Problematyka numerycznego modelowania terenu do celów projektowania obiektów przemysłowych

PRACE INSTYTUTU GEODEZJI I KARTOGRAFII Тот XX, Zeszyt 2141, 1973 JERZY GAŹDZ1CK1 Ja n Śliw k a [518 : 528.425.4] : 725.4 Problematyka numerycznego modelowania terenu do celów projektowania obiektów przemysłowych Współczesne tendencje rozwoju budownictw a przemysłowego w yrażają się w dążeniu do m aksym alnego skrócenia cyklu inw estycyjnego i obniżenia kosztów budow y przy jednoczesnym poszukiw aniu rozw iązań zapew niających uzyskiw anie m aksym alnych efektów produkcyjnych pro jek to w anych zakładów przem ysłow ych. W arunkiem optym alnego urzeczyw istnienia tych sprzecznych tendencji jest elastyczne, tw órcze dostosow yw a nie się projektantów i organizatorów przedsięwzięcia inw estycyjnego do dynam icznie zm ieniającej się sytuacji problem ow ej w trakcie całego pro cesu projektow ego. Proces ten obejm uje trzy podstaw ow e etapy: 1) studia i koncepcje przedprojektow e, 2) założenia techniczno-ekonom iczne, 3) projekt techniczny. W opracow aniu i dokum entacji każdego z nich m ożna wyróżnić: 1) część technologiczną, 2) część budow lano-m ontażow ą, 3) część energetyczną, 4) część wodnościekową, 5) część elektryczną i teleelektryczną, 6) p ro je k ty ochrony środow iska, 7) plan zagospodarow ania tere n u i tran sp o rtu, 8) w ytyczne realizacji inw estycji, 9) analizy ekonom iczne projektu. Zadaniem pierwszego etapu jest opracow anie ogólnej koncepcji zakładu dla w ariantow o określanych wskaźników techniczno-ekonomicznych przyszłej produkcji. Podstaw ow e znaczenie w ty m etapie m ają studia lo

24 Jerzy Gaździcki, Jan Śliwka kalizacyjne zakładu, w ykonyw ane w ram ach ogólnego p lan u zagospodarowania terenu i transportu. Jednym z elem entów branym pod uwagę przy wyborze lokalizacji inw estycji jest koszt robót ziemnych, jak również ich wielkość (kubatura) przesądzająca o długości cyklu budowy. Przeciętnie udział kosztów robót ziemnych w kosztach robót budowlano-m ontażowych k ształtuje się w granicach od 34-8%, natom iast czasokres w ykonania ro bót ziem nych sięga 404-50% długości cyklu. Ze względu na k rótkie term in y opracow ania w ielow ariantow ych koncepcji i studiów, obliczenia wielkości i kosztów robót ziem nych w ykonuje się w sposób przybliżony, a ich celem jest uzyskanie w skaźników porów nawczych, charakteryzujących poszczególne w arianty. Podstaw ą obliczeń są dostępne m apy sytuacyjno-wysokościowe, najczęściej w skali 1 : 5000 lub też w skali 1 : 2000, zależnie od wielkości projektow anego zakładu. Po u staleniu lokalizacji zakładu rozpoczyna się drugi etap pro jek to w a nia, tj. opracowanie założeń techniczno-ekonomicznych. W tym sam ym czasie podejm uje się w stępne prace związane z budow ą zakładu. O rganizuje się zaplecze generalnego wykonawcy robót, buduje drogi dojazdowe, doprowadza wodę i energię na plac budowy oraz rozpoczyna niwelowanie terenu. Pow staje niezw ykle złożona i tru d n a sytuacja problem ow a. Z jed nej strony, znajdujące się w fazie początkowej i często m odyfikowane opracowania branżowe projektu w yw ierają istotny wpływ na wielkość i koszty robót ziemnych, z drugiej zaś wykonawca żąda dostarczania projektów technicznych, um ożliw iających rozpoczęcie i n ieprzerw aną konty nuację robót. Założenia techniczno-ekonom iczne są etapem prac projektow ych, m a jących na celu opracow anie takich rozw iązań technicznych, organizacyjnych i ekonom icznych, które gw arantow ałyby osiągnięcie żądanych param etrów produkcji przyszłego zakładu. Tem u celowi podporządkow any jest w ybór odpowiedniej technologii produkcji, która z kolei w arunkuje rozw iązania projektow e w częściach: budow lanej, w odnościekow ej, elektrycznej, ochrony środowiska, planu zagospodarowania terenu i transportu oraz w ytycznych realizacji inw estycji (rys. 1). W ymienione opracowania zn ajdują się na jednym poziomie w hierarch ii celów projektow ych, aczkolw iek są w zajem nie pow iązane bardzo licznym i i różnorodnym i zależnościami. Zależności te uw idaczniają się najw yraźniej w planie zagospodarow ania terenu, który z tego powodu w początkowej fazie opracowania p ro je k tu pełni rolę nadrzędną, a w dalszych fazach koordynującą wobec pozostałych części branżow ych. Podział poszczególnych części b ra n żowych na podproblem y w yznacza n astępny niższy poziom celów p ro jek tow ych. W szczególności plan zagospodarow ania tere n u obejm uje opracowania:

WYTYCZNE REALIZACJI INWESTYCJI HARMONOâRA MY DYREK TYWNO-FI NANSOWE ANALIZY EKONOMICZNO PROJEKTOWE CZĘŚCIOWE ANALIZY PROJEKTOWE " Projektowanie obiektów przemysłowych N5 Ul I POZIOM CEL PODSTAWOWY; PARAMEFRY TECHNICZNO-EKONOMICZNE PRODUKCJI ŒPOZIOM P R O JE K T T E C H N O L O G IC Z N Y nr POZIOM - BUDOWLANOl INSTALACYJ NE ENERGE TYCZNE П WOONO- SCIEKOWE ELEKTRYCZ NE! TELE- ELEKTRYCZ OCHRONY i_ ŚRODOWISKA T ~ PLANU ZAGOSPOD. TERENU w!y POZIOM częściow e BUDOWLAN0- INSTALACYJ. częściow e ENERGE TYCZNE CZĘŚCIOWE WOONO- SCIEKOWE CZĘŚCIOWE ELEKTRY CZNE CZĘŚCIOWE OCHRONY ŚRODOWISKA PLAN ZAGONI po o aro w ania[ ROB. ZIEMNEJ ETROGI, KOLEjj R y s. 1. D e c y z je p r o je k t o w e

26 Jerzy Gaździcki, Jan Śliwka plan lokalizacji zakładu, plan usytuow ania obiektów, projekty tran sp o rtu drogowego i kolejowego, projekt robót ziem nych, projekt zabezpieczenia ruchu kolejowego, geodezyjne opracow anie planu zagospodarowania terenu. Przedstaw ione poziomy hierarchii celów projektow ych określają w zajem ne podporządkow anie poszczególnych opracow ań oraz w pew nym sensie znaczenie kryteriów, według których dokonuje się oceny rozwiązań projektow ych. Może się np. okazać, że bardzo korzystne rozw iązanie z zakresu robót ziemnych nie będzie przyjęte, gdyż nie pozwoli na realizację procesu technologicznego, korzystnego z punktu widzenia przyszłej produkcji. Poziomy hierarchii celów projektowych wyznaczają również zasięg reperkusji w formie przeróbek, a nawet konieczności nowych opracowań w przypadku wprowadzania określonych zmian w danych projektowych. Oczywiście najdalej idące skutki powoduje zmiana param etrów produkcji podstawowej zakładu, np. wielkości lub asortym entu produkcji. Zm iany w technologii pociągają za sobą z reguły konieczność gruntow nego przeprojektow ania wszystkich części branżow ych. Z kolei zm iany w prow adzone w poszczególnych projektach branżow ych w pływ ają na plan zagospodarowania terenu oraz na wytyczne realizacji inwestycji. Projekt robót ziemnych jako składnik planu zagospodarowania terenu jest więc szczególnie podatny na wszelkiego rodzaju zmiany, dokonywane na wyższych poziomach podejmowania decyzji projektowych. Zmienność sytuacji zarów no w zakresie prac projektow ych, jak i budow lanych n a rzuca sposób podejścia do problem atyki robót ziemnych. Należy przede wszystkim stwierdzić, że projekt robót ziemnych nie stanow i opracow ania jednofazowego, a jest w ykonyw any etapam i. W ielkość i koszty robót, obliczone w pierw szym etapie sposobami przybliżonymi, nie pow inny być w zasadzie przekraczane w całym późniejszym procesie projektow ym. Obliczenia w dalszych etapach polegają na uściśleniu bilansu robót na podstawie ustalonych w planie zagospodarowania poziomów płaszczyzn niw elacyjnych. Również i te obliczenia m ają ch arak ter p rzy bliżony, gdyż oparte są najczęściej na tych samych podkładach mapowych, które były podstawą obliczeń w pierwszym etapie, z tą jedynie różnicą, że zwiększa się liczba punktów przyjm owanych do obliczeń. Znajomość ogólnego bilansu robót oraz rozmieszczenie wykopów i nasypów w planie zagospodarowania pozwala na w yodrębnienie pewnych obszarów (tarrsów), których zniwelowanie jest niezbędne w pierwszej kolejności. Dla wydzielonej części w ykonuje się natychm iast projekt techniczny robót ziem nych, stw arzając w ten sposób fro n t robót dla w ykonaw cy oraz ograniczenia dla dalszych prac projektow ych, gdyż rzędne w ydzielonych płasz-

Projektowanie obiektów przemysłowych 27 ezyzn z chwilą rozpoczęcia robót przyjm uje się jako stałe. Od m om entu przekazania wykonawcy pierwszego projektu robót ziemnych, dwa główne czynniki stym ulują dalszy przebieg prac związanych z projektow aniem robót ziem nych: rzeczyw iste tem po w ykonaw stw a robót ziem nych na placu budow y, częstość i zakres zmian wprowadzanych w różnych opracowaniach projektowych, które m ają wpływ na wielkość i koszty robót (zmiany k ształtu i rzędnych tarasów). Na tym etapie prac, w stosunkowo krótkich, bo często kilkudniowych odstępach czasu, trzeba wykonać obliczenia wielkości robót ziem nych dla całego zakładu, przy czym, z uwagi na zaawansowanie prac projektów branżowych, żąda się obliczeń odpowiednio dokładnych, a jednocześnie uwzględniających w arunek m inim alizacji kosztów robót. Podstaw ą obliczeń są odpowiednio dokładne dane geodezyjne (na ogół wystarcza m apa sytuacyjno-wysokościowa w skali 1 : 1000) oraz inne dane obejm ujące m.in.: rzędne tarasów przy jęty ch z różnych względów jako stałe, w spółrzędne płaskie granic tarasów, ew entualne pochylenia tarasów, dane geologiczne. Zakres obliczeń dla potrzeb w ariantow ania opracowań projektow ych jest różny od obliczeń niezbędnych dla projektu technicznego i obejm uje jedynie obliczenia wielkości bilansow ych robót ziem nych (kubatura i koszty), z uw zględnieniem objętości: w arstw y hum usu, k tó rą zdejm uje się z całej pow ierzchni p rojektowanego zakładu, w arstw y g ru n tu niezbędnej dla ostatecznego ukształtow ania pow ierzchni teren u (m ikroniw elacja), naddatków g ru n tu dla w yrów nania osiadań nasypów, fundam entów w iększych obiektów zlokalizow anych na teren ie nasypowym, skarp zew nętrznych itp. W projekcie technicznym dla potrzeb w ykonaw cy robót podaje się rozmieszczenie mas w siatce kw adratów o bokach wynoszących najczęściej 50 m, a ponadto w aru n k i techniczne w ykonania robót, obejm ujące m.in.: sposoby kształtow ania nasypów w zależności od kategorii i rodzaju gruntu, żądany stopień zagęszczenia g runtu, kolejność robót, kierunki i fazy przemieszczania mas, sposoby odwodnienia powierzchniowego i odprowadzenia wód gruntow ych,

28 Jerzy Gaździcki, Jan Śliwka sposoby prow adzenia robót w zimie, rodzaj, ilość i charak tery sty k ę sprzętu technicznego, term iny i koszty robót, w ym aganą dokładność w ykonania robót. W tak trudnej sytuacji niezbędne staje się stosowanie nowoczesnych m etod projektow ania, w ykorzystujących elektroniczną technikę obliczeniową. Biuro Projektów Przem ysłu Hutniczego BIPROHUT, uwzględniając pilne potrzeby w ynikające z podjęcia decyzji budowy huty KATOWICE, zleciło Insty tu to w i Geodezji i K artografii opracow anie system u obliczania Rys. 2. Etap 1. Utworzenie modelu numerycznego i optym alizacji robót ziem nych na obszarze projektow anego zakładu przemysłowego. Zgodnie z tym zleceniem Zakład Inform atyki Geodezyjnej i K artograficznej In sty tu tu, w spółpracując ściśle z BIPROHUTEM, opracował odpow iednie m etody i program y tw orzące ten system oraz zastosował je praktycznie w trakcie projektow ania h uty KATOWICE 1. Technologia projektow ania przy użyciu tego system u w ykorzystuje num eryczny model terenu i obejm uje 3 etapy. 1 Prace naukowo-badawcze i wdrożeniowe w Instytucie wykonane zostały przez siedmioosobowy zespół pracowników Zakładu Informatyki Geodezyjnej i Kartograficznej pod kierunkiem doc. dra J. Gaździckiego. Ze strony BIPROHUTU prace te były prowadzone przez mgra inż. J. Śliwkę.

Projektowanie obiektów przemysłowych 29 W pierw szym etapie tw orzony jest num eryczny m odel te re n u na obszarze projektow anego zakładu. Model te n może być uzyskiw any na podstawie wyników pomiarów bezpośrednich (tachim etria, niwelacja) lub też na podstaw ie digitalizacji zdjęć lotniczych i m ap, zależnie od żądanej dokładności i istniejących możliwości technicznych. Obliczania wysokości dokonuje się przez interpolację liniową, nie staw iając żadnych form alnych ograniczeń co do w zajem nego położenia punktów m odelu. Proces tw orzenia m odelu num erycznego przedstaw iony jest na ry su n k u 2. W drugim etapie następuje wielokrotne obliczanie i optymalizowanie objętości i kosztów robót ziem nych dla poszczególnych w ariantów pro jektow ych. W arianty obliczone i zoptym alizow ane w ośrodku obliczeniow ym są podstaw ą podejm ow ania przez projek tan tó w decyzji o kreślających nowe założenia projektowe, przekazywane bezpośrednio do ośrodka (rys. 3). Obliczenie objętości i kosztów robót ziem nych dokonyw ane jest na podstaw ie num erycznego m odelu terenu. Rys. 3. Etap 2. Obliczenie i optymalizacja objętości i kosztów robót ziemnych

30 Jerzy Gaździcki, Jan Śliwka Zależnie od stopnia szczegółowości i zakresu dostępnych danych projektow ych oraz zależnie od zaaw ansow ania procesu optym alizacyjnego stosuje się: 1) optymalizację geom etryczną według m etody m inim alizacji sumy objętości nasypów i wykopów lub też według m etody zm iennych wag, 2) optym alizację tra n sp o rtu i kosztów robót ziem nych. Do rozw iązania zadania transportow ego zastosowano algorytm stepping stone, zaś do m inim alizacji sumy objętości nasypów i wykopów algorytm direct search Rosenbrocka. Etap trzeci jest etapem, w k tórym w ykonuje się num eryczną dokum entację p ro je k tu technicznego. Oblicza się profile terenow e oraz objętości nasypów i wykopów w kw ad ratach o zadanych bokach, np. 50 m. Obliczenia w ykonuje się przy użyciu system u program ów opracow a nych dla kom putera ODRA 1204 z pamięcią bębnową oraz częściowo dla m aszyny GEO 2. Opisy stosowanych metod i algorytm ów zaw arte są w artykułach [1] i [2], zam ieszczonych w niniejszym zeszycie P rac IG ik. Na uwagę zasługuje przebieg prac wdrożeniowych, dokonanych na obiekcie huta KATOWICE, obejm ującym obszar około 700 hektarów. Prace badawcze w Instytucie zostały rozpoczęte w dniu 24 stycznia 1972 roku, po uzyskaniu zlecenia z BIPROHUTU, uzasadnionego koniecznością zastosow ania now ych m etod i technologii, które um ożliw iłyby dotrzym anie harm onogram u prac budow lanych oraz zmniejszenie kosztów robót ziem nych, bardzo wysokich na tym obiekcie ze względu na zróżnicowaną rzeźbę terenu. N atychm iast po otrzym aniu w dniu 19 czerwca 1972 r. pierwszych założeń projektow ych, w ykorzystując otrzym ane uprzednio współrzędne 23 000 punktów tachim etrycznych num erycznego m odelu terenu, Zakład Inform atyki Geodezyjnej i K artograficznej podjął prace wdrożeniowe. Ogółem w okresie od 22 czerwca do 22 września 1972 roku wykonano opracowania num eryczne 14 w ariantów projektowych, utrzym ując stałą łączność telexową i telefoniczną między BIPROHUTEM i IGiK. Cztery z tych w ariantów obejm ow ały obliczenia dla potrzeb pro jektów technicznych. Pod koniec roku 1972 otrzym ano dane geologiczne, co um ożliw iło dodatkow e w ykonanie dla celów studialnych w a ria n tu optym alizacji tra n s portu i kosztów robót ziemnych. Obecnie prowadzone są prace badawcze m ające na celu ocenę tachim etrycznych i fotogram etrycznych m odeli n u m erycznych, głównie pod kątem w idzenia uzyskiw anych dokładności obliczania objętości m as ziem nych. Opracowany system obliczeń i optym alizacji objętości i kosztów robót ziem nych um ożliw ił uzyskanie konkretnych efektów techniczno-ekonom icznych. Skrócono czas p rac projektow ych na skutek:

Projektowanie obiektów przemysłowych 31 zastąpienia pracy ludzkiej pracą kom putera, w ykonyw ania obliczeń projektow ych w czasie, gdy prace związane ze sporządzeniem m ap były jeszcze w toku; tylko z tego powodu przyspieszono prace projektow e o 4 miesiące. Oprócz tego zmiejszono koszt prac projektow ych oraz koszty robót ziem nych. W skom plikow anej sytuacji projektow ej, określonej w a ru n k a mi terenowym i oraz ograniczeniami typu technologicznego i projektowego, uzyskiwano dla poszczególnych w ariantów zmniejszenie kosztów robót ziem nych o 10-^20 m ilionów złotych. System ten obejm uje zakres rzeczowy projektu niwelowania terenu. B rak dostatecznych danych geologicznych, a zwłaszcza hydrogeologicznych, nie pozwolił na uwzględnienie w program ach obliczeń warunków i ograniczeń w ynikających z określonych sposobów kształtow ania nasypów, zagęszczania gruntów itp. Z uwagi na równoczesność i zależność zdarzeń zachodzących w pracowniach projektow ych i na placu budowy byłoby pożądane przeprow adzenie dalszych badań zm ierzających do objęcia system em inform atycznym nie tylko procesów projektow ych, ale rów nież prac realizacyjnych. LITERATURA [1] Deryło-Stępniak J., Kopcewicz A.: Zastosowanie numerycznego modelu terenu do obliczania objętości i kosztów robót ziemnych. Prace IGiK. [2] Pianko E.: Optymalizacja kosztów robót ziemnych na terenie projektowanego zakładu przemysłowego. Prace IGiK. Recenzował: dr hab. Wojciech Janusz Rękopis złożono w Redakcji w marcu 1973 r.

ЕЖИ ГАЗЬДЗИЦКИ ПРОБЛЕМ Ы ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕСТНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРОМ Ы Ш ЛЕННЫ Х ОБЪЕКТОВ Резюме Проводимые в настоящее время и проектируемые в Польше мероприятия по капитальному строительству связаны с необходимостью выполнения дорогостоящих и продолжительных земляных работ. Поэтому необходимо применять современные методы и технологию, позволяющие оптимизовать стоимость этих работ, а также сокращать сроки проектных работ. Институт геодезии и картографии при сотрудничестве с Проектным бюро металлургической промышленности BIPROHUT разработал систему вычислений и оптимизации объёма и стоимости земляных работ, использующую цифровую модель местности. Эта система была практически применена при проектировании металлургического завода КАТОВИЦЕ. JERZY GAŻDZICKI JAN ŚLIWKA THE PROBLEMS OF NUMERICAL MODELLING OF THE TERRAIN FOR THE PURPOSES OF INDUSTRIAL PLANTS DESIGN Summary Investments being now under way in Poland, or planned in future, require expensive and time-consuming earthworks. Therefore, it seems indispensable to apply modern methods, making it possible to optimize the costs of earthworks and shorten the tim e of designing. In cooperation with the Designing Office of the Metallurgical Industry, BIPRO HUT the Institute of Geodesy and Cartography has prepared a system of calculation and optimization of the volume and cost of earthworks using digital terrain model. This system has found practical application in the design of the KATOWICE steelworks.