Введение
В недавней статье-обзоре Д. Левина «Чем импортозамещается отечественный САПР?» приводится информация о том, что в области инженерного программного обеспечения основные переходы с западных решений уже выполнены. Отмечается, что с 2025 года многие заказчики стали считать российские решения экономически более выгодными при учёте полного жизненного цикла (лицензии, поддержка, обучение).
Программное обеспечение (ПО) для выполнения инженерных расчетов, в частности, геотехнических, оказалось в данном ряду.
Геотехнические расчёты являются неотъемлемой и важной частью процесса проектирования сооружений. На основании таких расчётов принимается проектное решение, определяется потребность в конструкциях и материалах и, в конечном счете, определяется стоимость и надёжность сооружения. Для инженера-геотехника необходимо иметь многофункциональный инструмент, обеспечивающий выполнение сложных расчётов взаимодействия конструкций и грунтов.
Исторически сложилось, что многие разработки геотехнического ПО относились, по большей части, к периоду существования СССР, а появление в 2000-х годах зарубежного программного обеспечения не способствовало развитию российских решений. При покидании рынка зарубежными правообладателями это создало некоторые трудности для российских инженеров-проектировщиков.
SiO 2D
Учитывая сложившиеся обстоятельства ООО «НИП-Информатика» разработала программное обеспечение SiO 2D для геотехнических расчётов. На сегодняшний день SiO 2D позволяет заместить зарубежные геотехнические программные продукты практически во всех отраслях строительства.
Программа SiO 2D нашла положительный отклик среди инженеров-геотехников РФ, что вселило в команду разработчиков дополнительную энергию в развитие и совершенствование названного ПО.
Пользовательский интерфейс SiO 2D
Количество пользователей SiO 2D насчитывает более 200 компаний и постоянно расширяется.
Программное обеспечение используется при проектировании гидротехнических сооружений — причалов, шламо- и хвостохранилищ; автомобильных и железных дорог; промышленных и гражданских зданий и их инфраструктуры; подземных сооружений и многих других видов конструкций, расположенных на грунте, в грунте или созданных из грунтовых материалов.
Поверхность скольжения и коэффициент запаса устойчивости в SiO 2D
Возможности программы позволяют выполнять расчёты напряжённого состояния, деформаций в виде перемещений ограждений котлованов и подпорных стен, осадки зданий, насыпей или дамб; оценивать надёжность сооружений за счёт определения степени запаса устойчивости.
Кроме того, для гидротехнических сооружений может быть выполнен расчёт стационарной или нестационарной фильтрации, учтена гидроизоляция или произведено моделирование её прорыва. При строительстве на слабых водонасыщенных грунтах в SiO 2D может быть выполнен расчёт консолидации для прогноза времени реализации осадки, а при необходимости сокращения времени консолидации есть возможность рассмотреть несколько вариантов мероприятий по ускорению консолидации, например, использование песчаных свай, ленточных дрен, временной пригрузки или частичной замены. Специальная функция для расчёта деформаций только при изменении жёсткости грунта (снижение модуля деформации) может быть использована при расчёте оттаивающих многолетнемёрзлых или просадочных грунтов, а также при выполнении расчётов влияния карстовых провалов.
Моделирование карстовых провалов в SiO 2D
Цифровые двойники
Одним из преимуществ использования численного моделирования является возможность использовать расчётную модель в качестве цифрового двойника объекта. Прежде всего это важно на этапе проектирования, поскольку именно геотехническая расчётная схема в SiO 2D позволяет, благодаря многофункциональному дереву стадий, не только моделировать последовательность строительства, но и провести расчёты разнообразных сценариев развития событий и сделать прогноз.
Не менее важным этапом является процесс мониторинга за строительством и эксплуатацией, который необходим для оценки корректности принятых проектных решений и надёжности работы сооружения. Грунтовое основание считается сложно прогнозируемой средой, поэтому расхождения расчётов и мониторинга неизбежны. При наличии расчётной геотехнической схемы путём обратного анализа можно внести коррективы и оценить необходимость дополнительных затрат на мероприятия по стабилизации или конструкции усиления.
Расчёт консолидации насыпи с дренами в SiO 2D
Использование расчётной схемы в SiO 2D в качестве цифрового двойника определяются разными факторами: во-первых, возможностями метода конечных элементов, который позволяет решать геотехнические задачи без значительных допущений и упрощений, свойственных расчётам вручную или аналитическими методами; во-вторых, возможностями современных комплексных моделей грунта, обеспечивающих более реалистичное моделирование грунтовых сред.
База моделей грунтов программы регулярно пополняется. Есть как простые модели, основанные на стандартных инженерно-геологических изысканиях и пригодные для предварительной оценки деформаций и определения степени надёжности в виде коэффициента запаса устойчивости, так и сложные комплексные модели, позволяющие создавать цифровые двойники сооружений и определять критерии для мониторинга. К таким моделям относится модель компрессионного уплотнения (Soft Soil) и модель с двойным упрочнением (Hardening Soil). Это обеспечивает универсальность SiO 2D как геотехнического инструмента: с одной стороны, можно использовать программу как простой расчётный модуль с типовыми исходными данными, что удобно для начинающих специалистов или для проектировщиков, которым требуется самостоятельно сделать оценочный расчёт; с другой стороны, для опытных пользователей есть возможность выполнять сложное моделирование различных конструкций, аварийных ситуаций или выполнять оптимизацию проектных решений для снижения стоимости строительства без снижения уровня надёжности.
Повышение производительности расчётов при проектировании
Интересно отметить опыт проектирования скоростной железнодорожной магистрали (ВСМ). Проектный институт, столкнувшийся с необходимостью выполнения большого объема расчётов, реализовал автоматизацию этого процесса, при подготовке расчётных схем используя электронные таблицы Excel в качестве первого приближения к полноценной цифровизации проектирования. Данные о геологическом строении подгружались из таблиц скважин, содержащих информацию о мощности слоёв и названия инженерно-геологических элементов (ИГЭ), физико-механические характеристики ИГЭ передавались в SiO 2D с помощью встроенных команд. На основании разработанного алгоритма в электронных таблицах производился анализ скважин и назначались требуемые варианты расчётов, например, при наличии слабого грунта на глубине — расчёты консолидации; на поверхности — замены.
Блок-схема процесса автоматизации создания расчётных схем при проектировании ВСМ
С помощью команд формировалось дерево расчётов, в котором содержится несколько независимых веток-сценариев: для расчёта напряжений и осадки, расчёта устойчивости, расчёта консолидации и для оценки эффективности конструктивно-технологических решений в виде замены грунта или свайного основания. Таким образом, работа пользователя сводилась к выбору расчётного сечения (пикета) по скважине, указанию высоты насыпи и переносу набора команд непосредственно в программу. После запуска команд в автоматическом режиме в SiO 2D производилось создание расчётной схемы, формирование последовательности стадий расчёта или веток расчётных случаев, выполнение расчёта и выгрузка основных результатов в таблицу. Такой подход обеспечил высокую скорость принятия решений при проектировании ВСМ и показал применимость автоматизации в процессе проектирования. Дальнейшая разработка API позволит полностью автоматизировать процесс управления подготовкой данных и расчётами в SiO 2D.
Среди многочисленных пользователей программы есть и другие примеры автоматизации расчётов и проектирования. Например, расстановка анкеров при проектировании инженерной защиты, подбор критического размера карстовой полости или расчёты осадки линейных сооружений по скважинам продольного профиля и т.п.
Показательным примером ускорения работы инженера с использованием SiO 2D является опыт Кажарского А. В., к. т. н., доцента кафедры «Строительство» Дальневосточного государственного университета путей сообщения, при решении самых разных практических задач в сложных инженерно-геологических условиях. Кажарский А. В. автоматизировал создание расчётных схем и перебор разных вариантов конструктивных решений в SiO 2D, например, при проектировании ограждений котлованов в городской застройке.
Котлован сложной геометрической формы с переменной длиной свайного ограждения требует выполнения нескольких расчётов по разным характерным сечениям. В программе Rhino может быть создана трёхмерная модель котлована с автоматическим созданием ограждающей конструкции по заданным параметрам: диаметр свай, шаг расстановки, глубина острия или длина и т. п.
Взаимодействие программ Rhino и SiO 2D
Геологическое строение площадки строительства относительно простое, что позволило построить трёхмерную геологическую модель в пределах зоны котлована по разрезам. После подготовки модели котлована в Rhino можно выбрать любое количество сечений на всех требуемых участках котлована и создать файлы формата *.dxf, подготовленные к импорту в SiO 2D. Таким образом, при проектировании решается задача многочисленных расчётов сечений сложных и больших в плане котлованов на основании быстрых двухмерных расчётов.
Стоит отметить, что в отличие от других геотехнических программ, в SiO 2D есть возможность моделировать конструктивные элементы, такие как шпунты, сваи, плиты и т. п., с учётом их нелинейной работы в соответствии с российскими нормативным документами. При этом процесс задания нелинейного поведения значительно упрощён для пользователя за счёт встроенной процедуры подготовки требуемых данных. Для железобетонных конструкций есть возможность учесть арматуру, что, опять же, в геотехнических конечно-элементных программах практически не встречается.
Заключение
В условиях непростой экономической ситуации в стране и в мире компании ООО «НИП-Информатика» удалось создать полнофункциональный программный продукт для импортозамещения в области геотехнических расчётов. SiO 2D вобрал в себя лучшие практики из различных расчётных программ и был дополнен опытом многолетней технической поддержки пользователей в части удобства и простоты изучения интерфейса. Программа имеет сертификат соответствия, который позволяет проходить экспертизу проектов, и состоит в реестре российского ПО. Результаты расчётов SiO 2D верифицированы на множестве задач, что обеспечивает уверенность пользователей в надёжности ПО при выборе проектных решений.
Помимо самой разработки программы, ООО «НИП-Информатика» ведёт активную работу по оказанию инженерам консультационно-методических услуг согласно самым современным и востребованным геотехническим практикам, но теперь уже в качестве разработчика собственной геотехнической программы. Сюда можно отнести обучающие курсы, видеоуроки, доклады на научных конференциях, учебное пособие для начинающих и опытных специалистов. Отдельно следует отметить базу знаний SiO 2D, в которой публикуются материалы, облегчающие не только работу в программе, но и понимание сложной и многогранной современной механики грунтов и геотехники.
Собственная разработка в сочетании с накопленным опытом технического сопровождения делают SiO 2D надёжным и практичным инструментом инженера-геотехника на каждый день. Учитывая большую разницу в области современной механики грунтов в зарубежной и отечественной практике, можно констатировать, что в области геотехнических расчётов импортозамещение происходит успешно, поэтому иностранные программы, не имеющие квалифицированной технической поддержки в РФ, вынуждены сдавать позиции.