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

Журнал: Огарев-online. – 2023. – №7. Раздел Технические науки → Выпуск 07 ссылка
Автор(ы): Антипов А. С., Антипова Д. Р., Уткина В. Н.

Аннотация.
Выполнено формирование информационной модели многоэтажного жилого здания в BIM-системе Renga. Проведен экспорт модели и расчет конструктивной системы здания в ПК Лира 10.12. Представлены результаты моделирования и проектирования.

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 y_f и назначению y_n 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.

Рис. 5. Перемещения по оси Z, мм.

Рис. 6. Перемещения по оси X, мм.

Рис. 7. Усилия М_х от РСН1, тсм/м.

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

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Уровень применения BIM в России 2019 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: bim_report_2019 (дата обращения 12.01.2023).
2. Якубов С. А. BIM технологии в России [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.cnews.ru/articles/2020-02-21_bim_v_rossiichto_ego_stimulirueta        (дата обращения: 12.01.2023).
3. Манин П. А. Искусственный интеллект (AI) для решения задач строительной индустрии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://youtu.be/C7dBPvcebqE (дата обращения 12.01.2023).
4. Renga – российская BIM-система для проектирования [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rengabim.com/ (дата обращения 12.01.2023).
5. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М.: Стандартинформ, 2019. – 150 с.
6. СП 430.1325800.2018. Монолитные конструктивные системы. Правила проектирования. – М.: Стандартинформ, 2019. – 67 с.
7. Проектирование зданий и сооружений в Renga Architecture [ Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://upport.ascon.ru/source/info_materials/Renga%20Architecrure_ posobie.pdf (дата обращения 12.01.2023).
8. Программный комплекс Лира 10.12: руководство пользователя / Ю. Д. Гераймович, И. Д. Евзеров, В. В. Киричок, А. В. Колесников и др. – М., 2021. – 857 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lira-soft/com / (дата обращения 12.01.2023).
9. Совместная работа Renga – Лира 10 – Видеокурс: видеоматериал [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=QbwKqx7ZZYs (дата обращения 12.01.2023).
10. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменениями № 1, 2). – М.: Стандартинформ, 2017. – 95 с.
11. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. – М.: Стандартинформ, 2017. – 162 с.
12. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. – М.: Стандартинформ, 2012. – 86 с.