Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов проектирования поточной организации строительства применительно к существующим информационным технологиям календарного планирования
1.1. Развитие поточных методов организации строительства
1.2. Анализ отечественных и зарубежных методов и информационных технологий календарного планирования
1.3. Особенности поточной организации строительства линейно-протяженных объектов, методологический подход и постановка задач исследования
Глава 2. Исследование организационно-технологических параметров и разработка экономико-математической модели поточной организации строительства линейно-протяженных объектов
2.1. Исследование и обоснование организационно-технологических параметров
2.2. Исследование организационно-технологической надежности поточной организации строительства линейно-протяженных объектов
2.3. Экономико-математическая модель оптимизации поточного графика строительства линейно-протяженных объектов
Глава 3. Разработка структуры САПР и алгоритма формирования поточных методов строительства линейно-протяженных объектов
3.1. Разработка структуры САПР поточных методов строительства объектов
3.2. Формирование графиков поточного строительства линейно-протяженных объектов
3.3. Автоматизация оперативно-производственного планирования и мониторинга поточного строительства линейно- протяженных объектов
Заключение
Литература
Приложения
- Анализ отечественных и зарубежных методов и информационных технологий календарного планирования
- Особенности поточной организации строительства линейно-протяженных объектов, методологический подход и постановка задач исследования
- Исследование организационно-технологической надежности поточной организации строительства линейно-протяженных объектов
- Формирование графиков поточного строительства линейно-протяженных объектов
Введение к работе
Аюуальносгь темы. Повышение эффективности организационно-технологических решений в инвестиционных проектах основывается на системном подходе с применением современных методов и информационных технологий их проектирования. Существующие методы и автоматизированные технологии проектирования организационно-технологических процессов в строительстве в недостаточной мере используют поточные методы организации работ, что снижает эффективность и надежность реализации инвестиционных проектов. Необходимость со- вфшенствования методов и информационных технологий проектирования организационно- технологических процессов обусловлена, во-первых, современным состоянием и тенденциями развития рыночных отношений в России, которые определяют новые требования к содержанию методики поточной организации строительства объектов. Во-вторых, в условиях рынка важнейшими фактором определяющим своевременное выполнение работ при строительстве объектов, являются эффективность и надежность реализации инвестиционнскярошшьных проектов.
Особая роль в современной экономике Российской Федерации принадлежит инвестици- онночлроительным проектам линейно-протяженных объектов (ЛПО), в частности объектов топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Внедрению эффективных инноваций в области автоматизированного проектирования организационно-технологических процессов в этой ключевой отрасли России во многом должно способствовать применение передового отечественного и зарубежного опьгга, международных требований и стандартов. Развитие и повышение эффективности инвестиционно-строительной деятельности в ТЭК во многом связано с созданием современной системы автоматизации проектирования поточной организации работ при строительстве линейно-протяженных объектов, в частности магистральных трубопроводов, которые могут быть объектами-представителями любых ЛПО. При этом необход имо учитывать прогрессивные информационные технологии, разработанные в других отраслях, а также специфические особенности строительства ЛПО, связанные, прежде всего, с их отраслевой направленностью, крупно- масппабностью, особенностями технических и технологических решений, значительной протяженностью, особыми условиями производства работ для различных территориальных районов. Специфика поточной организации строительства ЛПО, требования рыночных отношений к критериям и ограничениям при оптимизации поточных графиков строительства объектов, вероятностный характер строительного производства, обуславливающий необходимость повышения организационно-технологической надежности (ОТН) календарных планов, а также необходимость разработки системы автоматизации проектных решений (САПР) для более эффективной опта- мизации поточной организации строительства ЛПО определяют актуальность темы исследования.
Цель диссертации: разработка автоматизированной технологии проектирования поточной организации строительства ЛПО на примере магистральных трубопроводов ТЭК
Задачи исследовании:
1. Анализ существующих методов проектирования поточной организации работ и информационных технологий календарного планирования строительства объектов;
2. Обоснование объекта-представителя ЛПО - магистральных трубопроводов ТЭК;
3. Обоснование организа1дионно-технологических параметров поточной организации строительства ЛПО;
4. Разработка экономикомагематической модели оптимизации поточных графиков строительства ЛПО;
5. Оценка органшационно-технологической надежности (ОТН) поточной организации строительства ЛПО;
6. Разработка методики проектирования поточных графиков строительства ЛПО;
7. Разработка структуры САПР поточной организации строительства ЛПО;
8. Внедрение результатов исследований три строительстве магистральных трубопроводов.
Объект исследовании—организация строительства ЛПО.
Предмет исследования—автоматизация проектирования поточной организации строительства ЛПО.
Методологические и теоретические основы исследования базируются на работах отечественных и зарубежных ученых в области теории поточного строительства, системотехники строительства, имитационного моделирования и экспертных систем, обобщении отечественного и зарубежного опыта по организации поточного строительства объектов.
Научная гипотеза состоит в том, что эффективность проектирования поточной организации строительства ЛПО определяется качеством обоснованности организационно- технологических решений в поточных графиках строительства объектов с необходимым уровнем надежности на основе САПР.
Научная новизна результатов исследования:
1. Разработаны методические основы автоматизированного проектирования поточной организации строительства ЛПО в современных условиях, обеспечивающие системотехническую увязку организационно-технологических, экономических и вероятностных параметров строительного производства при формировании проектов производства и организации работ,
2. Разработана экономико-магемагаческая модель проектирования поточной организации строительства ЛПО, позволяющая осуществлять многовариантное моделирование организационно-технологических и экономических параметров строительного потока;
3. Предложена структура САПР ЛПО, базирующаяся на интегрированном банке данных и позволяющая повысил» точность основных технико-экономических показателей поточных графиков строительства;
4. Разработана методика формирования поточных графиков строительства ЛПО с учетом заданной организационно-технологической надежности их выполнения (на примере строительства магистральных трубопроводов).
На защиту выносятся следующие основные результаты:
1. Метод проектирования организационно-технологических параметров поточной организации строительства ЛПО;
2. Экономико-математическая модель поточной организации строительства ЛПО в современных экономических условиях;
3. Методика автоматизированного проектирования поточных графиков строительства ЛПО в составе проектов производства и организации работ (ППР и ПОР);
4. Структура САПР организации поточного строительства ЛПО (на примере строительства магистральных трубопроводов).
Практическая значимость и внедрение результатов исследования. Разработанная методика и структура САПР поточной организации строительства ЛПО нашли широкое применение при строительстве объектов ТЭК России, в частности при сооружении магистрального нефтепровода Каспийской трубопроводной системы.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 120 страниц основного текста, 6 рисунков и приложения на 40 стр.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на секции "Строительство" Российской инженерной академии, отделении "Энергетическое строительство" Международной академии инвестиций и экономики строительства, РГУНГ им. И. М. Губкина, МГСУ, Ассоциации "Строшрансгаз", АО ИГС-орптроекгэкономика" и других организациях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Анализ отечественных и зарубежных методов и информационных технологий календарного планирования
Задачи календарного планирования относятся к числу наиболее важных оптимизационных задач в системах автоматизации проектных решений (САПР) в отрасли строительства. Первые постановки задач календарного планирования [61,102] были связаны с определением оптимальной очередности возведения объектов в составе комплекса с целью минимизации общей продолжительности строительства объектов. Однако, в современных условиях очередность строительства объектов в составе стройки, как правило, определяется исходя из неформализуемых факторов с целью обеспечения необходимых для заказчиков капитального строительства (или установленных в контрактах подрядчикам), сроков ввода объектов в эксплуатацию. Кроме того задачи определения оптимальной очередности строительства объектов были, как правило, поставлены без учета рационального использования ресурсов для достижения минимальной себестоимости (максимальной прибыли) при выполнении строительно-монтажных работ подрядной организацией. При такой постановке задачи положение работ на календарной сетке определяется не только ее временными оценками, но и рациональным использованием собственных и привлекаемых ресурсов строительных подрядных предприятий в тот или иной момент времени. В связи с этим в условиях рыночной экономики имеется необходимость в постановке задач, решение которых обеспечит наиболее рациональное использование основных видов ресурсов при установленных сроках строительства объектов.
На практике календарное планирование, как правило, связано с составлением и расчетом графиков строительства отдельных объектов (строек). Формированию поточных графиков строительства объектов производственной программы строительного предприятия с учетом рационального использования его собственных, а также привлекаемых ресурсов, уделяется недостаточное внимание. Вместе с тем ресурсы строительного предприятия используются на объектах всей производственной программы, что обусловливает необходимость их рационального использования по всем объектам.
Все многообразие оптимизационных задач календарного планирования строительства объектов можно разбить на несколько групп. Во-первых, в зависимости от принятого критерия оптимальности и характера ограничений можно выделить однокритериальные и многокритериальные постановки. Во- вторых, в зависимости от применяемого математического аппарата можно выделить задачи, решаемые с помощью экспертных методов и математического программирования. В третьих, в зависимости от учета вероятностного характера строительного производства - детерминированные и стохастические задачи.. В четвертых, в зависимости от типов рассматриваемых ресурсов задачи календарного планирования с оптимизацией использования трудовых и (или) технических и (или) материальных ресурсов. Ниже остановимся подробнее на анализе перечисленных групп задач календарного планирования, встречающихся в теории и практике капитального строительства.
Известно, что с точки зрения задач составления расписаний все многообразие ресурсов может быть сведено к двум основным типам [42]: 1. Ресурсы возобновляемые (именуемые также нескладируемыми). К ним относятся: рабочие, ИТР, машины и механизмы, транспортные средства; 2. Ресурсы невозобновляемые (складируемые). К ним относятся: материалы, полуфабрикаты, изделия, конструкции и оборудование.
В процессе строительства объектов используются ресурсы обоих типов в их взаимодействии, в связи, с чем в задачах календарного планирования необходимо учитывать их комплексное рациональное использование. Однако, как показывает анализ, существующие постановки задач сводятся к оптимизации использования отдельных видов ресурсов, в большинстве случаев трудовых или строительной техники. Кроме того, для современных условий развития рыночных отношений в строительном комплексе России снижается роль ограничений на складируемые ресурсы, поскольку большинство из них, в соответствии с необходимой потребностью, имеются на рынке.
Существующие постановки однокритериальных задач календарного планирования могут быть разбиты на три больших класса [42]: 1) . Задачи минимизации отклонения от заданных сроков (или минимизация сроков) наступления целевых событий при соблюдении заданных ограничений по использованию ресурсов (задачи первого класса); 2) . Задачи оптимизации некоторого показателя качества использования ресурсов при заданных сроках целевых событий (задачи второго класса); 3) . Задачи в смешанных постановках (задачи третьего класса).
Особенности поточной организации строительства линейно-протяженных объектов, методологический подход и постановка задач исследования
Проведенный анализ существующих методов проектирования поточной организации и информационных технологий календарного планирования, состояние и тенденции развития рыночных отношений в строительном комплексе России определяют необходимость разработки современных отечественных методов строительства объектов оптимизации поточных графиков по критерию максимизации прибыли или минимизации себестоимости выполняемых работ подрядными строительными предприятиями. При этом основным ограничением являются сроки ввода объектов в эксплуатацию или сроки окончания этапов (очередей, пусковых комплексов или видов работ), установленные в договорах подряда, с учетом необходимой (заданной) организационно-технологической надежностью их выполнения. С учетом отмеченных в предыдущем параграфе недостатков существующих постановок задач календарного планирования можно сформулировать основные принципы формирования поточных графиков строительства, главными из которых являются:
1. В условиях рыночной экономики основополагающим является принцип определения минимальной потребности в ресурсах для выполнения установленных в договорах и контрактах сроков ввода объектов в эксплуатацию или выполнения определенных этапов или видов работ (услуг), который реализуется за счет наиболее эффективного использования ресурсов;
2. Наиболее эффективное использование имеющихся или привлекаемых строительным подрядным предприятием ресурсов связано с рациональным планированием рабочих кадров, строительных машин и механизмов, с целью минимизации себестоимости и максимизации прибыли при выполнении работ или оказания услуг;
3. При оптимизации поточного графика строительства отдельного объекта в составе ПНР целесообразно разрабатывать возможные границы минимально возможных и максимально допустимых (в пределах договора подряда) сроков выполнения работ исходя из их различной интенсивности и -совмещения. Граничные значения могут являться ограничениями, в пределах которых осуществляется организация поточных графиков производства работ по стройке в целом, а затем по всем стройкам, входящим в производственную программу предприятия;
4. Путем оптимизации сводного календарного плана строительства объектов производственной программы предприятия в составе ПОР должна обеспечиваться максимальная эффективность использования рабочих кадров и средств механизации, а значит максимально возможная прибыль с определением наиболее рациональных сроков выполнения работ и ввода объектов в эксплуатацию в пределах, установленных в договорах подряда и граничных значений ППР.
Проведенные исследования показали, что при реализации этих принципов необходимо учитывать следующие основные особенности поточной организации строительства линейно-протяженных объектов (ЛПО):
1. Значительная территориальная протяженность ЛПО, к примеру, при строительстве трубопроводов и дорог значительно усложняется перебазировка ресурсов, влияющая на увеличение стоимости подрядных работ;
2. Различные климатические зоны строительства ЛПО, влияющие на выбор особых методов, средств и технологий производства работ, к примеру, в условиях Крайнего Севера;
3. Значительное время на передислокацию (перебазировку) трудовых ресурсов, строительной техники, временных зданий и сооружений и др. при ограниченных сроках выполнения работ, установленных в договорах подряда;
4. Относительно большая продолжительность перебазирования средств механизации с постоянных производственных баз их дислокации к местам производства работ, что определяет необходимость оптимизации издержек, связанных с простоем строительной техники либо на месте производства работ, либо на производственной базе, а также с учетом ее перебазировки с базы к месту производства работ.
Факторы, влияющие на оптимизацию поточной организации строительства линейно-протяженных объектов, можно скомпоновать в следующие группы:
1. Технологические, связанные со спецификой технологии производства работ при строительстве линейно-протяженных объектов. Они существенно влияют на выбор типа организационно-технологических моделей и их оптимизацию. К примеру, поточный график строительства необходимо привязать к линейно протяженной трассе местности;
2. Региональные, связанные с условиями и особенностями производства работ на местности (горные условия, рисовые поля, болота, леса и т.д.);
3. Региональные, связанные с климатическими условиями, влияющими на продолжительность и интенсивность производства работ в зимних условиях, в распутицу, и т.д. особенно для условий Крайнего Севера;
4. Структурные, зависящие от структуры выполняемых работ в зависимости от типов строящихся объектов, к примеру, трубопроводов и дорог с прилегающими к ним объектами надземной инфраструктуры;
5. Транспортные, связанные с доставкой работников, строительной техники и материальных ресурсов с баз дислокации и комплектации на линейные участки производства работ.
Исследование организационно-технологической надежности поточной организации строительства линейно-протяженных объектов
Под надежностью выполнения производственной программы понимается способность подрядного строительного предприятия с заданной вероятностью обеспечивать выполнение договоров и контрактов по вводу объектов в эксплуатацию или выполнению подрядных работ с наиболее рациональным использованием ресурсов.. Исследования многих авторов [41,57,61,63,68,69,76,102,115,127] показывают, что повышение надежности выполнения производственной программы предприятия основывается на оптимизации поточных графиков строительства объектов с заданным уровнем вероятности их выполнения. При этом выполнение запроектированной производственной программы во многом определяется надежностью функционирования строительных потоков в течение рассматриваемого планового периода. Изменение временных параметров строительного потока по отношению к запланированным происходит вследствие влияния на строительное производство многочисленных случайных факторов. Учет этих факторов возможен на основе использования вероятностно-статистических методов и моделей [61,63,64]. С позиции системного подхода необходимо рассматривать совокупное влияние на строительное производство этого комплекса случайных факторов. Используя метод статистического моделирования [64] для учета суммарного воздействия случайных факторов на продолжительность отдельных видов работ строительного потока, можно уже на стадии проектирования организационно- технологической модели производственной программы строительного подрядного предприятия оценить надежность ее выполнения и сравнить ее с заданным уровнем надежности.
Анализ существующих постановок задач календарного планирования по критерию надежности показывает, что с целью эффективного решения этих задач необходимо комплексное рассмотрение методов оптимизации и имитации. С помощью вероятностно-статистических моделей уточняются количественные оценки параметров, получаемых из решения поставленных задач в детерминированной постановке. Это связано, в частности, с тем, что сметная и производственная нормативная база, используемая для расчета параметров строительных потоков, имеет усреднённый, а значит вероятностный характер. Соответственно и продолжительности выполнения работ, полученные в результате решения задач календарного планирования, также являются случайными величинами. Статистическое моделирование этих величин с помощью ЭВМ в допустимых пределах, как отмечается в работах [61,63,64] позволяет повысить достоверность прогнозируемых параметров организации строительных потоков. В соответствии с методиками определения указанных пределов, предложенных отдельными исследователями [61,63,64,115,127] значения предельных вероятностных коэффициентов (Kmin и Ктах) рассчитываются для каждого специализированного или частного потока, на основе статистических данных, как отношение фактической продол- жительностям выполнения работ на объекте к нормативной.
К примеру, обработанный в работе [127] статистический материал о фактической продолжительности 48 видов работ по возведению типовых зданий и сооружений показал следующий интервал отклонений от нормативной продолжительности работ: K(t)min =0,85; K(t)max =2,0. В работе [48] предельные вероятностные коэффициенты определены при строительстве крупнопанельных жилых домов (КПД): K(t)min =0,7; K(t)max =1,8.
Используемый в данных работах метод определения предельных значений продолжительности выполнения видов работ имеет определенные недостатки. Во-первых, сбор статистических данных для определения вероятностных коэффициентов осуществлялся по объектам, строительство которых осуществлялось не на основе сбалансированных с ресурсами планов строительного производства. Вместе с тем анализ факторов, вызвавших простои производственного процесса на примере возведения КПД показал, что около половины всех простоев связаны с несовершенством календарного планирования использования трудовых ресурсов, а также строительных машин и механизмов, в согласовании со сроками обеспечения строительными материалами, деталями и конструкциями. Во-вторых, при определении вероятностных коэффициентов не учитывалась возможность укрупнения строительных бригад, занятых на выполнении соответствующих видов работ. Это обстоятельство влияет на степень детализации видов работ, по которым осуществляется сбор статистических данных. В третьих, в существующих постановках не учитываются региональные факторы, которые оказывают существенное влияние на оценку продолжительности линейно-протяженных объектов в зависимости от условий их строительства. Для решения задачи по оценки надежности календарных планов предусмотрено чрезмерное укрупнение работ, по которым осуществлялся сбор статистических данных, в связи с чем уменьшение продолжительности отдельных детализированных видов работ по сравнению с нормативной (например, за счет более совершенной механизации или лучшей, чем предусмотрено в ЕНиР, организации труда и, одновременно, слабым влиянием случайных факторов) сочетается с увеличением продолжительности других работ, входящих в состав укрупненного вида работы. Воздействие случайных факторов на продолжительность выполнения детализированных видов работ вызывает их существенное колебание относительно нормативной и, как следствие, значительный диапазон отклонения предельных вероятностных коэффициентов от нормативного, принимаемым равным единице. В четвертых, предельные вероятностные коэффициенты рассчитаны относительно нормативной продолжительности работ, определяемой на основе трудозатрат в соответствии с ЕНиР, что повлекло за собой значительно большее отклонение от нормативного максимального вероятностного коэффициента по сравнению с его минимальным значением. Это в свою очередь не позволяет производить статистическое моделирование случайной величины по нормальному закону распределения, которое как известно [61,63], наиболее хорошо разработано, для повышения ОТН строительного производства В пятых, вероятностные коэффициенты рассчитаны для объектов в целом, т.е. принимается, что степень воздействия случайных факторов на продолжительности различных специализированных потоков одинакова.
Формирование графиков поточного строительства линейно-протяженных объектов
Формирование поточных графиков строительства ЛПО осуществляется в составе ППР и ПОР в различных разрезах, в частности, по: исполнителям; временным периодам; стройкам (очередям, пусковым комплексам, зданиям и сооружениям); видам работ различной степени укрупнения; ресурсам и их поставщикам. В поточных графиках приводятся основные технико-экономические показатели работ и ресурсов в натуральном и стоимостном выражении по объекту в целом, а также по специализированным и частным потокам по определенным временным периодам и нарастающим итогом. В частности, таким показателям, как трудозатраты, время эксплуатации основных строительных машин и механизмов, сменность, количество рабочих в бригадах, потребность в материальных ресурсах, стоимость работ, исполнители работ и поставщики ресурсов. Поточные графики производства работ могут разрабатываться в виде линейной, сетевой, обобщенной сетевой модели или циклограммы. Каждая из этих моделей имеет известные преимущества и недостатки [61]. Заметим, что для строительства линейно-протяженных объектов, к примеру, трубопроводов и дорог, линейные или сетевые графики, как правило, дополняются циклограммами, в которых график поточной организации работ привязывается к ситуационному плану прохождения трассы с выделением пикетов ее пересечения с дорогами, водными преградами, кабельными и другими сооружениями.
На основе фактической информации о ходе и приемки выполненных работ, использованию и обеспечению ресурсами, выполнении технико - экономических показателей осуществляется анализ и регулирование хода работ по календарным планам с целью соблюдения контрактных обязательств. Процесс оперативного управления строительством объектов по календарным планам позволяет на основе фиксации линии фронта работ наглядно представить отставание (или опережение) фактического хода работ от запланированного, выработать меры для своевременного ввода объектов в эксплуатацию. Важнейшим преимуществом и особенностью данного вида регулирования является работа с календарным планом по объекту в целом в разрезе специализированных (частных) потоков с возможным прогнозированием хода выполнения не начатых работ, которые возможно потребуют ускорения темпов за счет привлечения дополнительных ресурсов, ускорения сроков их поставки, более эффективного совмещения работ в потоках и т.д., т.е. заблаговременно могут быть приняты комплексные меры по изменению темпа работ.
Поточные графики производства работ и графики обеспечения ресурсами по объекту являются, наряду с технологическими картами и стройген- планами, основополагающими документами проектов организации строительства и производства работ (ПОС и ПИР). Кроме того, они служат основой для разработки сводных поточных графиков строительства комплекса объектов производственной программы предприятия в составе стройбизнес- планов.
Поточные графики производства работ по объекту в составе ПОС и ППР и поточные графики строительства всех объектов, включенных в производственную (как правило, годовую) программу предприятия являются основополагающими документами для текущего и оперативного управления деятельностью строительными и подрядными организациями. Вместе с тем методы их формирования различны в зависимости от функций и организационной структуры строительного подрядного предприятия. При этом определяющее значение имеют:
1. Организационная структура предприятия, в зависимости от которой осуществляется агрегирование работ для календарного планирования в разрезе его структурных подразделений;
2. Состав технико-экономических показателей, определенный в зависимости от выполняемых предприятием функций.
Агрегирование работ зависит от степени детализации планирования работ по исполнителям, в том числе структурным подразделениям организациям. К примеру, заказчики инвестиционных проектов, имеют, как правило, двухзвенную организационную структуру (к примеру, УКС в центре и ОКС на месте) и, соответственно, планирование работ необходимо в этих разрезах, а также генподрядных, при необходимости, субподрядных организаций. Подрядные же строительные предприятия (рис.3.2.1), имеющие, к примеру, следующую иерархическую структуру - предприятие, филиалы или дочерние предприятия (строительно-монтажные управления), строительно-монтажные участки, бригады, могут иметь четыре типа календарных планов, на основе которых разрабатываются и утверждаются плановые задания бригадам, участкам, строительно-монтажным управлениям и предприятию в целом. Кроме того, отдельные календарные графики формируются в разрезе заказчиков проектов и субподрядных организаций. Все это позволяет повысить эффективность планирования "сверху вниз"и мониторинга "снизу вверх" с принятием наиболее рациональных регулирующих решений и доведением их до исполнителей "сверху вниз".
Состав технико-экономических показателей деятельности подрядных строительных предприятий определяется их функциями. Для подрядчиков, осуществляющих строительство с использованием имеющихся ресурсов, важнейшими являются, помимо сроков и стоимости, показатели трудозатрат, машиноемкости, материалоемкости, энергоемкости и т.д. Для заказчиков основными являются показатели стоимости и продолжительности выполнения работ, однако, если, к примеру, заказчики обеспечивают поставку определенной номенклатуры материальных ресурсов (что в последнее время наблюдается достаточно часто для коммерческих объектов), в частности, линейно-протяженных нефте - и газопроводов важными становятся материалоемкость и, как следствие, трудоемкость строительства.
