3 - 2020

Оптимизация затрат труда и времени при построении геологической модели для геотехнических расчетов

Семён Белибов
Инженер-геолог, ООО «НИП-Информатика».

Инженерно-геологические изыскания и геотехнические расчеты являются одними из ключевых процессов в начальной стадии строительства.

Эти два вида инженерной деятельности информационно тесно связаны между собой. Однако методология их применения в технологии информационного моделирования (BIM) в настоящее время мало изучена. Это вызвано недостаточной формализацией структуры геологического строения площадки под застройку и геотехнических расчетов основания, связанных с результатами инженерно-геологических изысканий. Тем не менее современное развитие информационных технологий создает реальные возможности внедрения BIM-технологий в упомянутые процессы.

Одной из характерных черт проекта внедрения BIM является его комплексность. Это означает, что для решения множества задач при выполнении проекта используется программное обеспечение различного назначения и разных производителей. В данной ситуации при выборе программного обеспечения на одно из первых мест выходят не только функциональные возможности и эффективность программы, но также и ее интероперабельность, то есть информационная совместимость с другими программами, участвующими в процессе. Такой подход может значительно снизить затраты труда, времени и материальных средств предприятия при проектировании. Рассмотрим это на примере решения геотехнических задач.

Геотехники, занимающиеся вопросами взаимодействия сооружения и подземного пространства с помощью различных программных комплексов, сталкиваются с проблемой создания цифровой геологической модели. Построение такой модели в расчетных программах или с помощью различных CAD-приложений производится по данным изысканий, которые представляют собой большой набор таблиц, разрезов, текстовой информации. При работе на объектах с большой площадью, где количество скважин насчитывает от нескольких десятков до нескольких сотен, а также со сложным геологическим строением с большим количеством выделенных инженерно-геологических элементов эта задача становится технически сложной и ресурсоемкой. Данные о координатах скважин, абсолютных отметках рельефа, мощности слоев при существующих технологиях вводятся вручную. Тем самым повторно проделывается работа, которую выполняет изыскатель при построении колонок и разрезов в своих программах.

Рассмотрим три программных комплекса — gINT Professional, Rhinoceros 6 и PLAXIS 3D, совместное использование которых позволяет передавать информацию между специалистами без необходимости дополнительной и повторной работы. Кроме того, достигается существенное упрощение и ускорение создания трехмерной геологической модели, что значительно повышает эффективность работы геотехника. Взаимосвязь программ позволяет относительно быстро и точно получить геологические слои и использовать их на всех этапах реализации проекта, в том числе — при передаче в расчетную программу.

Создание облаков точек в gINT Professional

Существует множество различных способов хранения данных изыскательских работ в цифровом виде: от самых простых с использованием универсальных программ, таких как Microsoft Excel, до более сложных специализированных программ, обладающих широкими возможностями. Мы воспользовались программным комплексом gINT Professional, позволяющим хранить, обрабатывать и экспортировать данные инженерно-геологических изысканий. Для каждого проекта создается своя база данных, в которой размещена вся информация о проведении буровых работ, полевых и лабораторных испытаний грунтов, ситуационный план и другие сведения о геологических изысканиях. gINT Professional может выдавать данные в удобных, широко используемых форматах, создавать отчеты в виде таблиц, буровых колонок, трехмерных диаграмм и экспортировать результаты в геотехнические программы.

Рассмотрим процесс создания облаков точек на примере проекта в gINT Professional. После проведения буровых работ в программу заносилась информация о скважинах: их координаты, абсолютные отметки, мощность и глубина вскрытых слоев (рис. 1).

Рис. 1. Данные по скважинам в программе gINT Professional

Рис. 1. Данные по скважинам в программе gINT Professional

gINT Professional позволяет создать текстовые файлы, из которых можно получить облака точек. Каждое облако соответствует кровле или подошве одного слоя и представляет собой набор точек, где координаты X, Y отвечают за координаты скважины, а Z — за абсолютную отметку поверхности кровли (подошвы) выбранного слоя в данной скважине.

Для создания объемной модели необходимо несколько преобразовать облака точек. Сначала из них создаются поверхности, а затем — объемы. С этими и многими другими задачами может справиться программа Rhinoceros 6 и встроенное дополнение к ней — Grasshopper 3D.

Создание объемов в Rhinoceros 6

Rhinoceros 6 — программа для 3D-моделирования, которая позволяет создавать 3D-модели любой сложности, обеспечивая высокую точность построений и предоставляя широкие возможности формирования, редактирования и преобразования NURBS-объектов. В Rhinoceros доступен визуальный редактор программирования Grasshopper 3D, позволяющий создавать сложные алгоритмы для ускорения работы.

Специалисты компании «НИП-Информатика» разработали в Grasshopper 3D алгоритм, который создает объемы геологических слоев по исходным облакам точек и значительно ускоряет работу по моделированию геологической обстановки (рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент алгоритма создания объемов 
из облаков точек в Grasshopper 3D

Рис. 2. Фрагмент алгоритма создания объемов из облаков точек в Grasshopper 3D

Этот алгоритм преобразует облака точек в поверхности, которые затем выдавливаются до определенной глубины (нижней границы модели, задаваемой пользователем). Получившиеся объемы попарно вычитаются. Остатки от вычитания и являются объемами, которые определяют слои грунта.

Так, создание объемов из облаков точек в программе Rhinoceros 6 для 96 скважин и 26 слоев заняло менее 30 с.

Созданные объемы становятся доступными в программе Rhinoceros для выделения, редактирования и экспорта в различных форматах, в том числе DXF (рис. 3).

Рис. 3. Объемы в программе Rhinoceros

Рис. 3. Объемы в программе Rhinoceros

Полученную трехмерную модель с разделением объемов по геологическим слоям можно использовать для решения геотехнических задач в расчетных программах, например в PLAXIS 3D.

Импорт в PLAXIS 3D

Программа PLAXIS 3D предназначена для трехмерных расчетов деформаций и устойчивости пространственных строительных объектов совместно с грунтовым основанием.

Созданный в Rhinoceros 6 файл в формате DXF импортируется в PLAXIS 3D в режиме Soil с сохранением исходных координат или, при необходимости, с новыми координатами (рис. 4). После этого каждому слою назначается необходимый материал (рис. 5).

Рис. 4. Импортированная трехмерная геологическая модель в PLAXIS 3D

Рис. 4. Импортированная трехмерная геологическая модель в PLAXIS 3D

Рис. 5. Трехмерная геологическая модель PLAXIS 3D 
с назначенными характеристиками грунтов

Рис. 5. Трехмерная геологическая модель PLAXIS 3D с назначенными характеристиками грунтов

Таким образом, на построение геологической модели площадью около 600 000 м2 с 96 скважинами и 27 слоями от создания облаков точек до задания материалов в PLAXIS потребовалось всего 1,5 ч. Без связки gINT — Rhinoceros это могло бы занять более 30 ч ручной работы.

Заключение

Рассмотренный в статье способ передачи геологической информации — от программы для изыскателей gINT Professional через программу для моделирования Rhinoceros 6 в расчетную программу PLAXIS 3D — обеспечивает пользователям возможность значительно сократить сроки и повысить точность создания геологической модели.

Этот пример наглядно показывает, что совместное рациональное использование различных по назначению программ позволяет не только оптимизировать затраты времени и усилий в процессе работы, но и внести значительный вклад в решение одной из труднейших проблем — применения инженерно-геологических изысканий и геотехнических расчетов при внедрении BIM-технологий в строительстве.