Проектирование топологии объектов

Автоматизированные системы проектирования объектов строительства (АСПОС) в общем случае решают задачи топологии объектов:

- для региона – в виде зональных схем размещения объектов с указанием транспортных коммуникаций;

- для города – в виде генплана;

- для зданий – в виде объемно-планировочных решений этих зданий (ОПР).

Место этих задач в АСПОС показано на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема АСПОС

Решение задач топологии проектирования объектов сводится к человеко-машинной процедуре (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Человеко-машинная процедура проектирования топологии объектов

Разработка вариантов компоновки, архитектуры объектов включает большой объем работ творческого характера, осуществляется без четкого описания исходных данных (часто в условиях неопределенности), зависит от ситуации, опыта и личностных качеств проектировщика. Такая деятельность практически не поддается формализации, и ее проще выполнять человеку, чем поручать ЭВМ. То же можно сказать о выборе критериев для оценки вариантов и тем более – о принятии решения. Достаточно просто поручить машине хранение информации о построенных или проектировавшихся ранее объектах, произвести оценку вариантов по заданным критериям и оформить графически проектное решение. Для оценки вариантов генплана пользователь должен ввести в ЭВМ четыре группы исходных данных. Это информация о местности, размещаемых объектах, разрывах между объектами и коммуникациях.

Информация о местности представляет собой цифровую модель местности (ЦММ) – план местности с цифровыми или символьными кодами о ситуации в отдельных ее зонах, участках. ЦММ может быть модульная (блочная) с разбивкой плана наложением сетки и полигонная, на которой участки местности показываются в виде полигонов (зон).

Модульная ЦММ удобнее в математическом описании информации, но требует довольно частую сетку для сложной ситуации на местности. На полигонной ЦММ значительно удобнее описывать линейные объекты (коммуникации), поскольку для этого достаточно задать уравнения прямых участков, проходящие через определенные точки.

В настоящее время разработаны геодезические приборы, имеющие встроенные ЭВМ и позволяющие получить ЦММ в процессе геодезической съемки местности.

Информация о размещаемых объектах представляется с помощью реляционной модели базы данных в виде таблицы с описанием наименования объектов, их назначения и основных технико-экономических показателей. Информация по отдельному объекту в цифровых кодах представляет собой цифровую модель объекта (ЦМО).

Информация о разрывах содержит требования к расположению объектов с учетом технологии работ, экологические, противопожарные и требования социального характера.

Информация о коммуникациях включает в себя описание сети автомобильных и железных дорог, станций примыкания, водных и воздушных путей сообщения, линий электропередач, трансформаторных подстанций.

В качестве примеров рассмотрим задачи проектирования вертикальной планировки участка строительства, размещения объектов на генплане и разработки объемно-планировочного решения здания.

Рисунок 3.3 – ДЦ для проектирования водоотвода

1. Вертикальная планировка участка, водоотвод

Вертикальная планировка местности осуществляется для обеспечения нормального водоотвода с участка путем создания необходимых уклонов поверхности или устройства дренажной системы открытого типа (канав) или закрытого типа (дренажные трубы). На рис. 3.3 показано ДЦ для проектирования водоотвода.

Вертикальная планировка с созданием уклонов поверхности осуществляется по сетке квадратов 40 40 м или 10 10 м или же исправлением горизонталей. При проектировании по квадратам в узлах указываются черные, красные и рабочие отметки. Красная (проектная) поверхность должна обеспечить нормальный водоотвод, при этом объем земляных работ должен быть минимальным и с минимальным перемещением грунта.

Рисунок 3.4 – Продольный профиль дороги

При проектировании дорог вертикальную планировку удобно производить по продольным и поперечным профилям с черными, красными и рабочими отметками (рис. 3.4).

Дренажные системы открытого типа представляют собой систему канав, обычно без крепления откосов, расположенных в плане таким образом, чтобы общий уклон по дну канав и их сечения обеспечивали водоотвод.

Дренажные системы закрытого типа – это те же канавы (траншеи), заполненные фильтрующей засыпкой из щебня или гравия. Для улучшения водоотвода по дну траншей могут укладываться трубы – деревянные, асбоцементные, керамические или железобетонные (при больших диаметрах). Дренажные трубы отводят воду к коллекторам – заглубленным трубам с большим диаметром. По длине коллектора устраиваются ливнеприемные и смотровые колодцы (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 – Дренажная система водоотвода

 

Смотровые колодцы служат для периодического осмотра и очистки коллектора. Ливнеприемные колодцы закрыты сверху решеткой, обеспечивающей прием поверхностных вод, предусмотренных вертикальной планировкой участка.

В системе водоотвода часто возникает потребность отвести воду под дорожным полотном на другую сторону дороги. В этих случаях устраиваются перепуски воды из железобетонных труб диаметром 0,5…0,8 м.

Торцевые части перепуска укрепляют железобетонными оголовками (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Перепуски под дорожным полотном

Лучшее проектное решение для водоотвода найдется после анализа ДЦ (см. рис. 3.3) с оценкой глобального оптимума по заданному критерию.

Минимальным по стоимости и трудоемкости является устройство водоотвода в виде системы открытых канав с перепусками под дорогами. Обычно такое решение применяется в качестве временного для осушения участка.

Максимальным по стоимости, но и наилучшим для эксплуатации является решение с насыпью 0,5 м из щебня (гравия) с песком после удаления растительного грунта с устройством дренажной системы закрытого типа. Такое упрощенное решение в местах интенсивных нагрузок от транспорта может иметь дорожную одежду из асфальто- или цементобетона.

3.2 Размещение объектов на генплане

Для разработки и оценки вариантов городской застройки применяется «Координатный метод» и метод с использованием «транспортной задачи».

Наиболее простым является «Координатный метод». Вариант с планировкой города покрывается прямоугольной координатной сеткой и далее, с помощью ЭВМ, подсчитываются критерии – число жителей в микрорайонах, объем перевозок пассажиров в пункты обслуживания, протяженность коммуникаций и т. д. Подсчет производится с использованием координат объектов застройки.

Несколько сложнее метод с использованием «транспортной задачи» линейного программирования. Пусть:

n – число жилых домов (объектов или пунктов обслуживания);

A – население района;

ai – население дома (i 􀀠 1, 2,..., n);

B – численность населения, обслуживаемого культурно-бытовыми учреждениями;

bj – численность населения, обслуживаемого в пункте j (j 􀀠1, 2,...,m);

Cij – затраты материальных ресурсов на перемещение одного человека к пункту обслуживания;

xij – число человек, перемещающихся из пункта i в пункт j.

На рис. 3.7 показана схема компоновки района при n = 3 и m = 2. Область допустимых значений исходных параметров xij определяется уравнениями:

              (3.1)

Рисунок 3.7 – Пример компоновки объектов

Критерием оценки вариантов компоновки является целевая функция для минимума затрат ресурсов:

(3.2)

Решение задачи может быть получено с использованием программы, реализующей симплекс-метод. Определив значения неизвестных Xij, получаем ответ на вопрос, где и в каком количестве должно проживать население города, где должны размещаться пункты обслуживания, чтобы затраты ресурсов на перемещение людей были минимальными.

Рисунок 3.8 – Размещение котельных

Аналогичным образом решается транспортная задача при размещении районных котельных на генплане городской застройки. Далее приведен пример решения такой задачи с использованием метода минимальной стоимости, заимствованный из работы. Схема расположения котельных и потребителей тепла показана на рис. 3.8.

Расстояния от потребителей тепла до котельных:

Потребности потребителей тепла:

а1 = 4 Гкал/ч; а2 = 3 Гкал/ч; а3 = 6 Гкал/ч; а4 = 2 Гкал/ч; а5 = 5 Гкал/ч.

Требуется определить мощности котельных B1 и B2 при указанном расположении потребителей тепла, обеспечить их теплом с минимальными потерями. Обозначим Xij количество тепла, поставляемое из котельной Bi к потребителю a j (i=1,2; j=1-5). Решение получаем в табличной форме (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Под таблицей приведены потребности в тепле всех потребителей.

В ячейках таблицы вначале записываются неизвестные Xij, подлежащие определению, а под ними указывается расстояние lij. Полагая, что потери тепла пропорциональны этому расстоянию, заполнение таблицы значениями Xij производится следующим образом.

В первом столбце тепло к потребителю a можно подать от котельной B1 на расстояние 1,5 км и от котельной B2 на расстояние 4 км. Поставляя тепло на меньшее расстояние, принимаем X11=4 Гкал/ч и X21=0. Стоимость отопления будет при этом меньше за счет уменьшения потерь тепла. Отсюда название метода (наименьшей стоимости).

Таким же образом заполняем остальные столбцы таблицы. После этого определяем мощности котельных, Гкал/ч:

B1=4+3=7.

B2=6+2+5=13.

Полученное решение проверим подсчетом целевой функции:

Для решения, приведенного в таблице, значение целевой функции Zо=32,5 Гкал км/ч.

Если все потребители получают тепло от первой котельной, целевая функция Z1=51,5 Гкал км/ч больше Zо на 70 %.

При отоплении всех потребителей от второй котельной Z2=44 Гкал км/ч больше на 30 %.

Таким образом, меняя расположение котельных на генплане городской застройки, можно добиться минимальной стоимости транспортировки тепла к его потребителям. Заметим, что всю вычислительную работу по обоснованию расположения котельных удобно выполнять с использованием электронных таблиц Excel.

 

4 Занятие № 4. Проектирование объемно-планировочного решения зданий

4.1 Объемно-планировочное решение зданий

В данной работе рассматривается объемно-планировочное решение (ОПР) для промышленного здания из сборных железобетонных элементов. Исходными данными являются площадь здания и нагрузки на покрытие и на междуэтажное перекрытие (для многоэтажных зданий). По площади здания формируется план здания с сеткой колонн с шагом 6 или 12 м и типовыми пролетами несущих конструкций – 6, 9, 12, 18 и 24 м.

Для выбора лучшего варианта ОПР используется автоматизированная информационно-поисковая система (АИПС), в которой для принятого плана здания определяется потребность всех элементов каркаса из числа предлагаемых в базе данных типовых элементов с последующим автоматическим определением общей потребности железобетона на устройство каркаса здания.

На рис. 4.1 приведен план одноэтажного здания с площадью A=1584 м2 с нагрузкой на покрытие q=7 кН/м2. В табл. 4.1 приведены данные подсчета потребности железобетона. Расход железобетона на устройство одного элемента заимствован из работы. Разделив общий расход железобетона на площадь здания, получим приведенную толщину железобетона на 1 м2 его площади, по которой можно определить лучший вариант объемно-планировочного решения с минимальным расходом железобетона.

 

Рисунок 4.1 – План одноэтажного здания

Таблица 4.1 – Подсчет потребности в железобетоне

Примечание. Строки 2 и 4 пропущены, поскольку здание одноэтажное. Для зданий с несколькими этажами в этих строках содержатся данные здания для этажей ниже верхнего. Общий объем железобетона для здания составил 330,13 м3, приведенный к единице площади расход железобетона:

В МГСУ разработана программа ВАРТ, с помощью которой делается оценка вариантов ОПР по следующим критериям:

- коэффициенты компоновки здания:

 

 

где Aр.п – площадь рабочих помещений;

Aо – общая площадь здания;

Vзд – объем здания;

Aпов – площадь поверхности здания;

 

- форма плана;

- затраты на строительство здания;

- затраты на эксплуатацию здания;

- расход основных строительных материалов;

- трудоемкость возведения здания;

- интенсивность «людских потоков»:

 

 

где i = 1,..., n – количество помещений в здании;

j = 1,..., m – число связей между помещениями; Kij – количество человек в людских потоках;

Zij – расстояние между помещениями.

- совместимость помещений.

Лучший вариант ОПР находится либо методом ранжирования критериев, либо методом комплексного критерия с весовыми коэффициентами, заданными для каждого критерия экспертным путем.