Расчет и проектирование сложных объектов с помощью ПК МКЭ-анализа SOFiSTiK

Нельзя сказать, что проектирование стало более конкурентной бизнес-средой, чем, скажем, в нулевые, но за последние 5 лет наметилась явная особенность – борьба за заказы через использование технологий BIM. Проектное бюро «АПЕКС», частью команды которого много лет являюсь, изначально выстраивало свою работу именно в этом направлении, и реализация множества сложных проектов в коллаборации с иностранными бюро лишь подтвердила правильность усилий. Нужно отметить, что на данный момент мы уходим от довольно узкой терминологии BIM к понятию «цифровое проектирование», с использованием программирования, автоматизации, цифровизации всех этапов разработки.

В сложных проектах постоянно идет поиск идей и, как следствие, основной «не инженерной» сложностью становится обеспечение быстрого проектного отклика на изменения. Опытным путем пришли к связке Autidesk Revit + SOFiSTiK, и несмотря на то, что последний выглядит как расчетный комплекс для инженеров-конструкторов, это позволяет обеспечить вариативностью всю команду. Архитектор и конструктор могут успеть проверить гораздо больше гипотез, что, в конечном счете, существенно увеличивает творческое пространство для обоих.

Очевидно, что от инженеров-конструкторов требуются две противоположные вещи: экономичность и надежность. Этого можно добиться, если в расчетах допустить развитие пластических деформаций в материалах, учесть для статически неопределимых конструкций силы распора. В соответствии с требованиями СП расчет железобетонных и стальных конструкций по предельным состояниям желательно (но не обязательно) проводить с учетом физической нелинейности, возможного образования трещин и при необходимости анизотропии, накопления повреждений и геометрической нелинейности. Для максимально полного раскрытия потенциала применяемых конструкционных материалов в Проектном бюро «АПЕКС» используется программный комплекс SOFiSTiK, позволяющий проводить расчеты с учетом всех видов физической и геометрической нелинейности. Мы понимаем, что такой подход — это наше явное преимущество, так как обычно на рынке проектировщики не выполняют нелинейные расчеты. В конечном итоге выигрывает клиент, получая наибольшую экономичность при достаточной надежности решения.

Расскажу о трех проектах, каждый из которых был по-своему уникален и весьма сложен, и именно SOFiSTiK во многом помог нам ответить на те вызовы, которые были поставлены перед нами заказчиками проектирования и высококонкурентной рыночной ситуацией.

Павелецкая площадь

Одна из важных задач, которые нужно было решить в ходе реализации этого проекта, — создать такой торговый комплекс, чтобы он не нарушал архитектурный ансамбль, как это произошло, к примеру, у Курского вокзала, где из-за торгового центра не видно самого вокзала. Поэтому практически все здание было принято строить под землей. Новую концепцию создала американская архитектурная студия 5+Design. Проектное бюро «АПЕКС» же выступала адаптантом архитектурной концепции и Генпроектировщиком.

Проект получился действительно нетривиальным во многих отношениях. Объект нужно было увести под землю на 25 метров, или 4 этажа, однако вблизи Павелецкой площади находится Москва-река и, соответственно, там высокий уровень грунтовых вод, которые нельзя было откачивать, чтобы не образовывалась водоосушающая воронка, которая могла бы привести к осадке стоящих в радиусе 200-300 м домов.

К тому же под площадью располагается метрополитен: МФЦ «Павелецкая плаза» должен стать частью транспортно-пересадочного узла. Платформа одной из станций располагается непосредственно под площадью, так что комплекс надо было разместить всего на 5 метров выше отделки метрополитена.

Все это — частичные несовершенства в грунте, река, метрополитен — требовало правильной этапности раскопок и комбинирования методов открытой разработки котлована с топ-даун, чтобы оказать минимальное влияние на метрополитен и окружение в процессе работ. SOFiSTiK позволил определить ее за счет вариативного анализа.

Дополнительной особенностью проекта была необходимость использовать уже существующую стену в грунте. В частности, для расчета этой стены применялся SOFiSTiK: мы подтвердили стену по результату обследования, произвели расчеты, пересобрали распорную систему.

Еще одной задачей стала работа над оболочками атриумов. Проектировали мы их в программном комплексе Tekla Structures. Так как на момент выполнения проекта не было интегратора между этими двумя решениями (на момент написания статьи данная связка уже появилась в открытом доступе), нам пришлось его написать самим. При этом часть данных пришлось выгружать из Revit и уже в SOFiSTiK объединять их с данными из Tekla — SOFiSTiK оказался дружелюбным в этом отношении благодаря открытому API. Отдельным вызовом являлось конструирование и расчеты металлических лестниц: при длине 30 метров они сложны по конфигурации. Механика работы с оболочками и лестницами была такой: с помощью Karamba3D искали оптимальное положение конструкции, геометрию и т. д., импортировали в Tekla, где моделировали, подбирали узлы, формировали задачу для SOFiSTiK, в котором затем проверяли, утоньшали и оптимизировали сечения.

Кроме того, SOFiSTiK позволил нам провести нестандартные детальные расчеты нагрузок. Например, мы считали переменную снеговую нагрузку по «коньку» с учетом его перераспределения по криволинейной поверхности. Также нам необходимо было учесть, что по покрытиям куполов ходят люди, предусмотреть нагрузку даже от прыгающих людей, так как на площади планировалось поставить трибуны и проводить митинги, концерты, фестивали.

ТРЦ достраивается, и в конце 2021 года его откроют для посетителей.

RED7

Еще одной особенностью объекта был размер: это крошечный участок 100 м на 60 м. Технике на нем, разумеется, было практически не развернуться, поэтому нужно было работать в пределах котлована и проектировать с учетом возможности возвести спроектированное.

Для работы над проектом мы использовали Autodesk Revit, сталебетонные конструкции делали в Tekla Structures, расчеты — в SOFiSTiK, после чего подготовленная модель выгружалась в BIM360 для взаимодействия с MVRDV.

Так как каждый этаж объекта был уникальным, была смоделирована развитая система поперечных стен, причем крайняя стена была выполнена с жестким армированием (сталебетон) — это одно из нестандартных решений в проекте. В большепролетном покрытии над бассейном смоделирована преднапряженная арматура с натяжением на бетон. Для этого нам пришлось разработать семейство арматурных канатов в Revit, собственный алгоритм и скрипт по двунаправленной передаче такой арматуры между Revit и SOFiSTiK со всеми необходимыми для расчета параметрами. Стоит отметить, что в последних версиях программы данный функционал также уже появился и доступен всем пользователям.

Очень помог SOFiSTiK и на этапе строительства. В процессе возведения свай оказалось, что на этапе обследования и проектирования не все учтено: нашлись дополнительные баретты, из-за которых сваи в некоторых точках нельзя было погрузить. Это потребовало перерасчетов, причем очень быстрых — буквально в этот же день. Если бы мы использовали другой программный комплекс, это затянулось бы на несколько дней: прямая же интеграция с Revit давала возможность внести в Revit изменения, сразу отправить на расчет и через полчаса получить всю графику и данные для анализа.

RED7 достраивается и в 2021-2022 гг. откроется для жильцов и посетителей.

Реновация Бадаевского завода — парящие дома

Со зданиями, которые являются культурным наследием, были сложности. Так как необходимо было воссоздать первоначальный облик, требовалось восстанавливать кирпичную кладку, что-то менять, что-то достраивать. Для этого провели лазерное сканирование и сделали облако точек с точностью до сантиметра. SOFiSTiK позволил нам произвести расчеты кирпичной кладки со всеми нюансами: например, своды Монье были в плохом состоянии, и их надо было посчитать с учетом трещин, коррозии металла и отсутствующих элементов.

Подчеркну: на этом проекте наша команда использовала SOFiSTiK максимально активно — расчеты по железобетону, дереву, кирпичу, металлу и т. д. В том числе проводились расчеты огнестойкости: здания «нагрузили», сымитировали пожар и просчитали вероятность выхода из строя элементов и обрушения здания.

Особого внимания заслуживают, разумеется, колонны, на которых держится ЖК. Чтобы конструкция не упала, если какие-то колонны выйдут из строя, все колонны объединяются сверху мощной горизонтальной стержневой металлической системой, которую в проекте называем «Super Slab», разработка который велась в Tekla Structures с расчетом в SOFiSTiK.

Также в SOFiSTiK был сделан расчет продувки с 16 румбов (CFD-анализ), чтобы определить нагрузку на фасады, среднее, пульсационное и пиковое значения давления, комфортность пешеходных зон с учетом элементов благоустройства. Расчеты, например, показали, что надо поставить пару заграждений из деревьев, чтобы повысить комфортность пребывания в зеленой зоне — на самом деле такие мелочи очень важны для городских точек притяжения.

На данный момент проект прошел экспертизу, начинается этап строительства объекта.

Резюме

Также выделю гибкость за счет параметрического проектирования конструкций. Важным преимуществом расчетного комплекса является и возможность учитывать этапы строительства, в том числе с учетом геотехнического анализа и грунтовых условий. На основе информационной модели конструкции и наличия шаблонов расчетов, заранее разработанных в SOFiSTiK, можно быстро произвести расчет конструкции и получить результаты для анализа. Для большинства объектов проектирования данный процесс можно существенно автоматизировать.

В Проектном бюро «АПЕКС» информационная модель здания используется на всех этапах проектирования и сопровождения строительства. Для нас ясно: это единственный способ эффективного проектирования. Важно, чтобы модель стала единым источником истины, мы должны уметь полагаться на 100% на информацию в модели — в этом случае автоматизация рабочих процессов предоставляет компьютеру возможности выполнять рутинную и «ручную» работу за проектировщика.

Компания ПСС ГРАЙТЕК — давний партнер Проектного бюро АПЕКС в развитии и совершенствовании технологии BIM, которая помогает успешно реализовать проекты уникальных зданий и сооружений. Предлагаемые ПСС ГРАЙТЕК технологические цепочки инструментов BIM обеспечивают высокую эффективность и экономичность проектных решений.