BIM и металлоконструкции: некоторые примеры

Юрий Елтышев, председатель Новосибирского клуба инженеров-изобретателей

Александр Кириллов, инженер-архитектор

Владимир Талапов, руководитель Учебного центра «Интеграл»

Эта статья продолжает цикл авторских публикаций об информационном моделировании зданий (BIM). С предыдущей статьей цикла можно ознакомиться здесь.

Внедрение BIM в реальную проектную практику давно уже стало весьма популярной и наиболее обсуждаемой в кругах проектировщиков темой. Как следствие, появились и некоторые экзотические точки зрения о том, что в BIM нельзя проводить расчеты, технологию лучше отрабатывать на собачьих будках, BIM подходит только архитекторам и т.п. Мы же задались вопросом: «А как обстоят дела у простых проектировщиков, причем разного уровня?»

Приведенные ниже примеры являются реальными иллюстрациями к вопросу о внедрении BIM, они позволят также лучше понять предназначение и способы взаимодействия некоторых программ. Но у них есть одна общая черта – главную роль во всех этих проектах играют металлоконструкции.

Проект котельной

Эта дипломная работа по специальности «Проектирование зданий», выполненная в НГАСУ(Сибстрин) в 2011 году, представляет проект автоматизированной газовой котельной мощностью 20 МВт для города Обь Новосибирской области. Она выполнена по технологии BIM с помощью программ Revit Structure, Revit Architecture и Robot Structural Analysis. Согласно требований к дипломным работам в данном проекте студентами разработаны только архитектурная и конструктивная части, затронуты экономика и организация строительства. Остальные разделы выполнялись сотрудниками ОАО «СИАСК». В настоящее время проект, ставший в какой-то степени типовым, уже неоднократно реализован.

Рис.1. Стилизованное под ручную графику изображение проектируемой котельной.

Исходя из технологических процессов, происходящих в котельной, ее мощности, определились геометрические характеристики здания и тип конструкций. Металлический каркас здания и башни-опоры под дымовые трубы создавались в программе Revit Structure. При этом элементы каркаса сразу реализовались как компоненты электронной библиотеки со всеми характеристиками данного типа металлического профиля по ГОСТу. В свойствах таких элементов (например, колонн) были отображены геометрические характеристики поперечного сечения колонны, моменты инерции и моменты сопротивления относительно главных осей сечения, длина и многое другое. Здесь же можно задать марку стали, присвоить данному типу маркировку, производителя, стоимость и прочее. Вся эта информация затем автоматически используется в спецификациях.

Создавая из библиотечных элементов каркас здания, мы автоматически создаем и расчетную схему. В дальнейшем необходимо лишь задать тип сопряжения в узлах (жесткое, шарнирное), типы опор, тип работы элементов в конструкции, здесь же можно приложить все действующие на здание нагрузки.

Затем расчетная схема со всей содержащейся в ней информацией передается из Revit Structure в программу Robot Structural Analysis, где выполняется ее расчет.

Рис.2. Общий вид расчетной схемы каркаса котельной в Robot Structural Analysis.

В результате можно получить значения внутренних усилий для каждого элемента, как в виде таблицы, так и в виде эпюр, а также значения напряжений, деформаций элементов и перемещений в узлах. Здесь же подбирается, исходя из напряжений и работы элемента, его поперечный профиль из списка библиотечных элементов, которые полностью соответствуют Российским нормативным документам. Из результатов работы над моделью в Robot Structural Analysis автоматически создается отчет о расчете конструкции со ссылками на СНиПы и СП.

Рис.3. Результат расчета по подбору поперечных сечений элементов каркаса в Robot Structural Analysis

По результатам расчетов автоматически производилась корректировка модели каркаса в Revit Structure (элементам присваивались типы профилей, полученных при расчете).

Рис.4. Общий вид металлического каркаса в Revit Structure.

По завершении этого этапа у нас имеется полноценная модель металлического каркаса здания котельной со всей необходимой информацией для создания комплекта рабочих чертежей марки КМ.

Рис.5. Один из листов рабочей документации, выполненной в Revit Structure.

Для выполнения архитектурной части проекта модель каркаса была передана в программу Revit Architecture (здесь основными инструментами являются уже не строительные, а архитектурные конструкции: стены, окна, двери, кровля, лестницы, полы, ограждения и т.д.). Здесь были созданы навесные стены, сэндвич-панели, окна, двери, отверстия под вывод дымовых труб, проемы для решеток и прочее.

Рис.6. Общий вид модели в Revit Architecture.

Затем получались визуализационные картинки и выполнялась рабочая документация.

Рис.7. Один из листов документации АР в Revit Architecture.

Конечно, для проектирования оборудования котельной, трубопроводов и другого инженерного оснащения логично было бы использовать программу Revit MEP, но, к сожалению, в ОАО «СИАСК» не нашлось специалистов, владеющих данной программой. Сейчас это – предмет особого внимания руководства.

Исходя из результатов выполненной работы можно сделать несколько выводов.

Во-первых, BIM-подход весьма удобен, он позволяет значительно сократить сроки выполнения проекта, дает возможность вести работу над моделью сразу в нескольких разделах, начиная с генерального плана и вертикальной планировки, заканчивая инженерным оборудованием, освещением и многим другим.

Во-вторых, нет ограничений в воплощении инженерных и архитектурных идей.

В третьих, одновременная работа над моделью исключает появление коллизий и нестыковок между разделами проекта.

В четвертых, возможно внесение изменений, которые автоматически отразятся во всех разделах проекта, что экономит время; возможно управление характеристиками модели уже на стадии эксплуатации здания.

И последнее - надо подгонять смежников в освоении BIM.

Промышленное здание

Следующий объект - небольшое промышленное здание, спроектированное и построенное также в 2011 году. Этот проект был разработан и реализован на стадии металлической конструкции в короткий срок (20 дней), который сократился за счет параллельности проведения работ, включавших разработку КМД, изготовление металлического каркаса и его монтаж. Как следствие, цена для заказчика оказалась очень привлекательной. Геометрия проектируемого здания согласовывалась на стадии эскизов на бумаге. Стоимость договора определялась на базе уже смоделированного в некотором приближении каркаса здания с соответствующей спецификацией на основные материалы.

Рис 8. Общий вид объекта и некоторые этапы его возведения.

Каркас здания изготовило одно из Новосибирских предприятий машиностроения. Ранее оно к таким строительным конструкциям отношения не имело - это не его профиль. Но теперь хотело бы еще поработать в этом направлении по чертежам, которые прорисовал AutoCAD Structural Detailing. Чертежи оказались понятными для специалистов в области машиностроения. За все время изготовления конструкция потребовалось только два обращения к разработчику за пояснениями, причем только одно с выездом на предприятие.

Рис 9. Изготовление конструкций шло параллельно с разработкой самого проекта.

Особенностью работы было то, что она полностью выполнялась в технологии BIM, но набор программ и последовательность их применения существенно отличаются от традиционного, что вызвано в первую очередь спецификой здания.

С самого начала модель каркаса была собрана в AutoCAD Structural Detailing (сокращенно ASD), а затем преобразована в твердое тело и экспортирована в Revit Structure, где на каркас были надеты ограждающие конструкции, в частности, сэндвич-панели.

В процессе проектирования и производства металлокаркаса заказчик два раза менял геометрию здания. Технологии информационного моделирования позволяют вносить изменения в проект на любой его стадии и сразу получать новые значения в спецификациях, отражающих материалоемкость. Сложности возникали только при переоформлении документов договора.

Рис 10. Проектирование стропильной фермы и раскладка кровельных прогонов.

Вот так достаточно подробно выстраивается конструкция в ASD. Любой фрагмент каркаса можно напрямую экспортировать в расчетную программу Robot Structural Analysis. Каждая деталь каркаса имеет законченную форму и готова к оформлению КМД. Уникален инструмент формирования спецификаций - считает точно и быстро. Можно сформировать спецификацию с эскизами деталей из стандартных профилей. Спецификации формируются автономно и с привязкой к чертежу, т. е., если формируется чертеж сборки, то на его поле автоматически встанет спецификация материалов только этой сборки.

Рис 11. Проектирование основания колонны и построение раскосов.

В программе ASD есть одна волшебная кнопка, о которой все мечтают. Она называется «Авточертеж». Нажимаешь на нее и наблюдаешь, как в полном соответствии с концепцией BIM по модели генерируются чертежи. Затем остается только подчистить лишние размеры и добавить сечения, если нужно. Причем чертежи деталей могут выполняться как на поле чертежа сборки, так и на отдельных форматах. По этим чертежам новосибирский завод и изготовил строительные конструкции.

Рис 12. Сгенерированная в ASD чертежная документация.

Конечно, это здание - не архитектурный шедевр, а типичный (рядовой) промышленный объект, созданный по новой технологии проектирования. Благодаря использованию указанных BIM-программ Autodesk был выигран тендер на строительство объекта, а также получились привлекательные цены и сроки (не надо было разрабатывать проект КМ и платить за КМД, которое, как правило, разрабатывает предприятие - изготовитель конструкций). При этом и само изготовление конструкции на машиностроительном предприятии обошлось намного дешевле, чем на специализированном заводе.

Рис 13. Визуализация модели, выполненная в Revit Structure.

Материалы визуализации проектов промышленных зданий в Revit Structure оказываются неплохим подспорьем при согласовании геометрии зданий с заказчиком. Слайды дают представление о внутреннем пространстве и фасаде здания. Получив такую презентацию по истечении двух дней после обращения, заказчик проявляет интерес к компании, обладающей столь быстрыми и эффективными технологиями проектирования.

Олимпийский водный стадион в Пекине

Здание Национального центра водных видов спорта (Олимпийского водного стадиона) расположено в Олимпийской деревне рядом с основным стадионом Игр-2008 «Птичье гнездо». За свою правильную прямоугольную форму и «пузырчатый» внешний вид оно получило название «Водный куб». Проектирование и строительство велось в 2003-2007 годах.

Рис. 14. Олимпийский водный стадион: вид на завершающей стадии строительства.

В основу идеи «Водного куба» положен принцип обычной садовой теплицы – стальной каркас, покрытый пленкой, а внутренние помещения нагреваются под воздействием солнечных лучей. То есть, внешних стен в их обычном понимании в этом здании просто нет.

Все «пузырьки» здания держатся на стальном каркасе, разработанном специалистами PTW Architects совместно с CSCEC и Arup Consulting Engineering. По внешнему виду он напоминает соты, строение которых было взято по аналогии с мыльной пеной.

Такая внешне хаотичная, но достаточно оптимальная по своим заложенным в геометрию прочностным характеристикам конструкция, описанная впервые в 1994 году, на самом деле является наиболее эффективным способом деления пространства на автономные ячейки нескольких типоразмеров, созданным самой природой.

Применительно к нашему зданию вся несущая конструкция была хорошо выверена, просчитана и оптимизирована.

Для возведения каркаса пришлось использовать примерно 90 километров стали (общий вес 6500 тонн), сформированной в 22000 балок-лучей, ни одна из которых не имеет прямолинейной формы. По этим характеристикам здание «Водного куба» вполне сравнимо с Эйфелевой башней.

Окончательно вся конструкция объединялась в единое целое с помощью 12000 узлов.

Рис. 15. Монтаж стен из «пузырьков» при строительстве Водного стадиона. Слева видны открытые конструкции несущего каркаса.

Проектирование «Водного куба» с самого начала велось с использованием технологии BIM, при этом инициатива в ее применении принадлежала архитекторам, инженерам и строителям.

Технология BIM при разработке «Водного куба» использовалась в концептуальном дизайне, оптимизации конструкций, быстром прототипировании, обеспечении взаимосвязи между различными участниками проекта, а также изготовлении чертежной и печатной документации.

Основным компьютерным средством для параметрического моделирования здания стала программа MicroStation компании Bentley Systems.

Геометрическая модель создавалась еще на стадии конкурсных предложений для показа формы сооружения, но с расчетом на дальнейшее использование в проекте. Первоначальный каркас был составлен из одинаковых ячеек, а затем программными средствами MicroStation все они получили индивидуальные размеры и форму, соответствующие пузырьковой структуре мыльной пены.

Как утверждают специалисты фирмы Arup, для создания модели внутренних стальных конструкций здания им понадобилось всего 25 минут.

Еще на стадии подготовки к конкурсу фирмой Arup каркасная модель здания в формате DXF была экспортирована из MicroStation в программу Strand 7.0 для выполнения первоначальных расчетов конструкций.

Благодаря этому, на каждом шаге обсуждения проекта его авторы представляли заказчику не только «концептуальную идею» с необычными формами, но и строгий расчет.

Рис. 16. «Водный куб»: вверху - фотография основного плавательного бассейна, на которой хорошо виден металлический каркас здания; внизу – различные визуализации проекта.

В дальнейшем, уже на стадии проектирования, все расчеты и оптимизация конструкций методом конечных элементов также велись в программе Strand 7.0.

Результаты этой работы проявлялись в многократных возвратах к первоначальной модели в MicroStation и ее корректировке.

Для оптимизации конструкций по заказу Arup была написана на языке Visual Basic специальная программа, которая работала совместно с Strand 7.0.

Оптимизированная модель и результаты расчетов затем экспортировалась в чертежи для AutoCAD (формат DWG), чертежи для MicroStation TriForma (формат DGN), а также в электронные таблицы Microsoft Excel (формат XLS) для хранения данных.

Создание рабочей документации и оформление другой относящейся к проекту информации выполнялось с помощью программы Bentley Structure, содержащей обширные библиотеки по стальным конструкциям.

Одним из многих плюсов применения программы Bentley Structure было сведение до минимума риска человеческой ошибки. Одновременно программа давала возможность быстро переделывать модель водного стадиона, внося в нее постоянно возникающие по результатам расчетов или другим причинам изменения, уточнения и коррективы.

В результате такой деятельности к концу каждой недели все 65 чертежей основной документации (планы, фасады, разрезы и т.п.) претерпевали полное обновление.

Для изготовления стальных конструкций фирма Arup предложила максимально использовать уже имеющуюся компьютерную модель, чтобы облегчить весьма сложное производство и свести до минимума такую дорогостоящую операцию, как сварка.

Рис. 17. «Водный куб»: конструкции основного каркаса здания.

Для этого надо было переводить модель из MicroStation в формат SDNF, а затем передавать ее в какую-либо специализированную программу (например, Tekla Structures), которая производит необходимую подготовку для последующего изготовления всех деталей на станках с ЧПУ.

Но в случае с «Водным кубом» возникла уникальная ситуация - китайская сторона, располагавшая большим количеством достаточно дешевой рабочей силы, отказалась от возможностей автоматизированного производства конструкций каркаса здания в пользу «ручного» их изготовления.

В результате, несмотря на имеющийся технологический потенциал, все стальные детали каркаса изготавливались вручную. На их сборке было задействовано около 3000 рабочих, в том числе более 100 сварщиков.

Фирме Arup пришлось в таких условиях обеспечивать рабочих большим количеством дополнительной документации по конструкциям и их узлам, выведя на бумагу в общей сложности более 15000 чертежных видов. Но благодаря BIM была успешно решена и эта задача.

После завершения строительства и ввода в эксплуатацию здания американский журнал «Time» включил стадион «Водный куб» в список «Десяти лучших архитектурных сооружений в мире по итогам 2007 года».

Рис. 18. «Водный куб» и «Птичье гнездо» - своеобразные Инь и Янь Олимпиады в Пекине, олицетворяющие новые технологии в строительстве.