Основы информационных технологий и автоматизированного проектирования в строительстве: Конспект лекций

Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Г. Ф. ПЕНЬКОВСКИЙ

ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Конспект лекций

Санкт-Петербург 2008 1

УДК 681.518

Оглавление Рецензенты: зам. главного инженера ЛенНИИпроекта Т. Л. Соколова; ген. директор группы строительных компаний ООО «Маяк» – ООО «ЛенСпецСтрой», зам. директора по научной работе ИПУР Северо-Западного региона, д-р техн. наук, проф. Д. О. Астафьев

Пеньковский Г. Ф. Основы информационных технологий и автоматизированного проектирования в строительстве: конспект лекций / СПбГАСУ. – СПб., 2008. – 150 с. ISBN 978-5-9227-0124-2 Конспект лекций состоит из двух частей и написан в соответствии с рабочими программами дисциплин «Информационные технологии проектирования» и «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства». Предназначен для студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство». Табл. 13. Ил. 79. Библиогр.: 42 назв. Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.

ISBN 978-5-9227-0124-2

Г. Ф. Пеньковский, 2008 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2008

2

Введение .................................................................................................................5 I. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ .........6 1. Основные положения теории информации...........................................6 1.1. Понятие об информации, информационных технологиях и информационном обществе. ....................................................................6 1.2. Свойства информации ...........................................................................8 1.3. Виды работы с информацией ..............................................................9 1.4. Оценка количества и качества информации в технике связи ........10 1.5. Информация в проектировании и управлении строительством ...12 2. Информационные системы и комплексы ............................................16 2.1. Информационное обслуживание общества ....................................16 2.2. Информационные системы общего назначения .............................20 2.3. Специальные информационные системы в строительстве (САПР и АСУ) .............................................................................................24 2.4. Комплекс технических средств САПР для работы с информацией...25 2.5. Информационное обеспечение САПР, базы данных .....................27 3. Информационные технологии проектирования зданий и сооружений ..................................................................................................30 3.1. Системный подход в науке и его применение8 в строительстве............................................................................................30 3.2. Системный анализ, его этапы ...........................................................44 3.3. Методы принятия решений в проектировании ...............................51 3.4. Искусственный интеллект, экспертные системы ............................55 4. Информационные модели объектов строительства .........................59 4.1. Понятия модели и моделирования ....................................................59 4.2. Классификация моделей и требования к ним....................................61 4.3. Физическое моделирование. Теории подобия и размерностей .....64 4.4. Математическое моделирование систем ..........................................67 4.5. Реологические модели в строительстве ............................................70 Рекомендуемая литература к разделу I .......................................................77 II. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА .........................................................................................78 1. Общие положения проектирования объектов строительства .............78 1.1. Инвестиционный проект в строительстве, его этапы ....................78 1.2. Порядок разработки и состав проектной документации ...............79 3

1.3. Проектные организации, развитие компьютерной технологии проектирования ...........................................................................................81 1.4. Проектные функции ............................................................................83 1.5. Выбор подрядной проектной организации .....................................84 2. Системы автоматизации проектных работ (САПР) .........................87 2.1. Понятие САПР, принципы построения ...........................................87 2.2. Структура САПР, обеспечивающие и проектирующие подсистемы...................................................................................................88 2.3. Программные средства для автоматизированного проектирования...........................................................................................89 3. Технология автоматизированного проектирования .........................90 3.1. Задание на проектирование объектов ..............................................91 3.2. Распределение проектных работ .......................................................92 3.3. Изыскательские работы .....................................................................93 3.4. Организационно-технологическая подготовка проектирования, планирование проектных работ ................................................................94 3.5. Правила принятия проектных решений ...........................................97 3.6. Технологические линии проектирования, особенности выполнения проектных работ .................................................................101 3.7. Оценка эффективности, трудоемкости и качества автоматизированного проектирования ..................................................105 4. Примеры обоснования проектных решений ...................................109 4.1. Проектирование топологии объектов ............................................109 4.2. Проектирование строительных конструкций ...............................119 4.3. Проектирование организации строительства ...............................140 Рекомендуемая литература к разделу II............................................................148

4

ВВЕДЕНИЕ Повышение роли информации и возможностей ее переработки с помощью вычислительной техники во второй половине XX века ставит перед человеком проблемы оценки эффективности использования информации, ее количества и качества в интеллектуальной деятельности человека. Невозможно напрямую связать материальные результаты труда с затратами умственных усилий. Пока не придумали единиц измерения этого труда. Мы довольствуемся экспертными оценками типа «человек стоит столько, сколько зарабатывает». Трудно оценить работу врача, артиста, художника, журналиста и многих других работников, занятых в информационных технологиях, в которых работа с информацией определяет успех дела в области создания духовных и материальных ценностей. При подготовке специалистов в учебных заведениях количество предоставляемой им информации отражается составом изучаемых дисциплин, а качество информации – в оценках за обучение. В работе специалистов понятия количества и качества информации четко не разделяются, работа оценивается интегральным показателем качества этой работы. В этих условиях все более актуальной становится необходимость разобраться в таких понятиях, как количество и качество информации, эффективность информационных технологий, соотношение целесообразных затрат интеллектуального труда и полученных в результате ценностей. С развитием научно-технического прогресса повышается роль информационных технологий во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в строительстве, при разработке проектной документации, при управлении строительным производством. Хорошо продуманные и успешно реализованные проектные решения дают возможность создавать надежные, безопасные и эффективно функционирующие сооружения. Данная работа подготовлена автором для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство» с учетом опыта преподавания дисциплин «Информационные технологии проектирования», «Основы автоматизированного проектирования» и «Системный анализ и моделирование систем в строительстве». 5

Рис. 1. Разновидности информации

Информация для широкой общественности не требует ее специальной подготовки. Источниками информации являются газеты, радио, телевидение, т. е. средства массовой информации. Информация для узких специалистов может быть понятна только людям, имеющим профессиональную подготовку в определенной отрасли науки и техники. Она может быть секретной, предназначенной для определенного и ограниченного круга лиц. Зашифрованная информация может содержаться в дошедших до нас пока не расшифрованных образцах письменности. Это может быть информация о природных явлениях, зафиксированная в строении земли, в строении живой клетки, еще не познанная человеком. Информационные технологии представляют собой технологические процессы сбора, обработки и передачи данных для получения новой информации, используемой в материальном производстве. Информация в таких технологиях является исходным сырьем, а также конечной продукцией производства. Развитие научно-технического прогресса приводит к интенсивному росту объема информации. Ее объем удваивается каждые десять лет. Изобретение и совершенствование вычислительной техники, позволяющей хранить и быстро обрабатывать огромные массивы информации, способствовало повышению эффективности и развитию информационных технологий, повышению их роли во всех отраслях народного хозяйства. Человеческое общество интенсивно развивается от индустриального с его научно-техническим прогрессом к постиндустриальному с развитием сферы обслуживания и далее, к информационному обществу. Такое общество характеризуется тем, что в нем главным продуктом производства являются знания, информация, информационные услуги. И все отрасли, связанные с их производством, растут более быстрыми темпами, доминируют в экономическом развитии стран [4]. Информация становится ресурсом страны, который не истощается со временем, как другие материальные ресурсы, а наоборот, возрастает и становится показателем уровня страны. Наша страна пока находится на уровне постиндустриального общества, но опыт передовых стран показывает, что мы неизбежно придем к информационному обществу. Доля населения, занятого в информационных технологиях во всем мире, имеет тенденцию к росту и уже сейчас составляет более 50 % [14].

6

7

I. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ 1. Основные положения теории информации 1.1. Понятие об информации, информационных технологиях и информационном обществе Понятие об информации у человека появилось с изобретением письменности и означает сведения об окружающем мире, зафиксированные на каком-либо носителе. Некоторые авторы [10] полагают, что информация является первичным понятием так же, как материя или энергия и в строгом смысле не имеет определения, хотя и обладает определенными свойствами. Другие авторы [1] понимают под информацией различные сообщения, зафиксированные искусственно созданными знаками, доступные восприятию и пониманию аудиторией, на которую они рассчитаны. Между тем заметим, что природой задолго до человека были созданы совершенные механизмы получения, хранения и переработки информации (недоступные пока для человека несмотря на все его успехи в создании современной вычислительной техники). Достаточно указать на механизмы в животном и растительном мире, существующие на внутриклеточном генетическом уровне. Поэтому информацию следует понимать в самом широком смысле слова как любые сведения об объектах и процессах в окружающем мире, отраженные и зафиксированные каким-либо способом и необязательно понятные человеку. По степени доступности для человека информацию можно разделить на три разновидности (рис. 1). Информация

Для широкой общественности

Для узких специалистов

Зашифрованная, т. е. не доступная

1.2. Свойства информации Разновидности информации, связанные с определением и степенью доступности, уже рассмотрены ранее. Здесь укажем на те свойства информации, которые имеют большое значение для применения в информационных технологиях. Основные из них следующие. 1. Нематериальность информации. Однако при различном ее использовании она может оказывать большое влияние на эффективность материальных процессов и, более того, сама может обмениваться на материальные ценности. 2. Субъективность информации. Ее значение зависит от субъекта, обладающего информацией, от его профессиональной готовности к работе с информацией. Субъективность информации всегда относительна и при переработке может становиться объективной в различной степени. 3. Различная ценность информации, зависящая от ее полезности для решения конкретных задач. При этом возможно старение информации или изменение актуальности ее использования. 4. Независимость содержания информации от способов ее получения, представления и передачи, которые могут вносить искажения в информацию, отражаться на ее достоверности и полноте. 5. Условность разделения понятий количества и качества в оценке информации. Полная, подробная, достоверная и представительная по количеству сообщений информация получает более высокую оценку качества, чем информация отрывочная и не полная. 6. Неподчинение информации законам математической логики (законам аддитивности, коммуникативности, ассоциативности). Содержание и смысл информации зависят от полноты и последовательности отдельных сообщений, от их взаимной зависимости и влияния на цели работы с информацией. Комплекс сообщений обладает свойством целого быть больше простой суммы составляющих. Заметим, что свойства информации являются свойствами абстрактных систем, создаваемых человеком в теории системного анализа для обоснования принимаемых решений [8]. Основные принципы системного подхода – принципы цели, целостности и сложности, справедливы и для информационных систем. Например, для книги, являющейся источником информации для читателя, принцип цели реализуется общей направленностью ее содержания, отраженной в названии книги. Цель книги как системообразую8

щего фактора – определить состав глав и разделов как элементов системы. Принцип целостности проявляется в выделении книги из общего массива книг и во взаимодействии всех глав между собой в сознании читателя, что и обеспечивает формирование нового качества – общего впечатления от прочитанной книги, которого нет у отдельных глав как элементов системы. Наконец, принцип сложности проявляется в иерархическом построении структуры книги. Иерархия элементов книги следующая: символ (буква, знак), слово, предложение, абзац, глава, книга. 1.3. Виды работы с информацией Создание теории информации исторически связано с потребностями в решении проблем передачи информации по различным каналам связи. Этим проблемам посвящены работы Н. Винера, А. Н. Колмогорова, К. Шеннона [3, 8, 15]. Простейшая схема передачи информации по каналам связи показана на рис. 2. Сообщение

Сигнал

Кодирующее устройство

Источник информации

Передатчик

Сообщение Адресат

Линия связи Сигнал

Декодирующее устройство

Помехи Приемник

Рис. 2. Схема передачи информации

Источник информации передает ее адресату в виде сообщений, которые кодируются специальными устройствами для компактной передачи сигналами по линиям связи. После приема сигналов, их декодирования и устранения помех сигналы преобразуются в сообщение для адресата. В общем случае работа с информацией представляет собой следующие разновидности. 1. Получение информации. Этот процесс является следствием наблюдения за окружающими предметами, явлениями природы, исследований их взаимосвязей. Информация может быть получена из системы хранения или по каналам связи от другого источника информации. 9

2. Передача информации. Как видно из схемы передачи информации (см. рис. 2), процедура передачи включает в себя кодирование и раскодирование сигналов, передачу и прием сигналов, передачу сигналов по каналам связи – электрическим, электромагнитным, световым, механическим, звуковым, с помощью провода, световода или без их использования. 3. Переработка информации. В информационных технологиях переработка информации осуществляется получателем информации (адресатом) в соответствии с задачами этих технологий, с применением или без применения средств автоматизации. В современных технологиях для этой цели используется вычислительная техника четвертого и пятого поколений с большой памятью и скоростью проведения операций. 4. Использование информации. Конечной целью всех видов работ с информацией является ее использование в конкретных производственных или политических процессах – начиная от создания этих процессов (проектирования), их организации и управления процессами до получения нужного результата. 5. Хранение информации. Как важный ресурс информационного общества информация требует бережного отношения к своей сохранности и готовности к использованию. Фиксируется и хранится информация на различных носителях, которые могут быть: а) бумажными – печатные издания, рукописные работы; б) пленочными – кинофильмы, диапозитивы; в) пластмассовыми – диски, пластины; г) магнитными – диски, ленты; д) оптическими – лазерные компакт-диски; е) биологическими – в растительном и животном мире. 1.4. Оценка количества и качества информации в технике связи В статистической теории информации К. Шеннона, используемой в технике связи, количество информации оценивается степенью снижения неопределенности состояния некоторой системы после поступления в нее соответствующего количества информации. Неопределенность состояния системы характеризуется заимствованным из молекулярной физики понятием – энтропией [3, 13]. Количество информации определяется по формуле J E( D)

Э( D)  Э(E) , 10

(1)

где Э( D) – исходная энтропия системы; Э(E) – энтропия системы после получения сообщения E . Для системы, имеющей N возможных состояний, энтропия определяется по формуле Э( D)

N

 ¦ Pi log Pi ,

(2)

1

i

где Pi – вероятность того, что система находится в i-м состоянии; N – полная группа состояний для системы. В формулах (1) и (2) единицы измерения количества информации и энтропии зависят от основания логарифма. При основании логарифма «2» это биты, при основании «e» – наты, при основании «10» – диты. Формулу Шеннона для энтропии (2) можно записать в таком виде: Э ( D)

N

1

¦ Pi log Pi .

i

(3)

1

Здесь первый множитель Pi характеризует вероятность состояния системы i и ее возможное изменение после получения информации E . Второй множитель log1/Pi отражает вероятностную значимость состояния системы. Чем меньше становится вероятность состояния системы Pi после получения сообщения E , тем больше значение этого сообщения. Сложность использования формулы Шеннона для оценки количества и качества информации состоит в трудности получения вероятностных параметров формулы. В качестве примеров расчета некоторые авторы используют результаты подбрасывания монет, игральных костей или определения количества голубоглазых девушек среди блондинок, что мало подходит для сбора статистики в теории информации. Структура формул (1) и (2) не претендует на описание всех свойств информации, описаных ранее. Сам Шеннон [13] говорит об интуитивном происхождении логарифмической записи для числа сообщений. При этом единицы измерения количества информации и энтропии оказались зависимыми от математической формы записи. Невозможно дать физическое толкование этим единицам, как это можно сделать для всех других единиц измерения. Такая запись удобнее в математических преобразованиях, но может быть и другой. Надо отметить, что аналогия между свойствами информации и поведением молекул в молекулярной физике принята без специального обоснования и лишь весьма приближенно от11

ражает вероятностную сторону свойств информации в оценке ее количества. Что же касается такого свойства информации, как ее ценность, полезность для решения конкретных проблем, то в настоящее время не существует таких математических теорий, где это свойство учитывалось бы [3]. В рассмотренной ранее схеме передачи информации (см. рис. 2) речь идет о передаче сигналов в виде сообщений с определенным количеством символов. В технике связи оценивается скорость передачи символов, плотность их передачи по каналам связи, вероятность приема правильных сигналов после устранения помех, после кодирования и декодирования сигналов. Все это очень важно для передачи информации, но лишь косвенно это говорит о количестве информации и совсем ничего о ее свойствах, о качестве информации. Поэтому формула Шеннона для количества информации в виде разности энтропий (1) имеет главным образом теоретическое значение. Практически же в технике связи оперируют не количеством информации, а количеством символов, передаваемых по каналам связи.

Э

 H lnH  (1  H) ln (1  H) ,

(4)

где H – надежность строительных конструкций. На рис. 3 показано, как меняется энтропия системы конструкций при изменении уровня их надежности от нуля до единицы. Э, нат

J(∆H)

∆H

H

1.5. Информация в проектировании и управлении строительством

Рис. 3. Зависимость энтропии от надежности конструкций

Разработка проектно-сметной документации представляет собой процесс создания информационной модели объекта строительства [11]. При проектировании происходит сбор и переработка информации, энтропия модели как мера неопределенности ее состояния уменьшается по мере накопления в модели необходимой информации и становится минимальной к моменту готовности документации. Применяя подход Шеннона, рассмотрим процесс формирования модели строительных конструкций в общем виде. Полная группа несовместных событий для конструкций может быть представлена двумя событиями: А1 – когда условия прочности и эксплуатационной пригодности удовлетворяются с вероятностью, равной величине надежности конструкций (P1 = H); А2 – когда условия не выполняются с вероятностью противоположного события (P1 = 1 – H); вероятность P2 отражает риск модели от несоблюдения условий предельного состояния строительных конструкций. Энтропия в натах для указанной группы событий А1 и А2 определяется по формуле (2)

Левая часть графика при H = 0÷0,5 характеризует неопределенность состояния системы относительно нарушения условия надежности. При H = 0, Э = 0. Это значит, что конструкция разрушается абсолютно достоверно и неопределенность системы снимается полностью. Правая часть графика при H = 0,5÷1 характеризует состояние системы, в котором условие прочности выполняется, и при H = 1 Э = 0. Это означает, что надежность конструкции обеспечена абсолютно достоверно. Здесь также неопределенность системы снимается полностью. Для снижения энтропии и повышения надежности системы на величину H (см. рис. 3) в модель системы необходимо ввести информацию в количестве J( H). На эту величину снимается неопределенность системы. Такой информацией могут быть сведения, повышающие достоверность исходных данных, сведения о дополнительных ресурсах прочности конструкций, о конкретных условиях их работы и условиях загружения. Действующими нормами предусмотрено наполнение информацией модели строительных конструкций до тех пор, пока уровень их надежности станет не ниже 0,999, и неопределенность состояния системы строительных конструкций снимается практически полностью.

12

13

Заметим, что единица поступающей информации J H), скажем нат, не имеет четкой связи с изменением уровня надежности H. Надежность конструкции меняется по-разному в зависимости от различных факторов, содержащихся в информации. Получить математическую зависимость между количеством информации и уровнем надежности представляется весьма трудной задачей, в которой потребовалось бы иметь статистические данные о влиянии различных факторов на состояние конструкций. Если учесть, что влияние многих факторов (например, удобство эксплуатации, экологичность, эргономичность, технологичность, внешний вид и др.) не поддаются формализации, то их влияние приходится учитывать экспертными методами системного анализа, широко применяемыми для обоснования принимаемых решений в проектировании и управлении строительством [7]. В такой постановке количество информации удобнее представлять в форме, приведенной в учебнике информатики Н. В. Макаровой [4] в таком виде:

J

CVD ,

(5)

где С – коэффициент содержательности информации; VD – объем данных информации. При решении проблем проектирования и управления строительством коэффициент содержательности информации С, отражая разные свойства информации, может принимать различные значения. Ценность информации определяет лицо, принимающее решение (ЛПР) на основе экспертных оценок этой информации. Таким образом, количество полезной информации тесно связанно с ее качеством и ее ценностью в каждом конкретном случае. Объем данных VD представляет собой общий объем информации, которым может располагать ЛПР в системах автоматизированного проектирования (САПР) или в системах автоматизированного управления (АСУ). Эта информация содержится в базе данных САПР или АСУ, является информационным ресурсом, из которого ЛПР извлекает полезную для конкретных задач информацию. Важным для всех видов работы с информацией является вопрос о единицах количества информации. Формула (5) дает возможность единицу хранения считать основной единицей количества информации для всех видов работы с нею. 14

Из опыта хранения информации на различных носителях можно построить следующую иерархию единиц хранения: знак, символ, бит (байт = 8 бит); страница текста в печатных изданиях; печатный, учетно-издательский лист; печатное издание (наименование работы); дискета, компакт-диск (с указанием занятой и свободной емкости в байтах); лента (с указанием длины). Если объект проектирования или управления характеризуется массивом информации из n частей, то полный объем полезной информации для модели этого объекта определяется по формуле n

J0

n

¦ Ji

i

¦ CiVDi ,

1

i

(6)

1

где Сi – безразмерные коэффициенты содержательности i-й части информации, отражающие ее свойства, ценность для проектирования объекта; VDi – объем данных информации, которую ЛПР имеет возможность извлечь с места хранения в соответствующих единицах хранения. Процесс наполнения модели объекта информацией при проектировании удобнее характеризовать не энтропией как мерой неопределенности состояния модели, а степенью готовности модели к моменту времени t J (t ) (или 100 %), (7) Jо где J(t) – объем полезной информации, отражаемой в проекте в качестве готовой части проектно-сметной документации к моменту времени t; Jо – полный объем информации в проекте. Числитель в формуле (7) показывает сколько графического материала и текста отработано из общего объема проекта. Для организации проектирования необходимо знать затраты труда по формированию модели объекта. Нормативы по затратам труда имеются во всех проектных организациях. Общие затраты труда определяются по формуле Г(t )

n

Tо

¦ Ti ,

i

1

где Ti – затраты труда для i-й части модели. 15

(8)

Формула (7) для готовности документации по трудозатратам примет

Di

вид Г(t) = То(t)/То.

(9)

Эффективность проектирования определяется отношениями для i-й части модели:

Фi

'ti . T

(11)

Например, если для дошкольников ti = 7 лет при средней продолжительности 70 лет, то доля дошкольников в общей массе населения составит Dдш

Ti ; Ji

7 70

0,10 .

(12)

На рис. 4 показана структура населения для замкнутого региона.

для модели в целом

Население региона

Фi

Tо . Jо

(10)

Формулы (9) и (10) показывают, сколько чел.-ч затрачивают проектировщики на разработку единицы готовой продукции в проекте (чертежа, страницы). Сравнение этих показателей с нормативными дает возможность судить об успешности работы сотрудников проектной организации. Сложнее обстоит дело в управлении строительством, где значительная часть информации, особенно устной, не фиксируется, теряется. Но и здесь есть возможность сравнивать фактические и нормативные показатели выполнения строительных работ, чтобы вносить необходимые коррективы.

Дошкольники 10 %

Учащиеся 20 %

Работающие 50 %

Неработающие пенсионеры и инвалиды 20 %

Трудовые ресурсы Специалисты С высшим проф. образованием 10 %

Со средним проф. образованием 10 %

С начальным проф. образованием 20 %

Без квалификации 10 %

Рис. 4. Структура населения для замкнутого региона

Потребителем информации в обществе является население, при этом его различные категории пользуются информацией различным образом. В работе [11] приведен анализ структуры населения для некоторого замкнутого региона и показано, что доля населения i-й категории определяется отношением продолжительности нахождения человека в этой категории ti к средней продолжительности жизни Т:

Человек как потребитель информации, которую он получает извне, по-разному к ней относится и по-разному оценивает ее полезность для себя в течение своей жизни. На рис. 5 показано это обстоятельство. Объем данных Vд представляет собой потенциальные возможности человека в овладении имеющейся в обществе информацией, т. е. его тезаурус [6], количество полезной информации J , которое каждый человек определяет для себя сам, выражается в значении коэффициента содержательности C . В первые годы жизни коэффициент C близок ок к единице – человеку все интересно и он всему учится. После 18–20 лет человек резко сокращает область интересующей его информации. Он узнает все больше о все меньшем. Равновесие в этом процессе наступает тогда, когда его потребности становятся равными возможностям.

16

17

2. Информационные системы и комплексы 2.1. Информационное обслуживание общества

В 30–50 лет человек – узкий специалист в избранной отрасли знаний. В пенсионном возрасте круг интересов его снова расширяется, но при этом снижаются его физиологические возможности воспринимать и использовать информацию. а)

б)

Vд U (t )

J

CV д

С

T, лет

T, лет

Рис. 5. Изменение отношения человека к информации в течение жизни

Кривая U (t ) на графике рис. 5, а отражает процесс накопления знаний T

U (t )

³ J (t ) ˜ K (t ) ˜ dt ,

(13)

0

где K(t) – коэффициент, характеризующий потерю ранее полученных знаний к моменту времени t, K (t ) d 1. За счет этого параметра кривая U (t ) опускается ниже своего максимума для возраста более 40–60 лет. Зависимости, показанные на рис. 5, имеют качественный характер, но и в таком виде они показывают насколько сложным является процесс получения и использования информации. Информационное обслуживание населения должно быть построено таким образом, чтобы общий Vд.о (предлагаемой к использованию информации) удовлетворял потребностям всех категорий населения: m

Vд.о

¦Vдi Di N ,

i

(14)

где Vд i – предлагаемый объем данных для одного человека i-й категории населения; Di – доля категории; N – общее количество людей в регионе. Категории населения и их доли в структуре населения приведены на рис. 4. Что же касается предлагаемого объема данных Vд i для человека на каждом отрезке его жизни, то здесь нужно учитывать два обстоятельства: 1) сколько собрано информации по конкретному направлению развития научно-технического прогресса; 2) каковы физиологические возможности человека по восприятию этой информации, каков его тезаурус. Эти обстоятельства приводят к необходимости решать все более острую проблему разрыва между накапливаемой информацией и ее использованием [4]. Другой проблемой является поиск разумного соотношения между свободным доступом и ограничением доступа к информации. Это становится важным в вопросах соблюдения государственной, коммерческой или личностной тайны, в решении проблем ответственности, безопасности, цензуры, этики, информационной культуры. Информационное обслуживание населения осуществляется с помощью информационных систем (ИС), предназначенных для организации хранения, пополнения, поддержки, поиска и представления пользователям информации в соответствии с их запросами [14]. Различают три группы служб информации, представляемые различными информационными системами: информационные системы общего назначения – библиотеки, книжные магазины, средства массовой информации, предприятия культуры; учебные заведения для подготовки специалистов всех отраслей народного хозяйства. В этих информационных системах работа с информацией является основным видом деятельности; специальные информационные системы, которые являются частью производственно-административных организаций (служб), для которых информация является лишь сопутствующим предметом деятельности, обеспечивающая основное производство. В строительстве такими системами являются службы автоматизированного проектирования и управления (САПР и АСУ). Далее рассмотрим функциональные схемы и структуры различных информационных систем.

1

18

19

2.2. Информационные системы общего назначения Организационная структура информационной системы (ИС) общего назначения приведена на рис. 6. Директор ИС Заместитель Основные службы

Вспомогательные службы

Комплектования

Переработки

Охраны

Отображения

Хранения

Кадров

Материальнотехнического обеспечения

Примером информационной системы общего назначения является библиотека СПбГАСУ, структура которой показана на рис. 8. Проректор по учебной работе Методическая комиссия Библиотечный совет

Заместитель

Отдел общественнополитической литературы

Отдел учебной литературы

Рис. 6. Организационная структура ИС

Основные службы ИС соответствуют всем видам работы с информацией по обслуживанию потребителей по функциональной схеме, показанной на рис. 7. Пользователь

Хранилище

Социальноэкономическая литература

Художественная литература

Правила поиска

Комплектование

Переработка

Отображение

Оценка

Документирование

Рис. 7. Функциональная схема ИС

Выдача

20

Отдел интеллектуальной собственности

Заведующий

Отдел комплектования

Выдачи

Проректор по научной работе

Библиотека

Обслуживание младших курсов Обслуживание средних курсов Обслуживание иногородних студентов

Отдел научной литературы

Обслуживание сотрудников Хранение литературы Межбиблиотечный Читальный

Рис. 8. Структура библиотеки СПбГАСУ

Для повышения эффективности работы библиотеки руководством вуза принимаются меры по оснащению библиотеки вычислительной техникой и программными средствами. Аналогичную структуру имеют информационные системы для руководителей различных предприятий [9]. Эти системы обслуживают процедуру подготовки, принятия и реализации решений (рис. 9). Потоки информации циркулируют в системе управления в виде документов, к которым предъявляются следующие требования [15]: 1) число документов должно быть оптимальным; 2) документы должны содержать лишь необходимые сведения; 21

3) в документах не должно быть дублирования; 4) документы должны быть логично построены для заполнения; 5) документы должны быть построены по утвержденному стандарту. Этап I. Выявление цели Прогноз состояния системы

Анализ состояния

Выявление проблемы Формирование целей Этап II. Выработка и принятие решения

Согласование, утверждение решения

Формирование вариантов решения Выбор вариантов

Этап III. Организация исполнения, контроль План реализации

* По учебной работе. ** По научной работе. *** По административно-хозяйственной работе.

Координация выполнения решения Учет и контроль

Рис. 9. Схема принятия и реализации решения

Успешность работы предприятия целиком и полностью определяется эффективностью использования информационных систем руководством этих предприятий. Учебные заведения для подготовки специалистов всех отраслей народного хозяйства также можно отнести к разновидности информационных систем общего назначения. В качестве примера на рис. 10 приведена структура вуза СПбГАСУ. Факультеты СПбГАСУ готовят специалистов: 1. Архитектурный – архитекторов. 2. Строительный – инженеров-строителей промышленного и гражданского строительства, реставрации и реконструкции. 22

23

Рис. 10. Структура СПбГАСУ

Постановка задачи

3. Инженерно-экологических систем – инженеров по теплогазоснабжению, водоснабжению и канализаций. 4. Автомобильно-дорожный – инженеров автомобильного транспорта, организации перевозок, строителей дорог мостов и туннелей. 5. Факультет экономики и управления – инженеров в области экономики и управления на различных предприятиях. 6. Факультет безотрывных форм обучения – инженеров по основным специальностям, указанным ранее. Срок обучения студентов от 4,5 до 6 лет. За это время студенты получают информацию в соответствии с учебными планами по своей специальности в объеме, который должен обеспечить успешную работу специалистов после окончания вуза. 2.3. Специальные информационные системы в строительстве (САПР и АСУ) Системы автоматизированного проектирования (САПР) представляют собой комплексы средств по работе с информацией, с помощью которых проектные организации создают информационные модели объектов строительства, в виде проектно-сметной документации [2,11]. Принципиальная структура САПР показана на рис. 11.

постоянный (жесткое – hardware) и переменный (мягкое – software) вид. Постоянное обеспечение включает в себя главным образом техническое оборудование, вычислительную технику со всеми средствами механизации; переменное – это программные и другие виды обеспечения, все, что оперативно можно менять и применять на этой технике в зависимости от решения конкретных задач. Проектирующие подсистемы предназначены для создания информационных моделей объекта во всех частях проектно-сметной документации, технологической, архитектурно-строительной, инженерных сетей и оборудования, организации строительства, технико-экономической. Автоматизированные системы управления (АСУ) представляют собой развитие блоков принятия и реализации решения в информационной системе для руководителей производства (см. рис. 9). Информация, поступающая из САПР для АСУ, является исходной и обеспечивает весь процесс создания объекта строительства. 2.4. Комплекс технических средств САПР для работы с информацией Комплекс технических средств (КТС) входит в состав технического обеспечения САПР и является материально-технической базой проектирования [2]. Состав КТС приведен на рис. 12.

САПР

Обеспечивающие подсистемы

КТС

Проектирующие подсистемы

Средства по работе с подсистемами

КТС приема

КТС отображения

КТС обработки

КТС передачи

КТС хранения

УВЭП АЦК Сканер УВМН УВПК

ГД АЦД ДТ ГП АЦПУ Плоттер

ЭВМ АРМ

АП Линии связи

Носители информации: бумажные, магнитные, лазерные

Информационные модели объектов

Рис. 11. Структура САПР

Средства по работе с информацией включают в себя все виды обеспечения проектного процесса – техническое, математическое, программное, методическое, лингвистическое, информационное и организационное. В литературе встречается разделение этих видов обеспечения на 24

Рис. 12. Состав КТС 25

Условные обозначения, принятые на рисунке: УВЭП – устройство ввода с электронного пульта; АЦК – алфавитно-цифровая клавиатура; сканер – устройство для бесклавишного автоматического ввода графической и текстовой информации; ГД – графический дисплей; АЦД – алфавитно-цифровой дисплей; УВМН – устройство ввода на магнитных носителях; УВПК – то же на перфокартах; ДТ – дисплейный терминал; ГП – графопостроитель; АЦПУ (принтер) – алфавитно-цифровое печатающие устройство; Плоттер – графопечатающее устройство; АРМ – автоматизированное рабочее место; АП – абонентский пункт. Основным средством обработки информации являются электронные вычислительные машины (ЭВМ). В современных САПР используются в основном ЭВМ третьего поколения с развитой системой технического обслуживания. Быстродействие таких машин 1–2 млн операций в секунду. Достижения научно-технического прогресса позволили создать ЭВМ четвертого поколения с быстродействием до 100 млн операций в секунду. В настоящее время идет разработка ЭВМ пятого поколения, которые кроме расчетов числового характера могут выполнять сложные логические заключения с быстротой до 100 млрд операций в секунду. В практике автоматизированного проектирования широкое применение получили автоматизированные рабочие места (АРМ), представляющие собой миниатюрную САПР со всеми видами обеспечения, ориентированную на одного пользователя-проектировщика. Промышленность выпускает АРМ двух типов – на базе мини-ЭВМ и на базе микроЭВМ. Используя АРМ, проектировщик имеет возможность в диалоговом режиме выполнять следующие виды работ: 1) вводить в машину цифровую и графическую информацию; 2) корректировать информацию в процессе ввода; 3) решать различного рода задачи с использованием различных программных средств; 4) получать проектно-сметную документацию (ПСД) в виде чертежей и распечаток текста;

Информационное обеспечение (ИО) – это совокупность системы построения и размещения массивов информации, ее классификации и кодирования, а также унифицированных систем документации, используемой при проектировании объектов строительства [2]. ИО САПР характеризуют следующие показатели: 1) состав информации, перечень информационных единиц, документов, сообщений, необходимых для решения проектных задач; 2) структура информации, закономерности ее расположения и преобразования в цепочке «вход–обработка–выход»; 3) характеристики движения информации, оценки потоков информации (объем, интенсивность), маршруты движения документов, схемы документооборота, регламентации по продолжительности хранения и обновления информации; 4) характеристики качества информации – полезности, значимости, полноты, своевременности, достоверности; 5) способы преобразования информации, методики расчета и способы подготовки рабочих массивов информации. Сведения об объектах и процессах фиксируются в данных информации в виде цифр и символов. Наименьшей семантически значимой единицей данных является элемент данных. Совокупность элементов данных в логической записи представляет собой файл. Набор файлов, содержащих исходную информацию для проектирования, называют базовым файлом. Файлы, содержащие промежуточные результаты, называются рабочими файлами.

26

27

5) готовить документацию на магнитных носителях для передачи заинтересованной в этом другой стороне. Автономная работа проектировщика на АРМ позволяет оперативно решать различные задачи проектирования. Сложные задачи сквозного проектирования, охватывающие все части ПСД с системной оптимизацией проектных решений, потребовали создания информационно-вычислительных сетей с общей информационной базой для нескольких АРМ и даже для нескольких организаций. Создание таких сетей позволяет одновременно и параллельно решать многие задачи проектирования, оперативно согласовывать проектные решения с учетом их взаимодействия в различных частях документации. 2.5. Информационное обеспечение САПР, базы данных

Для поиска нужной информации важно классифицировать ее по различным признакам. По методам организации данных информация может быть систематизированной, рассортированной по составу показателей и несистематизированной, случайной, поступающей эпизодически во времени. Классификация информации по разным признакам приведена на рис. 13.

Входящая выходящая внутренняя внешняя

Переменная постоянная

Основные базы

Справочная информация

Признаки

По стабильности

База данных

Нормативная информация

Информация

По месту возникновения

Банк данных и знаний (БДиЗ)

По стадии обработки

Первичная вторичная промежуточная результативная

По способу отражения

Текстовая графическая звуковая комплексная

По функции управления

Плановая учетная оперативная справочная

Руководства, указания Стандарты на оборудование

Рабочие базы БД по архитектурностроительной части БД по конструкциям БД по инженерным сетям

База знаний Типовые проекты Индивидуальные проекты Экспертные системы

СУБД Управляющая программа Обслуживающая программа

ТО БД ТС ввода информации ТС хранения информации

Трансляторы

Научно-техническая информация

ТС обработки информации ТС отображения информации и выдачи

БД по архитектурно-строительной части БД по организации строительства БД по архитектурно-строительной части

Рис. 13. Классификация информации

Рис. 14. Структура типового банка данных и знаний

Вся информация, используемая при проектировании объектов строительства, хранится в базах данных и знаний (БДиЗ), представляющих собой систему иерархически организованных банков данных и знаний, построенных на основе единых математических принципов, методов представления, хранения и обработки информации. Структура типового банка данных и знаний представлена на рис. 14. Банк данных имеет систему управления (СУБД), включающую в себя программное обеспечение для организации поиска, поддержания и обновления данных, и внутреннюю систему обслуживания, выполняющую функции контроля, защиты и автоматической идентификации данных. По характеру выполнения отдельных функций различают модели БДиЗ – плоские файловые, иерархические, сетевые и реляционные. Плоские файловые модели включают последовательное перечисление их частей, по типу содержания книги, приводимого в ее начале или конце.

Иерархические модели строятся в виде графа-дерева с ветвями на его уровнях. Сетевые модели строятся с применением логических цепочек, в узлах которых находится искомая информация, а ребра (звенья цепочки) содержат адрес этой информации. Реляционные модели строят в виде двумерных таблиц, в которых первая колонка содержит код объекта, в других колонках таблицы записывается вся информация, характеризующая этот объект. Код и характеристика объекта представляют собой цифровую модель объекта (ЦМО), использование которой существенно облегчает процесс проектирования. Иерархическую модель имеют системы БД ОКА, СИНАБ, БАСТАН, Fox Base, Paradox; сетевую модель – СУБД СЕДАН, СИОД, НАОБАБ; реляционную – система РЕГЕНД. Эксплуатация баз данных показывает, что наиболее удобными и предпочтительными являются реляционные БД.

28

29

3. Информационные технологии проектирования зданий и сооружений

Системное представление об окружающем мире у человека формировалось в процессе развития человеческого общества. Взаимосвязь отдельных явлений в природе всегда была объектом внимания человека. Наблюдая материальный мир, он видел не просто отдельные предметы и явления, а всегда стремился установить связь между ними, выявить систему как некоторое множество связанных элементов. Слово «система» давно применяется в обиходе человека. Без специальных пояснений все достаточно четко представляют себе смысл таких понятий, как солнечная система, система отопления и вентиляции, система снабжения, система образования и т. д. Ограниченные возможности человека в познании мира, в переработке информации привели его к необходимости расчленять сложные системы на отдельные элементы, чтобы изучать их свойства вне связей с другими элементами. Так появилось первое представление о системе в форме «концепции элементаризма», согласно которой система представлялась простой суммой ее элементов [8]. С развитием науки и техники, материалистической диалектики, изучающей всеобщие связи явлений в природе, стало понятно, что неучитываемые взаимосвязи в сложных системах придают им некоторые новые свойства, которыми не обладают исходные элементы, –свойства целостной системы. В теории познания все большее распространение получает «концепция целостности». Новые свойства системы по этой концепции вначале не могли объяснить научным путем и видели в этом нечто за пределами человеческого разума. Однако в дальнейшем удалось найти и научное обоснование этому явлению, лежащему в основе системного подхода к решению проблемы познания. Первая попытка создать общую науку об организации системы была сделана А. А. Богдановым (см. Богданов А. А. Тектология. Всеобщая организационная наука. Берлин – Петербург – Москва, 1922). В его работе был сформулирован принцип организованности, под которым понималось свойство целого быть больше суммы своих частей. Чем больше целое отличается от простой суммы составляющих частей, тем выше организация этого целого как системы.

Научный подход к изучению социальных и биологических объектов как некоторых сложных систем одним из первых в теории познания применил Ч. Дарвин. Созданная им теория биологической эволюции не только ввела в естествознание диалектическую идею развития, но и утвердила представление о различных уровнях организации жизни как основу системного мышления в биологии. Другим примером системного подхода в естественных науках является открытие Д. И. Менделеевым периодической системы элементов, отражающей единство и многообразие связей в окружающем нас материальном мире. Быстрое развитие наук в отдельных отраслях знаний, характерное для последних лет, привело к разобщенности наук. Специалисты становятся все более узкими по профилю подготовки, хотя глубина и уровень знаний повышается. Изучаемые объекты в науках стали весьма сложными по своей структуре и обилию связей, влиянием которых уже нельзя пренебречь. Опыт показывает, что если какие-то связи, казавшиеся на первый взгляд несущественными, были не учтены, то впоследствии это может привести к непредсказуемым результатам. Такая ситуация сложилась в нашей стране при строительстве гидроэлектростанций, при проведении мелиоративных работ. Строительство объектов привело здесь к весьма нежелательным последствиям в сельском хозяйстве, в решении продовольственных проблем страны. Очень дорого нам обошлось, как теперь выяснилось, пренебрежение в строительстве промышленных объектов вопросами экологии, вопросами социального плана, связанными с условиями жизни и труда человека на этих объектах. Создание современных сложных народно-хозяйственных комплексов, технических систем, строительство промышленных объектов с комплексами обслуживающих зданий и сооружений (жилых, транспортных, общественных) привело к необходимости проведения исследований системного характера. Такие исследования потребовали объединения усилий специалистов разных научных профилей, унификации и согласования информации, получаемой в результате исследований. Успешное проведение комплексных исследований в условиях «информационного взрыва» стало возможным с появлением современной вычислительной техники, с созданием новых математических методов обработки информации и принятия решений. Это новое направление в реализации системного подхода к решению проблем в науке и технике успешно развивается в пятидесятых годах в США и связано с работами Л. Берталанфи,

30

31

3.1. Системный подход в науке и его применение в строительстве

Н. Винера, Р. Акофа и Месаровича. Важный вклад в развитие нового направления в науке внесли советские ученые В. Н. Садовский, А. И. Уемов, И. В. Блауберг, Э. Г. Юдин. Применительно к строительной отрасли это направление развито в работах А. А. Гусакова, В. И. Рыбальского. Интенсивно развиваются науки, составляющие теоретическую базу и аппарат системного подхода – теория систем, теория информации, кибернетика, исследование операций, системотехника. Системный анализ, занимая промежуточное положение между философией и математикой, между гуманитарными и точными техническими науками, долгое время именно поэтому не признавался ни теми, ни другими. Однако в последние годы наметился перелом в отношении к системному представлению всех объектов независимо от природы, от научных направлений. Системный анализ находит все большее применение во всех сферах человеческой деятельности как общая методология познания мира и роли человека во взаимодействии с природой. Рассмотрим основные положения системного подхода к решению различных проблем. Под системным подходом к решению различных проблем понимают общую методологию исследования явлений, процессов, объектов, представляемых в виде сложных систем. Основополагающие принципы системного подхода обусловлены свойствами систем. Основные из них – принципы цели, целостности и сложности. Принцип цели состоит в том, что любую проблему представляют как некоторую конечную цель, на решение которой направлено исследование. Именно эта цель является главным системообразующим фактором, определяющим структуру и сложность систем, включающих промежуточные цели, с помощью которых достигается решение проблем. Принцип целостности заключается в выделении рассматриваемых систем из окружающей среды и взаимосвязи всех внутренних элементов этих систем, обеспечивающей появление у них некоторых новых свойств, которых нет у отдельных элементов. Принцип сложности выражается в иерархической структуре систем. В зависимости от целей и методов исследований любая система может иметь различную степень сложности. Она может иметь несколько уровней, называемых стратами, может представлять собой элемент метасистемы, т. е. системы более высокого порядка. И наоборот, любой элемент системы можно представить в виде системы более низкого уровня в зависимости от задач исследования.

Иерархический принцип сложности для этой же фермы проявляется в том, что она является элементом несущего каркаса здания (метасистемы). В свою очередь сама ферма также является системой. Представление объектов и процессов с помощью сложных систем осуществляется на макро- и микроуровне. Макроподход позволяет отделить систему от окружающей среды, выделить ее как нечто целое. Такой процесс называют внешним проектированием системы. Так, если принимается решение о строительстве жилого дома, то его принимают за систему, входящую в метасистему городской застройки. Главный архитектор города определяет место, этажность, архитектуру дома. Микроподход применяется при рассмотрении внутренней структуры системы (внутреннее проектирование системы). В приведенном выше

32

33

Примером использования принципов системного подхода в исследовании является анализ работы фермы покрытия в каркасе промышленного здания (рис. 15). Здесь цель исследования – обеспечение несущей способности фермы, воспринимающей внешние нагрузки Р от покрытия. Целостность объекта исследования проявляется в выделении фермы из каркаса здания и учете взаимосвязи элементов фермы – поясов, стоек, раскосов. При этом если шарнирно соединенные элементы фермы способны воспринимать только продольные усилия (рис. 15, а), то ферма как система приобретает новое свойство – воспринимать нагрузки поперечного к пролету направления, вызывающие в конструкции изгибающий момент и поперечную силу (рис. 15, б). Это свойство ферма получает в результате организованного взаимодействия элементов фермы между собой. а)

б)

Рис. 15. Свойства элементов (а) и фермы (б)

примере с жилым домом микроподход проявляется в принятии объемнопланировочных и конструктивных решений, в разработке проекта инженерных коммуникаций здания. Аналогично поступают при решении вопросов организации строительства. Например, принимается решение о создании строительной организации для выполнения строительно-монтажных работ в определенном районе. За систему принимают создаваемую строительную организацию. Окружающая среда – это потенциальные потребители строительной продукции (заказчики), поставщики строительных материалов, конструкций, энергосистема, транспорт, базы и склады материально-технического снабжения, предприятия здравоохранения, образования и т. д. На макроуровне строительная организация рассматривается как некоторая автономная система, взаимодействующая с окружающей средой. На этом уровне решаются вопросы снабжения строительной организации, обеспечения транспортом, энергетическими ресурсами, вопросы создания необходимых бытовых условий для рабочих и служащих. На микроуровне решаются вопросы формирования внутренней структуры строительной организации, управления подразделениями для достижения целей строительного производства в заданном районе. Понятие «системный анализ» у различных авторов имеет двоякое толкование. В узком смысле слова системный анализ представляется как совокупность методологических средств, применяемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам управления производством в различных сферах деятельности человека. Основой системного анализа является системный подход, его принципы и методы решения проблем. По существу системный анализ рассматривается как метод реализации системного подхода к управлению производством, когда каждая проблема представляется как система целей с учетом связей с множеством других проблем и аспектов. В широком смысле слова под системным анализом часто понимают именно системный подход к решению проблем в различных исследованиях. Применение системного анализа в строительной отрасли дает возможность обоснованно принимать решения в проектировании, возведении и эксплуатации объектов строительства. Основные положения системного анализа, его этапы и методы решения задач в строительстве излагаются в 3.2. Рассмотрим основные понятия теории систем для последующего их использования в системном анализе.

Под системой понимают целостный комплекс взаимосвязанных элементов, объединенных общей целью функционирования системы. В любом объекте существует бесконечно большое количество внутренних связей и связей внешних с окружающими его объектами. Тем не менее, говоря о системе, подразумевают некоторое достаточно ограниченное число связей, обеспечивающих функционирование объекта (системы) и достижение некоторой цели, представляющей интерес в конкретном исследовании. Понятия цели и связей формируются исследователем и носят субъективный характер так же, как и системы в целом. Однако субъективизм в понятии системы не означает, что она существует только в сознании исследователя. В сознании отражается его представление о системе, условно отделяемой от всего остального материального мира. Отметим здесь, что в теории систем встречается также такое понятие, как парадигма системы – концептуальная схема и модель решения некоторой проблемы с помощью системы, построенной автором исследования. В зависимости от цели и подхода конкретного исследователя один и тот же объект или процесс может быть представлен различными системами. Так, наш университет можно рассматривать как объект системы образования (одна цель) и как строительный объект – здание (другая цель). В первом случае элементами системы являются студенты, преподаватели, кафедры, учебный отдел, т. е. элементы, имеющие отношение к главной цели системы, – к организации учебного процесса для получения студентами образования по определенной специальности. Во втором случае университет представляет собой строительный объект – здание, элементами которого являются несущие и ограждающие конструкции (фундаменты, стены, перекрытия), инженерные коммуникации, т. е. элементы, обеспечивающие необходимые условия для протекания внутренних технологических процессов в здании. Из определения системы как совокупности элементов следует, что элементом является некоторая минимальная часть системы, не подлежащая дальнейшему расчленению в конкретном исследовании, обладающая определенной самостоятельностью и влиянием на цель функционирования системы. Элементы могут быть однородными (однотипные балки в перекрытии здания) и неоднородными (балки, фермы, колонны в каркасе здания). Понятие элемента, как и самой системы, зависит от цели исследования. Свойства элемента, отличающие его от других объектов, опреде-

34

35

ляют его значение, роль в достижении системой цели функционирования. Свойства элементов являются критерием, по которому исследователь включает или не включает их в состав системы. Это свойство элементов, имеющее отношение к цели исследования, называется характеристикой, а ее численное значение является параметром элемента (объемный вес, влажность, температура). Так, элементами рамы, как некоторой подсистемы в общей системе каркаса здания, являются ригель, стойки, фундаменты стоек. Эти элементы обладают комплексом свойств, характеризующих материал (прочность, цвет, влажность, объемный вес, модуль упругости, стоимость и т. д., размеры, условия работы). Однако если целью исследования является оценка прочности рамы, то характеристиками элементов будут лишь те их свойства, которые влияют на прочность рамы (прочность материала, сечение элемента, условия его работы). Состояние системы определяется множеством значений параметров ее элементов в данный момент времени. Переход системы из одного состояния в другое характеризуется изменением значения хотя бы одного из параметров. Аналогичным образом определяется и состояние среды, окружающей систему. При этом совокупность состояний системы и среды в некоторый момент времени принято называть ситуацией. Взаимодействие элементов системы между собой происходит благодаря связям между ними. Связи элементов в системе обладают в большей или меньшей степени синергическими свойствами (при совместном действии таких связей общий эффект увеличивается больше, чем от простого сложения действий связей). Связи могут быть механическими, энергетическими, информационными или сочетать в себе все эти разновидности в различных комбинациях. Любая система или ее элемент в процессе функционирования и проявления связей приобретает функциональную структуру (рис. 16), включающую в себя три составных части: вход – воспринимающий изменения в других элементах или внешней среде, окружающей систему; выход – выдающий результат воздействия на систему в виде новых параметров ее состояния (отклик, реакция системы); процессор – преобразующий параметры на входе в параметры системы на выходе 36

Прямая связь Вход

Выход Процессор Обратная связь

Рис. 16. Функциональная структура системы

Функциональные части системы соединяет прямая связь: вход – процессор – выход. Связь называется обратной, если она соединяет выход с входом. Рассмотрим классификацию и способы представления систем. По разным признакам и свойствам элементов различают ряд классификаций систем. Таблица с общей классификацией систем приведена ниже. Классификация систем Признак (основание)

Виды систем

Природа элементов Происхождение Характер поведения Степень сложности Отношению к среде Длительность существования

Абстрактные, материальные Естественные, искусственные Управляемые, неуправляемые Простые, сложные Открытые, замкнутые Постоянные, временные

По природе элементов системы могут быть абстрактные и материальные. Абстрактные системы созданы воображением человека и не имеют прямого аналога в реальном мире (языки, системы счисления, системы понятий). Материальные системы состоят из реальных (физических) элементов. Они делятся на механические, биологические и социальные. По происхождению системы бывают естественные и искусственные, созданные человеком. По характеру поведения различают управляемые и неуправляемые системы. Из управляемых систем выделяют системы с ручным управле37

¦ :^^M `, ^x`, F `,

нием, автоматизированные и автоматические. Ручное управление осуществляется человеком. Автоматизированные системы имеют технические средства, помогающие человеку управлять системой. Автоматические системы функционируют без прямого участия человека. По степени сложности системы бывают простые и сложные. В простых системах преобладают однородные элементы. Для сложных систем характерно большое разнообразие элементов, их возможных состояний, неопределенность и сложность выполняемых функций, сложный характер связей между элементами с большим объемом информации, передаваемой по связям. В теории систем и в теории информации существуют количественные критерии, оценки объема и сложности циркулирующей в системе информации, по которым можно судить, какова степень сложности той или иной системы. По отношению к среде системы являются открытыми или замкнутыми. Открытые системы взаимодействуют с окружающей средой, что отражается на их состоянии. В замкнутых системах взаимодействие со средой отсутствует или им пренебрегают в каких-то конкретных исследованиях. По длительности существования системы могут быть постоянные и временные. Постоянные системы не меняют своей структуры и свойств в исследуемом периоде времени, а временные – меняют структуру или свойства. Заметим, что использование классификации систем должно быть тесно увязано с понятием системы и соответствующей цели исследования. Один и тот же объект может быть представлен разными видами систем в зависимости от цели и задач исследования, как было показано ранее на примерах систем. Для описания свойств или представления (идентификации) систем используется несколько форм: словесная (текстуальная), аналитическая и графическая. Словесное описание является наиболее распространенной формой представления систем. С его помощью можно достичь высокой степени подробности, однако описание в такой форме трудно воспринимается и плохо поддается формализации. Аналитическая форма представления систем включает в себя совокупность математических зависимостей и символов, описывающих структуру и связи в системах. Так, содержание системы можно представить в обобщенном кортежном виде

Нуль-граф состоит из одних вершин. В полном графе каждая пара вершин соединена ребром, в неполном графе некоторые ребра могут отсутствовать. Вершины А и В (рис. 17, а) связаны между собой, если они соединены какой-либо последовательностью ребер (цепью). Если цепь замкнута, то она называется циклом. Граф является связным, если любую пару его вершин можно соединить некоторой цепью. Несвязный граф состоит из отдельных несвязных элементов.

38

39

(15)

где – система; {М} – совокупность элементов; {x} – совокупность связей; F – функция (новое качество) системы. Выражение для структуры системы имеет вид

¦ ¦ :^^Mˆ `, ^xˆ``,

(16)

^ `

где Mˆ – совокупность групп элементов; ^xˆ` – совокупность связей между группами элементов. Функция F в формуле (16) опущена, так как структура безотносительна к этой функции. Новые качества в системе определяются не структурой, а количественной реализацией связей в системе. Для аналитической формы представления систем характерна высокая компактность, но она не обладает достаточной наглядностью. При графическом описании систем с использованием схем, графиков, чертежей значительно повышается наглядность описания. При этом широкое применение в идентификации систем получила теория графов, основные понятия которой полезно знать для последующего применения в системном анализе. Графом называется геометрическая фигура, состоящая из вершин (узлов) и ребер (дуг). степенью данной вершины. Если (А), (В)... степени вершин А, В и т. д., то общее число ребер в графе определяется по формуле

n

1 >U  A  U B  ...  U E @. 2

(17)

Граф называется эйлеровым, если он имеет цикл, содержащий каждое ребро графа по одному разу (рис. 17, б). Такой граф можно полностью обойти, проходя по каждому ребру только один раз (по эйлеровой линии). Этим свойством обладают графы, степени всех вершин которых четны. Эйлеров граф представляет интерес при составлении экономичных маршрутов движения транспорта в строительстве, при разработке технологических карт на строительные процессы. Аналогично эйлеровым линиям в графах могут быть гамильтоновы линии, проходящие через все вершины по одному разу.

Графом-деревом называется связный граф, не содержащий циклов (рис. 17, в). Графы-деревья служат наглядным и эффективным средством решения задач, связанных с транспортом. В частности, очень важной является задача прокладки инженерных коммуникаций (дорог, линий электропередач и т. п.). Задача ставится следующим образом. Имеется n населенных пунктов (объектов), которые требуется соединить между собой сетью дорог (коммуникаций). Для каждой пары пунктов известна стоимость соединяющей их дороги, если бы она была построена. Необходимо построить самую дешевую из всех возможных сетей дорог без

дублирования связи между пунктами. Для построения решения в виде графа-дерева используется простое правило экономичности. На каждом шаге построения дерева берется самое дешевое из возможных ребер, не образующих цикла. Построение начинается с двух пунктов с наименьшей стоимостью дороги между ними (рис. 17, г). Цифрами показана последовательность соединения пунктов. До сих пор описывались графы неориентированные. Граф, на котором указано направление каждого ребра, называется ориентированным или орграфом. Ориентированные графы используются при анализе транспортных систем, в задачах управления строительством (при сетевом планировании). Его удобно представлять в более компактной форме матрицы (рис. 17, д), что облегчает расчеты сетевых моделей в различных задачах. В ячейках матрицы записывается информация о наличии или отсутствии связи (1 или 0). Здесь может указываться и другая информация, представляющая интерес для расчетов в задачах планирования (продолжительность работ, стоимость, трудоемкость и т. п.). При построении сетевых графиков находят применение изоморфные графы, которые имеют одинаковое число вершин и соответствующие друг другу ребра (рис. 17, е). Изоморфные графы имеют одинаковое число ребер, однако их размеры и форма могут быть различными. Изоморфные графы считаются равными и взаимозаменяемыми, если нет специальных оговорок. В процессе описания систем с помощью теории графов осуществляется структурный анализ систем, анализ всех связей между элементами системы. Процесс выделения элементов системы и установления связей принято называть структуризацией. Глубина структуризации зависит от значимости влияния элементов на свойства системы. При решении практических задач структурного анализа сложных систем могут осуществляться три уровня описания связей между элементами. На первом уровне устанавливается наличие или отсутствие связей между элементами. Система представляется в виде неориентированного графа непосредственных связей, при этом устанавливается, является ли граф (система) связным или он может быть представлен в виде отдельных подграфов (подсистем). На втором уровне устанавливается направление и пути передачи сигналов между элементами, определяются входные, управляющие и выходные полюсы. Система представляется в виде ориентированного графа.

40

41

Рис. 17. Виды графов

На третьем уровне определяются виды сигналов в связях (входные или управляющие), отношения предшествования (следования), классифицируются все источники и потребители сигналов. Затем система представляется двумя ориентированными графами – графом непосредственного следования для передачи входных сигналов и графом непосредственного подчинения для передачи управляющих сигналов. В результате структурного анализа устанавливается состав и строение системы, связи со средой, связи внутри системы и их характер, определяется иерархия элементов в их отношениях следования и управления. На практике при описании систем обычно используют все ранее указанные формы представления систем – текстуальную, аналитическую и графическую – в различном сочетании, обеспечивающем достаточную полноту, компактность и наглядность изображения системы. При автоматизированном проектировании объектов строительства системный подход становится обязательным для применения, что отмечается в технологических правилах проектирования [8]. С развитием науки и техники объекты строительства становятся все более сложными комплексами зданий и сооружений, обеспечивающих новые технологические процессы в промышленности, в организации повседневной деятельности и жизни человека. Такие объекты представляют собой многоуровневые строительные системы с огромным числом внутренних и внешних связей, проявляющихся во времени и в пространстве. На рис. 18 показана система «Здание» в процессе его создания и эксплуатации (во времени), а на рис. 19 – в процессе функционирования (в пространстве). Все элементы этих двух систем одного объекта тесно связаны между собой, а связи элементов описываются полным графом. Технологический процесс в здании прямо влияет на его объемнопланировочное решение и инженерное оборудование. В свою очередь, объемно-планировочное решение определяет пролеты несущих конструкций и нагрузки на них. Есть и обратные связи. Если выбранное архитектурное решение не обеспечено конструктивным исполнением, то материалы и конструкции могут повлиять на выбор архитектуры здания и даже на технологический процесс. Нет необходимости описывать все прямые и обратные связи в системах. Наличие их очевидно, а необходимость учета таких связей при проектировании и управлении строительством давно уже признается всеми участниками строительного процесса.

Однако, признавая необходимость системного подхода к решению строительных проблем, мы пока далеки от его полной реализации на практике. Дело в том, что многие связи в строительных системах трудно формализовать в математической постановке, что необходимо для обработки информации на вычислительной технике в процессе принятия

42

43

Здание

Изыскания

Проект

Строительство

Эксплуатация

Рис. 18. Структура системы «Здание» в процессе его создания и эксплуатации (во времени) Здание

Технологическая часть

Архитектурностроительная часть

Технология

Объемнопланировочное решение

Оборудование

Инженерные сети и оборудование Водоснабжение Канализация Отопление

Конструкции

Вентиляция

Рис. 19. Структура системы «Здание» в процессе его функционирования (в пространстве)

решений. Многие связи описываются лишь качественно, на уровне экспертных оценок типа «лучше», «хуже». Не сформирована пока и общая методология принятия решений для сложных систем. Поэтому применение системного подхода в строительстве во многом зависит от опыта и интуиции руководителей производства, является скорее искусством, чем наукой. В проектных организациях координацию работ по выполнению отдельных частей проекта с позиций системного подхода осуществляет главный инженер (или архитектор) проекта. При строительстве объектов эту функцию выполняет руководитель строительной организации. В последние годы методология принятия решений в строительстве получила широкое развитие. Созданы новые программные средства, обеспечивающие связи между элементами сложных систем в процессе проектирования и управления строительством с использованием единой информационной базы. Разработаны экспертные системы, информационно-поисковые системы, помогающие принимать решения с применением методов системного анализа. Это новое направление в строительной науке получило название сквозного автоматизированного проектирования и управления, целью которого является конечный результат, т. е. заданные показатели состояния строительной системы в целом, а не отдельных ее элементов. Из теории систем известно, что глобальный оптимум критерия для системы (конечный результат) не является простой суммой локальных оптимумов для ее элементов. Для получения глобального оптимума в процессе его поиска приходится отклоняться от локальных оптимумов элементов в ту или иную сторону, учитывать технологическую совместимость решений.

Системный подход в науке, в строительстве используется при решении различных проблем. Проблема – это ситуация, требующая изучения и разрешения, в которой необходимое расходится с действительным положением дел. Различают три типа проблем – структуризованные, слабоструктуризованные и неструктуризованные проблемы. Структуризованными являются проблемы, поддающиеся четкой количественной формализации. Для их разрешения можно подобрать математический аппарат, который позволит найти нужное или оптимальное решение проблемы.

Слабоструктуризованные проблемы включают в себя не только количественные оценки (параметры), но и качественные показатели, которые не поддаются четкой формализации и могут учитываться лишь весьма приблизительно. Трудно учитывать, например, психологические или социальные факторы. Неструктуризованные проблемы включают в себя практически одни качественные показатели и разрешаются эвристическим путем с широким привлечением экспертных оценок, научных гипотез и интуиции исследователей. В качестве примеров можно указать следующие проблемы. Структуризованная: проблема исследования и оценки напряженно-деформированного состояния конструкций сложного сооружения. Слабоструктуризованная: проблема определения нового норматива по производительности труда комплексной бригады, состоящей из строительных рабочих разных специальностей. Неструктуризованная: проблема разработки архитектурного облика города. Большинство встречающихся в жизни проблем являются слабоструктуризованными и разрешаются с той или иной степенью приближения. Неструктуризованные проблемы с помощью различных приемов также сводят к решению слабоструктуризованных и структуризованных проблем. Системный анализ является частью общей теории систем и наряду с другими науками – исследованием операций, кибернетикой, системотехникой – дает возможность решать все наиболее важные проблемы народного хозяйства с позиции системного подхода. В отличие от исследования операций, занимающегося разрешением структуризованных проблем, системный анализ представляет собой широкую и универсальную методологию решения слабоструктуризованных проблем, методологию исследования труднонаблюдаемых, плохо поддающихся формализации процессов и объектов, которые представляются в качестве целенаправленных систем. Главное в системном анализе – найти простое в сложном, превратить трудноразрешаемую проблему в четкую серию достаточно простых задач. Если в исследовании операций возможен поиск оптимального решения, то в системном анализе важна постановка задачи, структуризация проблемы и нахождение рациональных решений, которые не всегда могут быть оптимальными. При этом после структуризации проблемы математический аппарат исследования операций может быть использован в качестве инструмента системного анализа.

44

45

3.2. Системный анализ, его этапы

Исследование и разрешение неструктуризованных проблем имеет общую закономерность, состоящую в том, что здесь на первых этапах обычно не требуется строгое математическое решение задач. В большинстве случаев достаточно выработать генеральную линию решения проблемы, затем в ходе ее реализации уточнять условия, конкретизировать задачи и решать их методами системного анализа. Процесс выработки мероприятий для разрешения проблемы с помощью системного анализа производится с разделением на следующие основные этапы: 1. Выявление и анализ проблемы. 2. Выделение системы из среды. 3. Определение промежуточных целей. 4. Выбор критериев, оценка альтернатив и принятие решения. 5. Диагноз существующей системы. 6. Проект организации системы. 7. Составление комплексной программы решения проблемы. Собственно анализом проблемы и возможностей ее разрешения являются первые пять этапов. Шестой и седьмой этапы представляют собой синтез всех результатов исследования, воплощенный в конкретные организации системы и комплексные программы реализации принятого решения. Рассмотрим этапы поподробнее. 1-й этап. Выявление и анализ проблемы Этап является основополагающим для постановки исследования. На этом этапе осуществляется тщательное изучение обстановки, породившей проблему, проводится сбор данных по ее прошлому и настоящему, определяются тенденции дальнейшего развития. Производится систематизация этих данных, выделение главного, чтобы ответить на вопрос, действительно ли здесь есть расхождение между требуемым и фактическим положением дел, не является ли проблемная ситуация надуманной, порожденной второстепенными обстоятельствами. Необходимость разработки проблемы нужно глубоко обосновать и указать тесные связи с другими проблемами. Результатом первого этапа является четкая формулировка проблемы как главной цели исследования с указанием глубины, масштаба, значимости и необходимости ее разрешения. 46

2-й этап. Выделение системы из среды На втором этапе исследования выявляется, что необходимо для решения проблемы, от чего зависит решение, что следует включить в систему, направленную на решение проблемы, и что не включать, оставляя в качестве среды. К системе относятся все те элементы, которые тесно связаны между собой и могут существенно влиять на конечный результат (цель) функционирования системы. Внешняя (окружающая) среда также состоит из элементов, так или иначе влияющих на выделенную систему. Основанием для отнесения этих элементов к среде являются два обстоятельства. Первое – элементы мало влияют на состояние системы. Это влияние в процессе исследования выявляется количественно, и если оно оказывается существенным, то элемент может быть включен в систему. Второе – состояние элементов среды задано, не зависит от состояния системы и не может меняться исследователем. Так, для системы «Объект строительства» подготовка кадров является внешним элементом среды. Но если в процессе строительства станет возможным существенно повышать квалификацию строителей и настолько, что это сократит сроки строительства и повысит его качество, то подготовка строительных кадров может стать элементом системы. В конечном счете, выделение системы из среды является достаточно условным, направлено на упрощение ситуации и облегчение решения проблемы и, как всякое упрощение, приводит к определенным погрешностям в результатах исследования. Важно при этом не упустить главных связей в системе и среде, что приходит с опытом исследователя. Результатом второго этапа является перечень элементов системы с указанием их свойств, влияющих на достижение конечной цели. 3-й этап. Определение промежуточных целей Достижение главной цели, сформулированной в проблеме, зависит от решения задач, представляющих собой некоторые цели, но более низкого уровня. Мероприятия для достижения конечной цели выявляются при построении дерева целей (ДЦ) – упорядоченной иерархии альтернативных целей, характеризующей их соподчиненность и внутренние взаимосвязи (рис. 20, а). Совокупность всех целей – главной и промежуточных – в дереве целей называют также порфирианом по имени греческого 47

философа Порфирия, в работах которого встречается аналогичная систематизация целей. Иерархия уровней ДЦ указывает на то, что цели вышестоящих ступеней достигаются лишь в результате реализации подцелей, на которые они распадаются. Подцели являются средствами к достижению вышестоящей цели и в то же время сами являются целью для более низкой ступени. По мере перехода от цели к подцели они приобретают более конкретный характер. Отметим, что возможен и обратный подход к построению ДЦ – по принципу построения алгоритмов, когда уровни ДЦ соответствуют последовательности достижения промежуточных целей сверху вниз. Главное, чтобы ДЦ представляло собой единую, но и детализированную цель рассматриваемой системы. а) Цель системы X0

4-й этап. Выбор критериев, оценка альтернатив и принятие решения

X 11

X 12 Цели 1-го уровня

X 21

X 22 Цели 2-го уровня

X 13

Рис. 20. Дерево целей

Чтобы принять то или иное решение, необходимо получить информацию о его последствиях (прогноз). Осуществляется это в процессе формализации связей в системе целей, моделирования и оценки состояния системы после принятия решения. Для такой оценки необходимо выбрать критерии, которыми можно было бы руководствоваться на этом этапе исследований. Критерием является мера эффективности избираемого пути к достижению цели. Критериями могут быть затраты материальных ресурсов, труда или времени. Они могут быть простыми или комплексными, включающими в себя несколько показателей. Выбор критерия определяется конкретными целями на разных уровнях ДЦ и таким образом, чтобы критерии наиболее полно учитывали связи между отдельными целями, их влияние на достижение конечной цели. Вопросы моделирования систем и оценки альтернатив рассматриваются ниже. Будем полагать, что результаты оценки альтернатив известны. После оценки и сравнения альтернатив малозначащие цели ДЦ удаляются, остаются основные, соответствующие наиболее эффективному решению проблемы. Выбор или принятие решения представляет собой переход ДЦ от графа-дерева с логикой «и/или» к графу с логикой «и».

48

49

б) Обеспечение жильем рабочих Строительство жилых домов

Блочного типа

Крупнопанельных

Дерево целей рекомендуется строить, начиная с верхней (главной) цели нулевого уровня, перемещаясь по уровням сверху вниз. Число уровней может быть 5–9. Полезнее учесть больше целей, чем упустить необходимые. Многие цели на этом этапе исследования являются альтернативными, охватывают возможные пути решения проблемы. Построенное ДЦ является его первым вариантом. Это граф-дерево с логикой «и/или», т. е. включает как единственно возможные, так и альтернативные цели. Например, если целью является обеспечение жильем рабочих строящегося предприятия, то подцелями могут быть (см. рис. 20, б): строительство жилых домов блочного типа, строительство крупнопанельных домов, строительство домов из объемных блоков и т. д. Таким образом, результатом третьего этапа является построение первого варианта ДЦ, включающего все возможные промежуточные цели системы.

Из объемных блоков

Кирпичных

Шлакоблочных

В результате отсекаются цели, не играющие важной роли или не обеспеченные ресурсами, убираются взаимоисключающие технологически несовместимые цели, делается выбор по всем конкурирующим вариантам, и оставляются наиболее приемлемые в конкретных условиях функционирования системы. В результате 4-го этапа формируется окончательный вариант ДЦ, представляющий собой решение исследователя. 5-й этап. Диагноз существующей системы Проблемы, решаемые с помощью системного анализа, обычно появляются в существующих структурных образованиях. В какой-то системе эту проблему или близкую к ней пытались разрешить, следовательно, там есть некоторая исходная информация по проблеме и результатам ее анализа, которые целесообразно использовать. В результате 5-го этапа исследования выясняется, что можно использовать в рамках существующей системы для решения проблемы, обеспечив максимальную экономию времени и материальных ресурсов.

и конкретизировать, распределить их во времени, закрепить отдельные вопросы за определенными исполнителями, создать систему руководства, координации и ответственности. Большое внимание в комплексной программе должно быть уделено всестороннему обеспечению функционирования системы (взаимодействию, организации материально-технического снабжения). Направленность комплексной программы на достижение конечной цели при решении проблемы с помощью системного анализа отличает такой подход от традиционного планирования «от достигнутого», которое долгое время применялось и еще применяется в отдельных отраслях народного хозяйства страны. 3.3. Методы принятия решений в проектировании

Программа – это планируемый комплекс экономических, технических, социальных, исследовательских и проектных мер, направленных на достижение общей цели в установленные сроки. Основой комплексной программы, как и проекта организации системы, является ДЦ. Каждая цель при этом трансформируется в функцию, осуществляется переход от целевой к динамической структуре. Основная задача плана – перевести результаты системного анализа на язык экономики, детализировать

Комплексная программа решения проблемы и проект организации системы, разрабатываемые на завершающих этапах системного анализа, включают в себя различные количественные показатели (сроки, затраты средств). Чтобы эти показатели и программа в целом были обоснованными, реальными для выполнения и предусматривали наилучшие способы решения задач, составлению программы должна предшествовать большая работа по прогнозированию состояния системы вплоть до полного достижения главной цели. Эта задача решается с помощью исследования операций – науки, предметом которой является количественное обоснование решений во всех областях целенаправленной человеческой деятельности. Для прогноза состояния системы строится ее упрощенная модель, на которой и производится исследование для выявления наилучшего способа действий при решении той или иной задачи. Процесс моделирования системы является неотъемлемой частью исследования операций и системного анализа. Построение моделей, их использование и обработка результатов моделирования систем осуществляются методами математического программирования, разработанными для решения экстремальных задач. В зависимости от вида математических связей, используемых для описания состояния системы, различают 6 основных видов математического программирования: линейное, нелинейное, дискретное, целочисленное, стохастическое и динамическое. В линейном программировании

50

51

6-й этап. Проект организации системы Для построения (синтеза) новой системы, способной решить поставленную проблему, исходной базой является окончательный вариант ДЦ. На каждом уровне иерархии ДЦ определяют силы, средства, структуру организаций для достижения подцелей соответствующего уровня с учетом возможностей существующих организаций, которые при необходимости могут быть реорганизованы. 7-й этап. Составление комплексной программы решения проблемы

связи между элементами системы выражены линейными функциями, в нелинейном – нелинейными функциями. Динамическое программирование применяется для исследования систем, свойства которых изменяются во времени. В исследовании операций различают следующие этапы работы: 1. Постановка задачи. 2. Построение модели системы. 3. Проверка адекватности модели в системе, выяснение, достаточно ли точно модель отражает свойства реальной системы. 4. Решение поставленной задачи с помощью модели (моделирование). 5. Реализация результатов исследования. Вопросы построения моделей систем и их использование при решении различных задач в строительстве изложены в 1.4. Здесь же ограничимся сделанным выше перечислением этапов исследования операций, чтобы показать место и роль моделирования систем в процессе выработки решений. Ряд задач при моделировании систем приходится решать в условиях неопределенности и противоречивости целей, когда параметры системы могут меняться в широких пределах. Для обоснования решений в этих условиях применяют специальный математический аппарат – теорию игр, позволяющую выработать стратегию по рациональному образу действий участников конфликтной ситуации (игры). Особенность принимаемых решений здесь состоит в том, что каждый из участников игры ставит перед собой собственные цели, отдельные из которых могут противоречить целям других участников. Разрешая такие противоречия, теория игр дает возможность найти наиболее эффективный путь к достижению общей цели в проблемной ситуации. Для моделирования сложных систем с большим числом элементов и стохастическими связями между ними используются также методы теории массового обслуживания, экспертные методы принятия решений. Все эти методы при главенствующей роли исследования операций являются комплексным математическим инструментом решения задач системного анализа. Математический аппарат исследования операций дает возможность успешно решать задачи управления строгими логико-математическими методами в тех случаях, когда проблема является структуризованной, все связи в системе поддаются формализации и необходимая информация для описания состояния систем имеется в полном объеме.

Опыт показывает, что такие идеальные условия для решения проблем создаются чрезвычайно редко. С помощью строгих математических методов удается решать весьма ограниченный круг задач. Точность решений оказывается не всегда высокой, так как не всегда можно подобрать математическую модель, адекватно отражающую конкретную ситуацию. Кроме того, недостаточно точными оказываются исходные данные, а во многих случаях задачи по разным причинам приходится решать в условиях недостаточной информации. Особенно часто такая ситуация возникает при решении неструктуризованных проблем, когда связи в системах и критерии оценки состояния систем не могут быть описаны строгими математическими функциями. Для принятия решений в этих условиях применяются экспертные методы. Сущность экспертных методов состоит в том, что для оценок явлений и выработки предложений привлекаются высококвалифицированные специалисты, обладающие необходимой профессиональной подготовкой, опытом и интуицией. Эксперты выполняют роль советников лиц, принимающих решения. Экспертные методы применяются в форме экспертиз – индивидуальных или групповых, очных или заочных. Для проведения экспертиз назначается руководитель, на которого возлагается подбор экспертов, выявление мнений экспертов и анализ результатов экспертизы. Экспертные методы ориентированы на использование группы специалистов. Однако, как показывает опыт, коллективное мнение не всегда бывает правильным. Решающим является уровень компетентности специалистов. Много неквалифицированных специалистов не могут заменить одного высококвалифицированного. Чтобы экспертиза была успешной, к экспертам при подборе предъявляются следующие требования: достаточная компетентность по решаемой проблеме, объективность и независимость эксперта, принципиальность, практичность и самокритичность. Выявление мнений экспертов в различных методах осуществляется разными способами. При заочной экспертизе («метод Дельфи») оценки экспертов получают в форме ответов на вопросы специально заготовленных анкет. Опросы экспертов могут быть одноэтапные и многоэтапные, с обратной связью. Во втором случае после каждого очередного опроса экспертам сообщают результаты предыдущего этапа, а также имеющиеся расхож-

52

53

дения, и предлагают высказать свои соображения о причинах разногласий. В последующих опросах эксперты могут изменить свои оценки, опираясь на аргументированные доводы других экспертов, если они покажутся им достаточно убедительными. Очные экспертизы предусматривают непосредственное общение экспертов между собой. Формы очной экспертизы – интервью, дискуссия, совещание с коллективной генерацией идей. Наиболее распространенной формой очной экспертизы является проведение дискуссии по проблеме («метод сценариев»). Дискуссия состоит в свободном высказывании экспертами своих мнений с доказательством или опровержением других мнений по поводу развития событий (сценария). В процессе дискуссии происходит постепенное сближение точек зрения. После обсуждения может быть принято более или менее единодушное решение. Дискуссия является наиболее оперативной формой выработки коллективного решения, однако она имеет и существенный недостаток. Решение может оказаться неправильным, если оно продиктовано конъюнктурными узковедомственными соображениями, принято под давлением авторитетов, занимающих необъективную или ошибочную позицию. Поэтому в организации дискуссии очень важно создать обстановку, способствующую свободному высказыванию, без оглядки на авторитеты и боязни давления заинтересованных лиц. Близкой по форме к дискуссии является коллективная генерация идей («метод мозговой атаки»). Метод реализуется в два этапа. На первом этапе высказываются идеи решения проблемы пусть даже без строгих доказательств и их проверки. На втором этапе производится отбор идей для реализации. Обработка результатов экспертизы осуществляется методами математической статистики по оценкам экспертов, полученными различными методами измерения: ранжированием, парным сравнением, непосредственной оценкой или последовательным сравнением. Ранжирование – это расположение объектов в порядке предпочтения. Полученный ряд представляется в форме числовой последовательности. Присваиваемые объектам числа, определяющие степень их предпочтительности, называют рангами. Наиболее предпочтительному объекту по заданному критерию (признаку) присваивается первый ранг, менее предпочтительному – второй ранг и т. д. Парное сравнение представляет собой способ установления предпочтения объектов путем сравнения каждой возможной пары объектов

Применение системного анализа к решению проблем в строительстве в значительной мере зависит от уровня системного мышления лиц, принимающих решения. Помимо экспертных методов, описанных ранее, в помощь экспертам и руководителям экспертиз в последние годы разработаны системы искусственного интеллекта – экспертные системы (ЭС). Такие системы представляют собой комплекс программ, позволяющий в диалоговом режиме с ЭВМ расширить интеллектуальные возможности специалиста-эксперта по выбору решений в конкретной предметной области, используя записанные в память ЭВМ данные и знания специалистов, накопленный опыт. ЭС содержит необходимую информацию и правила ее использования при обосновании принимаемых решений методами системного анализа. Идея создания искусственного интеллекта (ИИ) возникла с появлением вычислительной техники и ее успешным применением в творческой деятельности человека. В создании ИИ наметились два подхода – структурный и функциональный (феноменологический). Структурный подход представляет собой создание модели – копии человеческого мозга со всеми атрибутами его функционирования. Одна-

54

55

между собой. Но парное сравнение не дает полного ранжирования объектов. Это достигается при дальнейшей обработке результатов. Непосредственная оценка состоит в том, что объекты оцениваются в принятой системе оценок на непрерывной числовой оси – в долях единицы, в баллах с применением 5-, 10- или 100-балльной шкалы. Последовательное сравнение заключается в комплексном измерении с ранжированием и непосредственной оценкой объектов, с корректировкой ранга парным сравнением. Среднее мнение всей экспертной группы получают как среднеарифметическое значение оценок экспертов, а степень согласованности мнений экспертов оценивают коэффициенты вариации. Мнение экспертов можно полагать достаточно согласованным, если коэффициент вариации не превышает значения 1/3. При больших значениях коэффициента вариации результаты экспертизы использовать не рекомендуется. В любом случае экспертные оценки являются лишь ориентиром для руководителей, принимающих решение. Последнее слово всегда за ними, на них же возлагается и ответственность за принятое решение. 3.4. Искусственный интеллект, экспертные системы

ко наши научно-технические достижения в создании ЭВМ не дают пока возможности скопировать работу такого сложного созданного природой механизма мышления, как человеческий мозг. Модель получается очень громоздкой и примитивной в функционировании. Более успешным оказался функциональный путь создания ИИ. Суть его состоит в разработке программных средств для ЭВМ, обслуживающих конкретные функции в деятельности человека и работающих по логическому принципу: если исходные условия определены и заданы, то на выходе ЭВМ выдаст вполне конкретный результат, полученный по заранее разработанному алгоритму в форме текста или числа. Диалог человека с машиной в этом случае вполне напоминает общение с разумным существом. В действительности за человеком всегда сохраняется начальная и конечная функция (постановка задачи и ответственность за результат). Человек никогда не сможет конкурировать с ЭВМ по скорости и точности вычислений, работоспособности, информационной емкости и долговременности памяти. Отсюда – необходимость обоснованного распределения функций между человеком и ЭВМ в автоматизированном проектировании и управлении строительством. Отметим здесь ряд нерешенных пока проблем, над которыми работают создатели ИИ. Это проблемы: распознавания образов по комплексу признаков; классификации объектов, сортировки по их свойствам; обучения ЭВМ, накопления знаний и их использования без пря-

щего рецептора. Цифровая модель образа становится его эквивалентом во всех последующих процедурах приема, переработки и передачи информации. Несколько сложнее обстоит дело с распознаванием звуковой и особенно речевой информации. Устная речь представляет собой последовательность элементарных звуков и пауз (фонемов). Каждая фонема имеет цифровой код, все фонемы записаны в память ЭВМ и соответствующие им звуки воспроизводятся синтезатором речи. Чтение текста и озвучивание достигается относительно просто. Проблемы возникают с распознаванием речи. Человеческое ухо делает это значительно лучше, чем электронная техника, которая не улавливает особенностей каждого голоса. Появляется необходимость в настройке системы приема звуковых сигналов на их источник, на голос диктора. К настоящему времени наметились успехи в обучении ЭВМ, накоплении знаний и их использовании без прямого участия человека. Однако в области логики действий и особенно в условиях недостатка информации поле деятельности для создателей ИИ остается открытым. Функциональный подход в создании ИИ стал основой разработки экспертных систем в различных отраслях знаний. Ниже приведены примеры таких систем.

восприятия языка человека в письменной и звуковой форме; выполнения логических действий, особенно в условиях недостатка информации. Проблема распознавания образов решается с помощью оптических систем. Объект проецируется на экран-решетку из искусственных рецепторов (фотоэлементов). Каждый рецептор образует электрический сигнал, зависящий от уровня освещенности и цвета. Сигнал квантуется по уровню и кодируется цифрой. При черно-белом изображении код сигнала состоит из двух символов – 0 и 1, соответствующих черному и белому цвету. Коды сигналов для цветных изображений включают две цифры – первая характеризует интенсивность освещения, вторая – место в цветовом спектре. Таким образом, с помощью сигналов от рецепторов формируется цифровая оптическая модель образа, его формализованное представление, включающее координаты точек и код сигнала соответствую-

DENDRAL. Разработана в середине 70-х годов в Стенфордском университете для распознавания молекулярной структуры органических соединений. MYCIN. Разработана там же в помощь физиологам при диагностике и лечении менингита и бактериальных инфекций. PROSPECTOR. Разработана в Стенфордском университете в конце 70-х годов для исследования и обнаружения полезных ископаемых. С помощью этой системы было открыто месторождение молибдена в штате Вашингтон. CADUCEUS. Разработчик Попл, 1982 г. ЭС диагностики внутренних болезней. База знаний включает около 500 болезней и 100 000 симптомов. В настоящее время в США, Германии, Японии и других развитых странах разработаны и используются сотни ЭС, в том числе и в строительстве. Это ЭС для проектирования стальных конструкций (SSPG), оболочек (BUCKLING EXPERT), железобетонных балок (GEPSE), мостовых ферм (BTEXPERT, RTEXPERT), состава бетона (DURCON) и многие другие.

56

57

В качестве примера рассмотрим работу с ЭС США BTEXPERT для проектирования мостовых ферм. Схема ЭС представлена на рис. 21. Пользователь

Подсказка

Интерфейс пользователя

нее будут учтены все эти факторы при создании системы «Мост», тем полнее будет реализован системный подход в организации сквозного автоматизированного проектирования и управления строительством этого объекта. Мостовая ферма 100 ft < пролет < 520 ft

Блок объяснений

(ввод/вывод) Механизм вывода База знаний, данных и правил

Рис. 21. Схема ЭС

Работа пользователя построена по принципу выбора решений из числа возможных и содержащихся в базе знаний. Механизм вывода обеспечивает вывод нужной информации по запросу пользователя с подсказкой при затруднениях и с пояснением по принимаемым решениям. Возможные (альтернативные) проектные решения для мостовых ферм включены в ДЦ, показанное на рис. 22. Двигаясь по ДЦ сверху вниз, пользователь выбирает варианты решений, соответствующие его исходным данным и получает решение с оптимальной по стоимости высотой фермы и соответствующим числом панелей. Как видно из примера, ЭС дает возможность сделать первые шаги в организации сквозного автоматизированного проектирования и управления строительством, получить оптимальное значение высоты фермы из сталей разных марок. Однако за пределами оптимизации остаются другие факторы, влияющие на выбор решений при системном подходе. Ферма является лишь элементом пролетного строения моста, системой же является весь мост с опорами, при этом возможны различные типы пролетных строений, различные опоры, материалы и технологии производства работ, различные условия эксплуатации моста с соответствующими затратами, надежностью и долговечностью конструкций. Чем пол58

Пролет < 180 ft Тип фермы 1

Пролет 180–360 ft Тип фермы 2

100–125 125–150 151–180

Пролет 360–520 ft Тип фермы 3 361–420 421–470 471–520

Тип нагрузки 1

2

3

Сталь М183 Сталь М223 Сталь М244 Оптимальная высота и число панелей

Рис. 22. Дерево целей в ЭС BTEXPERT

4. Информационные модели объектов строительства 4.1. Понятие модели и моделирования Автоматизированное моделирование систем является относительно новым направлением в науке, и терминология здесь еще полностью не сложилась. Различные авторы по-разному трактуют понятия модели и моделирования. Обобщая предложения по терминологии в этой области, под моделью системы будем понимать некоторую упрощенную систему, обладающую основными свойствами исходной системы, подлежащей исследованию. 59

Перечень основных свойств, которыми должна обладать модель системы, определяется целью функционирования системы, характеристиками и свойствами ее элементов, задачами исследования. Упрощенное представление системы в модели имеет целью упростить и сам процесс исследования, в котором должен решаться вполне ограниченный круг задач, являющихся существенными именно в этом исследовании. Степень соответствия (адекватности или подобия) модели и системы может быть различной. Естественно, что полное тождество модели и системы наилучшим образом решает все проблемы исследования, однако экономически такие модели оказываются нецелесообразны, а моделирование теряет свой смысл. Понятие «моделирование» является более общим по отношению к модели. В большинстве случаев моделированием называют процесс исследования системы на ее модели, включая и построение модели этой системы. В соответствии с кортежным представлением системы (15) описание модели имеет вид

¦ : ^ x  , x  , a , t , y , S , v, v ` ,

(18)

огде x   X  – набор входных воздействий в систему ( X  – область входов); x   X  – набор выходных воздействий; a  A – набор постоянных параметров системы; y  Y – набор переменных параметров; y S x  , a, t – правило функции оператора S, включающее зависимость от времени t T ; x – v x  , a, t , y – правило v для области выходных воздействий; x – v x  , a, t – правило v , получаемое подстановкой функции S в правило v. В практике моделирования часто используется модель системы типа «черного ящика», содержание которого неизвестно, но известна однозначная связь между входом и выходом для определенных ситуаций. Повседневными примерами таких систем являются телевизоры, приемники. Подавляющему числу людей, пользующихся этими приборами, их устройство неизвестно. Однако это не мешает им получать изображение и звук нужной интенсивности с помощью кнопок и регуляторов. Кортеж для модели типа «черного ящика» имеет минимальное число составляющих компонентов



где x





 

v x .









¦: ^ x , x , v ` 60

(19)

Кортежное представление модели (18), (19) отражает ее структуру, но не содержит количественного описания связей между элементами. Построение моделей и их использование для решения строительных проблем с получением количественных оценок рассмотрено далее. 4.2. Классификация моделей и требования к ним Поскольку модели отражают основные свойства систем, то вид модели тесно связан с видом моделируемых систем, классификация которых приводилась ранее. При этом различают два больших класса моделей, связанных с характером моделируемых систем – статические и динамические модели. Статические модели отражают структуру, вид объектов, состав их элементов, образующих целостную систему. Динамические модели создаются для моделирования процессов в системах, протекающих в пространстве и во времени. По материалам моделей, способам построения и использования различают следующие разновидности моделей (рис. 23). Модели

Физические Физически подобные Геометрически подобные Аналоговые

Аналитические

Смешанные

Математические

Детерминированные

Знаково-графические

Вероятностные

Текстуальные

Имитационные

Эвристические

Рис. 23. Разновидности моделей

Физические модели – модели из реальных материалов, построенные с соблюдением законов подобия. Физические модели можно разделить на физически подобные, геометрически подобные и аналоговые модели. 61

Физически подобные модели создаются для изучения отдельных физических явлений с соблюдением законов подобия для этих явлений (механические, аэродинамические, гидравлические модели, модели теплопередачи и т. п.). Например, для оценки несущей способности балок реального покрытия здания можно использовать механическую модель в виде балки уменьшенных размеров. Геометрически подобные модели могут выполняться из самых различных материалов. Они отличаются от оригинала масштабом, и это позволяет исследовать геометрическую структуру системы. Свойства материала модели здесь не имеют значения. Примерами таких моделей могут служить макеты зданий, используемые при разработке архитектурных решений в застройке города. Аналоговые модели построены с использованием аналогии в различных процессах, имеющих разную физическую природу, но одинаковые зависимости между некоторыми параметрами этих процессов. Пусть механическое напряжение в центрально нагруженном стержне определяется по формуле

где U – электрическое напряжение; R – сопротивление проводника Зависимости (20) и (21) дают возможность исследовать механические напряжения с помощью электрической схемы, т. е. системы, имеющей совершенно другую физическую природу. При построении аналоговых моделей для решения задач, связанных с распределением ресурсов, могут использоваться также гидравлические, оптические, акустические, тепловые модели. Построение и применение таких моделей ждет своих исследователей. Аналитические (абстрактные) модели построены человеком на основе наблюдения за окружающей природой без привлечения реальных

материалов. Они могут быть математическими, знаково-графическими или текстуальными моделями. Математические модели представляют собой совокупность формул и логических условий, связывающих параметры состояния модели и внешние воздействия. Разновидностями математической модели являются детерминированные, вероятностные (статистические или стохастические) и имитационные модели. Детерминированная математическая модель (линейная, нелинейная, непрерывная, дискретная – по виду функций) однозначно связывает входные и выходные параметры модели функциями соответствующего вида. В вероятностной модели связи параметров носят случайный характер, описываются законами теории вероятностей и математической статистики. Имитационная модель содержит детерминированные, вероятностные и вообще четко не описанные связи. Чтобы получить представление о результатах моделирования требуется многократное применение модели. Знаково-графические модели содержат знаки, символы, схемы, таблицы, графики или чертежи, раскрывающие структуру системы и взаимосвязи между элементами. Текстуальные модели описывают свойства систем с помощью языковых текстов, таблиц, имеют вид инструкции, руководства и т. п. Разновидностью аналитической модели является встречающаяся в литературе эвристическая модель. Такая модель строится на основе гипотезы, научного предположения и интуиции исследователя. Применение эвристической модели нуждается в специальном обосновании достоверности получаемых результатов моделирования. Из всех аналитических моделей наиболее четкую формализацию связей имеют математические модели. Знаково-графические модели обладают большой наглядностью. Наибольшей сложностью в описании связей между элементами отличаются текстуальные модели. В практике моделирования часто используют смешанные модели, представляющие собой комбинации отдельных разновидностей физических и аналитических моделей. Независимо от вида модели все они должны отвечать следующим требованиям. 1. Модель должна быть узконаправленной на достижение конкретной цели исследования, максимально простой, отражать лишь те

62

63

N , A

V

(20)

где N – продольная сила; A – площадь сечения стержня. Аналогично определяется сила тока в проводнике по закону Ома:

I

U , R

(21)

свойства системы, которые влияют на конечные цели функционирования этой системы в данном исследовании. 2. По набору свойств модель должна быть адекватна системе. В ней должны выполняться основные физические законы, которые проявляются в реальной системе. 3. Сложность модели, ее структура должны быть оптимальными и достаточными для обеспечения необходимой точности результатов моделирования. Чувствительность модели к изменению параметров должна удовлетворять заданным требованиям по точности. 4. Модель должна быть экономичной по затратам всех видов ресурсов в процессе моделирования. Отметим здесь противоречивость различных требований, обусловленных, с одной стороны, стремлением максимально упростить модель, с другой – получить модель, адекватную системе и достаточно полно отражающую ее свойства. Поэтому построение модели с учетом всех требований является искусством исследователя и приходит с опытом. Основным и обобщающим требованием к моделям и процессу моделирования является обеспечение высокой достоверности и надежности результатов исследований при моделировании систем.

делирование дает возможность оценить адекватность модели и системы наилучшим образом.

Прототип

Физические модели

Физический эксперимент

Математическая модель

Математическое моделирование

Теория подобия Теория размерностей

Рис. 24. Схема взаимосвязи физической и математической моделей

Физическое моделирование применяется обычно в экспериментальных исследованиях для обоснования теоретических предпосылок, научных гипотез, которые впоследствии становятся основой для разработки математических моделей. На рис. 24 показана схема разработки математической модели для некоторого физического прототипа. Для моделирования процесса или объекта исследователь находит в окружающей природе ближайший прототип со сходным процессом, дополняет его своими представлениями, строит физическую модель с учетом требований теории подобия и теории размерностей. Затем, проведя физический эксперимент, получает материал для теоретических обобщений, которые и дают возможность построить математическую модель. Такова общая закономерность построения математических моделей. В отдельных случаях авторы могут строить свои математические модели на результатах аналогичных исследований, проведенных в смежных отраслях науки и техники. Однако и в этих случаях физическое мо-

Физическое моделирование может быть использовано непосредственно для проектирования и управления в строительстве. Примером этому является широкое применение макетирования в архитектурном проектировании городской застройки. В Киевском инженерно-строительном институте физическая модель фундамента сложной конфигурации успешно применялась для расчета и проектирования конструкций реального сооружения. Теоретическое решение контактной задачи для такого фундамента просто неизвестно. Однако измерение деформаций и контактных давлений на физической модели дали возможность, используя теорию подобия, определить усилия и деформации для реального фундамента. Тесная связь физического и математического моделирования систем делает необходимым краткое изложение основных положений теории подобия и теории размерностей, на базе которых осуществляется физическое моделирование. Теория подобия изучает условия, в которых процессы (объекты) можно полагать подобными друг другу. Два процесса называют физически подобными, если они имеют одинаковую физическую природу и их характеристики отличаются только масштабом для одноименных параметров. При этом масштабы эти не могут быть произвольными, они должны отвечать требованиям, изложенным в соответствующих теоремах [8]. Известны три основных теоремы подобия. Теорема 1. Коэффициенты подобия (масштабы) параметров модели и системы должны соотноситься между собой согласно физическому закону, составляющему предмет исследования на данной модели.

64

65

4.3. Физическое моделирование систем. Теории подобия и размерностей

Например, для механического взаимодействия тел физическим законом является второй закон Ньютона F = ma,

(22)

где F – сила, действующая на массу тела m; a – ускорение, получаемое массой в результате действия этой силы. Если t – время действия силы, S – путь движения массы, то a

S иF t2

Sm . t2

(23)

Из выражения (23) получим критерий подобия по Ньютону Sm Ne = 2 = idem. t F

(24)

Критерий подобия, записанный через коэффициенты подобия, называется индикатором подобия

D s Dm

1,

Dt 2 D f

(25)

где D s – коэффициент подобия для линейных размеров модели и системы; Dm – коэффициент подобия для масс; Dt – коэффициент подобия для времени протекания процесса в модели и в системе; D F – коэффициент подобия для сил. Аналогичным образом записываются критерии и индикаторы подобия в исследованиях действия гравитационных сил (критерий Фруда), волновых явлений (критерий Эйлера), явлений теплопроводности (критерий Фурье) и другие. Отметим, что невозможно обеспечить подобие физической модели и системы по всем критериям. В зависимости от физики изучаемых явлений значение индикатора подобия будет говорить о степени подобия модели и системы. Чем ближе его значение к единице, тем точнее моделирование. 66

Теорема 2. При моделировании необходимо обрабатывать не отдельные параметры, а их комплексы, входящие в критерий подобия. Теорема 3. Процессы в модели и системе должны описываться одними и теми же уравнениями, граничными и начальными условиями. Теория размерностей изучает законы построения моделей на основе анализа размерностей параметров объектов исследования. Теоремы теории размерностей. Теорема 1. Размерности параметров модели и системы должны быть одинаковыми. Теорема 2 (теорема Фурье). В любом уравнении все его члены должны иметь одинаковую размерность. Теорема 3 ( -теорема). Любой параметр в модели и системе с помощью преобразований и некоторого числа можно представить в безразмерном виде. При проведении физических экспериментов кроме проблемы подобия необходимо иметь в виду еще одну особенность моделирования. Дело в том, что все реальные системы, процессы и их параметры имеют вероятностную природу, обладают различной изменчивостью при измерениях. Поэтому данные измерений в экспериментах должны быть достаточно представительны по выборке и обработка их должна производиться методами математической статистики. Указанные обстоятельства свидетельствуют о том, что физическое моделирование является достаточно сложным делом, а авторам экспериментов всегда предстоит серьезная работа по доказательству пригодности полученных на модели результатов для реальной системы. 4.4. Математическое моделирование систем Математическое моделирование систем является наиболее экономичным и эффективным способом получения прогноза состояния систем при обосновании решений. В п. 4.3 была изложена общая закономерность построения математических моделей, их связь с физическим моделированием. После выбора прототипа объекта (процесса), выбора математического аппарата для формализации связей в модели и обеспечения всех требований к моделям проводится численный эксперимент обычно с широким применением вычислительной техники. 67

Очень важным этапом в подготовке к моделированию является оценка адекватности математической модели и системы. Известны следующие способы оценки адекватности. Анализ структуры математической модели (ММ), полноты описания функциональных связей системы, ограничений на значение отдельных параметров. Такой анализ дает возможность исключить грубые ошибки в модели еще до процесса исследования. Анализ работоспособности ММ в ситуациях, когда результаты моделирования очевидны. Решение тестовых примеров, сравнение результатов моделирования на построенных ММ с результатами, полученными другими авторами и на других моделях при одинаковых исходных условиях. Проверка данных моделирования экспериментальным путем на физических моделях. Оценка адекватности модели и системы предполагает их соответствие друг другу по чувствительности реагирования на изменение входных параметров. Количественно чувствительность модели выражается изменением выходных параметров при некотором единичном изменении одного из входных параметров. Изменения могут быть в абсолютных единицах измерения, они могут быть относительными – в долях единицы или в процентах. Количественное представление о чувствительности модели к изменению параметра x дает частная производная по x

kх

wФ , wх

где Ф – функция изменения состояния модели, отражающая изменение выходных параметров. Построение ММ заканчивается, если удовлетворены все требования, предъявляемые к модели, проверена ее работоспособность и чувствительность. Далее ММ могут быть использованы для оценки состояния систем аналитическим или численным методом путем проведения численного эксперимента на ЭВМ. С появлением вычислительной техники интенсивно развиваются численные методы как раздел прикладной математики. Численными методами решаются типичные задачи математического анализа (приближение, аппроксимация, дифференцирование, интегрирование), задачи алгебры, осуществляется решение дифференциальных и интегральных уравнений, задач оптимизации. 68

В строительной механике широкое применение получили численные методы расчета на основе теории матриц. С помощью ЭВМ стало возможным решение уравнений метода сил и метода перемещений с большим числом неизвестных. Для расчета конструкций в сооружениях сложной конфигурации получили развитие численные методы на основе дискретных в пространстве и во времени расчетных схем – метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ), дискретно-шаговые методы (ДШМ). Основная идея МКР состоит в замене точных значений производных их приближенными значениями через конечные разности функций. Замена точных значений производных конечными разностями сводит задачи, описываемые системами дифференциальных уравнений, к задачам решения систем алгебраических уравнений в рекуррентной форме, что очень удобно для вычисления на ЭВМ. В МКЭ объект расчета заменяется системой плоских или пространственных конечных элементов, а математическая модель (уравнения равновесия, совместности деформаций и закона деформирования элементов) в канонической форме описывает взаимодействие элементов в сооружении с учетом граничных условий. Совместное решение уравнений математической модели для всех конечных элементов раскрывает напряженно-деформированное состояние сооружения. Дискретно-шаговые методы описывают состояние объекта в МКР или МКЭ в последовательных дискретных шагах расчета от начала загружения. Это дает возможность достаточно просто учитывать нелинейные свойства материалов конструкций и внешних воздействий путем аппроксимации нелинейных функций кусочно-линейными с любой заданной точностью приближения. Математическое моделирование является главной составной частью математического обеспечения систем автоматизированного проектирования и управления (САПР и АСУ), которое содержит описание математических методов, алгоритмы и модели для решения задач. На рис. 25 показана схема функционирования САПР и АСУ, поясняющая роль математического моделирования при обосновании принимаемых решений. Пользователь САПР и АСУ (оператор) вводит исходные данные в блок 1. В блоке 2 хранится информация базы данных, которая в конкретном исследовании является неизменной. Это требования нормативов, инструкций, положения рекомендаций, носящие общий характер. Опе69

рационный блок 3 (процессор) осуществляет моделирование по соответствующей программе, используя информацию из блоков 1 и 2. Блок принятия решений 4 контролирует состояние моделируемой системы по заданным критериям с учетом заданных ограничений и дает команду на окончание процесса моделирования, после чего информация о принятом решении и соответствующем ему состоянии подается на выходной блок 5 на экран дисплейного терминала или в виде распечатки на АЦПУ. Пользователь ЭВМ анализирует эту информацию и, если решение его не устраивает, меняет входные данные и процесс повторяется.

S = dE,

(26)

где S – напряжение сжатия или растяжения в стержне; d – относительная деформация стержня; E – модуль упругости (модуль Юнга). На рис. 26 показана графическая связь S и d в модели Гука. S

S

S1

E

1. Входной блок

tgO O

S

d1

S1 d1

E

d

Рис. 26. Модель Гука 2. Блок хранения информации

3. Операционный блок

4. Блок принятия решения

Для стержня из идеально пластического материала применяется модель Сен-Венана (рис. 27). S

5. Выходной блок (решения)

S при S < K, d = 0 при S = K, d of

S=K K

K

Рис. 25. Схема функционирования САПР и АСУ

Различие в математическом моделировании систем при проектировании и управлении состоит в том, что целью моделирования в первом случае является разработка проектно-сметной документации на объект, а во втором случае моделируются технологические процессы по возведению этого объекта. При безбумажной технологии с общей информационной базой для САПР и АСУ моделирование при проектировании объекта непрерывно переходит в моделирование технологии производства работ, и процесс моделирования становится единым для всего создаваемого объекта. 4.5. Реологические модели в строительстве Реологические модели применяются для описания процессов деформирования конструкций в пространстве и во времени. Наиболее простой и часто применяемой является модель Гука для идеально упругого стержня, в которой напряжения и деформации связаны зависимостью 70

d

S

Рис. 27. Модель Сен-Венана

Деформации упруго-пластического стержня описываются моделью Прандтля (рис. 28). S S

при S < K, S = d˜E; d

E

K

при S = K, d of K dк E

S =K

S a

d

dк S

Рис. 28. Модель Прандтля 71

S E

Модель Фойгта применяется для стержня из упруго-вязкого материала (рис. 29). Модель представляет собой комбинацию упругой модели Гука и вязкой модели Максвелла. S S = d˜E + d˜P P

E

P – коэффициент вязкости материала; d – скорость относительной деформации

S

Рис. 29. Модель Фойгта

Для описания деформации материалов, обладающих свойством ползучести, с развитием деформаций под нагрузкой во времени, применяется модель технической теории ползучести старения (рис. 30). S

dп(t) = d0Mt d(t) = d0 + dп(t) = d0(1 + Mt)

E

P d0 S

dп(t) – деформация ползучести к моменту времени t; d0 – начальная (упругая) деформация; d п (t ) = характеристика Mt d0 ползучести

d

dп(t) t

Рис. 30. Модель технической теории ползучести

Модель Гука применяется для оценки деформаций в различных конструкциях, если напряжения в них не превышают половины предельных напряжений, при которых происходит разрушение материала конструкции. С увеличением напряжений выше половины предельных в конструкциях развиваются пластические деформации; зависимость напряже72

ний от относительной деформации становится нелинейной. При разгрузке в конструкциях появляются остаточные деформации. Модель Прандтля применяют для учета деформаций в арматурных стержнях из сталей с выраженной площадкой текучести. Модель Фойгта используется в динамических расчетах стальных и железобетонных конструкций, в которых вязP кость материала способствует затухаf нию колебаний. h В качестве примера использования моделей рассмотрим работу простейшей конструкции – железобетонного кронштейна (рис. 31). l В верхнем стержне на растяжение работают два стержня арматуры Ø12 мм Рис. 31. Схема кронштейна класса АIII. Подкос из бетона класса В20, имеет сечение 300 300 мм. Требуется отследить напряженно-деформированное состояние кронштейна от возрастающей силы P вплоть до его разрушения. Диаграмма сжатия S(d) для бетона класса В20 показана на рис. 32. Нелинейную диаграмму сжатия S(d) будем аппроксимировать кусочно-линейной функцией с точками перелома 1, 2 и 3.

S с1 Sс2

S S S S

Sс3 O3

O2 O1 d с1

dс2

d с3

dc

Координаты точек перелома: 7 ,5 МПа, d с1 0,0003 ; 13 МПа, d с 2 0,001 ; 15 МПа, d с 3

tgD1

E с1

tgD 2

Eс2

= 7857 МПа; tgD 3

Eс 3

Рис. 32. Диаграмма сжатия бетона = 2000 МПа. класса В20

73

0,002 (разрушение);

7,5 25 000 МПа; 0,0003 13  7,5 = 0,001  0,0003 15  13 = 0,002  0,001

Диаграмма растяжения для арматуры класса АIII показана на рис. 33. S p1

400 МПа; d p1

0,002 .

Sp

S p2

450 МПа; d p 2

0,07 .

S p3

S p3

600 МПа;

d p3

0,10 (разрушение).

S p2 S p1

O3 O2 O1 d p1

d P2

d p3

dp

Рис. 33. Диаграмма растяжения арматуры класса АIII

tgD1

E p1

tgD 2

E p2

tgD 3

E p3

400 200 000 МПа; 0,002 450  400 735 МПа; 0,07  0,002 600  450 500 МПа. 0,10  0,07

Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) кронштейна от возрастающей нагрузки используется дискретно-шаговый метод расчета с алгоритмом, показанным на рис. 34. Усилия сжатия Nc и растяжения Np определяются методом вырезания узлов в кронштейне. Затем определяются напряжения в сжатом и растянутом элементах, деформации с учетом диаграмм сжатия и растяжения. По этим деформациям определяется вертикальное перемещение точки приложения силы f(p). Для кронштейна с размераP ми l = 3 м, h = 3 м разрушение проNc исходит при нагрузке P = 135 кН; Nр перемещение f = 0,3 м. Первым разрушается растянутый стерSc Sр жень. Диаграмма деформирования dc dp кронштейна, полученная с помощью электронных таблиц Excel, f(p) P + dp показана на рис. 35. Рассмотрим далее применеВывод P, f ние модели Гука в динамической задаче о колебаниях массы М на Рис. 34. Алгоритм расчета НДС упругой подвеске (рис. 36).

f, м С M z(t)

P(t)

P, кН z

Рис. 36. Схема подвески массы М

Рис. 35. Диаграмма деформирования кронштейна

Уравнение движения массы М имеет вид

P t  zcc t M  z t C

0,

(27)

где P(t) – динамическая нагрузка, приложенная к массе М, находящейся в равновесии; С – жесткость пружины в подвеске; z t , z cc t  перемещение и ускорение массы М в момент времени t. Из уравнения движения (27) дискретно-шаговым методом находятся параметры движения массы М. Алгоритм вычисления приведен на рис. 37.

Рис. 37. Алгоритм вычислений параметров движения 74

x

75

Для системы с массой М = 1 кг с2/см, с жесткостью С = 100 кг/см теоретическое значение круговой частоты колебаний C M

Z Частота колебаний

100 1

10 рад/с.

Z 10 1,6 Гц. 2S 2 ˜ 3,14 Период собственных колебаний 1 1 0,63 с. T f 1,6 На рис. 38 приведен график колебаний массы М, полученный с помощью электронных таблиц Excel дискретно-шаговым методом по алгоритму на рис. 37 при dt = 0,1 c после воздействия на массу импульса силы P = 100 кг длительностью 0,1 с. При шаге dt = 0,1 / 2 = 0,05 c график практически не изменяется, что доказывает устойчивость и достаточную точность вычислений по Рунге – Кутту. Статическое перемещение массы от максимальной нагрузки Pmax 100 1 cм. zст C 100 Максимальное динамическое смещение zmax = 1 см. Коэффициент динамичности zmax k дин 1. zст f

z, см

t

Рекомендуемая литература к разделу I 1. Антонов А. В. Информация: восприятие и понимание. – Киев: Наукова думка, 1988. – 184 с. 2. Варламов Н. В. Системы автоматизированного проектирования в строительстве / СПбГАСУ. – СПб, 1992. 3. Голдман С. Теория информации / Пер. с англ. – М., 1957. – 446 с. 4. Информатика: учебник / Под ред. проф. Н. В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика., 1997. – 768 с. 5. Колесник В. Д., Полтырев Г. Ш. Курс теории информации. – М.: Наука, 1982. – 416 с. 6. Козырев А. А. Информатика: учебник для вузов. – СПб., 2002. – 511 с. 7. Орлов В. А., Филиппов Л. И. Теория информации в упражнениях и задачах. – М.: Высшая школа, 1976. – 136 с. 8. Пеньковский Г. Ф. Системный анализ и моделирование систем в строительстве / СПбГАСУ. – СПб., 1999. – 97 с. 9. Информационные системы для руководителей / Ф. И. Перегудов и др. – М.: Финансы и статистика, 1989. – 176 с. 10. Справочник библиографа / Науч. ред. А. Ванеев и др. – СПб.: Профессия, 2003. – 560 с. 11. Технологические правила проектирования объектов строительства: методическое руководство. – М.: ГП УНС, 1998. – 127 с. 12. Ханенко В. Н. Информационные системы. – Л.: Машиностроение, 1988. – 127 с. 13. Шеннон К. Э. Работы по теории информации и кибернетики / Пер. с англ. – М., 1963. – 829 с. 14. Дворкина М. Я. Информационное обслуживание. Социокультурный подход. – М.: НПО «Профиздат», 2003. – 112 с. 15. Информатика. Базовый курс / С. В. Симонович и др. – СПб.: Питер, 1999. – 640 с.

T

Рис. 38. График колебаний массы М 76

77

II. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА 1. Общие положения проектирования объектов строительства 1.1. Инвестиционный проект в строительстве, его этапы Инвестиционный проект в строительстве представляет собой план вложения финансовых средств и материальных ресурсов в производство на строительных предприятиях для достижения некоторых экономических или политических целей. Порядок вложения инвестиций в строительстве описывается в строительных правилах СП 11-11–95 [23], предусматривающих поэтапное развитие инвестиционного процесса. Основными являются три этапа этого процесса – замысел, реализация строительства и эксплуатация объекта [26]. Замысел инвестиционного проекта – это определение цели инвестирования, номенклатуры проектируемой к выпуску продукции, назначения и мощности объекта строительства. Для этого изучается рынок предполагаемой продукции, источники финансирования, возможности достижения поставленной цели. Эту работу выполняет потенциальный инвестор с привлечением консультантов на договорной основе и затем разрабатывает ходатайство (декларацию) о намерениях инвестирования. После согласования декларации с местной администрацией предполагаемого района размещения объекта инвестор совместно с проектно-изыскательской организацией разрабатывает детальное обоснование инвестиций в строительство объекта – бизнес-план строительства, необходимый для получения кредита и открытия финансирования строительства. Реализация строительства включает в себя разработку проектной документации на объект. Вначале разрабатывается проект (утверждаемая часть рабочего проекта), производится согласование, экспертиза и утверждение документации, выделяется участок под строительство объекта. Затем разрабатывается рабочая документация со всеми спецификациями на материалы и оборудование, с объектной сметой на строительство. Готовится тендерная документация для конкурсного отбора строительного подрядчика, который осуществляет строительство объекта в соответствии с утвержденной проектной документацией, требова78

ниями строительных норм. Затем производится ввод объекта в эксплуатацию. На этапе строительства проектная организация осуществляет авторский надзор за проведением строительных работ. Эксплуатация объекта обеспечивает достижение целей инвестирования, вложенные средства окупаются к заданному сроку и объект приносит запланированную прибыль инвестору. К моменту физического или морального износа объект может быть ликвидирован с утилизацией его конструкций и оборудования, либо перепрофилирован под новый технологический процесс. В последнем случае проектноизыскательская организация производит обследование состояния объекта, разрабатывает проект капитального ремонта или проект расширения, реконструкции и технологического перевооружения основных фондов предприятия. 1.2. Порядок разработки и состав проектной документации Порядок разработки и состав проектной документации изложены в строительных правилах СП 11-101–95 [22]. Разработка проектной документации на строительство объектов осуществляется на основе утвержденных обоснований инвестиций в строительство этих объектов. Основным проектным документом на строительство является технико-экономическое обоснование – проект – первая стадия разработки проектной документации (рис. 1). В одну стадию проект разрабатывается для простых типовых объектов или объектов, строящихся по документации повторного применения. Производится привязка проекта к местным условиям, согласование, экспертиза, утверждение и выдача проекта. Для уникальных сооружений проект является первой стадией разработки документации, а после его утверждения на второй стадии разрабатывается рабочая документация. Информационная технология проектирования представляет собой процесс создания прогностической информационной модели объекта будущего строительства (нового или реконструируемого). Проект, как информационная модель объекта строительства, разрабатывается в виде технической документации, имеющей определенную структуру, форму и содержание. 79

Проект

Правила формирования проектной документации изложены в методическом руководстве [25].

Первая стадия

Согласование Экспертиза Утверждение

1.3. Проектные организации, развитие компьютерной технологии проектирования

Выдача документации для типовых объектов

Система организации проектирования в крупных проектных институтах может быть трех видов: функциональная, комплексная и смешанная [9]. Функциональная система организации проектирования (рис. 3) ориентирована на выполнение отдельных частей проекта в соответствующих отделах проектной организации (института). Проекты в таких организациях выполняют, главным образом, для объектов промышленного строительства, а координацию работы отделов осуществляет главный инженер проекта (ГИП) и главные специалисты.

Вторая стадия Рабочая документация

Выдача документации для уникальных объектов

Рис. 1. Стадии разработки проектной документации

Директор

Примерная структура проекта показана на рис. 2.

Мероприятия по гражданской обороне, охране среды

ПРОЕКТ Пояснительная записка Технологическая часть Генплан, транспорт

Архитектурностроительная часть

Инженерные сети, оборудование

Объемнопланировочное решение

Помещения Оборудование Организация труда Управление производством

Строительные конструкции

Организация строительства

Проект организации строительства Водоснабжение Канализация Отопление Вентиляция

Спецификация на материалы и оборудование

Проект производст ва работ (ППР)

Рис. 2. Структура проектной документации 80

Техникоэкономическая часть

Главный инженер

Заместитель директора

Проектные отделы

Отделы обслуживания

Рис. 3. Функциональная структура организации

Сметы

Комплексная система организации проектирования (рис. 4) включает ряд специализированных мастерских, каждая из которых работает по схеме функциональной организации. Объектами проектирования здесь являются здания и сооружения городской застройки, жилые здания, общественные здания культуры, спорта, здравоохранения. Координацию работы над проектами этих объектов осуществляет главный архитектор проекта (ГАП). 81

Смешанная организация проектирования чаще применяется в мелких проектных организациях. Развитие автоматизации проектирования происходило в несколько этапов. На первом этапе основной процесс автоматизации осуществлялся на общем вычислительном центре с единой системой обслуживания. Применялся пакетный режим работы проектировщиков с вычислительной машиной, при котором проектировщик готовил пакет документов с исходными данными, а вводил эти данные и получал распечатку документов на ЭВМ оператор. Если результаты расчета не устраивали проектировщика, процедура повторялась. На втором этапе автоматизация проектирования развивалась по пути оборудования автоматизированных рабочих мест (АРМ) на основе персональных ЭВМ, установленных в отделах и в мастерских. Проектировщики получили непосредственный доступ к вычислительной технике для работы в диалоговом режиме, что существенно сократило процедуру проектирования, но потребовало повышения квалификаций проектировщиков.

Третий этап характеризуется созданием в проектных организациях локальных информационно-вычислительных сетей (ЛИВС) с единой информационной базой для всех АРМ. В перспективе использование единой информационной базы целесообразно как в проектной, так и в строительной организации, так как позволит перейти к безбумажной технологии проектирования и управления строительным производством. Опыт такой организации работ уже имеется в передовых строительных фирмах Германии, США, Японии. Проектно-строительные фирмы имеют возможность выполнять проектные и строительные работы параллельно, оперативно менять проектные решения с учетом возможностей строительства, что сокращает его сроки и повышает качество работ. 1.4. Проектные функции

Рис. 4. Комплексная структура организации

Проектными функциями являются характерные виды работ, которые обеспечивают достижение общих целей и задач проектной деятельности в инвестиционном комплексе страны. К проектным функциям относятся следующие регулярно и последовательно выполняемые в проектной организации виды проектной деятельности: 1. Выбор подрядчика – участие в торгах (тендерах) подряда на проведение проектных работ, оценка и выбор субподрядной организации. 2. Разработка заданий на подготовку проектной документации. 3. Организационно-технологическая подготовка проектирования. 4. Информационное обеспечение проектных работ. 5. Разработка проектных решений. 6. Формирование проектной документации. 7. Согласование проектной документации. 8. Экспертиза (внешняя оценка) проектной документации. 9. Утверждение (рассмотрение, одобрение) проектной документации. 10. Хранение, тиражирование, ведение проектной документации. Кроме указанных видов работ проектные организации могут выполнять специальные виды проектной деятельности в тех объемах, которые могут возникать на отдельных этапах инвестиционного цикла. Это следующие виды работ: 1. Проведение маркетинговых исследований по определению потребностей рынка в предполагаемой к выпуску продукции.

82

83

Директор

Главный инженер

Заместитель директора

Специализированные мастерские

Отделы обслуживания

Проектные группы

2. Выбор и согласование площадки для строительства. 3. Прогнозирование экологических последствий строительства. 4. Проведение социально-экономических и демографических исследований при обосновании строительства. 5. Проектирование нестандартного оборудования и механизмов. 6. Анализ эксплуатационных показателей проектируемых объектов. 7. Разработка проектов производства работ (ППР). 8. Проведение авторского надзора за строительством. 9. Участие в приемке объекта в эксплуатацию. 10. Подготовка исполнительной документации и помощь в организации эксплуатации объектов.

опыт, уровень квалификации, надежность выполнения работ в организации; качество проведения работ; сроки и порядок проведения работ, возможности привлечения специализированных организаций; уровень автоматизации проектных работ и эффективность использования средств автоматизации; наличие и содержание отзывов о работе организации. Таблица 1 Порядок проведения конкурсных торгов

1.5. Выбор подрядной проектной организации Этап

С переходом к рыночной экономике выбор подрядной организации у нас стал производиться на основе конкурсных торгов (тендеров). Объектами торгов могут быть подряды (субподряды) на разработку предпроектной, проектной и рабочей документации для строительства, на проведение исследований, оказание других проектных услуг на всех этапах инвестиционного процесса [26]. Целью торгов является выбор подрядной проектной организации, наиболее полно отвечающей требованиям заказчика. Выбор может быть сделан и без проведения торгов, решение о проведении торгов принимает заказчик. Торги могут быть открытыми или закрытыми. В открытых торгах принимают участие все проектные организации, изъявившие желание и имеющие лицензию проводить соответствующие виды работ. Закрытые торги проводятся с участием заранее определенных заказчиком организаций. Порядок подготовки и проведения конкурсных торгов приводится в табл. 1. В число специалистов, представляющих интересы заказчика, рекомендуется включать ответственных лиц, которым предстоит эксплуатация и обслуживание предполагаемого объекта, а также представителей организаций, которые готовили документацию на предшествующих этапах инвестиционного процесса. Документация от участников торгов представляется в двух пакетах: в первом – технические предложения, во втором – коммерческие. При оценке технических предложений принимают во внимание следующие показатели (критерии): 84

Этап 1 Подготовка торгов

Наименование работ Формирование временной комиссии по проведению торгов Выбор и привлечение организаций для подготовки торгов Формирование организационного комитета по подготовке торгов Разработка условий торгов и форм документации, представляемой на торги: x инструкции участникам торгов; x формы технологий и коммерческих предложений участников; x форма информации об участнике торгов; x форма гарантийного письма от участника Подготовка объявления о торгах

Исполнитель Заказчик То же »

Заказчик, оргкомитет

Заказчик

Публикация объявления, извещение заинтересованных организаций и лиц

Заказчик, оргкомитет

Отбор и извещение организаций в случае закрытых торгов

Заказчик, временная комиссия, оргкомитет

85

Окончание табл. 1 Этап

Наименование работ

Этап 2 Подготовка предложений проектными организациями – участниками торгов

Подготовка технических предложений по составу, срокам и качеству выполняемых подрядных работ Расчет трудозатрат, себестоимости и времени проведения работ, расчет договорной цены работ. Подготовка коммерческих предложений на конкурс Подготовка информации об участниках торгов (о квалификации)

Этап 3 Проведение торгов

Этап 4 Подписание договора подряда

Исполнитель Подрядные организации

То же

»

»

Оплата залога участника торга

»

Направление конкурсной документации в адрес организации торгов

»

Выбор нескольких организаций с приемлемыми техническими предложениями Рассмотрение коммерческих предложений отобранных организаций Выбор победителя конкурса и оформление результатов торгов Переговоры с победителем конкурса об уточнении условий контракта Составление и подписание договора подряда

Заказчик, временная комиссия То же »

» Заказчик, подрядчик То же

Особое внимание комиссией должно уделяться направленности всех видов работ на обеспечение высокого качества услуг в соответствии с требованиями международных стандартов ИСО серии 9000. 86

2. Системы автоматизации проектных работ (САПР) 2.1. Понятие САПР, принципы построения

Подготовка гарантийного письма

Рассмотрение и оценка технических предложений участников торгов

После рассмотрения технических предложений и выбора претендентов, рассматриваются их коммерческие предложения, определяется победитель торгов, с которым уточняются условия контракта и заключается договор с заказчиком на выполнение проектных работ.

Системы автоматизации проектных работ (САПР) представляют собой комплексы технических средств и организационных подразделений, позволяющих осуществлять автоматизированное проектирование объектов строительства [5]. В проектных организациях отделы службы САПР подчинены главному инженеру. Под его руководством создается САПР с соблюдением следующих основных принципов. Системное единство САПР. Принцип состоит в том, что САПР представляет собой систему взаимосвязанных элементов, обеспечивающих целостность системы и направленных на достижение общей цели функционирования. Наибольший эффект от САПР достигается при комплексной (сквозной) автоматизации проектирования на всех уровнях с реализацией системного подхода к решению задач проектирования. Принцип развития. САПР – развивающаяся система. Она должна функционировать с учетом пополнения, совершенствования и обновления всех ее компонентов. Совместимость компонентов САПР. В системе должна быть обеспечена лингвистическая, математическая, программная, информационная, организационная и техническая совместимость всех компонентов для того, чтобы они могли взаимодействовать между собой. Стандартизация САПР. Принцип заключается в унификации, типизации и стандартизации параметров для всех компонентов САПР, в регламентации порядка работы с информацией в процессе сбора, обработки и хранения. Модульный принцип построения САПР. Принцип обеспечивает блочную структуру подсистем с независимой и автономной работой отдельных блоков. Это облегчает контроль над работой блоков, выполнение ремонтных работ с оперативной заменой блоков при обнаружении неисправностей. 87

2.2. Структура САПР, обеспечивающие и проектирующие подсистемы Обеспечивающие подсистемы (рис. 5) осуществляют следующие виды обеспечения процесса проектирования. Техническое – комплекс технических средств получения, ввода, обработки, вывода, передачи данных, отображения и архивации данных проектирования. В качестве технических средств используются все виды ЭВМ и сопутствующего оборудования. Математическое – методы, математические модели и алгоритмы для проектирования строительных объектов. Лингвистическое – алгоритмические языки программирования, специальные языки для формирования команд управления работой вычислительной техники и средств автоматизации в определенных системах. Информационное – постоянная информация в базе данных и базы знаний из строительных норм, инструкций и рекомендаций, используемая при проектировании. САПР

Методическое – методическая документация по использованию средств автоматизированного проектирования, руководства пользователя программных комплексов. Организационное – сотрудники служб и отделов САПР, документация по штатной структуре и функциональным обязанностям сотрудников. Проектирующие (функциональные) подсистемы (см. рис. 5) по составу соответствуют разделам и частям проектно-сметной документации как объектам проектирования. В зарубежной литературе структура САПР чаще представляется как совокупность двух подсистем: Hardware – все технические средства САПР. Software – все остальные средства, не связанные с техникой, и программное обеспечение. Заметим здесь, что вычислительная техника, все технические средства, представляют собой порядка 10–15 % общей стоимости средств автоматизации. Главную стоимость, до 90 %, составляют программные средства САПР, используемые при проектировании различных объектов строительства и определяющие его эффективность. 2.3. Программные средства для автоматизированного проектирования

Обеспечивающие подсистемы

Проектирующие подсистемы

Виды обеспечения Техническое Математическое Лингвистическое Информационное Программное Методическое Организационное

Объекты проектирования (части проекта) Технологическая часть Архитектурно-строительная часть Инженерные сети, оборудование Организация строительства Технико-экономическая часть

Программное – общесистемные и прикладные программы, программные комплексы для проектирования, выполнения расчетов и формирования проектной документации.

Большинство программных средств (табл. 2) работают в программной среде Windows и имеют много общего в структуре и порядке использования [8]. Каждый ПК сопровождается руководством пользователя, в котором изложен порядок применения программ при решении задач проектирования, приводятся примеры решения таких задач. Кроме того, в самой программе содержится справка с руководством пользователя, а в диалоговых окнах для основных шагов проектирования обычно есть кнопки контекстной справки. Все кнопки верхней части экрана сопровождаются надписью об их назначении при подведении курсора к этим кнопкам. На краевых участках экрана помещаются кнопки фильтров, позволяющие получить (или скрыть) информацию об объекте проектирования, увеличивать, уменьшать и поворачивать изображение объекта. В некоторых программах в нижней части экрана приводится подсказка к следующему шагу проектирования (ArchiCAD, Arc+).

88

89

Рис. 5. Структура САПР

Таблица 2 Программные средства Область применения

Базовые и прикладные программы для САПР

Программные средства и комплексы Программные средства компании Autodesk – AutoCAD 2000, RM, LT, Autodesk CAD, AutoCAD Architectural Desktop RZ, Land Development Desktop RP, Civil Disign Rl, SurveyR1, Softdesk S8 AutoArchitect (архитектура), Building Services, Suit (вентиляция, ВК, электрика, трубопроводы), Terrain Modelling Suit (геодезия, 3D моделирование, земляные работы) Credo – обработка изысканий, разработка генпланов, Lin (линейные изыскания), Dat (геодезия), Mix (генпланы, транспортные сооружения); GEO (геология); TER (3D моделирование рельефа) Маэстро – комплексное архитектурно-строительное проектирование в среде AutoCAD, А (архитектура), К (конструкции), С (сантехника, ВК, газоснабжение), АИПС (объемно-планировочные решения) Nemetchek – Allplan – архитектура, Allplot – конструкции; MicroFe; AutoCAD Land Development Desktop, Планикад (генпланы), АРКО’97R2, Archi CAD, Промкад, Arct+, 3D Flat, SCAD, COMET (узлы металлического каркаса), Кристалл, Лира, Staad III, Abis АРС, Санкад, Вокад, Тэкад (ВК, ОВ, ТЭ), TEPLOOB PC

пределяются между исполнителями, производится организационно-технологическая подготовка к проектированию и выполняется проектирование объекта с разработкой всех частей проектно-сметной документации. Ниже излагаются указанные процедуры подробнее, с изложением содержания документов. 3.1. Задание на проектирование объектов

Проектирование объектов начинается с момента участия проектной организации в разработке задания на проектирование. Задание прилагается к заявке на выполнение проектных работ, которую рассматривает руководство проектной организации. Далее проектные работы рас-

Задание на проектирование содержит в документированной форме основные характеристики и показатели проектируемого объекта, отражающие обоснованные концепции, требования и пожелания заказчика [22]. Задание является частью юридического соглашения (договора) на проектирование объекта, включая в себя основные исходные данные, требования к качеству проектной документации. Установлены три вида заданий на проектирование: а) задание на проектирование объекта строительных инвестиций; б) задание на проектирование специальных систем (функциональных, инженерных) зданий и сооружений; в) задание на разработку оборудования индивидуального изготовления. Задание на проектирование объекта составляется заказчиком проектной документации в соответствии с положениями СНиП 11-01–95 [22] с участием проектной организации на основании утвержденных материалов обоснований инвестиций. Задание на проектирование объектов производственного назначения включает перечень основных данных и требований: основание для проектирования; вид строительства; стадийность проектирования; требования по вариантной и конкурсной разработке; особые условия строительства; основные технико-экономические показатели объекта (мощность, производительность, производственная программа); требования к качеству, конкурентоспособности, к экологическим последствиям производства; требования к технологии, режиму предприятия; требования к архитектурно-строительной части объекта, к объемно-планировочному и конструктивному решениям;

90

91

Программы для комплексного проектирования – архитектура, конструкции

Инженерные коммуникации Организация строительства Сметы

Time Line (календарный план), АРМ ППР Арос (расчет объектных смет), Win смета, Puk

Программные средства разрабатываются специализированными проектно-исследовательскими организациями и фирмами, патентуются и хранятся в специальных фондах алгоритмов и программ. 3. Технология автоматизированного проектирования

выделение очередей строительства и пусков комплексов расширения; требования к разработке природоохранных мер, к режиму безопасности и гигиены производства, по гражданской обороне и чрезвычайным ситуациям. К заданию прилагается обоснование инвестиций, решение о согласовании участка строительства, технические условия на присоединение к инженерным сетям, имеющиеся данные материалов изысканий. Задание на проектирование объектов жилого и гражданского назначения содержит: пп. 1–5 такие же, как указаны для производственных зданий; в п. 6 указывается назначение зданий (жилых и общественных), этажность, число секций и квартир, вместимость, площадь и др.; в п. 7 указывается назначение и типы встроенных в жилой дом предприятий общественного обслуживания, их мощность, площади, объем; в п. 8, 9 содержатся основные требования к архитектурно-планировочным и конструктивным решениям, условиям блокировки, отделки, рекомендуемые типы квартир и их соотношение. Излагаются также требования к инженерному и технологическому оборудованию, по обеспечению условий жизнедеятельности иммобильных групп населения, благоустройству, гражданской обороне и чрезвычайным ситуациям. Задание на проектирование специальных систем и на разработку оборудования составляется генеральным проектировщиком и специализированной субподрядной организацией. Составленные задания на проектирование согласовываются со всеми субподрядными проектными организациями и затем утверждаются заказчиком. 3.2. Распределение проектных работ

задание на проектирование; решение местной администрации о выделении участка для строительства объекта; топогеодезическая съемка участка строительства; технические условия на подключение к различным инженерным сетям, на проектирование примыкающих дорог; имеющиеся материалы по инженерно-геологическим и другим изысканиям для строительства. По каждому объекту назначается главный инженер (архитектор) проекта, в обязанности которого входит координация всех видов работ с проектной документацией на этот объект. Основные виды работ и исполнители показаны на рис. 6. Руководство института Главный инженер

Рассмотрение и утверждение плана проектного института

Планово-производственный отдел

Распределение проектных работ, утверждение плана подразделений

Проектные отделы и мастерские

Распределение объектов между бригадами

Бригады

Распределение работ между исполнителями

Исполнители

Выполнение проектных работ

Организация проектных работ осуществляется руководством проектного института (организации, фирмы). Планово-производственный отдел анализирует поступившие заявки и готовит предложения по распределению работ между проектными подразделениями [9]. По указанию главного инженера института производится проверка обеспеченности проектирования объектов необходимыми исходными данными. В перечень исходной информации входят следующие документы:

Материалы инженерных и технико-экономических изысканий являются важной исходной информацией для проектирования объектов и составляют примерно треть общего объема проектно-изыскательских работ [9].

92

93

Рис. 6. Распределение проектных работ по исполнителям

3.3. Изыскательские работы

Производятся следующие изыскания. Топографо-геодезические изыскания выполняются для получения данных о границах участка, его геодезической привязки, рельефе местности, расположении на участке зданий и сооружений, растительности, дорог, водоемов. Топографические карты местности составляются в масштабах для проекта 1:5000–1:2000, для рабочей документации 1:500–1:100. Геологические и гидрогеологические изыскания включают данные о характере и несущей способности грунтов, о гидрологических условиях местности. Геологические изыскания проводят методом бурения скважин и закладки шурфов, а для высотного строительства и для слабых грунтов забивают и погружают пробные сваи. В результате исследования должны быть получены сведения о физико-механических свойствах грунтов с доверительной вероятностью не ниже 0,95, данные о подземных водах, о подземных процессах в зоне строительства. Гидрометеорологические изыскания проводятся в целях изучения поверхностных вод и климата. В них содержатся сведения о реках и водоемах, изменении в них уровня воды, возможности ее использования для производственных и бытовых целей. В процессе климатологических изысканий получают данные о температуре воздуха и ее изменениях, осадках, направлении и скорости ветра в различное время года. Особую группу составляют технико-экономические изыскания, которые включает в себя изучение экономических условий района строительства, выявление возможностей использования для будущего строительства местных материалов, обеспечение его электроэнергией, водой, транспортом, трудовыми ресурсами, определение возможностей существующей производственной базы строительных организаций. Изыскательские работы для проектирования выполняют в основном специальные местные изыскательские организации, получающие на это задание от проектных организаций. В некоторых проектных организациях эту работу выполняют имеющиеся в их составе изыскательские отделы (группы).

Организационно-технологическая подготовка проектирования осуществляется в целях формирования оптимальных технологических про-

цессов проектирования, кадрового и материально-технического обеспечения высокого качества проектной документации [25]. При подготовке проектирования разрабатываются: а) типовые и рабочие технологические процессы на проектирование объектов и всех их элементов; б) нормативы на проектированные работы, на их материально-техническое обеспечение; в) формы документации по всем видам работ. Типовой технологический процесс разрабатывается на основе анализа множества действующих известных процессов проектирования типичных и наиболее часто встречающихся в практике объектов проектирования, с учетом опыта конкретной проектной организации. Рабочий технологический процесс разрабатывается на конкретные объекты капитального строительства, включенные в план проектно-изыскательских работ, в условиях информационного обеспечения конкретной проектной организации. По сути – это комплекс технологических операций на выполнение всех видов проектных работ. Технологический процесс проектирования является основой для определения: состава и последовательности проектных работ; способов и методов проектирования; состава информационного обеспечения; номенклатуры технических и программных средств; состава и квалификационного уровня проектировщиков; трудоемкости, продолжительности и стоимости проектирования. Нормативы на проектные работы разрабатываются исполнителем проектных работ под руководством главного специалиста проектной организации, при участии специалистов обслуживающих подразделений. В ходе нормирования определяются показатели технологических процессов: а) затраты труда (трудоемкость); б) затраты материально-технических ресурсов; в) потребности в информационном обеспечении; г) потребности в кадровом обеспечении (состав бригад, квалификация); д) затраты времени на проектирование. Результатом нормирования являются нормативы для типовых технологических процессов и нормы для рабочих процессов. Рекомендации

94

95

3.4. Организационно-технологическая подготовка проектирования, планирование проектных работ

по разработке нормативов приведены в методическом руководстве [25]. Из документации по технологической подготовке проектирования основными являются технологические карты (рис. 7) и календарный план (график) выполнения проектных работ, построенный по данным рабочих технологических процессов. № п/п

Технологические операции проектирования

Единица измерения

Квалификация Нормативная исполнителей трудоемкость

Рис. 7. Шапка технологической карты к проектированию

Пример календарного плана проектирования здания приводится в табл. 3. Таблица 3 Календарный план проектирования здания Дни выполнения раТрудо- Количе- Продолбот Части проемкость, ство че- жительекта 1–5 6– 11– 16– 21– чел.-дн ловек ность, дн 10 15 20 25 Т1 = 10 Архитекn1 = 2 t1 = 5 t1 турнопланировочные решения Конструкции Инженерные сети Организация строительства Сметы, спецификации

Т2 = 30

n2 = 3

t2 = 10

t2

Т3 = 15

n3 = 3

t3 = 5

Т4 = 10

n4 = 2

t4 = 5

t4

Т5 = 20

n5 = 2

t5 = 10

t5

t3

tо = 25 дн.

Tо = 85

96

Примечания Координацию работ осуществляет ГИП

Общая трудоемкость проектирования составляет То

5

¦ Т i 85 чел.-дн.

i 1

Координацию, согласование всех видов работ осуществляет главный инженер (главный архитектор) проекта, он же определяет возможность одновременного проведения работ. Большое значение для подготовки к проектированию имеет создание в проектной организации необходимой информационной базы. На уровне проектной организации информационное обеспечение проектирования осуществляется отделом научно-технической информации. На уровне проектных отделов информационное обеспечение осуществляется специалистами-проектировщиками, которые собирают, анализируют и хранят информацию каждый по своему направлению. Итогом подготовки проектирования является составление сметы на выполнение проектных работ, которая уточняет стоимость проектирования, представленную в предложении к конкурсным торгам. 3.5. Правила принятия проектных решений Проектные работы выполняются в последовательности, установленной календарным планом в соответствии с рабочими технологическими процессами. Проектирование начинается с выдачи ГИП (ГАП) задания и исходных данных ведущему отделу. В качестве ведущего может быть архитектурно-строительный или другой отдел в зависимости от объекта проектирования. При проектировании зданий производственного назначения, для которых необходима разработка технологической части, ведущим является технологический отдел [9]. Ведущий отдел разрабатывает свою часть проекта и передает материалы проекта в смежные отделы, которые обмениваются информацией по мере потребности. Общая координация работ всех отделов осуществляется ГИПом (ГАПом). Технология проектирования во всех отделах проектной организации должна обеспечить выпуск проектной документации высокого качества с наименьшими затратами труда и материально-технических ресурсов. К документации предъявляются требования, которые должны быть выполнены неукоснительно – это соответствие законодательству, СНиП. Ряд требований может выполняться в различной степени. К таким требованиям относятся: 97

а) соответствие проектируемого объекта назначению для безопасного и надежного его функционирования; б) удобство эксплуатации в организации технологического процесса, для которого создан объект; в) создание нормальных условий труда, выполнение требований эстетики во внешнем облике объекта, в интерьере; г) экономичность по затратам всех ресурсов на строительство и эксплуатацию объекта; Степень выполнения указанных требований отражает качество проектных работ, которое может быть выше или ниже в зависимости от организации проектирования, от квалификации проектировщиков, от материально-технического обеспечения процесса проектирования. Критерии, по которым оценивается качество проектных работ, отражают требования к объекту проектирования и разделяются на два вида: функциональные критерии в оценке степени выполнения требований (а, б, в) к объекту; технико-экономические критерии (г) для оценки затрат всех видов ресурсов (рис. 8). Ценность территории Единовременные Ценность конструкции

Приведенные

Эксплуатационные Затраты: денежные материалов труда энергии

ремонт отопление вентиляция уборка снега эксплуатация лифтов

Трудоемкость Полные Материалоемкость

Рис. 8. Схема критериев затрат

98

сталь цемент дерево прочие

Приведенные затраты обычно получают как затраты ресурса на единицу площади объекта. По объекту в целом приведенные затраты определяют по формуле [15]: П = С + Ен(K1 + K2) + ЭТн, где С – сметная стоимость объекта; Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (Ен = 0,12); K1 и K2 – экспериментальные коэффициенты; Э – годовой расход средств на эксплуатацию объекта; Тн – нормативный срок окупаемости капитальных вложений (Тн = 8,33–12,5 лет). Технология проектных работ включает в себя разработку проектных решений по формированию информационной модели проектируемого объекта. Методическим руководством по проектированию [25] предусмотрены три вида проектных решений: общие решения, касающиеся разработки целостной концепции проектируемого объекта – по генплану, по объемно-планировочной компоновке здания, по принципиальным вопросам электро-, газо-, водоснабжения и т. п.; частные решения по устройству отдельных функциональных систем объекта – несущих конструкций, системы отопления и т. п.; элементные проектные решения, касающиеся устройства отдельных элементов функциональных систем – балок перекрытий, колонн, узлов крепления и т. п. Лучшие проектные решения находятся обычно вариантным методом с применением системного анализа и моделирования систем. Для этого строится дерево целей (ДЦ), включающее совокупность всех промежуточных целей на пути достижения главной цели проектирования (рис. 9). Среди вариантов на всех уровнях ДЦ важно иметь типовые решения, известные и ранее применявшиеся решения, и несколько индивидуальных проектных решений, являющихся творчеством конкретного проектировщика. Системная оптимизация для всего комплекса проектных решений по объекту достигается компоновкой технологически возможных сочетаний вариантов на всех уровнях ДЦ с оценкой их по указанным ранее показателям (критериям) качества, устанавливаемым заказчиком в задании на проектирование. Если критерии не поддаются простой формализации, то они определяются экспертным путем в баллах с приглашением представителей заказчика для оценки проекта. 99

Уровни ДЦ

Если оценка проекта делается по нескольким критериям (многокритериальная оценка), то по каждому критерию лучшими могут оказаться разные варианты проекта, которые в совокупности образуют некоторое множество Парето. Лучшие из них находятся либо методом комплексного критерия, либо методом ранжирования критериев. Комплексный критерий имеет вид

Проектное решение Варианты

Общие решения

1, 2, 3, …

n1

m

Частные решения

1, 2, 3, …

К

n2

(2)

j 1

m

где Элементные решения

1, 2, 3, …

n3

Лучшим решением по объекту проектирования является сочетание вариантов решений на всех уровнях ДЦ, обладающее глобальным оптимумом по выбранному критерию. Такой оптимум находится методами полного перебора всех возможных сочетаний вариантов, направленного перебора вариантов или ветвей и границ. Метод направленного перебора применяют тогда, когда на определенном уровне ДЦ выявляется закономерность влияния варьируемых параметров на величину критерия и найти лучший вариант можно без подсчета критерия для всех вариантов. Метод ветвей и границ применяют опытные проектировщики, которые формируют ДЦ, сразу отсекая неконкурентоспособные варианты с верхнего уровня до нижнего, сокращая тем самым объем вычислений. Для проекта, состоящего из n-частей с различными оценками качества, общая оценка проекта определяется по формуле n

Ко

¦ Ei ki ,

(1)

i 1

где i – весовые коэффициенты частей проекта, устанавливаемые экспертным путем с учетом трудоемкости и значимости этих частей; n

1 ; ki – оценки качества частей проекта.

i 1

100

– весовые коэффициенты критериев ¦ E j j

1 ; kj – оценка проектаа

j 1

Рис. 9. Дерево альтернативных целей

¦ Ei

¦E jk j ,

по критерию j (j = 1, …, m). Метод ранжирования включает определение согласованного с заказчиком приоритета критериев и последовательный отбор лучших вариантов на каждом цикле отбора по очередному критерию. В формулах (1) и (2) критерии под знаком суммы должны иметь одинаковую размерность или приведены к безразмерному виду. Лучшие проектные решения, полученные в результате системной многокритериальной оптимизации, обсуждаются на экспертных советах и после одобрения принимаются в качестве окончательных решений в проектной документации. 3.6. Технологические линии проектирования, особенности выполнения проектных работ Технологической линией проектирования (ТЛП) является организационно-техническая система, которая объединяет комплекс специализированных структурных подразделений проектной организации, обеспечивающий оперативную и высокоэффективную разработку проектносметной документации поточным методом в условиях нормированной технологии [5, 15]. Принципиальная структура ТЛП и проектной организации с ТЛП показана на рис. 10 и 11. Технологические линии проектирования появились в результате обобщения опыта автоматизации проектных работ. Опыт показал, что для повышения эффективности проектирования необходимы коренные изменения организации проектных работ. Такие изменения нашли отражение в следующих особенностях организации проектирования. 101

ТЛП

Вспомогательное производство

Основное производство

Методическое руководство (ГИП, ГАП)

ТЛП по разделам проекта

Программноинформационное обеспечение

Техническое обеспечение

Software

Hardware

Рис. 10. Структура ТЛП общего типа Директор Главный инженер

1. Проектные работы выполняются поточным методом с линейной последовательностью отдельных видов работ без возращения к ранее выполненным частям проекта. 2. Проектная документация выполняется с объектной привязкой к определенным типам зданий с разрешенными вопросами согласования между отдельными частями проекта. 3. Все части проекта, элементы зданий получают кодированное (цифровое) описание с последующей внутримашинной передачей информации на всех этапах разработки проектно-сметной документации. 4. Выполнение проектных работ осуществляется с жесткой последовательностью всех процедур в условиях нормированной технологии, с нормированными затратами всех ресурсов. Технологическим нормированием проектных работ занимается специальный отдел в структуре проектных организаций с ТЛП. Первые ТЛП были созданы в Киеве в 1970 г. – это ТЛП крупнопанельного домостроения (ТЛП КПД) и ТЛП КОРТ [15]. Функциональная структура этих ТЛП показана на рис. 12 и 13.

Заместитель директора

Эскиз

Задание

Отделы обслуживания

Производственные отделы

Каталог (архив)

Проектировщик

Архитектурностроительный

ЭВМ Формирование объекта по эскизу

Инженерного оборудования Отдел технологического нормирования

ТЛП архитектурностроительного проектирования

Разработка вариантов планировки

Организации строительства

ТЛП инженерного оборудования

Сметный

ТЛП организации строительства

1

… … … … …

n

ТЛП сметной документации Оценка

Рис. 11. Структура проектной организации с ТЛП

102

2

Основной вариант

Документирование проекта

Рис. 12. Функциональная структура ТЛП КПД 103

Блок формирования модели объекта

Блок расчета конструкций

Блок исходных данных

Блок спецификации Блок проектирования опалубки Блок оформления ПСД Рис. 13. Функциональная структура ТЛП КОРТ

Проектно-сметная документация на ТЛП оформляется на машинных и бумажных носителях (рис. 14). ПСД ТЛП

На машинных носителях

На бумажных носителях

Цифровая модель объекта

Пояснительная записка

Цифровая модель процессов

Чертежи Спецификация

Внутримашинная информация

Сметы Конечные результаты в ПСД

К настоящему времени разработаны и функционируют кроме ТЛП КПД и КОРТ технологические линии проектирования [15]: ТЛП жилища – для разработки типовых зданий и блок-секций, для разработки индивидуальных проектов; АТЛП МНИИТЭП – для проектирования крупнопанельных жилых домов, общественных зданий; ТЛП промзданий – для проектирования промышленных зданий, их инженерных сетей, организации строительства и смет. Эксплуатация ТЛП показала высокую эффективность их применения в строительстве, что подтверждается показателями: снижение общей себестоимости проектирования на 3–8 %; снижение заводской себестоимости изготовления элементов на 3–8 %; сокращение числа марок элементов с 350–500 до 18–120; снижение общих трудозатрат на 8–12 %; снижение заводских трудозатрат на 15–35 %. 3.7. Оценка эффективности, трудоемкости и качества автоматизированного проектирования Эффективность автоматизированного проектирования определяется прежде всего тем, насколько повышается за счет автоматизации качество и экономичность проектных решений, а также качество оформления проектной документации. В правилах принятия проектных решений изложена процедура оценки решений по разным критериям. С увеличением числа рассматриваемых вариантов отдельных решений на всех уровнях альтернативного ДЦ возрастают возможности нахождения лучших и экономичных решений, отвечающих всем требованиям качества. Естественно, что этот процесс связан и с увеличением трудоемкости проектирования. Поэтому вторым важным показателем автоматизированного проектирования является степень снижения трудоемкости проектных работ при использовании средств автоматизации. Для этого воспользуемся рекомендациями методики [13] по оценке уровня автоматизации проектных работ, который определяется по формуле n

Рис. 14. Структура ПСД ТЛП 104

Ya

¦ EiYai , i 1

105

(3)

где Yai – уровни автоматизации проектных работ для отдельных частей (Σ i = 1) проекта (i = 1, ..., n i и с трудоемкостью Тi; i = Ti / Tо (То – общая трудоемкость проекта). Уровень автоматизации Yai определяется по формуле Vai , (4) Vi где Vai – объем проектных работ (по трудоемкости или по стоимости), выполненных с применением средств автоматизации; Vi – общий объем работ для i-й части проекта. Общий объем работ Vi складывается из объемов ручных (традиционных) работ – Vpi и автоматизированных работ Vai: Yai

Vi = Vip + Vai. Производительность проектирования

ручного

П pi

Vpi tpi

, П ai

и

(5) автоматизированного

Vai , tai

nai  1 ), (9) nai где Toi, Tнi – трудоемкости i-й части проекта при автоматизированном и ручном проектировании соответственно. Общая трудоемкость проекта из n частей определяется по формуле Toi = Tнi (1  Yai

n

(6)

где t pi, t аi – продолжительность ручного и автоматизированного проектирования соответственно. Общее время проектирования i-й части проекта tоi = tpi + tаi.

Параметр nai характеризует степень освоения средств САПР в проектной организации. Для различных видов проектных работ имеет значение [9]: при проектировании фундаментов nai = 2–3; при проектировании железобетонных колонн многоэтажных зданий n = 1,9; при расчете железобетонных балок nai = 2,7; при расчете систем отопления nai = 5–7; при составлении спецификаций, расчете смет nai = 15–20. Формула (8) для продолжительности проектирования при одном исполнителе становится пригодной для оценки трудоемкости проектных работ:

(7)

To

На рис. 15 показана зависимость трудоемкости проектировании i-й части проекта от уровня автоматизации при разном значении параметра nai, построенная по формуле (9). При nai = 1, когда производительность автоматизированного и ручного способа не отличается, применение вычислительной техники не сокращает трудоемкости проектирования.

(8)

где tнi = Vоi /Пpi – нормативное время выполнения полного объема проектных работ; nai = Пai / Пpi – отношение производительности автоматизированного проектирования к производительности этой же работы без средств автоматизации. 106

(10)

i 1

Подставляя в последнюю формулу (7) параметры t pi и t аi из зависимостей (6) с учетом (4) и (5), получим § nai  1 · ¸, tоi = tнi ¨¨1  Yai nai ¸¹ ©

¦ Toi .

107

1

nai = 1

4. Примеры обоснования проектных решений

nai = 2

4.1. Проектирование топологии объектов

0,8

Автоматизированные системы проектирования объектов строитель-

Toi Tнi

0,6 0,4 0,2 0

0,2

0,4

0,6

0,8

Yai

для региона – в виде зональных схем размещения объектов с указанием транспортных коммуникаций; для города – в виде генплана; для зданий – в виде объемно-планировочных решений этих зданий (ОПР). Место этих задач в АСПОС показано на рис. 16. АСПОС

Рис. 15. Зависимость трудоемкости проекта от уровня автоматизации

При nai = 2 и более можно получить значительное сокращение трудоемкости проектирования при различном уровне автоматизации проектных работ. Если оценить эффективность проектирования трудоемкостью проектирования единицы объема проектной продукции, то определится она по формуле [9] Фi = Toi / Vi . (11)

Регион

Город

Зональные схемы

Генплан

Общественное

Технологическая часть

Строительная часть

Комплексрайон Генплан

Жилое

Инженерные сети

Здание ОПР

Промышленное

Техникоэкономическая часть

Что же касается качества проектных работ при автоматизированном проектировании, то этот вопрос был затронут в п. 3.5. Оценку решений на первом этапе делает сам проектировщик (внутренняя оценка); на втором этапе для этой цели привлекается заказчик и другие специалисты (внешняя оценка). В настоящее время автоматизация проектирования в проектных организациях России не дает существенного повышения эффективности проектных работ вследствие малого уровня автоматизации (0,15–0,20) и недостаточных навыков проектировщиков в использовании современных средств САПР. В передовых зарубежных фирмах Германии, США, Японии уровень автоматизации проектных работ достигает значений 0,8–0,9, что в 2–3 раза сокращает сроки проектирования в сравнении с проектированием без средств автоматизации, при этом обеспечивается высокое качество проектных решений и оформления проектной документации.

Решение задач топологии проектирования объектов сводится к человеко-машинной процедуре (рис. 17). Разработка вариантов компоновки, архитектуры объектов включает большой объем работ творческого характера, осуществляется без четкого описания исходных данных (часто в условиях неопределенности),

108

109

ОПР

Конструкции

Ограждающие

Несущие

Рис. 16. Схема АСПОС

зависит от ситуации, опыта и личностных качеств проектировщика. Такая деятельность практически не поддается формализации, и ее проще выполнять человеку, чем поручать ЭВМ. То же можно сказать о выборе критериев для оценки вариантов и тем более – о принятии решения. Достаточно просто поручить машине хранение информации о построенных или проектировавшихся ранее объектах, произвести оценку вариантов по заданным критериям и оформить графически проектное решение. Для оценки вариантов генплана пользователь должен ввести в ЭВМ четыре группы исходных данных. Это информация о местности, размещаемых объектах, разрывах между объектами и коммуникациях. Разработка вариантов компоновки

Операторпостановщик

Выбор критериев для оценки вариантов

Оценка вариантов

ЭВМ

Принятие решения

Оформление проектного решения

Рис. 17. Человеко-машинная процедура проектирования топологии объектов

Информация о местности представляет собой цифровую модель местности (ЦММ) – план местности с цифровыми или символьными кодами о ситуации в отдельных ее зонах, участках. ЦММ может быть модульная (блочная) с разбивкой плана наложением сетки и полигонная, на которой участки местности показываются в виде полигонов (зон). Модульная ЦММ удобнее в математическом описании информации, но требует довольно частую сетку для сложной ситуации на местности. На полигонной ЦММ значительно удобнее описывать линейные объекты (коммуникации), поскольку для этого достаточно задать уравнения прямых участков, проходящие через определенные точки. 110

В настоящее время разработаны геодезические приборы, имеющие встроенные ЭВМ и позволяющие получить ЦММ в процессе геодезической съемки местности. Информация о размещаемых объектах представляется с помощью реляционной модели базы данных в виде таблицы с описанием наименования объектов, их назначения и основных технико-экономических показателей. Информация по отдельному объекту в цифровых кодах представляет собой цифровую модель объекта (ЦМО). Информация о разрывах содержит требования к расположению объектов с учетом технологии работ, экологические, противопожарные и требования социального характера. Информация о коммуникациях включает в себя описание сети автомобильных и железных дорог, станций примыкания, водных и воздушных путей сообщения, линий электропередач, трансформаторных подстанций. В качестве примеров рассмотрим задачи проектирования вертикальной планировки участка строительства, размещения объектов на генплане и разработки объемно-планировочного решения здания. 1. Вертикальная планировка участка, водоотвод Вертикальная планировка местности осуществляется для обеспечения нормального водоотвода с участка путем создания необходимых уклонов поверхности или устройства дренажной системы открытого типа (канав) или закрытого типа (дренажные трубы). На рис. 18 показано ДЦ для проектирования водоотвода. Вертикальная планировка с созданием уклонов поверхности осуществляется по сетке квадратов 40 40 м или 10 10 м или же исправлением горизонталей. При проектировании по квадратам в узлах указываются черные, красные и рабочие отметки. Красная (проектная) поверхность должна обеспечить нормальный водоотвод, при этом объем земляных работ должен быть минимальным и с минимальным перемещением грунта. При проектировании дорог вертикальную планировку удобно производить по продольным и поперечным профилям с черными, красными и рабочими отметками (рис. 19).

111

Водоотвод

По уклонам поверхности

Насыпь

Выемка

Дренажные трубы

По дренажным системам

Открытого типа

Коллектор Смотровой колодец

Закрытого типа

Рис. 20. Дренажная система водоотвода

Система канав

Траншеи с фильтрующей засыпкой

Дренажные трубы

Рис. 18. ДЦ для проектирования водоотвода

i=0.003

Отметки:

Насыпь

Выемка

аa cb

вc a а- –красная красная; в b- –чёрная черная; с c- –рабочая рабочая (с=a-в)

Отметки Пикеты

Смотровые колодцы служат для периодического осмотра и очистки коллектора. Ливнеприемные колодцы закрыты сверху решеткой, обеспечивающей прием поверхностных вод, предусмотренных вертикальной планировкой участка. В системе водоотвода часто возникает потребность отвести воду под дорожным полотном на другую сторону дороги. В этих случаях устраиваются перепуски воды из железобетонных труб диаметром 0,5…0,8 м. Торцевые части перепуска укрепляют железобетонными оголовками (рис. 21).

Покрытие дороги

(c = a – b)

Обочина

Оголовок

Рис. 19. Продольный профиль дороги Трубы

Дренажные системы открытого типа представляют собой систему канав, обычно без крепления откосов, расположенных в плане таким образом, чтобы общий уклон по дну канав и их сечения обеспечивали водоотвод. Дренажные системы закрытого типа – это те же канавы (траншеи), заполненные фильтрующей засыпкой из щебня или гравия. Для улучшения водоотвода по дну траншей могут укладываться трубы – деревянные, асбоцементные, керамические или железобетонные (при больших диаметрах). Дренажные трубы отводят воду к коллекторам – заглубленным трубам с большим диаметром. По длине коллектора устраиваются ливнеприемные и смотровые колодцы (рис. 20).

Лучшее проектное решение для водоотвода найдется после анализа ДЦ (см. рис. 18) с оценкой глобального оптимума по заданному критерию. Минимальным по стоимости и трудоемкости является устройство водоотвода в виде системы открытых канав с перепусками под дорогами. Обычно такое решение применяется в качестве временного для осушения участка.

112

113

Кювет

Рис. 21. Перепуски под дорожным полотном

Максимальным по стоимости, но и наилучшим для эксплуатации является решение с насыпью 0,5 м из щебня (гравия) с песком после удаления растительного грунта с устройством дренажной системы закрытого типа. Такое упрощенное решение в местах интенсивных нагрузок от транспорта может иметь дорожную одежду из асфальто- или цементобетона. 2. Размещение объектов на генплане Для разработки и оценки вариантов городской застройки применяется «Координатный метод» и метод с использованием «транспортной задачи» [2]. Наиболее простым является «Координатный метод». Вариант с планировкой города покрывается прямоугольной координатной сеткой и далее, с помощью ЭВМ, подсчитываются критерии – число жителей в микрорайонах, объем перевозок пассажиров в пункты обслуживания, протяженность коммуникаций и т. д. Подсчет производится с использованием координат объектов застройки. Несколько сложнее метод с использованием «транспортной задачи» линейного программирования. Пусть: n – число жилых домов (объектов или пунктов обслуживания); A – население района; ai – население дома ( i 1, 2, ..., n ); B – численность населения, обслуживаемого культурно-бытовыми учреждениями; b j – численность населения, обслуживаемого в пункте j ( j 1, 2, ..., m ); Cij – затраты материальных ресурсов на перемещение одного человека к пункту обслуживания; xij – число человек, перемещающихся из пункта i в пунктт j . На рис. 22 показана схема компоновки района при n 3 и m 2 . Область допустимых значений исходных параметров xij определяется уравнениями: x11  x12 a1; x  x  x d b ; x21  x22 a2 ; x11  x21  x31 d b1 . 22 32 2 x31  x32 a3 ; 12 Для замкнутой задачи: a1  a2  a3 A и b1  b2 B, A B. 114

½ ° ° ¾ ° °¿

xx1212

аa11

bb22 xx

32

aа22

xx1111 xx2121 bb11

32

xx32 32

aа3

xx3131

Рис. 22. Пример компоновки объектов

Критерием оценки вариантов компоновки является целевая функция для минимума затрат ресурсов: n

m

i 1

j 1

¦ ¦ Cij X ij o min .

z( x)

Решение задачи может быть получено с использованием программы Symplex. Определив значения неизвестных X ij , получаем ответ на вопрос, где и в каком количестве должно проживать население города, где должны размещаться пункты обслуживания, чтобы затраты ресурсов на перемещение людей были минимальными. Аналогичным образом решается транспортная задача при размещении районных котельных на генплане городской застройки. Далее приведен пример решения такой задачи с использованием метода минимальной стоимости, заимствованный из работы [2]. Схема расположения котельных и потребителей тепла показана на рис. 23.

aа33 ll23 23

ll13 аa22

B22 В

13

ll22 22

ll24

ll12

24

12

B11 В

(12)

(13)

l11l

l14l

14

l l25 25

11

ll21 l15l 21

аa11

15

аa55 Рис. 23. Размещение котельных 115

аa44

Расстояния от потребителей тепла до котельных:

Полученное решение проверим подсчетом целевой функции:

l11 1,5 км; l12 1,5 км; l13 3 км; l14 4 км; l15 3 км; l21 4 км; l22 2 км; l23 1,5 км; l24 1,5 км; l25 2 км. Потребности потребителей тепла: а1 = 4 Гкал/ч; а2 = 3 Гкал/ч; а3 = 6 Гкал/ч; а4 = 2 Гкал/ч; а5 = 5 Гкал/ч. Требуется определить мощности котельных B1 и B2 при указанном м расположении потребителей тепла, обеспечить их теплом с минимальными потерями. Обозначим X ij количество тепла, поставляемое из котельной Bi к потребителю a j ( i 1,2; j 1  5 ). Решение получаем в табабличной форме (табл. 4). Таблица 4

Котельная B1 B2

Потребители a1

a2

a3

a4

a5

X 11 4 1,5

X 12 3 1,5

X 22 0 2 3

X 14 0 4 X 24 2 1,5

X 15 0 3

X 21 0 4 4

X 13 0 3 X 23 6 1,5 6

2

X 25 5 2 5

Мощность котельных 7 13 20

Под таблицей приведены потребности в тепле всех потребителей. В ячейках таблицы вначале записываются неизвестные X ij , подлежащие определению, а под ними указывается расстояние lij . Полагая, что потери тепла пропорциональны этому расстоянию, заполнение таблицы значениями X ij производится следующим образом. В первом столбце тепло к потребителю a можно подать от котельной B1 на расстояние 1,5 км и от котельной B2 на расстояние 4 км. Поставляя тепло на меньшее расстояние, принимаем X 11 4 Гкал/ч и X 21 0 . Стоимость отопления будет при этом меньше за счет уменьшения потерь тепла. Отсюда название метода (наименьшей стоимости). Таким же образом заполняем остальные столбцы таблицы. После этого определяем мощности котельных, Гкал/ч:

B1 B2

4  3 7. 6  2  5 13.

116

Z

2

5

i 1

j 1

¦ ¦ X ijlij .

Для решения, приведенного в таблице, значение целевой функции л км/ч. Z о 32,5 Гкал Если все потребители получают тепло от первой котельной, целевая функция Z1 51,5 Гкалл км/ч больше Z о на 70 %. При отоплении всех потребителей от второй котельной л км/ч больше на 30 %. Z 2 44 Гкал Таким образом, меняя расположение котельных на генплане городской застройки, можно добиться минимальной стоимости транспортировки тепла к его потребителям. Заметим, что всю вычислительную работу по обоснованию расположения котельных удобно выполнять с использованием электронных таблиц Excel. 3. Объемно-планировочное решение зданий В курсовом проектировании по дисциплине САПР разрабатывается объемно-планировочное решение (ОПР) для промышленного здания из сборных железобетонных элементов. Исходными данными являются площадь здания и нагрузки на покрытие и на междуэтажное перекрытие (для многоэтажных зданий). По площади здания формируется план здания с сеткой колонн с шагом 6 или 12 м и типовыми пролетами несущих конструкций – 6, 9, 12, 18 и 24 м. Для выбора лучшего варианта ОПР используется разработанная на кафедре ТПЗиС автоматизированная информационно-поисковая система (АИПС), в которой для принятого плана здания определяется потребность всех элементов каркаса из числа предлагаемых в базе данных типовых элементов с последующим автоматическим определением общей потребности железобетона на устройство каркаса здания. На рис. 24 приведен план одноэтажного здания с площадью A 1584 м2 с нагрузкой на покрытие q 7кН/м 2 . В табл. 5 приведены данные подсчета потребности железобетона. Расход железобетона на устройство одного элемента заимствован из работы [4]. Разделив общий расход железобетона на площадь здания, получим приведенную толщину железобетона на 1 м2 его площади, по которой можно определить лучший вариант объемно-планировочного решения с минимальным расходом железобетона. 117

В Московском инженерно-строительном институте разработана программа ВАРТ [15], с помощью которой делается оценка вариантов ОПР по следующим критериям: коэффициенты компоновки здания:

Площадь А0 = 1584 м2

Рис. 24. План одноэтажного здания

Таблица 5 Подсчет потребности железобетона № п/п 1 3 5 6 7

8

Элементы здания Ж/б ребристые плиты покрытия 3u6 м (b = 6 м) Балка покрытия, l = 12 м, b = 6 м Колонны 400u400 мм (l = 6 – 12 м, b = 6 м) Ограждение. Неутепленные стеновые панели 1 м2 Фундаменты под колонны периметра (a t 1,5 м, b = 6 м) Фундаменты под внутренние колонны (a t 1,5 м, b = 6 м)

Расход ж/б Расход ж/б Количество на один на все элеэлементов элемент, м3 менты, м3

Условие

Aр.п

Vзд Aпов ; K3 , Aо Aо Aо где Aр.п – площадь рабочих помещений; Aо – общая площадь здания; Vзд – объем здания; Aпов – площадь поверхности здания; форма плана; затраты на строительство здания; затраты на эксплуатацию здания; расход основных строительных материалов; трудоемкость возведения здания; интенсивность «людских потоков»: K1

F

1

88

88

1,65

24

39,6

0,672

40

26,88

0,06

756

45,36

2,67

30

80,25

Давление р0 = 200 кПа

5,00

10

50,05

а-сторона фундамента

h = 4,2 м

330,13

Примечание. Строки 2 и 4 пропущены, поскольку здание одноэтажное. Для зданий с несколькими этажами в этих строках содержатся данные здания для этажей ниже верхнего. Общий объем железобетона для здания составил 330,13 м3, приведенный к единице площади расход железобетона: 330,13 0,208 м . 1584 118

; K2

n

m

i 1

j 1

¦ ¦ Kij Zij ,

где i 1, ..., n – количество помещений в здании; j 1, ..., m – число свяязей между помещениями; Kij – количество человек в людских потоках; Z ij совместимость помещений. Лучший вариант ОПР находится либо методом ранжирования критериев, либо методом комплексного критерия с весовыми коэффициентами, заданными для каждого критерия экспертным путем (см. п. 3.5). 4.2. Проектирование строительных конструкций 1. Порядок и методы проектирования несущих конструкций Применение вычислительной техники для расчета строительных конструкций является хорошо освоенной областью проектирования благодаря наличию традиционно сложившегося математического обеспечения задач строительной механики и сопротивления материалов. Согласно действующим строительным нормам Российской Федерации [21, 22] расчет несущих конструкций производится методом предельных состояний. Предварительно составляется расчетная схема конструкции с указанием всех размеров, материала и нагрузок. Расчет осу119

ществляется в два этапа. Вначале определяются усилия в элементах конструкций, затем делается расчет по прочности и по деформациям с уточнением размеров поперечных сечений элементов. Для определения усилий в программных средствах САПР получили развитие численные методы на основе дискретных в пространстве и во времени расчетных схем – метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ), дискретно-шаговые методы (ДШМ), метод граничных элементов (МГЭ). Основная идея МКР состоит в замене точных значений производных их приближенными значениями через конечные разности функций. Расчетная схема сооружений представляет собой сетку с заданным шагом по осям координат. Этот метод иногда называют методом сеток. В МКЭ конструкция разбивается на систему плоских или пространственных элементов, состояние которых описывается рекуррентными уравнениями равновесия, совместности деформаций и закона деформирования материала в элементах. Совместное решение уравнений с учетом граничных условий раскрывает напряженно-деформированное состояние конструкции. ДШМ описывают состояние объекта в последовательных дискретных шагах расчета от начала загружения с учетом изменения нагрузки и состояния конструкции в каждом шаге. Это дает возможность достаточно просто учитывать нелинейные свойства деформации материалов и внешних воздействий путем аппроксимации нелинейных функций кусочно-линейными с любой заданной точностью приближения. ДШМ удобно применять в задачах динамики. Решение на ЭВМ получается достаточно просто даже в тех случаях, когда невозможно получить аналитическое замкнутое решение дифференциальных уравнений движения. Метод граничных элементов состоит в комбинации аналитических решений теории упругости и пластичности для некоторой центральной области сечений в конструкциях и приближенных численных способов решения для краевых участков сечений. Все численные методы расчета являются приближенными, поэтому центральным вопросом их применения для расчета конструкций на ЭBМ является обеспечение необходимой точности и устойчивости счета. С уменьшением шагов сетки в МКР или шагов вычислений в ДШМ точность расчета повышается, но увеличивается при этом трудоемкость и продолжительность счета. При увеличении шагов может происходить накопление ошибок, счет оказывается неустойчивым, появляются сбои.

Для обеспечения необходимой точности и устойчивости счета применяют следующие приемы [17]: 1. Путем итераций подбирают такие значения шага сетки (размер элемента), при которых точность счета достаточна и устойчивость обеспечена. По Рунге – Кутту, точность считается достаточной, если при замене шага X на X/2 результаты счета для основных параметров отличаются не более чем на 5 %. 2. Применяют разные шаги сетки на разных участках объекта или во времени в МКР, аналогично в МКЭ – разные по размерам элементы, уменьшенные в области отверстий и сопряжений, и укрупненные суперэлементы на различных участках расчетной схемы. 3. Вводят искусственную вязкость в описание математической модели, применяют итерации с вязкостью. 4. Используют способ обратной связи шагов счета в ДШМ, обеспечивающий сглаживание скачков меняющихся параметров в шагах вычислений. После определения усилий и деформаций в конструкциях производится расчет прочности сечений. Нагрузки и прочность материалов обладают природной изменчивостью и носят вероятностный характер. В методе предельных состояний это обстоятельство учитывается методологией назначения расчетных и нормативных характеристик материалов и нагрузок с помощью математического аппарата теории вероятностей и математической статистики. Изменчивость свойств строительных материалов описывается нормальным законом распределения Гаусса

120

121

P( R )

1 ( R  M )2 exp (  ), 2 G 2S 2G

(14)

где P(R) – вероятность реализации прочности материала R как случайной величины (рис. 25, а); М – математическое ожидание прочности материала при испытании n образцов M отклонение, G

1 n ое ¦ Ri ; G – среднеквадратическое ni 1

D ; D – дисперсия, D

1 n ( Ri  M ) 2 . ¦ ni 1

а

б

P(R)

Для нормативной нагрузки

P(N)

P( N  N н )

Rp Rн M

R

M

Nн

Np N

Расчетные и нормативные значения прочности материала ( Rp и Rн ) назначаются так, чтобы доверительная вероятность (обеспеченность) была для расчетной прочности f

³ P( R)dR t 0,999 ;

(15)

Rр

для нормативной прочности

³ P( R)dR t 0,95 .

(16)

Rн

Изменчивость нагрузок описывается различным образом. Для нагрузок от собственного веса конструкций используется нормальный закон Гаусса. В общем случае закон распределения для нагрузок имеет несимметричный вид (рис. 25, б). Нагрузки малой величины (от снега, ветра) имеют более высокую вероятность проявления, чем большие нагрузки. Но подход к назначению и использованию расчетных и нормативных нагрузок ( N p и N н ) по доверительной вероятности реализации такой же, е, как в оценке прочности материалов. Разница только в том, что если для материалов представляет интерес область значений прочности R ! Rp и R ! Rн , то для нагрузок важны такие их значения, которые при эксплуатации сооружения не превышают расчетных и нормативных. Для расчетной нагрузки Np

P( N  N p )

(18)

где Ф – несущая способность конструкции в функции от ее геометрических размеров S, расчетной прочности материала Rp и условий работы J . Физический смысл условия прочности (19) состоит в том, что максимально возможное значение нагрузки при эксплуатации сооружения не должно превышать минимальную несущую способность конструкции с доверительной вероятностью не ниже 0,999. Вероятностные характеристики материалов и нагрузок представлены в нормах [21] их детерминированными значениями. В таблицах приводятся нормативные и расчетные значения прочности материалов, в их связь имеет вид

Rн . (20) Jм Здесь расчетное сопротивление Rp имеет доверительную вероятность не ниже 0,999 за счет деления нормативного сопротивления Rн (браковочного минимума, гарантируемого изготовителем с вероятностью 0,95) на коэффициент надежности по материалу J м ! 1 . Расчетная нагрузка в детерминированном виде определяется по формуле Np Jн Nн , (21) Rp

f

P( R t Rн )

³ P( N )dN t 0,95 .

f

Условие прочности конструкций для первой группы предельных состояний записывается в форме вероятностей математической модели N p d Ф( S , Rp , J ) , (19)

Рис. 25. Законы распределения характеристик для материалов (а) и для нагрузок (б) (Ц. Т. – центр тяжестей)

P( R t Rp )

Nн

³ P( N )dN t 0,999 .

f

122

(17)

где J н – коэффициент надежности по нагрузке ( J н ! 1). Расчетное условие для второй группы предельных состояний имеет вид (22) f d [ f ], где f – деформация (или ширина раскрытия трещин в железобетонных конструкциях), определяемая при нормативных нагрузках и нормативных характеристиках материалов; [ f ] – допускаемое значение деформации в нормальных условиях эксплуатации. Отметим, что расчеты по первой группе предельных состояний (по прочности) как более ответственные, выполняются по расчетным харак123

теристикам материалов и нагрузок с обеспеченностью не ниже 0,999. Расчеты по второй группе предельных состояний (по деформациям) осуществляются при соблюдении условий первой группы. Они являются проверочными и имеют обеспеченность несколько меньше, но не менее 0,95. Как видим, в основе метода предельных состояний лежит вероятностная математическая модель работы конструкции под нагрузкой, но для удобства расчетов она приведена к детерминированному виду. В некоторых странах расчет строительных конструкций осуществляют по допускаемым напряжениям. Этим методом пользовались и в нашей стране до введения метода предельных состояний. Условие прочности при этом имеет вид

V d [V] ,

(23)

где V – напряжения в наиболее нагруженной части сечения элемента; [ V ] – допускаемое напряжение для материала конструкции, определяемое по формуле Vт . (24) [V] k Здесь V т – напряжение, при котором начинается разрушение материала конструкции или появляются пластические деформации текучести в металлических конструкциях; k – коэффициент запаса, которым учитывается изменчивость свойств материала конструкции и нагрузок. В методе предельных состояний вместо одного коэффициента запаса в расчете присутствуют три коэффициента надежности: по материалу, по нагрузке и условиям работы. При этом коэффициенты надежности по материалу и по нагрузке состоят из двух частей. Первая часть учитывает собственную изменчивость свойств материалов и нагрузок назначением нормативных значений с доверительной вероятностью 0,95. Вторая часть учитывает важность расчетного аппарата назначением дополнительного запаса надежности с повышением доверительной вероятности расчетных значений прочности материала и нагрузок до величины 0,999. Такой дифференцированный подход к оценке изменчивости различных факторов в расчете конструкций дает возможность получать более экономичные и достаточно надежные проектные решения, чем в методе расчета по допускаемым напряжениям. 124

При малых напряжениях в конструкциях, далеких от появления пластических деформаций, при расчете конструкций в машиностроении, работающих в упругой стадии, вполне правомерно применять расчет по допускаемым напряжениям, как более простой и понятный. 2. Оптимизация сечений сжатых и изгибаемых железобетонных элементов В сжатых железобетонных элементах усилие сжатия воспринимается бетоном и арматурой пропорционально модулю упругости. Обычно напряжения в арматуре на порядок больше напряжений в бетоне, а общее усилие, воспринимаемое арматурой, зависит от содержания арматуры в сечении и коэффициента армирования. Если учесть, что единица прочности 1 МПа для металла на порядок дороже, чем для бетона, то в сжатом железобетонном элементе целесообразно максимально сжимающие усилия передать на бетон. Арматуру же ставить конструктивно с минимальным коэффициентом армирования. Для сжато-изогнутых и изгибаемых железобетонных элементов оптимальное по стоимости проектное решение можно найти с помощью альтернативного ДЦ (рис. 26). Уровни ДЦ

Класс бетона Класс арматуры Ширина сечения b, мм Высота сечения h, мм

Рис. 26. Дерево целей

Варьируя все параметры на всех уровнях дерева целей и используя программу расчета железобетонного сечения (например SCAD), можем найти потребное количество арматуры в сечении и определить стоимость 1 пог. м элемента 125

Ab ˜ Cb1  As ˜ C s1 ,

C

(25)

где Ab , As – площадь бетона и площадь арматуры в сечении, м2; Cb1 , C s1 – стоимость единицы объема бетона и арматуры. При конструктивном армировании и малых нагрузках для изготовления элементов целесообразно использовать более дешевые низкопрочные бетоны и стали. При больших нагрузках, когда сечение бетона и арматуры определяется расчетом, выгоднее применять высокопрочные материалы. Это обстоятельство выявляется направленным перебором вариантов на уровнях ДЦ при синтезе проектного решения для сечения элемента. Для изгибаемого элемента с одиночным армированием (рис. 27) аналитическое решение с получением оптимальных по стоимости параметров сечения можно получить следующим образом: M

x

AsRs

Рис. 27. Сечение элемента с одиночным армированием

C b(

126

M R A  S ˜ s )Cb1  As C s1 . As Rs 2 Rb b

(28)

Обозначим bCb1M ; k2 Rs

k1

Rs Cb1  C s1 , 2 Rb

получим С

k1  k 2 As . As

(29)

dС и приравнивая ее к нулю, получаем выраdAs жение для оптимальной площади арматуры в сечении с минимальной стоимостью Взяв производную

dС dAs

k1 As 2  k 2 ;

 k1 As 2  k2

RS ˜ AS ;

½ ° x ¾ (26) M AS ˜ RS (h  ).° 2 ¿ Здесь Rb – расчетное сопротивление бетона; b, h – ширина и высотаа прямоугольного сечения; x – высота сжатой зоны бетона; Rs , As – расчетное сопротивление и площадь арматуры; M – расчетное значение изгибающего момента. Выражая из первого уравнения x и подставляя его во второе, получим значение высоты сечения

(27)

Тогда формула для стоимости одного погонного метра балки (25) получит вид

В соответствии с требованиями норм [21] запишем уравнение равновесия для сечения элемента:

Rb ˜ bx

M R A  s ˜ s. As Rs 2 Rb b

Rb

h b

h

As

k1 ; As k2

0;

2bM Rs ( R  2C) ,

(30)

Rs Cb1 ;C . Rb C s1 Зная площадь арматуры из уравнениq (26) и (27), находим высоту сжатой зоны и высоту h для сечения с оптимальными параметрами. Заметим здесь, что прямоугольное поперечное сечение элемента можно трансформировать в тавровое (рис. 28) без изменения расчетных формул (30). При этом достигается дополнительная экономия бетона за счет уменьшения ширины сечения от b до b1 на высоте h–x. Ширина ребра b1

где R

127

определяется условиями размещения арматуры As и необходимостью восприятия поперечной силы.

Исходные данные: M, b, Rb, Rs, Cb1, Cs1

b

As = As min x

h

X

As b1

Если в сжатой зоне стоит конструктивная арматура Asc , то формула (30) дает общую площадь арматуры в сжатой и растянутой зоне сечения. Представляет интерес получить оптимальные параметры прямоугольного сечения дискретно-шаговым методом с помощью электронных таблиц Excel с расчетом по алгоритму (рис. 29). Алгоритм расчета построен с использованием ранее приведенных формул (26) и (28). Минимальное значение площади арматуры As min назначается конструктивно (например 2 12 мм, As = 2,26 см2). Затем в первой строке электронной таблицы Exсel записываются все формулы алгоритма в адресах ячеек и расчет выполняется автоматически для всех значений As , которые назначаем так, чтобы величина стоимости балки С перешла через экстремум. По данным расчета строятся графики Cb , C s , C (рис. 30), при этом относительная высота сжатой зоны не должна превышать граничное значение [ R (| 0,4). Пример расчета приведен в табл. 6. Из таблицы и графиков на рис. 29 видно, что оптимальной является балка с высотой сечения 0,62 м и арматурой As = 13 см2. Аналитическоее значение этой площади по формуле (30) As = 13,1 см2. На рис. 31 показано армирование балки с такими параметрами. Аналитический и дискретно-шаговый методы дают возможность снизить трудоемкость расчета, получить параметры оптимального сечения элемента для последующего окончательного расчета с применением более сложных программных комплексов.

128

Mc x  Rs ˜ As 2

h

Рис. 28. Тавровое сечение элемента

Rs ˜ As Rb ˜ b

Cb = b ˜ h ˜ Cb1 Cs = As ˜ Cs1 C = Cb + Cs

As = As + 1

As = As min Вывод: As, x, h, Cb, Cs, C Рис. 29. Алгоритм расчета параметров сечения

Таблица 6 Расчет параметров сечения Аs, см2 1 2 3 4 5 6

b, м 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

R b, кПа 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000

Rs, кПа 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000

М, кНм 216 216 216 216 216 216

С b, р./м3 800 800 800 800 800 800

С s, р./м3 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200

129

х, м

h, м

х/h

C s, р.

Сb, р.

С, р.

0,01 0,01 0,02 0,03 0,04 0,04

7,45 3,73 2,49 1,88 1,51 1,26

0,001 0,004 0,009 0,016 0,025 0,035

9,4 18,8 28,3 37,7 47,1 56,5

1788,5 895,6 598,5 450,5 362 303,3

1797,9 914,4 626,8 488,1 409,1 359,8

Площадь арматуры определяется по формуле (30):

Окончание табл.6 b, м 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

R b, кПа 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000 13 000

R s, кПа 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000 290 000

М, кНм 216 216 216 216 216 216 216 216 216 216 216

С b, р./м3 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800

С s, р./м3 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200 94 200

х, м

h, м

х/h

C s, р.

Сb, р.

С, р.

0,05 0,06 0,07 0,07 0,08 0,09 0,1 0,1 0,11 0,12 0,13

1,09 0,96 0,86 0,78 0,72 0,67 0,62 0,58 0,55 0,53 0,5

0,048 0,062 0,078 0,095 0,114 0,134 0,156 0,178 0,202 0,227 0,252

65,9 75,4 84,8 94,2 103,6 113 122,5 131,9 141,3 150,7 160,1

261,6 230,6 206,7 187,7 172,3 159,7 149,1 140,2 132,6 126 120,3

327,6 305,9 291,4 281,9 275,9 272,7 271,6 272,1 273,9 276,7 280,5

Cs, Cb, C, р.

А s, см2 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

As

2 ˜ 0,3 ˜ 216 ˜ 108 13,1 см2 . § 290 000 94 200 · ¸ 290 000¨¨ 2 800 ¸¹ © 13 000

2bM Rs ( R  2c )

3. Оптимизация железобетонных и металлических ферм м Поиск лучших проектных решений для ферм включает в себя построение альтернативного ДЦ с варьированием параметрами, которые проектировщик может назначать в довольно широких пределах, не нарушая требований строительных норм. На рис. 32 приведен пример такого дерева.

Уровни ДЦ Варианты

Материал

As, см2

Ж/бетон

Ферма

Металл

Трубобетон

Очертание

Рис. 30. Графики стоимости бетона Cb, арматуры Cs и балки C = Cb + Cs

2‡12 А III (конструктивно)

4‡12 А III (Аs = 12,56 см2)

Вид решетки

1 l 6

1 l 7

1 l 8

1 l 9

Средняя высота

Рис. 31. Армирование балки

Рис. 32. ДЦ для проектирования ферм

130

131

1 l 10

Критериями для определения лучшего сочетания вариантов на всех уровнях ДЦ могут быть: расход бетона или стали; стоимость материалов; трудоемкость изготовления фермы; общая стоимость фермы; вес фермы; коэффициент использования материала. Расчет фермы выполняется с применением программных комплексов (Лира, SCAD или др.), определяется усилие в элементах фермы и подбирается (или уточняется) сечение элементов фермы. Условием прочности i-го элемента является коэффициент использования прочности материала: Ki

Ni d 1, N мi

(31)

где Ni – усилие в i-м элементе; Nмi – предельное усилие в i-м элементе, воспринимаемое материалом. Для центрально-сжатого железобетонного i-го элемента N мi Ab Rb  As Rs , где Аs, Ab – площади арматуры и бетона; Rs, Rb – расчетное сопротивление арматуры и бетона. Для сжатых элементов железобетонных ферм необходимо проверить условия устойчивости: Ni где

Nмi,

i

– коэффициент продольного изгиба. Коэффициент продольного изгиба зависит от отношения расчетной длины элемента к его меньшему размеру поперечного сечения b (табл. 7). i

Таблица 7 Коэффициент продольного изгиба l/b M

10 1

20 0,8

132

30 0,6

40 0,4

Для приближенного определения коэффициента можно воспользоваться формулой

вместо табл. 7

2

§ l · M 1  0,6¨ ¸ . © 40b ¹ В металлических фермах коэффициент ц определяется в зависимости от гибкости сжатых стержней

lpi

Oi

ri

,

где lpi  расчетная длина стержня; ri  радиус инерции сечения. В растянутых элементах железобетонных ферм усилие растяжения воспринимается арматурой. Но если учесть, что эти элементы обычно выполняются с преднапряжением арматуры, соответствующем силе растяжения и передаваемым на бетон как усилие сжатия при изготовлении, то растянутые элементы можно рассчитывать как сжатые с коэффициентом продольного изгиба = 1. Общий коэффициент использования прочности материалов для фермы в целом определяется по формуле n

Kо

¦ KiVi i 1 n

,

(32)

¦Vi i 1

где Vi  объем i-го элемента фермы, имеющей n элементов (i = 1, …, n). Из формулы (31) следует, что чем ближе коэффициенты Ki, Ko к единице, тем полнее используется прочность материала фермы. После подбора сечений элементов из условия прочности и устойчивости производят окончательный расчет фермы по второй группе предельных состояний по деформациям. Так, прогиб фермы в середине пролета не должен превышать установленной величины для нормальных условий эксплуатации: l f d[f ] . (33) 250 133

Проведенные расчеты для железобетонных ферм могут быть выполнены и для ферм из других материалов, что позволит выбрать лучший вариант по указанным ранее критериям. Выполненные расчеты ферм из различных материалов, различной конфигурации и высоты дают возможность по указанным ранее критериям выбрать наилучший вариант. 4. Оптимизация железобетонной оболочки Альтернативное ДЦ для выбора проектного решения железобетонной оболочки приведено на рис. 33. Железобетонные оболочки

где z, x, y – координаты точек оболочки с началом координат в верхней точке и в центре площади (рис. 34); k – показатель стрелы подъема (h/l = 1/2k). В примере k = 4; h/l = 1/8, т. е. высота подъема оболочки h меньше пролета l в 8 раз для обоих направлений. При распределенной вертикальной нагрузке q = 7 кН/м2 и при нагрузке от собственного веса тело оболочки свода в основном работает на сжатие в двух направлениях. Оптимизацию оболочки в этом случае будем производить по объему потребного бетона на ее устройство при некотором отношении высоты подъема к пролету h/l: x2 y 2 формула оболочки z (   ) / 4; 3 12 материал – бетон В25; толщина – Gmin 50  100 мм; 7кН / м2 .

нагрузка – собственный вес и q Оболочки одинарной кривизны

Оболочки двойной кривизны

x Цилиндрические

Сферические

y

Параболические своды

Параболические

Гиперболические Коноидальные

Рис. 33. Разновидности оболочек

В программном комплексе SCAD оболочки можно строить как тела вращения образующей с заданием радиусов вращения и центральных углов для начальной и конечной точки оболочки, а также строить их по формулам. В качестве примера рассмотрим оболочку двойной кривизны – бочарный (параболический) свод – построенный для плана 6ґ24 по формуле § x2 y2 · z ¨¨ – – ¸¸ / k , (34) © 3 12 ¹ 134

z

Рис. 34. Бочарный свод

Усилие сжатия от распределенной нагрузки q в замке свода определяется по формуле qL2 N . (35) 8h С уменьшением высоты свода h (рис. 35) увеличивается усилие N и напряжение в сжатой оболочке, что требует увеличения ее толщины для обеспечения условия прочности: 135

N d Rb , (36) G ãäå – напряжение сжатия от расчетной нагрузки; Rb – расчетное сопротивление бетона.

V, м3

V

q Vмin

h

0,0

Из формул (35) и (36) следует, что объем оболочки будет увеличиваться с уменьшением стрелы подъема h. С другой стороны, объем оболочки зависит от площади ее поверхности: ,

0,4

0,5 h/l = (1/2 k)

Расчет ограждающих конструкций выполняется в целях обеспечения необходимых для эксплуатации температурно-влажностных условий внутри зданий. Толщина ограждающих конструкций определяется из уравнения теплопроводности Фурье для потока теплоты

(37)

где S – площадь поверхности оболочки. Для бочарного свода 2 ª §h· º L1L2 «1  5,3¨ ¸ », (38) © l ¹ »¼ «¬ где L1 и L2 – пролеты оболочки в двух направлениях. Зависимость объема оболочки от стрелы подъема h/l показана на рис. 36. Минимальный расход бетона соответствует стреле 1/6…1/8 от пролета l. Это обстоятельство выявляется расчетом с использованием программы SCAD для оболочки, построенной по формуле (27) при разных значениях k. Заметим, что оболочки из технологических соображений следует принимать не менее 50 мм, в сборных ребристых оболочках – не менее 30 мм. При оптимизации оболочек арочного типа с затяжкой необходимо также иметь в виду, что при малых значениях высоты h увеличивается потребность стали на устройство затяжки.

136

0,3

5. Проектирование ограждающих конструкций

Рис. 35. Схема работы свода

S

0,2

Рис. 36. Зависимость объема от стрелы

L

V=

0,1

Q

O

Tн  Tв At , b

(39)

где Q – количество теплоты; – коэффициент теплопроводности материала ограждения; Тн, Тв – температура снаружи и внутри здания; А – площадь ограждения; t – время процесса теплопередачи; b – толщина ограждения. Для здания, имеющего n ограждающих поверхностей, общее количество тепла, теряемого через ограждение, определяется по формуле n

Qо

Т н  Т в ˜ t ¦ Oi Ai . i 1

bi

Такое количество тепла должно поступать из системы отопления для обеспечения нормальных условий эксплуатации здания. Представляет интерес определение некоторой оптимальной толщины ограждения, соответствующую минимальной сумме стоимости его устройства и затрат на отопление здания при эксплуатации. 137

Стоимость устройства ограждения n

¦ Аibi Cmi ,

Сm

z Сm СQ

i 1

где Сmi – стоимость ограждения на i-м участке (i = 1, …, n) с поверхностью Аi и толщиной bi. Затраты на отопление составляют величину СQ

Cm  CQ o min .

(40) Решение в замкнутом виде получим, рассматривая участок ограждения площадью А = 1. Стоимость устройства ограждения Сm bCm . Затраты, обусловленные потерей тепла на этом участке, Tн  Tв t CQ . b Условие оптимальности (40) получает вид СQ

Z

O

Cm  CQ

Сm СQ

Qo CQ ,

где CQ – стоимость единицы теплоты с учетом устройства системы отопления, ее эксплуатации и стоимости топлива. Тогда математическую модель условия оптимальности можно записать в таком виде Z

z

k1b 

k2 o min, b

где k1 = Cm ; k2 O (Tн  Tв )t CQ – коэффициенты, определяемые по данным статистики для заданного района строительства. Зависимость целевой функции Z от толщины ограждения b показана на рис. 37.

138

b0

b

Рис. 37. Определение оптимальной толщины ограждения

Из условия

dz db

0 находим оптимальную толщину ограждения bo

O

Tн  Tв t CQ . Cm

(41)

В последние годы в Санкт-Петербурге проводится реконструкция зданий с утеплением ограждающих поверхностей. Выяснилось, что с увеличением цен на топливо целесообразно повысить сопротивление теплопередаче стен за счет дополнительной теплоизоляции. Экономия на материале стен при строительстве оказалась недальновидной, поскольку затраты на отопление резко увеличились. Системный подход к построению критерия оптимальности с учетом затрат не только на устройство ограждения, но и на отопление зданий, дает возможность исправить создавшееся положение. В свете изложенного представляет интерес устройство в Санкт-Петербурге зданий с вентилируемыми фасадами. Стены фасадов зданий устраиваются слоистыми, включают вентилируемый зазор и слой специальной теплоизоляции. Разность давлений в нижней и верхней части здания создает тягу в вентиляционном зазоре, воздух в зазоре поднимается вверх, в результате из ограждающей стены удаляется атмосферная и внутренняя влага. Зимой такая конструкция защищает здание от потерь теп139

ла, а летом препятствует проникновению тепла в помещение через наружные стены. 4.3. Проектирование организации строительства В проект организации строительства (ПОС) входят следующие основные документы [9]: план подготовительных работ; календарный план строительства; строительный генеральный план; ведомость строительно-монтажных работ; графики потребности в строительных материалах, строительных машинах и оборудовании, в рабочих кадрах; пояснительная записка. ПОС разрабатывает проектная организация. Этот проект является основой для последующей разработки проекта производства работ (ППР), который осуществляется строительной организацией с учетом всех ее реальных возможностей в кадрах, механизмах и оборудовании. Кроме документов ПОС в ППР дополнительно разрабатываются: технологические карты на отдельные виды работ; мероприятия по обеспечению безопасности труда; мероприятия по контролю качества строительных работ. Основным документом ПОС и ППР является календарный план строительства. На его основе составляются все другие документы планирования и осуществляется управление строительством. В нем отражается последовательность выполнения работ, потребность в различных ресурсах и сроки выполнения работ. В табл. 8 приведена шапка календарного плана. Таблица 8 Календарный план Единицы Пере- измерения чень раи объемы бот работ

Трудоемкость, чел.-дн.

Продол- График ПотребЧисленжитель- каленность ность раность ра- дарного в машинах, бочих, чел. плана бот, дн. маш.-см

При построении графика календарного плана применяются четыре модели. 1. Линейный (ленточный) календарный план-график выполнения работ (график Ганта) в координатах «Виды работ – время». Каждый вид работ на графике показывается лентой определенной длины, соответствующей ее продолжительности (рис. 38, а). 2. Циклограмма Будникова в таких же координатах, но каждый вид работ показывается наклонной прямой с углом наклона, пропорциональным интенсивности работ (рис. 38, б). 3. Сетевая модель в виде ориентированного графа, в котором ребра отражают виды работ, а вершины – начало и конец работ (рис. 38, в). 4. Матричная модель в форме прямоугольной матрицы, в клетках которой записывается информация о видах работ на объектах (захватках). Для i-го вида работ на объекте К продолжительность работ составляет величину tki начало работ tн, окончание работы tо = tн + tki (рис. 38, г). В строительных организациях чаще применяется линейный календарный план, обладающий наибольшей наглядностью. Для расчетов на ЭВМ удобна матричная модель. В ячейках матрицы записывается информация, необходимая для расчетов. в

а Вид работ

Время t

Вид 1 to

2

t1

5

3

1 t3

2 3

б

г Вид работ

t2 4

t4

6

Вид работ

2 3

2

3

1

t11

t12

t13

2

t21

t22

t23

3

t31

t32

t33

Рис. 38. Модели календарного плана

140

141

Объекты 1

Время t

1

t5

Достоинства матричной модели раскрываются в расчетах продолжительности работ, выполняемых разными способами: параллельно, последовательно с организацией потоков с непрерывным использованием ресурсов, фронтов, с использованием критического пути с оптимизацией календарного плана по ресурсам и по продолжительности работ. Важным показателем поточной организации строительных работ для оптимизации является общая продолжительность работ Т

t n  m  1  ¦ t техн  ¦ tорг d Tдир ,

где ¦ t орг – сумма организованных перерывов по условиям техники безопасности; t – ритм работы бригады, время работы на одной захватке (шаг потока); ¦ t техн – сумма технологических перерывов; m – количество захваток; n – количество бригад (видов работ); Tдир – директивный срок выполнения работ. Моделирование строительного процесса на ЭВМ может выполняться с помощью программы Time Line с задачей определения всех параметров календарного плана с его оптимизацией и графическим оформлением.

Стоимость поставки одной тонны цемента к объектам Сij определяется видом транспорта и дальностью перевозки цемента от складов к объектам двумя типами транспорта – по железной дороге и автомобильным транспортом (табл. 9). Таблица 9 Дальность возки, км Склады А1 А2

Вид транспорта Ж/д Авто Ж/д Авто

Склады В2 15 2 8 1

В1 10 2 15 3

В3 20 3 10 2

Ниже рассмотрены отдельные частные задачи оптимизации проектных решений, входящие в состав ПОС и ППР.

Стоимость перевозки цемента по железной дороге 1 р./т км; км; погрузка и разгрузка 0,5 р./т. С учетом дальности возки, вида транспорта и погрузочных работ стоимости Сij получат следующие значения: С11 = 0,5 + 10 1 + 0,5 + 0,5 + 2 2 + 0,5 = 17 р./т. С12 = 21 р./т; С13 = 28 р./т; С21 = 23 р./т; С22 = 12 р./т; С23 = 16 р./т. Применяя для решения транспортной задачи метод минимальной стоимости (см. п. 4.1), составим табл. 10 для поставки цемента к объектам.

Оптимальный план доставки строительных материалов на участок строительства.

План поставки цемента, т

Пусть запас цемента А0 = 300 т хранится на двух складах А1 = 100 т и А2 = 200 т. Требуется поставить цемент на объекты строительства в количествах В1 = 60 т; В2 = 80 т и В3 = 40 т (рис. 39).

Склады

Склад

Запас цемента, т

А1

100

А2

200

Цемент Ао = 300 т

А1 = 100 т С С13 С11 12 Объекты B1 = 60 т

Таблица 10

А2 = 200 т

C21 С22

B2 = 80 т

C23

Потребность, т

В1 х11 = 60 С11 = 17 р./т х21 = 0 С21 = 23 р./т

Объекты В2 х12 = 0 С12 = 21 р./т х22 = 80 С22 = 12 р./т

В3 х13 = 0 С13 = 28 р./т х23 = 40 С23 = 16 р./т

60

80

40

B3 = 40 т

Рис. 39. Схема поставок цемента 142

143

Остаток на складах, т 40

80

180

Здесь количество перевозимого цемента Хij определялось потребностью на объектах с учетом меньшей стоимости перевозки 1 т цемента. Проверим план перевозок подсчетом целевой функции 2

Z

3

¦ ¦ X ijCij o min . i 1 j 1

(42)

Для схемы в табл. 10 Zo = 2630 р. При поставке всего цемента со склада А2 Z = 3000 р.

Область допустимых значений неизвестных Xi (ОДЗ) определяется совокупностью уравнений, соответствующих строкам табл. 11:

a11 X 1  a12 X 2  a13 X 3  ...  a1m X m d A1; ½ ° °° a21 X 1  a22 X 2  a23 X 3  ...  a2m X m d A2 ;¾ .................................................................; ° ° an1 X 1  an 2 X 2  an3 X 3  ...  anm X m d An .°¿ Целевая функция Z X 1  X 2  X 3  ...  X m o max .

Распределение ограниченных ресурсов по объектам Пусть для строительства объектов имеется некоторое количество материальных ресурсов – цемент, дерево, сталь и т. д. Известна потребность в ресурсах на строительство одного объекта разных типов. Требуется распределить ресурсы так, чтобы построить максимальное количество объектов. Эта задача распределения ресурсов является задачей линейного программирования и ее математическую формулировку получим следующим образом. В табл. 11 представим перечень ресурсов и их потребности на устройство объектов различного типа. Неизвестное пока количество объектов разного типа обозначим X1, X2, …, Xм.

Задача решается симплекс-методом с помощью программы Symplex, разработанной на кафедре доцентом В. В. Севастьяновым. При двух неизвестных задача решается графическим способом в координатах X1 и X2. Область допустимых значений X определяется уравнениями (43) и показана на рис. 40. Целевая функция Z представляет собой уравнение линии, равно наклоненной к осям координат. Совмещая ее с ОДЗ, получим решение задачи – оптимальные значения неизвестных X1о и X2о, соответствующие максимуму целевой функции.

Таблица 11

X2

Запас ресурса

X2o

Z = X1 + X2

Распределение ресурсов Ресурсы а1 а2 … аn Количество объектов

1 а11 а21 … аn1 X1

Потребность на объект, типы 2 3 … а12 а13 … а22 а23 … … … … аn2 аn3 … X2

X3

m а 1m а 2m … аnm

A1 A2 … An

ОДЗ

X1o

X1

Xm Рис. 40. Графическое решение задачи

144

(43)

145

Оптимальный раскрой линолеума На строительный объект для настилки полов поступают стандартí û å ðóëî í û ëèí î ëåóì à ø èðèí î é 2 ì è äëèí î é Lм. Требуется нарезать n1 рулонов, шириной 60 см и n2 рулонов шириной 70 см. Определить, сколько для этого потребуется стандартных рулонов при минимальном количестве отходов. Варианты разрезки рулонов показаны на рис. 41. Вариант 1

Вариант 2

200 см

60

60

60

20

70

(3 ˜ 60 + 20) см

70

200 см

60

60

(2 ˜ 70 + 1 ˜ 60) см

60

70

10

(2 ˜ 60 + 1 ˜ 70 + 10) см.

Рис. 41. Варианты разрезки рулонов

В табл. 12 приведены данные по количеству рулонов в каждом варианте разрезки.

Aост

X 1 ˜ 20 ˜ L  X 3 ˜ 10 ˜ L;

>3 X 1  1X 2  2 X 3  n1 @60 ˜ L  >2 X 2  1X 3  n2 @70 ˜ L.

В целевой функции Z у всех слагаемых есть общий множитель L, на который можно разделить величину Z, не меняя ее смыслового назначения. Решение задачи осуществляется симплекс-методом с применением программы Symplex. После определения неизвестных получим общее количество стандартных рулонов X o X 1  X 2  X 3 , потребное для выполнения заказа. Заметим здесь, что аналогичным образом решается задача разрезки труб при водоснабжении в зданиях.

Таблица 12 Данные разрезки Рулоны b1 = 60 см b2 = 70 см Остаток, см Число рулонов

1 3 0 20 X1

Варианты разрезки 2 1 2 0 X2

3 2 1 10 X3

Заказ n1 n2

Здесь X1, X2 и X3 – число стандартных рулонов, разрезанных по первому, второму и третьему вариантам разрезки соответственно. Задача разрезки рулонов сводится к задаче линейного программирования в следующей математической формулировке. Область допустимых значений X описывается системой линейных уравнений, соответствующих строкам табл. 12: для рулонов шириной b1 = 60 см; для рулонов шириной b2 = 70 см. 146

(44)

Целевая функция Z Aост  Aл.р o min . Здесь Aост – площадь остатков в рулонах; Aл.р – площадь лишних нестандартных рулонов, число которых может превышать заказы n1 и n2.

Aл.р

Вариант 3

200 см

3 X 1  1X 2  2 X 3 t n1 ½ ¾ 2 X 2  1X 3 t n2 . ¿

147

Рекомендуемая литература к разделу II 1. Архитектура гражданских и промышленных зданий: учебник для вузов в 5 томах / Под ред. В. М. Предтеченского. – М.: Стройиздат, 1976–1983. 2. Авдотьин Л. Н. Применение вычислительной техники и моделирования в архитектурном проектировании. – М.: Стройиздат, 1978. – 255 с. 3. Автоматизированное проектирование генпланов промышленных предприятий / В. Г. Вейнер и др. – Киев: Будивельник, 1986. – 122 с. 4. Байков В. И., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции. – М.: Стройиздат, 1991. – 787 с. 5. Варламов Н. В. Системы автоматизированного проектирования в строительстве / СПбИСИ. – СПб., 1992. – 320 с. 6. Гусаков А. А. Архитектурно-строительное проектирование. Методология и автоматизация. – М.: Стройиздат, 1996. – 656 с. 7. Жилые и общественные здания. Краткий справочник инженераконструктора / Под ред. Ю. А. Дыхновичного. – М.: Стройиздат, 1996. – 656 с. 8. Каталог продукции. Компьютерные технологии поектирования. Строительство и эксплуатация объектов. – М.: ЗАО «ИнфАрС», 1999. – 96 с. 9. Лавренко П. П., Трушкевич А. И. Организация, планирование и управление проектированием и строительством. – Минск: Выс. школа, 1985. – 248 с. 10. Лесин В. В., Лисовец Ю. П. Основы методов оптимизации. – М.: МАИ, 1995. – 230 с. 11. Лихтарников Л. М., Летников Н. С., Левченко В. Н. Техникоэкономические основы проектирования строительных конструкций: учеб. пособие для вузов. – Киев; Донецк: Выш. школа, 1980. – 240 с. 12. Махлин А. Д., Пеньковский Г. Ф., Сальников А. А. Информационно-поисковые системы для оптимизации проектных решений. Проект, № 6. – М.: ГСП, 1997. – 24–25 с. 13. Методика определения уровня автоматизации проектных работ. – М.: Госстрой СССР, 1982. – 30 с. 14. Минаков И. П., Рафалович М. И., Тимощук В. С. Использование ЭВМ при проектировании генеральных планов и объемно-планировочных решений промышленных предприятий. – Л.: Стройиздат, 1982. – 112 с. 148

15. Нагинская В. С. Автоматизация архитектурно-строительного проектирования. – М.: Стройиздат, 1986. – 255 с. 16. Пеньковский Г. Ф. Основы автоматизированного проектирования в строительстве: метод. рекомендации / СПбГАСУ. – СПб., 1997. – 25 с. 17. Пеньковский Г. Ф. Системный анализ и моделирование систем в строительстве / СПбГАСУ. – СПб., 1999. – 97 с. 18. Реусов В. А., Торкатюк В. И., Пушкаренко В. В. Формирование и оценка качества проектных решений в строительстве. – Киев: Будивельник, 1988. – 208 с. 19. СНиП 52-01–2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М.: ГУПНИИЖБ Госстроя России, 2003. – 24 с. 20. СНиП 1.06.04–85. Положение о главном инженере (главном архитекторе) проекта. – М.: ФГУП ЦПП, 2006. – 4 с. 21. СНиП 2.03.01–84. Бетонные и железобетонные конструкции. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. – 79 с. 22. СНиП 11-01–95. Инструкции о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений. – М.: Минстрой России, 1995. – 24 с. 23. СП 11-11–95. Порядок разработки, согласования, утверждения и состав обоснований инвестиций в строительство предприятий, зданий и сооружений. – М.: Минстрой России, 1995. – 8 с. 24. Темнов В. Г. Конструктивные системы в природе и строительной технике. – Л.: Стройиздат, 1987. 25. Технологические правила проектирования объектов строительства: метод. руков. – М.: ГЦ ЦНС, 1998. – 127 с. 26. Управление строительными инвестиционными проектами: учеб. пос. / Под общ. ред. В. М. Васильева и Ю. П. Панибратова. – М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 1997. – 307 с. 27. Экспертные системы в проектировании и управлении строительством / Под ред. А. А. Гусакова и др. – М.: Стройиздат, 1982. – 151 с.

149

Учебное издание

Пеньковский Георгий Фаустинович ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Редактор О. Д. Камнева Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка И. А. Яблоковой Подписано к печати 16.12.08. Формат 60 84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 8,7. Уч.-изд. л. 9,4. Тираж 300 экз. Заказ 148. «С» 67. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

152