Комплексная оценка качества возведения гражданских зданий с учетом факторов, влияющих на их безопасность

По описанному алгоритму разработан статистический приемочный контроль по количественному признаку. Отличие от известных подходов заключается в выборе планов контроля с учётом значимости дефектов, ответственности зданий и уровня системы обеспечения качества с целью оптимизации затрат на контроль и рисков ошибок. При этом снижение затрат на контроль качества по сравнению с контролем по альтернативному признаку достигает 20-30%.

Для оценки значимости дефектов разработаны балльный, вероятностный и количественный методы. Балльный метод основан на методике анализа видов, последствий и критичности дефектов. Значимость (критичность) дефекта СD определяется произведением СD=D1D2D3, где D1, D2, D3 - балльные оценки соответственно частоты, значимости и вероятности выявления дефекта. Критерии балльных оценок были уточнены для наблюдаемых дефектов работ. По значению показателя СD предложено определять значимость дефекта, его категорию по степени риска, назначать оценочные значения дефектности q и риск подрядчика , которые используются при статистическом контроле (табл. 2).

Таблица 2

СD, балл	Рейтинг DR	Значимость дефекта	Категория дефекта по степени риска	q, %	Риск
Более 100	Более 0,15	Критический	I (большой риск)	1,5	0,01
40...100	0,05…0,15	Значительный	II (средний риск)	4,0	0,05
Менее 40	Менее 0,05	Малозначительный	III (малый риск)	10,0	0,10

Как правило, причиной аварии является наложение опасных дефектов и ошибок участников строительства, которые не учитывает балльный метод. Для оценки значимости дефектов по риску аварийных ситуаций предложена вероятностная модель (рис. 7), которая описывает отказ конструкции, как комбинации событий в виде дефектов работ, материалов, отклонений уровня нагрузки и ошибок исполнителей. Анализ известных исследований позволил оценить вероятность реализации указанных событий: ошибки строителей - 0,50, проектировщиков - 0,10, дефекты материалов (ошибки изготовителей) - 0,20, ошибки при эксплуатации - 0,15, превышение уровня нагрузок - 0,05. Указанные ошибки не будут иметь последствий, если не допущена ошибка лицом, осуществляющим контроль. Вероятность ошибки контролёра принята равной 0,1.

Модель позволяет оценить значимость дефекта по рейтингу его опасности

,

где Pri(j,l) - вероятности перехода конструкции в неисправное состояние различной градации. Чем выше рейтинг опасности дефекта, тем более он критичен с точки зрения безотказности конструкции. Значения рейтинга для категорий дефектов, полученные подстановкой в (24) оценочных уровней q0 из табл. 1, указаны в табл. 2.

При ограничении риска аварии предельный уровень дефектности q0 для критических дефектов определяется выражением:

.

Для фонового по РФ значения риска аварии Pr(A)=510-6 получено q0=0,003, что почти совпадает с ранее обоснованным предельным значением 0,0025 (см. табл. 1).

В количественном методе анализа критичности дефектов в качестве критериев предлагается использовать предельные значения снижения прочности KRlim и безопасности KРlim. По результатам расчетов составлены оценочные таблицы для наиболее характерных дефектов возведения зданий. Предложенные методы позволяют количественно оценить значимость дефектов, выполнить их ранжирование, обосновать программу мероприятий по предупреждению дефектов, назначить характеристики статистического контроля. безопасность здание дефект бетонный

Риск-ориентированный контроль качества предлагается проводить по комплексному показателю (1) или в упрощенном виде с использованием относительного показателя несущей способности (3) основного несущего элемента или узла, например, платформенного стыка, кирпичного простенка, железобетонной колонны или стены. В качестве показателя (3) могут использоваться и другие критерии предельных состояний конструкций.

По результатам статистического контроля для исследованных зданий построены гистограммы значений показателя KR (рис. 8). Достоверность аппроксимации распределений нормальным законом оценивалась по асимметрии и эксцессу, критериям Колмогорова и Пирсона.

Оценка точности процесса по критерию безопасности производится по показателям точности и разброса:

,

,

где - стандартные отклонения фактической и проектной относительной несущей способности; t - квантиль t-распределения уровня .

Фактическая вероятность обеспечения безопасности:

.

где KRlim - предельное значение показателя при неблагоприятном сочетании нормативных отклонений.

Требуемое значение указанной вероятности определялось из соотношений среднего и расчетного сопротивлений материала:

,

где Ф - функция стандартного нормального распределения; и - квантиль стандартного нормального распределения уровня ; VR - вариация сопротивления R; m - коэффициент надежности по материалу.

Например, для бетонных конструкций при нормативных значениях m=1,3, VR=0,135 и и0,95=1,645 искомая вероятность равна 0,9985. Для кирпичных конструкций в нормах приняты m=1,4, VR=0,15 и квантиль и0,98=2, при этих условиях вероятность равна 0,9996. С учетом (26)-(29) определены предельные значения показателей точности и разброса, при которых наблюдаемая технологическая изменчивость не приводит к нарушению условия конструкционной безопасности в виде вероятности Pr{KR KRlim}Prlim. Например, для кирпичных зданий получено:

;

.

Если фактические значения показателей точности и разброса превышают расчетные критические значения по условию безопасности, то необходимы мероприятия по повышению точности технологических процессов. Повышение точности достигается усилением контроля, изменением методов работ, технологической оснастки, повышением квалификации исполнителей и т.п.

Блок-схема обеспечения безопасности в процессе строительства показана на рис. 9. На первом этапе осуществляется риск-ориентированный контроль по показателю качества (1) или (3). На втором этапе оценивается технический риск - вероятность отказа конструкции в потенциальной зоне разрушения. При этом проверяются различные сечения элементов по видам предельных состояний. При нарушении того или иного условия безопасности выполняется регулирование точности технологических процессов (этапы 3-6). Регулирование осуществляется по критическим параметрам, входящим в функцию несущей способности конструкции, по формулам (13)-(16).

Невозможность повысить низкую точность процессов означает наличие системных сбоев в организации производства и контроля качества, менеджменте ресурсов, то есть в экономико-управленческой системе строительной организации. В этом случае необходимо повысить уровень системы обеспечения качества и показатели организационно-технологических факторов (этап 7), прогнозируя их влияние на относительный показатель KR и его вариацию по регрессионным моделям (20), (21). Повышение указанных показателей осуществляется планированием и внедрением соответствующих мероприятий. На последнем этапе регулирования производится оценка рисков с учетом ущерба, и принимаются решения о приёмке этапов работ и возведённых конструкций.

Рассмотрим пример обеспечения безопасности в процессе строительства крупнопанельного жилого дома серии 97. На основе данных контроля по формуле (3) найдены значения показателя относительной прочности платформенных стыков в контрольной выборке, определено среднее значение 0,839 и стандартное отклонение 0,062. Обеспеченность показателя качества стыков, найденная по формуле (28), равна 0,9357, что меньше требуемого значения 0,9985. Следовательно, технический риск разрушения узлов превышает допустимое значение. Точность монтажа не обеспечена, так как показатель точности (26) меньше нуля. Произведем регулирование точности процесса монтажа по критическим параметрам качества. Так для параметра «толщина растворных швов стыка» по формуле (16) определено критическое значение разброса по критерию безопасности Sqcr=6,36 мм, обеспечивающее бездефектность на уровне 0,985. При наблюдаемой точности процесса KТ =0,63 и разбросе 7,77 мм требуемый уровень бездефектности не обеспечен, запас точности мал ZТ=1,18.

Рис. 9. Блок-схема обеспечения качества и безопасности зданий при их возведении

Для повышения точности работ по указанному параметру необходимо осуществить мероприятия, обеспечивающие устройство швов номинальной толщины: повышение точности геометрического нивелирования монтажного горизонта; устройство маяков выверенной толщины; использование раствора проектной марки по подвижности; повышение точности монтажа по высотным отметкам; усиление контроля; соблюдение требований ППР (устройство швов с подмостей; разравнивание раствора гребёнчатым шпателем и т.д.). В результате внедрения мероприятий разброс по указанному параметру был снижен до расчетного значения.

Однако регулирование точности процессов монтажа по другим критическим параметрам не дало результатов, так как процессы не стабильны во времени, технологическая изменчивость параметров существенна, и в системе обеспечения качества имеются сбои. При фактическом уровне СОК подрядчика 0,69 прогнозируемый по формуле (7) уровень бездефектности работ равен 0,67, наблюдаемая бездефектность по критическим параметрам низкая - 0,51-0,71. Следовательно, необходимо регулирование показателей СОК и влияющих организационно-технологических факторов (ОТФ). Для регулирования предпочтительны наиболее низкие показатели, в данном случае - полноты производственного контроля качества ПK и качества поставляемых материалов и изделий KM. Из списка возможных мероприятий были выбраны соответствующие мероприятия, повышающие значения указанных показателей. В результате их внедрения значения показателей ПK и KM увеличились. При фактически установленных значениях показателей ОТФ по формулам (20) и (21) получено прогнозируемое значение KR=1,07 при вариации 0,121. Уровень конструкционной безопасности стыков после изменения ОТФ повысился до 0,9941. В результате повторного регулирования точности процессов по геометрическим параметрам уровень безопасности стыков достиг требуемого значения 0,9985.

Ущерб в результате возможного отказа платформенного стыка складывается из прямых затрат на разборку конструкций, монтаж новых конструкций, социальных потерь от гибели или ранения людей (морального ущерба), косвенных потерь в виде расходов по расселению жильцов, возмещению сопутствующих ущербов и т.д. Прямой ущерб при локальной аварии составит 3 млн. руб., минимальные социальные потери при четырех пострадавших - 4 млн. руб., косвенные потери не учитываем. Относительный ущерб при стоимости здания C0 составит 7,0/C0, если C0=200 млн. руб., то относительный ущерб С/C0 = 0,035. При наблюдаемой вероятности безотказной работы платформенных стыков 0,9357 риск локальной аварии будет равен R = (1-Р)С/C0 = =(1-0,9357)7,0/C0 = 0,45/C0, а при стоимости здания C0=200 млн. руб. R = 0,00225, что превышает предельное значение управляемого риска 510-5, рекомендованное в ГОСТ Р 53778-2010. После регулирования точности процессов и ОТФ риск аварии снижается в 42,9 раза и составит 0,0105/C0 или R = 5,2510-5, что практически соответствует предельному уровню риска.

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

Исследовалось качество возведения надземной части 30-ти гражданских зданий: крупнопанельных, кирпичных, монолитных и сборно-монолитных. Объемы выборок обеспечивали точность оценки параметров от 3 до 10% при наблюдаемой вариации 25-50% и надежности оценки 0,95. Установлено, что параметры, ограниченные с двух сторон имеют нормальное распределение, с одной стороны - логнормальное распределение случайных значений.

В результате натурных исследований качества возведения десяти крупнопанельных зданий серий 97 и 121 высотой 10 и 16 этажей получены средние значения коэффициента соответствия нормам KС, уровня бездефектности KD и показателя точности технологических процессов KТ (табл. 3).

Таблица 3

Группа показателей	КС	KD	КТ	Группа показателей	КС	KD	КТ
Параметры материалов	1,00	0,98	0,80	Монтаж панелей стен	0,83	0,77	0,59
Геометрич. параметры	0,76	0,70	0,65	Монтаж перекрытий	0,79	0,69	0,71
Параметры связей	0,72	0,58	0,29	Монтаж лестн. клетки	0,61	0,49	0,50
Параметры швов	0,62	0,49	0,43	Герметизация стыков	0,32	0,25	0,00

Значительная технологическая изменчивость приводит к превышению нормативных допусков, что характеризуется значениями показателя точности KТ <1 и низким уровнем бездефектности. Показатели качества по модели оценки (1), усредненные по зданиям, сведены в табл. 4.

Таблица 4

№ здания	KСК	KD	KТ	KX	KS	KR	KP	KСМР
1	0,73	0,63	0,62	0,63	0,50	0,840	0,977	0,777
8	0,72	0,61	0,68	0,50	0,50	0,921	0,996	0,799
9	0,69	0,85	1,00	0,75	0,25	0,901	1,002	0,853
10	0,69	0,70	0,55	0,67	0,67	0,830	0,997	0,776
Среднее	0,69	0,62	0,59	0,65	0,62	0,863	0,984	0,772

В пределах зданий (по этажам) стабильность параметров по отношению к систематическим и случайным погрешностям, как правило, удовлетворительная. Однако технологические процессы нестабильны относительно проконтролированных объектов (KS=0,22, KX=0,17), что, вероятно, объясняется системным влиянием множества организационно-технологических факторов.

Показатель снижения безопасности конструкций стен по среднему и опорному сечениям составил по расчету 0,954…1,00, снижения прочности платформенных стыков - 0,73…0,986. В некоторых случаях потребовалось регулирование точности процессов по условиям безопасности KR0,92 и KР0,994.

Качество монтажных работ по комплексному критерию KСМР 0,78 и частным показателям KR и KР для домов №4 и 7 - не обеспечено. Для указанных домов потребовался демонтаж участков с критическими дефектами в платформенных стыках. По совмещенным графикам (рис. 10) видно, что комплексный показатель KСМР наиболее чувствителен к снижению безопасности несущих конструкций KР (корреляция r = 0,86). Показатель критичности дефектов CD для параметров устройства связей равен 50-60, параметров герметизации стыков - 40 (значительные дефекты), для остальных отклонений - 6-30 (малозначительные дефекты). По рангу опасности дефектов выявлена необходимость проведения количественного анализа их влияния. Например, отклонения размеров сварных швов приводят к снижению прочности связей на 2-30%, безотказности - на 2-27%, и требуется устранение дефектов.

Дефекты в виде утолщения растворных швов, смещения сборных элементов, снижения прочности бетона и неплотного замоноличивания стыков приводят к увеличению податливости платформенных стыков при сжатии на 42-51%, вертикальных шпоночных стыков при сдвиге - в 1,5-2 раза. Для оценки влияния дефектов на работу несущей системы здания серии 97 реализованы конечно-элементные расчетные схемы, и установлено неблагоприятное изменение усилий в элементах конструкций, особенно, в платформенных стыках.

В связи с низкой обеспеченностью несущей способности платформенных стыков опирания по алгоритму рис. 9 выполнено регулирование точности процессов по условию безопасности, разработаны и внедрены соответствующие организационно-технические мероприятия, снижающие риск аварии до допустимого уровня: повышение точности геодезической разбивки и выверки; обеспечение нормативной толщины растворных швов; сплошной инструментальный контроль стыков и др. В результате риск аварии конструкций снизился на порядок до допустимого уровня. Сокращение возможного ущерба в результате повышения безопасности составило 0,031C0, где C0 - стоимость здания.

В стадии эксплуатации дефекты монтажа крупнопанельных зданий могут приводить к увеличению деформаций сдвига в вертикальных стыках с раскрытием трещин и нарушением герметичности стыков (рис. 11). Это подтверждается результатами исследования зданий после 6-7 лет эксплуатации, при котором фиксировались количество и ширина раскрытия трещин в стыках стеновых панелей, а также относительная доля выкрошенных и ремонтных швов.

Установлена значимая на уровне 0,05 корреляция между уровнем бездефектности работ, количеством и шириной раскрытия трещин в вертикальных растворных швах стеновых панелей (r = 0,72...0,92), а также долей выкрошенных и отремонтированных швов (r = 0,80). Полученные данные подтверждают достоверность метода комплексной оценки (1) и результатов конечно-элементного моделирования влияния дефектов.

В результате оценки качества возведения десяти кирпичных зданий высотой от 4-х до 16-ти этажей определены показатели качества технологических процессов, усредненные значения которых приведены в табл. 5.

Таблица 5

Группа показателей	КС	KD	КТ	Группа показателей	КС	KD	КТ
Параметры материалов	0,69	0,62	0,48	Кладка стен, столбов	0,77	0,68	0,91
Геометрич. параметры	0,80	0,71	1,15	Монтаж перекрытий	0,71	0,60	0,56
Параметры связей	0,71	0,60	0,11	Монтаж лестн. клетки	0,72	0,64	0,90
Параметры швов	0,62	0,51	0,59	Устройство связей	0,71	0,60	0,11

Точность работ обеспечена только по геометрическим параметрам KТ 1. Вероятность попадания значений параметров в интервал допуска, даже без учёта систематических отклонений, мала (0,17-0,38), и объясняется случайной изменчивостью и систематическими ошибками. Результаты комплексной оценки качества возведения зданий по модели (1) приведены в табл. 6.

Таблица 6

№ здания	KСК	KD	KТ	KX	KS	KR	KP	KСМР
1	0,64	0,50	0,46	0,60	0,60	0,840	0,977	0,712
2	0,70	0,59	0,66	0,77	0,69	0,952	0,992	0,809
3	0,60	0,47	0,27	0,69	0,77	0,829	0,991	0,664
...	...	...	...	...	...	...	...	...
10	0,71	0,70	0,73	0,72	0,69	0,951	0,989	0,836
Среднее	0,67	0,64	0,72	0,73	0,69	0,946	0,993	0,814

По результатам тестов на стабильность сделаны выводы о стабильном качестве работ в пределах объекта строительства и о значительной неоднородности качества на объектах, возводимых разными строительными организациями. Это объясняется вариацией организационно-технологических факторов, влияющих на качество работ.

Качество возведения зданий по комплексному критерию KСМР 0,77 обеспечено, кроме зданий №1 и 3, на которых дефекты армирования кладки потребовали усиления несущих столбов и простенков. Допущенные дефекты прочности камня, армирования кладки и устройства горизонтальных швов отнесены к значительным (показатель критичности СD=40-90), остальные отклонения - к малозначительным дефектам (СD=5-35). С учётом ранга опасности дефектов выполнен расчетный анализ их влияния на показатели безопасности каменных элементов. Установлено, например, что снижение марки камня и утолщение горизонтальных швов могут приводить к увеличению вероятности отказа несущих элементов в 8...32 раза.

Показатель снижения безопасности каменных элементов составил по расчету 0,978…1,00, снижения прочности - 0,83…0,996, что в некоторых случаях не удовлетворяло условиям безопасности KR0,85 и KР0,994 и потребовало регулирования точности процессов. По формулам (13)-(16) установлено, что процессы устройства кладки по параметру прочности камня и армированию характеризуются значительной изменчивостью (Sx>Sqcr) и отсутствием запаса точности (ZТ<1), что не обеспечивает проектный уровень безопасности. По алгоритму рис. 9 осуществлено регулирование точности процессов каменной кладки и разработка мероприятий для обеспечения качества и безопасности зданий. В результате риск аварии несущих элементов снизился до допустимого уровня. Сокращение возможного ущерба в результате регулирования безопасности составило 0,0262C0, где C0 - стоимость здания.

Исследование качества железобетонных работ выполнялось на строительстве десяти монолитных и сборно-монолитных зданий высотой от 3-х до 23-х этажей. Средний уровень бездефектности по параметру прочности бетона составил 0,99, по геометрическим параметрам - 0,61; соответствующие показатели точности процессов равны 1,06 и 0,65. Показатель несущей способности возведенных конструкций KR для всех объектов превысил проектное значение, снижение уровня безопасности KP в результате допущенных дефектов либо отсутствовало, либо было незначительно. Наименьшие значения KСМР отмечены для объектов с относительно низким уровнем системы обеспечения качества. Обнаружена значимая корреляция (r = 0,95 на уровне 0,05) между показателем бездефектности KD и уровнем СОК строительной организации. Качество возведения зданий по комплексному критерию оценки KСМР и показателям безопасности KR и KР обеспечено.

По значению показателя критичности большинство отклонений отнесены к малозначительным дефектам (СD = 5-21). С целью количественного анализа дефекты возведения зданий были разделены на четыре класса отклонений: геометрических характеристик сечений; прочности бетона; положения арматуры, пространственного положения конструкций. Оценочными расчетами установлено, что первые три класса не оказали существенного влияния на напряженно-деформированное состояние монолитных конструкций.

Производственные исследования показали, что в случае использования в монолитных зданиях сборных железобетонных колонн высотой на 2-3 этажа несоосность их монтажа может быть существенной. Так, например, для 23-этажного здания максимальные значения отклонений от вертикали достигали 45-65 мм. Расчет пространственной системы здания, смоделированной конечно-элементной расчетной схемой, показал максимальное увеличение напряжений в сечениях колоннах в стадии эксплуатации на 16-18%, в стадии возведения на 24-29%. Изменение напряжений в колоннах не превышает предельных сопротивлений материала и не требует увеличения армирования колонн. Установлено также, что фактические значения показателей точности (26) и разброса (27) удовлетворяют условиям конструкционной безопасности. Следовательно, мероприятия по повышению точности процессов не требуются.

В результате статистического обобщения по 30-ти объектам установлено, что использование вместо уровня бездефектности коэффициента соответствия KС дает завышенную на 10-30% оценку качества. С помощью полученной регрессии возможно откорректировать оценки по KС.

Исходя из достигаемой точности технологических процессов, определена необходимая точность контрольных измерений (при условии x = 4Sx):

,

xmet - предельное значение погрешности измерений; x - допуск; t - квантиль t-распределения уровня ; Sx - стандартное отклонение; KТ - точность процесса по параметру x. Из полученных опытных данных, приведенных в диссертации, следует, что применяемые средства измерений обеспечивают необходимую точность контроля при достигаемой точности процессов и фактическом уровне технологии и организации строительства.

7. Новые способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях и метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости, ориентированные на снижение дефектности, обеспечение качества и безопасности.

Один из способов снижения дефектности реализован в новой технологии возведения монолитных конструкций гражданских зданий в зимних условиях (патенты №№ 1675499, 2017906, 2364690). Суть новой технологии заключается в подборе таких режимов и сроков ступенчатого нагружения монолитных конструкций, которые ускоряют темпы возведения при обеспечении требуемого качества. При этом учитываются физико-химические свойства тяжелого бетона раннего возраста, его способность доуплотняться под нагрузкой с «залечиванием» микродефектов структуры и улучшением конструкционных характеристик. В результате комплексных лабораторных исследований и опытно-производственной проверки определено совместное влияние нагрузки, отрицательных температур и последующего оттаивания на параметры эксплуатационного качества монолитных конструкций. Прирост прочности бетона на сжатие при новых способах возведения достигает 19-28%, прирост прочности балок при изгибе - 5-27%. На основе установленных зависимостей определены допустимые уровни нагружения монолитных колонн, стен и перекрытий.

Требуемая прочность бетона монолитных стен на уровне i-го этажа определяется по формуле:

,

где - доля максимальной нагрузки в стадии возведения по отношению к эксплуатационной; - коэффициент допустимой интенсивности нагружения, определенный экспериментальным путем; R28 - проектная прочность бетона; ni - номер этажа при счете сверху; N - общее количество этажей.

Новая технология внедрена при строительстве 16-этажных сборно-монолитных зданий. Согласно ППР требуемая прочность бетона монолитных стен составляла 50-100% от проектной в зависимости от этажа. В условиях раннего нагружения прочность бетона была назначена по формуле (33) в пределах 25-65% от R28. Результаты опытно-производственной проверки новой технологии на реальных монолитных конструкциях подтвердили достоверность методики расчета технологических параметров и эффективность разработанных способов. Разработанная технология позволяет уменьшить дополнительные затраты на зимнее бетонирование, сократить сроки возведения зданий на 5-15%, снизить дефектность монолитных конструкций на 5-28%.

Пассивные методы зимнего бетонирования («термос», противоморозные добавки, предварительный электроразогрев на стадии остывания) являются нерегулируемыми, так как изменчивость внешних факторов практически невозможно компенсировать изменениями технологических параметров выдерживания бетона. Поэтому для этих методов параметры технологии предложено назначать с определенной надежностью, учитывающей случайную изменчивость влияющих факторов.

В вероятностной математической модели технологического процесса введены следующие обозначения: R - фактический результат процесса (главный параметр); Rтр - требуемый результат; x1...xn - регулируемые параметры технологии; y1...ym - нерегулируемые параметры (условия производства, ресурсные ограничения); S(x1)...S(xn), S(y1)...S(ym) - стандартные отклонения случайных параметров x1...xn и y1...ym. Процесс опишем функцией R = f(x1...xn, y1...ym), непрерывной и определенной на интервалах значений аргументов. Величина R имеет случайную природу в результате аддитивного наложения большого числа не зависящих друг от друга факторов, каждый из которых не является доминирующим. Тогда, согласно центральной предельной теореме, величину R принимаем нормально распределенной, а вероятность достижения требуемого результата Rтр находим из выражения:

,

где Ф - функция стандартного нормального распределения;R, S(R) - среднее значение и стандартное отклонение случайной величины R.

Определением вероятности (34) решается прямая задача вероятностного проектирования технологии. Алгоритм ее решения показан на схеме рис. 13. Обратная задача заключается в следующем: исходя из результата и вероятности выполнения производственного задания, нормировать отклонения регулируемых параметров технологического процесса таким образом, чтобы гарантировать результат с заданной вероятностью (бездефектностью). Для решения обратной задачи, задаваясь требуемой вероятностью выполнения производственного задания =Р(Rтр), используя выражение), находим квантиль стандартного нормального распределения u при условии, что Ф(u)= и требуемое значение разброса S(R). Далее, приняв S(y1)...S(ym) в качестве нерегулируемых отклонений, определим допустимые отклонения параметра xi из группы регулируемых параметров xi[x1 ... xn].

При проектировании пассивных методов зимнего бетонирования в качестве случайных факторов рассматривались температура наружного воздуха, скорость ветра, начальная температура бетонной смеси и термическое сопротивление опалубки и утеплителя. Для условий Южного Урала установлены распределения случайных значений температур и скорости ветра в зимние месяцы. При фактической изменчивости параметров для получения (с обеспеченностью 0,95) 40%-й критической прочности требуемое значение средней прочности бетона для конструкций с модулем поверхности Мп=1...3 составляет 46-54%. При этом увеличение продолжительности выдерживания бетона может быть компенсировано ускоренными способами возведения, описанными выше. Вероятностное проектирование технологии зимнего бетонирования снижает риск недобора критической прочности бетона, обеспечивая качество конструкций с заданной вероятностью.

Для снижения трудоемкости комплексной оценки качества строительства разработан программно-методический инструментарий в виде компьютерной экспертной системы с возможностью использования нечёткой исходной информации. База знаний системы основана на формализованных с помощью теории нечётких множеств лингвистических правилах типа

если{A и B и C}, то {D} с ,

где - степень истинности. Например, «Если уровень СОК проектировщика приемлемый (s11), изготовителя - удовлетворительный (s22), подрядчика - приемлемый (s31), то весьма возможно ( =0,5), что уровень системы обеспечения качества строительства - удовлетворительный (S2)». Указанное правило формализовано так: fS{s11; s22; s31} = S2, где fj - логический вывод, реализуемый по нечётким базам знаний. Интерпретация степеней принадлежности вербальными выражениями привязана к шкале от 0 до 1, например =0,65…0,9 - «очень возможно».

Логические правила типа (35) сформулированы на основе полученных теоретических зависимостей и результатов производственной проверки методики комплексной оценки. Верификация нечётких выводов экспертной системы проводилась сравнением с результатами, полученными по квалиметрической модели (1), достоверность выводов экспертной системы составляет 85-96%.

Экономический эффект от повышения качества строительства формируется за счет сокращения издержек на исправление брака, увеличения производительности труда и повышения цены на более качественную строительную продукцию. Установлено, что прямые затраты на контроль качества при возведении зданий составляют 3,6-5,5% от сметной стоимости строительства. Тип конструктивной системы здания влияет не только на уровень дефектности строительства, но и на величину затрат на контроль качества. Так, лучшее качество при наименьших затратах на контроль характерно для монолитных зданий с неразрезной несущей системой.

Практическая реализация методики регулирования точности процессов с целью обеспечения конструкционной безопасности проводилась на объектах крупнопанельного и кирпичного домостроения в микрорайонах №33а и №51 г. Челябинска при участии Госстройнадзора. В результате внедрения мероприятий по повышению точности процессов, совершенствованию системы обеспечения качества уровень бездефектности по контролируемым параметрам на опытных зданиях увеличился на 5-25%, показатель точности - на 10-40%, показатели безопасности - на 15-20%. Сокращение возможного ущерба при различной степени локализации аварии (в зависимости от реализации в проекте противоаварийных мероприятий) в результате регулирования влияющих факторов и снижения риска составляет (0,01-0,92)С0, где С0 - стоимость здания. Экономический эффект на объектах внедрения составил 6,16-6,56 млн. руб. на одно здание.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод комплексной оценки качества работ при возведении гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества (СОК) строительства, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности, соответствующий концепции обеспечения качества и безопасности строительной продукции. Метод позволяет системно оценить факторы, влияющие на качество, получить количественную оценку, наиболее чувствительную к снижению показателей безопасности. Достоверность метода подтверждена исследованиями повреждений построенных зданий в процессе эксплуатации, результатами конечно-элементного моделирования влияния дефектов, опытом практической реализации.

2. Предложены показатели для оценки уровня СОК проектной организации, завода-изготовителя материалов и изделий, строительной организации. Уровень исследованных СОК строительных организаций подрядчиков варьируется в пределах от 0,60 до 0,74 со средним значением 0,680,02. Установлено статистически значимое влияние уровня СОК на бездефектность и точность технологических процессов. Предложены математические модели, позволяющие прогнозировать качество работ по предварительной оценке СОК участников строительства и осуществлять их выбор. Разработанные модели могут применяться застройщиком (заказчиком) для квалификационной оценки исполнителей, направленной на создание уверенности в получении качественной и безопасной строительной продукции.

3. Развиты теоретические основы оценки и регулирования точности технологических процессов с учётом значимости дефекта, объема выборки, уровня ответственности здания, позволяющие точнее оценить отношение допуска к разбросу. Разработаны методы оценки точности технологических процессов по условию безопасности возводимых конструкций. Впервые введены показатели резервных значений стандартного отклонения, показателя точности и запаса точности, характеризующие процесс с точки зрения опасности критического дефекта. Показатели позволяют оценить точность процессов с позиций обеспечения безопасности и, в случае необходимости, скорректировать методы производства работ и контроля качества с целью достижения расчетной точности по критическим параметрам, влияющим на конструкционную безопасность.

При недостатке данных контроля предложено использовать уточненные математические модели теории нечетких множеств и информационные критерии на основе энтропии, которые позволяют по данным альтернативного контроля получить адекватные количественные оценки при меньших затратах на контроль.

4. Определены и ранжированы по значимости организационно-техноло-гические факторы (ОТФ), влияющие на качество строительства: уровень соблюдения технологии работ, полнота производственного контроля; обеспеченность механизмами, оснасткой, инструментом; уровень квалификации рабочих и ИТР и др. В результате анализа множественной корреляции и регрессии выявлены зависимости между ОТФ и показателями качества, влияющими на безопасность возводимых конструкций. Полученные регрессионные модели позволяют осуществить регулирование конструкционной безопасности в процессе строительства посредством комплекса мероприятий, повышающих значения показателей ОТФ.

5. Усовершенствованы научные основы обеспечения безопасности на стадии строительства с использованием процедур регулирования точности технологических процессов, повышения показателей СОК подрядчиков и влияющих организационно-технологических факторов. Разработанная методика позволяет, в случае невыполнения условий безопасности по результатам риск-ориентированного контроля, прогнозировать по установленным зависимостям изменение уровня конструкционной безопасности при повышении точности технологических процессов, уровня СОК подрядчика и показателей ОТФ.

Разработаны алгоритмы и программы для комплексной оценки качества с использованием нечетких баз данных и возможностью оперативного контроля и регулирования. При внедрении методики на объектах крупнопанельного и кирпичного домостроения риск аварии возводимых конструкций был снижен до допустимых значений.

6. Разработаны методы оценки значимости дефектов, позволяющие установить объёмы статистического контроля и обосновать программу мероприятий по предупреждению дефектов. Назначение достоверности и объёмов контроля с учетом значимости дефектов и ответственности зданий, позволяет оптимизировать затраты на контроль и риски ошибок подрядчика и заказчика. Установлена некорректность применения для оценки качества работ коэффициента соответствия нормам, так как его значения на 10-30% выше фактического уровня бездефектности, вычисленного статистическими методами. Получена зависимость, позволяющая скорректировать оценки при использовании коэффициента соответствия.

7. Проведены производственные исследования качества работ с проверкой разработанных методик и моделей при возведении 30-ти гражданских зданий различных конструктивных систем. Установлены характеристики аппроксимирующих нормальных и логнормальных распределений основных параметров качества. Определены средние уровни бездефектности возведения зданий 0,62-0,69, достигаемая точность 0,59-0,90 и стабильность технологических процессов по видам работ, а также показатели несущей способности и безопасности конструкций с учетом дефектов. Обоснованные критерии комплексной оценки позволяют однозначно оценить качество возведения объектов. Большинство зданий возведено с удовлетворительным уровнем качества, кроме двух кирпичных (с нарушением армирования кладки) и двух панельных зданий (с дефектами узлов и связей). На указанных объектах выполнено регулирование точности технологических процессов по условию безопасности, разработаны и внедрены соответствующие мероприятия, повышающие качество работ и безопасность возводимых конструкций.

8. Разработаны вероятностный метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости и способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях, повышающие качество и эффективность работ. Новые способы ускоренного возведения основаны на результатах лабораторных и опытно-производственных исследований влияния режимов нагружения, отрицательных температур на параметры эксплуатационного качества монолитных конструкций. Предложенные способы, позволяют снизить дополнительные затраты на зимнее бетонирование, сократить сроки возведения зданий, повысить качество возводимых конструкций.

9. Результаты исследований использованы в стандарте СРО «Союз строительных компаний Урала и Сибири», методических документах Госстройнадзора Челябинской области и ряда крупных строительных организаций, в программах НИР Минобразования РФ. При внедрении разработанных методов контроля и оценки качества установлено снижение уровня дефектности на 5-25%, показателя точности процессов - на 10-40%, (технический эффект), увеличение уровня безопасности конструкций на 15-20% (социальный эффект). Размер предотвращенного ущерба при различной степени локализации аварии составляет (0,01-0,92)С0, где С0 - стоимость здания. Экономический эффект на объектах внедрения составил 6,16-6,56 млн. руб. на одно здание.

Научно обоснованные организационные и технологические решения и реализованная совокупность методов, формируют механизм регулирования безопасности на стадии строительства в соответствии с требованиями Федерального законодательства. Разработанный программно-методический инструментарий обеспечения качества и безопасности гражданских зданий предназначен для создания информативной доказательной базы при проверке соответствия объектов строительства установленным требованиям.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс ряда строительных вузов страны при подготовке и переподготовке кадров инженеров-строителей.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Байбурин, А.Х. Качество и безопасность строительных технологий: монография / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев.- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006.- 453 с.

2. Современные строительные технологии: монография / Под ред. С.Г. Головнева. - Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2010. - 268 с.

3. Патент №1675499 Российская Федерация, МКИ Е 02 D 15/02. Способ возведения монолитных бетонных и железобетонных стен гражданских зданий в зимних условиях / А.Х. Байбурин, Н.В. Юнусов, С.Г. Головнев и др. - Бюл. № 33, 1991.

4. Патент №2017906 Российская Федерация, МКИ Е02 В 5/32. Способ возведения монолитных железобетонных перекрытий гражданских зданий в зимних условиях / А.Х. Байбурин, Н.В. Юнусов, С.Г. Головнев и др. - Бюл. № 15, 1994.

5. Патент №2364690 Российская Федерация, МПК Е04 В 2/84. Способ возведения монолитных зданий в зимнее время / С.Г. Головнев, А.Х. Байбурин, Л.А. Беркович. - Бюл. № 23, 2009.

6. Байбурин, А.Х. Оценка качества строительно-монтажных работ на основе показателей надежности / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. - 1998. - № 2. - С. 67-70.

7. Байбурин, А.Х. Формирование системы показателей качества в строительстве / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. - 1999. - №8.- С. 57-60.

8. Байбурин, А.Х. Надежность как критерий для классификации дефектов в строительстве / А.Х. Байбурин // Промышленное и гражданское строительство. №10. 2000. С. 25-26.

9. Байбурин, А.Х. Методика статистической оценки качества строительно-монтажных работ / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. - 2000. - №5. - С. 85-89.

10. Байбурин, А.Х.Оценка системы качества строительной организации / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев// Известия вузов. Строительство. - 2001. -№ 1. - С. 57-61.

11. Байбурин, А.Х. Качество возведения кирпичных жилых домов / А.Х. Бай-бурин // Жилищное строительство. - 2001. - №9. - С. 9-10.

12. Байбурин, А.Х. Анализ видов, последствий и критичности отказов в строительстве / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. - 2001.- №8. - С. 77-79.

13. Байбурин, А.Х. Оценка качества строительства кирпичных зданий / А.Х. Байбурин // Известия вузов. Строительство. - 2001. - № 11. - С. 120-123.

14. Байбурин, А.Х. Оценка качества строительно-монтажных работ методами теории нечетких множеств / А.Х. Байбурин // Известия вузов. Строительство. - 2002. - №6. - С. 54-58.

15. Байбурин, А.Х. Качество возведения монолитных жилых домов / А.Х. Бай-бурин, С.Г. Никоноров // Жилищное строительство. - 2002. - №4. - С. 4-6.

16. Байбурин, А.Х. Проектирование экспертной системы оценки качества строительных технологий / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев, С.В. Никоноров // Известия вузов. Строительство. - 2002. - № 7. - С. 52-55.

17. Байбурин, А.Х. Оценка качества строительства монолитных зданий / А.Х. Байбурин, С.В. Никоноров // Известия вузов. Строительство. - 2002. - № 9. - С. 129-133.

18. Байбурин, А.Х. Анализ опасности дефектов строительно-монтажных работ/ А.Х. Байбурин // Известия вузов. Строительство. - 2003. - № 1. - С. 49-51.

19. Байбурин, А.Х. Качество возведения крупнопанельных зданий / А.Х. Бай-бурин // Жилищное строительство. - 2002. - №10. - С. 10-11.

20. Байбурин, А.Х. Анализ критичности дефектов возведения жилых зданий / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. - 2003. - №5. - С. 13-14.

21. Байбурин, А.Х. Комплексная оценка качества возведения домов / А.Х. Бай-бурин // Жилищное строительство. - 2003. - №11. - С. 2-3.

22. Байбурин, А.Х. Проектирование экспертной системы оценки качества / А.Х. Байбурин, Т.В. Субботин // Жилищное строительство. - 2004. - №5. - С. 4-5.

23. Байбурин, А.Х. О совершенствовании нормативов качества возведения жилых зданий / А.Х. Байбурин, С.В. Никоноров // Жилищное строительство. - 2005. - №8. - С. 8-9.

24. Байбурин, А.Х. Влияние качества строительства на эксплуатационную надежность крупнопанельных зданий / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. - 2006. - №7. - С. 5-6.

25. Байбурин, А.Х. Оценка качества строительства при недостатке информации / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. - 2007. - №2. - С. 23-24.

26. Байбурин, А.Х. Дефекты устройства связей и живучесть панельных зданий / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. - 2007. - №4. - С. 6-7.

27. Байбурин, А.Х. О допуске на размеры монолитных конструкций гражданских зданий / А.Х. Байбурин, С.В. Никоноров // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 6. - 2008. - №12(112). - С. 16-18.

28. Байбурин, А.Х. Методика оценки качества возведения кирпичных зданий / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 9. - 2009. - №35(168). - С. 24-27.

29. Байбурин, А.Х. Исследование влияния технологических факторов на уровень качества возведения гражданских зданий / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 11. - 2010. - №33(209). - С. 20-24.

30. Байбурин, А.Х. Техническое регулирование безопасности на стадии строительства / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 12. - 2011. - №16(233). - С. 18-20.

31. Байбурин, А.Х. Надежность монтажа панельных зданий по параметрам качества продукции / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 13. - 2011. - №35(252). - С. 40-43.

32. Байбурин, А.Х. Раннее нагружение монолитных конструкций многоэтажных гражданских зданий в зимних условиях: Дис. ... канд. техн. наук. / А.Х. Байбу-рин. - Челябинск, 1992. - 211 с.

33. Байбурин, А.Х. Совершенствование системы качества строительно-монтаж-ных работ / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Третьи уральские акад. чтения. Проблемы реконструкции городов Урала.- Екатеринбург: Изд-во УРО РААСН, 1997. - С. 90-94.

34. Байбурин, А.Х. Безопасность конструктивной ячейки крупнопанельного здания / А.Х. Байбурин // Безопасность жизнедеятельности: сб. науч. тр. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. - С. 37-39.

35. Байбурин, А.Х. Нормирование точности строительно-монтажных работ по критерию надежности / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 2. - 2003. - №7(23). - С. 55-57.

36. Байбурин, А.Х. Комплексная оценка качества строительно-монтажных работ / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 3. - 2005. - №13(53). - С. 68-70.

37. Байбурин, А.Х. Модель для выбора участников строительства / А.Х. Бай-бурин, С.Г. Головнев // Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве» SIB-2008, Т.3. - Воронеж: ВГАСУ, 2008. - С. 25-28.

38. Байбурин, А.Х. Обеспечение безопасности крупнопанельных зданий / А.Х. Байбурин, Д.А. Байбурин // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. тр. - М.: МДП, 2008. - С. 35-39.

39. Байбурин, А.Х. Обеспечение надежности строительно-монтажных работ по параметрам качества продукции / А.Х. Байбурин // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. трудов. Вып. 8. - М.: МДП, 2009. - С. 205-212.

40. Байбурин, А.Х., Оценка и совершенствование системы качества в проектных организациях / А.Х. Байбурин, А.Ю. Самарин // Строительство и образование: Сб. науч. трудов. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009, №12. - С. 3-5.

41. Байбурин, А.Х. Технология ускоренного возведения монолитных конструкций в зимних условиях / А.Х. Байбурин // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. - 2009. - №2(121). - С.72-73.

42. Байбурин, А.Х. Исследование влияния качества строительства на эксплуатационную надежность зданий / А.Х. Байбурин // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. трудов. Вып. 9. - М.: МДП, 2010. - С. 140-147.

43. Baiburin, A.Kh. Implementation of pile foundation quality and serviceability / A.Kh. Baiburin, S.G. Golovnev // The Proceedings of the International Geotechnical Symposium «Geotechnical Aspects of Natural and Man-Made Disasters». - Astana, Kazakhstan Geotechnical Society, 2005. - P. 144-147.

44. Baiburin, A.Kh. Quality and reliability estimation of airfield runway / A.Kh. Baiburin, S.G. Golovnev // The Proceedings of the International Geotechnical Symposium «Geotechnical Engineering for Disaster Prevention & Reduction». - Yuzhno-Sakhalinsk, Russia - Sapporo, Japan, 2007. - Р. 271-272.

Размещено на Allbest.ru

...