Чтобы не повторился "Трансвааль"

О проблемах проектирования зданий
в современных условиях и путях их преодоления
 

Состояние зданий и сооружений, спроектированных и построенных в последние 10–15 лет, вызывает у специалистов серьезную озабоченность. Это объясняется целым рядом причин, включая резкое ослабление контрольных функций государства. Нам бы хотелось остановиться только на технических аспектах этой проблемы.

   В последние десятилетия ведется интенсивное строительство по оригинальным индивидуальным проектам, в которых допускаются существенные отступления от типовых схем применения конструктивных элементов. Наибольший простор для архитектурных фантазий представляют современные строительные технологии, основанные на монолитных и сборномонолитных безбалочных бескапительных конструкциях. Характерная для таких технологий «гибкость» в проектирования зданий наряду с несомненными плюсами таит в себе и большую опасность, поскольку отсутствует методика расчета прочности и долговечности здания, обеспечивающая достоверный результат. Дело в том, что в отечественной литературе и нормативных документах плоские перекрытия отсутствует как класс, а существующие СНиПы не охватывают всего многообразия вариантов конструкций со свободной планировкой и существенно неравномерной загрузкой. Осложняет ситуацию повышенная террористическая опасность в стране. Согласно новым требованиям МЧС, проект здания должен обеспечить сохранение несущей способности конструкции при разрушении ее отдельных элементов. Если к этому добавить еще и неравномерность осадки грунта, вызванную практически повсеместным подъемом грунтовых вод, то становится ясно, что задача расчета таких зданий выходит на уровень проблем высоких информационных технологий с применением современных программных комплексов, реализованных на высокопроизводительной вычислительной технике.

   Альтернативой данному подходу являются приближенные расчеты безбалочных перекрытий, например, по методу заменяющих рам, которые в случае неравных пролетов приводят к существенной погрешности. Для уменьшения риска в такие расчеты приходится вводить весьма большие коэффициенты запаса, которые ведут к увеличению стоимости строительства и вовсе не исключают возможности катастрофы. По этой причине, на наш взгляд, эта ветвь является тупиковой.               

Вернемся к анализу применения компьютерных технологий при проектировании современных зданий.

Наличие у проектировщиков соответствующих программных комплексов и компьютеров не решает всех проблем. Любая прикладная программа производит анализ модели объекта, заданной его расчетной схемой. Создание адекватной модели (расчетной схемы) невозможно без глубокого знания строительной механики, теории упругости, теории колебаний и устойчивости, а также вычислительных методов, реализованных в конкретном программном продукте. В настоящее время наибольшее распространение получили программы, основанные на методе конечных элементов. Идея метода состоит в представлении модели сооружения (плиты, балки, стержни и т.п.) в виде сетки конечных элементов. При этом точность полученных результатов существенным образом зависит как от выбранной расчетной схемы, так и от размеров и формы применяемых конечных элементов. Поэтому формальное умение работать с тем или иным программным продуктом, реализующим прочностные расчеты конструкций, никаким образом не может гарантировать достоверность решения. Слепая вера в эти результаты может привести к фатальным последствиям с многочисленными человеческими жертвами. К сожалению, в новейшей истории России есть тому немало подтверждений.

Помимо сказанного следует учитывать вероятность наличия ошибок в самих программных комплексах. Разработчики программного обеспечения, даже предоставляя соответствующие сертификаты, не берут на себя ответственности за полученные результаты расчета, и вся ее тяжесть ложится на конструктора. Кроме того, к ошибкам могут привести сбой компьютера или атака вирусов на вычислительный комплекс. Поэтому особенно важно осуществлять контроль результатов расчета путем сравнения их с данными, полученными с использованием альтернативных методов.

Пути решения сформулированных проблем мы видим в создании системы автоматизированного проектирования зданий и сооружений, содержащей помимо стандартных элементов САПРа блоки, выполняющие следующие функции:               

1. Анализ условий эксплуатации здания и выбор его расчетной схемы с учетов всех возможных типов разрушения (прочность, потеря устойчивости, резонансные и автоколебательные явления и т.п.).

2. Выбор расчетной схемы, наиболее полно учитывающей возникающее напряженно-деформированное состояние для таких элементов конструкции, как плиты перекрытий, колонны, диафрагмы и т.п.

3. Рациональный подбор конечноэлементной сетки изделий, обеспечивающей необходимую точность расчета.

4. Расчет реальных характеристик грунтов.

5. Подготовка базы данных для конечноэлементного анализа здания с учетом особенностей, перечисленных в пунктах 1–4.

Проведение поверочных расчетов с использованием альтернативных методов и расчет на обрушение здания при разрушении его отдельных элементов могут быть выполнены вне рамок САПРа.

Для создания подобной системы автоматизированного проектирования должны быть привлечены признанные ведущие специалисты в области строительной механики, механики твердого деформируемого тела, механики грунтов, компьютерного моделирования, программирования и архитектуры.

Сегодня в Перми работы по созданию гибкой системы автоматизированного проектирования зданий и сооружений ведет проектно-конструкторская организация «Оргтехстрой» с привлечением ведущих специалистов Института механики сплошных сред УрО РАН. Эта система ориентирована в первую очередь на технологии монолитных и сборномонолитных безбалочных бескапительных конструкций. Расчет и теоретические исследования опираются на экспериментальные данные, полученные из разных источников. Создаваемая САПР учитывает климатическую и геологическую специфику Пермского региона. Это позволит обеспечить высокое качество проектных работ для зданий любого назначения и архитектуры в минимальные сроки.

В заключение хотелось бы обратить внимание законодателей на необходимость включения в региональные СНиПы норм о проверке достоверности результатов расчета, полученных с использованием программных комплексов. Сегодня каждый из субъектов Федерации должен разработать региональные нормы. Специалисты ОАО «Оргтехстрой» совместно с учеными Института механики сплошных сред готовы принять участие в создании региональных строительных норм расчета прочностных характеристик зданий и сооружений повышенной этажности безригельного каркасного типа и считают необходимым создание региональной независимой высококвалифицированной комиссии для оценки степени достоверности прочностных расчетов индивидуальных проектов зданий и сооружений повышенной этажности.
 

В. ГОДОВАЛОВ, генеральный директор ОАО «Оргтехстрой»,
Е. КЛИГМАН, старший научный сотрудник ИМСС УрО РАН,
кандидат технических наук, доцент,
И. ШАРДАКОВ, главный научный сотрудник ИМСС,
доктор физико-математических наук, профессор