Придніпровська державна академія

будівництва та архітектури

Єсипенко Алла Дмитрівна

УДК 69.059:69:001.89

Наукові основи забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель та споруд

спеціальність 05.23.08 – Технологія та організація

промислового та цивільного будівництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ — 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному інституті будівельного виробництва Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Пшінько Олександр Миколайович, ректор, завідувач кафедри будівель і будівельних матеріалів Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту ім. академіка В.Лазаряна Міністерства транспорту України;

- доктор технічних наук, професор Торкатюк Володимир Іванович, завідувач кафедри економіки будівництва Харківської національної академії міського господарства Міністерства освіти і науки України;

- доктор технічних наук, професор Друкований Михайло Федорович, професор кафедри промислового та цивільного будівництва Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра організації і управління будівництва (м. Київ)

Захист відбудеться " 24 " травня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ПДАБтаА, ауд.202

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а)

Автореферат розісланий „ 23 ” квітня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Надійність та безпечна експлуатація будівель, споруд та інженерних комунікацій, запобігання аваріям на них — це проблема, яка зараз, у перехідний період розвитку економіки у нашій країні вкрай загострена.

Постанова Кабінету Міністрів України від 05.05.97 №409 "Про забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж" передбачає широкий комплекс заходів для вирішення цієї актуальної проблеми.

Серед них — інвентаризація фактичного стану шляхом проведення обстежень технічного стану і паспортизації всіх існуючих об’єктів виробничого, житлово-цивільного та іншого призначення, інженерно-технічних споруд та інженерних мереж незалежно від їх підпорядкування і форми власності. Цей захід повинен забезпечити виявлення кількості та підпорядкування об’єктів, що перебувають у незадовільному технічному або аварійному стані, і складання реєстру цих об’єктів, що є необхідною передумовою розроблення і вжиття заходів для виправлення стану.

Сучасними вимогами до будівельного виробництва є: системність; безпека; гнучкість; ресурсозбереження; якість; ефективність.

Одночасно зростання обсягів будівництва і, як наслідок, збільшення будівельного фонду все наполегливіше ставить завдання необхідності підтримувати і підвищувати якість будівель та споруд шляхом проведення поточних, капітальних ремонтів, модернізації і реконструкції.

При цьому виникають нові проблеми. У системі “проектування — виробництво — експлуатація” утворилася методична роз'єднаність, що ускладнює вибір техніко-економічних і інженерно-технологічних рішень. Практика прийняття рішень без локальної інженерної інформа-ції ускладнює виробничу систему і є гальмом у досягненні ефективного кінцевого результату — забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель та споруд.

Згідно з Міжнародними нормами (EN 1990:2001/ Eurocode — Basis of structural design) надійність будівельних конструкцій розглядається як поєднання безпеки, придатності до нормальної експлуатації і довговічності. Безпечність розглядається як властивість будівельного об’єкта зберігати придатність до експлуатації впродовж передбаченого терміну без потенційної загрози для життя і здоров’я людей.

Виникло відставання системи вимог чинної нормативно-технічної документації до сучасного рівня будівельно-монтажних робіт.

Одним із важливих аспектів даної роботи є розгляд “інструментів якісного утримання нерухомості”, до яких відносяться дослідження і паспорт технічного стану будівлі (споруди). Загальна мета методики досліджень і паспорта технічного стану будівлі (споруди) полягає в організації постійного нагляду за об'єктом нерухомості.

З одного боку, для зниження витрат на відновлення слід домагатися максимально тривалої експлуатації елементів житлових будинків та інженерних систем, максимально виробляючи їх експлуатаційний ресурс. З іншого боку, для визначення значень допустимих меж зносу, що звичайно будуть коливатися в значних межах для елементів і будівель під впливом умов експлуатації і параметрів навколишнього середовища. Існуючі обмеження термінів служби конструкцій у різноманітних агресивних середовищах диктують уже в найближчому майбутньому збільшення обсягів робіт із їх відновлення і посилення, а тому необхідна інформаційна система виявлення і спостереження їх станів, тобто необхідна організація системи моніторингу якості будівель та споруд. Таким чином, актуальним слід вважати дослідження експлуатаційного зносу будівель, споруд та інженерних систем, особливо в великих містах, де стан навколишнього середовища в різних районах викликають значні коливання параметрів тривалості безвідмовної роботи одиничних елементів і вузлів. Розкид у лагах експлуатаційного зносу сягає значних розмірів, що обумовлює у сучасних умовах економічне неефективне використання єдиної системи планово-попереджувальних ремонтів. При цьому доцільним є перехід на встановлення термінів поновлення відмов по фактичній відмові конкретних будівель та споруд, елементів, систем. Ефект їх поновлення по фактичній відмові потребує науково обґрунтованого дослідження і відпрацювання принципів організації моніторингу спостереження за станом будівель та споруд, виявлення закономірностей потоків відмов і практичної реалізації раціональної схеми їх поновлення.

Залізобетонні конструкції, у більшості випадків складові несучі частини сучасних будинків і споруд масового й унікального будівництва, поряд із безперечними перевагами, мають ряд недоліків. Отже, виявлення, вивчення, врахування, прогнозування цих недоліків та адекватна конструктивна відповідь на них дуже актуальна і особливо необхідна також у зв'язку зі зростаючим значенням модернізації і реконструкції основних будівель та споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу здійснено відповідно до Державної науково-технічної програми "Ресурс" зумовленої схваленою "Концепцією Державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки". Основні положення були розроблені при виконанні завдань, що випливають з Постанови Кабінету Міністрів України від 05.05.97 № 409 "Про забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж", створення та відстеження галузевих і регіональних програм модернізації (ліквідації) аварійно небезпечних об'єктів на виконання доручення Прем'єр-міністра України № 9356/2к від 28 серпня 2002 p., відповідно до доручення Президента від 21 серпня 2002 p. (№ І-1/1088); Науково-дослідних робіт: № ДР 0100U002997 "Аналіз та оцінка технічного стану будинків та споруд житлового фонду м. Києва. Створення комплексних довгострокових програм по забезпеченню їх надійної та безпечної експлуатації відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України від 05.05.97 №409 "Про забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж", № ДР 0101U007445 Розробка „Правил утримання жилих будинків та прибудинкових територій”, № ДР 0197U013936 „Дослідження та рекомендації по визначенню основних видів правопорушень у галузі будівництва”, № ДР 0100U004385 „Науковий аналіз, розробка відомчих правил з експлуатації будівель і споруд в галузі зв'язку” та інші. Автор була науковим керівником вищезазначених науково-дослідних робіт.

Метою і завданням дослідження є розроблення наукових основ та організаційно-технологічного забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель, споруд, а також концепції й науково обґрунтованих методів попередження і поновлення відмов їх конструкцій, елементів і систем відповідно до нормативно-технічних вимог при мінімальних витратах ресурсів.

Для досягнення поставленої мети були розв'язані такі завдання:*

аналіз існуючої системи експлуатації будівель та споруд і представлення їх параметрів у вигляді математичних моделей, що адекватно описують систему експлуатації;*

класифікація показників і критеріїв, які використовуються для оцінки працездатності будівель та споруд і інженерних систем;*

аналіз і кількісна оцінка експлуатаційного (фізичного і морального) зносу будівель та споруд із установленням потоку відмов їх елементів у різних умовах експлуатації;*

дослідження лагів випередження і відхилення показників фізичного і морального зносу будівель та споруд і інженерних систем стосовно системи планово-попереджувальних ремонтів;*

розроблення й впровадження принципів, методів, алгоритмів, організаційних і технічних схем моніторингу для спостереження, прогнозування й економічної оцінки можливості відмов елементів будівель та споруд залежно від умов експлуатації;*

розроблення методів економічної оцінки адресного попередження і поновлення відмов будинків (поточні і капітальні ремонти, модернізація, реконструкція) для приведення їх стану у відповідність із сучасними вимогами.

Об’єкт дослідження: промислові та цивільні будівлі, споруди та інженерні комунікації.

Предметом дослідження є організаційно-технологічні системи моніторингу технічного стану та експлуатаційного зносу елементів будівель та інженерних мереж. Системи показників та критеріїв для оцінки працездатності будівель, споруд: методики використання та інтерпретації механізмів, форм та проектних рішень структурного керування процесами державного управління надійністю та безпечною експлуатацією будівельного фонду.

Методи дослідження. Спеціальне комплексне дослідження організаційно-технологічного забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель та споруд. Йому передували дослідження окремих елементів чи аспектів вирішення різних задач.

Крім того, передумовами даного дослідження та його теоретичною основою стали теоретичні основи теорії систем і системного аналізу, загальні теорії функціональних систем, вірогідно-статистичного, інженерно-економічного, інтерактивно-графічного, організаційно-технологічного та функціонально-системного принципів забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель та споруд.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:*

здійснена розробка і практична реалізація концепції та методів досягнення надійної й безпечної експлуатації шляхом створення науково обґрунтованої системи моніторингу технічного стану та експлуатаційного зносу елементів будівель та інженерних систем, прогнозування і вибору часу їх адресного відновлення (ремонт, модернізація, реконструкція);*

виявленні і класифіковані критерії та показники, що характеризують ознаки параметрів експлуатаційної якості й експлуатаційного (фізичний і моральний) зносу елементів будівель та споруд, які експлуатуються у різних умовах;*

встановлено закономірності експлуатаційного зносу елементів будинків і інженерних систем у різних умовах експлуатації;*

розроблено алгоритми визначення лагів випередження фактичного експлуатаційного зносу елементів будинків на відміну від системи їх планово-попереджувальних ремонтів;*

розроблено методи обстеження експлуатаційного зносу елементів будинків і споруд з описом законів їх зміни в часі і відхиленням у системі планово-попереджувальних ремонтів;*

виявлено тенденції в зміні стану ресурсів (технологій, організації, інвестицій, якостей параметрів експлуатаційних конструктивних елементів) залежно від часу адресного поновлення відмов експлуатаційного їх зносу; *

створено систему організації моніторингу за станом експлуатаційного зносу елементів будинків і інженерних систем у часі;*

розроблено алгоритми прийняття рішень, спрямованих на досягнення відповідності між експлуатаційним зносом, його адресним відновленням до рівня нормативних вимог із мінімальними витратами ресурсів;*

розроблено системний підхід до оптимізації інженерно-технологічних критеріїв оцінки технічного стану та забезпечення параметрів експлуатаційної якості;*

запропоновано комплекс статистико-аналітичних “інструментів” визначення якостей параметрів експлуатації будівель та споруд;*

розроблена методика визначення параметрів експлуатаційних якостей будівельної продукції на основі локальної інтегрованої системи інженерно-технологічних показників будівельної продукції;*

рекомендовано інженерно-технологічні основи виробничо-економічних відносин учасників створення будівельної продукції, що тією чи іншою мірою впливають на параметри експлуатаційних якостей продукції;*

запропоновано методи оцінювання технічного стану будівель та споруд.

Перелічені вище наукові результати автор виносить на захист.

Достовірність результатів дослідження обумовлена застосуванням обґрунтованих методів теоретичних і експериментальних досліджень: системного виробничо-технологічного аналізу; математичної статистики; матричного аналізу; теорій імовірності і надійності; імітаційного моделювання, прийнятною збіжністю отриманих даних, а також результатами успішного їх впровадження у практику експлуатації будівель та споруд.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що розроблені і практично реалізовані науково обґрунтовані рекомендації з організації системи моніторингу стану експлуатаційного зносу в часі елементів будівель та споруд, що дають змогу забезпечити їх експлуатацію на рівні сучасних вимог із мінімальними витратами ресурсів.

Наукові положення, результати роботи і практичні рекомендації використані в таких розробках:*

результати досліджень послужили основою для розроблення "Нормативних документів з питань обстежень, паспортизації, безпечної та надійної експлуатації виробничих будівель та споруд".

Цей пакет нормує такі аспекти проблеми:—

правила обстежень, оцінки технічного стану та паспортизації будинків і споруд;—

положення про їх безпечну та надійну експлуатацію;—

положення про спеціалізовані організації з проведення обстежень та паспортизації технічного стану будівель та споруд, а також про головну організацію з координації дій, підготовки нормативних документів і з питань обстежень та паспортизації;—

структура реєстру аварійно небезпечних виробничих будинків та споруд;—

обстеження окремих частин будинків (споруд) та їх конструкцій.

У 1998 р. цей пакет документів зареєстрований у Мінюсті України. Він забезпечив можливість проведення паспортизації на єдиній науково-технічній основі, аналізу й узагальнення її результатів.

Згідно з положеннями цих Нормативних документів для підвищення науково-технічного рівня обстежень та відповідальності за їх якість по всій Україні створено мережу спеціалізованих організацій (СО) з обстеження будинків, споруд та інженерних мереж з метою їх паспортизації. Основу цієї мережі становлять державні науково-дослідні та проектні організації з великим досвідом роботи з проектування реконструкції виробничих і цивільних будівель та споруд.

Згаданий пакет нормативних документів містить, зокрема, структуру та правила ведення реєстру аварійно небезпечних будинків і споруд виробничого призначення.

Складання та ведення цього реєстру, а також надання аналітичних зведень щодо його стану та змісту відповідним органам державної влади і державного нагляду з метою вжиття ними належних заходів.

Створено постійно діючу систему ведення реєстру аварійно небезпечних об’єктів (РАНО), у виконанні різних функцій якої задіяні Держбуд України, Держнаглядохоронпраці, Міністерство праці та соціальної політики України, Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій, територіальні держадміністрації, територіальні управління Держнаглядохоронпраці, мініс-терства і відомства, чиї об'єкти фігурують у реєстрі, керівники окремих підприємств, спеціалізовані організації з обстежень і паспортизації та НДІБВ як головна організація з обстежень та паспортизації технічного стану будівель та споруд.

На виконання доручення Прем’єр-міністра України № 9356/2к від 28 серпня 2002 р., відповідно до доручення Президента від 21 серпня 2002 р. (№ 1-1/1088) міністерствами, іншими центральними органами виконавчої влади, територіальними державними адміністраціями створено низку галузевих та регіональних програм модернізації (ліквідації) аварійно небезпечних об’єктів. Загальна кількість об’єктів, включена до цих програм, перевищує 9 тисяч. Близько 70% із них передбачено модернізувати, решту — ліквідувати. У розробці цих програм було використано дані реєстру аварійно небезпечних об’єктів.

Сьогодні це документ, який регламентує й уніфікує вимоги і забезпечує рівень якості обстежень і паспортизації;*

результати досліджень послужили складовою частиною для розроблення ДБН В.3.1-1-2002 "Ремонт і підсилення несучих і огороджувальних будівельних конструкцій та основ промислових будинків і споруд", "Положення про безпечну та надійну експлуатацію виробничих будівель та споруд”, "Положення з питань обстеження оцінки технічного стану і паспортизації штучних споруд метрополітену", "Положення з питань обстеження оцінки технічного стану і паспортизації підприємств у галузі зв'язку", "Положення про безпечну та надійну експлуатацію димових труб", "Інструкції щодо проектування цегляних і армоцегляних димових труб", "Інструкції з експлуатації покрівель", "Правил утримання жилих будинків та прибудинкових територій";*

складено систему паспортизації будівель та споруд, зазначені документи впроваджені в практику оцінювання технічного стану будівельного фонду України;*

розроблені програми навчання інспекторів Держнаглядохоронпраці і працівників служб спостереження за технічним станом будинків і споруд;*

результати досліджень використані Держбудом України та Держжитлокомунгоспом України в тематичному напрямку підвищення надійності конструктивних рішень будівель та споруд;*

викладені практичні рекомендації щодо формування розрахункових просторових моделей, реалізованих за МКЕ, із використанням стандартної бібліотеки кінцевих елементів;*

розроблено і підготовлено до впровадження систему моніторингу якості будівельного фонду з оцінкою технічного стану .*

створено методи оцінки фізичного зносу будинків та споруд за їх окремими елементами.

Основні положення дисертації викладені у вищезгаданих нормативних документах, а також у монографії, підручниках для ВНЗів, наукових статтях.

Особистий внесок здобувача полягає в розробленні принципів і методології забезпечення безпечної і надійної експлуатації будівель та споруд, системного підходу при запобіганні аварійних ситуацій будівель та споруд, методик застосування структурних елементів із використанням математичних методів моделювання й ЕОМ, оцінювання технічного стану і паспортизації будівель та споруд, нормативної документації і завдяки цьому відновлення на кожному підприємстві України служби спостереження за надійною й безпечною експлуатацією.

Особистий внесок дисертанта у роботи опубліковані у співавторстві полягає: [ 1, 3, 4, 14, 39 ] – у узагальненні теоретичних основ організаційно-технологічних рішень експлуатації та відновлення об’єктів; [59] – у розробці методів оцінки організаційно-технологічних параметрів; [9, 11, 26] – у проведенні аналізу відновлення будівельного комплексу при дотриманні нормативних термінів залежності до використання ресурсів; [50] – у розробці алгоритму розрахунку моделі методом статистичних досліджень; [57] – у розробці системи організаційно-технологічної надійності реконструкції житла.

Апробація результатів дисертації. Дисертаційне дослідження проводилося в Науково-дослідному інституті будівельного виробництва Держбуду України. Результати дисертаційної роботи заслуховувалися, обговорювалися й одержали схвалення на науково-технічних радах, на міжнародних та українських конференціях і семінарах протягом 1995 – 2007 років:

Всеукраїнській конференції „Розробка та застосування математичних методів в науково-технічних дослідженнях” (м. Львів, 1995р.); першій всеукраїнській науково-технічній конференції „Аварії на будівлях та спорудах та їх попередження” (м. Київ, 1997р.); IX семінарі-нараді керівників і спеціалістів служб шляхів та тунельних споруд метрополітенів країн СНД (Київ, 2001р.); першій міжнародній науково-технічній конференції „Нові технології у будівництві” (Київ, 2001р.); другій Всеукраїнській конференції на тему "Наукове-технічне, нормативне та інформаційне забезпечення безпечної і надійної експлуатації будівель та споруд” (м.Київ, 2003р.); YI міжнародній виставці-конференції „Реконструкція житла – 2004” (м.Київ, 2004р.); міжнародній конференції „Розвиток та удосконалення перетворення у житловій та комунальній сферах” (Москва, 2004р.); Науково-технічних радах Держбуду України, Держжитлокомунгоспу України, семінарах-нарадах Київської міської держадміністрації.

Публікації. Наукові розробки ввійшли в навчальні посібники, програми і методичні вказівки і використовуються під час проведення занять із фахівцями, проектувальниками, спеціалістами служби спостереження, студентами.

Основні результати досліджень надруковані у 59 наукових роботах, з них: 1 монографія (підготовлена особисто); 2 посібники (у співавторстві); 23 у спеціальних виданнях, які входять до переліку затвердженого ВАК України, з них – 20 опубліковано особисто і 3 – у співавторстві; Державні будівельні норми і правила.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, загальних висновків і списку використаної літератури. Робота викладена на 334 сторінках, супроводжується 90 рисунками і 57 таблицями, 1 додаток.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність аналізованої проблеми, сформульовані мета, завдання дослідження, наукова новизна роботи і її практичної значимості, визначені методологічні підходи до вирішення проблеми.

У першому розділі наведено аналіз проблеми надійної та безпечної експлуатації будівель та споруд для визначення наукового та методологічного супроводження заходів, які спрямовані на визначення оцінки технічного стану, попередження відмов та обґрунтування продовження терміну безпечної експлуатації будівель та споруд. Розглядаються будівельні інженерно-технологічні взаємозалежні і взаємообумовлені задачі, що обумовлює необхідність аналізу величезних інформаційних масивів при інженерно-технологічному аналізі (ІТА). Сучасна будівля являє собою складну систему, яка складається з великої кількості конструктивних елементів і деталей, інженерного устаткування, що повинні протистояти зовнішнім і внутрішнім чинникам, підтримувати параметри експлуатаційних якостей (ПЕЯ) і забезпечувати надійну й безпечну експлуатацію будівель та споруд.

Подано огляд і аналіз методів, що забезпечують сучасну якість будівельної продукції, викладені сучасні погляди на категорію якості в цілому. У основу дисертації покладені узагальнення і розвиток досліджень, що зробили значний внесок у вирішення комплексної проблеми якості проектування, технології та організації будівельного виробництва своїми роботами: В.А.Афанасьєв, Г.І.Апишков, В.С.Балицький, Г.В.Бадеян, А.І.Білоконь, Ю.І.Біляков, В.М.Бондаренко, В.В.Болотін М.С.Болоцьких, В.І.Большаков, С.Н.Булгаков, М.С.Будніков, С.Д.Бушуєв, М.Г.Дюженко, В.Т.Вечеров, Д.Ф.Гончаренко, Р.А.Гребенюк, Є.В.Горохов, Б.С.Дамаскін, В.П.Діденко, М.Ф.Друкований, О.О.Жуков, В.Д.Жван, Р.Н.Зельдович, В.Ф.Залунін, В.М.Кірнос, В.Н.Кутуков, Б.М.Колотілкін, Д.Корт, О.М.Лівінський, Н.М.Мхітарян, О.О.Літвінов, Л.В.Мазуренко, А.В.Мішін, І.І.Назаренко, О.Г.Оніщенко, П.П.Олійник, О.М.Пшінько, Р.Б.Папірник, Г.А.Поривай, Г.Т.Попов, А.В.Радкевич, В.А.Рач, А.Р.Ржаніцин, І.І.Романенко, А.Г.Ройтман, В.В.Савйовський, В.Й.Сівко, В.К.Соколов, В.Т.Семенов, В.І.Торкатюк, В.Д.Топчій, Г.Н.Тонкачов, Р.Б.Тян, Є.П.Уваров, С.А.Ушацький, П.П.Федоренко, О.В.Федосова, Р.І.Фоков, С.М.Хімунін, В.К.Черненко, Т.Н.Цай, В.Т.Шаленний, М.С.Шумілов, М.О.Шебек, Ю.М.Шкодовський, К.А.Шарлигін, Л.М.Шутенко, Б.Яковенко.

Техніко-економічний аналіз будівельного виробництва, принципи, методи, оцінки економічної ефективності розроблені в працях професорів: С.Е.Канторера, В.А.Афанасьєва, Б.С.Бушуєва, В.І.Воропаєва, П.Г.Грабового, А.В.Карасьова, Я.А.Рекітара, В.І.Сєрова, П.П.Степанова й ін

Статистичний аналіз дефектів конструкцій будівель показав, що вони викликані як однією причиною, так і поєднанням кількох причин. Помилки проектних рішень складають 10% дефектів, низька якість виготовлення деталей і конструкцій — 20%, порушення технологічного регламенту при виробництві будівельно-монтажних робіт — 40%, з інших причин — 10%.

Ступінь втрати параметрів експлуатаційної якості будинків може бути оцінений багатофункціональною залежністю:

Pk = f(Tекс, Iекс, Mвир, Wв, Nпр), (1)

де Tекс — тривалість експлуатації будівлі;

Iекс — інтенсивність експлуатаційного режиму;

Mвир — технологія та методи виконання будівельних робіт;

Wв — впливи зовнішнього середовища;

Nпр — невідомі фактори та причини.

Складність оцінки параметрів експлуатаційної якості будівель та споруд полягає ще й у тому, що в будівництві існує великий обсяг "прихованих робіт", що створюють передумови для значної кількості дефектів, які виявлятимуться в процесі експлуатації.

Існуюча методична структура по підвищенню параметрів експлуатаційної якості будівель та споруд не враховує багатьох чинників зносу будинків і не може бути основою при створенні сучасного моніторингу зміни показників експлуатаційних якостей (ПЕЯ).

Розділ містить комплекс аналітичних і експериментальних підходів до формування методики організаційного й інженерно-технологічного аналізу якості будівельної продукції.

Науково-технічний напрямок досліджень запропонований у цій роботі, поданий на рис. 1.

Практика будівельного виробництва доводить необхідність спільного аналізу організаційних та інженерно-технологічних рішень. Етапи життєвого циклу будинку (будівельної

Рис. 1. Науково-технічний напрямок дослідження

продукції) змінюють у часі свої різнохарактерні параметри: економічні, інженерно-технічні, технологічні, екологічні, експлуатаційні. При цьому параметри (показники) не просто різнохарактерні, а й суперечливі, де, наприклад, якість вступає в протиріччя з економічною ефективністю (економія витрат праці, матеріалів і ресурсів). Міжнародна система ІСО (International Organization for Standardization) висуває на перший план структурну підсистему — загальне управління якістю (TQM) як інструмент коригувальної організації і технології виробництва з метою підвищення якості промислової продукції. Важливим кроком вітчизняного будівельного виробництва є впровадження систем управління якістю на основі стандартів ІСО (ISO) серії 9000 у практику проектування, виробництва й експлуатації будівельної продукції.

Для реалізації даного завдання запропонована розробка методу організаційного й інженерно-технологічного аналізу будівельного виробництва, метою якого є вирішення проблем синтезу інженерних, організаційних і технологічних виборів варіантів, а також їх прямих і обернених інформаційних зв'язків при проектуванні, будівництві й експлуатації.

На рис. 2 поданий склад процедур організаційного й інженерно-технологічного аналізу.

При використанні діаграми Парето для контролю кількох чинників необхідно використовувати так званий АВС-аналіз. При цьому будують кумулятивну криву, знаходять відсоток дефектів до 60–80% і потім визначають кількість видів дефектів (1–5). Об'єктом фінансових та інженерно-технологічних впливів є дефекти, що містяться в групі А. Цей цикл може бути повторений із набором інших чергових дефектів у групах В і С (рис. 3).

Розроблений метод ІТА застосовується для визначення коефіцієнтів вагомості різнорозмірних показників ефективності (критеріїв) будівельних процесів. Матриця прийняття рішень — матриця очікуваних результатів реалізації варіантів має вигляд:

де а1 ... am — варіанти будівельних рішень (і = 1, m);

X1 … Xn — різнорозмірні показники ефективності (j = 1, n);

X11 … Xmn — значення показників ефективності;

P = [Xij] (i = 1, m; j = 1, n) — різнорозмірна матриця прийняття рішень.

Рис. 2. Структура методу організаційного й інженерно-технологічного аналізу

будівельних процесів

Рис. 3. Діаграма Парето для аналізу якості збірних залізобетонних конструкцій:

1 — гвинтоподібність площини; 2 — низька щільність бетону;

3 — мінімальний захисний шар; 4 — зміщення арматури; 5 — інші дефекти.

Запропонована методика інженерно-технологічного аналізу припускає забезпечення ціліс-ного розгляду всіх етапів життєвого циклу споруд, що є необхідною умовою для створення інженерно-інформаційної бази даних, яка потрібна для ефективної й раціональної експлуатації будівель та споруд.

Життєвий цикл технологічної системи (ЖЦТС) — час від моменту виникнення та обґрун-тування необхідності її створення до моменту недоцільності подальшої її експлуатації. Такий цикл проходять усі системи, технічні та технологічні, в кожному конкретному випадку повинні бути економічно обґрунтовані та прив’язані до конкретних умов будівельного виробництва (рис. 4).

Періоди ЖЦТС підрозділяються: на І період — 00–АА, який включає роботи по техніко-економічному обґрунтуванню створення та області використання системи; на ІІ період — АА–ВВ — по її конструюванню та проектуванню; на ІІІ період — ВВ–СС — по виготовленню або комплектації елементів системи, розробці технології будівельного виробництва та режимів техно-логії; на ІV період — СС–DD — по освоєнню системи; на V період — DD–ЕЕ — по наробітку, який дозволяє забезпечити окупність коштів, які вкладені в створення та освоєння системи; на VІ період — ЕЕ–GG — по наробітку, який забезпечує максимальний експлуатаційний ефект; на VІІ пе-ріод — GG–FF — по наробітку до моменту кінця системи. Три перших періоди прийнято об’єдну-вати в поняття технологічної підготовки виробництва, а наступні — в поняття експлуатації.

Рис. 4. Життєвий цикл будівельної системи

1 — економічна підготовка; 2 — проектно-конструкторська підготовка; 3 — організаційно-технологічна підготовка; 4 — освоєння потужності; 5 — строк окупності; 6 — максимум

ефекту; 7 — кінець системи.

Ефекти ЖЦТС можуть бути з від’ємними та додатними знаками та можуть впливати на характер результуючого ефекту (поверхня 00–А1А1–В1В1–С1С1–D1D1–E1E1–G1G1–F1F1). З моменту 00 починають підійматися інвестиції, тобто вкладення капіталу в створення технологічної системи та крива 00–А1А1–В1В1–С1С1 вказує на зростання ефекту з від’ємним знаком за рахунок виконання робіт І–ІV періодів. Коли система створена і починається її освоєння С1С1 і експлуатація D1D1, з’являється ефект з додатним знаком (площина М1) за рахунок отриманого прибутку. Ефект М1 покриває інвестиції, що виникли і на прямій Е1Е1 настає рівність ефектів, що відповідає моменту повної окупності інвестицій. Але експлуатація технологічної системи приводить до нових ефектів з від’ємним знаком і перший (площина М3–С2С2–F3F3) пов’язан з моральним зносом системи, другий (площина М2–D2D2–F2F2) — з її фізичним зносом. Ефекти (М2, М3) врівноважуються ефектом М1 на лінії G1G1 і нарешті призводять результуючий ефект до його перетинання з нулевою площиною 00–NN, тобто до такого стану, коли ефект функціонування технологічної системи дорівнює нулю, або має від’ємний напрям. Такий стан приймається за кінець системи — вона стає неефективною і повинна бути технічно переозброєна, реконструйована або демонтована.

В умовах експлуатації будинків особливо необхідний збір, уточнення й аналіз фактичних даних про стан будівельних конструкцій, систем забезпечення експлуатації всього будинку. Основним технічним джерелом інформації про будинок у цей час є інформація його паспорта технічного стану.

У сучасних умовах використання паспорта технічного стану без накопичення інформації про зміни конструктивних елементів та інших чинників, що впливають на якість експлуатаційного стану будинку, ускладнює підтримку його в належному стані.

Упорядкування паспорта технічного стану будівлі(споруди) ставить завдання перед усіма учасниками будівництва і забудовниками, архітекторами, проектувальниками, підрядниками і постачальниками будівельних матеріалів і конструкцій.

Розв'язання інженерно-технологічних задач за допомогою фахових систем автоматизовано-го проектування дає можливість створити на основі архітектурно-планувальної і проектно-конструкторської документації таку інформаційну систему, що відстежує стан усіх елементів будинку, оперативно вносить зміни і видає на запит користувача всю необхідну інформацію інженерно-технологічного й експлуатаційного стану будинку. Для раціональної експлуатації будинку необхідна інформаційна система, що дає можливість звертатися до величезного масиву даних. Оскільки підходи і варіанти розв'язку задач на кожній стадії життєвого циклу об'єкта різні, необхідне програмне забезпечення, що має можливість адаптації до умов, що змінюються.

У процесі роботи над проектом будинку повинні розроблятися не комплекти креслень, а створюватися "цифровий будинок" існуючий паралельно з реальним будинком. Створення "циф-рового будинку” на етапі проектування дасть змогу надалі управляти цим об'єктом і всіма зміна-ми, що відбуваються з ним, в автоматизованому режимі. У результаті створення “цифрового будинку” формується масив інформації, що містить основні характеристики об'єкта будівництва (БД-проект): об'ємно-планувальні рішення: кількість поверхів; лінійні розміри (довжина, ширина, висота будинку); площі (забудови, загальна, функціональних приміщень); будівельний обсяг; кон-структивні рішення: число груп будівельних конструкцій і систем інженерного устаткування; опис конструктивних елементів (матеріал, конструкція, оздоблення); об'ємні характеристики: кількість елементів у групах будівельних конструкцій і систем інженерного устаткування; фізичний обсяг конструктивних елементів (обсяг зовнішніх і внутрішніх стін, площі поверхонь, площі підлог і т.п.).

Створення єдиної інформаційної бази, що включає збір, накопичення і постійне віднов-лення даних про стан будинку на всіх етапах його життєвого циклу, є основою ефективного вирішення завдання забезпечення якості будівельної продукції (будівлі) в цілому.

В останні роки набула розвитку проблема моніторингу навколишнього середовища й екс-плуатаційного зносу елементів будівель та споруд і інженерних мереж. Ця проблема розглядалася в роботах В.І.Данилова-Данильяна, К.С.Лосєва, М.М.Моисєєва, О.М.Стражникова і дістала своє продовження в даній роботі.

Моніторинг — це спеціальна інформаційно-аналітична система спостереження, контролю й оцінки ступеня експлуатаційного зносу елементів будівель і споруд із метою вибору часу їх від-новлення, при якому досягаються мінімальні витрати.

Предметом моніторингу є спостереження, контроль і оцінка якості багатокомпонентної сукупності елементів будівель і споруд, на які впливають різноманітні природні динамічні зміни під час їх експлуатації.

Завданням моніторингу є визначення стратегії і системи організації ремонту будівель та споруд, а також реалізація системи врахування результатів оцінки технічного стану, визначення параметрів експлуатаційної якості будинків та інженерних систем, що повинні задовольняти вимоги, щодо надійної й безпечної експлуатації будівель та споруд.

Сучасна будівля являє собою складну інженерну систему, якій властиві задані якості: об'ємно-планувальні характеристики; достатні параметри міцності, довговічності, вогнестійкості; нормовані вимоги комфортабельності, що забезпечують задане середовище життєдіяльності, естетичні й архітектурні риси; попередня оцінка економічної доцільності і можливості ремонто-придатності.

Експлуатаційний знос будинків і окремих конструкцій обумовлюється зміною в часі внутрішніх властивостей (матеріалів) і зовнішніх умов (навантаження і впливу). Характеристики і показники цих чинників до моменту закінчення монтажу будинку визначають початкову його надійність, яка із першого дня експлуатації поступово знижується (рис. 5).

Рис. 5. Зміна експлуатаційного зносу будинків у часі

Якщо визначити (задати) мінімально припустимий рівень надійності на період розрахунко-вого терміну служби (Nmin) можна за рахунок подорожчання будинку досягти високого рівня початкової надійності (No) з урахуванням зниження в часі за період Тр до Nmin. Цю обставину дещо умовно можна назвати початковим резервуванням. Визначення початкового резервування здебіль-шого є завданням економічним. Доцільніше припустити систему без початкового резервування, але з такою послідовністю ремонтів (крива 2), які б запобігали експлуатаційний зносу на рівні не нижче Nmin на всіх етапах експлуатації.

Метод встановлення експлуатаційного зносу елемента чи конструкції (за міцністю) зво-диться до того, щоб прикладені навантаження не перевершували несучу здатність. На рис. 6 крива N показує розподіл навантажень, а крива R — зміну величини несучої здатності. Виходу з ладу конструкції слід очікувати в точці перетину кривих.

Рис. 6. Умови виникнення відмови конструкцій

За даних умов завжди існують такі навантаження і така міцність споруди, коли можливе настання відмови.

Відношення R характеризує запас несучої здатності; N1 — максимальне розрахункове експлуатаційне навантаження; R1 — опір конструкції зносу.

Розроблення теоретичних основ і закономірностей про раціональність системоутворюваль-ного моніторингу спостереження за зміною технічного стану будівель та споруд і інженерних систем дозволить раціонально управляти витратами, пов'язаними з їх експлуатацією, утриманням і ремонтами, доводячи до мінімуму обмежені залучені ресурси за рахунок:—

прогнозування в часі потоків очікування наробітку на відмову конструктивних елементів по всьому фонду районів міста і необхідні ресурси для підтримки фонду в належному стані;—

скорочення до мінімуму лагів випередження наробітку на відмову і відновлення праце-здатності конструктивних елементів стосовно їх ресурсних можливостей;—

встановлення раціональних термінів адресного попередження відмов;—

економічного використання властивостей експлуатаційного зносу конструктивних еле-ментів для попередження виникаючих відмов;

— оптимізації поєднання ефектів у часі й оцінки життєвих циклів конкретних будинків та інженерних систем;—

рівномірного завантаження в часі потенціалу служб замовника, підрядних експлуата-ційних і ремонтних ланок;—

своєчасної перепідготовки й атестації спеціалістів, що забезпечують експлуатацію будівель та споруд і інженерних систем.

Добір чинників, що визначають надійність та безпечну експлуатацію будівель та споруд, здійснюється методами математичної статистики, що дають можливість оцінити їх значимість і побудувати рангову послідовність (рис. 7).

У другому розділі розглядаються принципи формування системи утримання будинків та споруд. Систему забезпечення цілості будівельного фонду в загальному вигляді можна подати у вигляді двох видів виконуваних робіт:—

таких, що забезпечують технічну готовність (здатність) конструкцій та інженерного устаткування виконувати свої функції протягом заданого періоду (міжремонтного терміну);—

таких, що забезпечують задані режими, параметри й умови функціонування системи в період між ремонтами й усунення несправностей (відмов) у випадку їх виникнення.

Завдання організації системи ТОіР будівельного фонду полягає у виборі для умов кожного району (міста) раціонального набору профілактичних заходів, визначення їх змісту (обсяг і вид робіт) і періодичності, що забезпечать прийняту гарантію від ненастання несправностей і відмов. У техніці це завдання формулюють як екстремальне, для чого встановлюють критерії оптимальності

(цільова функція) і формулюють обмеження. У цих умовах для обраного критерію оптимальності й прийнятих обмежень може бути отримана єдино можлива система обслуговування і ремонту, що включає профілактику, поточний і капітальні ремонти.

Система планово-попереджувальних ремонтів заснована на виникненні перших відмов конструктивних елементів будинків і систем. Такий методичний підхід до організації ремонтів на-багато спрощує планування заходів щодо експлуатації будинків і систем, але не враховує резерв у часі їх експлуатації, що криється в лагах між плановими ремонтами і фактично виникаючими від-мовами.

Оптимальний міжремонтний період визначають з урахуванням коефіцієнта використання системи Кв у заданий календарний термін служби Тк при середній тривалості профілактики tn:

де Tk — календарний термін служби; t — наробіток системи в міжпрофілактичний період; а1 — перший коефіцієнт у розкладанні функції Q (t) = 1 – Р (t) у ряд Макларена; ai = Pi(Q) / i — перший, відмінний від нуля коефіцієнт (після коефіцієнта а1 у розкладанні функції Q(t) у ряд Макларена).

Якщо to — час, необхідний для повного огляду системи, протягом якого визначається комп-лекс порушень до початку профілактики, tv — середній час усунення v-го комплексу порушень, то середня тривалість профілактики визначається за формулою:

tn = t0 + Pv(tp) tv , (4)

де Рv(t) — імовірність появи v-го комплексу порушень у системі за час tp.

Підсумовування ведеться за всіма можливими комплексами порушень.

Коефіцієнт використання системи Кв при постійній тривалості робочих циклів tpi = tp, і = 1, 2... на 1-му циклі експлуатації для випадку, коли в системі можлива поява порушень двох типів х та у, визначається за формулою:

де Po(t1/o) — імовірність відсутності порушення в системі в поточний момент 1-го робочого циклу за умови, що порушень не було на початку цього циклу; Pх(t1/o) — імовірність справної роботи системи в поточний момент часу 1-го циклу за умови, що на початку циклу порушень не було, а протягом циклу могло відбутися порушення типу х; Pу(t1/o) — те саме при порушенні типу у; Pху(t1/o) — те саме при порушеннях х і у.

Оптимальні значення tni здійснюються методом поетапних послідовних рішень, починаючи з першого циклу (i = 1). Для визначення імовірностей перебування системи в одному із можливих станів після чергової профілактики будується система рекурентних рівнянь. Вихідними даними для побудови системи рівнянь служать імовірності виявлення окремих порушень Fx(tpi) і Fy(tpj).

Залежно від використовуваної ознаки для характеристики технічного стану розглядають звичайно два підходи:*

за сумарним граничним станом (імовірність утрати працездатності певним числом елементів або виникнення певного числа відмов і порушень) ;*

за виділенням домінуючих елементів або домінуючого параметра .

У моделях передбачається, що стан системи цілком визначається поведінкою параметра, що змінюється випадково в часі з(t), доступного періодичному контролю. Вихід параметра на рівень h(з(t) ? h) вважається несправністю системи. У систему профілактичних заходів входять перевір-ки, під час яких з'ясовується значення з(t). На основі цієї інформації приймається рішення про доцільність профілактики системи.

Модель будується за таких обмежень:*

умовна імовірність відмови системи в інтервалі (t, t+?t) (при з(t) = зо) і якщо час безвід-мовної роботи ф більший за t дорівнює:

де л(з) — узагальнена інтенсивність відмов, обчислювана в “часі” з; у — середньоквадратичне відхилення.

Прогнозований параметр з(t) досягне певного критичного рівня h, у разі відмови системи здійсниться аварійний ремонт (АР). АР і ПР (поточний ремонт) ведуть до повного відновлення властивостей системи і потребують певних затрат часу або засобів.

Середні затрати часу на АР: tАР = 1,

на ПР: tПР = y(h), y(h) < 1.

Оптимальний критичний рівень h визначається шляхом мінімізації за h коефіцієнта серед-ніх питомих втрат ut(h).

Практична реалізація моделі оптимальної профілактики за параметром, що прогнозує, мож-лива за певних умов:*

працездатність системи повинна описуватися узагальненим параметром: він дає макси-мальну кількість інформації про технічний стан окремих елементів системи і є досить чутливим до зміни цього стану; вибір параметра, що прогнозує, повинен однозначно визначати доцільність проведення профілактики саме за даним параметром;*

рівень параметра, що прогнозує, повинен визначати (прогнозувати) імовірність відмови системи на найближчому інтервалі часу.

В третьому розділі наведені теоретичні методи розрахунку потоку відмов при експлуата-ційному зносі. Оцінка надійності елементів будинків у часі може бути встановлена