Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ организации строительства линейно-протяженных сооружений (ЛПС)
1.1. Организационно-технологические особенности строительства ЛПС. 8
1.2. Выбор объекта-представителя ЛПС 23
1.3. Организационно-технологическая надежность (ОТН) как основной параметр организации строительного производства ЛПС 31
1.4.Анализ организации строительства тоннелей метрополитенов как объекта-представителя ЛПС 35
1,5.Выводы .47
Глава 2. Методологические основы исследования организации строительства ЛПС
2.1. Системотехнические основы исследования организационно-технологической надежности (ОТН) ЛПС 50
2.2. Методологические принципы рыночной экономики строительного производства ЛПС 55
2.3. Методологический ринцип информационных технологий в организации строительного производства ЛПС 62
2.4. Методологический принцип мониторинга организации строительного производства ЛПС 74
2.5. Выводы 79
Глава 3. Исследование и разработка методов организации строительства линейно-протяженных сооружений с заданным уровнем ОТН
3.1. Разработка методов поточной организации возведения тоннелей 82
3.2. Исследование методов и моделей краткосрочного прогнозирования 4f надежности организационно-технологических процессов 92
3.3. Разработка структуры проектирования организации строительства с учетом организационно-технологической надежности (ОТН) 96
3.4. Разработка методики автоматизировнного проектирования организации строительства линейно-протяженных сооружений с заданным уровнем ОТН 103
3.5. Разработка алгоритма автоматизированного проектирования ОТН 109
3.6. Разработка алгоритма автоматизированного проектирования специализированных строительных потоков в долгосрочной программе специализированной организации 116
3.7. Выводы 122
Глава 4. Экспериментальное внедрение и эффективность результатов исследования
4.1. Организация внедрения 125
4.2. Эффективность внедрения результатов исследования 128
4.3. Выводы 138
Общие выводы 140
Опубликованные работы автора 144
Литература
- Организационно-технологическая надежность (ОТН) как основной параметр организации строительного производства ЛПС
- Методологические принципы рыночной экономики строительного производства ЛПС
- Исследование методов и моделей краткосрочного прогнозирования 4f надежности организационно-технологических процессов
- Эффективность внедрения результатов исследования
Введение к работе
Актуальность работы. Инженерные линейно-протяжённые сооружения (ЛПС) чрезвычайно разнообразны. Наиболее известны такие ЛПС, как автомобильные трассы и дороги, железнодорожные трассы и пути, разнообразные тоннели, линии электропередач, газопроводы, нефтепроводы и др. Каждая из названных разновидностей ЛПС имеет собственную систематизацию и свои специфические методы исследования, проектирования, возведения, эксплуатации и т.д.
Особой характеристикой ЛПС является их приспособленность для поточных (равномерных и непрерывных) методов строительства. Поточные методы строительства, при всей их эффективности, плохо противостоят условиям вероятностного характера строительного производства и требуют учета и проектирования организационно-технологической надёжности (ОТН) строительства. В настоящее время поточные методы строительства неправомерно «забыты», так как отсутствуют для новых хозяйственных ситуаций разработанные методики, а существовавшие ранее устарели и не учитывают современные условия и произошедшие усложнения строительного производства.
ЛПС отличает необходимость постоянного перемещения для их обслуживания или возведения значительных объемов трудовых ресурсов, материальных ресурсов. Нужно постоянно перемещать, возводить, монтировать и демонтировать временные и постоянные инженерные сети и коммуникации по электричеству, газу, воде, теплу и другим ресурсам. Большинство из ЛПС требуют создания и постоянного переустройства инфраструктуры вокруг этого ЛПС (жилищной, социальной, медицинской, культурной, информационной и др.).
Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется, с одной стороны, сложностью организации строительства линейно-протяжённых сооружений в условиях вероятностного характера производства работ при поточном возведении таких объектов, возрастанием сложности в условиях современных рыночных отношений хозяйствующих предприятий, и с другой стороны, отсутствием необходимых и приемлемых методик для определения и проектирования производства работ при возведении таких объектов с заданным уровнем организационно-технологической надёжности.
Научно-техническая гипотеза предполагает значительное повышение эффективности поточного строительства линейно протяжённых сооружений на основе методов расчёта организационно-технологической надёжности, включения этих методов в состав САПР организации строительного производства.
Цель диссертации: разработка в интегрированной информационной среде САПР методики проектирования поточной организации строительства линейно-протяжённых сооружений (ЛПС) с заданным или расчетным уровнем организационно-технологической надёжности (ОТН) краткосрочных и долгосрочных специализированных потоков. Задачи исследования:
анализ особенностей строительства ЛПС и обоснование их объекта-представителя;
анализ вероятностного характера строительного производства и обоснование ОТН как основного параметра организации строительства ЛПС;
анализ специфики строительства тоннелей метрополитена как объекта-представителя ЛПС;
разработка методологических основ и методологической схемы диссертационных исследований;
разработка методов проектирования поточной организации возведения ЛПС;
разработка метода и модели краткосрочного прогнозирования ОТН возведения ЛПС и автоматизированного проектирования краткосрочных специализированных потоков;
разработка структуры проектирования организации строительства ЛПС с учётом ОТН;
разработка методики и алгоритма автоматизированного проектирования организации строительства ЛПС с заданным уровнем ОТН;
разработка метода и модели долгосрочного прогнозирования ОТН возведения ЛПС и алгоритма автоматизированного проектирования долгосрочных специализированных потоков;
экспериментальная проверка полученных результатов;
разработка методов экономической оценки строительства ЛПС с заданным уровнем ОТН.
Объект исследования: организация строительства линейно протяжённых сооружений на примере тоннелей метрополитена.
Предмет исследования: организационно-технологическая надёжность строительного производства.
Методологические и теоретические основы исследования базируются на работах отечественных и зарубежных ученых в области системотехники строительства, теории функциональных систем, экспертного логического и системного анализа, вероятностно-статистических методов, информационно-вычислительных технологий.
Выносимые на защиту результаты, имеющие научную новизну:
обоснование тоннелей метрополитенов как объекта-представителя линейно-протяжённых сооружений;
методика поточной организации возведения тоннелей с обоснованием величины рационального совмещения специализированных потоков горнопроходческих работ и бетонных работ по обделке тоннеля;
структура проектирования организации строительства с учётом ОТН;
адаптивный метод краткосрочного прогнозирования ОТН строительных процессов;
методика автоматизированного проектирования организации строительства ЛПС с учётом ОТН;
алгоритм автоматизированного проектирования ОТН;
алгоритм автоматизированного проектирования долгосрочных потоков;
методика оценки экономической эффективности ОТН.
Практическая значимость результатов подтверждена эффективностью организации строительства ЛПС различного функционального назначения, в частности тоннелей Бакинского метрополитена ( П очередь, Ш очередь на восточном и северном участках как при открытых, так и при закрытых способах проходки, при мониторинге производства и приёмки работ на объектах АО «Азертунельметростроя», на строительстве автомагистрали Баку — Газах, на строительстве мостового перехода через канал «Шорсу», на строительстве внутриквартальных коммуникаций при переустройстве и реконструкции жилых кварталов в г. Москва и др.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались на Ученом Совете Спецфакультета САПР МГСУ, неоднократно докладывались на Техническом Совете АО "Азертунельметростроя", включались в состав мероприятий по совершенствованию организации строительства объектов, осуществлявшихся при непосредственном участии автора.
Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре статьи в сборниках научных трудов в период с 1999 по 2003 годы.
Организационно-технологическая надежность (ОТН) как основной параметр организации строительного производства ЛПС
Концепция организационно-технологической надежности (ОТН) высказана и реализована д.т.н. профессором Гусаковым А.А. в 1971-1974гг. Под ОТН первоначально понимали способность организационных, проектных и технологических строительных решений обеспечивать достижение наперед заданного результата в условиях случайных возмущений, присущих строительству как сложной вероятностной системе. В основу концепции ОТН легли разработки по общей теории функциональных систем Анохина П.К. и теории моделирования сложных систем Бусленко Н.П.
Проектирование организационно-технологических решений в строительстве по возведению разнообразных объектов жилищного и промышленного назначения поточными методами (в том числе и ЛПС) прошло более чем шестидесятилетний период развития, в котором можно выделить шесть этапов:
первый этап (1930 - 1948 гг.) - разработка начальных основ проектирования организации строительного производства ЛПС и первый опыт экспериментального применения поточного метода; на первом этапе вопросы технологии и организации строительного производства ЛПС исследовали Барановский А.В., Батурин В.Н., Бизюкин Д.Д., Вавилов М.В., Вутке О.А., Гармаш А.А., Декабрун М.И., Горбушин Б.П., Карцев А.В., Ляндрес Я.И., Лукницкий Н.Н., Неровецкий А.И., Сошин А.В., Смирнов В.Д., Порадни А.И., Пентковский Н.П., Ухов Б.С., Чекалин Н.И., Чихачев В.В. и ряд других научных исследователей и практиков строительного производства;
второй этап (1948 - 1961 гг.) - становление современной теории потока и ее экспериментальное применение в различных аспектах строительства (в том числе - применительно к ЛПС); результаты научно-практической строительной деятельности этого периода нашли свое отражение и развитие в трудах Будникова М.С., Барановского А.В., Вавилова М.В., Лейбфрейда Ю.М., Пентковского Н.И., Рыбальского В.И., Слипченко П.С., Ухова Б.С., Филахтова А.Л., Чихачева В.В. и других ученых. В 1955г были изданы строительные нормы и правила (СНиП) по улучшению организации и внедрению в строительство ЛПС скоростных и поточных методов работ;
третий этап (1961 - 1967гг.) - переход от экспериментирования к массовому применению поточных методов в строительстве, к современным методам проектирования организации строительства ЛПС, разработка основ сетевых методов планирования и управления в отечественном строительстве; появление работ в области сетевого планирования и управления (СПУ), которыми занимались НИИСП, Гипротис, Институт кибернетики Академии наук УССР и другие известные институты, было встречено с большой надеждой; непонимание на высшем административном уровне роли поточных методов как системы научной организации (а не управления!) строительного производства привело к неправомерной потере интереса к поточным методам возведения ЛПС;
четвертый этап (1967 - 1974гг.) - внедрение ЭВМ второго поколения в проектирование строительного производства ЛПС, разработка локальных экономико-математических моделей строительного производства ЛПС, начало исследований организационно-технологической надежности (ОТН) методов возведения гражданских и промышленных зданий и сооружений (в том числе и ЛПС); среди многих интересных исследований и инженерных решений этого периода следует назвать работы Батурина В.Н., Бирмана ИЛ., Булгакова С.Н., Гусакова А.А., Каширского А.А., Рыбальского В.И. и других; в качестве инноваций того времени можно привести пример разработки Булгаковым С.Н. «сетевых циклограмм», пригодных для оперативного управления строительным производством ЛПС; необходимость организационных мер для устранения возникающих в строительстве отклонений фактических показателей от плановых отмечалась в работах Батурина В.Н., Иванова Ю.Л., Кваши Я.Б., Пробста А.Е., Рыбальского В.И., Фокова Р.И., Хорста Л.П., Шейнюка Ю.Л. и других; в это же время исследователи строительного производства ЛПС обращают внимание на возможность аналитического описания технологии и организации функционирования строительных систем с привлечением аппарата математической теории с целью выявления связи реальной эффективности процессов строительства с их надежностью (Билецкий О.Б., Вайнкоф П.Ф., ІСиевский Л.В., Крейман А.Б., Назаров М.В., Олейник П.П.); в дальнейшем выяснилось, что описать с достаточной степенью адекватности современную многофакторную динамическую систему строительного производства ЛПС с помощью существующего аналитического аппарата без использования имитационных моделей в среде компьютерных технологий автоматизированного проектирования не представляется возможным;
пятый этап (1974 - 1985гг.) - внедрение персональных ЭВМ и их периферийных устройств, формирование автоматизированных рабочих мест разработчика, проектировщика и пользователя систем автоматизированного проектирования (САПР) в строительном производстве ЛПС, расширение исследований возможностей инфографического моделирования в различных областях строительного производства ЛПС, создание программных комплексов визуализации и оценки показателей ОТН;
Методологические принципы рыночной экономики строительного производства ЛПС
Основной принцип рыночной экономики строительства декларирует право отдельного человека, группы людей, коллектива предприятия и т.д. выбрать желаемый, целесообразный, выгодный и предпочтительный вид экономической деятельности и осуществлять эту деятельность в любой допускаемой законом форме. Именно закон ограничивает и запрещает определенные виды экономической и хозяйственной деятельности, которые с точки зрения государства и общества представляют реальную опасность жизни и свободе людей, общественной стабильности, противоречат нормам морали. Все остальное должно быть разрешено как в форме индивидуальной трудовой, так и в ее коллективных и государственных формах деятельности.
Принцип всеобщности реализует комплексность рыночного хозяйства в строительстве, где не должно быть структур, не пользующихся товарно-денежными отношениями, как наиболее важными атрибутами рынка в экономике строительства. Принцип равноправия рыночных субъектов с разными формами собственности утверждает, что экономические права каждого из таких субъектов (включая возможность осуществления научно-технической и экономической деятельности, ограничения, налоги, льготы, санкции и т.д.) должны быть адекватны для всех субъектов и не зависят от формы собственности, существующей в данной строительной организации.
Адекватность прав строительных организаций с разными формами собственности не следует воспринимать как абсолютное равенство, одинаковость, неразличимость. Разные формы собственности создают разные производственные и экономические возможности, однако нельзя создавать «особых» условий режима благоприятствования по признаку формы собственности, ставя в выгодное или невыгодное положение одну из них.
Плюрализм и экономическое равноправие форм собственности в рыночной экономике строительства порождают их многообразие, не присущее экономике государственного типа. Рыночной экономике свойственны процессы саморегулирования, распространяющиеся на управление строительной организацией, ее создание и ликвидацию.
В процессе функционирования рыночной экономики строительства линейно-протяженных сооружений (ЛПС) необходимо постоянно решать пять сопряженных между собой задач, которые можно сформулировать в виде вопросов:
1. Сколько и каких инженерных объектов ЛПС следует построить, в каком объеме или какую часть различных имеющихся ресурсов нужно занять или использовать в производственном процессе строительства объектов ЛПС?
2. Какие ЛПС необходимо строить, какую социальную потребность общества наиболее полно удовлетворит возведение или переустройство конкретной ЛПС?
3. Как это ЛПС следует строить или переустраивать, как должно быть организовано строительное производство ЛПС, какие проектные и строительные организации должны осуществлять это строительное производство и какую применять технологию возведения и переустройства ЛПС?
4. Кто должен эксплуатировать инженерное ЛПС и как должны распределяться между заказчиком-застройщиком ЛПС и его пользователями затраты и прибыль, реально возникающие в процессе строительства, переустройства и эксплуатации ЛПС?
5. Способна ли существующая функциональная система строительного производства ЛПС перманентно адаптироваться к ситуативным изменениям, добиваясь надлежащих коррекций в связи с изменениями в потребительском спросе, в поставках ресурсов и технологии строительного производства ЛПС?
Названные задачи и формулирующие их вопросы вызваны тем, что потребности общества всегда безграничны, а ресурсы, способные данные потребности удовлетворить, всегда ограничены.
Функционирование рыночного хозяйства строительной отрасли, в частности - строительства и переустройства ЛПС, базируется на конкуренции между заказчиками-застройщиками (товаропроизводителями) и пользователями (покупателями), в процессе которой устанавливают цены на строительство ЛПС (товар) и реализуемые готовой ЛПС общественные потребности (оказываемые услуги). В условиях рыночной экономики строительства ЛПС заказчик-застройщик руководствуется мотивом получения прибыли и недопущения убытков; он будет проектировать, возводить или переустраивать только такие ЛПС, которые могут принести прибыль, а не те ЛПС, строительство которых повлечет за собой убытки. Получение прибыли или ее отсутствие преопределяют: общий доход, получаемый заказчиком-застройщиком от строительства и эксплуатации ЛПС; общие издержки строите-льного производства ЛПС и его поддержания в работоспособном состоянии в процессе эксплуатации.
Таким образом, рыночная экономика строительства ЛПС естественным образом направляет ресурсы на те объекты строительства ЛПС, к которым в первую очередь обращены социальные потребности и на которые имеется явно выраженный достаточно высокий спрос, чтобы строительство, переустройство и эксплуатация этих ЛПС могли быть прибыльными.
Исследование методов и моделей краткосрочного прогнозирования 4f надежности организационно-технологических процессов
Тоннели метрополитенов, обоснованые нами в качестве объектов-представителей линейно-протяженных сооружений (ЛПС), могут быть использованы для иллюстрации эффективности поточных методов возведения таких объектов, а также проектирования организационно-технологических процессов.
Поточные методы строительства, незаслуженно забытые в последние десятилетия, получили в отечественной науке и практике значительное развитие во второй половине прошлого столетия [5, 7, 10,35,46].Эти методы позволяют на основе главных принципов поточного строительства (равномерность и непрерывность) проводить исследование всех резервов повышения эффективности строительства, расчленять его на отдельные процессы, находить наиболее рациональные величины их совмещения во времени и пространстве, проектировать основные организационно-технологические параметры.
Основные технологические процессы возведения тоннелей — проходка выработок и устройство монолитных (или сборных) обделок, то есть горные и бетонные работы.
Специализированные потоки горных и бетонных работ могут расчленяться на частные потоки. Проектирование всех параметров потоков, согласование их во времени и пространстве составляют основу оптимизации организационно-технологических процессов при поточном ведении работ.
Строительство тоннелей в разнообразных инженерно-геологических условиях может иметь разные скорости проходок и обделок. Так, скорости проходки выработок Vn возросли, а скорости возведения монолитных обделок — У о отстают и снижают общие темпы сооружения тоннелей.
Отсюда очевидна актуальность разработки технологических решений возведения монолитных обделок тоннелей с заданной скоростью и при минимальных затратах.
Оптимизация параметров технологического процесса возведения монолитных обделок позволяет выявить количественную и качественную закономерность повышения скоростей и снижения затрат и принять эффективные технологические решения.
В качестве рабочей гипотезы принято формализовать ( с учетом взаимосвязи горных и бетонных работ) системные связи и взаимосвязи природных, конструктивных технологических, технических и экономических факторов и на этой основе оптимизировать по критерию минимума затрат основные параметры, влияющие на скорость бетонирования обделок.
В соответствии с основной целью и принятой гипотезой определены зависимости между параметрами задачи. Так. При системном анализе цикличного процесса возведения обделки, принятого в качестве базового, установлено следующее.
Продолжительность специализированного потока бетонирования (t,,) при максимальном совмещении t =t +t „,+t +t где: продолжительности t„ — установки торцевой опалубки, t-ud — монтажа и демонтажа опалубкии, te — укладки бетонной смеси, t, — выдержки бетона в опалубке.
Практика показывает, что возможно сокращение tH от 12% до 20% за счет совмещения подготовительных операций (очистка основания для установки опалубки, перемещения бетоноукладчика, монтажа бетоновода). Совмещение частных потоков означает переход цикличного прерывного процесса в непрерывный или поточный.
В зависимости от конструктивных, технологических, технических факторов определены аналитические выражения продолжительностей основных операций цикличного и непрерывного процесса бетонирования обделок: tM=0,17p; =-; =-.t, где р — периметр и 7 — длина блока опалубки; t — продолжительность укладки слоя бетонной смеси толщиной равной - Н вибрирования; у мд — скорость монтажа ( и демонтажа) опалубки. Конструкции тоннельных опалубок могут быть классифицированы по критерию перемещения их на очередную захватку бетонирования. На этой основе была выявлена скорость монтажа для каждого класса опалубок: передвижная блочная - 3 м/ч; переставная секционная — 0,9 м/ч; переставная сегментная — 0,5 м/ч.
Производительность различных типов бетоноукладчиков можно определять по формуле Р = при t tyi где ty — укладочное время бетонной смеси, ч; b — толщина обделки.
Эффективность внедрения результатов исследования
В соответствии с описанной методикой формирование календарных планов строительства линейно-протяженных объектов предусматривает автоматизированное проектирование ОТН на основе решения трех задач: формирования директивного графика, расчета ОТН, формирования документов календарного плана.
Решение этих задач обеспечивает разработку документов подготовки производства. Каждая из задач комплекса может решаться как совместно, так и самостоятельно при соотвествующей подготовке исходной и выходной информации.
Формирование исходных директивных графиков (первая задача), на основании которых решается вторая задача по расчету показателя ОТН каждого графика по заданным временным и ресурсным характеристикам его работ, сравнение полученного значения с задаваемым для данного объекта из условия реальности графика и определение тех характеристик работ, при которых достигается установленное значение показателя ОТН. Результаты решения второй задачи позволяют оценить реальность исходных директивных графиков, выбрать направление и выполнить корректировку временных и ресурсных характеристик его работ, а также подготовить исходную информацию для решения последующей задачи.
Для расчета директивных циклограмм или линейных графиков по строительству комплекса ЛПО с учетом ОТН может быть использована и адаптирована одна из многочисленных имеющихся и применяемых программ для ЭВМ.
Директивные графики формируются для планируемого комплекса специализированных потоков ЛПО на очередной год. Планируемый период может быть меньше года (если строительство завершается), но не больше.
Директивные графики строительства ЛПО разрабатываются по проектно-сметной документации с учетом хода работ в предшествующие годы. Особенностью таких графиков является укрупнение включаемых в них работ до комплексов работ, выполняемых одной организацией-исполнителем. Каждый график включает не более 15-20 работ, причем рекомендуется работы по монтажу оборудования и специальные работы укрупнять, а общестроительные возможно рассматривать более подробно (выделять горнопроходческие, бетонные, отделочные, транспортные и прочие строительные или рассматривать одинаковые виды работ в подземной и надземной частях объекта и т.д.). Это обеспечит более тщательную подготовку к монтажу оборудования. Выбор вида работ, включаемых в директивный график строительства каждого объекта, решается в каждом конкретном случае разработчиком и строго не устанавливается.
Директивные графики содержат следующую исходную информацию для решения второй задачи: виды выполняемых работ, стоимости работ в планируемом периоде в тыс.руб., организации-исполнители каждой работы, планируемое количество рабочих по каждой работе (трудовой ресурс), продолжительность каждой работы в днях, сроки выполнения каждой работы (день начала и день окончания в системе счета по единой временной шкале), общая продолжительность для каждого объекта.
Используя эту информацию, вычисляется для каждого директивного графика показатель организационно-технологической надежности (0 сс 1). Получаемое расчетом значение а характеризует степень совершенства гарфика. Если а мало (от 0 до 20%), то с учетом действующих в течение периода строительства случайных факторов, влияющих на его ход, вероятность выполнить намеченный объем работ за планируемое время мала, т.е. ОТН графика низкая. Если а велико (больше 60%), значит графиком
предусматривается либо неоправданный избыток трудовых ресурсов, либо излишний запас времени.
Рядом выполненных теоретических исследований и опытом строительства с применением расчетов ОТН установлено, что в зависимости от сложности объекта, а также оттого, является ли он задельным, переходящим или пусковым, область рациональных значений а при которых достигается компромисс между риском не выполнить график и избыточным резервированием ресурсов или времени, лежит в интервале 0,2-0,6 (или 20-60%) [35, 52].
Поэтому вместе с указанными выше данными в задачу перед расчетом а вводится задаваемая величина показателя ОТН, т.е. та, которую разработчик хотел бы иметь для данного объекта.
Сравнивая вычисленное, т.е. характеризующее график, значение с заданным, можно вычислить необходимые временные или ресурсные характеристики работ графика, при которых возможно достижение заданного показателя ОТН.
Для решения второй задачи используется метод статистического моделирования. Выходные данные для решения второй задачи подготавливаются в виде входных форм. Необходимы следующие документы: директивный график строительства объекта, словарь вида работ, словарь организаций-участников строительства, словарь группирования видов работ по статистическим рядам средних выработок.
