Nowy most w Sanoku – wykorzystanie środowiska VR/MR do oceny projektowanych wariantów

Nowy most połączy dwie części miasta (ryc. 1), a tym samym dwa najważniejsze w mieście obiekty turystyczne, które w sezonie przyciągają tłumy gości. Chodzi o położone w centrum Muzeum Historyczne, czyli Zamek Królewski z cenną kolekcją średniowiecznych ikon i galerią Zdzisława Beksińskiego, oraz znajdujący się na prawym brzegu sanocki skansen, czyli Muzeum Budownictwa Ludowego. Ale nowy most to nie tylko udogodnienia dla turystów i mieszkańców. To przede wszystkim bezpieczeństwo i szansa na dalszy rozwój miasta i regionu.

Uwarunkowania wynikające ze stosunków wodnych

Budowa mostu nad trudnymi rzekami, do których należy San na swoim górskim odcinku, zawsze jest poważnym przedsięwzięciem inwestycyjnym. Znalezione w archiwach miejskich zapisy potwierdzają, że o tej inwestycji radni miejscy dyskutowali jeszcze w 1932 r. Zresztą historia przepraw w tym rejonie już kilka razy pokazała, jak nieprzewidywalną i niebezpieczną rzeką może być San w tym miejscu. Tym bardziej że wymagania dotyczące ochrony powodziowej i zapewnienia wymaganych przepływów w ostatnich latach znowu wzrosły, co może wynikać również ze zmian klimatu. Choć zbudowane w połowie XX w. dwa stopnie zapory wodnej na Sanie w Myczkowcach i w Solinie wydatnie zmniejszyły ryzyko powodziowe, to trzeba pamiętać, że zgodnie z pierwotnymi planami, jakie opracowano na Politechnice Lwowskiej jeszcze przed II wojną światową, projektowane były trzy, a nie dwie zapory. Ta trzecia miała powstać już poniżej Sanoka we wsi Niewistka. Niestety w dalszym ciągu należy ona do tzw. inwestycji przyszłościowych w gospodarce wodnej. Tymczasem poziom wody w Sanie po ulewnych deszczach może się różnić nawet o kilka metrów, stanowiąc wciąż zagrożenie dla mieszkańców i oczywiście dla wszystkich starszych mostów, które mają za małe światło.

Sanoczanie przekonali się o tym nawet kilkakrotnie. Ogromnej powodzi z 1908 r. zapewne nikt już dziś nie pamięta. Spiętrzona wówczas u podnóża Zamku Królewskiego kra mierzyła ponad 3 m. Za to wciąż żywe są wspomnienia dotyczące mostu Białogórskiego (ryc. 2 i 3) z czasów powodzi w 1980 r. Wówczas całkowicie zniszczony został tymczasowy most drewniany, który trzy lata wcześniej zbudowało wojsko. Rok później żołnierze odbudowali go, dając mu nieco większe światło. Zimą 1985 r. musieli jednak znowu wrócić, aby rozbijać olbrzymie zatory lodowe, które groziły kolejną katastrofą. A w 1989 r. San pokazał, że i to światło może być dla niego za małe. Woda sięgała spodu konstrukcji, ale ostatecznie most udało się jakoś obronić. Niestety tylko na cztery lata, bo z powodu zużycia i zbyt małej nośności trzeba go było zamknąć i zlikwidować. Posłużył on jedynie jako obiekt technologiczny przy budowie nowej, do dziś użytkowanej konstrukcji.

Jednak sprawa stałego mostu miejskiego w Sanoku dalej nie ma swojego końca. Na początku lat 90. XX w. zabrakło funduszy i wykonano tylko stałe podpory, na których ułożono tymczasową konstrukcję z wojskowego mostu składanego typu DMS-65 (por. ryc. 2). Jest to tym samym najdłużej użytkowany w kraju most tymczasowy. Już ponad 30 lat lokalna administracja boryka się z rosnącymi kosztami utrzymania i remontów tego obiektu. Most ma ograniczoną skrajnię, prędkość i prowadzi ruch wahadłowy. Nie zapewnia właściwej przepustowości zarówno w odniesieniu do pojazdów, jak i licznych pieszych. Dla rowerzystów jest niebezpieczny ze względu na dylatacje między panelami pomostu. Do tego jest źródłem uciążliwego hałasu, gdyż panele są ruchome i każdy przejazd samochodu generuje głośne i nieprzyjemne dźwięki.

Pełnego bezpieczeństwa w razie groźnej powodzi nie zapewnia mieszkańcom też most Olchowiecki (ryc. 3, por. ryc. 1). Jest on administrowany przez rzeszowski Oddział GDDKiA, bo obecnie przebiega po nim droga krajowa nr 28. Jest to konstrukcja belkowo-płytowa ze sprężonych prefabrykatów betonowych, która powstała prawie pół wieku temu. Przy obecnych uwarunkowaniach bezpieczeństwa powodziowego i wymaganiach w zakresie nośności most w takiej formie nie mógłby już dziś powstać. Od tego czasu zmieniły się już dwukrotnie normatywy i poziom obciążeń. Mamy też większą wiedzę i doświadczenie związane z zagrożeniem powodziami. Wymagania w tym zakresie wzrosły, tak więc światło tego mostu jest już dzisiaj niewystarczające. Poza tym zmieniły się potrzeby funkcjonalne. Rozwój miasta sprawił, że most ten ostatecznie zaczął pełnić funkcję miejską, a nie tranzytową, a nie jest do tego przygotowany. Choćby przez brak ścieżek rowerowych i niskie walory estetyczne.

Wyzwania inwestycyjne dla lokalnych społeczności

Te wszystkie uwarunkowania sprawiają, że budowa nowego mostu w takim miejscu bywa ogromnym wyzwaniem dla lokalnej społeczności. Koszty budowy przeprawy znacznie przekraczają roczny budżet przeznaczany na inwestycje w miastach wielkości Sanoka. Dlatego nie jest przesadą stwierdzenie, że możliwość budowy takiego mostu zdarza się w takich małych miastach raz na sto lub więcej lat. Zresztą potwierdza to burzliwa historia przepraw w tym rejonie. Trudno się więc dziwić, że władze miasta zdecydowały się wziąć udział w rządowym programie Mosty dla Regionów. Dzięki temu mieszkańcy otrzymali niepowtarzalną szansę na budowę pierwszego własnego stałego i nowoczesnego mostu miejskiego. Udało się w ten sposób pozyskać wsparcie w łącznej kwocie ponad 100 mln zł, co jest największym dofinansowaniem na jedną inwestycję w całej historii miasta.

Wniosek do rządowego programu Mosty dla Regionów gmina złożyła w 2018 r. Został on dobrze oceniony i udało się uzyskać początkowe wsparcie na opracowanie dokumentacji projektowej. Zgodnie z założeniami tego programu most powinien być zaprojektowany na najwyższą klasę obciążenia taborem samochodowym z uwzględnieniem pojazdów specjalnych NATO, a droga na moście i dojazdach powinna mieć minimalną klasę G.

W wyniku przetargu prace projektowe zlecone zostały firmie Sweco Polska. Na etapie koncepcji zaproponowano trzy wstępne warianty. Wszystkie spełniały podstawowe założenia narzucone przez program Mosty dla Regionów oraz administrację wodną. Przekraczały one koryto rzeki tylko jednym przęsłem o długości ok. 130 m bez żadnych podpór nurtowych. Kompletując i uszczegóławiając liczne i złożone uwarunkowania związane z przeszkodą (warunki geotechniczne, wodne, środowiskowe, społeczne), przystąpiono do wyznaczenia potrzebnego światła mostu, co okazało się kluczowe na kolejnych etapach projektowania.

Planowany most znajduje się na obszarze szczególnego zagrożenia powodzią, na którym prawdopodobieństwo jej wystąpienia jest średnie i wynosi 1%. Ze względu na klasę drogi G przyjęto, że prawdopodobieństwo przewyższenia przepływów będzie na poziomie 0,5%. Przeprowadzone na podstawie tych warunków obliczenia hydrologiczne i hydrauliczne wykazały, że wstępnie zaproponowane warianty mają zbyt małe światło i powodują piętrzenie nieakceptowalne przez administratora cieku. Wprowadzono więc modyfikacje polegające na zwiększeniu światła przez wydłużenie całego mostu w sposób pozwalający przejść również nad terenem zalewowym, co oczywiście wymusiło dodatkowe przęsła dojazdowe. W efekcie całkowita długość konstrukcji mostu w dwóch możliwych wariantach (pokazanych na ryc. 4) sięgnęła aż 260 m, a więc dwa razy więcej niż we wstępnych założeniach. Pierwszy wariant z dźwigarem łukowym wydłużony został o trzy uciąglone przęsła dojazdowe nad terenem zalewowym. Natomiast drugi otrzymał dwa symetryczne przęsła po 130 m, które zostały podwieszone do jednego pionowego pylonu.

Wybór wariantu z użyciem narzędzi VR/MR

Mając te dwa warianty, przystąpiono do wyboru ostatecznego rozwiązania. Oprócz licznych aktywności w postaci analiz, konsultacji i spotkań zdecydowano się, aby dodatkowo zastosować narzędzia pozwalające na wizualizację zaproponowanych przez projektanta wariantów w środowisku wirtualnej (virtual reality – VR) i mieszanej rzeczywistości (mixed reality – MR). Celem tych działań było ułatwienie podjęcia świadomej decyzji przez zamawiającego i wskazanie projektantowi preferowanego rozwiązania. Tego typu nowoczesne technologie pozwalają na operowanie w kontinuum świata rzeczywistego i wirtualnego. Była to jedna z pierwszych prób zastosowania takich technik wspomagających podejmowanie decyzji w procesie inwestycyjnym w naszym kraju. W tym eksperymencie wykorzystano trzy urządzenia:

• gogle Oculus Quest-2 wraz z manipulatorami, które operują w przestrzeni VR (dalej OVR),
• kask Trimble XR10 z goglami Microsoft HoloLens-2, operujące w przestrzeni MR (dalej THL),
• antena GNSS Trimble Site Vision ze smartfonem, które operują w przestrzeni MR (dalej TSV).

Narzędzia te pokazane zostały na rycinie 5. Umożliwiają one wyświetlanie przygotowanych wcześniej trójwymiarowych modeli projektowanego mostu zapisanych w formacie natywnym Autodesk Revit (RVT) lub w formacie otwartym typu OpenBIM (IFC). W tym przypadku wykorzystywano jednak głównie formaty otwarte.

Na początek zorganizowano pokaz z wykorzystaniem techniki wirtualnej rzeczywistości (VR). Użyto do tego gogli OVR wraz z manipulatorami. Najpierw przeprowadzono próbę z udziałem projektantów (ryc. 6). Utworzone modele proponowanych wariantów zostały przetworzone przez zespół autorów i przygotowane do wyświetlenia w środowisku VR. Kolejna demonstracja odbyła się już z udziałem zamawiającego. W tym przypadku użyto jeszcze jednego zestawu gogli i manipulatorów, co pozwoliło na interakcję dwóch osób przebywających jednocześnie w przestrzeni VR. Mogli oni obejrzeć projektowane warianty wraz z detalami, zmieniając punkty obserwacji i perspektywę patrzenia. Zastosowana aplikacja zapewniała manipulowanie modelem i sprawne poruszanie się względem niego, co pokazano na wybranych przykładach na rycinie 6. Udostępnione narzędzia pozwalały na wykonywanie wirtualnych pomiarów i zaznaczanie charakterystycznych detali lub elementów, które budziły jakieś wątpliwości. Sceny z takimi oznaczeniami można było sfotografować i skierować do dalszej dyskusji. Mogli w niej wziąć udział inni współpracownicy, którzy akurat nie byli gotowi do zanurzenia się w wirtualnej rzeczywistości.

Na rycinie 7 zaprezentowano oba proponowane warianty w różnych widokach, które uzyskano, poruszając się podczas demonstracji w wirtualnej przestrzeni. Należy zwrócić uwagę na przytłaczające użytkowników mostu elementy konstrukcji wariantu łukowego. Łukowe dźwigary wyraźnie wystają ponad poziom pomostu i w rejonie wezgłowi osiągają największe gabaryty, nawet do kilku metrów. W przypadku tego wariantu widać też bezużyteczną powierzchnię pomostu pomiędzy chodnikiem i jezdnią, która została wyłączona przez płaszczyznę siatkowego układu wieszaków.

Demonstracje wariantów w mieszanej rzeczywistości rozpoczęły się od wytypowania lokalizacji punktów obserwacyjnych w terenie. Wstępnie zaproponowano cztery miejsca. Są one pokazane na rycinie 8.

Szczegóły terenowe i kierunki patrzenia w rejonie przyjętych punktów obserwacyjnych przedstawiono na rycinie 9.

Po lewej stronie Sanu były to dwa punkty oznaczone numerami 1 i 2.

Nr 1. Przy ul. Królowej Bony, czyli w bezpośrednim sąsiedztwie planowanego ronda i wjazdu na most oraz położonego obok centrum handlowego. Jest to miejsce o dużej intensywności ruchu drogowego i pieszego, które po zbudowaniu mostu i skrzyżowania będzie jeszcze bardziej wykorzystywane.

Nr 2. Na wieży zamku, gdzie znajduje się często odwiedzany przez turystów punkt widokowy. Wieża położona jest w odległości 400 m od przeprawy i jednocześnie ponad 30 m powyżej terenu prawego brzegu rzeki, gdzie będzie stał pylon mostu podwieszonego.

Kolejne dwa punkty oznaczone numerami 3 i 4 zaproponowano po prawej stronie Sanu.

Nr 3. Przy ul. Rybickiego na skrzyżowaniu ze ścieżką rowerową. Punkt znajduje się w odległości ok. 50 m od planowanego pylonu mostu podwieszonego albo też przyczółka mostu łukowego.

Nr 4. Na skale Białej Góry, gdzie znajduje się charakterystyczny punkt widokowy do podziwiania doliny Sanu. To miejsce położone jest w odległości prawie 1000 m od planowanej przeprawy.

Największe znaczenie dla całego przedsięwzięcia miały punkty nr 1 i 2 (por. ryc. 9). Są one najłatwiej dostępne oraz najbardziej uczęszczane (okolice centrum handlowego) lub odwiedzane (renesansowy zamek z widokiem na dolinę Sanu). Dlatego też do eksperymentów prowadzonych w tych punktach zaproszono przedstawicieli projektanta i zamawiającego.

W najbliżej położonym do przeprawy punkcie nr 1 przy ul. Królowej Bony wykonano próby z dwoma urządzeniami. Najpierw były to gogle THL. Obsługa tego urządzenia w terenie odbywa się z wykorzystaniem gestów i wyświetlanego wirtualnie menu. Pokazuje się ono automatycznie po rozpoznaniu gestu w postaci podniesionego do góry nadgarstka (ryc. 10). Po wczytaniu modelu z platformy Trimble Connect rozpoczął się proces jego lokalizacji i kalibracji. Wykorzystano do tego marker z przygotowanym wcześniej kodem QR. Model tego markera został najpierw umieszczony w wirtualnej przestrzeni modelu mostu, a jego prawdziwy obraz został położony w rzeczywistym terenie w miejscu o tych samych koordynatach co w modelu. Użytkownicy nieposiadający własnego kasku z goglami mieli możliwość podglądu obrazu, jaki był widziany za pośrednictwem założonych na głowie gogli. Wykorzystany został do tego tablet, który łączył się z THL protokołem http przez lokalną sieć Wi-Fi. Otoczenie było rejestrowane przez zabudowane w goglach kamery. Widoczny na ekranie tabletu obraz zawierał już syntezę rzeczywistego otoczenia i wirtualnego modelu. Było to dokładnie to samo, co widział właściciel gogli, ale już bez trójwymiarowej głębi i możliwości interakcji.

Na rycinie 11 pokazano wirtualne menu aplikacji Trimble Connect oraz główne menu gogli MS HoloLens. Widać sposób nawigacji, jaki stosowany jest w mieszanej rzeczywistości, przez rozpoznawanie ruchów i gestów wykonywanych rękami przez użytkownika. Ostatecznie udało się wyświetlić widok modelu w naturalnym otoczeniu, ale niestety nie był on kompletny. Braki te wynikały z dużych gabarytów modelu mostu i dużej liczby szczegółów do wyświetlenia. Widać, że model przęsła mostu jest położony wysoko ponad terenem w sposób, w jaki będzie ostatecznie zbudowany. Zbliżanie się użytkownika do modelu umożliwiło wyświetlenie innych jego detali. Można więc przypuszczać, że wykorzystywane urządzenie THL niezbyt dobrze sprawdza się w przypadku pracy w otwartym terenie i przy dużych obiektach linowych. Taki otwarty teren, bez żadnych charakterystycznych obiektów z płaskimi powierzchniami, nie pozwala na pełną wizualizację dużego modelu i jego precyzyjne wyświetlanie. Z pewnością THL lepiej nadaje się do operowania w zamkniętych pomieszczeniach obiektów kubaturowych, jakimi są np. budynki.

W tym samym punkcie terenu zastosowano również urządzenie TSV ze smartfonem. Służył on nie tylko jako interfejs do obsługi dedykowanych aplikacji Trimble, ale również do wyświetlania na ekranie syntezy obrazów rzeczywistego i wirtualnego (ryc. 12 i 13).

Otaczający teren był rejestrowany przez wbudowaną kamerę smartfonu, a na tym obrazie umieszczano wirtualne obiekty modelu mostu. Urządzenie to lepiej sprawdziło się w pracy na otwartej przestrzeni i z dużymi obiektami. Bez problemu udało się wyświetlić cały model ze wszystkimi detalami, a obraz był stabilny (por. ryc. 12). Nie przeszkadzało w tym nawet poruszanie się użytkownika z anteną. Model był bez żadnych przerw aktualizowany w czasie rzeczywistym.

Próba wizualizacji drogi dojazdowej do mostu i tarczy ronda ogólnie orientowała, jak docelowo teren będzie wyglądał w miejscu planowanej przeprawy. Uczestnicy pokazu mogli zobaczyć, że płaszczyzna drogi znajdowała się powyżej wysokości ich wzroku. Rondo zostanie bowiem wyniesione prawie 2 m ponad istniejący teren. Niestety wykorzystywane modele nie posiadały wystarczająco dokładnie odwzorowanych nasypów i dróg, które planował projektant.

W bezpośrednim sąsiedztwie przeprawy (punkt nr 1 przy ul. Królowej Bony) udało się podejść bardzo blisko do projektowanej podłużnej osi mostu. Przyjęte podczas kalibracji koordynaty i parametry okazały się niewystarczająco precyzyjne. W konsekwencji model skalował się sam podczas zbliżania się do niego z anteną. Natomiast z większej odległości (punkt nr 2 na wieży zamku) model miał już proporcje bliższe projektowanym, ale jego lokalizacja wciąż była w niewłaściwym miejscu. Przesunięcie to wynosiło kilkadziesiąt metrów, co widać na rycinie 13. Wpływ na to mogły mieć korekty do pomiarów satelitarnych GNSS. Ze względu na ograniczenia systemowe nie było możliwości ich zastosowania podczas eksperymentów.

Przeprowadzone próby i demonstracje z użyciem technik i urządzeń operujących w wirtualnej i mieszanej rzeczywistości były dodatkowym wsparciem dla zamawiającego w procesie wyboru ostatecznego wariantu mostu. Wizualizacja modeli projektowanego mostu w wirtualnej przestrzeni pozwoliła na łatwiejsze prowadzenie rozmów o zaletach i wadach obu planowanych rozwiązań. Potwierdziły się wątpliwości dotyczące wariantu łukowego, które podniesiono już podczas wcześniejszych dyskusji. Uczestnicy mogli dzięki temu łatwiej sobie wyobrazić duże gabaryty wezgłowia dźwigarów łukowych oraz utratę powierzchni użytkowej pomostu w rejonie mocowania wieszaków.

Próby terenowe z użyciem mieszanej rzeczywistości okazały się trudniejsze w realizacji. Udało się wyświetlić modele w naturalnym otoczeniu i zwizualizować wygląd wysokiego pylonu na prawym brzegu rzeki, a także wyniesienie przęsła mostu ponad aktualny poziom terenu. Wystarczyło to do wizualizacji i do uświadomienia przedstawicielom zamawiającego, jak będzie wyglądać otoczenie po zbudowaniu mostu. Nie było to jednak zrobione z wystarczającą precyzją.

Wariant przyjęty do dalszych prac projektowych

Przeprowadzone analizy i porównania oraz dodatkowe eksperymenty z urządzeniami VR/MR wskazały na ostateczny wybór wariantu podwieszonego (ryc. 14). Jest on bardziej korzystny pod wieloma potwierdzonymi względami, do których zaliczyć trzeba niższe koszty budowy i utrzymania, lepszy wynik wielokryterialnej analizy porównawczej, lepsze warunki funkcjonalne w odniesieniu do zabudowy pomostu, lepszą subiektywną ocenę w zakresie estetyki, którą wykonano dodatkowo technikami VR/MR.

W tym rozwiązaniu pomost o całkowitej szerokości 17,90 m stanowi stalowy ruszt zespolony z żelbetową płytą pomostową. Stalowe elementy tego rusztu zaprojektowano w postaci podłużnic i poprzecznic o przekrojach skrzynkowych (ryc. 15). Ruszt podwieszony jest do pylonów stalowymi linami. Na dole są one mocowane do wystających wspornikowo poprzecznic, a u góry kotwione są w ramionach pylonu. Pylon zaplanowano w formie dwóch zakrzywionych betonowych słupów, które połączone są ze sobą krępym skratowaniem. Jest ono niesymetryczne i wymusza różną wysokość słupów pylonu. Podparcie mostu stanowią dwa skrajne przyczółki i blok fundamentowy pylonu. Przyczółki wykształcono w postaci masywnych żelbetowych korpusów ze skrzydłami lub ścianami oporowymi, na których za pośrednictwem łożysk oparte jest przęsło.

Podsumowanie

Program Mosty dla Regionów dał lokalnym społecznościom mniejszych miast niepowtarzalną szansę rozwiązania swoich problemów komunikacyjnych z dodatkową możliwością zapewnienia bezpieczeństwa w sytuacjach kryzysowych, które mogą być spowodowane również powodzią. Budowa strategicznych mostów, stanowiących element infrastruktury krytycznej, należy do przedsięwzięć bardzo trudnych technicznie i niezwykle kosztownych. W przypadku małych miejscowości właściwie jest to niemożliwe bez zewnętrznego wsparcia finansowego. Koszty budowy takiej przeprawy przekraczają bowiem roczne budżety inwestycyjne tych podmiotów. 

Projektowanie mostów na górskich odcinkach takich rzek, jak San w rejonie Sanoka, należy do trudnych wyzwań. Uwarunkowania wodne i ryzyko zbyt dużego piętrzenia wody zmuszają do rezygnacji z podpór nurtowych i do stosowania długich przęseł przekraczających całe koryto rzeki. W ten sposób opracowane wstępne warianty okazały się mieć niewystarczające światło mostu, co zmusiło projektantów do wydłużenia całej przeprawy niemal dwukrotnie. Analiza porównawcza dwóch kluczowych wariantów, które spełniały już trudne warunki wodne, wykazała, że korzystniejszym rozwiązaniem będzie dwuprzęsłowy most podwieszony z symetrycznymi przęsłami po 130 m każdy. Przy wyborze ostatecznego wariantu mostu zastosowano również wsparcie w postaci technologii VR/MR. Projektanci mieli więc możliwość przedstawienia swoich koncepcji w postaci wizualizacji modelu w wirtualnej i mieszanej rzeczywistości, a zamawiający otrzymał dodatkowe możliwości oceny proponowanych wariantów. Przedsięwzięcie to miało charakter eksperymentalny, którego w branży infrastruktury w Polsce dotychczas nikt nie próbował.

Literatura

[1] Salamak M.: Wisząca kładka z pomostem wstęgowym przez San w Sanoku. „Mosty” 2008, nr 2, s. 10–18.
[2] Salamak M., Fawad M., Olejarczyk M.: Proces projektowania koncepcyjnego mostu miejskiego na Sanie w Sanoku. „Mosty” 2022, nr 3, s. 24–29.