Инженерно-геологические основы BIM-технологий


И. А. Бусел










                ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ BIM-ТЕХНОЛОГИЙ




Монография


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 624.131.1
ББК 26.3
      Б92





Р е ц е н з е н т ы :
доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик Национальной академии наук Беларуси А. А. Махнач;
доктор технических наук, профессор М. И. Никитенко








     Бусел, И. А.
Б92    Инженерно-геологические основы BIM-технологий : монография /
     И. А. Бусел. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 408 с.
        ISBN 978-5-9729-0658-1

     Дана характеристика инженерно-геологических изысканий для строительства. Освещены концептуальные положения комплексной методологии инженерногеологических исследований и их оптимизации. Предложен подход к разработке методологии стройинжиниринга на основе объединенной технологии изыскательских, проектных, строительных и эксплуатационных работ в рамках единой организационнотехнической системы. Изложены основные аспекты применения BIM-технологий и закономерности трансформации модели как объекта управления строительным проектом на всех этапах жизненного цикла.
     Для инженеров-геологов, проектировщиков и специалистов строительной отрасли. Может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям вузов.

                                                             УДК 624.131.1
                                                             ББК 26.3







ISBN 978-5-9729-0658-1

  © Бусел И. А., 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

                          Посвящается светлой памяти моих учителей:
                          - Комарова Игоря Сергеевича, доктора геолого-минералогических наук, профессора, Лауреата Ленинской премии;
                          - Лободенко Владимира Григорьевича, главного геолога БелГИИЗа (Геосервиса), члена-корреспондента Белорусской инженерной академии

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..................................................................7
Глава 1. ФАКТОРЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ..........................12
1.1. Общие положения.................................................12
1.2. Геоморфологические условия......................................14
1.3. Геологическое строение..........................................19
1.4. Гидрогеологические условия......................................27
1.5. Геологические и инженерно-геологические процессы................40
1.6. Инженерно-экологические условия.................................45
1.7. Некоторые особенности строения грунтовых толщ и физико-механических свойств грунтов 64
1.8. Категория сложности инженерно-геологических условий.............75
Глава 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
ЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.................................................79
2.1. Вертикальная зональность ледниковых толщ........................79
2.2. Особенности методики моделирования показателей свойств грунтов..82
2.3. Геологические поля ледниковых отложений и реконструкция условий их формирования 85
2.4. Симметрия ледниковых отложений..................................93
2.5. Пространственно-временные закономерности изменчивости свойств ледниковых отложений в связи с загрязнением геологической среды.................99
Глава 3. РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ........................................102
3.1. Основные теоретические и методические принципы региональной оценки свойств грунтов102
3.2. Исследование связей механических свойств грунтов с их косвенными признаками и составление региональных таблиц показателей свойств грунтов.......105
3.3. Прогноз прочностных и деформационных характеристик моренных грунтов при изменении их влажности..........................................107
Глава 4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ................................................111
4.1. Основы методики типологического инженерно-геологического районирования ледниковых отложений для целей массового строительства..............111
4.2. Классификация ледниковых отложений.............................118
Глава 5. МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ......................121
5.1. Общие положения................................................121
5.2. Визуальные наблюдения..........................................121
5.3. Аэрокосмические методы.........................................121
5.4. Геофизические методы...........................................123
5.5. Проходка горных выработок .....................................133
5.6. Полевые опытные инженерно-геологические работы.................135
5.7. Гидрогеологические исследования................................146
5.8. Стационарные наблюдения........................................149
5.9. Лабораторные исследования......................................154
5.10. Обследование и геотехническая диагностика оснований.................156
Глава 6. КАЧЕСТВО И ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ........................159
6.1. Точность определения показателей физико-механических свойств грунтов.159
6.2. Эффективность методов получения информации о свойствах грунтов.164
6.3. Объединение результатов измерений....................................167
6.4. Управление качеством инженерно-геологической информации..............168

5

Глава7. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ 172
7.1. Общие положения.................................................172
7.2. Инженерно-геологическая рекогносцировка.........................175
7.3. Инженерно-геологическая съемка..................................176
7.4. Инженерно-геологическая разведка................................186
7.5. Изыскания (работы) в период строительства и по его окончании....202
7.6. Изыскания в период эксплуатации ................................206
7.7. Изыскания для реконструкции зданий..............................209
7.8. Инженерно-экологические изыскания...............................216
7.9. Комплексная диагностика зданий и сооружений, эксплуатирующихся при динамических воздействиях........................................228
7.10. Камеральные работы.............................................243
7.11. Отчет (заключение) об инженерно-геологических изысканиях.......250
Глава 8. ОСНОВЫ КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДОЛОГИИ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ МАССОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА... 253
8.1. Основные положения системного подхода...........................253
8.2. Типовые схемы геолого-технических объектов......................256
8.3. Методика изучения и оценки геолого-технических объектов.........261
8.4. Комплексирование методов определения свойств грунтов............268
8.5. Инженерно-геологические основы комплексной технологии изыскательских, проектных и строительных работ............................................272
Глава 9. ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЪЕМОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................279
9.1. Структура стратегии управления процессом изучения и оценки геологотехнических объектов......................................................279
9.2. Принципиальная технологическая схема оптимизации процесса инженерногеологического изучения и оценки геолого-технических объектов.............284
9.3. Оптимизация проектно-изыскательных работ нулевого цикла.........287
9.4. Геотехногенные системы..........................................295
9.5. Оптимизация функционирования геолого-техногенных систем.........299
9.6. Основы методологии прогнозирования геотехногенных систем........304
Глава 10. ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ СТРОЙИНЖИНИРИНГА........................313
10.1. Общие положения................................................313
10.2. Объект и предмет стройинжиниринга. Определение научного направления.317
10.3. Предметная область стройинжиниринга............................320
10.4. Жизненный цикл строительной продукции как объект управления....323
10.5. Методологические принципы стройинжиниринга.....................332
10.6. Разработка моделей систем управления стройинжинирингом.........334
10.7. Концепция разработки систем управления бизнес-процессами стройинижиниринга.... 342
10.8. Методологические основы комплексной информатизации систем управления строительными проектами..............................................350
Глава 11. ОСНОВЫ В1М-ТЕХНОЛОГИЙ......................................369
11.1. Общие положения................................................369
11.2. Основные принципы В1М-технологий...............................378
11.3. Жизненный цикл строительной продукции и В1М-технологии.........381
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................388
ЛИТЕРАТУРА...........................................................395
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ ..................................................402

6

            ВВЕДЕНИЕ



                                Для закладки фундаментов храмовых зданий следуетрыть до глубины твердых пород, если они могут быть найдены, и закладывать фундамент в твердых пластах, на глубине, сообразной с величиной сооружения ...
                                Если же не окажется твердых земляных пород, а место будет до самой глубины с наносной землей или болотистое, то нужнораскопать это место, освободить его от земли и забить ольховые, или оливковые, или дубовые обожженные сваи; эти сваи надо вбивать механическими средствами какможно чаще ...

Витрувий, Об архитектуре


    Каждое здание или сооружение, большое или малое, в городе или сельской местности, передает нагрузки, которые они несут, основанию. Для гарантии безопасности всех зданий и сооружений необходимо точно знать инженерно-геологические условия строительной площадки. Однако в этом случае, как и для многих других очевидных вещей, оказывается справедливой английская пословица: «Близкое знакомство обнажает недостатки», что подтверждается примерами длительной истории строительства. На указанной « очевидности» следует остановиться еще раз, поскольку планирование городских и сельских поселений, размещение промышленных предприятий и другое инженерно-хозяйственное освоение территорий должно начинаться с оценки влияния инженерно-геологических особенностей на все то, что возводится на поверхности.
    В настоящее время, когда во всех странах мира происходит стремительный рост числа больших и малых городов, территориально-промышленных комплексов и инженерных сооружений, их реконструкция, проблемы строительства и их связь с инженерно-геологическими условиями становятся исключительно актуальными.
    В последнее время практике проектно-строительных работ все активнее применяются технологии BIM.
    Аббревиатура BIM означает Building Information Modeling и с английского языка переводится как «информационное моделирование зданий.»
    Пока нет однозначного толкования, что понимается под BIM-модель как результат деятельности, или это процесс моделирования, поэтому аббревиатуру BIM используют в двух случаях: для процесса и для модели.

7

    Анализ использования BIM-технологий в проектировании и строительстве показывает, что практически во всех построениях не учитывается такой важный этап жизненного цикла здания, как изыскания и создание на их основе нулевых циклов, затраты на возведение которых в современных условиях достигают до 30 и более процентов от стоимости строительномонтажных работ.
    В связи с этим, представляется важными инженерно-геологические аспекты получения информации о грунтовых основаниях и последующего использования ее в информационном моделировании зданий и сооружений.
    В настоящей работе рассмотрены подходы к оценке инженерно-геологических условий для строительства, ибо от методологии организации технологического процесса инженерных изысканий зависит качество и достоверность получения геотехнических параметров, используемых при информационном моделировании зданий, в процессе которого должны выделятся следующие структурные уровни: геотехнические конструкции, геолого-технические объекты, геолого-техногенные системы ( определение терминов дано в главе 10, раздел 10.1).
    Изложенные в работе методологические основы инженерно- геологических изысканий для строительства и разработки информационных систем управления строительными проектами могут быть полезны изыскателям, проектировщикам и строителям в принятии оптимальных решений при внедрении BIM-технологий в практику проектирования и строительства зданий и сооружений.
    В последние годы в геотехнике разработан ряд ТИПА (см. приложение Нормативные ссылки), которые по сути являются повторением существовавших ранее нормативно-методических документов и не вносили существенного прогресса в инженерно-геологические изыскания, т к. они в основном распростроняются на правила проектирования и устройства фундаментов и оснований.
    В своем стремлении к созданию детерминированных моделей, позволяющих делать изящные геометрические построения, геотехники наталкиваются на ряд реальных и редко преодолимых трудностей. Главная из них удручающая неоднородность состава, строения и свойств грунтовых массивов, служащих основаниями зданий и сооружений, а не однородное упругое полупространство, как это выглядит в упрощенных математических построениях.
    Необходимы принципиально новые решения как по извлечению инженерно-геологической информации о грунтах и ее представлению проектировщикам, так и по методологии расчетов оснований и фундаментов с привлечением статистической механики композитов и других методов расчета, позволяющих учитывать реальные свойства грунтов в каждой точке исследуемого массива и их изменчивость в пространстве и времени.

8

    В контексте сказанного, к инженерно-геологическим изысканиям должны предъявляться особые требования, т.к. их областью исследования является самая непредсказуемая часть будущей геотехнической конструкции.
    Инженерно-геологические изыскания для строительства должны выполняться в порядке, установленном законодательными и техническими нормативными и правовыми актами (ТИПА), а также на основе широкого использования научно-технических разработок в этой области знания.
    Особую актуальность приобретает достоверность оценки различных факторов инженерно-геологических и экологических условий площадок строительства и реконструкции, оценки особенностей строения грунтовых толщ и физико-механических свойств грунтов.
    С целью получения максимально точных результатов, необходимо из имеющегося арсенала методов и средств изучения и оценки природных условий выбрать наиболее оптимальный комплекс, который в каждом конкретном случае позволит получить необходимый и достаточный объем инженерно-геологической информации для принятия наиболее эффективных проектных решений.
    Инженерно-геологические изыскания как вид строительной деятельности должны обеспечивать комплексное изучение инженерно-геологических условий территорий проектируемого строительства (района, пункта, площадки, участка, трассы) с целью получения материалов и данных, необходимых и достаточных для обоснования возможности размещения объектов, решения задач их проектирования, строительства и эксплуатации, составления прогноза изменения инженерно-геологических и инженерно-геоэкологических условий в сфере взаимодействия проектируемых объектов с геологической средой и другими существующими или проектируемыми объектами, обоснования, при необходимости, инженерной защиты, а также мер по охране окружающей среды.
    Ибо «Всякое рукотворное создание, нарушающее равновесие природной системы, подвергается разрушению и тем быстрее, чем оно менее рационально в данных природныхусловиях» (Эжен-Эммануил Виолле ле Дюк).
    Выполнение изысканий, отдельных видов работ или их комплексов в период строительства, по его окончании и при эксплуатации объекта должно предусматриваться в разрабатываемой проектной документации, приведенной в таблице:

         Стадия изысканий          Стадия разработки проектной документации   
Изыскания для предпроектной        Обоснование инвестиций в строительство объдокументации                       ектов; градостроительный проект            
Изыскания для проекта              Архитектурный проект «А»                   
Изыскания для рабочего проекта     Строительный проект «С» с утверждаемой     
                                   архитектурной частью «АС»                  
Изыскания для рабочей документации Строительный проект «С»                    

9

    Научно-методологические основы комплексного метода инженерногеологического изучения и оценки грунтовых толщ для массового строительства рассмотрены в данной работе применительно к отложениям ледникового комплекса, который является наиболее сложным массивом как с точки зрения геологического строения, состава и физико-механических свойств, так и характерной для этих отложений чрезвычайно сложной изменчивостью свойств грунтов, как по площади, так и по глубине.
    Изложенные в работе методические принципы могут быть применены и при изучении и оценке и других видов грунтов с учетом их специфических особенностей.
    Одной из мер эффективности методики инженерно-геологического изучения и оценки этих отложений может служить степень экономичности проектных решений и снижения стоимости строительства народнохозяйственных объектов, которая непосредственно связана с изучением и оценкой физико-механических свойств горных пород. Достоверные данные об этих свойствах и их изменчивости в пределах строительной площадки позволяют принять технические решения, наиболее экономичные с точки зрения стоимости и трудозатрат при выполнении работ нулевого цикла.
    Перспективное планирование размещения территориально-промышленных комплексов, различных видов строительства и другого хозяйственного освоения территории, разработка комплексных схем охраны окружающей среды, районных планировок и генпланов городов, создание государственного кадастра территорий, как целевой геоинформационной системы, требуют регионального изучения и оценки законов взаимосвязи инженерно-геологических свойств пород, их пространственной изменчивости, инженерно-геологического районирования и типизации ледниковых отложений применительно к целям и задачам массового строительства.
    Точность и надежность прогноза механических свойств грунтов, служащих естественным основанием для объектов промышленного, гражданского и других видов строительства, обеспечивает высокую достоверность расчетов оснований зданий и сооружений,выполняемых проектировщиками.
    В настоящее время в строительной практике назрела необходимость применять такие инженерные решения, где выделение сооружения, фундамента и основания стало бы в известной мере условным, т.е. объединить их в единый геолого-технический объект, представляющий собой сложную геотехногенную систему определенного структурного уровня.
    Увеличение в последние годы темпов строительства и задача снижения его стоимости влечет за собой необходимость оптимизации процесса инженерно-геологического изучения застраиваемых территорий и реконструируемых зданий. Одна из основных проблем оптимального инженерно-геологического изучения геолого-технических объектов - координация локальных проектно-изыскательских решений для достижения

10

наилучшего пространственного, структурного и параметрического построения разрабатываемой системы.
    В работе определена логическая последовательность применения различных геологических и формально-математических методов прогноза, комплексного изучения и оценки свойств ледниковых отложений (геолого-структурный анализ, изучение закономерностей пространственной изменчивости физико-механических свойств грунтов, инженерно- геологическое районирование и типизация образований, комплексирование методов прогноза свойств, методика инженерногеологического изучения ледниковых отложений для массового строительства).
    Рассмотренные в главах 1, 5, 7 элементы традиционной методики инженерно-геологических изысканий основаны на действующей в настоящее время системе технических нормативных и правовых актов (ТНПА)и раскрывают положения, требования и рекомендации по производству инженерно-геологических изысканий, изложенные в СНБ 1.02.01-96, в разработку которых значительный вклад внес В. Г. Лободенко.
    Такой подход в изложении материала позволяет дать более углубленный анализ и трактовку отдельных положений СНБ и других ТНПА с точки зрения правильного их применения и использования при проведении инженерно-геологических изысканий для строительства и реконструкции зданий и сооружений.
    В главах 2, 3, 4, 6, 8, 9 рассмотрены научно-методологические основы инженерно-геологического изучения и оценки ледниковых отложений для строительства.
    В главе 10 изложены основные методологические принципы стройинжиниринга как комплексной технологии проектно-изыскательских и строительных работ.
    В главе 11 рассмотрены концептуальные положения BIM-технологий.
    Подобное изложение материала предполагает постепенный переход от устоявшихся подходов к инженерно-геологическим изысканиям к принципиально новому их содержанию на основе широкого использования научно-технологических достижений в этой и смежных областях деятельности, а также современных информационных ресурсов и технологий.
    Настоящая работа является результатом многолетних исследований автора в области методики и методологии инженерно-геологических изысканий для строительства, их роли и положения в общем комплексе проектно-изыскательских и строительных работ.
    В связи с тем, что процесс проведения исследований занял достаточно большой промежуток времени, принятые в настоящей работе названия, обозначения, размерность показателей физических, механических свойств грунтов, параметров зондирования, несущей способности свай и др. соответствуют ТНПА, действовавшим в периоды выполнения инженерно-геологических (геотехнических) изысканий для строительства зданий и сооружений.

11

            Глава 1. ФАКТОРЫ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

            1.1. Общие положения


   Инженерно-геологические изыскания для строительства выполняются с целью комплексного изучения и прогноза возможных изменений инженерно-геологических и инженерно-геоэкологических условий в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической или природной средой с учетом проявления эндогенных процессов, а также техногенных воздействий существующих или других проектируемых объектов.
   Наряду с взаимодействием учитывается возможное одностороннее воздействие на объект геологической среды или поверхностной гидросферы, а также техногенные воздействия при изменениях геологической среды других объектов.
   Геологическая среда представляет собой сложно организованную открытую динамическую систему приповерхностной части литосферы, находящуюся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности и в известной мере определяющую этудеятельность [85].
   Основными компонентами геологической среды являются: грунты (включая почвы) и подземные воды, содержащиеся в них газы и микроорганизмы, геофизические поля, взаимодействующие и функционирующие как единая система.
   Инженерно-геологические условия - это комплекс сведений о взаимосвязанной системе компонентов геологической среды с протекающими в ней процессами, которые учитываются при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов.
   К факторам инженерно-геологических условий относятся геоморфологические условия и рельеф, геологическое строение, гидрогеологические условия, физико-механические свойства грунтов, геологические и инженерно-геологические процессы.
   При изысканиях для массового строительства изучаются экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы. При выборе района, пункта, площадки размещения объектов повышенного уровня ответственности (уникальных, со специфическими конструкциями, повышенными требованиями к надежности и др.) необходима оценка сейсмичности территории (СНиП П-7). В таких случаях изучается не только сфера взаимодействия объекта с геологической средой, но и не зависящие от характера воздействия объекта на геологическую среду сейсмотектонические условия как фактор инженерно-геологических условий.

12