Наблюдая и контролируя
Геотехнический мониторинг имеет свою региональную специфику и все активнее проводится с использованием новых методов, технологий и оборудования. Они помогают повысить эффективность наблюдений и исследований.
Геотехнический мониторинг — комплекс работ, связанный с контролем и наблюдением за строящимися и существующими зданиями и сооружениями на предмет их безопасной эксплуатации. Он имеет свои особенности не только в зависимости от наблюдаемого объекта, но и его локации и географии региона. Современные методы и технологии позволяют проводить геотехнический мониторинг более точно и эффективно.
Все работы по устройству фундаментов и подземному строительству, возведению зданий в условиях городской застройки, поясняет д. т. н., профессор кафедры геотехники СПбГАСУ Рашид Мангушев, предполагают проведение геотехнического мониторинга с определением деформаций зданий и сооружений, попадающих в зону влияния, и регулируются нормативными документами в виде СП 22.13330, СП 305.1325800 и др. Это связано с тем, что при любых геотехнических работах возникают деформации, вызванные технологическими строительными воздействиями, например, при экскавации котлована под подземное сооружение, или от вибрационного воздействия строительной техники при устройстве их ограждений и обеспечении их устойчивости (такие деформации тоже относятся к технологическим). «Требования по проведению геотехнического мониторинга на территории Российской Федерации определяются строительным сводом правил, по своей сути являются едиными, но существуют региональные особенности, которые диктуются грунтовыми условиями и наличием геологических процессов», — добавляет эксперт.
По словам главного инженера ООО «Технотест» Александра Харитонова, в общем случае геотехнический мониторинг должен включать в себя систему наблюдений за объектом нового строительства, за окружающей застройкой и надземными конструкциями существующих инженерных коммуникаций, попадающих в зону влияния строительства, ограждающими конструкциями строительного котлована, а также за массивом грунта, прилегающим к подземной части объекта.
«Так как наша компания занимается усилением фундаментов, — рассказывает генеральный директор ООО "Оптимум Прайс" Данил Кругов, — то геомониторинг мы используем практически постоянно. Чаще самостоятельно в рамках проведения локальных работ. Применяем лазерные нивелиры и систему связи по рации, когда один или два сотрудника контролируют реперные точки снаружи здания, а прочие заняты внутри процессом нагнетания составов под основания здания. Добавлю, что нам в этом плане легче, чем коллегам, закачивающим полиуретаны. Составы для усиления грунтов марки "ФОРС", которые мы используем, не обладают способностью бесконтрольного расширения, и сотрудник, занятый процессом геомониторинга, может очень быстро остановить процесс подъема основания, скомандовав отпустить гашетку насоса.
Такую простую, но эффективную систему геомониторинга мы применяли при работах как по усилению бомбоубежища Петропавловской крепости, так и при усилении частного жилого дома в Волгограде».
Своя специфика
Со значимостью особенностей географической и региональной специфики согласны и отраслевые специалисты. Как отмечает руководитель геодезической службы ООО «ГЕОИЗОЛ» Денис Новиков, «Санкт-Петербург и Москва — это, в первую очередь, освоение подземного пространства и котлованы. Здесь необходимы инструментальные наблюдения за соседними домами, в которых живут люди. В гористой и холмистой местности, например, в Сочи, где сильно влияние склоновых процессов, необходимы маршрутные наблюдения и оконтуривание оползней. В условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты — это наблюдения за температурными характеристиками грунта. Геотехнический мониторинг выполняется на основании сводов правил и ГОСТов. Но ГОСТы разрабатываются в основном специалистами из Москвы. При этом грунтовые условия в Санкт-Петербурге очень сильно отличаются от условий столицы, яркий тому пример — заглубление станций метрополитена. Специалистами определено, что историческая часть нашего города имеет осадку даже без какого-либо воздействия. А свод правил или нормативная литература дают возможность оказывать влияние на окружающую застройку не более 5 мм за весь период строительства. То есть строить или реконструировать в условиях Санкт-Петербурга, вблизи памятников архитектуры практически нереально. Таким образом, необходимо корректировать нормы с учетом условий каждого региона нашей огромной страны», — считает он.
«Основной особенностью геотехнического мониторинга в Москве, — продолжает тему Александр Харитонов, — является наличие высотных строительных объектов с необходимостью устройства глубоких котлованов в условиях плотной городской застройки. Данный фактор, в свою очередь, добавляет в список работ, необходимых для проведения в рамках геотехмониторинга, такие как: измерения усилий в ограждающих конструкциях котлованов и системе их крепления (тензометры, динамометры), измерение усилий в сваях и давления под подошвой фундаментной плиты подземного сооружения (мессдозы, тензометры) и др. Добавлю, что наша компания в основном занимается геотехническим мониторингом зданий и сооружений категории КС-3, что само по себе предполагает интересную и сложную работу. В частности, на данный момент мы ведем геотехнический мониторинг таких высотных комплексов, как ЖК "Сити Бэй", ЖК "Вестердам" и ЖК iLove в Москве», — рассказывает главный инженер компании «Технотест».
Больше автоматизма
В настоящее время, отмечает Рашид Мангушев, рынок оборудования и программного обеспечения в геомониторинге главным образом сосредоточен вокруг двух важных методов: лазерное сканирование и ортофотосъемка. Во-первых, они позволяют получить пространственную картину накопившихся деформаций здания или сооружения, во-вторых, полученные материалы мы интегрируем в проектные решения с усилением фундаментов зданий или конструкций, а в-третьих, такой подход дает все основания выявлять характер неравномерных деформаций и управлять строительными процессом, снижая степень такого влияния. Интересным и перспективным также является осуществление так называемого on-line-мониторинга, при котором замеры выполняются автоматизированно, с определенным интервалом, а данные в последующем анализируются и служат для определения уровня безопасности проводимых работ.
«Наша мониторинговая группа под руководством к. т. н., доцента Ивана Дьяконова использует в своем арсенале не только ультрасовременный подход к выполнению геотехнического мониторинга, но и все традиционные способы контроля деформаций. Поскольку на кафедру геотехники в основном обращаются со сложными случаями геотехнического строительства, все объекты, за которыми мы ведем мониторинг, представляют собой значимые и уникальные сооружения. Так, в настоящее время, —добавляет Рашид Мангушев, — одним из наиболее значимых для нас является строительство здания Санкт-Петербургского спортивно-концертного комплекса — СКК, где мы выполняем работы по комплексному геотехническому мониторингу».
По мнению Дениса Новикова, самый инновационный и современный метод — это автоматизированный мониторинг. Уже достаточно давно существуют высокоточные автоматические тахеометры и сканеры для определения осадок, смещений и кренов зданий, автоматические инклинометрические системы как зарубежного, так и российского производства для определения смещения грунтового массива и/или ограждения котлована, автоматические датчики вибрации, уровня грунтовых вод и порового давления. Весь геотехнический мониторинг можно свести в единую наблюдательную станцию, и один оператор за монитором сможет выдавать рекомендации и отчеты в любое время. «В целом, самым интересным с инженерной точки зрения объектом для меня является "Орловский тоннель" в Санкт-Петербурге. Несмотря на то, что тоннель так и не был построен, но даже в рамках проектной документации это был очень сложный объект. Программа мониторинга учитывала автоматические метеостанции, которые вносили поправки в сеть автоматизированных тахеометров для выполнения высокоточных съемок деформаций зданий и массива грунта», — резюмирует представитель компании «ГЕОИЗОЛ».
Мнение:
Данил Кругов, генеральный директор ООО «Оптимум Прайс»:
— В состав проведения обследования и проектирования, когда требуется серьезный отчет, масштабные исследования по геомониторингу, с использованием спутниковых систем, мы привлекаем специализированные организации на субподряд. Например, так было на объекте в Калининграде, где три строения, соседствующие с резиденцией президента, сползали с холма. Казус с самостоятельным геомониторингом случился с нами лишь однажды. Дело было на Трехгорной мануфактуре в Москве. Там мы контролировали подъем до проектной отметки старинной стены в метр кладки толщиной. Десятиметровая конструкция вековой давности встала на свое место, что приятно поразило и обрадовало заказчика. Как же мы удивились через месяц, когда тот же заказчик отказался оплачивать финальную часть по контракту. Оказалось, что пол, который мы вместе с технадзором считали значащимся под демонтаж, за которым мониторинг не проводился, бесконтрольно поднялся в одном месте, и за него нам выкатили счет. Бывает и так.
Купол как уникальная конструкция
Лаборатория деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» совместно с ООО «ЦНИПС ЛДК» разрабатывает проекты большепролетных каркасов покрытия из клееных деревянных конструкций (КДК). По их проектам построено более 10 аквапарков по всей России. Крупнейший из них – аквапарк «Питерлэнд» в парке 300-летия Санкт-Петербурга. Об особенностях проекта «Строительному Еженедельнику» рассказал заведующий лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко Александр Погорельцев:
– В бассейнах и аквапарках КДК имеют преимущества перед конструкциями из металла или железобетона. Для них хлорирование или озонирование воды создает агрессивную среду, нейтральную для древесины.
В ТРК «Питерлэнд» смонтирован ребристый купол диаметром 90 м и высотой 45 м. Особенности конструкций связаны в основном с его габаритами. В плане меридиональные ребра купола опираются с шагом 14,5 м на нижнее железобетонное кольцо и на стальное верхнее кольцо диаметром 5 м. Основные ребра длиной около 60 м выполнены в виде серповидных сборных ферм и сами по себе являются уникальными в части принятых конструктивных решений, изготовления, сборки и монтажа. На эти ребра с шагом 6 м опираются девять криволинейных кольцевых элементов, из которых два – верхний и нижний – являются опорами для 60 промежуточных меридиональных ребер. Нижний кольцевой элемент выполнен в виде горизонтальной фермы, воспринимающей реакции опор от промежуточных ребер и нагрузки от кольцевой технологической площадки. Остальные кольца являются распорками между меридиональными ребрами для обеспечения их устойчивости.
В конструкции купола реализованы основные принципы «системы ЦНИИСК», все основные узлы и стыки поясов серповидных ребер выполнены на наклонно вклеенных стержнях и V-образных анкерах. Это уникальная система узловых соединений, основанная на вклеивании в древесину арматурных стержней периодического профиля. Россия обладает приоритетом в области подобных узловых соединений деревянных конструкций.
Все жесткие стыки ребер и соединения закладных деталей со стержнями, вклеенными на заводе и на монтаже, выполнены ручной сваркой. Экспериментальные исследования, проведенные в ЦНИИСК с целью оценки влияния сварки на соединения, показали, что существующий «психологический» барьер при сварке деревянных конструкций успешно преодолевается. При соблюдении нескольких рекомендаций сварка практически не сказывается на несущей способности соединений.
Меридиональные ребра состоят из четырех отправочных блоков полной заводской готовности, соединяемых на монтаже жесткими стыками на сварке. Все блоки по торцам снабжены выпусками V-образных анкеров и закладными деталями.
Проблемы допусков по длине для меридиональных ребер решены с помощью зазоров около 40 мм между торцами поясов, заполняемых полимербетоном после сварки V-образных анкеров и стальных полос. Этим достигается плотный контакт по площадкам сжатия.
Треугольная решетка меридиональных ребер включает горизонтальные и вертикальные элементы. Горизонтальные соединены с поясами на цилиндрических нагелях и шпильках, а вертикальные – с усилием растяжения до 40 т – путем сварки выпусков вклеенных стержней и закладных деталей на раскосах.
Сборка и монтаж меридиональных ребер производились в три этапа: сначала на жестком горизонтальном стенде производилась предварительная сборка блоков в проектных габаритах, затем окончательная сборка в вертикальном стальном стенде с последующей установкой блоков в проектное положение.
Из-за кризиса 2008 года после монтажа каркаса купола строительство было приостановлено – и возобновлено только в 2011 году. В результате влажность древесины, не защищенной от атмосферных осадков, значительно превысила величину равновесной влажности, соответствующей условиям эксплуатации. Быстрое завершение строительства и ввод в эксплуатацию могли привести к неравномерной усушке древесины и, как следствие, к появлению значительных трещин и расслоений. Разработанные в ЦНИИСК рекомендации по обеспечению температурно-влажностного режима при завершении строительства позволили избежать этих проблем.
Цифровые технологии – спорту
Олимпиада в Сочи и Чемпионат мира по футболу – 2018 задали новые требования к проектированию и строительству спортивных сооружений в России. О том, как создать современный спортивный объект мирового класса и уложиться в жесткий дедлайн, рассказывает руководитель отдела ОВиКВ компании «Метрополис» Сергей Брюзгин.
Проектирование спортивных сооружений – задача сложная и ответственная. Объекты такого рода сочетают в себе яркую, запоминающуюся архитектуру и комплекс сложнейших инженерных систем. Именно поэтому проектировщики постоянно находятся в поиске новых эффективных решений для работы с такими проектами.
В основе – технологии
Одними из наиболее успешных разработок, активно используемых проектировщиками, являются BIM-технологии. Их применение при проектировании современных сложных объектов, к числу которых относятся и спортивные сооружения, является одним из ключевых условий успешных инвестиций заказчика, ведь технология BIM-проектирования позволяет существенно сэкономить время и средства, необходимые для реализации проекта.
Эта технология дает возможность повысить качество проектирования и на раннем этапе представить полную картину того, как будет выглядеть и функционировать объект. При необходимости заказчик может своевременно внести корректировки в проект на той стадии, когда изменения не влекут за собой больших затрат. Это отличная возможность для всех участников проекта получить практически идеальный продукт, обладающий внешней привлекательностью, комфортом и безопасностью среды и, что самое главное, инвестиционной привлекательностью.
Сейчас все проекты нашей компании разрабатываются с применением этой технологии. Например, Центр художественной гимнастики имени Ирины Винер-Усмановой еще в 2016 году получил первое место на конкурсе BIM-технологий, организованном Минстроем РФ.
Другая многообещающая разработка – достаточно молодая в строительной сфере технология математического моделирования (CFD-моделирование). До ее появления то или иное техническое решение можно было обосновать либо опираясь на накопленный опыт (чаще всего используя решения, принятые ранее для подобных объектов), либо при помощи натурных испытаний (создание макета, испытательного стенда и т.п.). Первый вариант – рискованный (аналогичный объект может достаточно сильно отличаться по своим характеристикам от проектируемого, что может дать свою погрешность и привести к неработоспособности решения). Второй – затратный как по деньгам, так и по времени, не говоря о том, что далеко не все макеты можно физически реализовать. Технология CFD дает возможность за пару дней, а иногда и за несколько часов решить нестандартный узел, внести в него требуемые корректировки и добиться эффективности и работоспособности решения.
Мы применяли CFD-моделирование при проектировании таких объектов, как Центр художественной гимнастики в Москве, многофункциональный плавательный центр «Лужники», крытый каток Москомспорта, а также при проектировании жилых зданий.
До того, как мы освоили эту технологию, нам казалось, что ее применение будет востребовано только на уникальных объектах, однако практика показала, что использование CFD-моделей полезно для объектов любого уровня сложности. С его помощью можно решать такие задачи, как распределение температур в сложных трехмерных многослойных конструкциях, расчет параметров микроклимата помещений, воздухораспределение, расчет потерь давления в нестандартных сетевых элементах и т. д.
Данная технология дает специалисту возможность на раннем этапе проектирования отследить вероятные недочеты потенциальных инженерных решений, а иногда и понять, что предлагаемое решение слишком затратно (как энергетически, так и финансово) или вовсе нежизнеспособно. Например, для проверки условий, создаваемых для зрителей и спортсменов, наша компания выполняла оценку проектных решений систем вентиляции и кондиционирования главной арены Центра художественной гимнастики в Москве при помощи CFD-моделирования. Для достижения оптимального результата нам пришлось провести 8 итераций расчетов, в результате чего системы вентиляции и кондиционирования были значительно переработаны. Это еще раз подтверждает: CFD-моделирование и проектирование при помощи BIM-технологий позволяет на раннем этапе выявить проблемы и оптимизировать проектные решения. А заказчик, в свою очередь, получает наглядное, интуитивно понятное обоснование принимаемых решений. Вот несколько примеров выполненных расчетов:
В гармонии со стройкой
Посмотрим, как применение этих технологий реально отражается на строительном процессе. В качестве примера возьмем Центр художественной гимнастики. Для проектируемого объекта выполнялись следующие стадии проекта:
- концептуальные решения (стадия «К»);
- стадия «Проектная документация» (стадия «П»);
- стадия «Рабочая документация» (стадия «Р»);
- авторский надзор.
Проект стадии «К» стартовал в конце мая 2016 года и длился примерно 2 месяца. Последующая стадия «П» длилась примерно 3,5 месяца. Стадия «Р» длилась примерно 2 года, при этом строительные работы на объекте велись с запаздыванием от проекта всего на 2–3 месяца, иногда этот разрыв становился еще меньше, так что можно сказать, что проект стадии «Р», строительство и авторский надзор шли практически параллельно.
Основные сложности при проектировании как раз и связаны с малым разрывом в сроках между разработкой проектного решения и выдачей его для реализации на стройплощадку. У инженеров и архитекторов остается очень немного времени на принятие и согласование решений, и ошибки при таких малых сроках недопустимы. Именно использование BIM-технологий и, в частности, CFD-моделирования позволяет проектировщикам достаточно комфортно чувствовать себя в процессе взаимодействия со всеми заинтересованными сторонами. При этом есть, конечно, одно обязательно условие, с чем нам повезло: в арсенале всех участников проекта были современные технологии и подходы к проектированию, что позволило выполнить поставленную задачу в требуемый срок.
