Использование технологий информационного моделирования в гидроэнергетическом строительстве

Вячеслав БАБЧУК
Магистрант НИУ МГСУ
e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Любовь ШИЛОВА
Доцент кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве НИУ МГСУ, к. т. н., доцент
e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Виктор ЕВСТРАТОВ
Преподаватель кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве НИУ МГСУ
e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Введение

Энергия является основным двигателем прогресса в жизни человечества. С целью получения максимальной эффективности от использования ресурсов постоянно модернизируются методы использования различных видов энергии. И, несмотря на то, что уголь, нефть и природный газ остаются основными мировыми источниками энергии, потенциал ВИЭ постепенно растет. В настоящее время 19 % энергии, производимой в мире, поступает от возобновляемых источников. При этом около 84 % этого объема вырабатывается гидроэлектростанциями (ГЭС).
Основной задачей гидротехнических сооружений является преобразование природного режима водного объекта (озера, реки, моря и др.) для экономического хозяйственного использования с применением средств защиты окружающей среды от вредного воздействия [1].
Распределение гидроресурсов в мире с градацией по уровню их освоенности представлено на рис. 1. Наиболее темные участки карт соответствуют большему количеству построенных или запланированных к строительству ГЭС, а наиболее светлые, соответственно, меньшему, что позволяет примерно оценить реализованный в первой четверти XXI в. потенциал развития гидроэнергетики.

В современном мире значительное внимание уделяется вопросам развития информационных систем и технологий в строительной отрасли, в задачи которой входит, в том числе проектирование и обеспечение функционирования объектов гидротехнического строительства. Анализ технологий Индустрии 4.0 или четвертой промышленной революции показал, что одной из наиболее востребованных и перспективных технологий является информационное моделирование [2].
Кроме того, использование технологий информационного моделирования (ТИМ) при реализации строительных проектов становится обязательным даже на государственном уровне, как в России, так и за рубежом.
Вместе с тем, внедрение этих технологий при возведении гидротехнических сооружений находится на начальном этапе, при котором только формируются директивные требования к процессу создания моделей, нормы их регламентации и контроля.
В этой связи, актуальной становится задача по исследованию, анализу и разработке мероприятий по упрощению и систематизации создания информационных моделей объектов гидротехнического строительства.

Анализ зрелости технологии информационного моделирования

Термин «технологии информационного моделирования» является аналогом зарубежного термина building information modelling (BIM). В Российской Федерации данное направление активное развитие получило с 2014 г. По сути, они являются логическим развитием систем автоматизированного проектирования.
Оценка уровня зрелости (степени внедрения) технологий информационного моделирования проводится с использованием диаграммы Бью-­Ричардса, которая представлена на рис. 2.
Согласно данной модели, принято выделять 4 уровня внедрения BIM.

Нулевой уровень (плоский CAD без трехмерных данных) – создание плоского «традиционного» чертежа. Расчет объемов работ и формирование спецификаций не предусмотрено.
Первый уровень (управляемый CAD в 2D или 3D-формате). С использованием программ этого уровня развития можно создать 3D-концептуальные модели и 2D-чертежи для выдачи документации и информационной поддержки продукта.
Второй уровень (управляемая 3D-среда). Взаимодействие между различными разделами проектной документации обеспечено за счет использования общих форматов файлов. При этом обеспечивается взаимосвязь чертежей и 3D-модели, т. е. визуализация модели во времени, а также расчет стоимости проекта в реальном времени.
Третий уровень (интегрированная и унифицированная 3D-среда). На третьем уровне обеспечена полная интеграция, а сотрудники производственных отделов работают с одной общей моделью. Работа ведется в соответствии со стандартами ISO в области применения технологий информационного моделирования [3].
Ключевым параметром при использовании технологий информационного моделирования является уровень проработки элементов информационной модели (LOD, Level of Development), который задает объем геометрической, пространственной, количественной и прочей атрибутивной информации, необходимой для решения строительных задач по объекту капительного строительства на конкретном этапе его жизненного цикла. Уровни проработки информационной модели представлены на рис. 3. Соответственно уровень проработки информационной модели зависит от технического задания и тех задач, для которых эта модель формируется.

Кроме того, принято различать размерность или детализацию проработки информационной модели. Существующие размерности информационных моделей представлены на рис. 4 [5]. Однако в настоящее время о двух последних размерностях пока ведутся споры (это 9D и 10D).

Вместе с тем, на рынке представлено значительное количество программных продуктов, поддерживающих технологии информационного моделирования. Процент зрелости BIM-решений в сопоставлении с этапами жизненного цикла рассчитан в [6].
В то же время армирование подпорных стен гидротехнических сооружений с использованием автоматизированных систем – задача, в полной мере нереализованная. Наиболее подходящим, но не идеальным функционалом в плане армирования обладает ПК Autodesk Revit.

Анализ исследований применения технологий информационного моделирования в гидротехническом строительстве

Анализ исследований в области применения технологий информационного моделирования проводился за период с 2011 по 2021 гг. в связи с тем, что технологии информационного моделирования относят к Индустрии 4.0, концепцию которой представили в 2011 г. [2]. Для оценки их использования в гидротехническом строительстве в международных библиографических поисковых системах были сделаны две выборки, по ключевым словам: BIM (выборка 1) и BIM+ hydraulic engineering (выборка 2).
Наиболее цитируемой публикацией в этой области является [7] (26 цитирований), которая содержит разработку интегрированного метода и интеграционной платформы BIM/ГИС для внедрения микро- и макроинформации в унифицированную среду без необходимости преобразования стандартов или установки подключаемых модулей.
Вторая публикация [8] по популярности (17 цитирований) описывает реализацию проектов по строительству нескольких железнодорожных и автодорожных туннелей, гидравлических туннелей, туннелей городского метрополитена и инженерных туннелей в Китае. При этом отмечается, что строительство этих туннелей способствовало значительному прогрессу в развитии технологии строительства туннелей и решению технических проблем с точки зрения изысканий, проектирования, строительства, безопасной эксплуатации и технического обслуживания. В исследовании выявлены инновационные методы преодоления трудностей, связанных с реализацией подобных проектов.
В третьей публикации [9] (количество цитирований – 7) содержится исследование по расширению стандартизации технологий информационного моделирования для проектирования и анализа плавучих и амфибийных конструкций. Остальные публикации либо ни разу не процитированы, либо имеют 1 цитирование.
Таким образом, анализ исследований в области применения технологий информационного моделирования на основе оценки публикационной активности ученых показал, что их использование в гидротехническом строительстве все еще находится на начальном этапе своего развития и не представлено в публикациях отечественных исследователей. Это определяет высокую актуальность исследований в области применения технологий информационного моделирования в гидротехническом строительстве и недостаточную разработанность данной проблемы.

Оценка возможностей использования тим в области автоматизации армирования подпорной стены гидротехнического сооружения

Одной из основных проблем на пути активного внедрения технологий информационного моделирования при создании гидротехнических сооружений является необходимость в использовании элементов, отличных от применяемых в гражданском строительстве. Такие элементы имеют, как правило, сложную геометрию и, следовательно, трехмерное отображение с большим количеством полигонов, а их изменение может привести к неточностям при расчете объема работ и при построении расчетной модели.
Известно, что ключевое свой­ство бетона – его прочность. Однако, несмотря на это, под влиянием внешних факторов, материал может постепенно разрушиться. В этой связи для повышения надежности бетонных конструкций, используется армирование. Усиление позволяет повысить несущую способность объекта, а также предотвратить растрескивание материала.
Одним из основных элементов плотины любой ГЭС является подпорная стена – сооружение, удерживающее от обрушения находящийся за ним естественный или искусственный массив грунта. Например, подпорная стена, входящая в состав плотины Чиркейской ГЭС на реке Сулак (в 15 км выше по течению от Миатлинской ГЭС) в Дагестане является самой крупной ГЭС на Северном Кавказе и самой высокой арочной плотиной в Российской Федерации, которая является ступенью Сулакского каскада ГЭС.
Армирование подпорной стенки придает монолитной конструкции необходимую прочность и надежность, помогая ей выдерживать и не разрушаться при больших нагрузках. Характер армирования подпорных стенок определяется расчетным способом, в том числе на основе применения информационного моделирования.
В настоящее время в НИУ МГСУ ведутся разработки в области технологий информационного моделирования с использованием ПО Revit, где каждый тип подпорной стены гидротехнического сооружения создается в параметрическом семействе шаблона обобщенной модели (рис. 5–6). В программной среде формируется шаблон (рис. 5) для тестирования моделей подпорных стен и затем разрабатывается скрипт для армирования с использованием надстройки Dynamo (рис. 6).

Проверка разработанных скриптов на различных подпорных стенках гидротехнических сооружений представлена на рис. 6. Элементы подпорной стены, полученные на основе методов информационного моделирования позволят достигать высокого уровня автоматизации армирования и повышения эксплуатационных характеристик подпорной стены гидротехнического сооружения.

Выводы

В настоящее время технологии информационного моделирования в гидроэнергетическом строительстве находятся на этапе своего становления, однако государственная политика, как за рубежом, так и у нас, предусматривает различные механизмы поддержки данной технологии [3].
Рассмотренные нами подходы к оценке уровня зрелости технологий информационного моделирования, а также уровни проработки информационной модели в зависимости от задач, стоящих перед специалистами – гидротехниками, свидетельствуют о высокой актуальности исследований в этой области.

Демонстрация прикладного использования технологий информационного моделирования для моделирования объектов, относящихся к гидроэнергетическим сооружениям, в том числе элементам плотин ГЭС с использованием ПО Revit для автоматизации армирования подпорных стен позволяет рассматривать данное направление развития технологий в строительстве гидроэнергетических сооружений в качестве наиболее перспективного и имеющего высокое прикладное значение.