ASM1_5

Как всегда, вначале следует выявить смысл понятия «уникальное сооружение». Согласно первоначальному определению1, уникальное сооружение - объект с безопорным покрытием свыше 60 метров и возможностью пребывания под ним или на нем (мосты) более трехсот человек, а также здание выше 75 метров. П. Еремеев, анализируя зарубежные и отечественные публикации, уточняет:

«К уникальным большепролетным объектам, как правило, следует относить сооружения, <…> отвечающие следующим условиям:

- пролет свыше 60 м – при принципиально новых конструктивных решениях, не прошедших апробацию в практике строительства и эксплуатации;

- пролет свыше 100 м – при конструктивных решениях, прошедших успешную апробацию в практике проектирования, строительства и эксплуатации»2.

Вдумываясь в написанное, понимаешь, что размеры здесь не полностью отражают смысл вещи. Действительно, уникальным может быть и небольшое по размеру здание, - невысокое, подземное, впервые оснащенное новейшим оборудованием, посаженное на впервые встретившееся сочетание грунтов, приближенное к источникам сильной вибрации и так далее. Что связывает все эти сооружения и относит к уникальным явлениям в архитектуре и строительстве? Только одно: отсутствие на момент их создания соответствующих нормативов и технических регламентов.

Следовательно, когда у проектировщика в том или ином случае нет возможности обратиться к строительным нормам (СН), – значит, он имеет дело с уникальным объектом. Общее в уникальных зданиях - только их обособленность от других, неповторимость. Поэтому для того, чтобы работать с уникальным объектом, нужно: одновременно с проектированием создавать нормативы для этого сооружения; осознать, что многоступенчатый контроль в данном случае приобретает первостепенное значение. Контроль над творчеством - звучит парадоксально, но это как раз то, что обеспечит безопасность строительства и надежную эксплуатацию объекта.

Основные этапы проектирования и строительства. Лица, участвующие в них

Архитектурное творчество начинается с возникновения желания построить нечто, приносящее пользу городу и прибыль лицу, имя которому - инвестор. В роли инвестора может выступать отдельная персона и город; прибыль может выражаться в деньгах и в социальном эффекте.

До начала проектирования инвестор должен получить необходимые на предпроектной стадии документы:

- отвод участка;

- градостроительное задание;

- разрешения на подключение к инженерным системам города и тому подобное.

Сюда относятся также геодезические и инженерно-геологические материалы.

Содержание инженерно-геологических изысканий для уникального объекта изначально должно включать в себя геофизическое обследование участка застройки. Именно оно дает представление о морфологии грунтового массива, возможных геотектонических аномалиях и даже о принципиальной пригодности участка для строительства. Более того, работа геофизиков облегчит заказчику и авторам проекта составление задания на дополнительные инженерно-геологические изыскания, обоснование количества и глубины скважин, а также их расположение на участке. В целом задача геофизиков и геологов – подробно описать свойства несущих и подстилающих грунтовых слоев, гидрогеологическую обстановку, дать обоснованный геотехнический прогноз на время строительства и рекомендации службе эксплуатации.

Следующий шаг в работе инвестора (заказчика) - постановка задачи.

Содержание Технического Задания (ТЗ) - и есть акт ее постановки. ТЗ - очень важный документ, согласование его инвестором не только выявит будущие технические решения, но и затраты, которые найдут отражение в бизнес-плане.

ТЗ должно содержать:

- краткое описание целей проекта;

- подтверждение расходов на информационное обеспечение проекта;

- обоснование научно-технического сопровождения трехстадийного проектирования, экспертизы на всех стадиях, разработку нескольких вариантов концептуального проекта (первая стадия проекта), затрат на проверку основных расчетов и инженерных решений параллельной проектной бригадой;

- согласование расходов на моделирование, а при необходимости (в особо сложных случаях) - на проектирование, строительство и испытания крупномасштабного прототипа;

- определение сроков проведения архитектурно-технических Советов в организации, осуществляющей проектирование;

- подтверждение дополнительных геодезических и инженерно-геологических изысканий;

- описание участка строительства и соседствующих с ним строений;

- обоснование обследований близлежащих зданий, укрепления их основания, фундаментов, несущих и ограждающих конструкций;

- описание особых условий строительства (прогнозируемое изменение свойств несущего грунтового массива, наличие карстовых опасных зон на участке, уровень грунтовых вод, приближенность будущего объекта к постоянным источникам вибраций и шума, микросейсморайонирование и тому подобное);

- определение степени ответственности сооружения, назначение коэффициента ответственности;

- сведения о конструкциях, инженерном оборудовании и материалах;

- условия авторского надзора;

- обоснование комплексного мониторинга и включения в проект новых разделов: «Паспорт объекта» и «Требования к эксплуатации объекта»;

- задание на подготовку Специальных Технических Условий на проектирование, строительство и эксплуатацию объекта, а также Бизнес-Плана.

Как правило, большинство специалистов, с кем приходилось обсуждать необходимость бизнес-плана на первых порах проектирования, недоумевали: зачем он нужен? Затем, что он выявляет возможные затраты на проект. Последние определяют, каким будет сооружение, какие технические решения, технологии и материалы может отобрать архитектор, чтобы вписаться в сумму, определенную бизнес-планом. Так что этот документ очень важен, сама его разработка тоже требует денег, предусмотреть их в своде расходов - задача заказчика и главного архитектора проекта.

Согласованное инвестором ТЗ, Градостроительное задание, данные об особенностях участка для строительства, предполагаемая функция сооружения, обработанная информация об осуществленных подобных проектах в сознании автора-архитектора преломляются в субъективную установку на деятельность, в результате которой рождается прообраз будущего сооружения. Различные его варианты, подтвержденные приближенными расчетами инженеров- конструкторов, находят отражение в Концептуальном Проекте, который, пройдя экспертизу, представляется на архитектурно-технический Совет проектного института, а после одобрения рассматривается Общественным Градостроительным Советом при Мэре Москвы (в случае Москвы). Здесь отбирают рабочий вариант или предлагают продолжить поиски.

С утверждением отобранного варианта в работу включается научное сопровождение проекта. Научные бригады вместе с проектировщиками определяют основные его позиции, которые необходимо обосновать исследованиями модели, расчетами для составления Специальных Технических Условий (СТУ).

Специальные Технические Условия - продукт «сиюминутного нормотворчества», пригодный только для единственного уникального объекта. В СТУ описываются и узакониваются новые разделы проекта, обязательные к исполнению действия проектировщиков и строителей, ключевые характеристики здания – высота, форма, необходимые свойства строительных материалов, выбор фасадной системы, требования к основным конструкциям здания; форма и величины основных расчетных нагрузок; условия безопасной эксплуатации, описание инженерных систем, обеспечивающих минимально возможное энергопотребление; многоступенчатый контроль, - внутренняя проверка (бригадная и институтская), экспертиза всех стадий проекта, авторский и технический надзоры, мониторинг строительства и, конечно, обязательная проверка конструктивного остова здания на пространственную устойчивость и выявление динамических характеристик здания.

Перечисленное – абсолютные общности для всех уникальных объектов.

Генподрядчик как соавтор Проекта

Концептуальный проект и бизнес-план дают возможность провести подрядные торги. При выборе генподрядчика следует учитывать предшествующий опыт строительства той или иной фирмой сложных объектов и уровень их последующей эксплуатации, наличие сертификата качества, способность критически оценивать проектные решения, вносить в них улучшающие предложения и тому подобное, то есть стать полноценным соавтором Проекта.

Разработка проектов уникальных сооружений требует многих специальных знаний. Нагрузки и воздействия, устойчивость системы в целом и ее отдельных структурных элементов, физическая и геометрическая нелинейность, кратковременная и длительная ползучесть, надежность и запасы прочности материалов, чувствительность конструктивной системы к внутренним структурным изменениям - все перечисленное должно быть в поле зрения инженера-конструктора. Четкая организация работы, научно-техническое обоснование проекта, финансирование, контроль и приемка всех этапов проектирования, возведения и сдачи в эксплуатацию уникального сооружения - предметы, по которым экзаменуется главный инженер проекта.

Стадия «Проект» для уникальных сооружений включает разработку основных конструктивных решений, монтажных схем, узлов и деталей, предварительных технических спецификаций. Перечисленные операции должны быть обоснованы подробными расчетами на основные сочетания нагрузок.

Нагрузки и воздействия

Сооружения должны воспринимать любые сочетания нагрузок, включая распределенные, временные, статические и динамические, в виде грузов - сосредоточенных, полосовых, распределенных. Большепролетные покрытия находятся под действием собственного веса, снеговых и ветровых нагрузок. К ним добавляются технологические нагрузки (от оборудования, подвесных потолков и так далее), предварительное натяжение, а также монтажные нагрузки, вызывающие дополнительные усилия. При использовании в конструкции материалов с различными коэффициентами линейного расширения необходимо учитывать температурные воздействия. Учет формы покрытия или высотного здания в плане обязателен, поскольку сильно влияет на результирующую ветровую нагрузку, а также на ее пульсационные усиления. Их величины устанавливаются также аэродинамическими исследованиями. Распределение снега на значительных площадях покрытия необходимо принимать с учетом статистических данных. Для большепролетных покрытий уменьшается вероятность сноса снега, поэтому расчетные климатические нагрузки следует принимать с коэффициентом до 1,5, в сравнении с обычными сооружениями. Часто большепролетные покрытия имеют относительно небольшую собственную массу и незначительную изгибную жесткость. В этом случае неравномерные снеговые и ветровые нагрузки могут вызвать сильные деформации покрытия, как правило, приводящие к потере местной устойчивости покрытия или к дефектам кровли. Чтобы их предотвратить, применяются различные способы стабилизации покрытий. Точное знание величин и распределения климатических нагрузок, оптимальный выбор системы ужесточения покрытия позволяют с успехом решать эту задачу. Для висячих покрытий следует учитывать кинематические перемещения, абсолютные значения которых в ряде случаев намного больше прогибов от статических нагрузок.

Возможное увеличение технологических нагрузок на покрытие при длительной эксплуатации зданий и сооружений, их реконструкции и модернизации обязательно должно быть учтено в общем своде нагрузок. Повышенный уровень ответственности таких зданий и сооружений требует применения соответствующего коэффициента надежности по ответственности.

Расчеты

При расчетах уникальных большепролетных и высотных сооружений последние следует рассматривать как единые пространственные системы, включающие основание, фундаменты, каркас, покрытие, с учетом продольных, изгибных и крутильных жесткостей основных (а ряде случаев и второстепенных) элементов, их связей, узловых эксцентриситетов. Расчеты статических и динамических воздействий на конструкцию и ее элементы при изготовлении и транспортировке - часть основной работы. Сопротивление «взрослеющей» конструкции различным воздействиям, то есть учет последовательности ее монтажа, требует особого внимания конструктора, поскольку отдельные элементы могут оказаться более загруженными при монтаже, чем под полной расчетной нагрузкой. Иными словами, расчетом должна быть подтверждена надежность и пространственная устойчивость системы на всех этапах ее жизни.

Если в Концептуальном Проекте в ходу приближенные (ручные) расчеты, дающие возможность инженеру-конструктору почувствовать «игру сил» в конструкции и далее осознано, предвидя результат, переходить к работе с компьютером, то на стадии «Проект» рассчитываются сечения основных элементов. Здесь уже вовсю пользуются компьютером. На этой стадии, когда обычно соотносятся геометрические и жесткостные параметры элементов системы, рекомендуется переход от сложной к упрощенной схеме с последующим ее усложнением за счет последовательного присоединения новых элементов и исследования их влияния на работу конструкции в целом.

На стадии рабочего проектирования расчетная схема максимально приближается к несущему остову сооружения. Особое внимание следует уделять узлам, стараясь выполнять сопрягаемые элементы равнопрочными. Численные методы, ориентированные на широкое использование современной вычислительной техники, способствуют успешному решению сложных задач. Их использование позволяет учесть различные виды загружений и воздействий, конструктивные особенности системы - геометрию поверхности, переменные толщины элементов, наличие проемов и так далее. При этом в большинстве случаев применяют хорошо известные стандартные вычислительные комплексы. Для повышения надежности результатов расчеты рекомендуется проводить по различным программам и сопоставлять полученные данные. Расчет «в две руки» - один из приемов, снижающий вероятность ошибок (элемент внутреннего контроля).

Но использование компьютера, позволяющего оперировать огромными массивами чисел, имеет и обратную сторону. Молодые инженеры решают на компьютере все более сложные задачи без предварительного выполнения упрощенных расчетов для осознания «игры сил» в конструкции. В то же время такое осознание, основанное на правилах строительной механики, - совершенно необходимо. Вслепую расшифровывать численные результаты без первоначальных знаний об ожидаемых расчетных величинах ненельзя.

Важнейший этап - составление расчетной схемы сооружения, представляющей идеализированную модель, максимально приближенную к натурной системе, надежность которой прочувствована уже в эскизном проекте и доказана на стадии «Проект».

В большинстве случаев расчеты уникальных сооружений выполняются в геометрически нелинейной постановке. Их рекомендуется выполнять с учетом неупругих деформаций, деформаций усадки и ползучести бетона, приводящих к изменению геометрии системы при длительной эксплуатации. Кроме того, следует учитывать образование трещин в железобетонных элементах на участках, где они работают на внецентренное сжатие с большими эксцентриситетами, что приводит к местному снижению изгибной жесткости. Так как большепролетные и высотные сооружения относятся к системам, в которых присутствует нелинейность, при их расчете неприменим принцип независимости действия сил и поэтому приходится последовательно, шаг за шагом, загружать конструкцию и всякий раз фиксировать изменение ее формы и способность измененной структуры воспринимать новую «порцию» нагрузок.

При расчетах следует иметь в виду статическую и динамическую реакции большепролетных и высотных сооружений на воздействия ветра с учетом квазистатических и резонансных вкладов. Динамический расчет таких систем сложен по причине их пространственной работы, геометрической и физической нелинейности, существенного влияния податливости основных, элементов и так далее, но, тем не менее, необходим, поскольку существуют системы, устойчивость которых нельзя установить статическими расчетами, - только динамический метод может в подобных случаях оказаться действенным.

Повышенная по сравнению с традиционными конструкциями легкость и деформативность большепролетных покрытий определяют их чувствительность к динамическим воздействиям. Следует отметить, что динамическую реакцию можно существенно снизить конструктивными мероприятиями, например, введением в систему дополнительных оттяжек или демпфирующих устройств.

Важный раздел расчета уникальных сооружений - проверка их общей и местной устойчивости, конструирование опорных устройств.

Перечисленное показывает не только охват и глубину знаний, которыми должен обладать инженер-конструктор, но и меру его ответственности за безопасность сооружения. Отсюда необходимость персонального лицензирования инженеров на право работать с уникальными объектами. Нынешнее положение, когда авторы прикрыты ответственностью организации, где они работают, зачастую приводит к парадоксальным ситуациям.

Научно-техническое сопровождение

Проектирование уникальных большепролетных и высотных сооружений предполагает обязательное комплексное научно-техническое сопровождение, которое включает: упомянутые ранее продувки макета сооружения в аэродинамической трубе и разработку рекомендаций по определению снеговых и ветровых нагрузок; изготовление и исследование физической модели сооружения; в особо сложных случаях не исключается создание крупномасштабного прототипа сооружения, как это было сделано при проектировании Дворца спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге (на такой натурной модели не только испытывались несущие конструкции, но и отработывались монтажные операции). Научные бригады могут оказать существенную помощь при составлении и исследовании расчетной схемы сооружения, выполнении проверочных расчетов. Кроме того, научно-исследовательские и специализированные организации привлекаются к изготовлению и монтажу конструкций, разработке рекомендаций по обеспечению жизнеспособности сооружения в экстремальных ситуациях, мониторингу основных несущих конструкций на стадии возведения и эксплуатации. Экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях, прототипах и натурных объектах выполняются не только для выявления действительной картины напряженно-деформированного состояния сложных систем, но и для исследования таких сторон работы конструкций, которые трудно рассчитывать математическими методами.

Другая важная задача - подготовка рекомендаций по выбору рационального варианта конструктивной схемы, оптимальных геометрических соотношений и жесткостных параметров. Не все проектировщики сегодня могут охватить в сжатые сроки этот комплекс проблем и найти ему подобающее решение. Подключение научных институтов к проектированию как нельзя лучше отвечает этим задачам.

Некоторые специальные вопросы проектирования

При проектировании уникальных сооружений необходимо учитывать также аварийные ситуации.

«Аварийная расчетная ситуация - это работа несущих конструкций в исключительных условиях (например, пожар, промышленный взрыв, авария оборудования, при малой вероятности проявления в небольшой продолжительности), которая приводит в большинстве случаев к тяжелым последствиям, если не принимаются специальные меры»3.

Отечественные нормы не регламентируют необходимость проверки несущих конструкций на живучесть. Эта ситуация непосредственно связана с предвидением отказа какого-либо элемента конструкции при проектировании. Естественно возникают вопросы: какие элементы следует при расчетах исключить, в каком количестве, в какой последовательности, какие расчетные сочетания нагрузок принимать для этого случая? Ответы на них – в работе инженера-конструктора. Он должен иметь в виду, что каждому сооружению присуща некоторая вероятность разрушения. Попытка приблизить ее к нулю сопровождается стремлением стоимости сооружения к бесконечности. Повышенный уровень надежности уникального сооружения и обеспечивающий надежность перечень дополнительных мероприятий должен быть обязательно оговорен в Техническом задании на проектирование, утверждаемом заказчиком.

Вместе с тем обеспечить существование уникального большепролетного или высотного сооружения после отказа опорного контура висячих или выпуклых оболочек, несущих пилонов или колонн высотного здания, подвесок вантовых систем и тому подобное - невозможно. Очевидно, что живучесть таких сложных систем должна достигаться в первую очередь необходимыми запасами несущей способности основных элементов конструкций, работающих на общую устойчивость сооружения, исключением лавинообразного обрушения системы вследствие отказа второстепенных элементов конструкции, узлов и деталей, а также комплексом антитеррористических организационных мероприятий, как это делается в авиационном транспорте и при охране мостов.

О мониторинге

Очень важный элемент в создании уникального объекта, поскольку «мониторинг – наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью человека»4.

Если помимо наблюдения и оценки - еще и прогноз, то мониторинг следует начинать с анализа Технического задания, Специальных Технических Условий и, конечно, Проекта, потому что подробное рассмотрение проектных решений, тщательная фиксация отклонений от проекта при строительстве позволит судить об изменении состояния «природного окружения» после вторжения в него овеществленного авторского замысла. Идеально, если организатором комплексного мониторинга станет страховая компания, а исполнителем - специализированная организация.

Экспертиза проектов

При существующем порядке государственная экспертиза выполняется только на стадии «Проект». Для уникальных сооружений справедлива обязательная независимая экспертиза Концептуального Проекта и законченной рабочей документации перед ее сдачей в производство. Цель такой экспертизы – снизить вероятность фатальных ошибок.

Выводы и рекомендации

1. Статистические данные, информация об авариях уникальных объектов и опыт выявления причин обрушения большепролетных покрытий показывают, что в большинстве случаев катастрофические ситуации становятся результатом комплекса ошибок, в ряду которых первое место занимают просчеты проектировщиков.

2. Нарушение технологии проектирования, отсутствие четких формализованных регламентов, описывающих последовательный набор обязательных действий, плохая осведомленность информированность основных действующих лиц - конструкторов - об опыте проектирования родственных объектов, увлечение компьютерными расчетами без четкого представления о работе конструкции провоцируют появление грубых ошибок в проектах.

3. В технических заданиях не фиксируется степень ответственности сооружения, не узаконены необходимость физического моделирования, научного сопровождения проектирования и строительства. Авторский надзор осуществляется формально, заказчик и эксплуатирующие службы не всегда ведут с помощью научных бригад наблюдения за строительными конструкциями во время строительства и после сдачи объекта.

4. Сложные конструктивные системы рассматриваются без учета физической и геометрической нелинейности, в железобетонных элементах не принимаются во внимание нарастание прогибов от влияния длительной ползучести бетона.

5. Динамические характеристики сооружений не выявляются, хотя в ряде случаев только динамическими расчетами можно выявить недостатки выбранных расчетных схем.

6. Инженерные изыскания, как правило, недостаточны по объёму и не соответствуют рангу возводимых уникальных объектов.

7. Указания авторов эксплуатирующим организациям не имеют места в отечественной проектной практике, хотя для уникальных зданий и сооружений они должны составлять неотъемлемую часть проекта.

Вышесказанное позволяет ориентировать проектировщиков при работе над уникальными объектами на то, чтобы:

- продуктами предпроектной деятельности обязательно стали Техническое задание на проектирование, Специальные технические условия проектирования, изготовления конструкций и их монтажа, материалы геофизических, геодезических и геологических изысканий, бизнес-план строительного объекта;

- проектирование велось в три стадии: «Эскизный проект» (концептуальная стадия), «Проект» (выявление основных технико-экономических характеристик) и «Рабочее проектирование» (выполнение чертежей, по которым будет возводиться сооружение, и его расчеты на прочность, деформативность и устойчивость);

- в технических заданиях обязательно предусматривалось выполнение параллельных расчетов конструкций сторонними специалистами с использованием комплекса расчетных программ, не примененных авторами проекта;

- проводилась экспертиза не только «Проекта», но и Концептуального Проекта, и рабочей (3-й) стадии, как это было предусмотрено еще в 1976–1979 годах при разработке спортивных объектов Олимпиады-80;

- неотъемлемым разделом в номенклатуре проектных работ стало научное сопровождение будущего объекта;

- было принято за правило: при разработке концептуального (эскизного) проекта использовать приближенные расчеты, дающие возможности понять «жизнь конструкции»;

- проектирование как процесс было формализовано, контроль и приемка отдельных частей проекта, скрытых работ, изготовление конструкций строго расписаны;

- разработка проекта уникальных сооружений учитывала такие специальные факторы, как статическая и динамическая реакция сооружения на различные сочетания нагрузок и воздействий, включая монтажные, физическая и геометрическая нелинейность и запасы прочности материалов;

- расчет уникальных сооружений выполнялся для единой пространственной системы, включающей основание, фундаменты, каркас, большепролетное покрытие; - инженерной общественностью было признано, что живучесть таких сложных систем должна достигаться в первую очередь за счет создания необходимых запасов несущей способности основных элементов конструкций, включая элементы, обеспечивающие общую устойчивость сооружения, исключая возможности лавинообразного обрушения системы и - не в последнюю очередь – осуществления комплекса антитеррористических организационных мероприятий;

- повышенный уровень надежности уникального сооружения и обеспечивающий этот уровень перечень дополнительных мероприятий был обязательно оговорен в Техническом задании на проектирование.

1. Никонов Н. Восемь лекций о профессии. М., 2005.

2. Еремеев П. Особенности проектирования уникальных большепролетных зданий и сооружений // Строительная механика и расчет сооружений. 2005. № 1; Он же. Предотвращение лавинообразного (прогрессирующего) обрушения несущих конструкций уникальных большепролетных сооружений при аварийных воздействиях // Там же. № 2.

3. Там же.

4. Большой энциклопедический словарь. М., 1991.

Материал для главы «Некоторые особенности проектирования уникальных зданий и сооружений» моей книги «Восемь лекций о профессии» (см. сноски) готовился вместе с доктором технических наук, профессором П. Еремеевым. В дополненном и откорректированном виде этот материал лег в основу настоящей статьи.