В. А. ГАРБЕР,
д. т. н. (НИЦ ТМ АО «ЦНИИС»)

TIM (TUNNEL INFORMATION MODELING) — ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОННЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА. В ПРЕДЫДУЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОР ИЗЛОЖИЛ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ TIM-ТЕХНОЛОГИИ. ТЕПЕРЬ РАССМОТРИМ ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ.

Вкратце, методика включает в себя следующие компоненты:

  • алгоритм разработки и внедрения TIM в проектирование, строительство и эксплуатацию тоннельного объекта;
  • программное обеспечение для решения геотехнических задач в тоннеле- и метростроении;
  • организация работ по поэтапному внедрению TIMтехнологии.

Практически работа над TIM должна проходить в несколько этапов (по аналогии с BIM):

Создание 3D-модели объекта со всеми планами, видами, разрезами, необходимыми для раздела архитектурных решений. Все составляющие раздела загружаются автоматически.

Конструктор вводит созданную модель в программу, рассчитывающую требуемые параметры составляющих элементов объекта. Одновременно программа выдает рабочие чертежи, ведомости объемов работ, спецификации, производит расчет сметной стоимости. На основе полученных данных рассчитываются и вводятся в 3D-модель инженерные сети и их параметры.

При получении расчетных объемов работ специалистами разрабатываются проект организации строительства (ПОС) и проект производства работ (ППР), программой автоматически составляется календарный график выполнения работ.

В модель добавляются логистические данные о том, какие материалы и в какие сроки должны быть доставлены на территорию строительства.

По завершении строительства информационная модель может работать при эксплуатации объекта при помощи датчиков. Под контролем оказываются все режимы инженерных коммуникаций и возможные аварийные ситуации.

В данной статье рассмотрим более подробно вопросы добавления к 3D-моделям временных характеристик (4D-модель) и экономических характеристик (5D-модель).

4D-МОДЕЛЬ: РАСЧЕТ ВО ВРЕМЕНИ

Рис. 1. Процесс создания 4D-модели
Рис. 1. Процесс создания 4D-модели

4D-моделирование объединяет 3D-модель объекта и его календарный план строительства, таким образом, обозначая существование тех или иных элементов в определенном отрезке времени. Так формируется визуально подкрепленный календарный график работ, который можно сделать максимально подробным или же укрупненным. На рис. 1 схематически представлен процесс создания 4D-модели.

4D-модели могут быть использованы:

  • для стратегического проектного планирования на стадии оценки возможности реализации проекта;
  • для улучшения технической возможности реализации проекта и для определения преимуществ разных строительных процессов;
  • для временных аспектов строительства, координации и возможности технической реализации.

Последний процесс включает в себя понимание того, как и где подрядчик будет работать в определенный период времени, а также понимание поточного движения и состояния процесса строительства. На объекте подобные модели могут применяться для регулярной проверки текущего строительного процесса, и для сравнения фактического графика работ с запланированным для правильного менеджмента и оценки проекта.

Еще в 1980-х гг. в ЦНИИСе были осуществлены работы по оптимизации календарно-сетевого планирования работ по сооружению тоннелей.

Методика, реализованная на ЭВМ ЕС-1033, предназначалась для исследования как на стадии проектирования, когда требуется оценить эффективность заложенных в проект типов оборудования, технологических решений и организационных мероприятий с позиций наилучшего удовлетворения заданным срокам окончания и материально-трудовым лимитам строительства, так и в процессе сооружения тоннеля, позволяя оперативно реагировать на непредвиденные осложнения различного характера (трудности при проходке, неподготовленность фронта работ, перебои снабжения и т. д.).

Математически задача формулируется как выбор из общего числа N возможных работ такой последовательности К работ, которая обеспечивает достижение конечной цели — выполнение определенного объема работ — в минимальные сроки с соблюдением ограничений по L-видам ресурсов и по М-типам логических взаимосвязей между работами. Для решения поставленной оптимизационной задачи требуется подготовить следующую исходную информацию:

  • список возможных работ и их необходимый объем по основному тоннелю, вспомогательному тоннелю и прочим выработкам;
  • данные о наличии на строительстве и потребность в следующих ресурсах для каждого вида работ из общего списка, о проходческих бригадах, подземном автомобильном и рельсовом транспорте, поверхностном автотранспорте, щебне, песке, цементе, металле, сборной обделке, энергии;
  • логические взаимосвязи между работами списка, определяющие взаимную очередность начала работ и возможность вариантного проектирования;
  • плановые задания и средние месячные скорости для каждой работы из списка;
  • количественные и качественные характеристики изменчивости инженерно-геологических условий на трассе каждого забоя.

В изложенной постановке задач продолжительность работ по календарному графику Т (целевая функция) определяется выражением

при ограничениях

K i , K j ∈К, если KPR i ~ KPR j = 1 при наличии К i и K j в списке взаимоисключающих работ; K i ∈ К, если

где: PR i и SK i — задание по проходке и фактическая скорость проходки по i-му забою; RS ij — потребность i-й работы в j-м ресурсе; rS j — общее наличие j-го ресурса; К i и K j — i-я и j-я работы множества N; KPR i и KPR j — признаки окончания i-й и j-й работ, вошедших в множество K; KPP i — логическая характеристика взаимосвязей i-й работы.

Для решения поставленной оптимизационной задачи применен разработанный авторами метод направленного поиска нужной последовательности работ на базе их ранжирования по степени взаимозависимости. Всего для анализа принято 2N + 5 вариантов календарного графика. Критерием их оптимальности является минимум времени сооружения тоннеля.

Программа, реализующая данную методику на ЭВМ, обеспечивает выдачу на широкую печать кратчайших линейных календарных графиков работ после просмотра каждого из десяти возможных вариантов.

Применение методики проиллюстрируем на примере строительства тоннеля протяженностью 13 340 м, пуск которого назначен через 5 лет (Северомуйский тоннель БАМа).

Список возможных работ содержал 81 позицию, в том числе No 1—21 и No 22—31 по проходке буровзрывным способом и бетонированию основного тоннеля. Эти две группы работ отличаются длиной проходки, выполняемой при их осуществлении, и одновременно включены в список для обеспечения возможности вариантного сравнения различных последовательностей организации строительства. Работы No 32—52 предусматривают проходку параллельной основному тоннелю транспортной штольни (из них 15 механизированным щитом и 6 буровзрывным способом). Работы No 53—81 относятся к проходке четырех стволов, подходных вспомогательных выработок от них и сбоек между штольней и основным тоннелем.

В список включены три фиктивные работы, каждая из которых обозначает факт выполнения всего объема строительства по трем группам работ: основной тоннель — 13 340 м, вспомогательный тоннель — 13 295 м, прочие выработки — 2290 м.

В таблице исходных данных в графе «Задание по проходке» против некоторых работ ставят цифру ноль. Это означает, что выполнение данной работы не обязательно учитывать при подсчете общего выполненного объема работ, т. е. она является необязательной для достижения конечной цели.

Логические взаимосвязи указывают работы, которые:

  • могут начинаться независимо от любой другой работы;
  • могут начинаться после окончания какой-либо другой работы;
  • исключают одна другую в одном и том же варианте календарного графика, т. е. осуществляются на одном участке различными методами или при различной организации строительства.

Программа позволяла каждую из работ (забоев) разбить на 10 подучастков с изменяющимися условиями строительства. Задается длина каждого подучастка и коэффициент изменения средней скорости проходки.

Умножая этот коэффициент на величину заданной плановой (средней) скорости проходки по каждому забою, получают фактическую скорость проходки. Коэффициент изменения средней скорости по подучасткам задается экспертным путем. По изложенным в сокращенном виде исходным данным на ЭВМ был получен оптимальный календарный график строительства тоннеля.

В данном примере единственным лимитирующим ресурсом оказался подземный рельсовый транспорт, который должен обеспечивать одновременную вывозку породы из максимального количества забоев. Поэтому в календарном графике последовательность окончания одних и начала других работ в основном определяется возможностью маневрирования наличным подземным рельсовым транспортом.

ЧТО ТАКОЕ 5D-МОДЕЛЬ?

5D — это когда мы к модели 4D добавляем возможность осуществлять автоматический расчет объемов ресурсов и их стоимости. Основным достоинством 5D-модели является автоматический перерасчет стоимости при внесении изменений в видах и объемах ресурсов. Здесь уже заложены все нормативы по сметным расчетам, и, выделяя какой-либо элемент, мы можем узнать продолжительность строительства, объем, физический, компонентный состав и стоимость.

5D TIM — это информационная модель, включающая в себя, помимо прочего, стоимость проекта или любой другой исчисляемой характеристики.

Традиционный процесс формирования смет включал в себя следующий набор однотипных действий, независимо от специфики различных предприятий:

  • сбор и проверка данных по проектируемому объекту;
  • внесение информации в расчетные программы;
  • сопоставление видов работ и нормативов по расчетам;
  • сведение данных в единую смету.
4D-МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕДИНЯЕТ 3D-МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА И ЕГО КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН СТРОИТЕЛЬСТВА, ТАКИМ ОБРАЗОМ, ОБОЗНАЧАЯ СУЩЕСТВОВАНИЕ ТЕХ ИЛИ ИНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОПРЕДЕЛЕННОМ ОТРЕЗКЕ ВРЕМЕНИ. ТАК ФОРМИРУЕТСЯ ВИЗУАЛЬНО ПОДКРЕПЛЕННЫЙ КАЛЕНДАРНЫЙ ГРАФИК РАБОТ. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ЦНИИСА , В ЧАСТНОСТИ, ПОЗВОЛИЛО ПО ИЗЛОЖЕННЫМ В СОКРАЩЕННОМ ВИДЕ ИСХОДНЫМ ДАННЫМ НА ЭВМ ПОЛУЧИТЬ ОПТИМАЛЬНЫЙ КАЛЕНДАРНЫЙ ГРАФИК СТРОИТЕЛЬСТВА СЕВЕРОМУЙСКОГО ТОННЕЛЯ.
Самым затратным по времени и усилиям является этап по сбору данных и их проверке. В связи с тем, что каждая организация имеет свои подходы к подсчету, а данные для смет поступают от разных подрядчиков, этот процесс может занимать до 70% от общего времени работ.
Отсутствие единого формата входящих данных вынуждало специалистов каждый раз использовать различные способы для расчетов и также сильно влияет на качество работы, так как при ручном труде неизбежны разного рода ошибки.
Когда в этот процесс включается TIM-модель, технология принимает следующий вид:
  • формирование или подключение готовой базы норм и расценок;
  • получение TIM-модели сооружения и сведение в единое целое модели с базой норм и расценок;
  • проверка данных и выдача в формат сметной программы.
Имея в электронном виде нормативы на стоимость и время возведения конкретных конструкций, можно совместить две базы данных (по объекту и по нормам и расценкам) и получить удобный инструмент по формированию сметы прямых затрат.
Благодаря комплексному решению, возникающему из объединения в общую систему как сметы прямых затрат, так и календарного графика вместе с TIM-моделью, существующую 4D-модель можно «оживить» информацией по стоимости работ. Таким образом, будет получен мощный инструмент для анализа не только логистики, технологии производства работ, но и стройки как бизнес-процесса. Такую комплексную модель можно смело отнести уже к 5D-формату.
 
В конце 1980-х гг. в ЦНИИСе был разработан экспрессметод определения стоимости и трудоемкости тоннельного строительства.
На первой стадии проектирования тоннелей и метрополитенов часто возникает необходимость приближенной сравнительной оценки вариантов строительства по их стоимости и трудоемкости. Для этой цели применялись сборники укрупненных показателей, а сами расчеты делались вручную, что удлиняло сроки выполнения работы.
 
В отделении «Тоннели и метрополитены» ЦНИИСа в течение ряда лет проводили анализ основных процессов строительства тоннелей и метрополитенов. На основе этих работ были выведены эмпирические зависи¬мости, связывающие трудоемкость и стоимость строительства тоннельных сооружений различных видов со всей совокупностью факторов, влияющих на эти показатели. Коэффициенты, входящие в зависимости, получены на основе анализа ЕНиРов, ЕРЕРов и СНиПа на составление смет.
Проведенный анализ послужил основой для разработки экспресс-метода определения стоимости и трудоемкости тоннельного строительства в различных инженерно-геологических условиях. При этом были обеспечены:
  • максимальная простота подготовки исходных данных;
  • доступность и полнота выдаваемого результата расчета;
  • минимальное время, затрачиваемое на подготовку исходных данных, их кодировку для ввода в ЭВМ и минимальное время счета на ЭВМ;
  • удобная диагностика ошибок, возможных при подготовке исходных данных для расчета, локализация этих ошибок и зашита результатов расчета от их влияния. Для построения эмпирических зависимостей стоимости и трудоемкости от совокупности факторов, влияющих на их определение в соответствии с нормативами, был проведен системно-структурный анализ. В результате составлены обобщенные таблицы факторов для любой линии метрополитена и для любого горного тоннеля.
5D — ЭТО КОГДА МЫ К МОДЕЛИ 4D ДОБАВЛЯЕМ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЯТЬ АВТОМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ РЕСУРСОВ И ИХ СТОИМОСТИ. ПРОВЕДЕННЫЙ В ЦНИИСЕ АНАЛИЗ ПОСЛУЖИЛ ОСНОВОЙ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЭКСПРЕСС-МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТОИМОСТИ И ТРУДОЕМКОСТИ ТОННЕЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В РАЗЛИЧНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ. ОПЫТНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ МЕТОДА ПОКАЗАЛА ЕГО ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ДЛЯ ПРОЕКТНЫХ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ В МЕТРО- И ТОННЕЛЕСТРОЕНИИ.
Таблица, относящаяся к метрополитенам, включала в себя 106 факторов, объединенных в девять следующих групп, каждая из которых может подразделяться на смысловые подгруппы:
  1. Общая характеристика объекта строительства: категория пород по коэффициенту крепости; глубина заложения; высота засыпки (для открытого способа работ); водообильность пород.
  2. Материал конструкции.
  3. Тип конструкции.
  4. Тип схемы станции: колонной станции, односводчатой.
  5. Ширина платформы станции.
  6. Число проемов на станции.
  7. Способы сооружения: открытый или закрытый; методы проходки (разработки грунта); технологии возведения обделки.
  8. Способы водоподавления.
  9. Организация работ: количество одновременно работающих забоев; дальность возки грунта; скорость проходки.

Таблица, относящаяся к горным тоннелям, включала в себя 60 факторов, объединенных в восемь следующих групп, каждая из которых также может подразделяться на смысловые подгруппы:

  1. Тип обделки.
  2. Категория пород по коэффициенту крепости.
  3. Использование специальных способов: для горизонтальных выработок; для стволов.
  4. Технология проходки.
  5. Временная крепь: все виды, кроме анкерной и набрызг-бетонной; анкерная; набрызг-бетонная.
  6. Постоянная обделка: все виды, кроме монолитного бетона (железобетона); монолитный бетон (железобетон).
  7. Способы разработки грунта.
  8. Способ укладки бетона.

Результаты системно-структурного анализа позволили разработать математические модели стоимости и трудоемкости сооружения любой линии метрополитена и горного тоннеля, представленные функционалами вида:

где: Т р и С T — соответственно трудоемкость и стоимость сооружения линии метрополитена или горного тоннеля; k — количество объектов, входящих в проектируемую линию метрополитена или горного тоннеля; l — количество технологических операций, составляющих технологию сооружения i-объекта линии метрополитена и — функции зависимости или горного тоннеля; соответственно трудоемкости и стоимости j-й технологической операции i-гo объекта от факторов, входя) и щих в соответствующую таблицу; ( ) — совокупность факторов, входящих ( в соответствующую таблицу, от которых зависит соответственно трудоемкость и стоимость j-й технологической операции.

Физический смысл приведенных функционалов заключается в том, что стоимость и трудоемкость любого строительства представляют собой сумму стоимостей и трудоемкостей отдельных технологических операций, входящих в технологию сооружения каждого конкретного объекта проектируемой линии метрополитена или горного тоннеля.

Процесс вычисления значений приведенных функционалов был реализован в виде программы для ЭВМ ЕС-1033. Подготовка исходных данных к вычислениям и время расчета занимали незначительное время. Тем самым была достигнута требуемая эффективность экспресс-метода.

Опытная эксплуатация метода показала его перспективность для проектных и научно-исследовательских работ в метро- и тоннелестроении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Принципы описанных работ АО «ЦНИИС» (методика оптимизации календарно-сетевого планирования и экспресс-метод определения стоимости и трудоемкости) целесообразно использовать при создании цифровых моделей (TIM-технология) в проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов. В завершение следует отметить, что в связи с актуальностью разработки таких цифровых моделей журнал «Метро и тоннели» опубликовал в 2020 году по этой тематике две статьи. Одна посвящена применению ВIM при строительстве тоннеля Раштатт в Германии, а вторая описывает ВIM-модель на базе лазерного сканирования для одной из строящихся станций Московского метрополитена.
ИНФОРМАЦИОННОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

г. Санкт-Петербург, ул. Купчинская, д.30, корп.1
Тел: +7 (812) 905-94-36, +7 (931) 256-95-77