PLAXIS 3D помог в проектировании котлована под строительство общественно-культурного комплекса в Нидерландах

Общая информация о здании «Гронингер-форум» и его проектировании

На севере Нидерландов в историческом центре города Гронинген в декабре 2019 года был открыт многофункциональный общественно-культурный центр «Гронингер-форум» (Groninger Forum, Forum Groningen). Он хорошо вписался в архитектурный облик этого старинного города и стал его новой достопримечательностью. В нем работают кинотеатры, выставочные площадки, библиотека, аудитории, актовые залы, рестораны, кафе, бары и пр. В неделю его посещают до 100 тысяч человек. Интерес посетителей будет постоянно поддерживаться и в дальнейшем путем организации различных фестивалей, презентаций, выставок и проведения других общественных мероприятий.

Это одиннадцатиэтажное здание высотой 45 м было построено по заказу муниципалитета. Его архитектурные решения необычны. Фасады и их участки наклонены в разные стороны. Солнце по-разному освещает эти скошенные поверхности цвета светлого песчаника, что добавляет «Гронингер-форуму» пространственной привлекательности (рис. 1).

Рис. 1. Знание «Гронингер-форум» в различных ракурсах [1, 2]

Многоуровневое внутреннее пространство надземной части культурного центра сгруппировано вокруг огромного инновационного атриума (рис. 2, 3). На крыше имеется обзорная площадка, откуда открываются замечательные виды на старинный город (рис. 4).

Рис. 2. Общая схема внутреннего устройства надземной части здания «Гронингер-форум» [2]

Рис. 3. Центральный атриум здания «Гронингер-форум» [1, 2]

Рис. 4. Обзорная площадка и кафе на крыше здания «Гронингер-форум» [2]

«Гронингер-форум» имеет два больших подземных помещения. Прямо под надземной частью здания расположена пятиэтажная парковка на 390 автомобилей, а к ней примыкает подземная велопарковка, где помещаются 1500 велосипедов (рис. 5) [1–4].

Рис. 5. Надземная и подземная части макета здания «Гронингер-форум» в разрезе [4]

Проект «Гронингер-форума» был разработан сотрудниками амстердамской компании NL Architects. Однако они попросили консалтинговую компанию Adviseurs in Bouwtechniek (ABT) выполнить геотехнический анализ для проектирования глубокого котлована под строительство здания, необходимого также для размещения парковки, причем с учетом минимизации рисков деформаций окружающего грунта. Именно один из вариантов, исследованных фирмой ABT, и привел к созданию под зданием пятиэтажной подземной парковки и примыкающей к ней одноуровневой велопарковки [3, 4].

Выбранная на основе анализа система крепления котлована (имеющего глубину 18 м и периметр 267 м) состоит из «стен в грунте» глубокого заложения, поддерживаемых стальными распорными трубами. Для временного крепления дна котлована во время строительства также была уложена плита с использованием метода заливки бетона под водой. Для удержания этой плиты от подъема гидростатическими силами использовались работающие на растяжение и на сжатие винтовые сваи Tubex (с оставляемыми в грунте стальными стволами и наконечниками после их заполнения цементным раствором) и анкеры Gewi (см. рис. 5) [3, 4].

Что могло бы помешать разработке проекта

Было обозначено несколько проблем, которые могли бы помешать разработке проекта подземной части здания «Гронингер-форум».

1. Вокруг котлована на расстоянии от 2,5 до 12,5 м от него расположены исторические здания. Наиболее уязвимое из них было построено в 1130 году и расположено рядом с углом котлована. Ни в коем случае нельзя было допустить деформаций этих объектов. К слову, они в основном имеют фундаменты мелкого заложения, но одна из пристроек к ним выполнена на свайном фундаменте.

2. На западной стороне здания уровень дневной поверхности примерно на 2,4–3,0 м выше, чем на восточной стороне.

3. Существуют значительные различия в грунтовых разрезах с разных сторон котлована (табл. 1). С запада имеются только слои суглинков и песков, а с востока – также толща переуплотненной глины (с коэффициентами переуплотнения OCR от 2 до 3), известной в Нидерландах как Potklei. Ее мощность в среднем составляет 12 м.

4. Уровень грунтовых вод на западной стороне находится на 2 м выше, чем на восточной.

5. Котлован в плане также асимметричен. На западной стороне это полукруг диаметром около 36 м, а на восточной – трапеция, точнее почти прямоугольник шириной около 43 м и длиной примерно 105 м [3, 4].

Таблица 1. Грунтовое основание с западной и восточной стороны котлована (уровень грунтовых вод не указан) [4]

Геотехнический анализ

Перечисленные выше проблемы явились основными причинами того, что компания ABT выбрала именно метод конечных элементов в трехмерной постановке для геотехнического анализа при решении многих задач проектирования глубокого котлована под строительство «Гронингер-форума».

Первый вариант проекта подземной части здания был разработан еще в 2008 году с использованием программы PLAXIS 3D Foundation. В ней было возможно работать только с горизонтальными рабочими плоскостями, поэтому наклон окружающего рельефа дневной поверхности был смоделирован в виде нескольких небольших ступеней. Уже с этой трехмерной моделью стало ясно, что деформации грунта вокруг котлована не будут везде одинаковыми. В частности, они будут значительно меньше по его углам.

Сначала в системе крепления котлована предполагался только один уровень распорных труб на глубине 4,5 м. Но для уменьшения деформаций окружающего грунта, оцененных в PLAXIS 3D Foundation, было решено временно добавить второй уровень распорок на глубине 1,5 м. Также было принято решение повысить уровень воды внутри строительного котлована, который во время выемки грунта был ниже уровня грунтовых вод. Благодаря этим мерам риск ущерба был уменьшен до приемлемого.

Позже была создана модель в конечноэлементном программном комплексе PLAXIS 3D. Она позволила более детально выполнить схематизацию различных этапов строительства котлована и проверить возможность добавления или удаления распорных труб. При рассмотрении разных вариантов с использованием этой модели была выбрана оптимальная последовательность выемки грунта и установки распорок.

За один раз делается только минимальная выемка грунта в виде траншеи с наклонными стенками, на дне которой устанавливается одна распорная труба. Затем «траншея» засыпается грунтом, и только после этого вся процедура повторяется для следующей распорки. Этот способ поэтапного строительства стали называть ESBM (“local Excavation – Strut installation – Backfilling” Method, то есть метод «локальная выемка грунта – установка распорки – обратная засыпка»). Такой процесс уменьшал объем вынутого грунта в каждый момент времени. Это снижало риск деформаций системы крепления котлована и окружающего грунтового массива во время установки каждой очередной распорной трубы, а также позволяло самоходному подъемному крану работать с тяжелыми трубами с близкого расстояния. В том числе таким способом верхние временные распорки по одной перемещались на уровень нижней рамы (рис. 6–8).

Рис. 6. Фотография временной выемки грунта в виде траншеи с наклонными стенками и установленной на ее дне нижней распорной трубы [4]. Детальное моделирование такого этапа представлено на рис. 7

Рис. 7. Детальное моделирование очередного этапа установки распорных труб с использованием PLAXIS 3D [3, 4]

Рис. 8. Трехмерная модель котлована и окружающей территории в PLAXIS 3D и соответствующая реальная картинка (аэрофотоснимок). Видны распорные трубы в нижней раме и пустая рама, оставшаяся от временного верхнего уровня распорок [4]

Для выполнения технико-экономического обоснования в PLAXIS 3D была создана трехмерная модель, в которой выбранная последовательность работ по установке распорных труб была схематизирована пошагово. В трехмерную сетку был добавлен ряд наклонных поверхностей, моделирующих откосы временных локальных выемок грунта (рис. 9).

Рис. 9. Дополнительные наклонные поверхности для моделирования локальных выемок грунта [3, 4]

Процедура ESBM при детальном моделировании выполнялась для каждой распорки (см. рис. 7) с перемещением этих локальных работ с востока на запад, пока все трубы не были размещены так, как надо. Грунт, остававшийся в западной части котлована, предотвращал деформации грунтовых оснований исторических объектов на той стороне. А поэтапная установка распорок на нижнем уровне начиная с противоположной части котлована предотвращала деформации с восточной стороны. Если и возникали небольшие деформации, то только в непосредственной близости от места расположения очередной временной «траншеи». На рисунке 10 показано, как при моделировании развиваются осадки окружающих котлован исторических объектов в ходе применения процедуры ESBM. 

Рис. 10. Развитие осадок окружающих котлован исторических объектов в ходе установки распорных труб методом ESBM на разных стадиях, обозначенных номерами 1–9

В целом при технико-экономическом обосновании было определено, что осадки соседних зданий при использовании метода ESBM должны быть значительно ниже, чем при выемке грунта сразу по всей площади котлована. Причем даже если устанавливать только один нижний уровень распорок. Но все же для дополнительного снижения рисков деформаций было решено не отказываться и от использования временных верхних распорных труб.

Чтобы решить проблемы, связанные с проектированием «стен в грунте», проектная команда ABT смоделировала их с использованием пластинчатых, а не объемных элементов. Для распорок использовались балочные элементы с жесткими узлами. Для плиты, получаемой методом подводного бетонирования, применялись объемные элементы с поверхностной нагрузкой сверху, чтобы скомпенсировать гидростатическое противодавление. В реальности эта компенсация обеспечивается сваями и анкерами (см. рис. 5), которые были исключены при моделировании. Окружающий грунтовый массив моделировался с помощью модели упрочняющегося грунта Hardening Soil (HS) в полностью дренированных условиях. В таблице 2 представлены основные параметры грунта.

Таблица 2. Основные параметры грунта [4]

Дополнительные наклонные плоскости позволили получить сетку из более чем 500 000 элементов.

Расчет пересечений (соединений) между слоями грунта и строительными конструкциями, выполнявшийся в PLAXIS 3D при переключении на вкладку Mesh, занял значительное время. Но после этого само построение сетки (разбиение на элементы) было выполнено успешно и в более короткие сроки, чем при использовании традиционных методов.

Различные этапы должны были быть рассчитаны с использованием разных «программ-решателей». Решатель Classic использовал меньше памяти, но требовал больше времени. Pardiso работал быстрее, но для некоторых структурных элементов почему-то иногда давал вырожденные матрицы. Picos (стандартный решатель PLAXIS) справлялся с ситуацией, в которой были включены элементы конструкции и отключены элементы грунта (из-за экскавации). Переключаясь между различными расчетными программами, удалось эффективно завершить все вычисления.

Для расчета всех этапов потребовалось более 14 ГБ оперативной памяти и около 30 ГБ дискового пространства. Во избежание недостатка места, доступного для временной папки Windows (TEMP), проект сохранялся после каждого этапа расчета [3, 4].

Сопоставление результатов численного анализа и измерений

Воздействия на окружающие объекты тщательно контролировались с помощью инклинометров, установленных в «стенах в грунте», и большого количества осадочных марок на фасадах соседних с котлованом зданий.

Горизонтальные отклонения «стен в грунте», оцененные с помощью модели, построенной в PLAXIS 3D, составляли от 20 до 30 мм, в то время как измеренные горизонтальные деформации были меньше: всего несколько миллиметров с максимумом 7 мм.

Меньшие фактические деформации были обусловлены более высокой реальной жесткостью «стены в грунте» и переуплотненной глины Potclei. Дело в том, что коэффициент переуплотнения (OCR) этой глины при моделировании не учитывался, поэтому для нее расчетные начальные горизонтальные напряжения и, следовательно, фактические модули упругости модели HS были заниженными. Что касается «стены в грунте», то в модели использовался модуль упругости, соответствующий растрескавшейся стенке, но в реальности в ней практически не возникло трещин. Кроме того, если бы при моделировании для компенсации разгрузки из-за выемки грунта учитывалась работа свай и анкеров под бетонной плитой на дне котлована, залитой «подводным» способом, расчетные деформации окружающих котлован объектов были бы более реалистичными.

Развитие реальных и смоделированных осадок в четырех точках измерений в процессе строительства котлована сопоставлено на рисунках 11 и 12. Суммарные измеренные вертикальные смещения окружающих исторических объектов тоже оказались ниже, чем оцененные, но они были неодинаковыми из-за разной формы участков подпорной стены с разных сторон котлована. Расчетные осадки зданий с северной и восточной сторон на расстоянии 5 м от края котлована составляли от 10 до 15 мм, а измеренные — от нескольких до 7–9 мм. Оцененная осадка монумента вблизи юго-западного угла строительной площадки составила 6 мм, а реальная — около 5 мм.

Тут следует отметить, что даже расчетные осадки были меньше допустимых. А поскольку реальные осадки оказались еще ниже, риск повреждения окружающих зданий при строительстве «Гронингер-форума» практически отсутствовал [3, 4].

Рис. 11. Сопоставление смоделированных в PLAXIS и измеренных осадок соседних исторических объектов на северной и восточной сторонах площадки на разных этапах строительства котлована [4]

Рис. 12. Сопоставление смоделированных в PLAXIS и измеренных осадок соседних исторических объектов на юго-восточном и юго-западном углах площадки на разных этапах строительства котлована. Размещение точек измерения и расшифровку этапов см. на рис. 11 [4]

Заключение

Таким образом, с помощью полученной в PLAXIS 3D комплексной модели, включавшей временные и постоянные конструктивные элементы и детальную поэтапность работ, команде ABT удалось оптимизировать реализацию проекта котлована глубокого заложения под строительство общественно-культурного центра «Гронингер-форум» и обеспечить сохранность окружающих исторических зданий. Предложенные этой компанией подходы к решению задач геотехнического анализа могут быть полезными и при проектировании других крупных и сложных котлованов [3, 4].

—

Статья подготовлена при поддержке компании «НИП-Информатика» – партнера журнала «ГеоИнфо».

Источники

1. Карпухина Е. Новый культурный центр Forum Groningen в Гронингене // Admagazine.ru. 02.03.2020. URL: https://www.admagazine.ru/architecture/novyj-kulturnyj-centr-forum-groningen-v-groningene.
2. «Культурный универмаг» – новое общественное «чудо» в Гронингене // Строительный портал новых технологий. 26.01.2020. URL: https://taratutenko.ru/kulyturny-univermag-v-novoe-obshtestvennoe-tchudo-v-groningene.html.
3. ABT consulting uses geotechnical analysis software to design Groninger Forum parking facility. PLAXIS 3D helps team resolve challenges including preserving historic buildings in proximity of the construction // BENTLEY Advancing Infrastructure. The last accessed date: 29.04.2020. URL: prod-bentleycdn.azureedge.net/en.
4. PLAXIS 3D analysis of the Groninger Forum // Plaxis Bulletin. 2015. № 37. URL: https://www.plaxis.com/content/uploads/2016/10/Plaxis-Bulletin-37.pdf.

Заглавное фото: [4]