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 развития недвижимости 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 строительства. С другой — градостроительные и технологические риски значительно увеличиваются именно при строительстве в условиях сложившейся плотной городской застройки. Кроме того, современная практика строительства в северном городе-мегаполисе имеет собственную специфику. В итоге существует целый комплекс задач по оперативному многовариантному и оптимизационному исследованию работы трехмерных комбинированных конструкций зданий и сооружений с учетом факторов, ранее рассматривавшихся упрощенно и/или несовместно.

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, решения вычислительных задач большой размерности, квалифицированного анализа и инженерной интерпретации результатов вычислений.

Эта статья иллюстрирует опыт решения указанных проблем средствами интегрированной системы анализа конструкций StructureCAD (SCAD).

Комплекс программ SCAD реализует прогрессивный и универсальный метод конечных элементов. Имея сертификат соответствия Строительным Нормам РФ, 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 далеко не ограничиваются, продолжая расширяться и совершенствоваться. В целом же достигнутый уровень «взаимопонимания» с пользователями во многом объясняется принадлежностью коллектива разработчиков пакета к славной отечественной школе инженеров-строителей, наличием собственного «горького» опыта 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 значимость, 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, 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. Работы выполнялись сотрудниками инженерно-строительного факультета СПбГПУ в рамках 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, д. 2 (проект «Аврора»)

Высотный жилой дом повышенной комфортности пристраивается к уже существующему зданию по Финляндскому проспекту (рядом с гостиницей «Санкт-Петербург») и задуман как архитектурная доминанта стрелки Выборгской набережной (рис. 1). Окончание строительства (застройщик — ИСК «Источник-Строй») приурочено к трехсотлетнему юбилею северной столицы. Дом возводится по индивидуальному проекту, разработанному в архитектурной мастерской академика архитектуры Т. П. Садовского. Проектом предусмотрено возведение подземного гаража-стоянки и девятнадцати надземных этажей, полезная площадь которых предназначена для размещения жилых и офисных помещений. Здание увенчано куполом со шпилем и имеет общую высоту около 74 м (без шпиля). На последнем этаже расположатся четыре роскошных пентхауза. Жилая площадь дома — примерно 12 тыс. кв. м. В каждой квартире предусмотрена застекленная терраса (безрамное остекление тонированными или полутонированными стеклами), с которой открывается широкая панорама центра Петербурга. По лицевому фасаду устраивается тройное остекление (рис. 2).

Рис. 1
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 2
Рис. 3а
Рис. 3а
Рис. 3б
Рис. 3б

Конструктивная схема здания, имеющего сложную в плане форму, представляет собой пластинчато-стержневой каркас из монолитного железобетона. На надземных этажах наружные стены — самонесущие кирпичные с утеплителем (рис. 3). 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 см. на рис. 4). Наружные несущие стены — из монолитного железобетона. Плита днища паркинга свободно опирается по контуру свайных ростверков. Несущие конструкции подземного и двух первых надземных этажей составляют жесткую коробчатую базу здания в целом.

Рис. 4
Рис. 4

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 (рис. 5). 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 и дополнение архитектурного решения новыми элементами. Практическую ценность представляет возможность гибкого управления 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 (рис. 6 и 7).

Рис. 5
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 6
Рис. 7. Модель в режиме презентационной графики
Рис. 7. Модель в режиме презентационной графики

В задаче 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 локальными особенностями конструктивного решения пренебрегалось (рис. 6). 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 (рис. 8). Для определения этих реакций SCAD предоставляет специальный режим «Нагрузки от фрагмента схемы», который является одной из важных отличительных особенностей комплекса.

Рис. 8
Рис. 8

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 (рис. 9), процентов продольного армирования плиты (рис. 10) и стен (рис. 11) на интересующем этаже.

Рис. 9
Рис. 9
Рис. 10
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 11

Реконструкция комплекса зданий по набережной реки Мойки, д. 59

Рис. 12
Рис. 12

Домовладение состоит из трех-пятиэтажных с подвалом каменных строений, 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. Включает в себя три постройки: основную (1768−1773 гг.) — по Невскому проспекту, боковую (1792−1794 гг. с позднейшей надстройкой четвертым и пятым этажами) — по набережной реки Мойки и боковую, возведенную в 20-х годах XIX столетия, — по улице Большая Морская.

Проект реконструкции здания под гостиницу и развлекательный комплекс (генпроектировщик — ПВП «Регард») предусматривал устройство крытого внутреннего двора (рис. 12) с паркингом на уровне первого этажа, рестораном и зимним садом на верхних уровнях.

Архитектурный проект выполнен творческой мастерской «Альменда» в среде AutoCAD (рис. 13).

Рис. 13
Рис. 13

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 взаимноперпендикулярных балок, опирающихся на пилоны и объединенных по контуру двора балкой коробчатого сечения. По верху 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 роль рабочего армирования и оставляемой опалубки.

Пространственная геометрическая модель несущей конструкции объекта в осевых линиях создавалась средствами AutoCAD (рис. 14). При генерации конечно-элементной модели (рис. 15) 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 обходить известную вычислительную трудность (когда в одном узле модели сопрягаются элементы с резко отличными жесткостными параметрами, происходит потеря точности вычислений за счет ухудшения числа обусловленности матрицы жесткости системы).

Рис. 14
Рис. 14
Рис. 15
Рис. 15

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

Рис. 16
Рис. 16

По полученным внутренним усилиям (рис. 17) в специальном постпроцессоре Бетон выполнен подбор продольной и поперечной арматуры железобетонных элементов в соответствии со СНиП 2.03.01−84.

Рис. 17
Рис. 17
Рис. 17
Рис. 17

Остро 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.

Рис. 18
Рис. 18
Рис. 18
Рис. 18

Заключение

По результатам 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 строительных конструкций:

  • достаточно сложной пространственной геометрии;
  • 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.