Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследований 10
1.1. Анализ аварий и дефектов в строительстве 10
1.2. Классификация и анализ методов оценки качества строительства 14
1.3. Подходы к оценке показателей надежности и безопасности строительных конструкций 24
1.4. Оценка опасности дефектов и риска отказа строительных конструкций 29
1.5. Статистическая оценка качества строительных работ, в том числе при недостатке информации 34
1.6. Технологические способы обеспечения качества. Подходы к оценке системы обеспечения качества 39
1.7. Выводы 44
2. Разработка метода комплексной оценки качества. оценка системы обеспечения качества 47
2.1. Концепция обеспечения качества и безопасности строительной продукции 47
2.2. Обоснование номенклатуры показателей качества. Метод комплексной оценки качества строительства 50
2.3. Оценка системы обеспечения качества строительства 60
2.4. Оценка системы обеспечения качества строительной организации 64
2.5. Оценка системы обеспечения качества проектной организации 68
2.6. Оценка системы обеспечения качества изготовителя строительных материалов и изделий 71
2.7. Результаты оценки систем обеспечения качества строительных организаций 74
2.8. Исследование взаимосвязей уровня системы обеспечения качества
с показателями качества и безопасности 78
2.9. Подбор участников строительства по модели достоверного качества 82
2.10. Выводы 88
3. Оценка и регулирование точности технологических процессов 91
3.1. Расчет показателей точности технологических процессов 91
3.2. Оценка показателей точности технологических процессов 97
3.3. Оценка показателей точности процессов при недостатке информации .106
3.4. Применение информационного метода оценки показателей 110
3.5. Регулирование точности технологических процессов по условию безопасности 115
3.6. Анализ точности технологических процессов и контрольных измерений 118
3.7. Разработка статистического приемочного контроля по количественному признаку 122
3.8. Выводы 128
4. Оценка качества с учетом факторов, влияющих на безопасность 130
4.1. Оценка показателей безопасности возводимых конструкций 130
4.2. Оценка опасности дефектов строительно-монтажных работ 135
4.3. Модель развития опасной ситуации при дефектах 138
4.4. Определение весомостей контролируемых параметров по критерию безопасности 142
4.5. Методика обеспечения конструкционной безопасности в процессе строительства 148
4.6. Оценка качества возведения и обеспечение безопасности крупнопанельных зданий 155
4.7. Оценка качества возведения и обеспечение безопасности кирпичных зданий 171
4.8. Оценка качества возведения и обеспечение безопасности монолитных зданий 181
4.9. Выводы 188
5. Исследование качества возведения гражданских зданий 190
5.1. Методика проведения исследований 190
5.2. Методика расчета показателей безопасности 194
5.3. Исследование качества возведения крупнопанельных зданий 196
5.4. Исследование качества строительства кирпичных зданий 212
5.5. Исследование качества возведения монолитных и сборно-монолитных зданий 226
5.6. Влияние качества строительства на эксплуатационную надежность крупнопанельных зданий 240
5.7. Анализ влияния дефектов на несущую способность и безопасность крупнопанельных зданий 245
5.8. Анализ влияния дефектов на безопасность монолитных и сборно-монолитных зданий 259
5.9. Выводы 265
6. Исследование влияния организационно-технологических факторов на показатели качества строительства 268
6.1. Результаты ранжирования организационно-технологических факторов, влияющих на показатели качества 268
6.2. Исследование взаимосвязей организационно-технологических факторов с показателями качества 271
6.3. Планирование мероприятий, обеспечивающих качество и безопасность возводимых конструкций 284
6.4. Способы обеспечения качества возведения монолитных конструкций в зимних условиях 288
6.5. Вероятностный метод расчета технологических параметров, обеспечивающий качество и безопасность строительства 298
6.6. Проектирование экспертной системы комплексной оценки качества 302
6.7. Выводы 311
7. Экономическая эффективность и результаты внедрения 313
7.1. Оценка эффективности повышения качества строительства 313
7.2. Эффективность совершенствования методов контроля и оценки качества 315
7.3. Оценка эффекта регулирования безопасности и снижения риска аварии гражданских зданий 319
7.4. Результаты практической реализации методики обеспечения качества и безопасности 323
7.5. Рекомендации по использованию научных выводов 338
7.6. Выводы 343
Общие выводы 345
Список литературы 348
Приложения 363
- Подходы к оценке показателей надежности и безопасности строительных конструкций
- Обоснование номенклатуры показателей качества. Метод комплексной оценки качества строительства
- Регулирование точности технологических процессов по условию безопасности
- Оценка качества возведения и обеспечение безопасности крупнопанельных зданий
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Федеральные законы «О техническом регулировании» (№184-ФЗ от 27.12.2002), «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (№384-ФЗ от 30.12.2009) создали законодательную базу обеспечения безопасности в строительстве, закрепив в качестве предмета регулирования риск аварии и показатели конструкционной (механической) безопасности. Однако нормативная база и механизм регулирования безопасности находятся в стадии формирования.
Вместе с этим наблюдается рост числа строительных аварий и тяжести их последствий, в том числе в гражданском строительстве (около половины аварий). Основными причинами аварий являются дефекты строительных работ, применённых материалов, ошибки участников инвестиционно-строительного проекта. Ущерб от аварий исчисляется миллиардами рублей. Существенны и экономические потери дефектного строительства: до 5% затрат на жилищное строительство уходит на ликвидацию брака и около 3% – на преждевременный ремонт зданий в первые годы эксплуатации.
Строительный контроль ведётся без использования количественных показателей, обоснования объёмов контроля и критических значений отклонений по условию безопасности конструкций. Поэтому малоинформативные результаты контроля не являются полноценной доказательной базой для оценки соответствия этапов работ и завершенного объекта установленным требованиям. Проблема состоит в несовершенстве научных основ, системного подхода, методов контроля и оценки качества возведения гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества строительства, точности технологических процессов и показателей безопасности.
Степень разработанности проблемы. Анализ дефектов, отказов и аварий в строительстве содержится в официальных бюллетенях Госстройнадзора, работах Вейца Р.И., Гранау Э.Б., Гроздова В.Т., Дмитриева Ф.Д., Ройтмана А.Г., Руфферта Г., Сендерова Б.В., Физделя И.А., Шкинева А.Н. и др. Анализ причин аварий показывает, около 60% аварий происходят из-за низкого качества работ и применённых материалов. В большинстве случаев аварии зданий связаны с грубыми ошибками при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации, то есть с человеческим фактором.
Снижение рисков ошибок участников строительства достигается созданием отраслевых систем обеспечения качества (СОК), например, ПОКАС при строительстве атомных станций, а также систем менеджмента качества (известных в СССР как комплексная система управления качеством продукции – КС УКП), современные требования к которым обобщены в международных стандартах ИСО серии 9000. Однако указанные требования ориентированы на сертификацию системы менеджмента качества, сформулированы в самом общем виде без учёта отраслевой специфики, что затрудняет их применение. Отсутствуют рекомендации по количественной оценке СОК участников строительства, не исследована взаимосвязь уровня СОК строительных организаций с качеством работ по возведению зданий.
Методы контроля и оценки качества в строительстве предложены в ряде инструктивных отраслевых документов, работах Азгальдова Г.Г., Акимовой И.А., Болотина С.А., Волченко В.Н., Коробко В.И., Кузнецова А.Н., Монфреда Ю.Б., Покрасса Л.И., Столбова Ю.В., Сытника В.С., Тростянского П.В. и др. Как показал анализ, известные методы оценки качества строительства не удовлетворяют некоторым критериям достоверности и не учитывают показатели безопасности.
Применение строгих алгоритмических методов при решении задач оценки качества затруднено неопределенностью исходных данных. Следовательно, необходимы методы, позволяющие получать надежные решения при нечеткой исходной информации или ее недостатке. Наибольшее развитие получили методы, основанные на теориях нечетких множеств и энтропии (Заде Л., Шеннон К., Уткин В.С., Григорович В.Г., Юдин С.В. и др.), но для их использования при оценке качества строительства требуется уточнение параметров математических моделей.
Направленность научно-методологических исследований в области совершенствования технологии и организации строительных работ (в том числе в экстремальных условиях) определили труды отечественных ученых: Афанасьева А.А., Афанасьева В.А., Булгакова С.Н., Головнева С.Г., Гусакова А.А., Данилова Н.Н., Колчеданцева Л.М., Красновского Б.М., Крылова Б.А., Монфреда Ю.Б., Олейника П.П., Спектора М.Д., Теличенко В.И., Фокова Р.И. и многих др. Однако работ, системно рассматривающих вопросы оценки и технологического обеспечения качества, влияния организационно-технологических факторов на качество и безопасность гражданских зданий, не выявлено. Требуют дальнейшего совершенствования теоретические основы контроля и оценки качества, проектирования технологии и организации работ, ориентированных на обеспечение безопасности.
Основы теории надежности и безопасности строительных систем заложены в трудах Стрелецкого Н.С., Ржаницына А.Р., Болотина В.В. и др. Методы расчета конструкционной безопасности получили развитие в трудах Абовского Н.П., Бондаренко В.М., Гениева Г.А., Колчунова В.И., Перельмутера А.В., Райзера В.Д., Скоробогатова С.М., Снарскиса Б.И., Тамразяна А.Г., Травуша В.И., Шапиро Г.И. и др. Проблемы качества и безопасности рассмотрены также в работах G. Augusti, C. Cornell, A. Freudenthal, K. Ishikawa, H. Kume, N. Lind, А. Sarja, E. Schindowski, G. Spaethe, Е. Vesikary и др.
Анализ публикаций показал, что уровень безопасности с учётом дефектов возведения зданий целесообразно оценивать по относительным показателям, малочувствительным к погрешностям математических моделей. Однако в публикациях нет рекомендаций по использованию критериев безопасности при назначении точности технологических процессов, контроле и оценке качества возведения зданий.
Таким образом, научно-методологические основы оценки качества и обеспечения безопасности гражданских зданий в процессе строительства нуждаются в развитии по рассмотренным направлениям.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научных основ, системного подхода и методов контроля и комплексной оценки качества возведения гражданских зданий, направленных на повышение качества и безопасности строительной продукции.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:
-
Обоснование концепции обеспечения качества и безопасности строительной продукции, разработка системы показателей и метода комплексной оценки качества возведения зданий с учётом факторов, влияющих на безопасность.
-
Разработка методов и моделей для оценки системы обеспечения качества, прогнозирования качества работ и выбора участников строительства. Исследование влияния уровня системы обеспечения качества на показатели качества и безопасности гражданских зданий при их возведении.
-
Разработка методов оценки точности технологических процессов с учётом значимости дефектов, критериев безопасности, а также при недостатке информации.
-
Исследование влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий.
-
Разработка методов контроля и оценки качества, анализа значимости дефектов, регулирования точности процессов, направленных на обеспечение качества и безопасности гражданских зданий при их возведении.
-
Исследование технологической изменчивости параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемой точности и стабильности процессов строительно-монтажных работ, влияния дефектов на безопасность конструкций.
-
Разработка методов расчета технологических параметров, способов производства бетонных работ в зимних условиях, обеспечивающих качество и безопасность возводимых конструкций. Практическая реализация и экономическая оценка разработанных методов и моделей.
Объект исследований – система обеспечения качества строительства; строительно-монтажные работы по возведению надземной части крупнопанельных, кирпичных, монолитных гражданских зданий; результаты работ в виде возведённых конструкций.
Предмет исследований – показатели, характеризующие уровень системы обеспечения качества; параметры качества технологических процессов и возведённых конструкций; методы оценки качества; закономерности влияния организационно-технологических факторов на качество и безопасность строительной продукции.
Методы исследования: системно-функциональный анализ; методы квалиметрии, метрологии; принципы технологии строительного производства и организационно-технологической надежности; методы теории вероятностей и математической статистики; корреляционно-регрессионный анализ; методы теории надежности и безопасности.
Информационно-эмпирическая база исследования основана на данных анализа научных публикаций, законодательных и нормативных актов, информационных бюллетеней Госстройнадзора, экспертных опросов, экспериментальных и опытно-производственных исследований (более 30 зданий и 13000 измерений параметров качества).
Области исследования соответствуют паспорту специальности 05.23.08: разработка научных основ, методов и средств контроля и способов повышения качества продукции в строительстве и его производственной базе (п. 7); разработка научных основ, системного подхода, методов и технологий повышения эксплуатационного качества промышленных и гражданских зданий с учетом круглогодичного производства работ, инструментального контроля и способов повышения надежности зданий при их возведении и реконструкции (п. 11); прогнозирование и оптимизация параметров технологических процессов и систем организации строительства и его производственной базы, повышение организационно-технологической надежности строительства (п. 1).
Научная новизна полученных результатов:
– разработан метод комплексной оценки качества возведения гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности;
– выявлены зависимости и построены математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства по предварительной оценке их систем обеспечения качества;
– уточнены методы оценки точности технологических процессов с учётом значимости дефектов и при недостатке информации; введены новые показатели для оценки и регулирования точности процессов по условию безопасности возводимых конструкций;
– выявлены закономерности влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий;
– разработана методика обеспечения качества и безопасности гражданских зданий при их возведении посредством риск-ориентированного контроля, анализа значимости дефектов, оценки и регулирования точности процессов, совершенствования системы обеспечения качества;
– исследованы технологическая изменчивость параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемая точность и стабильность процессов строительно-монтажных работ, влияние дефектов работ на безопасность конструкций;
– разработаны метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости, способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях, ориентированные на снижение дефектности, обеспечение качества и безопасности.
Таким образом, научная новизна исследования заключается в развитии научных основ, системного подхода и методов контроля и комплексной оценки качества возведения гражданских зданий с учётом факторов, влияющих на безопасность, с целью повышения качества и безопасности строительной продукции.
Достоверность результатов исследований обусловлена: использованием поверенных средств измерений; представительными объемами выборок; статистически значимыми результатами производственных исследований; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; положительным опытом апробации и внедрения.
Практическая значимость заключается в разработке методов контроля и оценки качества, точности технологических процессов, расчета параметров технологии, обеспечивающих качество и безопасность возводимых конструкций, а также в создании стандарта СРО, региональных методических документов Госстройнадзора, технологических регламентов и запатентованных способов работ. Опыт практической реализации результатов исследований свидетельствует о возможности и целесообразности их внедрения в гражданское строительство.
Значимость работы для теории и методологии заключается в усовершенствовании теоретических основ повышения качества и безопасности строительной продукции, а именно в создании математических моделей для прогнозирования влияния уровня системы обеспечения качества, точности процессов и организационно-технологических факторов на показатели качества и безопасности гражданских зданий при их возведении.
Внедрение. Полученные результаты реализованы: при строительстве гражданских зданий различных конструктивных систем, объектов метрополитена и аэропорта г. Челябинска; в деятельности ряда крупных строительных организаций: ГАКО «Челябметаллургстрой» (1989-1991), Union Engineering Ltd. (1996-1997), ЗАО «СК Массив» (1998-2001), «Челябметротрансстрой» (1999), ООО «Монтажотделстрой» (1999-2000), ЗАО «Монолит» (2002), ООО «СК Стройком» (2004-2006), ООО «Центр управления проектами» и ООО ПКФ «Символ» (2010). В результате внедрения на объектах гражданского строительства достигнуты технический, экономический и социальный эффекты.
Научные результаты использованы при разработке стандарта «Система контроля качества строительных работ» СРО НП «Союз строительных компаний Урала и Сибири», в методиках оценки качества и обеспечения безопасности объектов жилищного строительства, утвержденных Управлением Госстройнадзора Челябинской области; в программах НИР Минобразования РФ «Качество и безопасность технологий, продукции, образовательных услуг и объектов», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»; в учебном процессе при подготовке студентов и аспирантов.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на международных, российских и региональных симпозиумах, конференциях, семинарах: научно-практической конференции «Жилище Урала» (Челябинск, 1994); Уральских академических чтениях Российской академии архитектуры и строительных наук (Екатеринбург, 1997–2005); всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности на пороге третьего тысячелетия» (Челябинск, 2000); научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (1994–2011); международном геотехническом симпозиуме «Geotechnical Aspects of Natural and Man–Made Disasters» (Astana, Kazakhstan, 2005); строительном форуме «Саморегулирование строительной деятельности: перспективы, проблемы, пути решения» (Челябинск, 2006); международной научно-практической конференции «Components of scientific and technical progress» (Тамбов, 2007); научных чтениях Орловского академического научно-творческого центра РААСН (Орел, 2007); международном симпозиуме «Geotechnical Engineering for Disaster Prevention & Reduction» (Yuzhno-Sakhalinsk, Russia – Sapporo, Japan, 2007), II международной конференции «Популярное бетоноведение» (Санкт-Петербург, 2008); международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» SIB–2008 (Воронеж, 2008); 62-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2009), V международной конференции «Предотвращение аварий зданий и сооружений» (Москва, 2010), симпозиуме «Технологии безопасности критичных инфраструктур» (Екатеринбург, 2011).
На защиту выносятся:
метод комплексной оценки качества строительства гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности;
математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства по предварительной оценке систем обеспечения качества; показатели для оценки систем обеспечения качества строительных организаций;
методы оценки точности технологических процессов, позволяющие провести регулирование точности по условию безопасности возводимых конструкций, в том числе при недостатке информации;
закономерности влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий;
методика обеспечения качества и безопасности гражданских зданий при их возведении посредством риск-ориентированного контроля, анализа значимости дефектов, оценки и регулирования точности процессов, совершенствования системы обеспечения качества;
результаты исследований технологической изменчивости параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемой точности и стабильности процессов строительно-монтажных работ, влияния дефектов работ на безопасность конструкций;
новые способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях, метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости, ориентированные на снижение дефектности, обеспечение качества и безопасности.
Публикации. Основные положения работы отражены в двух монографиях, трех патентах, 90 публикациях, в том числе 26 в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержание изложено на 408 страницах текста и включает 145 таблиц, 82 рисунка, 302 наименований источников и 12 приложений.
Подходы к оценке показателей надежности и безопасности строительных конструкций
Основы теории надежности и безопасности строительных систем заложены в трудах Стрелецкого Н.С, Ржаницына А.Р., Болотина В.В. и др. [43, 196]. Методы расчета надежности конструкций, в том числе с учетом накопления дефектов силового сопротивления и опасности прогрессирующего разрушения получили развитие в трудах Абовского Н.П., Бондаренко В.М., ГениеваГ.А., Забегаева А.В., КолчуноваВ.И., КудзисаА.П., Перельмутера А.В., РайзераВ.Д., Синицына А.П., Скоробогатова СМ., СнарскисаБ.И., Тамразяна А.Г., Тимашева С.А., Шапиро Г.И. и др. [2, 45, 46, 58, 109, 136, 170, 186, 192, 209, 232].
Зарубежные исследователи также внесли значительный вклад в развитие теории надежности строительных конструкций. Среди них Mayer М., Cornell С.А., Freudenthal A.M., Ferry Borges J., Castanneta M., Ditlevsen O., HasoferA.M., LindN.C, Spaethe G., Augusti G. , Baratta А. и др. [19, 266, 268, 272, 274, 276, 283, 287, 294]. Опыт нормирования надежности и долговечности обобщен международными организациями RILEM, СЕВ, FIB. Работы в этой области Sarja А., Vesikary Е., Hietanen Т. и др. использованы при разработке соответствующих положений Евронорм [270, 271, 273]. Надежность является интегральным свойством, определяющим эксплуатационное качество возводимых конструкций. Один из аспектов надежности - вероятность безотказной работы конструкции обусловливает ее безопасность при известном ущербе.
Методы расчета надежности подразделяются на физические, структурные и методы прогнозирования. Физические методы расчета основаны на математическом моделировании физических, химических или иных механизмов отказов при известных характеристиках материалов, параметрах нагруженности, с учетом особенностей конструкции и технологии изготовления объекта. Эти методы применяются, главным образом, для оценки локальной надежности сооружений, то есть надежности отдельных конструкций и их элементов. Используемые модели основываются на условии непревышения нагрузкой прочности при известном механизме деградации в виде коррозионных, усталостных повреждений и т.д. При учете нескольких независимых предельных состояний или процессов деградации критическое значение надежности находят по модели «слабейшего звена».
Применение физических методов для определения показателей надежности сложного сооружения практически невозможно в виду трудностей учета в расчетной модели системных взаимодействий (перераспределения усилий, податливости связей и швов), масштабных эффектов (кручение, динамика), предыстории и режима существования объекта и множественности сценариев отказа.
Структурные методы основаны на представлении сооружения в виде структурно-функциональной (логической) блок-схемы надежности, деревьев отказов, графов состояний и переходов и вычислении надежности сооружения по известным характеристикам надежности его элементов. Математические модели для описания соответствующих структурных схем надежности определяются видом и сложностью полученных структур, законами распределения характеристик надежности элементов, точностью и достоверностью исходных данных.
Наиболее простые модели прямого расчета надежности применимы для параллельно-последовательных структур, которые характерны лишь для малочисленного класса специальных сооружений (мачты, мосты, трубопроводы и т.д.). Расчет надежности для более сложных структур производится методами прямого перебора состояний, минимальных путей и сечений, статистического моделирования (методом Монте-Карло), расчета коэффициента сохранения эффективности. Структурные методы расчета могут быть применены при анализе надежности простых сооружений и конструкций, состоящих из небольшого числа элементов.
Методы прогнозирования основаны на оценке ожидаемого уровня надежности по данным объектов-аналогов. Различают эвристическое прогнозирование группой экспертов и методы прогнозирования по статистическим моделям (регрессионный и факторный анализ, статистическая классификация, распознавание образов). Прогнозирование надежности в принципе возможно для типовых объектов массового строительства, но осложняется тем, что характеристики материалов и набор внесенных дефектов индивидуальны для каждого здания.
Таким образом, для сложных строительных систем в виде зданий и сооружений могут быть использованы методы прогнозирования надежности и безопасно сти по вероятностно-статистическим моделям, а для конструктивных частей зданий и простейших сооружений - структурные методы расчета надежности. Физические методы расчета надежности применимы, главным образом, на уровне отдельных элементов конструкций.
Выделяют несколько уровней методов расчета надежности строительных конструкций: 1. Методы расчета с частными коэффициентами надежности, основанные на полувероятностном подходе к оценке надежности с учетом вероятностных характеристик прочности материала и системы коэффициентов надежности (по назначению, материалу, нагрузке, условиям работы), приближенно описывающих другие случайные факторы, входящие в уравнения предельных состояний. Такой подход принят в большинстве строительных норм проектирования. 2. Приближенные методы теории надежности (метод моментов, линеаризации), предполагающие определенные упрощения ансамбля случайных функций базисных переменных. Сюда же относятся численные методы расчета (статистических испытаний, Монте-Карло). 3. Точные методы теории надежности, применяемые для системы или ее элементов при полном учете функций распределения базисных переменных, их корреляционных моментов и уравнений предельного состояния. 4. Оптимизационные методы теории надежности, когда надежность определяется по экстремуму целевой функции эффективности различного вида с целью оптимального проектирования конструкций. В настоящее время расчеты большинства сооружений проводятся по нормам, основанным на методах 1-го уровня. Приближенные методы все чаще используются для уточнения расчетной основы норм проектирования конструкций. Уровни 3 и 4 применяются, главным образом, в научных исследованиях и при проектировании уникальных сооружений. В настоящее время в виду отсутствия нормативов надежности и достаточных данных о влиянии конструктивно-технологических параметров на безотказность и долговечность конструкций зданий и сооружений составить полный регламент обеспечения количественных показателей надежности не представляется возможным. При введении соответствующих нормативных документов, регламентирующих показатели надежности, вместо Р0 следует подставлять нормативное значение. Для конструкций массового применения, не подверженных опасности внезапного (хрупкого) разрушения, рекомендуется назначать .Ро=0,9986 [192]. Нормирование показателей надежности строительных конструкций - необходимый этап оценки надежности. Отметим, что официально установленных норм надежности строительных конструкций, зданий и сооружений нет. Существует несколько подходов к нормированию надежности.
Обоснование номенклатуры показателей качества. Метод комплексной оценки качества строительства
Для обоснования номенклатуры показателей качества используем системный подход. Под системой будем понимать объединение взаимосвязанных и расположенных в определенном порядке элементов (частей) какого-либо целостного образования с целью выполнения определенной функции. Системный подход в применении к любому объекту представим схемой (рис. 2.2.1).
Как видим, при системном подходе необходимо рассматривать объект или процесс с учетом: структуры (элементов и связей) S; параметров (свойств) X; функций (целей) F; взаимосвязей с внешней средой, человеком U; стоимости С; развития системы во времени Т. Критерий качества функционирования системы зададим в виде функционала Ф=Ф{(); U;F}, где Q={S;X; С} - характеристика системы. Функциональное назначение рассматриваемой системы проиллюстрируем схемой типа «вход - процесс - выход»:
В процессе своего функционирования в течение заданного времени Т система с характеристиками Q={S;X; С} преобразует материальные, энергетические и информационные потоки на входе U в определенный результат на выходе F. Функция F обусловливает некоторую оптимальную структурно-параметрическую модель объекта Q, имеющую определенную стоимость С, которая обеспечивает выполнение функции F в заданных условиях U в течение определенного времени Т.
Таким образом, задачи планирования, проектирования, обеспечения, оценки и улучшения качества сводятся к решению задач синтеза и анализа систем. Например, проектирование оптимального качества выражается поиском экстремума функционала max где Q - допустимое множество, в рамках которого может варьироваться объект; Qu - оптимальный (по критерию F) в условиях U объект.
В результате структурной, параметрической и стоимостной композиции задачи синтеза оптимального объекта Qu находят соответствующие показатели качества объекта где Q5,QX,QC- соответственно, множество допустимых структур, параметров и затрат; SU;XU;CU - оптимальные (по критерию Fornax) структура, параметры и стоимость в заданных условиях U.
В общем виде задача оценки качества состоит в нахождении функционала (2.2.2) при известных структурных и стоимостных характеристиках объекта, условиях и целях его существования и измеренных значениях параметров качества. В узком смысле данная задача сводится к измерению действительных значений параметров X, которые случайным образом изменяются под воздействием внешних условий Х(Т, U) = var.
С определением функционала 0{Q; U; F} связана проблема обеспечения надежности системы, понимаемой как способность к сохранению оптимальных характеристик S, X, С для выполнения заданных функций F в условиях f/ив течение требуемого времени Т. Безопасность функционирования системы связана с отсутствием недопустимого риска для внешней среды и человека. Обеспечение безопасности зависит от качества системы, выражаемого функционалом Ф{ 2; U; F}. Надежность и безопасность, таким образом, являются комплексными показателями качества функционирования объекта.
С точки зрения системотехники главными атрибутами системы являются: элементы, связи, параметры, функции, стоимость, взаимодействия с внешней средой и человеком, развитие во времени (см. рис. 2.2.1). Следовательно, критериям необходимости и достаточности будет удовлетворять такой набор показателей качества, который характеризует названные аспекты системного подхода. Пока затели подразделяют на две большие группы - полезные (потребительские, целевые, основные) и затратные (производственные, стоимостные, дополнительные). Полезные показатели разделим на внешнесистемные и внутрисистемные в зависимости от характеризируемых свойств (табл. 2.2.1).
Группа внешнесистемных показателей качества обусловлена взаимодействиями между рассматриваемой системой, внешней средой и человеком. В эту группу следует включить показатели безопасности, надежности и экологичности.
Внутрисистемные показатели разделим на подгруппы, отвечающие содержанию системного подхода. К функциональным отнесём показатели назначения, обуславливающие способность системы выполнять заданную функцию, в том числе эстетические и эргономические показатели. Структурные показатели характеризуют элементы и связи между ними. К временным отнесём показатели стабильности во времени различных параметров, характеризующих качество. В группу затратных показателей входят показатели технологичности, экономичности, унификации, патентно-правовые, характеризующие затраты на создание и функционирование системы.
Системный подход придает эвристическую ценность предложенной классификации, так как интегральное качество (эффективность) любой системы, а также принципиальные пути повышения качества определяются выражением: где 1Ф„ - сумма полезных функций системы; ЕС - сумма затрат на создание и эксплуатацию системы.
Повышение качества и безопасности строительной продукции (Ф„—»тах) при относительном снижении ее стоимости (С—мпіп) является конечной целью строительного производства. Формирование номенклатуры показателей качества по описанному принципу при условии количественной их оценки дает возможность прогнозировать развитие системы. При этом основным критерием совершенствования системы является повышение эффективности, определяемой выражением (2.2.3).
Полученная номенклатура показателей представляет собой дерево свойств, а для квалиметрической оценки качества необходимо определить весомость каждого свойства. Для этого обычно используют экспертный метод, однако для получения согласованных экспертных оценок требуется большое количество высококвалифицированных специалистов. Воспользуемся более простым способом составления матрицы приоритетов, математическое обоснование которого дано в [204] (табл. 2.2.2).
Регулирование точности технологических процессов по условию безопасности
Цель статистического приемочного контроля (СПК) - обеспечение уверенности застройщика (заказчика) и подрядчика и в качестве завершенных этапов работ в виде объёмов (партий) изготовленной строительной продукции методами выборочного контроля и математической статистики. СПК осуществляется по правилам ГОСТ Р серии 50779 [78-85], ГОСТ 18242, ГОСТ 18321, ГОСТ 20736 [66-68] и др. СПК может применяться на операциях входного контроля, при операционном контроле, при контроле готовой продукции, то есть в тех случаях когда надо решить - принять или отклонить партию продукции.
Партия проверяется по результатам контроля случайной выборки. При формировании случайных выборок возможна ситуация попадания в выборку большого количества дефектных объемов работ при их реально малой доли в партии. Это может привести к ложному решению о браковке бездефектных работ (ошибка первого рода или риск подрядчика а). В другой ситуации в выборке может оказаться малое число дефектных объемов работ, в то время как их общая доля в партии недопустимо велика. В этом случае дефектные работы будут ошибочно приняты (ошибка второго рода или риск застройщика р).
Задача СПК заключается в такой организации выборочного контроля, чтобы ошибочные решения принимались как можно реже. Риск ошибочных решений выборочного контроля оценивается так называемой «оперативной характеристикой», под которой понимают функцию L(q), равную вероятности приемки партии, содержащей долю дефектных объемов q=DIN, где D - число дефектных объемов работ, N- общее число принимаемых объемов.
Как правило, требования к качеству задаются в виде соответствующих норм на групповые показатели. Их граничное значение q называется нормативным уровнем несоответствий NQL (normative quality level). Доля дефектных изделий в партии q является наиболее распространенным в международной практике групповым показателем качества продукции, a NQL - критерием (нормой) качества совокупности продукции или работ.
При сплошном контроле реализуется идеальная оперативная характеристика (рис. 3.7.1, а), когда принимаются все объемы с q NQL и бракуются все объемы с q NQL. где Оо - нормативное значение риска подрядчика; /?0 - нормативное значение риска застройщика.
Процедура согласования значений NQL для различных дефектов заключается в следующем. Подрядчик устанавливает значение «о и задает точку {NQL; 1-«о) на кривой оперативной характеристики и тем самым определяет допустимые планы СПК застройщика (на рис. 3.7.1, б - участок кривой выше указанной точки). Застройщик устанавливает значение Д и задает точку (NQL; Д) и тем самым определяет допустимые планы СПК подрядчика (на рис. ЗЛА, б- ниже указанной точки). Используя планы с оперативной характеристикой в допустимой области, подрядчик с вероятностью не более Д) обеспечивает условие q NQL, а застройщик с вероят ностью не менее 1-аь гарантирует критерий качества q NQL. Описанный подход позволяет каждой стороне выбрать наиболее приемлемые для них схемы и планы контроля, адаптируя их к имеющимся условиям, таким образом, чтобы максимально сократить затраты на контроль. Однако, это не ущемляет интересы другой стороны, которые защищены ограничением на соответствующие риски. Кроме того, данный подход обеспечивает воспроизводимость решений, принимаемых при повторных процедурах контроля.
Значение NQL обоснованы в разделе 3.2, их предложено принимать равным для критических дефектов 0,25% или 1,5%, для значительных дефектов - 4,0% и для малозначительных дефектов - 10,0%. Задаваемые контролируемые параметры предлагается разделять на группы по виду и значимости, в зависимости от которых принимаются значения NQL и риска подрядчика а0 (табл. 3.7.1).
Нормативное значение риска застройщика Д предложено принимать равным количественной оценке системы качества подрядчика (2.4.1) или комплексной оценке системы качества (2.3.1) из диапазона [0, 1] с округлением до пяти сотых. При этом /Зо=Кс-с, где с - коэффициент сертификации, подбираемый с учетом гармонизации с требованиями стандартов ГОСТ Р серии 50779 [78-85] на статистический контроль качества. Если система качества сертифицирована с — 0, в противном случае следует принимать с = 0,5.
Возможно также установление /?0 в зависимости от степени доверия к информации о подрядчике и о качестве выполненных им СМР (по аналогии с табл. 2.6.2). Если нормативное значение риска застройщика не установлено, то необходимо применять значение /?0=0,25 (степень доверия ТЗ).
Различают контроль со стороны подрядчика и со стороны застройщика; контроль по альтернативному признаку и контроль по количественному признаку. В данном разделе разрабатывается статистический приемочный контроль по количественному признаку, где в качестве критерия используется комплексный показатель качества Ксмр, определяемый по формуле (2.2.10). Поскольку составляющие этого показателя имеют нормальное распределение по центральной предельной теореме Ляпунова (влияние на качества большого количества примерно равнозначных случайных факторов), Ксмр также имеет нормальное распределение.
Оценка качества возведения и обеспечение безопасности крупнопанельных зданий
В стеновой несущей системе панельных зданий платформенный стык является основным узлом, определяющим несущую способность конструкций [178, 255]. Поэтому для комплексной оценки качества возведения крупнопанельных зданий используем показатель несущей способности платформенного стыка где Rbw - прочность бетона стены при сжатии; t - толщина стены; tm - толщина растворного шва; Rm - кубиковая прочность раствора; Bw - класс по прочности на сжатие бетона сборного элемента стены; Ът - ширина растворного шва; Ър\ -суммарная ширина платформенных площадок; Sp! - суммарное смещение в платформенном стыке плит перекрытий; ур1 - коэффициент, учитывающий неравномерность загружения платформенных площадок; rjpi - коэффициент, учитывающий соотношения прочностей при сжатии бетона стены и бетона опорных участков плит перекрытий.
Второй сложный множитель формулы (4.6.1) представляет собой коэффициент, учитывающий влияние горизонтальных растворных швов. Третий сложный множитель учитывает конструктивный тип стыка, неравномерность распределения сжимающей нагрузки между опорными площадками и эксцентриситет продольной силы. Функциональная зависимость (4.6.1) была получена на основании натурных и лабораторных исследований, проведенных в ведущих институтах ЦНИИЭП жилища, МНИИТЭП, ЦНИИСК. Зависимость количественно выражает влияние прочностных и геометрических параметров, погрешностей устройства растворных швов и допущенных отклонений положения элементов на несущую способность платформенного стыка. Для того чтобы исключить влияние конструктивных особенностей узлов панельных зданий различных серий, введем относительный показатель прочности стыков где Rc, R"p - значения фактической и проектной несущей способности стыка. Фактическое значение несущей способности является случайной величиной, определяемой для конкретного стыка по формуле (4.6.1). Проектная несущая способность рассчитывалась как средняя величина для данного платформенного стыка при проектных значениях параметров. При этом необходимо учесть, что среднее значение проектной прочности стыка значительно превосходит расчетное значение, определяемое при расчетных значениях прочностных и геометрических характеристик параметров, входящих в формулу (4.6.1). Определение необходимого объема контролируемой выборки для каждого исследуемого здания производилось по формуле: где t\_a - квантиль -распределения уровня доверия 1-а; VR - вариация прочности стыков; є - относительная погрешность. Минимальный объем выборки при ґо,95 1 645, погрешности =0,10 и возможной вариации прочности Г=0,30 равен 25. Примем объем выборки для каждого здания равным 30. Апостериорное среднее значение вариации не превысило 0,25. Поэтому при я=30 относительная погрешность оценки составила є =7,5% при доверительной вероятности 1—«=0,95. Натурные исследования качества возведения панельных зданий были проведены на 6-ти домах серии 97, трех домах 121-й серии и одном доме серии 1.090 (см. приложение 3). Соответствующие объединенные выборки для указанных серий принимались равными 180, 90 и 30.
Гистограммы распределений относительного показателя несущей способности платформенных стыков KR приведены на рис. 4.6.1, 4.6.2. Статистики фактических и проектных распределений показателя KR для наружных (НС) и внутренних (ВС) стеновых панелей исследованных серий приведены в табл. 4.6.1. Анализ полученных результатов показал: 1) аппроксимирующие распределения значений KR близки к нормальным; 2) средние значения KR меньше единицы и варьируются в пределах 0,874-0,901 (для НС) и 0,873-0,946 (для ВС), что свидетельствует о довольно низкой обеспеченности несущей способности стыков по сравнению со средним проектным значением; 3) стандартные отклонения прочности стыков для различных серий оказались близкими по величине: 0,189-0,215 (для НС) и 0,131-0,137 (для ВС); 4) проектные разбросы, определенные при нормативных значениях отклонений, меньше фактических; 5) объемы объединенных выборок, равные 180, 90 и 30 для соответствующих серий, обеспечили высокую точность оценки прочности стыков г-: соответственно 2,3, 3,3 и 6,5% при доверительной вероятности 0,95. Оценка нормальности распределения значений KR производилась по асимметрии (мере скошенности) и эксцессу (мере островершинности), а также их стандартным ошибкам. Из полученных результатов следует (табл. 4.6.2), что асимметрия близка к нулю, а величины асимметрии и эксцесса лежат в пределах своих двукратных стандартных ошибок. Это дает основание [182, 237] предполагать нормальность изучаемых распределений. Результаты оценки аппроксимации нормальным законом распределения по критериями Колмогорова-Смирнова и Пирсона подтверждают гипотезу о нормальности распределений (см. табл. 4.6.1), так как вероятность аппроксимации значительно больше нуля. Предельно-допустимая величина показателя качества устройства стыка К%т рассчитывалась при неблагоприятном сочетании предельных нормативных отклонений: С учетом суммарных нормативных отклонений площадки опирання в платформенных стыках могут уменьшиться до 60 мм в стыке наружных панелей и до ПО мм в стыке внутренних панелей. Расчетные предельные значения показателя К для зданий серии 97 и 121 равны 0,655 для наружных панелей и 0,745 для внутренних.
Достижение указанных предельных значений возможно и при частичном несоблюдении проектных допусков при условии, что остальная часть параметров будет лежать в пределах допусков. При наблюдаемых распределениях (см. рис. 4.6.1) вероятность того, что значения показателя качества стыков наружных стен не будут меньше предельного значения К =0,655, равна для 97-й серии - 0,8768, для серии 121 - 0,8089. В случае если снижения прочности стыков не произойдет (KR =1), указанная вероятность при наблюдаемой дисперсии составит для 97-й серии - 0,9660, для серии 121 - 0,9653. При проектных условиях расчета стандартное отклонение прочности стыков равно 0,116, а обеспеченность по отношению к KRim составляет 0,9985. Вероятность того, что значения показателя качества стыков внутренних стен не будут меньше предельного значения К =0,745, равна для 97-й серии 0,8914, для серии 121 - 0,8340. В случае если снижения прочности стыков не произойдет (KR =1), указанная вероятность при наблюдаемой дисперсии составит для 97-й серии - 0,9686, для серии 121 - 0,9733. При проектных условиях расчета стандартное отклонение прочности стыков равно 0,086, а обеспеченность по отношению к т составляет 0,9985.
