StructureCAD: обоснование проектных решений на объектах строительства и реконструкции исторического центра Санкт-Петербурга

Вячеслав Белов, Андрей Бучнев, Евгений Синицын, Дмитрий Терентьев

Элитный жилой комплекс на Выборгской набережной, дом 2 (проект «Аврора»)

Реконструкция комплекса зданий по набережной реки Мойки, дом 59

Заключение

В преддверии 300-летия Санкт-Петербурга благоприятное сочетание административно-политических, финансово-экономических и организационно-хозяйственных факторов обусловило заметное повышение инвестиционной активности на рынке недвижимости города. По понятным причинам наибольшую привлекательность представляют проекты реконструкции и строительства зданий в историческом центре Санкт-Петербурга. При этом, с одной стороны, завышенный в Российской Федерации банковский процент на заемные средства критическим образом обостряет проблему сокращения сроков работ, а с другой — градостроительные и технологические риски значительно увеличиваются именно при строительстве в условиях сложившейся плотной городской застройки. Кроме того, современная практика строительства в этом северном мегаполисе имеет собственную специфику. В итоге складывается целый комплекс задач по оперативному многовариантному и оптимизационному исследованию работы трехмерных комбинированных конструкций зданий и сооружений с учетом факторов, ранее рассматривавшихся упрощенно и/или по отдельности.

При такой постановке инжиниринга проектов строительства и реконструкции не обойтись без привлечения современных алгоритмов и компьютерных программ — в первую очередь для реализации эффективных схем дискретизации краевых задач, для решения вычислительных задач большой размерности, для квалифицированного анализа и инженерной интерпретации результатов вычислений.

В этой статье рассказывается об опыте решения указанных проблем средствами интегрированной системы анализа конструкций StructureCAD (SCAD).

Комплекс программ SCAD реализует прогрессивный и универсальный метод конечных элементов. Имеющий сертификат соответствия строительным нормам Российской Федерации, этот пакет получил сегодня наибольшее распространение в Санкт-Петербурге и Северо-Западном регионе России. Высокую конкурентоспособность на рынке программных продуктов обеспечивает выраженная ориентированность комплекса на решение прикладных задач, актуальных для инженеров-проектировщиков. Так, одно из важнейших достоинств SCAD обусловлено возможностями управляемой визуализации всех аспектов строительного проектирования — от создания конечно-элементной модели до расчета напряженно-деформированного состояния конструкций и их конструирования. Этим функции системы нового поколения SCAD не ограничиваются, продолжая расширяться и совершенствоваться. В целом же достигнутый уровень «взаимопонимания» программы с пользователями во многом объясняется тем, что ее разработчики принадлежат к славной отечественной школе инженеров-строителей, вследствие чего обладают собственным горьким опытом расчетов и проектирования.

Участие Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ) в научно-техническом обеспечении строительства и реконструкции сложных в инженерном отношении объектов Санкт-Петербурга, имеющих высокую архитектурно-историческую ценность, является уже многолетней традицией. Применение такого высокотехнологичного инструментария, как SCAD, потребовалось при инженерной подготовке реконструкции Юсуповского дворца, Иоанновского моста и собора Святых Петра и Павла в Петропавловской крепости, особняка купцов Колобовых, дома генерала Чичерина, при проектировании жилых и общественных комплексов на Крестовском острове, Выборгской набережной. Далее в качестве примера представлены некоторые материалы по двум объектам строительства и реконструкции в исторической части Санкт-Петербурга. Анализ конструкций выполнялся сотрудниками инженерно-строительного факультета СПбГПУ в рамках работы учебно-исследовательского Центра информационных технологий в строительстве (ЦИТС), учрежденного совместно с Consistent Software/Бюро ESG — Санкт-Петербургским отделением Consistent Software.

Элитный жилой комплекс на Выборгской набережной, дом 2 (проект «Аврора»)

Высотный жилой дом повышенной комфортности пристраивается к уже существующему зданию на Финляндском проспекте (рядом с гостиницей «Санкт-Петербург») и задуман как архитектурная доминанта стрелки Выборгской набережной. Окончание строительства (застройщик — ИСК «Источник-Строй») приурочено к 300-летнему юбилею северной столицы. Дом возводится по индивидуальному проекту, разработанному в архитектурной мастерской академика архитектуры Т.П.Садовского. Проектом предусмотрено возведение подземного гаража-стоянки и 19 надземных этажей, полезная площадь которых предназначена для жилых и офисных помещений. Здание увенчано куполом со шпилем и имеет общую высоту около 74 м (без шпиля). На последнем этаже будут располагаться четыре роскошных пентхауза. Жилая площадь дома — примерно 12 тыс. м2. В каждой квартире предусмотрена застекленная терраса (безрамное остекление тонированными или полутонированными стеклами), с которой открывается широкая панорама центра Петербурга. По лицевому фасаду производится тройное остекление.

Конструктивная схема здания, имеющего сложную в плане форму (на изображены лицевой и дворовый фасады), представляет собой пластинчато-стержневой каркас из монолитного железобетона. На надземных этажах наружные стены — самонесущие, кирпичные, с утеплителем. Пространственная жесткость здания обеспечивается несущими продольными и поперечными стенами, системой колонн и дисками безбалочных перекрытий. Фундаменты — свайные, с массивными отдельными и ленточными ростверками под стены и колонны.

Перекрытие подземного паркинга — безбалочное, переменной толщины (границы изменения толщины представлены на ). Наружные несущие стены  — из монолитного железобетона. Плита днища паркинга свободно опирается по контуру свайных ростверков. Несущие конструкции подземного и двух первых надземных этажей образуют жесткую коробчатую базу здания в целом.

При архитектурном проектировании рассматриваемого объекта использовался один из популярных инструментов — разработанная фирмой Graphisoft система ArchiCAD. При этом актуальная проблема автоматизации перехода от архитектурного решения здания к его расчетной схеме в среде SCAD существенно упрощается благодаря наличию специального препроцессора ФОРУМ. Укрупненная расчетная модель: основные размеры, привязки колонн и несущих стен, очертания перекрытий, положение проемов и отверстий  — формируется здесь с необходимой степенью детализации. На этом же этапе разработки удаляются объекты, которые не включаются в расчетную схему: перегородки, элементы ограждения, архитектурные детали и т.п. При необходимости уточняется положение конструктивных элементов: колонн, балок, стен и плит, возможно дополнение архитектурного решения новыми элементами. Практическую ценность представляет гибкое управление генерацией конечно-элементной сетки — ФОРУМ весьма разнообразен в средствах ее построения и корректировки. Построение расчетной схемы здания завершается заданием жесткостных характеристик, условий опирания и примыкания элементов модели, ввода нагрузок и специальных исходных данных (; на модель представлена в режиме презентационной графики).

При анализе конструкции рассматривались все необходимые нормативно регламентированные статические и динамические нагрузки, включая действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. При этом анализ задачи на входе и на выходе существенно упрощается благодаря реализованным в SCAD приемам декомпозиции расчетной схемы. Здесь возможна декомпозиция по пространству (техника фрагментов), по смыслу (техника групп) и по структуре (техника подконструкций).

На рис. 8 в роли фрагмента выступает цокольная часть здания. Целью фрагментации была реализация естественной и практически необходимой процедуры так называемого двухуровневого решения. На внешнем уровне оценивалось напряженно-деформированное состояние объекта в целом. Для этого использовалась «загрубленная» расчетная схема полной конструкции, в которой пренебрегли локальными особенностями конструктивного решения (см. ). На следующем этапе рассчитывался только фрагмент с использованием более детальной конечно-элементной модели. При этом на границе фрагмента, образуемой при его выделении из полной конструкции, в качестве внешних сил прикладываются усилия взаимодействия между фрагментом и «отброшенной» частью здания. Для определения этих реакций SCAD предоставляет специальный режим «Нагрузки от фрагмента схемы», который является одной из важных отличительных особенностей комплекса.

Техника декомпозиции по группам конечных элементов и подконструкциям позволяет необходимым образом дифференцировать анализ выходных параметров напряженно-деформированного состояния. Примеры подобной локализации полученных результатов представлены здесь изополями вертикальных перемещений плиты перекрытия, процентов продольного армирования плиты и стен на определенном этаже.

Реконструкция комплекса зданий по набережной реки Мойки, дом 59

Домовладение состоит из трех-пятиэтажных каменных строений с подвалами, лицевые фасады которых обращены на Большую Морскую улицу, Невский проспект и набережную реки Мойки.

Здание является историческим и архитектурным памятником раннего классицизма XVIII века и известно под названием дома Чичерина. Оно включает три постройки: основную (1768-1773 гг.) — по Невскому проспекту, боковую (1792-1794 гг., с позднейшей надстройкой четвертого и пятого этажей) — по набережной реки Мойки и боковую (20-е гг. XIX столетия) — по Большой Морской улице.

Проект реконструкции здания под гостиницу и развлекательный комплекс (генпроектировщик  — ПВП «Регард») предусматривает устройство крытого внутреннего двора с паркингом на уровне первого этажа, а также с рестораном и зимним садом на верхних уровнях.

Архитектурный проект выполнен творческой мастерской «Альменда» в среде AutoCAD .

Основными несущими элементами конструкции атриума являются четыре монолитных железобетонных пилона переменного по высоте сечения, на которых покоятся перекрытие двора в уровне второго этажа, балконы во всех уровнях и стеклянное по металлическим фермам покрытие атриума. Кроме того, на пилоны одного ряда навешиваются панорамные лифты (по одному на каждый пилон).

Платформа, перекрывающая двор в уровне второго этажа, запроектирована в монолитном железобетоне. В конструктивном отношении она представляет собой систему взаимно перпендикулярных балок, опирающихся на пилоны и объединенных по контуру двора балкой коробчатого сечения. Поверху балки объединены монолитной железобетонной плитой. В толще платформы устраиваются приямки для панорамных лифтов. На платформу опираются стержневые стальные конструкции, устанавливаемые вплотную к существующим стенам и поддерживающие конструкцию балконов. Нижние грани монолитных железобетонных плит балконов формируются металлическим профилированным настилом, выполняющим одновременно функцию рабочего армирования и оставляемой опалубки.

Пространственная геометрическая модель несущей конструкции объекта в осевых линиях создавалась средствами AutoCAD. При генерации конечно-элементной модели учитывались шарнирный характер сопряжения некоторых элементов стального каркаса, эксцентричность расположения поперечных и обвязочных двутавровых балок балконов по отношению к срединной поверхности плиты перекрытий. В последнем случае SCAD предусматривает возможность использования бесконечно жестких вставок по концам стержневых конечных элементов. Эта специальная функция позволяет удачно обойти известную вычислительную трудность: когда в одном узле модели сопрягаются элементы с резко отличными жесткостными параметрами, происходит потеря точности вычислений вследствие ухудшения числа обусловленности матрицы жесткости системы.

Специальный постпроцессор SCAD позволил проверить прочность и устойчивость, а также подобрать сечения элементов из металлопроката в соответствии со СНиП II-23-81. Например, на рис. 16 красным цветом выделены конструктивные элементы, для которых по одному из нормативных факторов потребовалось изменение первоначально заданного сечения.

По полученным внутренним усилиям в специальном постпроцессоре БЕТОН выполнен подбор продольной и поперечной арматуры железобетонных элементов в соответствии со СНиП 2.03.01-84.

Очень актуальным в рассматриваемом проекте являлся выбор конструктивного решения фундаментов: свайного или плитного. При решении этой проблемы активно применялась входящая в комплекс SCAD программа-сателлит КРОСС, предназначенная для локализованного определения коэффициентов постели винклеровского основания по результатам геологических изысканий. Здесь важно отметить, что реализованная в SCAD методика использования так называемых законтурных элементов позволяет учитывать и отпор грунта за пределами фундаментной плиты.

Заключение

Учитывая результаты практического применения комплекса SCAD, сегодня можно уверенно квалифицировать его как высокотехнологичный инструментарий, удовлетворяющий современным потребностям строительного проектирования. В представленных примерах SCAD продемонстрировал необходимую эффективность при анализе работы следующих строительных конструкций:

• с достаточно сложной пространственной геометрией;
• комбинированных по форме, материалам и способам сопряжения;
• испытывающих самые разнообразные статические, динамические, температурные и кинематические воздействия.

Прикладное значение комплекса обеспечивается:

• удобством подготовки исходных данных и обработки результатов;
• оперативной и достоверной оценкой параметров напряженно-деформированного состояния конструкций;
• предоставлением всех необходимых данных для конструирования и создания рабочих чертежей.

«САПР и графика» 10'2002