Опыт применения и развития технологии производства СМР по устройству вертикальных монолитных конструкций жилых зданий

Введение

Одним из путей развития современного строительства является интенсификации выполнения различных строительных процессов и их взаимоувязка во времени и пространстве. Интенсификация позволяет не только повысить производительность труда, но и обеспечить высокую рентабельность и конкурентоспособность производства как по технологическим, так и по социально-эстетическим параметрам. Традиционно, основными показателями эффективности применения современных технологий являются продолжительность строительства и стоимость производства строительно-монтажных работ. Поэтому, в настоящее время является актуальной разработка метода выбора наиболее эффективной технологии производства СМР, из условия сокращения сроков производства работ.

Строительство зданий и сооружений из монолитного железобетона на сегодняшний день бесспорно является главным конкурентом при выборе технологических решений и методов производства строительно-монтажных работ (СМР) [3].

Процесс возведения конструкций из монолитного железобетона не стоит на месте и развивается благодаря внедрению в производство СМР инновационных материалов и технологических решений. В связи с этим возникает потребность в комплексном подходе для внедрения новых технологических решений и решения задач по минимизации возникновения соответствующих организационно-технологических нештатных проблемных ситуаций.

Целью работы является разработка методики выбора наиболее эффективного производства работ по возведению вертикальных монолитных конструкций.

В работе сформулирована гипотеза, предполагающая, что можно создать модель производства монолитных вертикальных конструкций посредством, которой снизить продолжительность строительства объекта в целом, и как следствие обеспечить снижение затрат на производство строительно-монтажных работ.

Общетеоретическую и методологическую основу составили труды российских и зарубежных ученых в области технологии и организации строительного производства. В своих методологических и общетеоретических построениях автор опирается на научные разработки С.А.Синенко, Б.В.Жадановский, В.И. Теличенко, А.А. Волкова, О. М. Терентьева, А. А. Лапидуса, П.П. Олейника, А.А. Афанасьева, Н.Н. Данилова, С.А. Амбарцумяна, В.Д. Топчего, А. Гриффита, П.Уотсона, и многих других. Также использует статьи в журналах научного исследовательского, специализированного, публицистического и информационного характера.

К факторам, влияющим на организационно-технологические решения по армированию конструкций, относятся следующие:

1. Объемно-планировочные и конструктивные параметры объекта: размер ячеек в осях; высота этажа; полезная нагрузка; этажность здания; высота здания.
2. Конструктивные параметры объекта: шаг несущих конструкций; конструктивная схема; размеры конструкций.
3. Решения по организации: размер захватки; интенсивность процесса; количество захваток; отдаленность заводов; площадь армирования; способ армирования; материал арматурных стержней; способ соединения арматурных стержней; шаг арматурных стержней; сроки строительства.
4. Климатические условия: температура воздуха; скорость ветра; регион строительства; сезонность.
5. Производственные факторы: степень унификации; индустриализация; нормокомплект орудий труда; комплект машин и механизмов.
6. Ограничивающие факторы. Факторы, снижающие качество конструкции [4, с. 19].

Технология возведения отдельных конструкций и всего объекта в целом объединяет простые и сложные технологические процессы. Эффективность технологий зависит от уровня взаимодействия процессов: чем выше степень их сочетания, тем технологичнее возведение конструкции.

«Выбор организационно-технологических решений определяет стоимость и сроки выполнения строительных работ, что в свою очередь влияет на выбор метода армирования в условиях строительной площадки. Ожидаемая эффективность характеризуется проектными показателям, которые содержат информацию о конструктивно-технологических особенностях возводимых несущих конструкций» [5, с.17].

Сравнение показателей технологичности по способу армирования плиты перекрытия (варианты: 1 – стальная арматура, 2 – преднапрягаемая, 3 – постнапрягаемая) в условиях строительной площадки на 100 м3 показали: продолжительность выполнения работ для 2 и 3 вариантов увеличивается на 7 и 6 дней, соответственно, трудоемкость возрастает почти в два раза.

Основные технико-экономические показатели по возведению вертикальных монолитных конструкций позволили определить, что материалоемкость сокращается до 18 %, трудоемкость до 23 %, а продолжительность работ до 20 % при жестком армировании в сравнении со стержневым армированием (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема повышения эффективности возведения монолитной плиты перекрытия

Для оценки значимости каждого описанного нами фактора следует свести полученную информацию в общую математическую модель.

Для математического выражения организационно-технологического и управленческого потенциала методов бетонирования монолитных конструкций используется методика моделирования многофакторных систем, [6].

«Рассмотрим функцию

𝑌 = 𝑑(𝑡_i),    (1)

учитывая, что t_i – организационно-технологический фактор, преобразуем ее в вид

𝑌 = 𝑑(𝑡₁, 𝑡₂, 𝑡₃, … , 𝑡_𝑛),     (2)

Учитывая, что зависимость между потенциалами носит линейный характер, выражение примет вид:

П_б.р. = ∑𝑡_i = 𝑡₁ + 𝑡₂ + 𝑡₃, … , +𝑡_𝑛,    (3)

где П_б.р. – единичный потенциал бетонных работ при возведении жилых зданий.

Выявленные факторы, влияющие на бетонирование монолитных конструкций, и предложенная математическая модель, станут основой для дальнейшего определения значимости каждого элемента системы и дадут толчок к повышению оптимизации и удешевлению проведения работ на стадии организационно-технологического проектирования» [7, c. 8].

Моделирование технологических зависимостей на основе разработанных в работе качественных и количественных оценок технологических зависимостей между взаимосвязанными процессами показано на примере бетонных работ при возведении монолитных высотных зданий при СМР (рис. 2).

Рис. 2. Модель технологических зависимостей между работами при производстве бетонных работ

Формирование модели начинается с определения временной зоны проведения завершающих работ 10, которая ограничивается контрольным сроком окончания строительства объекта и минимальной отсрочкой начала работ от начала 9. Далее по аналогии осуществляется распределение остальных работ, при этом обязательным условием является соблюдение ограничений по времени выполнения работ в соответствии с началом предыдущих и окончанием последующих в соответствии с минимальными объемами [11].

Устойчивость такой модели достигается за счет детерминированности на всем протяжении решения производственных задач количественной оценки технологических присоединений в начале и конце работ, а также длительности временного интервала, образующего каркас базовой модели.

Для проверки предложенной модели на применимость был предложен метод Дельфи. Метод Дельфи, использованный в этом исследовании, состоял из трех раундов с участием 20 экспертов. В первом раунде опроса Delphi респондентов попросили перечислить не менее пяти переменных для измерения сложности строительных проектов на строительном рынке РФ. Во 2-м раунде анкетного опроса Дельфи респондентам были предоставлены сводные результаты 1-го раунда, и их попросили дать оценки семи лучшим показателям (семь лучших показателей были выбраны для дальнейшего изучения на основе критерия, согласно которому все они были выбраны не менее чем 50 процентами экспертов) по пятибалльной шкале Лайкерта. В третьем раунде анкетирования Delphi респондентам было предложено пересмотреть оценки каждого показателя в свете сводных результатов 2-го раунда. В каждом раунде использовались следующие анкеты:

• Анкета 1: перечислите не менее пяти наиболее важных показателей сложности строительных проектов на строительном рынке РФ.
• Анкета 2: пожалуйста, оцените меры сложности в соответствии с их важностью.
• Анкета 3: пожалуйста, переоцените меры сложности в свете результатов со 2 тура [12].

Цель второго раунда опроса Delphi заключалась в том, чтобы начать процесс достижения консенсуса среди участников дискуссии относительно важности каждого показателя сложности. Экспертам для ознакомления был предоставлен список из семи показателей сложности с их пояснениями и экспертной частотой. Наконец 17 экспертов вернули свои ответы (табл. 1).

Таблица 1

Показатели сложности, предоставленные респондентами в опросе Delphi первого раунда

На этом этапе использовалась пятибалльная оценочная шкала Лайкерта, которая варьируется от 1 = неважно, 2 = несколько важно, 3 = важно, 4 = очень важно и 5 = чрезвычайно важно или существенно. В этом исследовании средний балл 3,0 был принят в качестве точки отсечки. Только мера считается ВАЖНОЙ, поэтому остается для повторной оценки в третьем раунде.

Получение этой линейной и аддитивной модели является логичным и обоснованным, поскольку корреляционная матрица Пирсона, показанная в таблице 2, показывает, что шесть верхних взвешенных показателей сложности не сильно коррелируют друг с другом на 5-процентном уровне значимости. Хотя использование нелинейной модели для подгонки полученных данных кажется более сложным, чрезмерная подгонка является распространенной проблемой с нелинейными моделями, особенно когда размер выборки недостаточно велик.

Таблица 2

Результат анкетного опроса 2 раунда – меры сложности строительных проектов

Примечания: № = 17; Коэффициент согласия Кендалла (W) = 0,529. Уровень значимости = 0,000

В ходе 3-го раунда опроса Delphi экспертов попросили переоценить свои оценки в свете консолидированных результатов, полученных во 2-м раунде. Наконец, 17 экспертов повторно настроили анкету. Большинство экспертов пересмотрели свои оценки и внесли в них коррективы.

«Корреляционная матрица Пирсона, как показано в таблице 3, показывает, что шесть основных показателей не сильно коррелируют друг с другом при 5-процентном уровне значимости. Это указывает на то, что эти меры независимы друг от друга и вряд ли будут иметь эффект мультипликатора между собой» [4, c. 9].

Таблица 3

Матрица корреляций Пирсона среди шести мер сложности

Конечным результатом этого расчета стало определение шести показателей сложности строительного проекта возведения вертикальных конструкций жилых зданий на строительном рынке РФ» [9, с. 3]. На основе идентифицированных мер и их весовых коэффициентов также был получен индекс сложности (CI). Следует добавить, что метод Дельфи по своей природе служит механизмом самопроверки, поскольку отдельным экспертам предоставляется возможность переоценить свои баллы со ссылкой на консолидированные средние баллы, полученные другими экспертами. Используя метод Дельфи, можно получить максимальное количество непредвзятой и объективной информации от группы экспертов [14].

Строительные конструкции используются для выполнения строительных функций. Необходимо понимать, что конструктивное решение повлияет не только на общий архитектурный проект, но и на разработку систем электроснабжения, освещения, терморегулирования, вентиляции, водоснабжения, вертикального транспорта и т. д. Кроме того, разные структуры будут представлять разную сложность с точки зрения возможности сборки. Например, здания со стеновыми конструкциями (обычно высотные здания) обычно считаются более сложными, чем здания с каркасной конструкцией (табл. 4).

Таблица 4

Результат 3 тура: Анкетный опрос – меры сложности

Примечания: № = 17; Коэффициент соответствия Кендалла (W) = 0,543 Уровень значимости = 0,000

Следовательно, «идеальная конструктивная система должна вмещать в себя другие подсистемы здания, облегчать популярные архитектурные формы и детали и обеспечивать лучшую возможность строительства для подрядчиков.

Результаты. На этапе оценки приведем количество материала со спецификациями строительного материала 53 класса обычного портландцемента, соответствующего ГОСТ 10178-85 [4]. «Для большинства работ подходит заполнитель 20 мм; заполнители должны соответствовать требованиям IS: 383, Бетон M30 заданная характеристика марки 30 Н/мм2, армирование Fe500, тип грунта – средний и использована функция отбора материала программы Revit Architecture как для экспериментальной конструкции, так и для монолитной конструкции» [10, с. 39].

После этого сравним данные по экономической эффективности обеих конструкций, а также выясним время, необходимое для строительства с помощью программного обеспечения проекта для обеих конструкций. В результате сформируем вывод о преимуществах между экспериментальной структурой и монолитной структурой (рис. 3).

Рис. 3. Архитектурный план 11-15 этажа

Следующая таблица содержит количество дней, необходимых для каждой строительной деятельности, чтобы определить продолжительность завершения как экспериментальной, так и монолитной структурной системы (табл. 5).

Таблица 5

Количество дней, учтенных в строительных работах

В результате можно сформулировать выводы.

Стоимость монолитного структурного строительства по выбранной технологии и сформированной модели.

В монолитном здании выполняются каменные работы, указанные ниже в таблице 6. Материал, количество материала и стоимость этого материала приведены для этажа монолитного здания.

Таблица 6

Стоимость монолитного здания (приблизительная оценка)

Стоимость экспериментального конструктивного здания приведена ниже таблицы ниже. Материал, количество материала и стоимость этого материала даны для этажа, возведенном с учетом экспериментального строительства (табл. 7).

Таблица 7

Стоимость экспериментального строительства (приблизительная оценка)

Сравнение времени между монолитной конструкцией и экспериментальной конструкцией (табл. 8).

Таблица 8

Период строительства по вариантам анализа

В результате можно сделать вывод о том, что при использовании новой технологии по сформулированной модели, экспериментальная конструкция имеет более эффективные и оптимальные характеристики в экономическом и технологическом плане, чем стандартная технология монолитной конструкции.

Обсуждение. Также, экспериментальная система с внутренней стенкой дает повышение прочности до 80%, а смещение экспериментальной системы уменьшается на 74-94%, а осадка уменьшается на 72-93% по сравнению с монолитным методом [8, с. 17]. Таким образом, если первоначальная стоимость экспериментальной структурной системы становится выше, то в долгосрочной перспективе это выгодно для пользователя, поскольку оно имеет более высокую сейсмическую способность, более низкое техническое обслуживание и экономическую выгоду.

Согласно таблице выше, существует четкая разница между временем окончания экспериментальной и монолитной структурной системы. В экспериментальной конструкции общее время строительства составляет 348 дней, а для монолитной конструкции время строительства составляет 367 дней. Таким образом, разница во времени между монолитной структурной системой и экспериментальной структурной системой составляет 19 дней. Как обсуждали ранее [15], при использовании одних и тех же ресурсов для обеих структурных систем было заложено 19 дней. Количество дней сокращается за счет использования в экспериментальной конструкции предложенного метода оптимизации по сравнению со стандартной монолитной конструкцией. Эти факторы будут сокращать время, а также стоимость проекта.

Выводы. Проведенная адаптация и внедрение наиболее эффективных технологий производства СМР по устройству вертикальных монолитных конструкций жилых зданий показала в рамках принятой модели:

• формирование ритмичного строительного потока
• оптимизации численно-квалификационного состава специализированных звеньев.
• определение рационального состава технологических операций, при производстве основных видов работ.

Сформулированная гипотеза – можно создать модель производства монолитных вертикальных конструкций, посредством которой снизить продолжительность строительства объекта в целом, и как следствие обеспечить снижение затрат на производство строительно-монтажных работ – подтвердилась полностью и является правомерной в рамках настоящего исследования.

1. ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния», М.: Стандартинформ, 2014 год.
2. СП 48.13330.2011 «Организация строительства», актуализированная редакция.
3. СП 52-101-2019 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного натяжения арматуры», утв. Постановлением Госстроя России от 25.12.2019 г. N 215.
4. Абдуллаев Г.И., Величкин В.З., Солдатенко Т.Н. Повышение организационно-технологической надежности строительства линейно-протяженных сооружений методом прогнозирования отказов // Инженерно-строительный журнал. 2018. № 3 (38). С. 43–50.
5. Болотова А.С. Методика повышения организационно-технологической надежности монолитного строительства // Научное обозрение. 2019. № 18. С. 186–190.
6. Ватин, Н.В. Новые технические решения для металлических конструкций [Электронный ресурс] / Н.В. Ватин, В.А. Рыбаков. – «СтройПРОФИль». – 2019. – Режим доступа: https://www.vira.ru/exp/reviews/new_lmk.html, свободный.
7. Вайнштейн М.С., Ждановский Б.В., Синенко С.А. и др. Оценка эффективности организационно-технологических решений при выборе средств механизации производства строительно-монтажных работ // Научное обозрение. 2017. № 13. С. 123–127.
8. Гинзбург А.В., Лобырева Я.А., Семернин Д.А. Системный подход при создании комплексных автоматизированных систем управления и проектирования в строительстве // Научное обозрение. 2019. № 16. С. 461–464.
9. Гинзбург А.В., Рыжкова А.И. Интенсифицирование развития энергоэффективных технологий с учетом организационно-технологической надежности // Научное обозрение. 2020. № 7. С. 276–280.
10. Жадановский Б.В., Синенко С.А. Перспективы повышения технического уровня производства бетонных работ в современном строительстве // Научное обозрение. 2018. № 9–2. С. 435–438.
11. Кумпяк О.Г., Мулюкова Д.Н. Расчет сборно-монолитного железобетонного каркаса 17-ти этажного общежития на прогрессирующее обрушение. 2019. – 4с.
12. Лапидус А.А. Потенциал эффективности организационно-технологических решений строительного объекта // Вестник МГСУ. 2020. № 1. С. 175–180.
13. Малов.А.Н. Инновационные технологии устройства стыков крупнопанельных зданий // Научно-практический электронный журнал Аллея Наук. – 2017.
14. Манухина О.А., Рыбко В.С., Романов Н.Р. Монолитное строительство: проблемы и перспективы // Экономика и предпринимательство. 2018. № 4 (93). C. 15–18.
15. Математические методы в планировании отраслей и предприятий / Под ред. И.Г. Попова. М.: Экономика, 2017 г.