Статьи → nanoCAD GeoniCS → Подготовка поверхностей в nanoCAD GeoniCS при послойном возведении насыпей

Любое строительство начинается с разбивки геометрических параметров строящегося объекта. Здесь и далее под термином «объект» мы будем понимать всевозможные насыпи линейных и площадных объектов, таких как автомобильные дороги, площадки кустов газовых скважин, взлетно-посадочные полосы и т.д.

Прежде всего — несколько слов о строительных процессах и о том, как должно быть и как бывает на практике. Задача инженера-геодезиста — своевременно подготовить все необходимые данные для выноса объектов в натуру. И если раньше работы производились с помощью теодолита и рулетки, то теперь, с повсеместным внедрением GNSS (Global Navigation Satellite System)-оборудования, геодезист может работать в поле непосредственно с TIN-поверхностью. Это означает, что отметку проектной поверхности можно «вынести» в любой момент и в любой точке на местности (рис. 1).

Раньше, когда были только теодолиты, и чуть позднее, когда появились простые тахеометры, для того чтобы подготовить данные для выноса в натуру, необходимо было точно знать, на каком участке будут производиться работы. Геодезист заранее готовил список точек, и по ним выполнялась разбивка. При этом процесс подготовки занимал намного больше времени, а вынос «незапланированных» точек приводил к дополнительным временным затратам.

Рис. 1. Вынос бровки поверхности отсыпаемого слоя

Компании, выполняющие большие объемы земляных работ, обычно используют системы 3D-нивелирования, установленные на технике (рис. 2). Геодезист готовит и загружает в контроллер все необходимые поверхности, после чего уже без его непосредственного участия машинист бульдозера/экскаватора/грейдера может работать над устройством конструктива насыпи.

Рис. 2. Планировка откосов с использованием 3D-системы нивелирования, установленной на бульдозере

При правильно организованных процессах после выполнения работ по устройству отсыпаемого слоя осуществляется контроль уплотнения грунта, толщины насыпи и геометрических параметров. Вся эта информация должна быть документально зафиксирована в актах и исполнительных схемах, и лишь затем разрешается выполнение отсыпки следующих слоев. При этом поперечные и продольные уклоны каждого слоя в любой точке совпадают с уклонами верха проектного конструктива.

На практике так бывает достаточно редко. Исполнительная документация зачастую готовится в самый последний момент, когда начинают «подгорать» сроки сдачи объекта. В отсутствие должного контроля производства работ и в условиях спешки технология послойной отсыпки не соблюдается, неверно создаются и сами поверхности.

Рис. 3. Слои отсыпаются «по рельефу»

На рис. 3 представлена отсыпка слоев в тех случаях, когда геодезиста вызывают только для разбивки границ конструктива по низу и по верху, а промежуточные слои насыпи сооружаются без его участия. Возможны разные вариации такой отсыпки — например, когда часть слоев повторяет рельеф, а остальные плавно выводятся к верху конструктива. Рисунок отражает лишь суть ведения работ: в особо запущенных случаях один и тот же слой может лежать на разных уровнях — например, если отсыпка ведется участками в разное время и с разной скоростью. Такой мозаичный пирог слоев практически невозможно увязать в исполнительных схемах, актах скрытых работ и журналах производства работ.

Рис. 4. Слои с нулевым уклоном

Другой случай неправильного выполнения работ показан на рис. 4. Здесь неверно подготовлены проектные поверхности: по верху каждого слоя уклон равен нулю — соответственно и на местности будет то же самое. На локальных участках при этом могут скапливаться снег и вода, что приводит к неравномерному уплотнению и, через некоторое время, к просадкам.

Чтобы подготовить данные для разбивки, необходимо на основании проектной и черновой поверхностей создать поверхности каждого отсыпаемого слоя. Для площадных и линейных объектов этот процесс будет неодинаковым.

Главное условие при подготовке поверхностей — поперечные и продольные уклоны слоев возводимых насыпей должны соответствовать проектным уклонам (в соответствии с СП 78.13  330.2012, СП 490.1  325  800.2020, СП 45.13  330.2017) — (рис. 5).

Рис. 5. Уклоны каждого слоя соответствуют проектным уклонам

В этой статье мы сосредоточимся только на работе с площадными объектами.

Рассмотрим алгоритм создания проектных слоев насыпи. Суть этого алгоритма — в создании «режущей» поверхности, которую мы будем последовательно опускать на толщину слоя и получать границы обрезки проектной поверхности.

В качестве исходных данных имеются две поверхности: проектная и черновая (рис. 6, 7).

Рис. 6. Черновая поверхность (существующий рельеф земли)

Рис. 7. Черновая и проектная поверхности

Чтобы «нарезать» проектную поверхность на слои, необходимо сделать копию ее верхней части (без откосов) и расширить во все стороны таким образом, чтобы она выходила за границы проектной поверхности (рис. 8). При этом уклоны «режущей» поверхности должны соответствовать проектным.

Рис. 8. Схематичное представление «режущей» поверхности на разрезе

В nanoCAD GeoniCS проектные поверхности удобно создавать опорными точками. Оставим видимость только тех объектов, с которыми будем работать: подошвы и бровки откоса проектной поверхности (рис. 9).

Рис. 9. Подошва и бровка откоса проектной поверхности

Создадим внешнюю границу «режущей» поверхности с помощью команды Подобие, при этом расстояние смещения установим таким образом, чтобы создаваемый контур выходил за границы существующей проектной поверхности (рис. 10).

Рис. 10. Создание внешней границы «режущей» поверхности

Далее проставим опорные точки с помощью уклоноуказателей. Все добавленные опорные точки автоматически применяются к поверхности, указанной в установках. В нашем случае это «режущая» поверхность (рис. 11).

Рис. 11. Поверхность, построенная по опорным точкам

Подготовительная часть завершена, теперь можно приступать к «нарезке» слоев. Разберем наиболее сложный случай, когда проектная поверхность имеет неравномерные уклоны, а существующая земля — резкие перепады и поэтому будет иметь пересечения почти со всеми слоями (рис. 12).

Рис. 12. Сложный случай «нарезки» слоев

Рассмотрим порядок действий для этого случая.

1. Зная толщину слоя (в нашем примере t = 0,5), вычислим общее количество слоев. Создадим сводную поверхность, в ее свойствах разница между минимальной и максимальной высотой будет равняться максимальной толщине насыпи. Разделим это значение на толщину слоя и округлим в большую сторону: 3,35 / 0,5 = 7 (рис. 13).
   Рис. 13. Расчет количества слоев
2. Сделаем шесть копий (количество слоев — один) «режущей» поверхности и переименуем их в соответствии с номерами слоев. В нашем примере поверхности будут называться «Уровень 1» … «Уровень 6». Почему слоев семь, а поверхностей мы создали только шесть — станет понятно ниже.

3. Распределим все поверхности по уровням: «Уровень 6» переместим вниз на 0,5 м, «Уровень 5» — вниз на 1 м и так далее.

   Поверхности будем обрезать внешней границей по бровке откоса. Схематичный пример обрезки представлен на рис. 14 (утолщенная красная линия). Этот участок поверхности будет использоваться для создания шестого слоя.

   Рис. 14. Обрезка «верха»
4. Сделаем семь копий проектной поверхности, шесть из них назовем «Откосы 2» … «Откосы 7». В самой верхней поверхности откосы нам не нужны, поэтому ее можно сразу назвать «Слой 7».

   Копии будем обрезать по бровке и подошве проектного откоса. Обрезанная часть станет откосом новой поверхности (утолщенные красные линии на рис. 15). В этот откос будет вставлена поверхность соответствующего уровня, созданная на предыдущем шаге.

   Рис. 15. Обрезка откосов

   Все созданные поверхности являются вспомогательными объектами, они удаляются по завершении создания слоев. Отсортируем все основные поверхности от вспомогательных — для этого необходимо добавить порядковые номера поверхностей к их именам (рис. 16).

   Рис. 16. Сортировка поверхностей
5. Теперь, когда у нас подготовлены все вспомогательные поверхности, начнем процесс «нарезки». Для того чтобы получить седьмой (верхний) слой, необходимо найти линию пересечения между поверхностью «Уровень 6» (-0,5 м от проектной) и копией проектной поверхности «Слой 7» (рис. 17). Выполним команду Построение линии пересечения поверхностей (Рельеф → Задачи). При этом в настройках можно задать тип полилинии: 2D или 3D. С 2D-полилиниями удобнее выполнять операции объединения контуров, но при этом, если в дальнейшем из такого контура необходимо создавать внешние границы поверхностей, понадобится поднимать их на рельеф.
   Рис. 17. Линия пересечения двух поверхностей

6. Теперь у нас есть два контура: линия пересечения двух поверхностей и граница проектной поверхности. Необходимо обрезать все участки границы проектной поверхности, выходящие за пределы границы пересечения, и соединить получившиеся полилинии в одну — это и будет внешняя граница седьмого слоя (рис. 18).

   Рис. 18. Создание внешней границы

   В нашем примере все контуры — 2D, поэтому перед тем как добавлять получившийся контур как границу в поверхность, необходимо поднять его на рельеф, поскольку в nanoCAD GeoniCS при добавлении внешних границ все отметки берутся с границы. На практике это означает, что, если добавить в поверхность границу с отметкой 0, все отметки поверхности, находящиеся на ее границе, «упадут» на эту отметку.

   С помощью команды Определить из чертежа добавим внешнюю границу. Поверхность седьмого слоя готова!

7. Алгоритм создания следующих слоев сложнее, так как необходимо сначала обрезать две поверхности по границам, а затем их объединить. Работу алгоритма наглядно демонстрирует рис. 19.

   Рис. 19. Алгоритм создания слоев

   Для удобства работы отключим на чертеже все лишние слои и в дальнейшем будем оставлять только те, с которыми работаем в настоящий момент.

Поскольку все «режущие» поверхности уже распределены по соответствующим уровням, на этом шаге нам необходимо получить границы шестого слоя по верху и по низу. Для этого найдем линию пересечения поверхностей «Уровень 5» и «Откосы 6» (рис. 20).

Рис. 20. Линия пересечения поверхностей

Далее с помощью команды Показать охватывающую границу отобразим внешнюю границу поверхности «Слой 7» (рис. 21).

Рис. 21. Внешняя граница поверхности «Слой 7»

Из этих линий следует создать внешнюю границу откоса. Такую операцию удобно выполнить с помощью реализованной в Платформе nanoCAD команды Контур. При этом следует заметить, что команда не всегда в состоянии обработать контуры, поскольку они могут пересекаться, лежать на разной высоте, иметь петли и разрывы и т.д. А при большой протяженности и частоте вершин объединение контуров становится весьма затруднительным занятием. Следовательно, если у вас есть навыки программирования, лучше автоматизировать задачу (что в свое время и было сделано автором этих строк) — в будущем это поможет сэкономить многие часы работы.

В результате выполнения операции получаем два контура (рис. 22).

Рис. 22. Внешние границы откоса

После добавления двух внешних границ к поверхности «Откосы 6» получаем поверхность откосов шестого слоя (рис. 23). Теперь нам необходимо добавить к этим откосам поверхность верха («Уровень 6»), но для этого ее сначала нужно обрезать по внешней границе поверхности «Слой 7» (красная линия на рис. 21).

Рис. 23. Откосы поверхности шестого слоя Рис. 24. Откосы и верх поверхности шестого слоя

Объединим в одну две вспомогательные поверхности («Уровень 6», «Откосы 6»), которые мы только что обработали (рис. 24). Для этого в Проводнике проекта создадим новую поверхность «Слой 6» и добавим в нее все треугольники из этих двух поверхностей. А в качестве внешней границы будем использовать линию пересечения поверхностей «Уровень 5» и «Откосы 6» (см. рис. 20), объединенную с границей поверхности в один общий контур. Вместо добавления внешней границы можно использовать операцию удаления лишних 3D-граней — если их немного. При выборе способа обрезки поверхности решающую роль играют скорость выполнения данной операции и удобство работы. В некоторых случаях при работе с большими поверхностями границы могут иметь более 10 тысяч вершин, что способно привести к зависанию программы, поэтому тут предпочтительно использовать операцию удаления 3D-граней.

При получении каких-либо контуров поверхностей с помощью команды Показать охватывающий контур важно сохранять их в отдельных слоях до конца работы: они могут пригодиться позже, в процессе формирования границ следующих слоев.

Завершающий этап формирования поверхности шестого слоя — это проверка на предмет пересечений с существующим рельефом и, если такие обнаружатся, обрезка поверхности по новой границе с учетом этих пересечений. В нашем случае на шестом слое пересечения есть, а после обрезки по новой границе поверхность выглядит так, как показано на рис. 25.

Рис. 25. Поверхность шестого слоя после добавления границ

При подсчете объемов между слоями, которые имеют пересечения с поверхностью существующего рельефа, необходимо учитывать этот рельеф. Например, если в нашем примере считать объем между шестым и седьмым слоями насыпи, то необходимо в шестой слой вставлять участки с существующим рельефом и только затем рассчитывать картограмму земляных масс (рис. 26, участки существующего рельефа отмечены серым цветом).

Рис. 26. Поверхность шестого слоя с участками существующего рельефа

Создание поверхностей следующих слоев происходит аналогичным образом — с той лишь разницей, что в самых нижних слоях может вообще не быть откосов, и тогда алгоритм становится намного проще: достаточно обрезать «режущую» поверхность по границе пересечения с существующим рельефом (рис. 27).

Рис. 27. Поверхность первого слоя и поверхность существующего рельефа

Рассмотренный в статье способ создания проектных слоев насыпи хоть и является трудоемким, но позволяет получить гарантированно правильные поверхности каждого слоя и в дальнейшем верно рассчитать объемы.

Павел Зубакин,
технический специалист
по направлению «Землеустройство»
ООО «Центр программных решений»