Как
оцифровывалась
сталь

8 апреля Ассоциация развития стального строительства (АРСС) провела онлайн-вебинар на тему «Технология BIM в жизненном цикле здания на стальном каркасе».

Выступали на мероприятии руководитель инженерного центра АРСС Алексей Яковлев и представитель компании «Академия БИМ» Светослав Нинов. Обсуждались области применения стального каркаса и BIM-технологий, предназначение BIM-моделей на разных этапах жизненного цикла зданий и сооружений, организация процессов работы с BIM-моделью и их проблематика, а также специфика использования технологий информационного моделирования при возведении и эксплуатации зданий на металлическом каркасе.

Как известно, основные сферы применения технологий стального строительства – это высотные здания, жилые комплексы средней и низкой этажности, многофункциональные комплексы, инфраструктурные объекты – паркинги и физкультурно-оздоровительные комплексы, а также социальные объекты – школы, детские сады и медицинские центры.

Так, на стальном каркасе уже построены 18-этажные жилые дома в Москве, больница Семашко в Симферополе, все больше появляется садиков и школ, в том числе возведенные с применением технологии ЛСТК. Причем некоторые проекты попадают в Реестр экономически эффективной проектной документации Минстроя России.

И это не удивительно, ведь основные преимущества стального каркаса - высокая скорость монтажа по схеме конструктора и простота монтажных работ, заводское качество, большие пролеты и легкие фундаменты. Металлоконструкции производятся только в заводских условиях, внутри здания можно убрать колонны, обеспечив возможность свободной планировки помещений, а фундамент гораздо легче железобетонного, что экономит затраты, материалы и трудозатраты.

Актуальный в нынешнее время пример – строящийся инфекционный центр в Новой Москве, для максимально быстрого возведения которого использовано более 3 тыс. т металлоконструкций. Кроме того, используется около 1,5 т арматуры и около 280 тыс. кв. м сэндвич-панелей, при обустройстве помещений устанавливается более 5 тыс. внутренних и наружных дверей и около 2 тыс. вентиляторов. Использование металлоконструкций позволяет возводить инфекционный центр в рекордные сроки – работы начались 12 марта, а уже к 4 апреля были завершены основные строительно-монтажные работы.

За последние 5 лет наибольшую популярность в российской практике получили эффективные гаражи-стоянки – это, как правило, наземные многоэтажные парковки, которые требуются при застройке любого микрорайона. Особенность в технологии паркинга в том, что большие пролеты стальных и сталежелезобетонных перекрытий позволяют убрать внутренние колонны, увеличив общее количество машиномест на 15%.

Так, например, с использованием сталежелезобетонной17-метровой балки за 4 месяца построены паркинги ФерроСтрой в Москве общей площадью 15 тыс. кв. м. Причем стоимость металлокаркаса, включая огнезащиту, оказалась ниже, чем стоимость альтернативного монолитного каркаса.

Интересный пример европейской практики – строительство общественного офисного здания Бохум в Германии, площадью 25 тыс. кв. м. Срок строительства занял 10 мес., а монтаж каркаса выполнялся бригадой всего из 6 рабочих.

При помощи металлоконструкций значительно упрощается процесс реконструкции и надстройки зданий. И основные плюсы здесь – снижение трудозатрат при устройстве перекрытий на 25%, возможность изменения планировочных решений. Ярким примером служит офисное здание на 2-й Брестской улице в Москве, где была выполнена значительная надстройка здания с применением металлокаркаса.

Одно из потенциальных направлений – реновация хрущевок на стальном каркасе, благодаря которому появляется возможность для пристройки лифта, мусоропровода, увеличения площади квартир и улучшения их планировки. А в случае капитального ремонта появляется возможность изменения назначения здания. Каркасная конструктивная схема позволяет производить свободные перепланировки общественных зданий при изменении их назначения, не затрагивая несущие конструкции.

Еще одно преимущество стального каркаса – утилизация. Стальные конструкции утилизируются на 95%, их можно использовать вторично для производства металлоконструкций, а в результате – снижается объем строительного мусора. В то же время железобетонные так использовать нельзя, их утилизация возможна только на 60%, а в процессе утилизации получают низкокачественный вторичный щебень, используемый для «подсыпки».

BIM – с точки зрения целесообразности

Итак, можно ли использовать BIM-технологии при возведении зданий на стальном каркасе? Конечно. Ведь BIM – это концепция, у нее нет единого пути и четких инструкций или предопределенных процессов, это сама процедура создания информационной модели. И какая это будет информация – зависит от требований заказчиков и специфики объектов.

BIM важен для всего жизненного цикла здания, а не только для проектирования. И будет ли он замедлять процесс проектирования в жизненном цикле – зависит от специфики работы и инструментов, которые используются для решения конкретных задач.

Однако существует проблема перераспределения работ. Когда проектировщик создает информационную модель, он берет на себя большую часть работы, выполняя ее за других. Поэтому важно эффективное распределение ресурсов и работ и ролей сотрудниковв компании, ведь BIM – это не инструмент решения проблем конкретного инженера. Зачастую он дает гораздо больший экономический эффект за пределами этапа проектирования, что также будет зависеть от того, как он используется на остальных этапах жизненного цикла.

Основные локомотивы развития индустрии информационного моделирования в России – это девелоперы. Им проще использовать эффекты в своей работе, т.к. они управляют большим количеством этапов жизненного цикла в своей компании. Для них, помимо проектирования, важно получить ведомости объемов работ, сметы. Зачастую девелоперские компании в дальнейшем управляют объектами строительства, т.е. они нуждаются в эксплуатационных моделях для обслуживания здания.

Конечно, главный выгодоприобретатель от BIM-проектов – заказчик. Но при этом исполнители, которые не хотят терять клиентов, а планируют расширять свои рынки, безусловно, заинтересованы в том, чтобы внедрять BIM и использовать его в своих проектах.

Но всем ли нужен BIM? Существует миф, что в больших организациях он оправдан, а в маленьких – не очень. На самом деле, это зависит не от размеров организации, ее ресурсов и количества сотрудников, а от ее целей и амбиций. Небольшим компаниям зачастую даже проще преодолеть проблемный период внедрения.

Обычно при переходе на BIM организации глубоко изучают возможности программного обеспечения по каждому разделу. Но это не главное – разные компании идут своими путями, а эффективность внедрения зависит не от того, какое ПО они выбрали, а от того, насколько правильно они организовали процессы внутри организации. Иначе говоря, то, как распределяются роли между участниками проектирования, какие обязанности на ком лежат, как меняются поощрения с введением информационного моделирования, как организован процесс хранения информации. Необходимо понимать задачи, которые преследует компания, какие проблемы планируется решать, какие цели достичь. Это может быть повышение качества проектов, дисциплинарная координация, более точный расчет последующих работ и т.д.

А то, что BIM должен охватывать каждый этап жизненного цикла здания, и с ним должны быть выполнены все разделы проекта – это заблуждение. Есть компании, которые давно работают с информационным моделированием, но при этом, к примеру, не используют армирование внутри информационной модели или не прорабатывают в высокой детализации узлы металлоконструкций. Что не мешает им выпускать качественные проекты и работать с информационными моделями.

Главное помнить, что на последующих этапах жизненного цикла здания можно будет извлечь и обработать из модели только ту информацию, которая была ранее заложена. Так информационная модель становится базой данных и источником информации и обновляется на всех этапах жизненного цикла сооружения, а уже существующая информация объединяется с новыми знаниями при переходе компании на BIM.

Информационная модель может быть полезна, в том числе и для демонтажа, для определения объемов и классификации опасных отходов при демонтаже промышленных объектов, например, атомных электростанций.

Не стоит бояться BIM-технологий, они не обязательно должны быть дорогими в процессе внедрения. Самое главное, что он позволяет экономить средства на возведение и обслуживание здания. И эта экономия гораздо выше, чем затраты на BIM-проектирование.

BIM – как рабочий инструмент для металлоконструкций

Основная тонкость использования BIM для зданий на металлокаркасе в том, что идет разделение стадий проекта на КМ и КМД, которые выполняют разные исполнители. Разделом КМ занимается обычно проектный институт, а КМД передается уже на завод. И здесь необходимо, чтобы была договоренность о передаче информационных моделей, которой сейчас нет. Проектировщик делает модель конструкций и передает только документы в бумажном виде, затем завод-изготовитель прорабатывает по бумажной документации раздел КМД.  Это нерационально, такую ситуацию необходимо менять – и в силах заказчика оговорить этот момент заранее.

Проработку узлов конструкции можно оставить на этапе КМД, что более правильно с точки зрения затрат и того, кто выгодоприобретатель от более высокого уровня проработки модели. Конечно, здесь в большем выигрыше завод металлоконструкций, которому нужна более проработанная модель для закупок, чтобы передавать информацию на станки с ЧПУ, получать деталировку, управлять складом и планировать монтаж. Как известно, многие заводы металлоконструкций имеют в своем дивизионе монтажные организации. Поэтому, когда заказчик требует для проекта КМ уровень проработки уровня Лот-400, Лот-500, то эта дополнительная работа не оправдана, потому что она будет удорожать стоимость проектирования, при этом, возможно, не имея большого смысла на ранней стадии проектирования.

Производители металлоконструкций – основные выгодоприобретатели от применения BIM, для них есть инструменты, которые существенно ускоряют процесс проектирования и производства, закупки, отгрузки и монтажа и передачи информации на станки с ЧПУ. В основном сейчас в России используются две программы для металлических конструкций – это AdvanceSteel и Tekla, и многие заводы работают в Tekla.

Стальное чудо на берегах Невы

В качестве наглядного примера был представлен многофункциональный комплекс Лахта Центр, построенный в Санкт-Петербурге, общей площадью 400 тыс. кв. м, при проектировании и возведении которого было задействовано много информационных технологий и нестандартных проектных решений.

Этот масштабный проект можно разделить на 3 составляющих – сверхвысокая башня, многофункциональное большепролетное здание и арка, и все это объединено общей стилобатной частью.

Приходилось в момент проектирования решать множество нетривиальных задач. Например, идея, что вокруг центрального железобетонного ядра в виде трубы, которая сужается кверху, нужно добавить дополнительные 10 колонн, которые соединены с ядром аутригерными этажами и повышают жесткость здания и устойчивость к прогрессирующему обрушению, была продиктована необходимостью увеличить полезные площади здания. Ведь если бы использовалось только железобетонное ядро, оно занимало бы большую площадь этажей. А аутригеры понадобились для передачи усилий от ядра на внешние колонны, кроме того, они снижают опорный момент у основания башни, придают горизонтальную жесткость, погашение колебаний от ветра и прочие эффекты.

Не менее сложной задачей было проектирование и разработка фундаментов башни на грунтах с низкой несущей способностью. В результате нагрузку от высотного здания было решено передавать с помощью свай на твердые глины. Причем значительная часть здания под ядром располагается на небольшом участке диаметром 26 м, и для увеличения площади основания был спроектирован коробчатый фундамент высотой около 17 м, от которого расходятся 10 диафрагм, как лучи. Этот фундамент впоследствии вошел в книгу Рекордов Гиннеса из-за очень большого объема непрерывного литья высокопрочного бетона класса Б60.

Кроме того, использовалось последнее слово в информационных технологиях – параметрическая архитектура. Нужно было проанализировать математику архитектуры и воплотить ее как последовательность геометрических преобразований в виде алгоритма. Башня закручивается по спирали и имеет переменный радиус кривизны, в результате чего нет повторяющихся деталей. Все почти 189 тыс. составляющих металлоконструкций отличаются друг от друга.

После полной проработки конструкций на этапе КМД было решено повысить детализацию информационной модели. Причем основная часть инженерных систем находится в подшпилевом пространстве башни. А из-за высокого уровня насыщения модели инженерными системами было очень важно выявить все пересечения на этапе проектирования. И избежать их позволяет информационное моделирование – в этом и состоит одно из преимуществ технологии BIM.

Примечательно, что в пиковое время на строительной площадке работало 12 тыс. человек, и требовалось крайне четко организовать логистику и безостановочный строительный процесс. Автоматизация управления и логистика осуществлялась в виртуальной модели складской площадки, где каждая деталь здания обозначена цифровой меткой. Система позволяла планировать, в какой момент нужно доставить на склад и привезти на строительную площадку материалы и ресурсы. Естественно, планировать этот процесс позволяет информационная модель.

Из-за уникальности здания для минимизации возникновения аварийных ситуаций нужно было мониторить все конструкции и арки, и башни, и МФЗ. Для этого использовалось более 3 тыс. датчиков. Конструкция башни очень сложная, здание закручено по спирали и колонны имеют наклон, а система мониторинга деформации позволяла предсказывать их работу в дальнейшем. Проводился мониторинг деформации железобетонного ядра и аутригеров, геотехнический мониторинг, а также мониторинг за режимом подземных вод. Есть оборудование, измеряющее колебания башни, метеостанции, сейсмические устройства.

При этом было важно не просто собрать информацию с огромного количества датчиков, но и интерпретировать ее – где датчики установлены, как они сориентированы, какой тип конструкции и т.д. Этот мониторинг позволил автоматически получать тип деформации, после чего производилось сравнение с расчетными величинами.

Так неожиданно были обнаружены существенные различия между ожидаемыми и наблюдаемыми напряжениями и усилиями отдельных деталей, что указывает на недостаточную точность моделирования.

Какие-то другие способы получения такой информации сложно представить. Мониторинг для подобных уникальных зданий – это важная составляющая не только проекта, но и дальнейшей эксплуатации здания.

Эвелина Ларсон

Этот материал опубликован в апрельском номере Отраслевого журнала «Строительство». Весь журнал вы можете прочитать или скачать здесь.