Význam 3D BIM modelu geotechnické konstrukce a podloží

1. Úvod

Úlohy spadající pod geotechniku mají velmi často 2D charakter. Typickým příkladem může být protipovodňová hráz podél řek či dlouhá opěrná zeď. Návrh i provedení obou těchto geotechnických konstrukcí vychází z charakteristických hodnot geotechnických parametrů zeminy s nímž jsou tyto konstrukce v interakci. Problém je, že na poměrně dlouhém úseku se může vyskytovat místo, kde geotechnické parametry jsou nižší než předpokládané, využité při návrhu a v tomto lokálním místě může dojít k porušení. V případě protipovodňové hráze tak např. úsek dlouhý 10 m, který se poruší, prakticky znehodnotí význam celé protipovodňové hráze, která může být i 10 km dlouhá. Z různých typů opěrných zdí má nejmenší tuhost ve třetím rozměru gabiónová stěna, především v porovnání s klasickou betonovou. Proto snáze může dojít k lokální poruše na nejslabším místě.

Při 3D zobrazení podloží, minimálně ve formě geologického a geotechnického modelu podloží, je snazší vytipovat tato potenciálně nebezpečná místa a tak předejít ztrátě funkčnosti. Pro zemní konstrukce dopravních staveb jde také o liniovou stavbu, ale třetí rozměr má ještě větší význam než pro protipovodňovou hráz, neb šířka (třetí rozměr) při vyšších násypech, resp. hlubších zářezech, má větší význam, i když v realitě porucha si zachovává lokální charakter – typickým příkladem je sesuv na D8. Prakticky shodné platí i pro liniové podzemní konstrukce – tunely.

Z hlediska vlastní geotechnické konstrukce, je zajímavý přechod pro sypané přehrady, pro jaký poměr délky hráze a její výšky je již vhodnější využívat 3D výpočetní model. Důvodem je věrohodnější ocenění potenciálního nebezpečí tvorby tahových trhlin v těsnění těchto přehrad.

Pro základové konstrukce, při dnešním významnějším využití podzemních prostor (pro podzemní podlaží) je řešení základové konstrukce v 3D téměř nutností.

Současné požadavky na digitalizaci stavebnictví, např. ve formě využití BIM modelů (Building Information Modelling), tak vychází vstříc těmto současným požadavkům na geotechnické konstrukce kladeným. Základním požadavkem je, aby celá stavba, to znamená nejen horní stavba ale i podloží a základové konstrukce, zprostředkovávající vzájemnou interakci, byly součástí jednoho společného 3D modelu. Vzájemným propojením tak do popředí vystupuje možnost porovnání kvality (vypovídací hodnoty) modelu podloží (ať již geologického či geotechnického) s náročností vlastní horní konstrukce (která však opět může být geotechnická, jak již zmíněné zemní konstrukce či podzemní konstrukce (tunely, štoly apod.). Současně se tak vychází vstříc požadavkům ČSN EN 1997 Navrhování geotechnických konstrukcí, která též specifikuje požadavky na modely podloží, získané v rámci geotechnického průzkumu.

2. BIM

Jedna z nejvíce používaných definicí procesu BIM je dle Amerického národního výboru pro BIM standard, která říká, že BIM je digitální popis fyzických a provozních charakteristik zařízení/příslušenství – facility. BIM je sdílený zdroj znalostí, informací o tomto zařízení, vytvářející spolehlivý základ pro rozhodování během jeho životního cyklu, definovaného od prvé koncepce až po demolici, [1]. Důraz je kladem na dva základní faktory:

• Jde o spolehlivý základ pro rozhodování;
• Jde o celou životnost stavby – od vlastní koncepce až po závěrečnou demolici.

V dalším hlavní pozornost bude zaměřena na první faktor, který v principu vede k bezpečnému, ale současně efektivnímu návrhu stavby, když do rozhodovacího procesu mohou vstupovat jeho základní účastníci, od investora, po realizátora geotechnického průzkumu, projektanta, dodavatele, až i po schvalovací orgán, který se k výstavbě vyjadřuje. Druhý faktor je však neméně důležitý, neb především umožňuje časovou souslednost, návaznost jednotlivých kroků, zajišťující jejich postupný vývoj a upřesňování. Nesmí se však ani zapomenout na implementaci principů udržitelné výstavby, které se v současně době silně prosazují, [2], [3]. Zjednodušeně řečeno, inženýrské řešení je podmínka nutná, ale nepostačující, je třeba jí doplnit o další dimenze, v prvé řadě ekologické a sociologické. Tím se především myslí potřebnost implementace prvků udržitelné výstavby do vlastního návrhu včetně finanční efektivity. A to nejen do fáze výstavby, ale až i do fáze demolice (tedy pro celou životnost stavby), když se do celkových nákladů projeví i jejich úspory energie (plus CO₂ stopy), půdy/pozemků a přírodních materiálů (nahrazením nestandardními materiál).

Otázka spolehlivých základů pro rozhodování a pro vzájemnou spolupráci hlavních aktérů začíná již od samého prvopočátku. Na jedné straně je zde představa investora o objektu a prvotní informace o podloží, na kterém tento objekt má být situován. Dnes již i investor různých supermarketů, velkoskladů pochopil, že jeden standardní, unifikovaný projekt takovéto stavby nemůže umisťovat na jakémkoliv místě, alespoň bez minimální znalosti o charakteru podloží. Stejně tak nelze modelovat ve 3D horní stavbu bez vztahu k podloží, resp. jeho náhrady různými pružinami, neboť je to v rozporu se základními principy navrhování stavebních konstrukcí, vyjádřených nyní jednoznačně v soustavě Eurokódů pro navrhování stavebních konstrukcí. To nakonec ukazuje i doporučený název Eurokódu 0: Eurocode – Basis of structural and geotechnical design, definující zásady pro navrhování všech stavebních konstrukcí, včetně geotechnických – draft prEN1990, September 2020, [4], který nahradí EN 1990:2002.

Proto význam propojených 3D modelů podloží/základové půdy/horninového prostředí a horní konstrukce (ať již jde o budovu, či inženýrskou stavbu, a to včetně geotechnické konstrukce), je ve středu současné pozornosti.

3. Časová souslednost modelů

Současně platná verze Eurokódu 7 – ČSN EN 1997 v části 1997-2 [5], v příloze B1 uvádí následující schéma pro etapy průzkumu základové půdy v geotechnickém návrhu, provádění prací a využití konstrukce (viz Obr. 1).

Z tohoto schématu je zřejmé, že v rámci geotechnického průzkumu jsou významné dvě základní části:

• Zajištění geologického modelu (podloží, zemníku), jehož hlavním úkolem je rozdělit podloží na odlišné litologické vrstvy s přibližně shodnými vlastnostmi, včetně různých diskontinuit, a to včetně informace o hladině podzemní vody.
• Zajištění provedení terénních či laboratorních zkoušek z oblasti mechaniky zemin a hornin pro jednotlivé litologické vrstvy.

Výsledkem je zpráva o provedeném geotechnickém průzkumu (zpráva o průzkumu základové půdy).

Pozn. Návrh EN 1997 druhé generace, využívá nejen termínu geologický model, ale pro tento geologický model doplněný o výsledky provedených terénních a laboratorních zkoušek využívá jednoduchý termín Ground model. Přestože anglické slovo ground má v češtině mnoho možných významů, pravděpodobně lze očekávat, že bude překládán pro základové konstrukce opět jako model základové půdy. I když pro podzemní konstrukce (tunely, metro) a zemní konstrukce (dopravních, vodních a environmentálních) asi bude vhodnější překlad: model horninového prostředí/podloží, stejně tak model zemníku.

V rámci návrhu geotechnické konstrukce do popředí vystupují dva modely:

• Geotechnický model – vypracovaný projektantem geotechnické konstrukce po zhodnocení geotechnických parametrů a součinitelů.
• Výpočetní model, když do popředí vystupují výpočetní model analytický a výpočetní model numerický.

Obr. 1: Schéma pro etapy geotechnického průzkumu horninového prostředí/základové půdy v geotechnickém návrhu, provádění prací a využití konstrukce

Po zpracování projektu geotechnické konstrukce následuje výběr dodavatele a vlastní realizace prací.

Pozn. EN 1997 druhé generace první model blíže specifikuje jako: geotechnický výpočetní model (geotechnical design model) – který pro každou litologickou vrstvu uvádí reprezentativní/charakteristickou hodnotu geotechnických parametrů, které jsou následně využity ve výpočetním modelu.

Z pohledu časové souslednosti do popředí vystupuje geotechnický průzkum (geotechnical/ground investigation), resp. jeho rozfázování. Nejčastěji, a také v EN 1997 druhé generace, se pro významné stavby s vysokým rizikem, rozlišuje:

• Desk study – studie od stolu – rešerše všech dostupných dosavadních informací z pohledu požadavku geologického a geotechnického modelu – tato fáze je spojena s investičním záměrem. V principu vychází ze všech dostupných mapových podkladů – od geologických, inženýrsko-geologických, hydrogeologických až po mapové podklady charakteru geo-environmentálního. S dalším využitím databáze dosud provedených průzkumných bodů v zájmovém území. Pro významné stavby veřejného charakteru, tyto podklady jsou využitelné pro hodnocení různých variant umístění, s následným využitím pro proces EIA. Proto je důležité a ze strany ČGtS ČSSI podporované, aby dosud získané podklady byly využitelné v takové formě, která by umožnila jejich rychlé umístění do 3D modelu podloží – pro jeho první ocenění.
• Preliminary GI – předběžný geotechnický průzkum /ground investigation – již využívá průzkumných metod i když jen v omezené míře, které slouží především pro potvrzení očekávání získaného v rámci desk study. Jde o verifikace rozhraní litologických vrstev a pomocí výsledků zkoušek (mohou postačit zkoušky popisné a indexové) i jejich quasi homogenitu. Výstup slouží pro předběžný návrh geotechnické konstrukce, pro dokumentaci pro územní rozhodnutí.
• Design (detailed) GI – podrobný průzkum, průzkum pro návrh geotechnické konstrukce – tvoří nejdůležitější fázi, neboť výsledky a závěry jsou přímo využitelné při návrhu geotechnické konstrukce – pro fázi dokumentace pro stavební povolení.
• Supplementary GI – doplňkový průzkum přichází v úvahu, pokud v průběhu realizace jsou zjištěny větší odchylky od očekávaných, které mohou ovlivnit jak vlastní technologii provádění, tak i opravný výpočet z pohledu mezních stavů.
• Confirmatory GI – konfirmační/dotvrzující průzkum – průzkum skutečného stavu – je významný pro porovnání, jak dostatečně/věrohodně byl průzkum zajištěn v prvních 3 fázích a nakolik projektant použil ve výpočetním modelu hodnoty velmi blízké realitě, nebo naopak příliš konzervativní, resp. příliš optimistické. Tato fáze je typická pro tunely, pro základové jámy či pro zářezy zemních konstrukcí dopravních staveb, kdy lze vizuálně ověřit skutečný stav s možností konfirmace doplňujícími zkouškami. Pro podloží násypů zemních konstrukcí tato možnost neexistuje.

Je přirozené, že pro stavby nenáročné, s nízkým rizikem se rozfázování GI redukuje, ve výjimečných případech až na jednostupňový průzkum, avšak vždy by měla předcházet fáze „desk study“, průzkum za využití dosud existujících podkladů a uvažovaný jeden stupeň průzkumu by zjištěné předpoklady měl doplnit, upřesnit, potvrdit.

4. Vzájemné ovlivňování modelů konstrukce a podloží z časového hlediska

Význam prvého kroku, vyhodnocení všech dostupných informací, byl již zmíněn, když např. pro infrastrukturní stavby má vliv na výběr variant, i na posouzení vlivu na životní prostředí – EIA. Avšak již v této fázi je možné uplatnit princip udržitelné výstavby. V tomto směru lze zmínit dvě otázky, první je spojena s doporučením, zda pro návrh sklonů násypů a zářezů bude aplikován princip vyztužování (pro strmější sklony) či nikoliv. Do popředí vystupuje otázka potřebného záboru a vykoupení půdy, resp. otázka kubatury vytěžené a zpětně uložené zeminy. Druhá otázka je spojená s možností využití velkoobjemových odpadů, jako např. stavební a demoliční odpad, vytěžená zemina, hornina při realizaci podzemních konstrukcí, podzemních garáží apod., resp. různé odpady vznikající při těžbě surovin a jejich využití. Tím může být významně ovlivněna otázka vyrovnanosti kubatur mezi zářezy a násypy při současné možnosti snížení spotřeby přírodních materiálů.

Druhý krok – předběžný GI se v prvé řadě více zaměřuje na oblasti, o kterých z prvého kroku není tolik předchozích informací. Průzkumné body by v prvé řadě měly podat dostatečné informace pro ocenění jednotlivých litologických vrstev, když lze použít i termínu dnes u nás využívaného-geotechnický typ. Jde nejen o rozhraní ale i o základní vlastnosti, minimálně popisného a indexového charakteru, když někdy pro bližší vyčlenění jednotlivých litologických vrstev lze využít množiny výsledků těchto základních vlastností. To se přirozeně týká i informací o filtračních vlastnostech a o hladině podzemní vody, resp. tlaku vody v pórech. Přičemž s ohledem na rozmístění průzkumných bodů a jejich hloubku je možné využívat doporučení v ČSN EN 1997-2 příloha B.3. V této fázi však jen na podkladě zkušeností, když například pro založení mostních pilířů ještě nebylo rozhodnuto, zda budou založeny plošně či na pilotách. Předběžný GI by však měl podat dostatek podkladů pro rozhodnutí projektanta o způsobu založení a s využitím různých tabulkových hodnot mechanicko-fyzikálních geotechnických parametrů odvozených na základě výsledků laboratorních a terénních zkoušek, pro prvotní návrh dle mezních stavů, např. [5]. Jelikož průzkumné terénní metody mají v tomto směru určité výhody, je tendence k jejich upřednostnění, když jejich výběr pro různé fáze průzkumu specifikuje Příloha B.2 v ČSN EN 1997-2. Obdobných tabulkových hodnot mechanicko-fyzikálních lze využít pro předběžný návrh sklonů svahů zářezů a násypů, když pro násypy jsou využity informace získané z míst, z nichž tento materiál bude využit, ze zemníku, u zemních konstrukcí dopravních stav ze zářezů. Při aplikaci alternativních materiálů za využití též dosavadních zkušeností. Předběžný návrh geotechnických konstrukcí je potřebný pro následné plánování další etapy GI.

Třetí krok – podrobný průzkum, průzkum pro návrh geotechnické konstrukce – je rozhodující. Doplňující průzkumné body již využívají předběžný návrh geotechnické konstrukce, a tak se mohou plně řídit doporučeními ČSN EN 1997 s ohledem na rozmístění a hloubku. Současně však při plánování této fáze je třeba rozdělit jednotlivé úseky dopravní stavby dle rizika, třídy následků, a to na různé geotechnické kategorie. Toto rozdělení na geotechnické kategorie tak specifikuje požadovaný rozsah a zaměření terénních a laboratorních zkoušek. Pro úseky spadající do 1. Geotechnické kategorie lze návrh realizovat s využitím dosavadních zkušeností a tak postačí popisné a indexové vlastnosti v dostatečném počtu pro jednotlivou litologickou vrstvu, jednoduše řečeno, postačí pro laboratorní zkoušky vzorky odebrané v rámci kategorie vzorkování třídy A a třídy kvality vzorků 2, v souladu s ČSN EN 1977-2. Lze přirozeně využít i mechanicko-fyzikální vlastnosti získané pro sousední úseky dopravní stavby, spadající do vyšší geotechnické kategorie pro stejnou litologickou vrstvu. Pro úseky spadající do 3. Geotechnické kategorie je třeba GI plánovat tak, aby pro každou litologickou vrstvu byl schopen zajistit dostatečný počet vzorků pro statistické vyhodnocení jejich mechanicko-fyzikálních vlastností. Přičemž za minimum pro statistické vyhodnocení se běžně uvádí počet 5 vzorků. Projektant následně rozhoduje o reprezentativní hodnotě/charakteristické hodnotě, kterou individuální litologické vrstvě přidělí a která je tak součástí „geotechnical design model“ – geotechnického modelu podloží pro navrhování geotechnické konstrukce.

Čtvrtý krok má funkci upřesňující, často splývající i s posledním krokem, a může významně ovlivnit výslednou cenu stavby vynucenou změnou návrhu či technologie realizace.

Poslední pátý krok zaznamenává poslední zjištění o vlastnostech základové půdy/podloží a jeho 3D model spolu s 3D modelem skutečného provedení geotechnické konstrukce či celé stavby je posledním výstupem BIM modelu a slouží pro následné rozhodování v čase po celou životnost této stavby. Pro dopravní stavby jde o rozhodování při budoucí interakci s další stavbou či při rozhodování při nehodách, katastrofách, např. při rychlém rozhodování o volbě sanační metody při havárii prostředků převážejících nebezpečné látky.

5. Závěr

Propojení 3D modelů podloží a geotechnické konstrukce, ať již základové, zemní či podzemní, je dnes označováno jako společný BIM model a je jedním z výstupů digitalizace ve stavebnictví. Slouží pro komunikaci partnerů při postupném upřesňování jednotlivých fází spojených s průzkumem a návrhem geotechnické konstrukce. Eliminuje tak možné chyby, nepřesnosti, pomáhá urychlovat proces výstavby a též vymezovat zodpovědnost jednotlivých partnerů.

Pozornost problematice je věnována i proto, neb Vládní usnesení č. 82 „Koncept zavádění metody BIM v ČR“, [6] specifikuje, že všechny nadlimitní zakázky financované z veřejných rozpočtů musí být zadávány v režimu BIM již od roku 2022. Smyslem je potřeba poukázat na význam propojení 3D modelu podloží s geotechnickou konstrukcí, s důrazem na dopravní stavby.

Konkrétně bylo ukázáno rozfázování, postupné upřesňování BIM modelu podle jednotlivých fází geotechnického průzkumu ve vazbě na jednotlivé fáze navrhování geotechnických konstrukcí dopravních staveb, především pro zemní konstrukce (násyp, zářez) a základů mostních objektů. A to při respektování principů navrhování geotechnických konstrukcí dle ČSN EN 1997, ať již z ohledu rizika, geotechnických kategorií, tak z hlediska požadavků na třídu vzorkování či třídy kvality vzorků.

6. Literatura

1. VANÍČEK, I., PRUŠKA, J., JIRÁSKO, D. BIM Model – Aplikace v geotechnice. In: Sborník 47. konference Zakládání staveb Brno 2019, s. 91–98
2. VANÍČEK, I. Sustainable Construction. Czech Technical University Press, Praha, 2011.
3. VANÍČEK, I., JIRÁSKO, D., VANÍČEK, M. Modern Earth Structures for Transport Engineering. Engineering and Sustainability Aspects. CRC Press, Taylor and Francis Group, London, 2020, 171 p.
4. ČSN EN 1997, EUROCODE 7 Navrhování geotechnických konstrukcí, 1997-1, 1997-2, 2006, 2008.
5. EUROCODE 0 Basis of structural and geotechnical design, – draft prEN1990, September 2020.
6. BOND, A, Eurocode 7: Half-Term Report. (Invited Lecture), 41^st Conf. Foundation Engineering. Brno, 11^th November 2013.
7. VLÁDNÍ USNESENÍ Č. 82 Koncept zavádění metody BIM v ČR. 25. září, 2017.

Poděkování

Autoři ve svém příspěvku využili vlastní verzi článku uveřejněného ve sborníku z konference Zakládání staveb Brno 2020, za což organizátorovi konference vyjadřují poděkování.