nsojoutСтроительство: наука и образованиеConstruction: Science and Education2305-5502ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/2305-5502.2023.4.2nsojout-133Research ArticleСтроительные конструкции. Основания и фундаменты. Технология и организация строительства. Проектирование зданий и сооружений. Инженерные изыскания и обследование зданийBuilding structures. Soils and foundations. Technology and organization of construction. Designing of buildings and constructions. Engineering survey and inspection of buildingsОптимизация конструктивных расчетов свайного поля на основе данных статического зондированияOptimization of pile field structural calculations based on CPT datahttps://orcid.org/0000-0003-0857-8301НедвигаП. Н.NedvigaP. N.

Павел Никитич Недвига — ассистент высшей школы промышленно-гражданского и дорожного строительства

194064, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

ResearcherID: HCH-2842-2022

Pavel N. Nedviga — assistant of higher school of industrial, civil and road construction

29 Polytechnicheskaya st., Saint Petersburg, 194064

ResearcherID: HCH-2842-2022

pavel.nedviga@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4271-7408КукинаА. А.KukinaA. A.

Анна Алексеевна Кукина — старший преподаватель высшей школы промышленно-гражданского и дорожного строительства

194064, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

РИНЦ ID: 1069471, Scopus: 57224191176, ResearcherID: AAB-9076-2021

Anna A. Kukina — senior lecturer of higher school of industrial, civil and road construction

29 Polytechnicheskaya st., Saint Petersburg, 194064

ID RSCI: 1069471, Scopus: 57224191176, ResearcherID: AAB-9076-2021

kukina_aa@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7831-7548ТачковМ. А.TachkovM. A.

Максим Александрович Тачков — студент высшей школы промышленно-гражданского и дорожного строительства

194064, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29

Maksim A. Tachkov — student of higher school of industrial, civil and road construction

29 Polytechnicheskaya st., Saint Petersburg, 194064

politeh_maks21992199@mail.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)РоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU)Russian Federation2023291220231341948Copyright © Недвига П.Н., Кукина А.А., Тачков М.А., 20232023Недвига П.Н., Кукина А.А., Тачков М.А.Nedviga P.N., Kukina A.A., Tachkov M.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nso-journal.ru/jour/article/view/133Введение

Введение. Существующая практика подбора свайного фундамента представляет собой трудоемкий, несвязный и не стандартизированный процесс. Целью исследования является разработка методики оптимизации конструктивных расчетов на примере свайного поля на основе данных статического зондирования. Для этого необходимо: подготовить алгоритм по обработке данных из инженерно-геологических изысканий; разработать строго детерминированный процесс обоснования лучшего варианта в зависимости от стоимости свайного фундамента; получить наглядное представление данных для возможности проверки выбранного решения.

Материалы и методы

Материалы и методы. С целью оптимизации конструктивных расчетов свайного поля применяется генетический алгоритм, который реализован при помощи плагина Galapagos на основе языка визуального программирования Grasshopper. Для подготовки исходной информации инженерно-геологических изысканий используется язык программирования Python.

Результаты

Результаты. Разработаны увязанные друг с другом алгоритмы обработки данных статического зондирования и предварительной оценки оптимальной конфигурации свайного фундамента на основе его суммарной стоимости по несущей способности грунта основания свай.

Выводы

Выводы. Разработанные алгоритмы могут использоваться для предварительного расчета и быстрой оценки вариантов свайного фундамента. Необходимые исходные сведения могут генерироваться из расчетных программ. В качестве альтернативы можно проводить подбор и оптимизацию непосредственно в коде Python, применяя Grasshopper и Rhino только для извлечения усилий и последующей визуализации результатов. Направления для дальнейших исследований и разработок: учет слоистогозалегания инженерно-геологических элементов (ИГЭ); оценка несущей способности каждого ростверка независимо и согласно залегающим ИГЭ под ним; группировка свай по положению в свайном поле и нагрузкам; учет нелинейности поведения грунтового массива.

Introduction

Introduction. The current practice of pile foundation selection is a time-consuming, incoherent and non-standardized process. The aim of the study is to develop a methodology for optimizing structural calculations on the example of a pile field, based on cone penetration test data. For this purpose it is necessary: to prepare an algorithm for processing data from engineering-geological surveys; to develop a strictly deterministic process of justification of the best option depending on the cost of the pile foundation; to obtain a visual representation of the data for the possibility of verification of the selected solution.

Materials and methods

Materials and methods. A genetic algorithm is used to optimize structural calculations of the pile field, which is implemented using the Galapagos plug-in based on the Grasshopper visual programming language. Python programming language is used to prepare initial data of geotechnical engineering surveys.

Results

Results. Linked algorithms for cone penetration test data processing and preliminary estimation of the optimal pile foundation configuration based on its total cost, on the bearing capacity of the pile foundation soil were developed.

Conclusions

Conclusions. The developed algorithms can be used for preliminary calculation and rapid evaluation of pile foundation options. The required input data can be generated from calculation programmes. Alternatively, selection and optimization can be performed directly in Python code, using Grasshopper and Rhino only for force extraction and subsequent visualization of the results. Areas for further research and development include: consideration of layered geotechnical elements; estimation of the bearing capacity of each foundation footing independently and according to the underlying geotechnical elements; grouping of piles according to their position in the pile field and loads; consideration of the non-linear behaviour of the soil mass.

оптимизациягенетический алгоритмавтоматизация проектированияGrasshopperGalapagosвизуальное программированиесвайный фундаментоптимизация свайконструктивный расчетoptimizationgenetic algorithmdesign automationGrasshopperGalapagosvisual programmingpile foundationpile optimizationstructural designReferencesВикторова О.Л., Фатеев Д.А. Обоснование принятого варианта конструктивного решения фундаментов // Моделирование и механика конструкций. 2021. № 13. С. 184–193. EDN NHOLMJ.Viktorova O.L., Fateev D.A. Justification of the adopted version of the structural solution of the foundations. Modeling and Mechanics of Constructions. 2021; 13:184-193. EDN NHOLMJ. (rus.).Соколов Н.С. Выбор типа буровых свай по технико-экономическим параметрам // Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции : мат. IV Междунар. (X Всерос.) конф. 2018. С. 430–438. EDN MBODWE.Sokolov N.S. Choice of drill piles type by technical and economic parameters. New in architecture, design of construction structures and reconstructions : materials of the IV International (X All-Russian) Conference. 2018; 430-438. EDN MBODWE. (rus.).Мельников В.А., Алексеев Н.С., Ионов К.И. Сравнительный анализ методик расчета осадки свайных фундаментов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 9–1 (53). С. 37–45. EDN ULQMFZ.Melnikov V.A., Alekseev N.S., Ionov K.I. A comparative analysis of methodologies for calculating precipitation pile foundations. Modern Scientific Researches and Innovations. 2015; 9-1(53):37-45. EDN ULQMFZ. (rus.).Стольникова К.А., Петроченко М.В. Зависимость сметной стоимости работ по устройству свайного фундамента от уровня детализации (LOD) BIM-модели // Неделя науки ИСИ : мат. Всерос. конф. в 3-х частях. 2021. С. 64–67. EDN AUVMEV.Stolnikova K.A., Petrochenko M.V. Dependence of the estimated cost of pile foundation works on the level of detail (LOD) of the BIM model. Civil Engineering Department Science Week : proceedings of the All-Russian Conference in 3 parts. 2021; 64-67. EDN AUVMEV. (rus.).Георгиев Н.Г., Шумилов К.А. Применение визуального программирования при моделировании строительных конструкций // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 34. С. 1418–1422. EDN AAXTTM.Georgiev N.G., Shumilov K.A. The use of visual programming in the modeling of building structures. Innovation. Science. Education. 2021; 34:1418-1422. EDN AAXTTM. (rus.).Banihashemi S., Tabadkani A., Hosseini M.R. Integration of parametric design into modular coordination: A construction waste reduction workflow // Automation in Construction. 2018. Vol. 88. Pp. 1–12. DOI: 10.1016/j.autcon.2017.12.026Banihashemi S., Tabadkani A., Hosseini M.R. Integration of parametric design into modular coordination: A construction waste reduction workflow. Automation in Construction. 2018; 88:1-12. DOI: 10.1016/j.autcon.2017.12.026Girardet A., Boton C. A parametric BIM approach to foster bridge project design and analysis // Automation in Construction. 2021. Vol. 126. P. 103679. DOI: 10.1016/j.autcon.2021.103679Girardet A., Boton C. A parametric BIM approach to foster bridge project design and analysis. Automation in Construction. 2021; 126:103679. DOI: 10.1016/j.autcon.2021.103679Nadyrshine N., Nadyrshine L., Khafizov R., Ibragimova N., Mkhitarian K. Parametric methods for constructing the Islamic ornament // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 274. P. 09009. DOI: 10.1051/e3sconf/202127409009Nadyrshine N., Nadyrshine L., Khafizov R., Ibragimova N., Mkhitarian K. Parametric methods for constructing the Islamic ornament. E3S Web of Conferences. 2021; 274:09009. DOI: 10.1051/e3sconf/202127409009Freitas J., Cronemberger J., Soares R.M., Amorim C.N.D. Modeling and assessing BIPV envelopes using parametric Rhinoceros plugins Grasshopper and Ladybug // Renewable Energy. 2020. Vol. 160. Pp. 1468–1479. DOI: 10.1016/j.renene.2020.05.137Freitas J., Cronemberger J., Soares R.M., Amorim C.N.D. Modeling and assessing BIPV envelopes using parametric Rhinoceros plugins Grasshopper and Ladybug. Renewable Energy. 2020; 160:1468-1479. DOI: 10.1016/j.renene.2020.05.137Preisinger C. Linking structure and parametric geometry // Architectural Design. 2013. Vol. 83. Issue 2. Pp. 110–113. DOI: 10.1002/ad.1564Preisinger C. Linking structure and parametric geometry. Architectural Design. 2013; 83(2):110-113. DOI: 10.1002/ad.1564He L., Li Q., Gilbert M., Shepherd P., Rankine C., Pritchard T. et al. Optimization-driven conceptual design of truss structures in a parametric modelling environment // Structures. 2022. Vol. 37. Pp. 469–482. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.12.048He L., Li Q., Gilbert M., Shepherd P., Rankine C., Pritchard T. et al. Optimization-driven conceptual design of truss structures in a parametric modelling environment. Structures. 2022; 37:469-482. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.12.048Lartigue B., Lasternas B., Loftness V. Multi-objective optimization of building envelope for energy consumption and daylight // Indoor and Built Environment. 2014. Vol. 23. Issue 1. Pp. 70–80. DOI: 10.1177/1420326X13480224Lartigue B., Lasternas B., Loftness V. Multi-objective optimization of building envelope for energy consumption and daylight. Indoor and Built Environment. 2014; 23(1):70-80. DOI: 10.1177/1420326X13480224Li J., Zhao H. Multi-objective optimization and performance assessments of an integrated energy system based on fuel, wind and solar energies // Entropy. 2021. Vol. 23. Issue 4. P. 431. DOI: 10.3390/e23040431Li J., Zhao H. Multi-objective optimization and performance assessments of an integrated energy system based on fuel, wind and solar energies. Entropy. 2021; 23(4):431. DOI: 10.3390/e23040431Wortmann T., Natanian J. Multi-objective optimization for zero-energy urban design in China: A benchmark // Proceedings of the SimAUD. 2020. Pp. 203–210.Wortmann T., Natanian J. Multi-objective optimization for zero-energy urban design in China: A benchmark. Proceedings of the SimAUD. 2020; 203-210.Benjaoran V., Peansupap V. Grid-based construction site layout planning with particle swarm optimisation and travel path distance // Construction Management and Economics. 2020. Vol. 38. Issue 8. Pp. 673–688. DOI: 10.1080/01446193.2019.1600708Benjaoran V., Peansupap V. Grid-based construction site layout planning with particle swarm optimisation and travel path distance. Construction Management and Economics. 2020; 38(8):673-688. DOI: 10.1080/01446193.2019.1600708Turrin M., von Buelow P., Stouffs R. Design explorations of performance driven geometry in architectural design using parametric modeling and genetic algorithms // Advanced Engineering Informatics. 2011. Vol. 25. Issue 4. Pp. 656–675. DOI: 10.1016/j.aei.2011.07.009Turrin M., von Buelow P., Stouffs R. Design explorations of performance driven geometry in architectural design using parametric modeling and genetic algorithms. Advanced Engineering Informatics. 2011; 25(4):656-675. DOI: 10.1016/j.aei.2011.07.009Yang D., Sun Y., Turrin M., Von B.P., Paul J. Multi-objective and multidisciplinary design optimization of large sports building envelopes: a case study // Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium. 2015.Yang D., Sun Y., Turrin M., Von B.P., Paul J. Multi-objective and multidisciplinary design optimization of large sports building envelopes: a case study. Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium. 2015.Rutten D. Galapagos: On the Logic and Limitations of Generic Solvers // Archit Design. 2013. Vol. 83. Pp. 132-135. DOI: 10.1002/ad.1568Rutten D. Galapagos: On the Logic and Limitations of Generic Solvers. Archit Design. 2013; 83; 132-135. DOI: 10.1002/ad.1568Петраш А.В., Петраш Р.В. Выбор типа свайных фундаментов при условии наиболее полного использования их несущей способности по материалу // Будущее науки — 2013 : мат. Междунар. молодежной науч. конф. 2013. С. 170–173. EDN TMFFTT.Petrash A.V., Petrash R.V. The choice of the type of pile foundations, subject to the most complete use of their bearing capacity by material. The Future of Science — 2013 : Proceedings of the International Youth Scientific Conference. 2013; 170-173. EDN TMFFTT. (rus.).Oh Y.P., Mohamad Ismail M.A. Pile length optimization by using shaft friction and end bearing curves developed from instrumented pile load test // Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. 2023. Vol. 129. P. 103278. DOI: 10.1016/j.pce.2022.103278Oh Y.P., Mohamad Ismail M.A. Pile length optimization by using shaft friction and end bearing curves developed from instrumented pile load test. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. 2023; 129:103278. DOI: 10.1016/j.pce.2022.103278

The authors declare that there are no conflicts of interest present.