоэтажного жилого здания с использованием российского программного обеспечения

Цифровизация строительной отрасли является приоритетной для государства на современном этапе. По данным интернет источников число компаний, использующих BIM-технологии, значительно увеличилось в последние годы. Во многих отраслях строительства, таких как гражданское, промышленное, гидротехническое, проходит процесс трансформации, связанный с отказом от традиционных методов проектирования. На фоне этого возрастает острая необходимость создания в короткие сроки инновационных способов реализации проектов [1–3].

Одним из самых перспективных направлений, поддерживаемых государством на законодательном уровне, является информационное моделирование зданий и сооружений, которое имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными методами. Использование технологий информационного моделирования позволяет конкретно продумать эффективность архитектурных и конструктивных решений объектов, создать сложные строительные проекты с возможной корректировкой данных, в разы облегчить выпуск рабочей документации, существенно сократить количество ошибок и коллизий, а также осуществить контроль над объектом на всех этапах его жизненного цикла. Важно грамотно научиться использовать огромные преимущества информационного моделирования при создании проектов.

Цель данной работы: формирование информационной модели и проектирование многоэтажного жилого здания с использованием российского программного обеспечения. Основные задачи исследования: создание информационной модели здания в BIM-системе Renga; экспорт модели в универсальный программный комплекс Лира 10.12; выполнение МКЭ расчёта конструктивной системы здания; анализ полученных результатов.

В настоящее время существует много программных комплексов для информационного моделирования зданий и сооружений: ArchiCAD, Renga, Revit, Allplan и другие. Приостановка работы в России ряда поставщиков иностранного программного обеспечения вносит свои корректировки в глобальные планы по цифровизации строительной отрасли. Необходим переход на BIM-системы российского производства. Ярким примером отечественного программного обеспечения является BIM-платформа Renga, которая позволяет создавать информационные модели зданий, различные инженерные конструкции и коммуникации, а также выводить чертежи и спецификации из полученной модели. Разработкой, развитием и продвижением системы занимается российское предприятие «Renga Software» [4].

Объектом проектирования является 16-этажный жилой дом с подвалом и техническим чердаком. Обеспечение архитектурных решений здания в значительной степени основывается на соответствующем конструировании, отвечающем как функциональным, так и художественно-эстетическим замыслам проектировщиков. Жилой дом имеет прямоугольную форму в плане с размерами 21,60 × 22,35 м. Высота здания – 50,92 м, высота типовых этажей – 2,80 м. Конструктивная система многоэтажного здания – монолитная ствольно-стеновая, состоит из вертикальных и горизонтальных несущих элементов (фундамента, стен, плит перекрытий и покрытия). Фундамент свайный с плитным ростверком.

Материалы конструкций принимаются в соответствии с действующими сводами правил [5; 6]. Наружные стены подвала запроектированы из монолитного железобетона толщиной 300 мм. Материал наружных стен подвала и фундамента – бетон тяжелый класса В25 по прочности на сжатие, марок W6 по водонепроницаемости и F150 по морозостойкости. Внутренние стены подвала, стены надземной части, стены лифтовых шахт и лестничных клеток – толщиной 200 мм. Материал внутренних несущих стен – бетон класса В30 по прочности на сжатие, марки F75 по морозостойкости. Арматура во всех стенах стержневая горячекатаная периодического профиля класса А500С по ГОСТ Р 52544-2006, гладкая А240 по ГОСТ 5781-82*. Плиты перекрытия запроектированы из монолитного железобетона толщиной 160 мм, плита покрытия над техническим этажом и плита перекрытия машинного помещения – толщиной 200 мм. Материал плит – бетон класса В25 по прочности на сжатие, марка по морозостойкости – F100; арматура стержневая горячекатаная периодического профиля класса А500С по ГОСТ Р 52544-2006.

Создание модели здания средствами, реализующими технологию информационного моделирования, рекомендуется выполнять в трехмерном пространстве. Проектирование модели в Renga начинается с построения осей и типового этажа на рабочем уровне [7].

Несущие конструкции здания моделируются с помощью соответствующих инструментов. Задаем основные параметры стен (материал, толщину, высоту), вызвав инструмент «Стена». Строим стены этажа необходимой толщины и с учетом параметров привязки к координационным осям, а затем – окна и двери. Для создания лестницы и ее ограждения можно воспользоваться инструментами «Лестница» и «Ограждение». Настроив все параметры, выполняем построение конструкций в соответствии с заданием. Создание перекрытия и проема в нем производим с помощью инструментов «Перекрытие» и «Проем».

На рисунке 1 представлена пространственная модель типового этажа здания.

Рис. 1. 3D-модель типового этажа.

Для того чтобы создать 2 – 16 этажи, удобно использовать копирование типового этажа. Правильность выполненных действий легко проверить в 3D-виде.

Полученная в системе Renga информационная архитектурная модель проектируемого здания представлена на рисунке 2. Планы, фасады, разрезы и другие виды создаются из нее автоматически. Следует отметить высокую скорость создания 3D-модели и наполнения ее информацией.

Рис. 2. Информационная модель проектируемого здания в системе Renga.

Расчет строительных конструкций и сооружений можно выполнить с помощью многофункциональных программных комплексов, базирующихся на методах строительной механики. Получить точное аналитическое решение уравнений механики, отражающих напряженно-деформированное состояние многочисленных элементов конструкции, практически не реально. Поэтому подобные системы уравнений решаются приближенно с помощью численных методов. С этой целью в ПК ЛИРА 10.12 используется метод конечных элементов (МКЭ) в перемещениях. Программный комплекс ЛИРА 10.12 является современным инструментом технологии информационного моделирования и позволяет осуществлять интеграцию с передовыми BIM-платформами: Autodesk Revit, Tekla, Model Studio CS, Renga и другими [8].

В версии ПК ЛИРА 10.12 появился плагин для передачи BIM-модели из системы Renga. Создана информативная форма процесса экспорта для основных структурных типов элементов. При этом выводится журнал сопоставления материалов и сечений конструкций, при необходимости их можно изменить [9]. В ПК Лира 10.12 открывается аналитическая модель здания. Каждому конструктивному элементу из графического комплекса соответствует архитектурный элемент, если это колонна или балка – стержень; для стены, фундаментной плиты и перекрытия – пластина. Архитектурный элемент обладает необходимыми жесткостными характеристиками для расчета, такими как сечение и материал. На рис. 3 представлена аналитическая модель здания, которая получена после экспорта из системы Renga в ПК Лира 10.12.

Рис. 3. Аналитическая модель конструктивной системы здания в ПК Лира 10.12.

Автоматическая триангуляция модели на конечные элементы выполняется с учетом заданных параметров (метода и шага). Стены и плиты перекрытий разбиваются на универсальные конечные элементы оболочки КЭ 42, КЭ 44, балки представлены стержневым элементом КЭ 10. Расчетная схема здания состоит из 496924 конечных элементов и 470679

узлов (рис. 4).

Выполняется моделирование различных видов нагрузок: постоянной, длительной и кратковременной. Состав и величины учтенных в расчетной модели нагрузок и воздействий, а также коэффициенты надежности по нагрузке у у и назначению у _п принимаются по СП 20.13330.2016 [10] и техническому заданию. Сформировано 15 загружений, которые включают собственный вес несущих конструкций, постоянные нагрузки от пола и кровли, перегородок и наружных ненесущих стен, временные нагрузки на перекрытии и покрытии, снеговую и ветровую нагрузки. Созданы основные расчетные сочетания нагрузок и усилий.

Рис. 4. Конечно-элементная схема конструктивной системы здания.

Для учета взаимодействия работы сооружения с грунтом основания задаются геологические условия площадки строительства, по которым выполняется автоматическое построение модели грунта под проектируемым зданием с последующим вычислением коэффициентов постели или жесткости элементов, моделирующих работу свай с помощью нового конечного элемента 57 – «Свая». Появление этого конечного элемента значительно расширяет возможности программного комплекса при расчете зданий на свайных фундаментах. Реализованы положения СП 22.13330.2016 и СП 24.13330.2011 [11; 12]. Геологические условия, а также физико-механические характеристики грунтов основания задаются в «Редакторе грунта» [8].

Заполняем таблицу с характеристиками грунта, в которую вносим основные параметры для каждого ИГЭ (инженерно-геологического элемента). Расставляем сваи и скважины согласно схеме их расположения на площадке строительства, задаем параметры для расчета условного фундамента и определяем осадки основания, коэффициенты постели, глубину сжимаемой толщи, усредненный модуль деформации, несущую способность свай.

Основным этапом решения задачи методом конечных элементов является формирование и решение системы канонических уравнений относительно неизвестных узловых перемещений. Жесткости сечений конструкций и их соединений вычисляются программой в соответствии с их геометрическими параметрами и физическими характеристиками материалов, с учетом условий работы конструкций, вводимых в расчетную модель.

Выполняем статический расчет пространственной модели здания с учетом совместной работы несущих конструкций, фундамента и основания. После успешного расчета переходим в режим «Результаты расчета». На рис. 5 – 8 представлены некоторые результаты определения перемещений в узлах и усилий в элементах конструкций, проверки устойчивости системы.

1. Сочетание ’ Пользовательское сочетание' min= -39.1(3 8617): max= -29.3(440682)

Рис. 5. Перемещения по оси Z, мм.

о

2. Сочетание ' Постоянное -Длительное -Ветер X-ПШ1= 1.0(440882); тах=24.6(2091)

НСН

Рис. 6. Перемещения по оси X, мм.

1. Сочетание' Пользовательское сочетание min=-21.3(445304);max=37.7(452201) РСН

Рис. 7. Усилия М х от РСН1, тсм/м.

1..1. Форма потери устойчивости 1

Коэффициент запаса: 32.1

Рис. 8. Первая форма потери устойчивости от РСН1.

Неравномерность перемещений по оси Z и наибольшие их значения на 16-ом этаже можно объяснить изменением осадки опор плит и различным укорочением вертикальных элементов в общей схеме здания. Горизонтальные перемещения системы зависят от направления и значения ветровой нагрузки и с повышением ветрового давления увеличиваются по высоте здания. Наблюдается характерная картина изменения изгибающих моментов в монолитных плитах перекрытий: на опорах моменты имеют отрицательный знак, в пролетах – положительный.

Определены основные эксплуатационные параметры монолитной конструктивной системы здания: горизонтальные перемещения верха, перекосы этажных ячеек, прогибы плит перекрытий, коэффициенты запаса устойчивости, максимальная осадка фундамента, относительная разность осадок и другие.

В таблице представлены результаты сравнения основных расчетных эксплуатационных параметров конструктивной системы здания с допустимыми значениями.

Полученные значения основных параметров не превышают допустимых значений, установленных нормативными документами.

Таблица

Сравнение основных эксплуатационных параметров конструктивной системы здания с допустимыми значениями

Наименование параметра	Полученное значение	Предельно допустимое значение	Наименование источника
Горизонтальное перемещение верха конструкции по X, см	2,45	5,10	СП 430.1325800; п.6.2.9
Горизонтальное перемещение верха конструкции по Y, см	0,32	5,10
Перекос этажных ячеек, см	0,30	0,93	СП 20.13330.2016; приложение Д, таблица Д.4
Прогиб плиты перекрытия 1-го этажа, см	0,25	3,33	СП 20.13330.2016, приложение Д, таблица Д.1
Прогиб плиты перекрытия 5-го этажа, см	0,25	4,13
Средняя осадка фундамента, см	3,59	15	СП 22.13330.2016, приложение Г, таблица Г.1
Относительная разность осадок фундамента	0,0007	0,003
Коэффициент запаса устойчивости формы	32,10	> 2	СП 430.1325800; п.6.2.11

Выводы . В настоящее время, в связи со сложившейся ситуацией в стране, необходим переход на отечественное программное обеспечение. BIM- платформа Renga и ПК Лира 10.12 представлены в Едином реестре российских программ, успешно используются для моделирования, расчета и проектирования многоэтажных и высотных зданий, имеют доступную стоимость лицензионных профессиональных версий и не подвержены рискам санкций.

В данной статье были продемонстрированы основные этапы создания информационной модели многоэтажного жилого дома из монолитного железобетона с применением BIM- системы Renga и универсального расчетного программного комплекса Лира 10.12. Пространственная модель здания из системы Renga экспортировалась в ПК Лира 10.12. По данным инженерно-геологических исследований на площадке строительства разработана модель грунта. Проведен общий расчет конструктивной системы здания методом конечных элементов на эксплуатационные нагрузки и определены перемещения, усилия и напряжения. Прочность, пространственная жесткость и устойчивость многоэтажного здания и его отдельных конструкций в стадии эксплуатации обеспечены. Реализация передачи информационной модели в ПК Лира 10.12 без потери данных значительно ускорила процесс проектирования.