Об оптимизации проектирования и строительства  подземной части самой высокой башни в Сингапуре

Введение

Сингапур – это город-государство в Юго-Восточной Азии площадью порядка 725 кв. км и с населением около 5,8 млн человек. Он занимает одноименный остров с экваториальным климатом, имеющий примерно 42 км в длину и 23 км в ширину, и 58 небольших островов вокруг. До 1959 года это была страна третьего мира, но в следующие тридцать с небольшим лет она совершила скачок до высокоразвитого государства, ставшего одним из крупнейших финансовых и туристических центров Азии (рис. 1).

Рис. 1. Сингапур – один из крупнейших финансовых и туристических центров Азии

Плотность населения Сингапура превышает 7 тыс. человек на 1 кв. км и занимает второе место в мире, не говоря уже о туристах, командировочных, представителях иностранных компаний и пр. Но из-за ограниченности своей площади и высокого спроса на недвижимость город в последние несколько десятков лет растет в основном вверх и под землю (а также за счет насыпных территорий). В том числе строятся многофункциональные высотные здания. При этом местные регулирующие органы устанавливают строгие критерии в отношении величин деформаций фундаментов зданий и сооружений, окружающих строящиеся объекты.

Кстати, благодаря экономической и законодательной поддержке государства Сингапур является одним из мировых лидеров по использованию информационного моделирования объектов строительства (BIM – Building Information Modeling). При этом там не выделяют какого-то одного производителя BIM-программ, а делают упор на многоплатформенное развитие, где будет побеждать сильнейший.

Масштабнейшим и сложнейшим проектом высотного строительства в Сингапуре стало создание многофункционального комплекса «Башня Гуоко» (или «Гуоко Тауэр» – Guoco Tower) стоимостью 3,2 млрд сингапурских долларов (рис. 2). В этот комплекс, построенный в оживленном деловом районе Танджонг Пагар недалеко от южного побережья острова, входят: 64-этажное здание высотой почти 290 м, имеющее офисные и жилые помещения; гостиничный блок средней этажности; шестиэтажный подиум для использования в коммерческих целях; трехуровневая подземная часть глубиной 18 м с паркингом и прямым выходом к станции метро; парк на крыше подземной части (рис. 3). На сегодняшний день это самое высокое здание в Сингапуре.

Рис. 2. Физическая модель и компьютерные визуализации комплекса «Башня Гуоко»

Рис. 3. Трехмерные модели конструкций комплекса «Башня Гуоко»

В качестве застройщика выступила крупнейшая региональная компания по недвижимости GuocoLand (Singapore). Генеральным подрядчиком была корпорация Samsung C&T. Архитектурой занималась фирма Skidmore, Owings & Merrill. Контракт на проектирование и строительство башни застройщик заключил с компанией Arup Singapore – сингапурским филиалом британской компании Arup Group, предоставляющей услуги по городскому планированию, архитектуре, проектированию, управлению проектами и соответствующему консалтингу по всему миру.

Строительство комплекса «Башня Гуоко» было начато в 2013 году.

Использование программы gINT для обеспечения безопасного строительства котлована и фундамента глубокого заложения

Сложность и масштабность проекта, непростые грунтовые условия, плотная городская застройка вокруг (рис. 4), сжатые сроки и жесткие нормативные требования вызывали значительные трудности при проектировании и строительстве комплекса «Башня Гуоко» на всех этапах, но прежде всего это касалось котлована и фундамента.

Рис. 4. Строительная площадка комплекса «Башня Гуоко» с окружающей застройкой

Инженерно-геологические изыскания, выполненные перед проектированием, показали, что разнородные грунты, слагающие площадку будущего строительства и прилегающие к ней участки (доломит, известняк, аргиллит, песчаник и сланец), создадут ряд проблем при строительстве фундамента, поскольку они имеют высокую водопроницаемость, характеризуются изменчивостью свойств по вертикали и по горизонтали и определяют риски деформаций существующих соседних зданий и сооружений. Это подтвердил и тщательный анализ разработки и реализации предыдущих проектов в аналогичных условиях.

Для обеспечения безопасного проведения земляных работ и строительства фундамента необходимо было использовать надежные геотехнические решения и внимательно следить за смещениями грунта. Например, максимально допустимые смещения из-за строительства комплекса «Башня Гуоко», по требованиям регулирующих органов Сингапура, не должны были превышать в любом направлении 15 мм для станции метро (находящейся всего в 6 м от борта котлована) и 25 мм для двух исторических торговых зданий (расположенных менее чем в 20 м от строительной площадки). А соотношение неравномерных осадок между зонами подиума и башни комплекса даже после окончания строительства не должно было быть хуже 1:500.

Для детального анализа результатов инженерно-геологических, инженерно-геодезических изысканий и геотехнических исследований компания Arup Singapore использовала программу gINT, разработанную компанией Bentley Systems. Благодаря этой программе всего за одну неделю после окончания изысканий был подготовлен полный геотехнический отчет по оценке свойств грунтового основания и связанных с ним рисков на любом участке строительства и прилегающих территорий, причем в наглядной и доступной форме. Было показано, что для 290-метровой башни необходимо создать фундамент глубокого заложения, который должен минимизировать смещения окружающих зданий и сооружений и при этом обеспечить устойчивость самого небоскреба как при строительстве, так и при дальнейшей эксплуатации.

Прогнозирование поведения грунта с помощью PLAXIS

При выборе типов и размеров котлована, его подпорных конструкций и фундамента проектная команда использовала ряд доступных эмпирических и аналитических методов.

Для начала на основе данных, взятых из программы gINT, требовалось создать геологическую модель рассматриваемой территории, спрогнозировать точные нагрузки на грунтовое основание и смещения в нем, а потом уточнить пилотный проект. Для этого проектная команда компании Arup Singapore использовала конечноэлементные программные комплексы для геотехнического моделирования PLAXIS 2D, PLAXIS 3D и встроенную в PLAXIS программу SoilTest, являющуюся виртуальной лабораторией. Это позволило выбрать вариант свайно-плитного фундамента с использованием многочисленных буронабивных свай (рис. 5, 6) и определить сложные взаимодействия между котлованом, а затем фундаментом (на всех этапах строительства) и прилегающими к строительной площадке зданиями и станцией метро.

Рис. 5. Буронабивные сваи фундамента комплекса «Башня Гуоко» на фотографии

Рис. 6. Модель комбинированной конструкции фундамента комплекса «Башня Гуоко», полученная компанией Arup Singapore в программном комплексе PLAXIS 3D

Для моделирования поведения отдельных свай и их групп общая модель фундамента была дополнена независимыми трехмерными моделями (рис. 7), которые в последующем калибровались на основе результатов штамповых испытаний на строительной площадке. С использованием вычисленных характеристик грунта, созданной модели фундамента и итерационных возможностей программного комплекса PLAXIS 3D было спрогнозировано оседание строящегося и возведенного комплекса «Башня Гуоко» с течением времени и его воздействие на деформации соседних зданий и станции метро.

Рис. 7. Некоторые примеры независимых трехмерных моделей, полученных компанией Arup Singapore в программном комплексе PLAXIS 3D для строительства котлована и фундаментов комплекса «Башня Гуоко»

По предложению подрядчика уже на этапе строительства для создания котлована под фундамент была выбрана поэтапная выемка грунта с разделением пятна застройки на подзоны (две над станцией метро и по одной под будущими башней и отелем) (рис. 8). Это позволило лучше контролировать смещения в грунте, конструкциях и прилегающих зданиях и сооружениях, но результаты измерений могли не совпасть с первоначальными прогнозами. Поэтому команда использовала коррекцию моделей и расчетов, ранее полученных в программах gINT и PLAXIS, с помощью данных мониторинга и испытаний грунта, проводимых в процессе земляных работ и строительства. Применялось также совмещение двумерных чертежей и трехмерных моделей в PLAXIS. Все это позволило успешно реализовать проект по строительству котлована и фундамента, а также начать работы по возведению надземных частей одновременно со строительством подземных помещений.

Рис. 8. Последовательность выемки грунта, представленная на плане пятна застройки комплекса «Башня Гуоко»

Применение вместо многочисленных программных средств универсального программного комплекса PLAXIS позволило компании Arup Singapore:

• разработать оптимальный проект фундамента комплекса «Башня Гуоко» (снизив нагрузку на каждую сваю и подобрав оптимальную толщину плиты для каждой зоны с учетом неоднородного характера грунтового основания, надземных и подземных конструкций);
• точно определить реакции грунтового основания и прилегающей застройки на всех этапах строительства;
• снизить смещения до допустимых величин;
• оптимизировать ход выемки грунта и процесс строительства фундамента.

Таким образом удалось без всякого риска исключить многие избыточные работы не только в процессе компьютерных расчетов и проектирования, но и в ходе строительства (например, ввиду ограничений строительной площадки удалось не устраивать некоторые наклонные угловые распорки и первоначально запланированную берму). Все это позволило в значительной степени сэкономить время и деньги.

Кратко о результатах мониторинга смещений в районе строительства

Как уже упоминалось, во время и после окончания строительства комплекса «Башня Гуоко» компания Arup Singapore проводила мониторинг смещений, напряжений и усилий с использованием геодезических методов и разнообразных датчиков, размещенных в конструкциях свайно-плитного фундамента, в грунтовом основании, на стенах и фундаментах окружающих зданий и сооружений. Смещения стен станции метро, расположенных всего в 6 м от края котлована, не превысили 10 мм. Осадки грунта на прилегающих к строительной площадке участках были не более 20 мм. Эти показатели оказались значительно ниже критериев, установленных сингапурскими регулирующими органами.

Заключение

Строительство комплекса «Башня Гуоко» было завершено в 2016 году. Она стала одним из знаковых зданий Сингапура, участвующим в создании архитектурного облика города (рис. 9). Работа над этим проектом была особенно успешной благодаря активному использованию предложенных компанией Bentley Systems программных средств gINT и PLAXIS (а также системы автоматизированного проектирования MicroStation для эффективного создания 2D- и 3D-чертежей). Они позволили выполнить трехмерное моделирование и расширенный анализ результатов инженерных изысканий, геотехнической инженерии и мониторинга, вовремя спрогнозировать поведение грунтового основания, возводимых конструкций и окружающей застройки, а также решить множество проблем во время строительства, что сэкономило массу времени и денежных вложений.

Рис. 9. Самое высокое здание в Сингапуре – комплекс «Башня Гуоко»

Аналитическая и проектная работа компании Arup Singapore продемонстрировала, что правильно выбранные программные средства и другие передовые технологии могут стимулировать инженерные инновации, и это должно послужить ориентиром для подобных проектов в будущем.

Источники

1. 3D-моделирование геологии грунтов при проектировании фундамента самой высокой башни в Сингапуре // Geoprofi.ru. 2020. № 4. URL: geoprofi.ru/technology/3d-modelirovanie-geologii-gruntov-pri-proektirovanii-fundamenta-samoj-vyhsokoj-bashni-v-singapure.
2. Arup Singapore использует метод 3D-моделирования геологии грунтов при проектировании фундамента самой высокой башни в Сингапуре // prod-bentleycdn.azureedge.net. 2020. URL: prod-bentleycdn.azureedge.net/-/media/files/documents/case-studies/cs_arup_singapore_ltr_ru_lr.pdf?la=ru-ru&modified=00010101000000.
3. Внедрение BIM: впечатляющий опыт Сингапура // Stroi.mos.ru. 18.12.2015. URL: stroi.mos.ru/builder_science/vniedrieniie-bim-vpiechatliaiushchii-opyt-singhapura.
4. Генералова Е., Генералов В. Опыт проектирования и строительства высотного жилья в Сингапуре // Здания высоких технологий. 2018. № 2. URL: zvt.abok.ru/articles/496/Opit_proektirovaniya_i_stroitelstva_visotnogo_zhilya_v_Singapure.
5. Государство Сингапур: общая информация // Сингапур: полный путеводитель. Дата последнего обращения: 27.10.2020. URL: singapore-holiday.ru/gosudarstvo-singapur-obshhaya-informaciya/.
6. Управление данными, тестирование грунта на месте работ и передовые структурные модели способствуют более тщательному анализу проекта самой высокой башни Сингапура // bentley.com/ru. 21.10.2019. URL: bentley.com/ru/about-us/news/2019/october/21/1209-ai-arup-singapore-data-management-tanjong-pagar.
7. Arup Singapore utilizes 3D soil simulations to design the foundation of the tallest tower in the country // prod-bentleycdn.azureedge.net. 2020. URL: prod-bentleycdn.azureedge.net/-/media/files/documents/case-studies/cs_arup_singapore_ltr_en_lr.pdf?la=pl-pl&modified=00010101000000.
8. Guoco Tower // en.wikipedia.org. The last accessed date: 26.10.2021. URL: en.wikipedia.org/wiki/Guoco_Tower.