В. А. ГАРБЕР, д. т. н.;
Н. Н. СИМОНОВ, к. т. н.;
А. А. КАШКО, к. ф-м. н.;
Д. В. ПАНФИЛОВ, к. т. н.
(Филиал АО «ЦНИИС» НИЦ «Тоннели и метрополитены»)
В СТАТЬЕ НАМЕЧЕНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ТОННЕЛЬНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ (TUNNEL INFORMATION MODELING — TIM), В КОТОРУЮ ИЗВЕСТНАЯ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ BIM-
ТЕХНОЛОГИЯ (BUILDING INFORMATION MODELING) ДОЛЖНА ВОЙТИ КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ.
ВВЕДЕНИЕ
Концепция ВIМ (Building Information Modeling) в США и Европе развивается с 1970-х гг. В нашей стране есть свой конструктив — концепция цифровых моделей объекта (ЦМО) и технологических линий автоматизированного проектирования — датируется 1977 годом. В настоящее время формируются национальные стандарты (нормативная база) по информационному моделированию в строительной отрасли. А еще в декабре 2014 года Правительством РФ был утвержден план поэтапного внедрения технологий информационного моделирования в ПГС, где BIM и реализуется преимущественно. Организация жизненного цикла проектов транспортного строительства имеет схожие признаки и допускает теоретическую возможность для внедрения и сопровождения BIM-технологий применительно, в частности, к тоннелестроению.
У BIM много преимуществ: от ускорения проектных работ и строительства до экономии средств. Прежде всего, создается удобная визуализация проекта, который в формате 3D можно рассмотреть со всех сторон. При этом правки, вносимые в проект, не будут вызывать удорожания проектных работ и увеличения сроков их выполнения, поскольку BIM позволяет автоматически отследить цепочку изменений во всех разделах и оперативно внести их. Еще одно преимущество BIM — высокое качество проектной документации, получаемое за счет автоматиче- ских проверок и устранения некоторых нестыковок.
ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ И РОССИЙСКАЯ СИТУАЦИЯ
Строительная отрасль массово переходит на цифровые технологии в глобальном масштабе. Так, Великобритания уже с 1 апреля 2016 года перешла на стандарты BIM. Это означает, что к участию в государственных тендерах допускаются только подрядчики, освоившие соответствующие технологии. Во многом это стало возможно благодаря тому, что все участники рынка — не только регуляторы, но и строительно-подрядные организации — активно участвовали в процессе разработки стандартов и критериев BIM. Предпосылкой послужила возможность сэкономить до 20% необязательных затрат на каждом проекте и способствовать дальнейшим инновациям.
Великобритания — не единственная страна, которая взяла курс на обязательность использования BIM. Аналогичные решения были приняты в Испании. Там с 2018 года все проекты в госсекторе должны реализовываться с использованием BIM. Франция, Германия, Дубай и другие страны тоже движутся по аналогичному пути.
В Великобритании, где проделана большая работа в этом направлении, BIM применяется не только в рамках проектирования коммерческой и транспортной недвижимости, но и в дорожной отрасли. Так, недавно был реализован проект по строительству объездной дороги с использованием BIM в Рочестере. В результате удалось существенно снизить риски и повысить эффективность работ. Чтобы создать модель с минимальными рисками для строительства, используются фотограмметрические технологии и лазерное сканирование. Они позволяют, к примеру, оптимизировать конструкцию моста или выверить модели подземных сооружений. В лондонском проекте Crоssrail, считающемся сейчас крупнейшим строительным проектом Европы, как раз сначала были созданы лазерные сканы реальных тоннелей, которые потом перенесли на «цифровые рельсы» с миллиметровой точностью.
Что касается Crossrail, то в ходе его проектирования уже сгенерировано большое количество BIM- и САПР- моделей для 650 тыс. объектов. В единой среде работает около 10 тыс. человек. Сам заказчик считает, что это хорошая возможность снижения затрат и повышения управляемости в проекте. К единому источнику информации имеют доступ все: от инженеров до юристов, финансистов, подрядчиков и логистов. В результате удалось на $13 млн сократить объемы дополнительных расходов на проект и избежать серьезных ошибок в процессе моделирования.
Когда в Великобритании уже реализуют проекты национального масштаба, в России только прорабатываются нормативные акты использования BIM. Стандартная методология проектирования объектов дорожного строительства предписывает начать процесс со сбора данных непосредственно с площадки. Речь идет о геологических изысканиях, лазерном сканировании, аэрофотосъемке и т. д. Это, в частности, позволяет выявить имеющиеся на строительной площад- ке коммуникации и учесть их в ходе проектирования с упором на действующие регламенты и нормы. Для создания BIM (ТIM), однако, нужна соответствующая целостная нормативно-техническая база (включающая в себя сортаменты, типы конструкций и т. п.) на государственном уровне.
Концепция единой рабочей среды позволяет учесть все особенности будущего объекта и даже спрогнозировать возможные последствия недоучета проектных изменений. Аналогично решаются все вопросы, связанные с документооборотом, договорными отношениями и бюджетированием.
Таким образом, BIM (ТIM) — это система, основанная на единой базе данных по отечественным нормам,с которой одновременно работают различные специалисты и информация из которой отображается с помощью активной ЗD-графики.
В последующем спроектированная единая модель объекта может быть связана с системой автоматизированного управления компьютеризированной строительной техникой. Это делается для минимизации рисков возникновения ошибок на площадке, сокращения времени простоя оборудования, контроля качества.
А добавив возможность работы с мобильных устройств и передачу данных с удаленных датчиков на стройплощадке в диспетчерский пункт, получаем возможность обмена информацией между всеми этапами строительства и оперативного решения возникающих проблем.
ПРИНЦИПЫ ИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Создание информационной модели транспортного сооружения основано на следующих принципах (см.: Антонюк А. А., Чижов С. В. «Принципы информационного моделирования транспортных сооружений». Интернет-журнал «Науковедение», т. 9, No3, 2017):
- инфраструктурный принцип, который объединяет этапы пространственного развития территории, учитывая при этом не только ее наземные, но и подземные особенности (грунтовые условия, подземные сооружения, инженерные сети), с решением конкретных прикладных задач для повышения функциональный ценности и потребительских качеств сооружения;
- принцип замкнутого цикла, который характеризует период существования объекта (рис.1);
- экономический принцип, определяющий долгосрочное планирование при оценке затрат, т. е. эффективность проекта в долгосрочной перспективе за счет рационального использования отводимых под возводимое сооружение территорий.
В зависимости от сложности (уникальности) объекта и способов разработки, накопления и обработки данных формируется информационная модель х, используемая специалистами на определенных этапах жизненного цикла здания или сооружения (рис.1).
Особенности BIM-модели строительного объекта:
- модель полностью отображает структуру жизненного цикла для соответствующего здания и сооружения;
- в состав модели включается определенное количество информации, которое определяется действующей нормативной базой и является обязательной по отношению к рассматриваемому объекту строительства;
- результаты накопления и обработки данных (база данных) на определенном этапе жизненного цикла объекта строительства являются исходной информацией для принятия решений для последующих этапов, связанных с его эксплуатацией, реконструкцией и утилизацией.
Основной особенностью технологии информационной модели (BIM) является возможность управлять стоимостью, безопасностью и надежностью сооружения в интерактивном режиме.
ПРЕПЯТСТВИЯ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ BIM В ТРАНСПОРТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
К настоящему времени особенности применения BIM-технологии не только показали свою состоятельность (на теоретическом уровне и на практических примерах), но и стали предметом обсуждения (на государственном уровне) именно в качестве инновационного метода для развития строительной отрасли.
Вместе с тем адаптация и широкое внедрение BIM-технологии в транспортное строительство сдерживается рядом причин.
К числу объективных факторов можно отнести:
- отсутствие современных программных отечественных продуктов, не позволяющие интегрировать информационные модели с системами спутникового позиционирования;
- несоответствие нормативной базы для внедрения BIM-технологий в практику изысканий, проектирования и строительства транспортных сооружений, а также в систему организации их строительства;
- отсутствие отечественных баз данных по строительным конструкциям, нормам и правилам, необходимых для внедрения BIM-технологий;
- отсутствие отечественных средств разработки необходимых баз данных;
- заметно меньший объема рынка продукции транспортного строительства, по сравнению с промышленным или гражданским строительством;
- инерция в эффективном освоении средств и возможностей организационного, аппаратного и программного обеспечения различными категориями участников процесса формирования и эксплуатации возведенных объектов;
- определенная неготовность государственных регуляторных органов к законодательному (процедурному) сопровождению BIM-технологии для разработки строительной продукции.
К числу субъективных факторов можно отнести определенный разрыв в квалификации и качестве информационного взаимодействия между группами специалистов по BIM, которые инициировали процесс внедрения и постоянно совершенствуют практические навыки, и остальными
участниками процесса, которые только приступают (возможно, при недостаточном уровне собственной мотивации) к практическому освоению новой технологии.
Таким образом, сфера транспортного строительства (в формате линейно-протяженных строительных объектов и/или специальных технологических сооружений, например мостов, тоннелей, эстакад) не обеспечена полным (для всех этапов жизненного цикла рассматриваемых
объектов) сопровождением, которое можно было бы характеризовать как современный вариант BIM-технологии.
ЧТО ТАКОЕ TIM — И В ЧЕМ ОТЛИЧИЕ ОТ BIM?
TIM — это информационная трехмерная (3D) цифровая модель проектирования, строительства и эксплуатации тоннельного объекта или, другими словами, сложно организованная база данных по тоннельному объекту, информация из которой представляется, анализируется и изменяется с использованием 3D-графики.
Не надо путать термин TIM с недавно появившимся и используемым в России термином ТИМ (технология информационного моделирования), в настоящее время используемым в программе «Цифровая экономика», которая была разработана Министерством связи и массовых коммуникаций и в июле 2017 года утверждена Правительством РФ.
Основное отличие BIM состоит в том, что предметом цифрового моделирования в TIM-технологии является не какой-то единичный наземный объект (здание, сооружение, комплекс), а протяженный непрерывный тоннельный объект с изменяющимися вдоль него характеристиками, фактически являющийся геотехнической системой «грунтовый массив — тоннельный объект — наземное сооружение, находящееся в зоне строительства подземного объекта».
К настоящему моменту времени усилия специалистов, привлекаемых к процессу формирования и обслуживания продукции транспортной инфраструктуры, сводятся к адаптации разработанных универсальных программных комплексов для решения прикладных, специализированных задач строительства.
В табл. 1 приведен возможный вариант последовательности осуществления инфраструктурного проектирования тоннельного сооружения (по материалам сайта Autodesk).
Возможный вариант последовательности осуществления инфраструктурного проектирования тоннельного сооружения
| Наименование этапа (периода) жизненного цикла | Тип данных | Вид представления |
|
Эскизное проектирование
|
архивная документация; база данных |
графический (2D, 3D) / текстовый |
|
Строительные изыскания:
|
то же + геодезические, геофизические данные |
графический (2D, 3D) / текстовый |
|
Проектирование:
|
то же + расчетные данные |
графический (2D, 3D) / текстовый |
|
Строительство:
|
то же + проектные данные |
графический (2D, 3D) / текстовый |
|
Эксплуатация:
|
то же |
графический (2D, 3D) / |
СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ TIM-МОДЕЛЕЙ В ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
НИЦ «Тоннели и метрополитены» АО «ЦНИИС», начиная с 1995 года, осуществляет работы по обеспечению эксплуатационной безопасности действующих объектов Московского метрополитена, находящихся в зоне сооружения новых объектов городской инфраструктуры. Осуществляются геотехнические расчеты систем «породный массив — подземное тоннельное сооружение — возводимые наземные объекты городской инфраструктуры».
За прошедшие 23 года было осуществлено цифровое моделирование около 400 объектов городской инфраструктуры и, соответственно, подземных тоннельных объектов.
Для проведения указанных геотехнических расчетов использовались программные комплексы PLAXIS, FLAC-3D, Z-SOIL.
Большинство расчетов осуществлялись в плоской постановке (2D), поскольку в этих случаях для выработки рекомендаций по обеспечению эксплуатационной безопасности сооружений метрополитена достаточно было ориентировочной картины напряженно-деформированного состояния (НДС) тоннельных конструкций. Однако для отдельных сложных и крупных объектов требовалось более тщательное исследование возникающих напряжений и деформаций в конструкциях тоннелей. Поэтому здесь осуществлялось пространственное (3D) моделирование системы «породный массив — подземное тоннельное сооружение — объект городской инфраструктуры». Указанные 3D-модели могут служить отправной точкой для разработки TIM.
На рис. 2–8 приведены примеры пространственного численного моделирования системы «породный массив — уникальный подземный объект». В этих геотехнических расчетах наземные объекты, находящиеся в зоне моделируемых подземных, задавались в виде силового воздействия на породный массив и подземноесооружение (без детализации их конструкции). Данное обстоятельство объясняется тем, что целью проектировщиков являлось обеспечение эксплуатационной безопасности исключительно подземных объектов.
На этих рисунках приведены расчетные математические модели сложных многосвязных подземных объектов: станции метрополитена глубокого заложения пилонного и колонного типа, наклонный (эскалаторный) тоннель, «проходящий» через слои грунтового массива с различными физико-механическими характеристиками и различной степенью обводнения.
Показаны также математические модели объектов более простой (односвязной) конфигурации: перегонные тоннели метрополитена кругового поперечного очертания и подземный пешеходный переход прямоугольного поперечного очертания.
Как видно из этих рисунков, модель включает в себя пространственные конечные элементы вмещающего породного массива и 2- и 3-мерные конечные элементы, моделирующие подземную конструкцию (тоннельная и станционная обделка, стены и т. п.).
Для создания TIM, возможно, потребуется стыковка математического моделирования подземных объектов с цифровой ВIM-моделью наземного объекта.
Кроме того, требуется необходимая детализация конструкций подземных сооружений с указанием всех необходимых физико-технических и экономических характеристик каждого элемента.
Также необходимо в составе TIM отразить реологические свойства грунтового массива, позволяющие учитывать изменение его физико-механических характеристик в зависимости от процесса продвижения забоя (проходки).
Еще одним существенным свойством TIM-модели должна быть возможность учитывать нарушения технологии строительства (например, дефекты (пустоты) контактного слоя «грунт-обделка»).
При разработке TIM следует учесть многолетний экспериментальный опыт по изучению горного давления к. т. н. Б. Н. Виноградова, который доказал, что осадки дневной поверхности над строящимися и построенными подземными сооружениями продолжаются в течение одного года после окончания строительства. Этот факт говорит о стабилизации напряженно-деформированного состояния (НДС) породного массива, которую необходимо учесть при разработке TIM.
На рис. 9 приведена гипотетическая TIM- модель системы «породный массив — подземное сооружение — наземный объект».
Следует также отметить важность разработки в ходе создания TIM банка (базы) данных всех существующих подземных объектов отрасли. Но это — отдельная большая тема.
