43

Размещено на http://www.allbest.ru/

43

ОБОСНОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ЭФФЕКТИВНОМУ ОСВОЕНИЮ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА КРУПНЕЙШИХ И КРУПНЫХ ГОРОДОВ

Специальность 25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОДДУБНЫЙ Владимир Владимирович

Екатеринбург 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой шахтного строительства УГГУ Корнилков Михаил Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Боликов Владимир Егорович

кандидат технических наук Смирнов Алексей Анатольевич

Ведущая организация - Уральский проектно-изыскательский институт транспортного строительства (ОАО «Уралгипротранс»)

Защита состоится 29 декабря 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, Ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного горного университета

Автореферат диссертации разослан «29» ноября 2008 г.

Ученый секретарь доктор технических наук,

диссертационного совета Багазеев В. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в крупнейших и крупных городах России отсутствует комплексный подход к подземному пространству как к обязательному элементу общегородской архитектурно-планировочной организации, в силу чего недооценивается значимость подземного строительства. Генеральные планы развития городов, включая сверхкрупные города, не содержат специальных разделов, посвященных освоению подземного пространства. Подавляющее большинство крупнейших городов и практически все крупные города не имеют научно обоснованных программ комплексного подземного строительства, без чего невозможно упорядоченное и эффективное освоение подземного пространства. Между тем выполнение в традиционной постановке полного объема исследований, необходимых для формирования комплексных программ освоения подземного пространства, требует значительных затрат времени и денежных средств. Существующая устойчивая тенденция к развитию городского подземного строительства связана с использованием современных инженерных решений и «высоких» горно-строительных технологий, внедрение которых без детального технико-экономического анализа, учитывающего геомеханические и технологические риски, может привести к весьма тяжелым последствиям вплоть до финансового краха и инвестора, и заказчика, и подрядчика. Поэтому формирование системных процедур и методик, позволяющих оперативно установить приоритетные направления и объекты освоения подземного пространства в крупнейших и крупных городах, разработка критериев и моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений с учетом риска является весьма актуальной проблемой.

Объектом исследований являются инженерные решения по освоению подземного пространства крупнейших и крупных городов.

Предмет исследований - методы обоснования инженерных решений по эффективному освоению подземного пространства.

Цель диссертации - разработка моделей, методик и процедур обоснования инженерных решений по эффективному освоению подземного пространства крупнейших и крупных городов на основе методов системного анализа и теории риска.

Основная идея работы заключается в определении приоритетных направлений и объектов освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов на основе методов системного анализа с разработкой моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, учитывающих геомеханические и технологические риски в стадиях строительства и эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью основные задачи исследований заключаются в разработке и реализации: 1) процедур выявления приоритетных направлений, объектов и схем освоения подземного пространства с получением количественных оценок приоритетности; 2) моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений городских подземных сооружений на основе теории риска. подземный пространство городской сооружение

Методы исследований. При выполнении работы применялся комплекс методов, включающий обобщение результатов ранее выполненных работ, системный анализ, вероятностно-статистические исследования, математическое и имитационное моделирование на ЭВМ.

Защищаемые научные положения.

1. Приоритетные направления освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов следует устанавливать методами системного анализа, включающими структуризацию задач, экспертизу, анализ по ресурсным критериям и критериям условий реализации, системное обобщение оценок. Для г. Екатеринбурга с учетом основного планировочного каркаса - метрополитена - определены четыре приоритетных направления, в которых следует разрабатывать схемы размещения, объемно-планировочные и конструктивно-технологические решения подземных сооружений: комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена; инженерные коммуникации; транспортные сооружения; комплексная застройка жилых и административных районов с использованием подземных объектов. Количественные оценки, характеризующие приоритетность этих направлений, соответственно составляют 0,959, 0,915, 0,750, 0,625, превышая среднюю оценку приоритетности, равную 0,562.

2. Инвестиции в строительство подземных объектов следует оценивать с учетом нестабильности характеристик природной среды, качества мониторинга вмещающего грунтового массива и окружающих строений, особенностей реализации строящихся объектов, предусматривая сопоставление чистого дисконтированного дохода или суммарных дисконтированных затрат с результатами, полученными при анализе страхования строительных и эксплуатационных рисков, устанавливаемых методом Монте-Карло с генерацией входных случайных параметров по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье.

Достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций подтверждается системным характером исследований, материалами технико-экономического анализа с использованием методов математической статистики, реализацией в градостроительных планах и проектах строительства подземных сооружений г. Екатеринбурга.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- выполнен системный анализ приоритетности направлений и объектов освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов, получены количественные оценки приоритетности в увязке природных особенностей с совокупностью социальных, экономических, архитектурно-планировочных, технических условий городской застройки;

- установлена целесообразность определения уровней рисков методом Монте-Карло с генерацией входных случайных аргументов имитационных моделей по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье;

- разработаны принципы моделирования, критерии и модели для оптимизации технических решений по освоению подземного пространства, учитывающие уровни геомеханического и технологического рисков, продуктивность геомеханического контроля состояния грунтового массива горных пород, особенности реализации строящихся объектов, рациональные объемы страхования строительных и эксплуатационных рисков.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработке процедур экспресс-методики составления программ освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов и выбора схем размещения подземных объектов;

- создании и реализации машинно-ориентированных методик оценки уровней риска, вызванного нестабильностью физико-технических свойств массива;

- разработке методики формирования моделей для оценки эффективности инвестиций и выбора объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, оперирующих в условиях риска.

Внедрение результатов исследований. Рекомендации диссертации использованы: в разделе «Схема комплексного освоения подземного пространства» Генерального плана “МО «Город Екатеринбург до 2025 года»”; при формировании «Программы комплексного освоения подземного пространства г. Екатеринбурга до 2015 г.»; в эскизных проектах подземных комплексов Екатеринбурга: «Площадь 1905 г.», «Площадь Малышева», «Центр», разработанных по заданию ОАО «Уралстройпроект». Методики оценки геомеханических рисков и обоснования инвестиций в строительство городских подземных сооружений переданы ЕМУП «УЗПС МЕТРО» (Екатеринбургское муниципальное унитарное предприятие «Управление заказчика по строительству подземных сооружений и метрополитена»).

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач и формировании программы исследований, научном обосновании приоритетности направлений освоения подземного пространства и схем размещения подземных объектов, организации и проведении экспертиз, выполнении технико-экономических исследований, разработке моделей выбора рациональных инженерных решений, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций.

Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований обсуждались на семинарах Уральского отделения Тоннельной ассоциации России (2004, 2005 гг., г. Екатеринбург), семинаре «Гидроизоляция подземных сооружений» (январь 2005 г., Москва), «Уральской горнопромышленной декаде» (апрель 2005 г., Екатеринбург), Международной конференции «Геомеханика, механика подземных сооружений» (сентябрь 2005 г., г. Тула), Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (май 2007 г., г. Екатеринбург), семинарах кафедры шахтного строительства УГГУ (январь, 2006, 2008 гг.), совещаниях при зам. главы администрации Екатеринбурга, ГлавАПУ, ОАО «Уралгипротранс» (2004, 2005 г., г. Екатеринбург).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в восьми печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация включает общую характеристику работы, три главы, заключение, библиографический указатель из 219 наименований. Объем диссертации - 185 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Arial»), 54 таблицы, 18 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Содержание диссертации изложено в трех главах.

В первой главе выполнен анализ изученности проблемы выбора инженерных решений по освоению подземного пространства крупнейших и крупных городов. Существенный вклад в теорию и практику освоения подземного пространства внесли отечественные исследователи А. В. Алексеев, В. А. Бессолов, П. П. Бессолов, Г. М. Богомолов, В. И. Бородин, Н. С. Булычев, С. Н. Власов, В. А. Гарбер, Д. М. Голицинский, Г. Е. Голубев, Е. А. Демешко, В. Я. Дорман, А. Ф. Зильберборд, А. М. Ильин, Б. А. Картозия, Д. С. Конюхов, М. В. Корнилков, А. В. Корчак, Ю. Е. Крук, Н. И. Кулагин, Е. Ю. Куликова, В. Г. Лернер, О. Н. Макаров, Л. В. Маковский, В. Е. Меркин, В. М. Мостков, С. Ф. Панкина, М. М. Папернов, Л. Е. Пелевин, Е. В. Петренко, И. Е. Петренко, Б. Д. Половов, А. В. Попов, В. Л. Попов, А. Г. Протосеня, М. С. Рудяк, В. П. Самойлов, А. А. Сегетдинов, О. В. Тимофеев, В. А. Умнов, Ю. С. Фролов, А. В. Харченко, П. Ф. Швецов, Е. И. Шемякин, А. А. Шилин, М. Н. Щуплик, П. Юркевич, С. А. Юфин, Ю. И. Яровой и др., а также зарубежные специалисты Н. Айатдин, Д. Арригони, В. Дитц, У. Кармоди, Дж. Лемли, Ф. Лесет, Р. Роббинс, Ш. Уоллис, Д. Фрайант, М. Херренкнехт, Ф. Цэнэкадзу и др.

В результате проведенных исследований решен ряд важных вопросов, связанных с выбором инженерных решений по освоению городского подземного пространства:

- получены значимые научные и практические результаты в области формирования направлений освоения городского подземного пространства, номенклатуры подземных сооружений и рациональных схем размещения подземных объектов;

- разработаны методики оценки эффективности освоения городского подземного пространства, в частности, целесообразности внедрения прогрессивных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений.

Однако при составлении общегородских планов освоения подземного пространства инструмент системного анализа в полной мере не использовался, следствием чего являются вероятность возникновения ошибок при анализе градостроительной ситуации и возможность дезориентации внимания на малозначимых, второстепенных объектах. Кроме того, для типичных российских городов (в т. ч. областных центров) с малоразвитой подземной инфраструктурой и недостаточной практикой подземного строительства выполнение полного объема исследований, рекомендуемого «Руководством по составлению схем комплексного использования подземного пространства крупных и крупнейших городов (1978)», требует значительных затрат времени, денежных средств и вряд ли может быть выполнено на региональном уровне без привлечения специализированных организаций.

Существующий уровень изученности в области объемно-планировочных решений подземных сооружений создает хороший задел для разработки комплексных проектов освоения подземного пространства применительно к различным инженерно-геологическим ситуациям, в том числе в условиях высокой изменчивости физико-технических свойств грунтового массива.

Вариационный размах исходных показателей при проектировании подземных комплексов крупнейших и крупных городов может составить весьма существенную величину, а характер распределения случайных параметров может не отвечать нормальному закону. Поэтому практикуемый принцип выбора решений по средним (детерминированным) характеристикам и различного рода страхующим коэффициентам - безопасности, перегрузки, запаса и т. п. - должен корректироваться на основе вероятностных показателей, причем анализ альтернатив целесообразно выполнять по совокупности природных, технических, социальных и экономических факторов, в частности, с учетом значимости объектов.

Мировая и отечественная практика показывают, что расширение области использования подземного пространства крупнейших и крупных городов и увеличение объемов городского подземного строительства обусловлено высокоэффективными техническими разработками. Однако внедрение современных «высоких» технологий, связанных с весьма значительными затратами, без детального риск-анализа конкретной ситуации может привести к тяжелым последствиям.

Таким образом, продуктивными направлениями исследований по теме диссертации являются разработка и реализация:

1) процедур выявления приоритетных направлений, объектов и схем освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов с получением количественных оценок приоритетности;

2) моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений городских подземных сооружений на основе теории риска.

Во второй главе излагаются исследования по формированию и реализации процедур системного анализа приоритетности направлений освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов.

Для объективной оценки градостроительной ситуации и установления уровней приоритетности направлений в условиях ограничений по времени и средствам использовался комплекс исследований, включающий пять последовательных процедур: структуризация задач исследований, групповая экспертиза направлений и объектов, анализ по ресурсным критериям, анализ по критериям условий реализации, системное обобщение оценок. В качестве основного объекта исследований был выбран Екатеринбург - типичный крупнейший город России, подземное пространство которого характеризуется разнообразием природных условий и высокой изменчивостью физико-технических свойств массивов горных пород.

В процедуре «структуризация» выполнено поэтапное расчленение исследуемой проблемы на элементы в трех уровнях: первый уровень глобальные цели - направления освоения подземного пространства; второй уровень - локальные цели объекты и схемы освоения подземного пространства; третий уровень объемно-планировочные, конструктивно-технологические решения. Полный набор целей глобального (8 целей) и второго иерархических уровней (47 целей) показан на рис. 1.

Групповая экспертиза - важнейший неформальный метод системного анализа - проводилась с привлечением высококвалифицированных сотрудников городской администрации, научно-исследовательских и проектных институтов Екатеринбурга, специалистов в области архитектуры, подземного строительства, городского транспорта, коммунального хозяйства. Пример групповой экспертизы глобальных целей - матрица экспертного опроса и результаты ее вероятностно-статистического анализа - приведен в табл. 1, 2.

Обобщение и анализ практики освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов свидетельствуют, что помимо финансового обеспечения определяющими ресурсными факторами являются трудовые ресурсы, оборудование для производства горно-строительных работ, строительные материалы и конструкции. Количественная оценка целей по ресурсным критериям выполнялась методом экспертизы по трем видам ресурсов с использованием шкал ранговых показателей, отражающих гарантированное обеспечение существующими ресурсами (5 баллов), необходимость проведения организационных мероприятий (4 балла), необходимость привлечения дополнительных ресурсов (3 балла), радикальную потребность в новых ресурсах (2 балла), сомнительность получения ресурсов (1 балл). По найденным шкалам формировалась общая ранжирующая матрица «цели-средства», в которой средства определяются совокупным проставляемым баллом, отражающим относительную обеспеченность конкретной цели основными видами ресурсов.

Неформальный анализ целей по критериям условий реализации проводился по разработанной системе из 14 оценочных критериев, включающих, в частности, инженерно-геологические условия, уровни занятости городских территорий и интенсивность инженерных сетей, характеристику источников финансирования.

Сведения, полученные в результате групповой экспертизы, анализа по ресурсным критериям и критериям условий реализации, рассматривались как конкретные количественные оценки путей решения проблемы установления приоритетных направлений и объектов освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов, найденные с различных позиций и точек зрения. Обработка этих материалов организовывалась таким образом, чтобы был достигнут взаимодополняющий эффект, обеспечивались должная коррекция, возрастание достоверности и уровня объективности итоговых результатов.

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

43

Рис. 1 Структурная схема направлений и объектов освоения подземного пространства

1 - комплексная застройка жилых и административных районов с использованием подземных объектов:

1.1 - двухъярусные сооружения мелкого заложения под строящимися зданиями с единой подземной инженерной сетью; 1.2 - внутриквартальные сооружения мелкого заложения; 1.3 - формирование многофункционального пространства ниже нулевой отметки при освоении заторфованных территорий; 1.4 - создание подземной платформы в виде стилобатной части при строительстве на активном рельефе; 1.5 - крупные административно-культурные, финансовые и торгово-бытовые, спортивно-рекреационные комплексы; 1.6 - локальные объекты социально-производственной инфраструктуры;

2 - подземные транспортные сооружения:

2.1 - железнодорожные тоннели и въезды-выезды; 2.2 - автодорожные тоннели и развязки; 2.3 - подземные трамвайные и троллейбусные переезды; 2.4 - тоннели для подземной транспортировки грузов; 2.5 - пешеходные переходы; 2.6 - пешеходные зоны (тротуары, улицы); 2.7 - автогаражи и автостоянки; 2.8 - автовокзалы и железнодорожные вокзалы; 2.9 - автопарки, автобазы, трамвайные и троллейбусные депо;

3 - комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена:

3.1 - комплексное использование подземного пространства при строительстве станций мелкого заложения; 3.2 - комплексное использование подземного пространства при строительстве перегонных тоннелей мелкого заложения; 3.3 - комплексное использование подземного пространства при строительстве станции глубокого заложения; 3.4 - комплексное использование подземного пространства при строительстве перегонных тоннелей глубокого заложения; 3.5 - строительство метрополицентров;

4 - инженерные коммуникации:

4.1 - локальные коллекторы предприятий и частных фирм; 4.2 - районные полупроходные и проходные коллекторы; 4.3 - магистральные проходные коллекторы; 4.4 - многофункциональные проходные коллекторы; 4.5 - многофункциональные проходные коллекторы с дублированием функции транспортировки стоков; 4.6 - многофункциональные проходные коллекторы с дублированием функций транспортировки стоков и сопутствующими очистными и утилизирующими сооружениями;

5 - объекты инженерной инфраструктуры:

5.1 - районные сооружения для очистки воды; 5.2 - системы оборотного водоснабжения; 5.3 - локальные очистные сооружения бытовых стоков; 5.4 - локальные очистные сооружения производственных предприятий; 5.5 - локальные очистные сооружения ливневых стоков; 5.6 - централизованные внутригородские сооружения очистки стоков; 5.7 - подземные сети для сбора и удаления мусора; 5.8 - подземная переработка и утилизация мусора; 5.9 - резервуары и резервные емкости для воды и стоков;

6 - сооружения производственно-хозяйственного назначения:

6.1 - строительство отдельных производственных помещений; 6.2 - производственные цеха и предприятия; 6.3 - склады горючих и смазочных материалов; 6.4 - продуктовые склады; 6.5 - товарные склады; 6.6 - склады особо опасных и токсичных веществ;

7 - сооружения энергетического комплекса:

7.1 - локальные трансформаторные и тепловые пункты, отдельные котельные; 7.2 - районные подстанции и котельные; 7.3 - гидро- и пневмоаккумулирующие станции;

8 - укрытия:

8.1, 8.2 - локальные и районные мелкого заложения; 8.3 - центральные глубокого заложения

Таблица 1

Номер цели	Направления освоения подземного пространства	Номер эксперта
		1	2	3	4	5	6	7	8
1	Комплексная застройка жилых и административных районов	4	4	4	1	5	6	6	4
2	Подземные транспортные сооружения	3	3	1	4	3	3	2	3
3	Комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена	1	2	3	3	2	1	1	2
4	Инженерные коммуникации	2	1	2	2	1	1	3	1
5	Объекты инженерной инфраструктуры	5	6	5	5	4	4	4	5
6	Сооружения производственно-хозяйственного назначения	6	5	6	7	6	5	7	6
7	Сооружения энергетического комплекса	7	7	7	6	7	7	6	7
8	Укрытия	8	8	8	8	8	8	8	8

Таблица 2

Номер цели i	Вес цели Vi	Ранг	Коэффициент согласованности W
1	0,132	5	0,902
2	0,174	6
3	0,198	7
4	0,205	8
5	0,118	4
6	0,083	3
7	0,062	2
8	0,003	1

С этой целью использовалось системное обобщение полученных оценок - аппарат взвешенных сумм и методика анализа относительной важности решений. Найденные ранговые оценки умножались на соответствующие средние веса, установленные квалифицированными экспертами. Вычисленные значения суммировались, оценки приоритетности нормировались по максимуму трех рангов (табл. 3). Полученные результаты представляют относительные характеристики приоритетности, определяющие уровни значимости первого уровня дерева целей. Таким образом, наиболее важными для Екатеринбурга являются четыре направления освоения городского подземного пространства с относительными оценками приоритетности, превышающими уровень средней оценки, равной 0,562: комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена (цель 3, оценка 0,959); прокладка магистральных инженерных коммуникаций (цель 8, оценка 0,915); строительство подземных транспортных сооружений (цель 2, оценка 0,750); комплексная застройка жилых и административных районов с использованием подземных объектов (цель 1, оценка 0,625), см. рис. 1.

Таблица 3

Цели	Средства	Оценка
	По результатам экспертизы	По ресурсным критериям	По критериям условий реализации
	приоритет	с весом 0,25	приоритет	с весом 0,15	приоритет	с весом 0,60	суммарная	относительная	средняя
1	5	1,25	5,0	0,750	5	3,0	5,000	0,625	0,562
2	6	1,50	6,0	0,900	6	3,6	6,000	0,750
3	7	1,75	7,5	1,125	8	4,8	7,675	0,959
4	8	2,00	7,5	1,125	7	4,2	7,325	0,915
5	4	1,00	4,0	0,600	4	2,4	4,000	0,500
6	3	0,75	2,5	0,375	3	1,8	2,925	0,366
7	2	0,50	2,5	0,375	2	1,2	2,075	0,259
8	1	0,25	1,0	0,150	1	0,6	1,000	0,125

Исследования по второму уровню дерева целей проводились в рамках установленных приоритетных направлений. Из множества предложений по каждому направлению методом групповой экспертизы отбирались конкретные объекты. Затем по критериям максимума чистого дисконтированного дохода и внутренней нормы доходности, минимума дисконтированных затрат и срока окупаемости инвестиций оценивалась эффективность отобранных инвестиционных проектов (сущность технико-экономической оценки поясняется табл. 4). После обсуждения в городской администрации сформированных материалов в УГГУ были составлены общегородские схемы инженерных коммуникаций и подземных транспортных сооружений (тоннелей и развязок, гаражей и автостоянок, подземных переходов). Пример схемы размещения подземных объектов, включенный в раздел «Схема комплексного освоения подземного пространства» Генерального плана “МО «Город Екатеринбург до 2025 года»”, приведен на рис. 2.

В третьей главе решаются задачи разработки и реализации моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений городских подземных сооружений.

Продуктивность освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов во многом определяется возможностью предотвращения неблагоприятных событий, сопровождающих строительство и эксплуатацию подземных сооружений. В этом плане решающую роль играет количественная оценка текущих и долговременных геомеханических и технологических рисков (вероятности аварий, технологических отказов, снижения запланированных темпов выполнения горно-строительных работ, производственного брака и т. п.), вызванных нестабильностью грунтового массива в целом и изменчивостью физико-технических характеристик грунтов, слагающих вмещающий массив. Для достоверной оценки геомеханических и технологических рисков при высокой изменчивости инженерно-геологических условий (типичной для крупнейших и крупных городов Уральского региона) задачу представления статистической информации о грунтах предлагается решать, используя набор фактических статистик.

Таблица 4

№ п.п.	Наименование показателей	Характеристика варианта
		трехъ-ярусный	двухъярусный	четырехъярусный
1	Сроки строительства, год	2	2	3
2	Площадь помещений, сдаваемых в аренду	4300	2000	6000
3	Число стояночных мест	309	225	450
4	Стоимость годового объема продаж с НДС, тыс. р.	103120,7	52828,5	145017,0
5	Эксплуатационные затраты, тыс. р.	25634,5	17694,5	52295,7
6	Потребность в инвестициях, тыс. р.	155072,4	83209,6	277365,2
Производственные фонды объекта
7	Основные, тыс. р.	147318,7	79041,1	263497,0
	Оборотные, тыс. р.	4652,0	1865,9	8321,0
	Прирост оборотных фондов, тыс. р.	4652,0	1865,9	8321,0
8	Налоги (без налога на прибыль), тыс. р.	3101,9	1664,5	5548,0
9	Валовая прибыль, тыс. р.	74384,3	33469,4	87173,3
10	Инвестиции, подлежащие окупаемости, тыс. р.	159724,6	85705,6	285686,2
11	Налоги в бюджет, тыс. р.	20954,2	9697,2	26469,6
12	Чистая прибыль, тыс. р.	56532,1	25436,7	66251,7
13	Амортизационные отчисления на реновацию, тыс. р.	4430,7	2377,4	7924,7
14	Годовые поступления, тыс. р.	60962,8	27814,1	74176,4
Инвестиции по годам, тыс. р.
15	1-й год	79862,3	57137,3	95228,7
	2-й год	79862,3	28568,3	95228,7
	3-й год	-	-	95228,7
Поступления по годам, тыс. р.
16	2-й год	60962,8	27814,1	-
	3-й год	60962,8	27814,1	74176,4
	4-й год	60962,8	27814,1	74176,4
	5-й год	60962,8	27814,1	74176,4
	6-й год	60962,8	27814,1	74176,4
	7-й год	60962,8	27814,1	74176,4
	8-й год	60962,8	27814,1	74176,4
	9-й год	60962,8	27814,1	74176,4
	10-й год	60962,8	27814,1	74176,4
17	Норма дисконта, %	15,0	15,0	15,0
18	Чистый дисконтированный доход (ЧДД), тыс. р.	77017,9	23088,9	-14515,7
19	Внутренняя норма доходности (ВНД), %	29,0	22,7	-
20	Срок окупаемости (СО), год	5,43	7,08	Более 10

Примечание. Наилучшие показатели ЧДД, ВНД, СО имеет первый вариант.



43

Размещено на http://www.allbest.ru/

43

Последний должен включать: среднее арифметическое X_n; среднее квадратичное отклонение S; третий ₃, четвертый ₄, пятый ₅, шестой ₆ центральные моменты или асимметрию A или эксцесс E. Такая информация позволяет провести вероятностные расчет рассматриваемых сооружений с использованием случайных входных параметров, закономерность распределения которых аппроксимируется рядом Грамма-Шарлье с первыми пятью либо тремя членами ряда:

1 ₃ 1 ₄ 1 _{5 3}

f(z)₀(z) - -- -- ₀⁽³⁾(z) -- (-- - 3) ₀⁽⁴⁾(z) - -- (-- - 10 --)₀⁽⁵⁾(z)

3! S ³ 4! S ⁴ 5! S ⁵ S ³

1 _{6 4}

-- (-- - 15 -- 30) ₀⁽⁶⁾(z) … ; (1)

6! S ⁶ S ⁴

где f(z) - центрированная и нормированная плотность распределения; z (X_i - -X_n) / S; ₀(z) (2 )-^0,5 exp(- 0,5z²); ₀⁽³⁾(z) -(z³-3z) ₀(z); ₀⁽⁴⁾(z) (z⁴-6z²-3) ₀(z); ₀⁽⁵⁾(z) -(z⁵-10z³15z) ₀(z); ₀⁽⁶⁾(z) (z⁶-15z⁴45z²-15) ₀(z).

Для количественной оценки риска в диссертации используется метод Монте-Карло. Генерация случайных чисел R, распределенных по закону (1), выполняется по формулам:

1 1 ₃ 1 ₄ 1 _{5 3} 1 _{6 4}

R_р -(1(R_п)) - - -- ₀⁽²⁾(R_п) - (-- - 3)₀⁽³⁾(R_п) - - (-- -10 --)₀⁽⁴⁾(R_п ) - (-- - 15 --

2 3! S ³ 4! S ⁴ 5! S ⁵ S ³ 6! S ⁶ S ⁴

30)₀⁽⁶⁾(R_п)…, (R_п) 0,5- exp(-U²/2) du; ₀⁽²⁾(R_п)-z(z²-1)₀(R_п); RR_пSX_n, (2) (2)^{1/2 0}

где R_р - равномерно распределенное число, генерируемое датчиком случайных чисел ЭВМ; (R_п) - интеграл вероятности; R_п z; R - случайное произвольно распределенное число.

В табл. 5 приводится пример единичной численной генерации числа R с точностью 0,00001 методом поразрядного приближения. Скорость генерации случайных чисел на ЭВМ с тактовой частотой 3000 МГц составляет 50 случайных чисел в секунду.

В табл. 6 приведены демонстрационные коэффициенты запаса методом Монте-Карло при определении расчетного сопротивления основания по СНиП 2.02.01-83. На рис. 3. показаны гистограммы распределения значений удельного веса грунтов, находящихся в пределах возможной призмы выпирания, удельного сцепления и угла внутреннего трения. В табл. 7 даны результаты имитационного моделирования расчетного сопротивления грунта основания и коэффициента запаса.

Таблица 5

Z=-5; D=1,001374E-05; RR=0,8 Z=-4; D=3,794591E-04; RR=0,8 Z=-3; D=3,677013E-03; RR=0,8 Z=-2; D=1,070068E-02; RR=0,8 Z=-1; D=0,1158254; RR=0,8 Z=0; D=0,5531923; RR=0,8 Z=1; D=0,798517; RR=0,8 Z=2; D=0,9652194; RR=0,8 Z=1; D=0,798517; RR=0,8 Z=1,1; D=0,8202736; RR=0,8 Z=1; D=0,798517; RR=0,8 Z=1,01; D=0,8007174; RR=0,8	Z=1; D=0,798517; RR=0,8 Z=1,001; D=0,7987374; RR=0,8 Z=1,002; D=0,7989576; RR=0,8 Z=1,003; D=0,7991776; RR=0,8 Z=1,004; D=0,7993978; RR=0,8 Z=1,005; D=0,799618; RR=0,8 Z=1,006; D=0,799838; RR=0,8 Z=1,007; D=0,8000578; RR=0,8 Z=1,006; D=0,799838; RR=0,8 Z=1,0061; D=0,7998599; RR=0,8 Z=1,0062; D=0,7998819; RR=0,8 Z=1,0063; D=0,799904; RR=0,8	Z=1,0064; D=0,799926; RR=0,8 Z=1,0065; D=0,7999479; RR=0,8 Z=1,0066; D=0,7999698; RR=0,8 Z=1,0067; D=0,799992; RR=0,8 Z=1,0068; D=0,800014; RR=0,8 Z=1,0067; D=0,799992; RR=0,8 Z=1,00671; D=0,7999941; RR=0,8 Z=1,00672; D=0,7999963; RR=0,8 Z=1,00673; D=0,7999986; RR=0,8 Z=1,00674; D=0,8000006; RR=0,8 Z=1,00673; RR=0,8

Примечание. D - сумма трех первых компонентов ряда (2), RR R_р, R = ZS X_n = 11,62423.

Таблица 6

0,856 0,875 0,920 0,978 1,003 1,005 1,014 1,050 1,094 1,110 1,138 1,161 1,166 1,193 1,241 1,245 1,245 1,250 1,260 1,265 1,268 1,269 1,294 1,315 1,322 1,361 1,373 1,388 1,405 1,408 1,410 1,424 1,424 1,425 1,434 1,437 1,440 1,454 1,456 1,464 1,468 1,473 1,488 1,497 1,501 1,519 1,541 1,541 1,559 1,560 1,566 1,568 1,576 1,578 1,586 1,587 1,594 1,607 1,618 1,636 1,648 1,654 1,660 1,669 1,671 1,673 1,680 1,701 1,710 1,712 1,717 1,760 1,773 1,792 1,797 1,803 1,807 1,811 1,818 1,855 1,882 1,884 1,884 1,890 1,896 1,898 1,904 1,906 1,932 1,940 1,942 1,946 1,967 1,973 1,981 2,006 2,008 2,066 2,076 2,080 2,103 2,113 2,129 2,155 2,200 2,204 2,233 2,310 2,312 2,321 2,339 2,351 2,483 2,487 2,636 2,646 2,664 2,778 2,829 2,831 2,883 3,117 3,363 3,485 3,585 3,590 3,728 3,921 4,235

Примечание. Уровень риска 4/129 0,031

В связи с многообразием и ограничениями на объем работы в диссертации представлены две типичные модели выбора решений с учетом риска:

1 - чистый дисконтированный доход от многофункционального подземного комплекса, возводимого и эксплуатируемого строительной организацией-инвестором (ЧДД₁):

t10 tt_кс tt₁

ЧДД₁ [ (RCN) (1)]_t (1E)-^t K_t(1E) -^t ](1)P₁У_1t(1E) -^t

tt_нд t0 tt_вк

tt₂ tt₃ tt₄

P_2tУ_2t(1E) -^t-P_сУ_сt (1E)-^t-P_3t У_3t(1E) -^t-P_эУ_тэ(1E)-¹⁰; (3)

tt_вк t1 tt_нд

Удельный вес п, кН/м3	Удельный вес п, кН/м3
Удельное сцепление грунта cп, кПа	Угол внутреннего трения , рад.

Рис. 3 Гистограммы распределения входных параметров _п, _п, c_п, (500 генераций)

Таблица 7

R / nз	Xn, кПа	S, кПа	3, (кПа)3	4, (кПа)4	A	Е	Pn / Pr
b 1,50 м
R	239,735	72,522	327344,8	93218900	0,858	0,370	0,282/0,718
nз	0,897	0,272	0,017	0,019	0,874	0,416
b 2,00 м
R	249,394	76,212	381053,8	113708200	0,861	0,861	0,718/0,282
nз	1,245	0,381	0,048	0,072	0,876	0,876
b 2,50 м
R	259,055	79,921	440777,2	137595600	0,863	0,372	0,937/0,063
nз	1,616	0,499	0,109	0,212	0,879	0,419
b 2,75 м
R	263,885	81,782	473003,1	150930100	0,865	0,370	0,978/0,022
nз	1,811	0,561	0,156	0,340	0,880	0,420
b 3,00 м
R	268,714	83,648	5065862,0	165255900	0,866	0,376	0,990/0,010
nз	2,012	0,626	0,217	0,527	0,882	0,422

Примечание. R - расчетное сопротивление грунта; n_з - коэффициент запаса; X_n, S, ₃, ₄, A, E - статистические характеристики выходных случайных массивов «расчетное сопротивление грунтов» и «коэффициент запаса»; P_n - надежность; P_r - риск; (надежность в числителе, риск в знаменателе, P_r 1 - P_n).

2 - чистый дисконтированный доход строительной организации после продажи объекта по договорной цене (ЧДД₂):

tt_кс tt₁ tt₂ tt₃

ЧДД₂[D_t(1)(1E)-^tр -K_t(1E)-^t](1)-P₁У_1t(1E)-^t -P_2tУ_2t(1E)-^t - P_сУ_тс(1E)-^t, (4)

t0 tt_вк tt_вк t1

где R - стоимость годового объема продаж; C - эксплуатационные расходы; N - налоги (без налога на прибыль); - налог на добавленную стоимость; E - норма дисконта; K - годовые инвестиции в строительство; - налог на прибыль; P₁, P₂, P_с - уровни строительных рисков: утрата устойчивости, сдвижение и деформации окружающих зданий и сооружений, технологический риск; P₃, P_э - уровни эксплуатационных рисков: сдвижение и деформации окружающих зданий, технологический риск; У_1t, У_2t, У_с, У_3t, У_э - ущербы по строительным и эксплуатационным рискам; 10 - горизонт расчета в годах, для которого определяется интегральный экономический эффект (если горизонт расчета менее 10 лет, следует руководствоваться квартальными или месячными нормами дисконтирования); t_нд, t_кс, t_вк - сроки: начала получения доходов, окончания строительства, вскрытия котлована на проектную глубину, t₁, t₂, t₃, t₄ - сроки локализации ущербов по рискам P₂, P_с, P₃, P_э; D - договорная цена; t_р - время реализации объекта.

Геомеханические риски, определяющие вероятности ущербов от потери устойчивости стен и затопления котлована, подработки окружающих зданий и сооружений, деформаций, вызванных понижением уровня грунтовых вод, устанавливаются методом Монте-Карло. Содержательность моделей (3), (4) возрастает, если учесть возможность своевременного обнаружения опасных ситуаций в результате специального мониторинга. Например, характер мониторинга, выполняемого на стадии строительства, и его значимость могут отразить составляющие:

tt_кс tt₁ t₁t₁

М₁ З_М1t(1E)^-t P₁[(1-Р_ОБН1) У_1t(1E)^-t Р_ОБН1 З_1t(1E)^-t]; (5)

t0 tt_вк tt_вк

tt_кс tt₂ t₂t₂

М₂ З_М2t(1E)^-t P₂[(1-Р_ОБН2) У_2t(1E)^-t Р_ОБН2 З_2t(1E)^-t], (6)

t0 tt_вк tt_вк

где М₁, М₂ - сумма расходов на мониторинг (строящегося котлована и окружающих строений), размера ущерба от строительных рисков и затрат на локализацию аварийной ситуации; З_М1t, З_М2t - расходы на мониторинг; Р_ОБН1, Р_ОБН2 - вероятность своевременного обнаружения опасной ситуации; З_1t, З_1t, - затраты на локализацию аварийной ситуации; t₁, t₂ - продолжительность локализации.

Сущность специальной методики анализа страхования строительных и эксплуатационных рисков заключается в следующем.

В качестве основного показателя, определяющего влияние страхования, принимается чистый дисконтированный доход - ЧДД_с1 или ЧДД_с2:

t10 tt_кс tt_нд t10

ЧДД_с1 [ (R-C-N) (1-)]_t (1E)-^t- K_t(1E) -^t ](1-) - S_сt(1E) -^t - S_эt(1E) -^t; (7)

tt_нд t0 t0 tt_нд

tt_кс tt_п

ЧДД_с2 [D_t (1-) (1E)-^tp- K_t(1E) -^t ](1) - S _сt(1E) -^t, (8)

t0 t0

где S _сt - страховая премия при комплексном страховании строительных рисков; S_эt - страховая премия на стадии эксплуатации подземного объекта при комплексном страховании рисков; t_п - планируемый срок продажи завершенного объекта.

Особенности страхования по отдельным видам строительных и эксплуатационных рисков поясняются моделями:

t10 tt_кс tt_с1

ЧДД_с1 [ (R-C-N) (1-)]_t (1E)-^t K_t(1E) -^t ](1-) -S_c1t(1E) -^t -

tt_нд t0 tt_вк

tt_с2 tt₃ tt₄

-S _с2t(1E) -^t-S _сt (1E)-^t- S _3t(1E) -^t- S _тэ(1E)-¹⁰; (9)

tt_вк t1 tt_нд

tt_кс tt_с1 tt_с2 tt₃

ЧДД_с2 [D_t(1)(1E)-^tp-K_t(1E)-^t](1)-S_с1t(1E)- -S_с2t(1E)-^t -S_тс(1E)-^t, (10)

t0 tt_вк tt_вк t1

где S_с1t, S_с2t, S_сt, S_3t, S_тэ - страховые премии при страховании аварийности по факторам устойчивости вмещающего массива, деформаций окружающих зданий и сооружений в процессе строительства, строительных технологических рисков, деформаций окружающих зданий и сооружений в процессе эксплуатации построенного объекта и при страховании износа; t_с1, t_с2, t₃, t₄ - сроки страхования относительно начальных периодов tt_вк, t1, tt_нд.

Вычисления по формулам (9), (10) рекомендуется выполнить с различными страховыми тарифами, %, например: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5.

Завершающая процедура обоснования решений состоит в сравнении показателей исходных вариантов, использующих вероятностные оценки рисков, варианта с мониторингом и варианта страхования рисков с варьируемыми страховыми тарифами. За оптимальный принимается вариант с максимальным значением чистого дисконтированного дохода, причем в варианте страхования, если он окажется наилучшим, будет установлен рациональный уровень страхового тарифа.

Пример обоснования эффективного инженерного решения в условиях риска выполнен по данным эскизного проекта «Подземный комплекс «Площадь 1905 г.», г. Екатеринбург». Объект возводится строительной организацией с продажей по договорной цене после завершения строительства. Эффективность решения определяется по вариантам, учитывающим риски, с учетом рисков и мониторинга строящегося объекта, со страхованием рисков.

Инвестиции, подлежащие окупаемости, - 159725 тыс. р. Договорная цена - 270600 тыс. р. Дисконтирование поквартальное, коэффициент дисконтирования - 1,035558. Срок строительства - 8 кварталов. Срок продажи - 9-й квартал. Строительный объем - 82000 м³. Проектная глубина - 15,1 м. Длина котлована по периметру - 310 м. Временная крепь котлована - железобетонные сваи с шагом 2 м с железобетонной затяжкой межсвайного обнажения, установкой двух поясов анкеров длиной 18 м диаметром 42 мм с несущей способностью 500 кН и удерживающей силой 375 кН. Геомеханические риски: вероятные деформации стен котлована и подработка окружающих зданий и сооружений. Вероятности затопления котлована и деформаций окружающих зданий вследствие понижения уровня грунтовых вод не рассматриваются, поскольку вмещающий массив сдренирован подземными выработками существующей станции метрополитена «Площадь 1905 г.».

При надежности подпорной стены котлована по деформациям 0,85 и риске 0,15 нагрузка и ширина призмы сдвижения, установленные методом Монте-Карло, составляют 554,63 кН и 9,73 м. Для расчетных уровней надежности 0,95, 0,99 и риска 0,05, 0,01 нагрузки равны 736,63 и 907,83 кН; ширина призмы сдвижения - 10,132 и 10,8...