1

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.23.08 - Технология и организация строительства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОЗВЕДЕНИЯ ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИХ БЕЗОПАСНОСТЬ

Байбурин А.Х.

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре технологии строительного производства ФГБОУ ВПО (национальный исследовательский университет) «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН Головнёв Станислав Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН Афанасьев Александр Алексеевич;

доктор технических наук, профессор Колчеданцев Леонид Михайлович;

доктор технических наук, профессор Красновский Борис Михайлович

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища), Москва

Защита состоится « 15 » мая 2012 г., в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «____» ____________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, профессор Ю.Н. Казаков

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1. Обоснование концепции обеспечения качества и безопасности строительной продукции, разработка системы показателей и метода комплексной оценки качества возведения зданий с учётом факторов, влияющих на безопасность.

2. 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.

3. Разработка методов оценки точности технологических процессов с учётом значимости дефектов, критериев безопасности, а также при недостатке информации.

4. Исследование влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий.

5. Разработка методов контроля и оценки качества, анализа значимости дефектов, регулирования точности процессов, направленных на обеспечение качества и безопасности гражданских зданий при их возведении.

6. Исследование технологической изменчивости параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемой точности и стабильности процессов строительно-монтажных работ, влияния дефектов на безопасность конструкций.

7. 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.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены объект и предмет исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, а также приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Состояние проблемы и задачи исследований» посвящена анализу современного состояния проблемы обеспечения качества и безопасности возводимых гражданских зданий.

Во второй главе «Разработка метода комплексной оценки качества. Оценка системы обеспечения качества» разработаны концепция, система показателей и метод комплексной оценки качества, приведены результаты оценки систем обеспечения качества строительных организаций, разработаны математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства.

В третьей главе «Оценка и регулирование точности технологических процессов» обоснованы методы расчета и оценки показателей точности процессов с учётом значимости дефектов и при недостатке информации, а также предложены новые показатели для оценки и регулирования точности процессов по условию безопасности возводимых конструкций.

В четвертой главе «Оценка качества с учётом факторов, влияющих на безопасность» разработаны методы анализа значимости дефектов, риск-ориентированного контроля, оценки качества работ и обеспечения показателей безопасности возводимых конструкций посредством регулирования точности процессов и совершенствования системы обеспечения качества.

В пятой главе «Исследование качества возведения гражданских зданий» приведены результаты исследования качества возведения 30-ти объектов, достигаемой точности и стабильности технологических процессов, влияния дефектов на эксплуатационное качество и безопасность зданий.

В шестой главе «Исследование влияния организационно-технологических факторов на показатели качества строительства» изложены результаты исследования взаимосвязи влияющих факторов с показателями качества строительной продукции, разработаны вероятностно-статистический метод расчета технологических параметров и способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях.

В седьмой главе «Экономическая эффективность и результаты внедрения» оценены экономические эффекты повышения качества строительства, обеспечения безопасности и снижения риска аварии, приведены результаты внедрения и рекомендации по использованию научных выводов.

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Метод комплексной оценки качества строительства гражданских зданий с учетом уровня системы обеспечения качества, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности.

Обеспечение качества и безопасности строительной продукции основано на выборе квалифицированных исполнителей, менеджменте качества, анализе безопасности и управлении технологическими процессами (рис. 1). Системное взаимодействие указанных элементов создает механизм обеспечения качества и безопасности в процессе строительства и является основой технического регулирования безопасности в соответствии с Федеральным законодательством.

Рис. 1. Концептуальная модель-схема обеспечения качества и безопасности строительной продукции

Механизм обеспечения показателей безопасности, основанный на концептуальной схеме рис. 1, может быть реализован в результате: повышения уровня системы обеспечения качества исполнителей; контроля и оценки качества с учётом показателей безопасности; оценки вероятности отказа возводимых конструкций (технического риска); регулирования точности технологических процессов по результатам риск-ориентированного статистического контроля и оценки технического риска; разработки и внедрения соответствующих мероприятий по обеспечению качества и безопасности.

На основе принятой концептуальной модели разработан комплексный показатель качества строительства:

,

где v - коэффициент «вето»; KСК - уровень системы обеспечения качества строительства; KD, KТ - показатели бездефектности и точности технологических процессов; KХ, KS - показатели стабильности процессов по отношению к систематическим и случайным погрешностям; KR, KP - относительные показатели несущей способности и безопасности возводимых конструкций; а, b, с, d - коэффициенты весомости. Коэффициенты весомости установлены методом анализа матрицы приоритетов: а = 0,19, b = 0,12, с = 0,025 и d = 0,26.

Частные показатели, входящие в (1), могут быть рассмотрены как показатели надёжности строительного производства: по уровню системы обеспечения качества KСК; по точности технологических процессов KD, KТ, KХ, KS ; по параметрам качества продукции KR, KP. Значения безразмерных частных показателей и показателя KСМР изменяются, как правило, от 0 до 1, что обеспечивает удобство их применения для сравнительной оценки и регулирования.

В процедурах приёмки работ и итоговой оценки соответствия рекомендуется использовать коэффициент «вето» v, принимаемый равным нулю в случае достижении пороговых значений снижения несущей способности KRlim или безопасности KPlim конструкций. При этом выражение (1) помимо сравнительной количественной оценки при v =1 обеспечивает оценку и по альтернативному признаку «соответствует - не соответствует».

Уровень системы обеспечения качества (СОК) строительства зависит от возможностей исполнителей безошибочно выполнить работы по проектированию, изготовлению материалов, изделий и возведению здания, а также от эффективности функционирования системы строительного контроля и надзора, что может быть формализовано комплексным показателем:

,

где k - коэффициент нормативно-правового обеспечения и эффективности функционирования системы строительного контроля и надзора, определяемый экспертным методом; Kп, Kи, Kс - оценки СОК проектно-изыскательской организации, завода-изготовителя строительных материалов, изделий и строительной организации, определяемые по формуле (6). Весомости = 0,15, = 0,20 и = 0,65 определены ранжированием причин аварий. Величины , и переменные и могут уточняться по мере накопления статистических данных.

Качество выполнения процессов оценивается показателями точности, бездефектности и стабильности по контролируемым параметрам. Показатель бездефектности KD определяется как доля распределения параметра в интервале допуска [a, b], показатель точности KТ - как отношение допуска к фактическому разбросу параметра по уточненным формулам (10), (11). Показатели стабильности по отношению к случайным KS и систематическим KХ погрешностям представлены как отношения количества стабильных процессов к общему их числу.

Указанные показатели определяются по каждому контролируемому параметру качества и формируют систему единичных показателей, комплексируемых с учётом коэффициентов весомостей. Единичные показатели качества, характеризующие материал, геометрию, соединения элементов, группируются по видам конструкций или работ, далее - по этажам, зданиям. Определение весомости различных параметров и показателей осуществлялось следующими способами: ранжированием причин аварий, построением матрицы приоритетов; анализом чувствительности функций несущей способности и безопасности конструкций; нормировкой объёмов в физическом или стоимостном выражении.

Качество возведённых конструкций целесообразно оценивать относительным показателем несущей способности

,

где - значения фактической и проектной несущей способности для групп однотипных несущих конструкций (стен, колонн, перекрытий и т.д.).

Для оценки уровня безопасности возведённых конструкций с учётом допущенных дефектов использованы относительные показатели: вероятности безотказной работы KP, характеристики безопасности по А.Р.Ржаницыну K или вероятности отказа конструкции KQ. Указанные показатели вычисляются как соответствующие отношения фактических значений безотказности P, характеристики безопасности или вероятности отказа Q к их проектному уровню P0, 0 или Q0. Показатели безопасности математически взаимосвязаны. Например, показатели KP и K связаны отношением

,

где Р, Р0 - фактический и проектный уровни безотказности; Ф - функция стандартного нормального распределения; K - показатель снижения характеристики безопасности; 0 - проектное значение характеристики безопасности.

Характеристика безопасности конструкции с допущенными дефектами

,

где k0 - проектный запас прочности; VR, VF - вариации прочности и нагрузки.

Из анализа норм проектирования и рекомендаций по оценке дефектов в качестве порогового значения снижения KR принят половинный интервал между 1 и 1/m, где m - нормативный коэффициент надежности по материалу, что соответствует для несущих конструкций крупнопанельных, кирпичных и монолитных зданий KR = 0,85-0,92.

Оценка относительных показателей безопасности производилась следующим образом. По проектным данным вычислялся средний запас прочности возводимых конструкций. В результате производственного контроля качества определялись средние значения и дисперсии параметров качества конструкций, фактическая средняя несущая способность и показательKR. По формуле (5) находили характеристику безопасности , определяли показатель K и далее - значения показателей KP и KQ, выраженные через K. Для конструкций исследованных зданий было оценено предельное значение увеличения вероятности отказа KQ = 2...7, что согласуется с данными Г. Аугусти, В.М. Бондаренко, С.И. Меркулова, А.П. Мельчакова (KQ = 2...10). Фактическая же вероятность отказа несущих конструкций для некоторых зданий превышает теоретическое значение в 8-18 раз (для сравнения: по оценкам европейских ученых - в 10-40 раз, по данным эксплуатации зданий в России - в 8-70 раз). Для повышения уровня безопасности зданий были разработаны и внедрены соответствующие мероприятия по снижению риска аварии (см. стр. 25).

Подстановкой в выражение (1) пороговых значений частных показателей, обоснованных далее, получены количественные критерии для комплексной оценки качества строительства, например, для кирпичных зданий KСМР =0,77, KRlim = 0,85 и KPlim =0,994. При развитии норм проектирования и строительства, совершенствовании технических регламентов по безопасности критерии оценки качества могут быть скорректированы.

Новый метод позволяет системно оценить факторы, влияющие на качество, получить количественную оценку, наиболее чувствительную к снижению показателей безопасности. Применяемая в настоящее время оценка качества по коэффициенту соответствия приводит к завышенному результату по сравнению с уровнем бездефектности (см. стр. 31), не учитывает показатели точности процессов и безопасности конструкций. Достоверность квалиметрической модели (1) подтверждается результатами конечно-элементного моделирования влияния дефектов, исследованиями построенных зданий после 6-7 лет их эксплуатации (стр. 28), а также проверкой достоверности частных показателей метода комплексной оценки.

2. Математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства по предварительной оценке систем обеспечения качества; показатели для оценки систем обеспечения качества строительных организаций.

Для оценки систем обеспечения качества (СОК) участников строительства (проектировщика, изготовителей материалов и изделий, строительной организации) предложены показатели с учётом требований стандартов ИСО серии 9000 и специфики деятельности организации. Например, квалификация исполнителей, комплектность технологической документации, качество поставок, соблюдение технологии, уровень производственного контроля и т.д. Показатели разделены на четыре группы: организационная структура; ресурсы; методы и процессы; результаты и их документирование. Оценка производится экспертным методом в шкале от 0 до 1 по критериям степени соответствия требованиям, масштабов применения, результативности, полноты документирования. По каждому показателю принимается минимальная из экспертных оценок cj =0...1 по правилам теории нечётких множеств при малом количество экспертов j<5.

Показатель уровня СОК участника строительства

,

где i - весомость оценки i-ой группы показателей; cj - экспертная оценка единичного показателя j-ым экспертом; n - количество показателей в группе.

При апробации методики установлено i =0,25 и получены оценки СОК для 15-ти крупных строительных организаций в пределах от 0,60 до 0,74 со средним значением 0,68 (рис. 2). Граничные оценочные значения уровня СОК - 0,75 и 0,90 обоснованы результатами анализа зависимости (7) и значений риска потребителя при статистическом приёмочном контроле.

Обнаружена значимая на уровне 0,05 корреляция (r = 0,64) между уровнем СОК подрядчика и уровнем бездефектности работ, позволяющая по регрессии прогнозировать качество работ. Согласованность мнений экспертов подтверждена коэффициентом конкордации на уровне значимости 0,01. Достоверность средней оценки СОК подрядчиков характеризуется доверительным интервалом 0,680,02 на уровне значимости =0,05, согласованностью экспертных оценок. Минимальные экспертные оценки получили следующие элементы СОК: повышение квалификации кадров, стимулирование качественной работы, применение карт операционного контроля качества и статистических методов контроля.

Исследования влияния уровня СОК подрядчика на качество работ производилось на выборке из 30-ти объектов. Установлено, что с повышением KСK увеличиваются показатели бездефектности работ KD и точности процессов KТ:

,

.

Адекватность построенных моделей регрессии проверена по критерию Фишера на уровне значимости 0,01-0,02, ошибка полученных зависимостей не превышает 5%. При этом необходимо учитывать ограничение .

Статистически значимой взаимосвязи между уровнем СОК и показателями безопасности KR и KР не выявлено. Это объясняется эмерджентным (системным) влиянием дефектов работ и ошибок участников строительства на эти показатели, причем критические дефекты и грубые случайные ошибки могут оказывать решающее влияние на уровень безопасности конструкций.

Важным условием безошибочного строительства является выбор квалифицированных участников инвестиционно-строительного проекта. Причем на стадии выбора априори неизвестны возможности бездефектного выполнения работ потенциальными исполнителями. Создание строительной продукции представим как последовательные процессы изысканий, проектирования, изготовления материалов и изделий, строительно-монтажных работ и сдачи-приёмки заказчику, в которых смежные пары участников условно являются изготовителями и потребителями (рис. 3). Заказчик (застройщик) осуществляет главные контролирующие функции, что на схеме показано стрелками «заказчик - контроль».

Рис. 3. Выбор участников строительства по модели достоверного качества

Для последовательных n пар операций производства и контроля уровень достоверного качества строительной продукции:

,

где Ki - уровень СОК i-го участника проекта; аi - коэффициент пропорциональности; i, i - вероятности ошибочной браковки и приёмки продукции i-го процесса.

Выражение в числителе (9) определяет количество объективно бездефектной продукции на выходе i-го процесса, в знаменателе - суммарное количество принятой продукции с учётом ошибочной приёмки негодной продукции. Априори неизвестные значения Рi заменим на коррелированные с ними оценки Ki, получим уровень бездефектности i-го процесса Рi = аiKi. Полученную модель предлагается использовать для выбора исполнителей. Задаваясь выходным уровнем качества строительной продукции Q, по модели (9) можно найти тройки значений Ki для проектировщика, изготовителя материалов и строительной организации. Далее, оценивая уровень СОК по формуле (6), осуществляется подбор участников строительства. Адекватность модели доказана пассивным экспериментом при строительстве 10-ти зданий, ошибка составила от 7 до 13%. Модель может использоваться застройщиком для квалификационной оценки исполнителей с целью создания у него уверенности в получении качественной и безопасной строительной продукции.

3. Методы оценки точности технологических процессов, позволяющие провести регулирование точности по условию безопасности возводимых конструкций, в том числе при недостатке информации.

Качество процессов СМР характеризуется показателями бездефектности, точности и стабильности по каждому контролируемому параметру. Фактические распределения значений параметров, определенные в результате исследований, аппроксимируются, как правило, нормальным и логнормальным законами. Для указанных распределений расчет показателя KТ производился по уточненным формулам:

,

,

где х - допуск; t, l - квантили соответствующих распределений уровня ; Sх - стандартное отклонение; , - параметры логнормального распределения.

При расчете точности вместо границ разброса 3, характерных для массового промышленного производства, предложено устанавливать более точные границы 2t Sх в зависимости от объёма выборки и уровня доверия . Значения t, l и принимаются в зависимости от значимости дефекта или уровня ответственности зданий. Например, при нормальном распределении а х b в выборке объёмом n >120 для критических дефектов или повышенного уровня ответственности установлены t=2,576 и =0,99. По сравнению с известным методом точность оценки KТ повышается на 9-17% для выборок объемом n=30-120 и до 34% при n>120, что существенно при регулировании точности процессов по условиям безопасности продукции.

При обосновании допустимого уровня дефектности q использован метод установления гарантированных значений параметра, применяемый в нормах проектирования. Из условий рис. 4 получено:

,

где Ф - функция стандартного нормального распределения; un, u2 - квантили обеспеченности нормативного xn и критического xcr значений параметра качества x; n - коэффициент технологической надежности, назначенный из условия xcr= xn/n; Vх - вариация параметра.

Значения n приняты в зависимости от значимости дефектов с учётом соотношения коэффициентов надежности по уровню ответственности зданий. Отличие принятых значений n от расчетных, полученных из выражения n = xn/xcr для исследованных параметров качества, составляет 2-7%. По формуле (12) получены оценочные значения дефектности для двух этапов: до и после регулирования точности технологических процессов, то есть при большой 25-50% и малой 5-25% изменчивости контролируемых параметров Vх.

С целью обоснования оценочных значений q исследовано влияние изменчивости контролируемых параметров на уровень дефектности (рис. 5). Установлено, что при наблюдаемой вариации параметров 25-50% следует использовать оценочные значения q для первого этапа.

На основании результатов натурных исследований, анализа достигаемой точности процессов установлены оценочные значения показателей (табл. 1). Из выражения KD = 1- q получим критерии оценки показателя бездефектности KD. Обоснование оценочных значений KТ производилось по известной зависимости между KТ и q, показателей КХ, КS - по результатам анализа стабильности процессов при достигнутом уровне технологии и организации работ.

Если при статистическом выборочном контроле превышен допустимый уровень q по критическому дефекту, то коэффициент n уже не обеспечивает надежность непревышения критического значения параметра xcr, и следует перейти к сплошному контролю по этому параметру с безусловным устранением всех критических дефектов.

Таблица 1

Наименование показателей точности технологического процесса	Оценочные значения
	приемлемо	недопустимо
	этап 1	этап 2	этап 1	этап 2
Уровень дефектности q при дефектах: - критических - значительных - малозначительных	0,015 0,04 0,10	0,0025 0,015 0,04	0,04 0,10 0,25	0,015 0,04 0,10
Показатель точности процесса KТ	1,00	1,33	0,67	1,00
Показатели стабильности процесса KХ и KS	0,75	1,00	0,50	0,75

Примечание. 1-й этап - строительство без регулирования точности процессов; 2-й этап- строительство с регулированием точности технологических процессов.

Критические значения хcr, при которых нарушаются условия безопасности возводимых несущих конструкций KR ? KRlim или KР ? KPlim, определялись расчетным методом и сопоставлялись с опубликованными данными. По известным значениям хcr становится возможным регулирование точности процессов по условию безопасности. Для этого разработаны следующие показатели (рассмотрен случай а ? х, причем хcr а - см. рис. 4, где a=xn):

резервное значение показателя точности по критерию безопасности

;

резервное значение стандартного отклонения при достигнутой точности

;

запас точности по критерию безопасности

.

критическое значение отклонения, обеспечивающее непревышение уровня дефектности q:

.

где uq - аргумент функции стандартного нормального распределения Ф(u)=1-q.

Среднее значение , стандартное отклонение Sх и точность процесса KТ по каждому контролируемому параметру определяются статистическим контролем.

Указанные показатели в совокупности с обоснованными для исследованных параметров значениями хcr составляют основу для регулирования точности процессов по критерию безопасности. Например, для параметра глубины опирания сборных панелей перекрытий получено: xn = 7012 мм, xcr = 42 мм, = 66,4 мм, Sх = 12,1 мм, KТ = 0,75, q = 0,32. Критическое значение стандартного отклонения, обеспечивающее условие q 0,015 и проектный уровень безопасности, равно Sqcr = 11,26 мм. При достигнутой точности процесса KТ = 0,75 резервное значение стандартного отклонения равно SР = 13,8 мм, что обеспечивает 15%-й запас точности (zТ = 1,15). Так как Sх > Sqcr и запас zТ мал, точность монтажа необходимо повысить (изменением способов работ, оснастки, усилением контроля и т.д.).

При недостатке данных контроля задача оценки качества решена методом теории нечётких множеств. При этом функция распределения рассмотрена как «плотность» меры неопределенности, а параметры функции приняты зависимыми от крайних измеренных значений xmax, xmin и уровня риска ошибки. Доказано, что при использовании метода достаточно малой выборки n<5 для определения параметров распределения и уровня бездефектности. Сравнением с точными оценками установлены ошибки расчета средних значений в пределах 3%, стандартных отклонений - 11,9%, уровня дефектности - 3,7%.

При альтернативном контроле по принципу «соответствует - не соответствует» возникают затруднения в определении количественных характеристик параметра (среднего значения, стандартного отклонения и др.). Для повышения информативности альтернативного контроля использован информационный метод расчета среднего значения и стандартного отклонения.

Получены выражения для альтернативного среднего значения и стандартного отклонения :

,

,

где - частоты попадания ниже и выше допустимых значений [а, b]; n - объем выборки; Н - энтропия процесса.

Информационный метод позволяет получить оценки средних и дисперсий при альтернативном контроле с наименьшей трудоемкостью (например, при помощи калибров, шаблонов), а также проверить их стабильность. Информационные оценки имеют удовлетворительное совпадение со статистическими оценками точности, ошибка составляет 6,8-16,3%.

4. Закономерности влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий.

Определение организационно-технологических факторов (ОТФ), существенно влияющих на качество и безопасность строительной продукции, осуществлялось методом двухтурового экспертного опроса (63 эксперта, средний стаж 18,5 лет, ошибка оценки 7,3% с обеспеченностью 0,95). Ранжированием выявлены семь значимых факторов: соблюдение технологии работ ТР; качество поставляемых материалов, изделий КМ; уровень квалификации рабочих и ИТР УК; комплектность и качество проектной документации ДП; полнота производственного контроля качества ПК; комплектность и качество технологической документации ДТ; обеспеченность механизмами, оснасткой и инструментом УМ. Согласованность мнений экспертов при ранжировании факторов подтверждена коэффициентом конкордации на уровне 0,01. Для количественной оценки ОТФ предложены показатели, характеризующие степень соответствия факторов уровню, установленному в проектной, нормативной и технологической документации. Например, показатель соблюдения технологии работ определялся следующим образом:

,

ti - количество нарушений технологии работ i-го вида; tki - количество параметров и режимов технологии, проконтролированное при ведении работ i-го вида; n - количество видов работ.

В производственном эксперименте на 30-ти объектах гражданского строительства изучалось влияние ОТФ на качество результатов работ. Откликами служили относительный показатель несущей способности KR возведенных конструкций, а также вариация прочности V(R). В результате анализа парной корреляции установлено, что с увеличением показателей факторов ТР, КМ, УК, ПК, и УМ качество работ повышается, что приводит росту показателя KR (коэффициент корреляции r =0,790...0,844). При этом вариация прочности V(R) снижается (r = -0,745...-0,896). По исследованной выборке зданий значимой корреляции факторов ДП и ДТ с откликами не выявлено.

Для изучаемых закономерностей влияния получены значимые уравнения регрессии (ошибка 4,4-7,7%, уровень значимости F-критерия р<0,014). Анализ парной корреляции исходит из допущения элиминирования (исключения) влияния всех остальных рассматриваемых факторов, что может искажать результаты. Поэтому исследовалась множественная корреляция факторов и откликов. В результате пошаговой регрессии были получены линейные модели, включающие только значимые факторы:

;

.

Адекватность моделей подтверждена критерием Фишера и исследованием остатков в виде разности между наблюдаемыми и предсказанными значениями отклика. По полученным моделям взаимосвязи технологических факторов с показателями KR и V(R), становиться возможным прогнозирование безопасности через функциональную зависимость, полученную из выражения (28):

.

Аргумент функции стандартного нормального распределения Ф(и) задается из условия нормального распределения KR и требуемой вероятности Pr{KR KRlim}Prlim. Например, при Prlim = 0,9985 и = 2,968.

Для исследованных факторов составлен перечень организационно-технических мероприятий, повышающих численные значения показателей ОТФ. Отбор наиболее эффективных мероприятий предлагается осуществлять по коэффициентам эластичности регрессионных моделей, относительной доле дисперсии влияющих параметров в составе дисперсии KR, а также по результатам анализа причин брака. Установлена следующая приоритетность ОТФ по степени влияния на уровень качества и безопасности возведения зданий: полнота производственного контроля; соблюдение технологии работ; качество поставляемых материалов, изделий; обеспеченность механизмами, оснасткой и инструментом; уровень квалификации рабочих и ИТР.

5. 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.

Риск-ориентированный контроль качества предложено осуществлять по следующему алгоритму.

1) Назначается номенклатура и оценивается значимость (весомость) контролируемых параметров и потенциальных дефектов, влияющих на показатели безопасности конструкций KP и KR.

2) Определяются критические значения параметров xcr по результатам оценки их влияния на показатели KP и KR, по формулам (13)-(16) рассчитывается необходимая точность технологических процессов.

3) По табл. 1 или проектной документации назначаются значения приёмочного q0 и браковочного q1 уровня дефектности.

4) По формулам (2) и (6) оценивается уровень системы обеспечения качества и назначается риск потребителя (застройщика) , а также риск изготовителя (подрядчика) в зависимости от значимости параметров качества.

5) Находится оптимальный объём выборки с учётом , и q:

,

где Ent{*} - целая часть выражения; u - квантиль нормального распределения.

6) Определяется достоверность контроля по оперативной характеристике, устанавливающей вероятность ошибочной браковки или приёмки в зависимости от фактического уровня дефектности.

...