Оптимизация армирования железобетонных конструкций зданий и сооружений при автоматизации процессов проектирования

Актуальность темы, реальность и осознанность проблематики

Армирование железобетонных конструкций – комплексная задача. Количество информации, которое необходимо учитывать при проектировании, серьезно усложняет данную задачу. В процессе выпуска документации проектировщик сталкивается с огромным количеством проблем и старается принять оптимальное решение, но, как правило, оценить эффективность этого решения – непосильная задача для всех участников проектирования. Решение по армированию железобетонных конструкций ведется на основании их расчета в специализированном программном обеспечении, на основании сводов правил и личном опыте проектировщика. Как правило, заказчик сталкивается уже с конечным результатом и не может корректно оценить другие возможные результаты армирования. Таким образом, у подрядчика есть только одно решение и нет возможности оценить оптимальность данного решения.

Вероятно, есть решения задач проекта, которые лучше принятых, но из-за сжатых сроков проектирования они никогда не будут найдены. Чтобы улучшить решение этой проблемы, необходима возможность создания нескольких вариантов армирования конструкций для выбора проектировщиком или заказчиком для получения более оптимального результата. Основная идея состоит в том, чтобы находить все возможные оптимальные решения и предлагать их на выбор или же по заранее установленным ограничениям сразу принимать оптимальный результат, который необходим проектировщику для уменьшения трудозатрат при проектировании.

Автоматизация процесса проектирования используется и в других областях гражданского строительства, чтобы обеспечить уменьшение издержек при проектировании. Обычно используются методы Mixed Integer Programming (MIP), симплекс-метод и генетический алгоритм (ГА) [1].

Еще одна сложность состоит в том, что оптимальное решение сложно определить. Такие параметры, как количество допустимых различных типов арматуры, порядок строительства и другие данные, связанные с производством работ, варьируются в зависимости от проекта и подрядчика. Эту несколько произвольную задачу нужно решать, моделируя процесс принятия решений человеком [2].

Процесс проектирования железобетонных конструкций заключается в следующих этапах:

• концептуальное проектирование;
• стадия проект;
• разработка рабочей документации.

На каждом этапе происходит итерационная разработка документации с увеличением дополнительной информации о конструкциях на каждой итерации.

Подходы для автоматизации процесса проектирования основаны на получении готовых результатов армирования из расчетного комплекса с последующим получением оптимального решения на их основе.

Проектирование железобетонных конструкций – это процесс, состоящий из нескольких этапов. На начальном этапе у нас есть приблизительное понимание того, как будет выглядеть раскладка арматуры. Сделать выводы проектировщик может на основе визуального представления числовых значений арматуры.

Выбор размещения требуемых стержней арматуры выбирается исходя из опыта и на основе требуемых значений по расчету (рис. 1). Это очень трудоемкий процесс, поэтому, как правило, выполняется только один вариант раскладки арматуры.

После раскладки арматуры выполняются чертежи и оформляется документация [3–5] (рис. 2, 3).

Расчет армирования производится в расчетных комплексах. Арматура раскладывается таким образом, что необходимое количество арматуры на любом участке плиты равно количеству, требуемому армированию по расчету. Требуемое армирование обозначается A_{s, req} и изменяется по конструкции в зависимости от распределения усилий в конструкции.

Арматуру, которую необходимо укладывать в плиту, подбирают исходя из формулы (1), в которой вычисляется площадь поперечного сечения стержней, укладываемых на метр длины конструкции.

(1)

Задача проектировщика – найти комбинацию арматуры, которая удовлетворяет требованиям расчета. Также комбинации стержней ограничены размерами конструкции, а расстояние между стержнями ограничено возможностями монтажа и заливки бетона.

Необходимо также учитывать унификацию арматурных стержней, т. к. это усложнит проектирование и производство работ на стройке.

Из формулы (1) делается вывод, что комбинация вариантов происходит за счет изменения диаметров стержней и их шага. Подбор арматуры происходит до тех пор, пока не выполнятся условия расчета.

Для уменьшения расхода арматуры в плите результаты армирования разбиваются на различные уровни и участки, где на каждый участок подбираются свои комбинации арматуры (рис. 4).

Процесс проектирования и цифровая информационная модель

ЦИМ – это цифровая модель, в которой объекты в модели представляют объекты в реальности, такие как стена, перекрытие или фундамент.

Объекты в модели соответствуют как геометрическим, так и их физическим характеристикам, и таким образом можно использовать эту информацию для различных целей.

Использование ЦИМ дает множество преимуществ, например более эффективное координирование проекта.

В настоящее время также используется ЦИМ для выпуска проектной документации для раздела железобетонных конструкций.

Процесс создания модели состоит из следующих шагов.

• Конструктор создает модель железобетонных конструкций в расчетной программе. Задает нагрузки и их сочетания в соответствии с нормативными документами, проводит расчет конструкций.
• Проводится анализ расчетной схемы, а затем, если устраивают полученные результаты, проводится расчет армирования конструкций.
• После подбора армирования по расчету арматура экспортируется в ЦИМ программу, где инженер по результатам расчета выполняет армирование конструкций и оформление чертежа.

На данный момент в этом процессе используется несколько программ, процесс создания модели не согласован. Например, чтобы получить расчетную модель, приходится ее условно заново моделировать в отдельной программе, хотя она уже существует в ЦИМ программе. А также результаты расчета обратно в ЦИМ программу импортируются только в формате jpeg или dxf, что влечет за собой потерю информации о результате расчета, что снижает пространство для маневра конструктору и добавляет дополнительный риск возникновения ошибок.

Кроме того, подрядчики или заказчики часто хотят быстро внести изменения в чертежи, чтобы исправить ошибки или выбрать другое решение.

Этому может препятствовать тот факт, что все изменения необходимо пересматривать несколькими участниками, и информация, передаваемая на перечисленных этапах получения результата, не хранится на постоянной основе.

Программное обеспечение, рассматриваемое в данной статье, предлагает способ устранения проблемы с передачей информации, т. к. позволяет соединить две модели, расчетную и физическую, в одной программе.

Методы оптимизации

При проектировании зданий всегда необходимо стремиться минимизировать затраты, влияние на окружающую среду, уменьшить сроки или риски для максимизации прибыли, качества или эффективности.

Чтобы найти наиболее оптимальное или эффективное решение среди всех возможных решений, можно использовать различные методы глобальной оптимизации.

Существует множество различных методов решения задач глобальной оптимизации, которые можно разделить на два класса: точные и эвристические.

Точные – это строгие методы, которые могут найти решение, которые гарантированно будут оптимальными или которые могут показать, что не существует допустимого решения. Они выполняют исчерпывающий поиск в пространстве возможных решений, что требует большого количества шагов. Для сложных или больших комплексных моделей это может быть чревато чрезмерной вычислительной нагрузкой.

Эвристические методы основаны на подсознательном мышлении и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Эвристические методы еще называют методами инженерного (изобретательного) творчества.

В самом общем случае решить оптимизационную задачу – это значит найти наилучшее решение среди возможных вариантов [6–8].

Если оптимизация связана с расчетом оптимальных значений параметров при заданной структуре объекта, то она называется параметрической. Задача выбора оптимальной структуры является структурной оптимизацией.

Решение любой оптимизационной задачи основано на построении математической модели исследуемого объекта и проведении вычислительного эксперимента. Проведение вычислительного (компьютерного) эксперимента не с самим объектом, а с его моделью дает возможность эффективно исследовать его свойства в любых ситуациях.

На первом этапе эксперимента строится некий эквивалент объекта, его модель, отражающая в математической форме важнейшие свойства объекта.

Второй этап – разработка алгоритма для реализации модели на компьютере.

Модель представляется в форме, удобной для применения численных методов, определяется последовательность вычислительных и логических операций, которые нужно провести, чтобы найти искомые величины с заданной точностью. На третьем этапе создаются программы, реализующие алгоритмы на доступном компьютеру языке. Нахождение оптимальных значений параметров – это один из этапов вычислительного эксперимента, позволяющий выработать управляющее воздействие на объект исследования.

Создание программы для обработки и чтения результатов расчета

В процессе работ по данной теме была разработана программа, позволяющая объединить данные из расчетной модели с данными физической модели, выполненной в программе Revit.

Программа состоит из двух частей. Первая часть была выполнена для загрузки результатов расчета в программе Revit. Также данная часть программы позволит визуально контролировать раскладку арматуры в конструкциях (рис. 5).

В качестве исходных данных для загрузки в Revit используются текстовые отчеты из расчетной программы.

Обработка отчета из расчетного комплекса Lira-SAPR

Ввиду отсутствия методов, позволяющих собирать необходимую информацию автоматизировано, был выбран путь получения необходимых данных через текстовые отчеты.

Расчетная модель представляет из себя двух-, трех- и четырехузловые конечные элементы. Результаты расчета хранятся во внешнем файле.

Перечень необходимых данных для создания дубликата модели в Revit:

• координаты узлов;
• тип элемента и принадлежащие ему узлы;
• информация о результатах расчета для элемента.

Вся эта информация была получена из расчетного комплекса с помощью команды «книга отчетов».

На основе этих данных создается сводная реляционная база данных (таблица), позволяющая на следующем шаге ускорить построение дубликата расчетной модели в Revit.

Элементы

Свойство элемента, порядковый номер, может измениться, если пользователь проведет перенумерацию элементов в схеме, не рекомендуется проводить данную команду в Lira-SAPR, это приведет к необходимости повторной выгрузки всех данных.

Тип элемента отображает, что это за элемент:

• 10 – стержень;
• 42 – трехузловая пластина;
• 44 – четырехузловая пластина.

Номер жесткости – числовое значение, которое является ключом для типа жесткости из связанных таблиц.

Узлы – список точек, на основе которых строится элемент, является ключом для таблицы «узлы».

Узел

Узел – порядковый номер точки.

XYZ – координаты.

Армирование в пластинах

Элемент – зависимое поле для таблицы «элементы».

Все оставшиеся колонки являются необходимыми данными для армирования.

Армирование в стержнях

Отличием данной таблицы, помимо свойств, является разбивка каждого элемента на дополнительные сечения.

Было необходимо предусмотреть сохранение свойств по всем сечениям.

Также каждое сечение обладает свойствами:

• 1 строка – полная;
• 2 строка – прочность;
• 3 строка – кручение.

Создание копии модели в Revit

Исходными данными являются объединенные данные из предыдущего шага по выгрузке и сведению в единую таблицу результатов.

Для создания дубликатов был выбран способ создания не редактируемой геометрии в Revit DirectShape. Данный способ позволяет создавать наиболее легкую с точки зрения обработки модель, а также позволяет быть уверенным, что ни один из пользователей не изменит модель при работе в программе.

Чтение и визуализация результатов расчета в Revit

Результатом предыдущего шага является создание дубликата расчетной модели, которая обладает всеми свойствами результатов расчета.

Для удобства чтения результатов расчета, как правило, используется цветовая шкала на базе числовых значений в элементах.

Для создания цветовой шкалы необходимо выбрать инструмент Analysis Visualisation Framework Revit. Данный фреймворк является системным инструментом Revit и полностью удовлетворяет требованиям проектировщика (рис. 7, 8).

Решение по оптимизации раскладки армирования в плите

Программу необходимо разрабатывать для выполнения нескольких задач, которые выполняет инженер-конструктор при проектировании железобетонной конструкции. В частности, задачу армирования – для обеспечения достаточного количества арматуры на всех участках конструкции (рис. 9), а также выполнения требований расстояния между стержнями, длины анкеровки и других правил в соответствии с нормативными документами.

В качестве исходных данных необходимо использовать входные данные о требуемом армировании. Обработанные данные программы – это предложенные схемы армирования, а также общий расход и количество типов используемых арматурных стержней.

В соответствии с обычным процессом проектирования конструкций программу можно разделить на три основных модуля. Блок-схема представлена на рис. 10.

Первый модуль – выбор комбинации типов арматурных стержней и шагов между центрами стержней, а также того, как расположены зоны армирования. Эти переменные выбираются таким образом, чтобы ограничить используемую избыточно арматуру, не применяя слишком много различных комбинаций, которые могут привести к усложнению конструкции. Второй модуль использует различные слои армирования для расчета необходимой длины анкеровки в зависимости от результатов модуля 1.

Наконец, третий модуль необходим для регулировки типов арматуры, чтобы найти необходимый компромисс между количеством различных длин стержней и избыточным расходом арматуры от регулировки этих длин.

Выводы

1. Предложены методы оптимизации армирования конструкций.
2. Разработан алгоритм оптимизации по армированию плит перекрытия.
3. Данные методы и алгоритмы оптимизации позволяют ускорить процесс проектирования, экономить время при производстве работ.
4. Проанализированы возможности отечественного программного обеспечения для расчета конструкций и связки с ТИМ программами.
5. Созданы инструменты по обработке результатов расчета, созданию дубликата расчетной модели в среде проектирования и созданию инструментов по анализу результатов расчета.
6. Данная работа позволяет разработать программное обеспечение по автоматизации армирования с применением генетического алгоритма оптимизации.