автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Большепролетные покрытия сооружений

Глава 1. Основные предпосылки к проектированию большепролетных покрытий.

Архитектура имеет дело прежде всего с материальным производством и ее специфика состоит в том, что материальный мир, созданный по ее законам, служит источником эстетического. В архитектуре воедино сливаются материальное и духовное, а это значит, что объекты архитектуры, строго говоря, не есть только произведения искусства или чисто технические продукты. К ним, как и к произведениям художественного творчества, применимы категории красоты и художественности, хотя они остаются сооружениями, созданными по законам технической целесообразности.

И хотя красота не всегда есть квинтэссенция рационального, в архитектуре она не существует без материальной основы. Зависимость красоты от функциональной целесообразности, материально-технической основы и экономической эффективности безусловна.

Рациональное (утилитарное) - основа эстетического в архитектуре. Понятие красоты предстает как целесообразное единство функции, конструкции, технико-экономической эффективности . Поэтому, если не учитывать целесообразности затрат на строительство и впоследствии на эксплуатацию, если сооружение не представляет по перефразированному выражению известного авиационного конструктора Г. Новожилова научно-обоснованный и художественно-осмысленный компромисс между пользой, прочностью и красотой, то результат труда справедливо подвергается критике. Но, чтобы критика была доказательной, необходимо уметь применять различные методы анализа.

Специфические особенности работы над большепролетными сооружениями требуют нового подхода к выбору проектных решений и их последующей оценки. Эта потребность вызвана еще и тем, что в отечественной практике проектирование, как научно-обоснованный процесс челов1Шской деятельности, рассматривалось только в специальной литературе и редко становилось предметом изучения в среде проектировщиков, тогда как оно само по себе содержит процедуры и свойства системного анализа.

Безусловно, проектирование, кроме всего прочего, информационная задача.

Всякий раз, приступая к новому проекту, проектировщику надо пройти три стадии информационного обеспечения. Это общая схема для любого объекта. Вот эти стадии: «расчленение задачи из части», «соединение частей по -новому» и «изучение последствий от практического внедрения нового». Добавив к сказанному обязательное начальное условие - "постановку задачи", чтобы было что расчленять и соединять, получим универсальную формулу проектирования.

Первый этап. Постановка задачи. Выбирая конструкцию, план и форму сооружения, организуя строительство новых районов города, проектировщики решают не только градостроительные и инженерные задачи, но и направляют труд тысяч людей на изготовление конструкций, их перемещение, монтаж. Поэтому, если не учитывать затрат ресурсов, то становится неизбежной потеря осмысленности труда непосредственных исполнителей проекта.

Экономия ресурсов - одна из основных социальных предпосылок творчества проектировщиков. Польза, прочность и красота в архитектуре должны сочетаться с экономичностью, сущность которой состоит в «выгодном использовании материала и места, в разумной бережливой умеренности в расходах на постройку».

Польза, прочность, объединенные экономичностью, - фундамент красоты. Более того, они основополагающая идея любого проекта, поскольку именно с этих позиций устанавливаются цели проекта и именно отсюда начинается расширение границ информационного пространства, в котором идет поиск оптимального решения. Меньшими затратами добиться большего эффекта в архитектуре или в инженерном деле - нет более творческой задачи в проектировании.

Второй этап. Анализ или дивергентный поиск - это проверка на устойчивость всего, что имеет отношение к решению задачи, попытка определить, что в иерархии социальных ценностей, в наборе систем, конструкций и деталей, а также в умах тех, кто будет принимать ответственные решения, подвержено изменению, а что можно считать неподвижными точками отсчета.

Следует учитывать, что анализ больших искусственных систем связан с преодолением неопределенности проектирования, вызванной тем, что выбор решения происходит при неполном знании проектируемого объекта; что число изменчивых и противоречивых установок велико; что на принятие решений влияет субъективность ответственных лиц. Следовательно, облегчая жиз^роектировщику, необходимо уже на втором этапе расширить знания о предмете проектирования, учесть всевозможные условия, влияющие на оптимизацию решения, уменьшить субъективное влияние на выбор конструкции, стратегии и т.п.

Третий этап. Синтез. Именно на этой ответственной стадии совершаются крупные открытия или, напротив, не менее значительные ошибки, когда может восторжествовать узость мышления или неоправданный оптимизм. Именно здесь выявляется стратегическая идея; именно здесь ее становлению будут мешать тысячи очень важных, на первый взгляд, деталей; именно на этой стадии нужно отсеять главное от второстепенного и открыть путь к разработке проекта.

Четвертый этап. Разработка и оценка. На этой ступени сокращается число возможных вариантов до одного, идет разрешение второстепенных противоречий, неопределенность задачи сводится к минимуму. Сам процесс методологически понятен - ведь это собственно и есть проектирование.

Но заключительный аккорд этого этапа - оценка проекта, прогноз его будущего взаимодействия с окружающей средой, никогда не звучал ни в одной из проектных партитур. Это не означает, что в отечественном проектном деле вообще никто не оценивает проекты. Нет. Просто этим занимается не автор, а экспертиза. Сам проектировщик такой раздел в свой проект никогда не включает, тем более, что это и не требуется никакими инструкциями или нормами. Однако, отказ от футурологического раздела проекта сужает кругозор проектировщика, не позволяет самому оценивать сделанное.

Так что же предлагается нового, облегчающего жизнь инженеру или архитектору, сохраняющего творческий потенциал и, вместе с тем, помогающего выбрать наилучшее решение из тысячи хороших?

Большой массив свернутой информации о предмете проектирования, представляемый проектировщику на начальной стадии и объективная оценка сделанного в конце работы - вот то, что должно отличать системную разработку проекта от ныне бытующей.

Сегодня проектирование требует такой стратегии, которая бы позволила на первой стадии изучить накопленный отечественный и международный опыт проектирования и строительства большепролетных зданий, сопоставить архитектурные и инженерные решения, выявить их достоинства и недостатки, выбрать и сравнить технико-экономические показатели расхода основных строительных материалов многих сооружений. На втором этапе на основе аналитической работы необходимо сузить выбор возможных решений, обеспечить пол^р использование накопленного в стране научного, проектного и производственного опыта и тем самым при создании проектов избежать последствий неоправданных и рискованных экспериментов.

В завершающей ■ стадии нужно еще раз вернуться к анализу и дать" оценку выполненным проектам. Причем вся эта работа, что очень важно, должна быть предельно доказательной и предельно простой. Вот почему метод графического моделирования представляется наиболее соответствующим этим требованиям.

Метод моделирования получил большое распространение в современной науке.

Среди множества моделей, сведенных в разветвленную классификацию, нас интересуют: идеальные знаковые модели. Математические модели входят в большую группу знаковых. Математическая модель может быть сведена к графической, обладающей достаточной и, главное, доступной степенью наглядности.

Свертка научно-технической информации, выявление нового знания, его использование - все перечисленное можно получить, исследуя математико-графические модели.

Состояние вопроса. Среди исследований, посвященных обобщению опыта проектирования и строительства большепролетных сооружений, следует отметить труды ЛенЗНИИЭПа.где много работают над систематизацией большепролетных конструкций.

В 196Б году Н.М. Кирсанов (Воронежский инженерно-строительный институт) издал «Альбом висячих конструкций», который использовался и как учебное пособие, и как информационный материал для проектировщиков.

Ю.А. Дыховичный обобщил опыт проектирования, научных исследований и строительства олимпийских сооружений в Москве, описал конструктивные особенности покрытий каждого из объектов и рекомендовал лучшие из них к дальнейшему применению.

Из исследований, посвященных непосредственно оптимальному проектированию, выделяются ниже перечисленные работы:

В.Н.Байков, Н.Н.Складнев сформулировали задачи оптимального проектирования. В последующих работах Н.Н.Складневым поставленные проблемы решались в рамках теории оптимального проектирования железобетонных конструкций.

Проблемы проектирования рациональных металлических конструкций рассматривал Я.М. .Пихтарников. Им указано, что при решении оптимизационной задачи следует уменьшать массу конструкции за счет уточнения метода расчета и ликвидации конструктивных излишеств. При этом рекомендуется: применять

-9- РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ библиотека новые материалы - стали повышенной и вУ^^кой прочности, алюминиевые сплавы; знать законы изменения массы в зависимости от нагрузок, пролетов, высот; снижать трудоемкость изготовления и монтажа; соблюдать принципы концентрации материала, упрощения конструктивной формы и совмещения функций. В его монографиях рассмотрены особенности проектирования висячих покрытий. Автор, как и многие другие исследователи, приводит доводы выгодности применения этого класса конструкций для больших (более 20 м) пролетов, рассматривает другие работы, в частности Т.А. Усачева и М.А. Иванова, о проектировании вантовых покрытий со стрелой провисания, выбранной по экономическим соображениям; предлагает принимать за критерии экономичности висячих покрытий массу материала, трудоемкость изготовления и стоимость, приходящиеся на измеритель.

Г.Я. Эпельцвейг утверждает, что в силу неформальности большинства проектных требований, их противоречивости и неоднозначности для различных условий строительства и эксплуатации проектируемых объектов, основная роль в традиционных процессах проектирования отводится опыту, интуиции и профессиональной подготовленности авторов проекта. Но, поскольку, современное строительство все больше усложняется и требует более обоснованных проектных решений, то им предложены принципиально новые методы проектирования с использованием математического моделирования. Г.Я.Эпельцвейг высказывает суждение, что эффективность большинства конструктивных систем, редко удается корректно выразить одним критерием. Следовательно,. "сводя эффективность конструкции ., например к стоимости, мы тем самым отходим от реального объекта, заменяя его некой приближенной моделью".

Интересная идея привлечения аппарата системного анализа к оптимальному проектированию принадлежит E.H. Герасимову. Автор рассматривает существо комплексного проектирования сооружений (конструкций ) как сумму различных требований, которые можно представить в виде критериев (показателей) качества: конструктивно-технологических, экономических , производственно-технических, функциональных и социальных. Основная задача оптимального проектирования с системных позиций сводится к подготовке рекомендаций по выбору рационального варианта непосредственно на этапе проектирования, исходя из оценки эффективности системы в целом.

П.М. Саламахин сформулировал задачу, одно из решений которой дано в настоящей работе.

П.М. Саламахин в 1980 году писал: «Если удается каким-либо образом получив явную связь (аналитическую, графическую или табличную) типа П=Ф1[П1, П2, П3, Пг+Н3 к+ра] (а) или П=С/Е(12=Ф2[Р/Е1; б/\.\ уЬ/Е; Я/Е; //Ц а, (б) где 1 - основной характерный линейный параметр конструкции; 4/4/ ••• " прочие линейные параметры; а, а2 ам -, безразмерные параметры, характеризующие форму и компоновку'конструкции; р - значения величин полезной нагрузки; с1 - линейные размеры, характеризующие расположение нагрузки на конструкции;

Е - модуль упругости; П - символы теоремы подобия; то можно будет считать, что получено решение для целого семейства конструкций, отличающихся размерами, нагрузками, материалами. Если же удастся получить такую зависимость во всем возможном диапазоне изменения безразмерных параметров, (П.М. Саламахин считает, исходя из теоремы подобия П, что определяющие параметры могут быть замененными на безразмерные комбинации из этих величин), то очевиден результат - получена фундаментальная зависимость веса конструкции от определяющих параметров для всего структурного класса. Связи такого рода очень важны, их обоснование и выявление - весьма важная задач^научных исследований.

Приведенные зависимости представленные Саламахиным П.М.,-это функции многих переменных. Их графическим выражением в многомерном пространстве, по осям которого откладываются безразмерные параметры, определяющие вес конструкций и геометрические размеры, может быть некоторая поверхность. Весьма важная особенность этой поверхности, по словам П.М. Саламахина, - ее автомодельность, универсальность. "Если она будет каким-либо образом получена, то будет справедливой для бесчисленного множества конструкций определенного класса, отличающихся размерами, нагрузками и материалами. Исследование этой поверхности позволит установить те ее зоны, в которых находятся оптимальные по весу конструктивные решения. Знание этих зон позволит при решении практических задач определить оптимальные значения основных геометрических параметров, а также выбирать наиболее целесообразные материалы".

Важным достоинством такой гипотетической поверхности пишет П.М.Саламахин могло быть также и то, что она будет содержать информацию о группах конструктивных решений. Он утверждает: ".в дальнейшем целесообразно установить ту совок^рють параметров, которая достаточно полно, с практической точки зрения, определяет вес конструкций различных классов. При этом важно установить условия, при которых можно пренебречь влиянием некоторых параметров в рассматриваемой области.Важно также доказать, имеются ли какие-либо комбинации из двух или более безразмерных параметров, которые бы позволили уменьшить число определяющих параметров и облегчили получение функциональной связи в явном виде. Естественно, что получение функциональной связи типа (а) и (б) представляет значительный научный и практический интерес". Взятая в кавычки фраза из гипотетической статьи П.М.Саламахина могла бы служить заданием к работе автора над технико-экономическим анализом большепролетных покрытий, настолько совпадают основные предпосылки.

К исследованиям третьего этапа проектирования - оценке -относятся работа института «ЦНИИПроектстапьконструкция» (В.А. Савельев) и труды лаборатории пространственных конструкций МНИИТЭПа (Э.З. Жуковский, В.Ф. Шабля и др.).

В.А. Савельев разработал методику корректировки основных технико-экономических показателей большепролетных одноэтажных зданий при изменении габаритов и нагрузки.

Э.З. Жуковский, В.Ф. Шабля и другие, обобщая опыт строительства олимпийских сооружений в различных конструктивных системах, сравнивая показатели расхода стали и бетона с контрольными (идеализированными) расчетными конструкциями, построили зависимости между пролетами и расходом стали и бетона.

За рубежом интересны исследования специалистов фирмы «Murphy associates». На основе разработанных стальных большепролетных покрытий были построены зависимости удельного расхода стали от пролета (рис. 1), а затем выявлены области рационального применения той или иной большепролетной системы.

Итак, к настоящему времени задачи второй стадии - синтеза -получили математическую формулировку и решалась с применением современных математических методов, а проблемы первой и третьей стадий еще до сих пор требуют более строгой постановки и дальнейшего развития.

Описание и анализ БИС, «больших искусственных систем», а к ним, безусловно, следует отнести и строительные конструкции, связаны:

- с преодолением неопределенности проектирования, вызванной тем, «что выбор решения, как правило, происходит в условиях неполного знания проектируемой конструкции»;

200.0 L

0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.

Рис.1. График " Murphy associates". Зависимость расхода стали от площади покрытия.

- с большим числом изменчивых и противЩгечивых целей, с субъективностью лиц, принимающих решения;

- многокритериальностью (наличием многих целей проектирован ия).

Учет перечисленного обосновывает выбор методического подхода И математического аппарата, с помощью которых можно уменьшить неопределенность за счет увеличения информации, уменьшить субъективизм оценки, решать «простые» однокритериальные и сложные многофакторные задачи для разных условий.

Но прежде, чем приступить к достаточно сложным математическим вычислениям, а затем к простым графическим моделям, содержащим в себе свернутую информацию, следует выполнить инженерный анализ большого количества объектов, поскольку применение математических выкладок не освобождает исследователя от необходимости глубокого понимания сути изучаемого явления.

Глава 2. Инженерный анализ сооружений с большепролетными покрытиями

Мировая строительная практика располагает большим количеством осуществленных спортивных сооружений, которые характеризуются высоким уровнем планировочных и технических решений. Однако, для олимпийских объектов выполнения только технических или функциональных задач всегда было недостаточно. Для Олимпиад создавались такие здания, которые символизировали достижения технического прогресса и определяли на многие годы развитие конструктивных и архитектурных форм. И, несмотря на то, что в каждом из них воплощались новые идеи, они не всегда подчинялись конструктивной логике и экономической целесообразности. Аналитический разбор олимпийских большепролетных сооружений, выполненных перед Московской Олимпиадой, выявил недостатки некоторых зданий и, самое главное, помог выработать собственное отношение к олимпийской строительной программе.

За более, чем двадцатилетний период, отделяющий ХУ1 игры в Мельбурне от московской Олимпиады в мире была проделана инженерами и архитекторами огромная работа. В ¿-¡ей можно условно выявить два направления.

Первое: С^Шз новых архитектурно-планировочных композиций с рациональной, экономичной конструкцией или "художественно осмысленный рационализм".

Второе: Выражение символики научно-технического прогресса в новых архитектурных и конструктивных формах, строительных материалах, названное "структурным символизмом".

Большепролетные здания Мельбурна, Рима, некоторые сооружения мексиканской Олимпиады, зал для баскетбола в Мюнхене отнесены к первой группе.

Ко второму комплексы "Йойоги" в Токио, "Обервизерфельд" в Мюнхене, Дворец спорта в Мехико и сооружения Монреаля.

Анализ строительства зарубежных олимпийских спортивных сооружений показал, что в большинстве случаев не была достигнута необходимая взаимоувязка инженерных, функциональных и эстетических задач архитектуры. Так в муниципальном стадионе (Мехико) и Мюнхенском баскетбольном зале доминирующее значение конструкций очевидно; и, напротив, токийские Большой и Малый спортивные залы и спортивная арена в парке "Камазава" воспринимаются как здания, в которых экономические аспекты вообще выпали из поля зрения авторов. И лишь работы П.Л. Нерви отличали проникновение в сложные взаимосвязи архитектуры и инженерии, гармоничное воплощение их в сооружениях.

Просчеты и достижения, по мере возможности, были учтены при разработке инженерной концепции подготовки московской Олимпиады. Её разработчики исходили из постулата Ле Корбюзье "Экономия - это основное условие красоты".

Именно эта фраза была стала девизом технической политики московского олимпийского строительства. Поскольку снижение материалоемкости зданий имеет огромное значение в строительстве, поскольку на долю покрытий и перекрытий приходится до 35% объема конструкций всего сооружения, внедрение большепролетных пространственных систем представлялось наиболее эффективным способом экономии строительных матёриалов. И, вместе с тем, учитывалось, что эти конструкции при правильном использовании их качеств обладают огромным художественным потенциалом.

К начальному этапу олимпийской строительной программы (1974-75 гг.) применение в б. СССР только железобетонных и армоцементных оболочек, складок и других пространственных систем превысило 5 млн. кв. м. С их использованием было построено более 200 общественных и промышленных зданий. Причем, в большинстве сооружений решались, в первую очередь, инженерные и технологические задачи, а взаимосвязи инженерное и архитектурно-планировочного решений выявились в сооружениях робко.

В столице же практическая работа была ограничена проектированием покрытий Усачевского рынка и спортивного комплекса Института международных отношений, а также возведением висячей сборной железобетонной оболочки диаметром 80 м для Бауманского рынка И это все, несмотря на значительный вклад московских ученых в теорию и экспериментальные исследования пространственных конструкций.

Олимпийская строительная программа для московских проектировщиков началась с конкурса, организованном Союзом архитекторов б. СССР и Госгражданстроем в 1975 г.

На конкурс было представлено много интересных решений, однако единый подход к воплощению технических идей отсутствовал, необходимость унификации промышленной продукции не учитывалась. Все это могло замедлить проектирование и затруднить строительство, тем более, что впервые такие ответственные объекты, как большепролетные спортивные сооружения, предполагалось проектировать в две стадии: технико-экономических обоснований и рабочего проектирования, - минуя промежуточный этап: технический проект. Вот почему к проектированию большепролетных покрытий, наиболее трудоемкой части сооружений, требующий большего внимания, чем ординарные плоскостные системы, автором были сформулированы основные принципы выбора конструктивных схем:

- обеспечить оптимальные технологические и технико-экономические показатели;

- унифицировать покрытия по группам, объединенным общностью признаков и осуществленным в стране прототипом по каждой группе;

- стремиться к простоте монтажа при использовании стандартного оборудования, к концентрации наиболее трудоемких процессов на заводах.

Выполнение этих требований должно было;

- сократить сроки проектирования;

- обеспечить единое научное методическое руководство по унифицированным группам;

- способствовать применению отработанных приемов монтажа.

На основе перечисленных принципов были предложены направления конструкторских разработок или 3 унифицированных группы конструкций (см. рис. 2, 3, 4).

Предложенные унифицированные группы покрытий.

1. МембранШе оболочки для крытого стадиона на 45 тыс. мест, малой спортивной арены в Лужниках, велотрека на 6 тыс. мест, Универсального зала в Измайлове на 5 тыс. мест и покрытий трибун стадионов им. Ленина и "Динамо".

Осуществленные инженерные прототипы: Ленинградская универсальная арена на 25 тыс. мест диаметром 160 м, спортивный зал по Фрунзе размерами 60 х 80 м.

Рис. 3. Пологие сферические оболочки (2 группа)

Рис. 4. Висячие сборные железобетонные оболочки (3 группа)

2. Пологие сферические оболочки для универсального зала на 3 тыс. мест в Лужниках, спортивного зала в Сокольниках, плавательного бассейна "Динамо".

Осуществленные инженерные прототипы: промышленные здания по проектам ПИ-1, крытые рынки в Керчи, Подольске, спорткомплекс МГИМО, сооружения в Грузии и на Украине. Научные исследования в ПИ-1, МНИИТЭПе, НИИЖБе, НИИСКе (Киев).

3. Висячие сборные железобетонные оболочки - для универсального зала на 5 тыс. мест по ул. Лавочкина, конноспортивного манежа в Битцевском парке, плавательного бассейна на проспекте Мира.

Осуществленные инженерные прототипы: цирки во Владивостоке, Новосибирске и др. городах; Бауманский рынок в Москве с-80-метровой оболочкой. Научные исследования НИИЖБ.

Итоги творческой работы по созданию большепролетных олимпийских спортивных объектов в г. Москве в целом показали совпадение с современными инженерными традициями, но вместе с тем выявили недостатки, присущие как некоторым объектам в отдельности, так и всей работе в целом. Во-первых, не удалось полностью претворить в жизнь основную инженерную концепцию: проектировать и строить только проверенное и экономичное. Некоторые авторы-архитекторы не приняли рекомендуемые типы покрытий. Именно по этой причине не были использованы в олимпийских объектах висячие железобетонные оболочки: экономичные покрытия, обладающие хорошим архитектурным потенциалом. Во-вторых, при проектировании не всегда устанавливалось необходимое взаимопонимание в творческих коллективах между архитекторами и инженерами. Неумение использовать ЧИщивидуальное мастерство в работе сообща приводило, в некоторых случаях, к тому, что завершенные здания были далеки от идеальной взаимосвязи архитектурных и конструкторских решений. Кроме того, московской архитектурной элите не хватило практического опыта работы над зданиями с большепролетными покрытиями. Создавалось впечатление, что они не чувствовали их огромного влияния на архитектонику сооружения, доминирующую роль конструктора в создании этих специфических архитектурных объектов. Неспроста в лучших сооружениях Олимпиады, построенных в Москве и в Ленинграде, ведущую роль в авторских коллективах играли инженеры-конструкторы.

Это, пожалуй, главные, по мнению автора, причины некоторых неудач в большой работе московских проектировщиков и строителей.

Глава 3. Оценка качества и технико-экономический уровень проектов.

3.1. Государственный стандарт. Содержание и оценка.

ГОСТ 22732-77 "Методы оценок уровня качества промышленной продукции различает три метода оценки: диф<дифференциальный. комплексный и смешанный; дифференциальный I метод применяют тогда, когда необходимо сопоставить уровень качества оцениваемого продукта и базового образца по отдельным показателям.

При таком сопоставлении определяют, достигнут ли уровень базового образца, по каким показателям он достигнут, какие показатели наиболее сильно отличаются от базовых.

В результате оценки уровня качества продукции дифференциальным методом принимают следующие решения:

- уровень качества оцениваемой продукции выше или равен уровню базового образца, если все значения относительных показателей больше или равны единице;

- уровень качества оцениваемой продукции ниже уровня базового образца, если все значения относительных показателей меньше единицы.

Комплексный метод оценки уровня качества продукции. Его применяют в случаях, когда необходимо характеризовать уровень качества одним обобщенным показателем. ^Р

Обобщенный показатель должен соответствовать общим целям управления качеством, которые могут быть заданы на определенный период в виде совокупности показателей качества перспективного образца, аналога и т.д.

Обобщенный показатель может быть выражен:

- главным показателем, отражающим основное назначение продукции;

- интегральным показателем качества продукции; \

- средним взвешенным показателем качества пр

При наличии необходимой информации определяют главный показатель и устанавливают функциональную зависимость его от исходных показателей, отражающую, физическую сущность процесса. Интегральный показатель применяют, когда установлен суммарный полезный эффект от эксплуатации или потребления продукции и суммарные затраты на создание и эксплуатацию или потребление продукции.

Использование интегрального показателя справедливо при допущениях, когда:

- ежегодный эффект от эксплуатации или потребления продукции из года в год остается одинаковым;

- ежегодные экономические затраты также одинаковые;

- срок службы составляет целое число лет.

Средние взвешенные показатели применяют при комплексном методе оценки уровня качества продукции в случаях, когда невозможно определить главный показатель и установить зависимость его от исходных показателей качества продукции.

Параметры весомости в формулах определяют следующими методами: а) методом стоимостных регрессионных зависимостей; б) методом предельных и номинальных значений; в) методом эквивалентных соотношений; г) экспертным методом.

Смешанный метод оценки уровня качества продукции применяют в случаях:

- когда совокупность единичных показателей качества достаточна обширна и анализ значений каждого показателя дифференциальным методом не позволяет получить обобщающих выводов;

- когда обобщенный показатель качества в комплексном методе недостаточно полно учитывает все существенные свойства продукции и не позволя^Щполучить выводы относительно некоторых определенных групп свойств.

При смешанном методе оценки уровня качества продукции необходимо выполнить следующие операции:

часть единичных показателей объединить в группы и для каждой группы определить соответствующий комплексный (групповой) показатель. Отдельные, как правило, важные показатели допускается не объединять в группы, а принимать их при дальнейшем анализе как единичные; на основе полученной совокупности комплексных и единичных показателей оценить уровень качества продукции дифференциальным методом.

Приведя положения государственного стандарта, хотелось бы обратить внимание на построение шкалы оценок: от дифференциальных до интегральных; на использование при комплексном анализе аппарата математической статистики и совокупности единичных и обобщающих показателей, а также на возможность применения безразмерных величин для оценки качества любой продукции. Вместе с тем, стандарт при всей его обобщающей емкости не дает определения уровня качества, не определяет тенденций его изменения во времени, лишен наглядности. Очевидно, поэтому в различных проектных и научно-исследовательских институтах страны время от времени брались за разработку более обоснованных и более наглядных методов оценки.

3.2. Разработки в развитие ГОСТа.

В ЦНИИПроектстапьконструкция В.А.Савельев предложил свою методику корректировки основных технико-экономических показателей большепролетных одноэтажных зданий от аналогов при изменении габаритов и нагрузки.

В 1987 году Бенгерт Д.Н. защитил кандидатскую диссертацию на тему "Исследование показателей металлоемкости стальных каркасов производственных зданий и разработка методики оценки их в процессе проектирования". Им была установлена эмпирическая зависимость влияния на показатель удельной металлоемкости каркасов указанных зданий площади здания, отметки низа стропильных конструкций, грузоподъемности мостовых опорных кранов, ширины пролета здания. С помощью поправочных коэффициентов учитывались снеговой и ветровой районы, типы кровли, число пролетов. В работе широко испоИНовапись методы корреляционно-регрессионного анализа и квалиметрии.

Необходимость в совершенствовании .ГОСТа осознавалась и в директивных органах. В 1988 году Государственный архитектурный Совет Госкомархитектуры отметил, что дальнейшее совершенствование индустриального строительства гражданских зданий существенно зависит от внедрения перспективных проектных решений, отобранных путем тщательной экспертизы на конкурсной основе.

Была высказана мысль, что одно из наиболее перспективных направлений автоматизации работы экспертизы и конкурсной оценки проектных решений, прогнозирования развития индустриально-строительных систем содержится в применении аппарата экспертных систем, построенном на использовании интегрального банка проектных данных и баз знаний. Были рассмотрены предложения КиевЗНИИЭПа о принципах их построения. Совет признал целесообразность создания экспертной системы в два этапа: на первом - разработать методику оценки проектных решений для отдельных классов строительных объектов и их элементов. На втором - создать систему прогнозирования рационального развития индустриально-строительной базы.

Однако, распад Советского Союза, уменьшение финансирования научных разработок не дали возможности начать эту весьма перспективную научную работу.

В то же время автором были в основном закончены исследования по технико-экономической оценке большепролетных покрытий. Отправной точкой этой работы было определение понятия "технико-экономический уровень".

3.3. Технико-экономический уровень проектов.

В русском языке слово «уровень» - это условная линия и граница высоты, и - ступень развития и качественное состояние этого развития. Наконец, уровень - инструмент измерения. Чтобы разобраться в существе, необходимы все три определения. Из трех второе, в нашем случае, несомненно главное, потому что выражает сущность предмета. Ступень развития. Качественное состояние чего-либо. Но качественное состояние - есть результат количественных изменений и, следовательно, его можно прямо или опосредственно измерить и оценить. Следовательно, существует или может быть создан инструме^гиэмерения, оценки и прогноза этих изменений.

Если ступень развития - физическое выражение движения, то всегда есть предшествующие и последующие ступени этого развития. И если это так, то уровень чего-либо во втором и более общем его смысле - это линия или плоскость, отражающая динамику роста чего-либо и дающая прогноз движения за пределами сегодняшних данных. Вводная часть - вовсе не упражнение в этимологии и элементарной логике, просто сделанные уточнения необходимы для дальнейшего понимания сути технико-экономического уровня проектов.

Сегодня, во всяком случае, создается впечатление, что невозможно сформулировать понятие "технико-экономический уровень". Почему? Да потому, что действующая ГОСТовская методика основывает расчет технико-экономического уровня проектов на сравнении основных показателей (стоимости, расхода строительных материалов, расчетной трудоемкости и др.) с соответствующими данными аналога.

При определении интегрального показателя используются среднеарифметический и среднегеометрический показатели, определенные сравнением с данными базового объекта, конструкции, механизма, изделия. Не возражая против такого подхода, следует отметить усложненность и неоднозначность выявления качества проектов и технико-экономического уровня, отсутствие его зримого образа. Представляется необоснованной ориентация на какой угодно набор прогрессивных объектов и конструкций, которые в одном случае будут таковыми, в другом - нет, а в третьем - просто неприменимы. Кроме того, есть большие сомнения в том, что стоимость строительно-монтажных работ или в целом стоимость объекта может полно и точно отразить в наших условиях суммарные затраты на строительство. Эти сомнения перейдут в уверенность, если вспомнить, что существует масса конъюнктурных наслоений на ценообразование, что в ряде случаев дороже строить подрядным организациям выгоднее; что внедрять материалосберегающие технологии накладно; что вновь созданные искусственные материалы дороже естественных, которые они должны заменить, и т.д. и т.п. Более того, возникает еще одна трудность при использовании стоимости в качестве интегрированного показателя - это ее подвижность, изменяемость во времени. Для сопоставления осуществленных в разное время объектов необходимы коэффициенты приведения в сопоставимые условия, которые сами чрезвычайно подвижны, субъективны, и установить их для каждого вида конструкций или зданий, для каждого периода времени достаточно сложно. Нужно ли преодолевать эти трудности, если путь к заключительному этая^оценки проёкта тупиковый? Имеется в виду сравнение с объектом -аналогом как в этическом, так и в математическом смыслах.

Сегодня, когда показатели объекта-аналога отбираются проектной организацией, не исключены случаи "выгодного" отбора зданий и сооружений для сравнения. Приведу типичный пример. В стране суммарная площадь осуществленных покрытий в виде оболочек приближается к 10 млн. кв. м, но каждая вновь возведенная конструкция подобного типа сравнивается по группе показателей с традиционными балками или фермами. Экономический эффект при этом получается значительный, но таков ли он на самом деле? И каким образом в этих условиях стимулировать совершенствование пространственных конструкций? Это то, что касается этики. Математика просто показывает некорректность такого подхода. Что такое объект-аналог? Это статистическая выборка объемом в один элемент. Какова достоверность и надежность оценок в этом случае ?

Из сказанного следует:

- сегодня не сформулировано понятие «технико-экономический уровень»;

- стоимость объекта не может в полной мере служить интегрирована показателем суммарных затрат на его возведение;

- сравнение запроектированных зданий и сооружений с ранее осуществленным объектом-аналогом некорректно.

Что предлагается ? Попробуем ответить на поставленный вопрос.

При работе над проектом авторы стремятся его выполнить рационально, затратить столько материала, сколько необходимо для прочности и устойчивости здания в целом. Это естественное желание архитекторов и инженеров строить прочно, красиво и с минимальными материальными затратами становится возможным при использовании в проектах рациональных конструктивных систем, эффективных материалов, т.п. Сравнивая полученные расходы строительных материалов на сооружение с показателями других, ранее построенных объектов, (а не одного аналога), можно проверить насколько рационально оно запроектировано. Следовательно, расход материалов - обобщенный показатель, по которому можно оценивать проект. Но, кроме обобщающих качеств, расход строительных материалов, как показатель, обладает и специфическими чертами: каждому материалу присущи определенные физические и механические свойства. Следуя им, проектировщик выбирает соответствующие конструктивные схемы, наиболее выгодные для данных условий и необходимого материала. Одно и то же здание можно выполнить^разных схемах, в разных материалах или в их сочетаниях, но должно всегда оставаться неизменным правило: выбранный конструкционный материал должен буть организован в пространстве в конструктивную схему так, чтобы его было ровно столько, сколько необходимо для полной надежности здания - оно должно быть прочным, устойчивым, долговечным. Следовательно, расход материалов - это и обобщенный, и специфический показатель качества проектов.

Труд инженеров и рабочих превращает строительный материал в конструкции, здания, сооружения. По количеству затраченного труда можно судить, насколько грамотно, т.е. технологично, запроектированы отдельные конструкции или все сооружение в целом, насколько насыщен строительно-монтажный процесс ручным, малоэффективным трудом, как правильно используется в строительстве механизмы. При этом полное представление об объемах затраченного труда дает только сумма прошлого, овеществленного труда (труда на заводах железобетонных изделий, к примеру) с трудом живым, трудом строителя-монтажника, отделочника и др.

Но, трудоемкость, как показатель, обладает многими специфическими качествами, в том числе сильной связью с производительностью строительных машин, условиями труда на стройке и т.п. Следовательно, трудоемкость - это обобщенный и специфический показатель качества проектов.

В одном и том же здании используются различные материалы: в наших условиях наиболее употребительны сталь, бетон, алюминий, дерево. Мало кто задумывается о важности еще одного показателя -энергоемкости конструкций. Затраты энергии на производство и монтаж различных строительных конструкций - это тот показатель, который объединяет их. Более пристальное изучение затрат энергии при строительстве изменяет сложившиеся представления о рациональности любого материала, любой конструкции. Сумма затраченной энергии при строительстве - очень важный показатель, обладающий многими специфическими свойствами, связанный со способами производства, с видом используемой энергии и т.п.

Следовательно, энергоемкость конструкций - это обобщенный и, вместе с тем, специфический показатель качества проектов.

Чуть раньше было сказано, что сегодня стоимость здания -единственно принятый официально обобщенный показатель. Но было и показано, что ему присущи многие специфические, зачастую справедливые для определенного этапа, черты. Со временем часть из них устаревает и уже не отражает действитЯ^ых затрат труда, материалов, но по различным ^р^чи^нам еще остается в механизме ценообразования, нанося вред экономике.

Иначе говоря, стоимость проектируемого объекта - это и обобщенный, и специфический показатель. ТакЬй же расход как расход материалов, трудоемкость, энергоемкость и др.

И здесь последует переход к очень важной основополагающей идее.

Главное свойство названных выше показателей или критериев оценки заключается в том, что они взаимосвязаны. А если это так, то, представив корреляцию критериев в общей картине оценки рациональности какого-либо класса зданий в виде следующей схемы (рис. 5): получим зрительный образ, который показывает, что существует некая общая область, описываемая в адекватном соотношении принятыми критериями оценки и, вместе с тем, в новой системе координат может быть определена еще и новыми параметрами, назовем их общими факторами, причем, что очень важно, число их существенно меньше начального количества критериев оценки. (Методы факторного анализа, использованные в работе, нацелены на определение факторов). общая часть описывается общими факторами

Рис. 5. (возможно, использование любого количества критериев)

Что это дает^

Во-первых, учитывать всю принятую систему взаимосвязанных технико-экономических показателей для максимально возможного количества осуществленных проектов исследуемого класса (это очень важно); во-вторых, подняться на следующую, более высокую ступень обобщения, то есть вести оценку по действительно обобщающим показателям, вобравшим в себя общие (без специфических особенностей) адекватные части названных выше критериев оценки (расхода материалов, трудоемкости, энергоемкости, стоимости и многих других); в третьих, оставить за проектировщиком-автором право выбора конструкции, материала, технического решения, дав ему в руки инструмент проверки эффективности проекта по сумме главных показателей.

Как это сделать ?

Для выражения оценки с помощью новых обобщенных характеристик используется соответствующие разделы математической статистики, с помощью которых выявляются для определенного периода времени технико-экономические уровни различных зданий или конструкций как вероятностные многомерные зависимости.

Как это применять в проектной практике?

Если существует и определен технико-экономический уровень, то существует и определен технико-экономический индекс для каждого вновь рассматриваемого объекта заданных класса и размеров. Следовательно, можно установить его соответствие или несоответствие этому уровню^ Более того, если бы удалось установить области распределения ¡интегральных технико-экономических характеристик, присущие" каждому классу зданий или конструкций, то это позволило, в свою очередь, впервые вывести количественный показатель рациональности здания (конструкции).

Очевидно, по каждому классу необходим банк данных технико-экономических показателей. Затем необходимы математическое обеспечение и программные средства для расчета общих факторов для каждого класса конструкций, зданий и сооружений. Возможно использование ЭВМ в интерактивном режиме, с коррекцией уровней от каждого вновь возводимого объекта, с выводом на дисплеи областей распределения, расположением в них оцениваемых объектов, с индексацией их коэффициентами рациональности и т.п.

Итак, что же такое технико-экономический уровень?

Технико-экономический уровень - это линия или плоскость, отражающая вероятностную зависимость суммарных затрат На возведение объектов от определяющий параметров и характеризующая качественную ступень развития строительства для данного класса конструкций, зданий, сооружений в определенный период.

Инженерный анализ технико-экономического статистического уровня позволяет прогнозировать развитие конструкций за счет вариантного изменения вводных данных.

Впервые рациональность конструкции может быть представлена как количественное выражение качества проектов зданий и сооружений.

Вышесказанное, по своей сути, постановка задачи, причем задачи, вытекающей из гипотезы П.М. Саламахина. Как же она решается?

Поначалу автором был выполнен предварительный технико-экономический анализ большепролетных покрытий.

В материалах ТЭО и рабочих чертежах спортивных объектов Московской Олимпиады приводились расходы строительных материалов на несущие элементы зданий: в основном стали и бетона. По этим данным можно было объективно оценивать запроектированные конструкции. Но, чтобы сравнивать конструктивные системы, выполненные из разных материалов, нужно было перейти к обобщенному показателю. Возможны были оценки по стоимости или трудоемкости. Однако, эти показатели менее устойчивы во времени, чем расход материалов, поэтому за главный оценочный критерий был принят расход единого условного материала (стали), отнесенный к единице перекрываемой площади. Единый условный материал - обобщенный показатель, дает возможность сравнивать конструкции, запроектированные из различных материалов. Вместе с тем, было важно установить границы его применения и обосновать переход от одного материала к другому, который дал бы новую сравнительную обобщенную характеристику для выбранного множества конструкций - большепролетных покрытий.

Для конструкций, особенно работающих в упругопластической стадии естественен переход через соотношение расчетных сопротивлений. Однако, в этом случае значительно усложнилось бы определение коэффициента перехода из-за содержания стали и бетона разных марок. Поэтому необходимо было найти более устойчивое соотношение показателей различных материалов.

Известно, ^о следует различать два вида расчетов пространственных конструкций: а) предварительные, упрощенные - для обоснования технических решений и вариантов конструкций; б) рабочие - для обоснования рабочих чертежей.

Далее говорится: "Усилия, а в случае необходимости и деформации в пространственных конструкциях определяют в зависимости от особенностей конструкции согласно П. 1.16 СНиП II-21-86", в котором, в частности, говорится, что "для промежуточных стадий расчета с учетом неупругих свойств железобетона. усилия в статически ^неопределимых: конструкциях допускается определять в предположении их линейной упругости". К тому же рекомендуется при прочностных расчетах в стадии до образования трещин, -рассматривать приведенное бетонное сечение, принимая во внимание равенство деформаций арматуры и бетона, и приведение к единому сечению выполнить по отношению модулей упругости двух материалов.

Отнеся технико-экономические расчеты к упрощенным и предварительным, а также, исходя в этой связи из условия работы конструкции в упругой стадии, был принят переход к условному материалу через модули упругости1. За определяющий параметр была принята единица приведенной площади покрытия. Последняя характеризуется его генеральным параметром - величиной пролета. Приведенная площадь для пространственных конструкций совпадает с площадью покрытия, а для конструкций, работающих односторонне в направлении пролета С - равна площади Р = , что позволяет сравнивать различные по форме планов сооружения.

Затем был построен график на критерии оценки и определяющем параметре. Построение графика зависимости расхода условного материала от приведенной площади покрытия - преследовало две цели.

Во-первых, сравнить полученный расход основных строительных материалов на сооружение с показателями объектов-аналогов, проверить насколько рационально запроектировано то или иное здание. Поэтому было важно установить область рациональных конструкций.

1 Впоследствии при переходе к многомерной оценке системы конструкций (покрытий) была выполнена процедура с раздельным вводом в математическую модель расхода стали и бетона.

Во-вторых, чтобы выраженная с помощью мЯсриальной системы форма сооружения несла эстетическое содержание и эмоциональный заряд, нужно отразить в ней то, что соответствовало бы объективным факторам: функции, конструкции, материалу, методам возведения и условиям среды, но также фактору субъективному: восприятию сооружения человеком. Но эстетические идеалы и эмоциональная окраска воплощается в материальном объекте в соответствии с объективными законами красоты, которые не всегда адекватны законам построения оптимальных конструктивных систем, и неизбежно вызывают в структурном скелете здания некоторые отклонения от рационального режима работы при сопротивлении внешним воздействиям. Поэтому при всем, что рациональная работа несущих элементов сооружения, уменьшение их общего веса, по всей вероятности, - важнейшее из всех возможных условий, которое необходимо выполнить при проектировании, тем не менее в архитектурных объектах, приходится затрачивать материал и труд на решение художественных задач. И поэтому необходимо знать: существуют ли разумные границы этих затрат?

При определении рациональности большепролетных покрытий было, как начальное предположение, принято, что "наиболее рациональная конструкция покрытия с большим пролетом - это висячая или вантовая"; по И.Г.Людковскому экономичность висячего покрытия зависит, в первую очередь, от правильно запроектированного опорного контура, поэтому контур должен быть неразрывен и безызгибен при действии основного сочетания нагрузок. По анализу диаграммы рассеивания данных по расходу условного материала кривая, объединяющая показатели по Бауманскому рынку, освобожденному от материала, необходимого по архитектурным требованиям (галерея второго яруса подвешена к опорному контуру висячей оболочки, залу в Лагосе (Нигерия), Ленинградский крытой спортивной арене, крытому стадиону на проспекте Мира. Область, расположенная ниже этой кривой была определена как область рациональных конструкций (рис. 6) у кг/м

Рис.6. График зависимости расхода условного материала от приведенной площади

Показатели расхода условного материала на покрытия сооружений, в которых надежность конструкции была обеспечена, но за то имелись отступления от тектонических и технических принципов построения рациональных конструктивных систем, определили еще одну кривую, которая "накрыла" область допустимых по архитектурным соображениям технико-экономических отклонений. Вычисленная методом наименьших квадратов кривая объединила данные по осуществленному Бауманскому рынку, универсальным залам в Измайлове и на ул. Лавочкина, малой спортивной арене в Лужниках, велотреку в Крылатском, Челябинскому торговому центру, футбольно-легкоатлетическому комплексу ЦСКА, складчатому покрытию в г. Гданьске, футбольному манежу в Ленинграде. При определении параметров кривой априорно было учтено еще одно условие; чем больше площадь перекрываемого пространства, тем меньше допустимость применения плоскостных систем покрытий, тем менее возможен отход от рациональных конструктивных схем. Поэтому данные по самому большому в то время объекту с замкнутым безизгибным внешним кольцом олимпийскому крытому стадиону, были учтены при статистическом расчете кривой.

Выше нее находится область нерационсЖных решений и неоправданных затрат на решение эстетических задач.

Выполненный график (рис. 6) был нагляден и использовался при экспертизе московских олимпийских сооружений, а также для оценки некоторых других объектов с большепролетными покрытиями и отражал технико-экономический уровень пространственных большепролетных покрытий, сложившейся к началу 80-х годов.

Глава 4. Методика определения техникоэкономических уровней для большепролетных покрытий.

4.1. Предпосылки, критерии оценки, определяющие параметры.

Строительная конструкция должна проектироваться с учетом требований надежности и экономичности. И если условие "надежности представляет ограничение вероятности наступления предельных состояний некоторыми нормированными величинами в соответствии с действующими нормативными документами", то и требование экономичности можно представить как ограничение вероятности превышения некоторой расчетной величиной предельного уровня суммарных затрат, установленного на основе статистического обобщения технико-экономических данных для различных классов конструкций. В частном случае эта величина может быть одномерной и тогда конструкцию можно оценивать по одному критерию, но может быть и многомерной, обобщенной, вбирающей в себя много критериев.

Как одномерная, так и многомерная оценки конструкций основываются на статистическом материале по большепролетным покрытиям: висячим, куполам, пространственным решетчатым плитам и некоторым плоскостным конструкциям (рассмотрено около 150 объектов).

Привлечение к оценке конструкций методов математической статистики оправдано и интересно тем, что "применяемые совместно с технико-экономическим анализом и учетом результатов инженерной практики вероятностные методы открывают возможности для теоретического обоснования существующих нормативных методов расчета, для разработки новых более прогрессивных и экономичных методов" (В.В. вРютин «Статистические методы в строительной механике», Стройиздат, 1965 г.).

Когда каждый показатель в отдельности: расход строительных материалов, энергоемкость конструкции, трудоемкость или ее стоимость - может служить обстоятельным и достаточно полным критерием оптимальности, предлагается использовать графические модели, полученные с помощью регрессионного анализа. К решению многокритериальных задач при оценке пространственных конструкций привлечен факторный анализ. В этом случае установленные статистические зависимости используются как промежуточный материал.

При разработке методики оценки приняты следующие предпосылки:

- априорно не подвергать сомнению правильность авторских расчетов несущих конструкций и сооружений в целом, т.е. их соответствие СНиПу, официальным инструкциям и руководствам;

- затраты строительных материалов на конструкцию представлять в виде расхода единого условного материала. В доказательство верности этой предпосылки выполнить параллельный раздельный ввод показателей расхода стали и бетона в матрицу факторных нагрузок.

- собственную массу покрытий учитывать в расходе составляющих ее материалов.

- временную нагрузку определить как математическое ожидание случайной величины « р » с доверительным интервалом 1Ь , достигающим 17% от средней величины нагрузки Р =1,44 кН/м2 (по сумме расмотренных объектов)

- за критерии оценки принять: расход основных строительных материалов, трудоемкость, энергоемкость и стоимость покрытий. Статистический материал получен при экспертизе большепролетных сооружений 0лимпиады-80 и отобран из специальной литературы.

- к определяющим параметрам отнести: а) вид покрытия - висячие системы, купола, сферические пологие оболочки, пространственные решетчатые плиты (структуры) и плоскостные эффективные конструкции, (учитывать соответствующими выборочными совокупностями); б) размеры покрытия в плане, выразить приведенной площадью;

- принять, что необходимость в проектировании и строительстве зданий с большепролетными покрытиями есть результат взаимодействия разнообразных причин, в связи с чем: определяющие параметры (размеры и вид покрытия) - случайные нормально распределенные величины;

- принять основную статистическую гипотезу Н0, что величины д (рас-ход условного материала), ус (расход стали),/)., (расход бетона), Т (трудо-емкбсть) С (стоимость) и Э (энергоемкость) распределены нормально, так как на их значения оказывает влияние большое количество факторов.

- не учитывать при оценке висячих покрытий затраты на конструкции ограждений и их фундаменты.

В работе использованы данные около 150 отечественных и зарубежных объектов. Анализ диаграммы рассеивания выявил необходимость распределения всех объектов по следующим выборочным совокупностям:

1Аа Висячие покрытия;

1А6 Висячие покрытия;

1 Ба Висячие покрытия;

1В6 Висячие покрытия;

1Гб Висячие покрытия;

2А6 Купола; круглый план, эллипсоиды, части сфер; проекты, идеализированные модели; круглый план, эллипсоиды, части сфер; сооружения; квадратный илч близкий к нему план; проекты, идеализированною модели седловидные оболочки и вантовые системы; сооружения; полигональный план; цилиндрические оболочки и вантовые системы; сооружения; круглый план; сооружения;

ЗБа Пологие положительной гауссовой кривизны оболочки полигональный план; проекты, идеализированные модели

ЗБ® Пологие положительной гауссовой кривизны оболочки; полигональный план; сооружения;

4В6 Пространсттенные решетчатые плиты (структуры) полигональный план; опирание по контуру; сооружения;

5Б6 Эффективные системы, работающие в направлении! полигональный план; ;пролета сооружения. После расчетов, доказательств однородности выборок и | близости линий регрессий выборки 1Аа и 1Ба; 1А6, 1Б6, 1В6 , и 1 Гб; 2А6, ЗБа и ЗБб были соответственно объединены в [ выборки 1а, 16 и Пб.

Предварительный расчет показал, что зависимость д] (расход условного материала на м2) от Г. (приведенной площади сооружения) следует, для выборок от 1Аа до ЗБб, разыскивать в виде функции дробно-степенного типа уу = а Гуь, приведенной логарифмированием к линейному виду: ду; = 1д а + Ыд (4.1.)

Задача: по данным выборок найти коэффициенты линейных регрессий и оценить их.

По полученным значениям ху=/дру и соответствующим им УрЩ^ (¡=1,2. п) требуется построить эмпирическую формулу вида у = а + Ьх

Для определения коэффициентов а = 1д а и Ь используется метод наименьших квадратов.

Линейная эмпирическая формула по выборочным данным может быть записана в форме;

-и - {4'2-)

У-У=В1{Х--Х). х-х=-£(у-у)

О, ау для случая равновероятных х; и уг

Известно, что если в результате проведенных п независимых измерений случайной величины с неизвестными математичёским ожиданием х и дисперсией э2х получены значения х] х2 х3 . хп, то для определения этих параметров след^^ пользоваться следующими приближенными оценками:

4.3.) п ' * и

Поэтому для двумерной случайной величины (х, у):

4.4.)

Зависимость между х и у носит вероятностный (стохастический) характер и степенью зависимости двух случайных величин х и у служит ковариации (корреляционный момент) и их коэффициент корреляции

СОУ(*, у) — Цф — М^ — МхМу (4'5)

Две прямые регрессии (4.1.) проходят через центр распределения с координатами . Их направление определяется коэффициентами регрессии Ьх и Ь

У» — 7 • с]' ' <т,г (4Г)

Первый из них есть тангенс угла, образованного прямой регрессии

У}-ах+Ьхх} сосьюх; второй - тангенс угла между прямой регрессии = ау + Ьу у1 с осью у. Обозначив упомянутые углы через«^ иполучим

1 (4-8.) для точной функциональной зависимости).

Выражение г—л 5 (4.9.)

7 • <У или Г = 1Лп1<Ух -ау ; (4.10.)

- есть коэффициент линейной корреляции двух случайных величин, оценивающий силу их связи.

Поскольку в определении линии регрессии участвуют две случайные величины: среднее у (заменяющее а) и коэффициент регрессии, то оцениваем их значения.

Для точного построения доверительного интервала нужно знать закон распределения случайной величины , который в общем случае зависит от самых неизвестных параметров величины . Доказано, что возможен переход "от случайной величины к другой случайной величине, являющейся функцией необходимых значений У,, У2,— Уп, закон распределения которой не зависит от неизвестных параметров величины у, а зависит только от числа опытов л и от вида закона распределения случайной величины у. Там же "доказано, что при нормальном распределении величины у, случайная величина

Т — л/й •

4^1.' ; (4.11.) подчиняется распределению Стьюдента с п-1 степенями свободы", которое используется для оценки генерального среднего уо, по следующему выражению: у---¿Уо^У +-г

4.12.) где I. - квантили распределения Стьюдента; во всех выборках принимается доверительная вероятность 1-р=0,95 при числе степеней свободы f=n-1; п - объем выборки.

Принимается как вытекающее из допущения корректности авторских расчетов конструкций положение, что выборки с индексом а » (проекты, идеализированные модели) с^Шржат предельно нижние данные. Поэтому устанавливается односторонняя доверительная оценка генерального среднего "сверху".

Для сооружений (выборки с индексом « б ») напротив, принята односторонняя оценка генерального среднего "снизу", так как предполагается, что в осуществленных сооружениях достигнут определенный технико-экономический уровень и дальше нельзя делать хуже, чем сделано.

Тогда значение квантилей распределения разыскивается с вероятностью 2р и оценка генерального среднего для проектов будет выражаться:

Уо +

V« (4.13.) а для сооружений: у-->уо;

-4п (4.14.)

Доверительная оценка коэффициента регрессии определяется по формуле Бартлета сг V п

4-15) <Тул/1 -г2 <7^1-Г

Ъ--, ■ 1х.рп % Ь0 £ Ъ + ■ ахЯп-2 , ахып-2 (4.16.) доверительная вероятность во всех выборках принимается равной 0,95 при f = п - 2)

Выборочные совокупности сгруппированные в соответствии с диаграммами рассеивания, доказательства однородности родственных выборок с помощью критерия Вилкоксона, получение параметров регрессий методом наименьших квадратов и построение графических моделей приведены автором в монографии «Большепролетные покрытия. Анализ и оценка». В работе используются в основном малые выборки. Малая выборка требует индивидуального подхода к каждой отдельной реализации, что аксиоматично для настоящего исследования. При малых выборках проверка статистических гипотез - дело особенно тонкое, поэтому необходима проверка по разным критериям. Желательно применять критерии КолмоЯрова и Мизеса одновременно, что и было сделано в работе.

После обработки статистических данных по 150 объектам и доказательства с помощью критерия Вилкоксона однородности соответствующих выборок, определенных по видам покрытий, методом наименьших квадратов, были найдены статистические зависимости критериев оценки от определяющих параметров (рис. 7 - 10); показано, что зависимости для пространственных покрытий выражаются дробно-показательной функцией: у = а ■)&, приведенной к линейному виду логарифмированием; оценены параметры линейных регрессий; заложены основы для перехода к многомерной оценке сложных конструктивных систем. Кроме того, была обработана, свернута и представлена в виде графических моделей информация, особо важная в начальной стадии проектирования, когда инженеру необходимо дать дополнительные сведения о некоторых геометрических параметрах покрытий, о размерах основных несущих элементов конструкции, например, о размерах опорных контуров висячих систем, о соотношении арматуры и бетона в конструкциях покрытий.

Правильный выбор начальных размеров элементов статически неопределимых систем значительно упрощает последующую расчетную работу.

Выбор стрелы подъема (провисания) покрытий в виде оболочек или висячих конструкций исследован в многочисленных работах ЛенЗНИИЭПа, В.Е. Михайленко и многих других авторов, которые подтверждают обоснованность для куполов и оболочек стрелы подъема равной 1/7-1/10 пролета, а для висячих покрытий - стрелы провисания 1/15-1/20 пролета.

Наибольший диапазон относительных величин провисания однопоясных висячих покрытия в пределах от 1:9 до 1:23, а для двухпоясных висячих систем максимальная относительная величина fn = 1/20 пролета.

Исследованы 24 объекта, в которых применены пологие оболочки и купола. Выявлено, что среднее отношение стрелы подъема составляет #«1/5 пролета или диаметра.

0.0 5.0 Ю.о

150 20.0 25.0 30.

Рис. 8. Зависимости Т] от Гу

Cj руб/м 50.0

0.0 0. oo.gff.ïf

15.0 20.0 25.

Рис. 9. Зависимости Cj от Fj Fj тыс.кв.m 30.

Размеры поперечного сечения опорных контурШ висячих покрытий по сегодняшним данным не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к рациональным конструкциям, поскольку до последнего времени совместная работа контура с покрытием учитывалась не в полной мере, и только недавние разработки позволяют проектировать более гибкие опорные замкнутые конструкции. Показатели этих проектов учтены при построении регрессии высоты поперечного сечения от приведенной площади, что «сдвинуло» зависимость в сторону уменьшенных сечений. Расчет опорного контура сложен, поэтому интуитивный выбор начальных жесткостных характеристик этого элемента конструктивной системы должен быть подкреплен опытными данными, обобщенными и выраженными статистической зависимостью, которая разыскивалась в форме: f(x) — а +Ьх , оказалась близкой к линейной: (г = 0,9753) и приведена на рис. 11.

Основные выводы:

1. Рассмотрены и обработаны методами математической статистики и факторного анализа около 150 конструктивных решений большепролетных покрытий, охватывающие данные по расходу основных строительных материалов, трудоемкости, энергоемкости и стоимости.

2. Показано, что оболочки, мембраны и т.п., будучи новыми конструктивными системами по сравнению с плоскостными конструкциями (балками и фермами), способствуют проникновению в архитектуру духа современности; их проектирование и возведение связано и вытекает из объективных (утилитарных) условий: функции, местных строительных материалов, возможностей строительной индустрии, средств и сроков, отпущенных на строительство. Вместе с тем выявлено, что построение архитектурных форм подчиняется законам восприятия их человеком. И, чтобы конструктивные формы стали архитектурными, необходимо затратить материалы и труд на решение эстетических задач архитектуры; определены ориентировочные границы допустимых суммарных затрат для пространственных большепролетных покрытий; установлено, что показатель рациональности RF, равный ~ 0,8- 0,85 , соответствует разумным расходам ресурсов, затрачиваемых на достижение этих целей при выполнении всех остальных обязательных условий создания рационалЩ1х конструкций.

3. Отмечено важное значение соблюдения тектонических и статических принципов построения конструктивных систем, выбора материала конструкции, их влияние на технико-экономические показатели сооружения.

4. Установлено, что как всякой оптимизационной задаче, выбору и оценке пространственного большепролетного покрытия соответствуют большое число изменчивых и противоречивых целей, начальная неполнота знаний о проектируемой конструкции, субъективность лиц, принимающих решения. Чтобы уменьшить недостаточность сведений и субъективизм оценки, формализован и приведен к удобному виду для сравнительного анализа и последующей оценки значительный объем информации.

5. Поставлены и решены на основе многомерного статистического анализа задачи первой и третьей стадий проектирования - предварительного анализа и итоговой оценки, -входящих в четырехстадийный процесс разработки проектов.

6. Доказана возможность многомерной оценки пространственных большепролетных покрытий. Создана с помощью графического моделирования и математического аппарата многомерного статистического анализа методика технико-экономического сравнения инженерных систем с обобщенными данными объектов-аналогов.

7. Определены зависимости критериев оценки от определяющего параметра - приведенной площади. По разработанным двумерным регрессионным моделям стала более строгой и доказательной оценка конструкций большепролетных покрытий в однокритериальной постановке.

8. Установлены статистическими расчетами интервалы допустимых (Ь = 0,95) значений: расходов бетона и стали для соответствующих классов пространственных большепролетных покрытий:

8.1. Для висячих железобетонных оболочек расход стали ус - 0,94 * 1,08 ■ К0-43 расход бетона Ь6 = 0,44 + 0,40 ■ Ру0'43 8.2 Для стальных висячих покрытий с железобетонным опорным контуром расход стали ус = 1,44 + 1,79 • Гу0-43 расход бетона Ьб = 0,3 0,2 ■ Р.0'43 8.3. Для железобетонных оболочек и куполов расход стали ус - 1,70 1,93 ■ Р.0-31 расход бетона Ь6 = 1,22 * 1,16 ■ ^ а также получены предельные значения

8.4. Трудоемкости для висячих покрытий

Т< 0,7 ■ Fj0,26

8.5 Трудоемкости для оболочек и куполов

Т < О,15 ■ Fj0A1

8.6. Стоимости для висячих покрытий

С< 1,84 • F°A1

8.7. Стоимости для оболочек и куполов

С < 0,88 ■ Fом

8.8. Энергоемкости висячих покрытий (в т.ч. железобетонных и смешанных по материалу конструкций)

11,0 ■ F.0'32

8.9. Энергоемкости железобетонных оболочек и куполов

Э< 6,23 ■ F.0,32

8.10. Энергоемкости стальных куполов

Э< 1,9-F*5

8.11. Обоснована возможность определения интервалов оптимального расхода стали и бетона.

9. Доказано существование в многомерном пространстве, по осям которого откладываются обобщенные характеристики суммарных затрат ресурсов, поверхностей распределения показателей объектов, объединяющих бесчисленное множество конструкций (покрытий) определенного класса. Тем самым доказана гипотеза профессора П.М. Саламахина. Стало возможным исследовать эти поверхности и устанавливать те их зоны, «в которых находятся оптимальные . . . конструктивные решения».

10. Установлено , что объекты каждой характерной поверхности распределяются в соответствии с внутренними закономерностями, относящимися к данному виду покрытий.

11. Показано, что изучение этих закономерностей вариантным изменением признаков конструкции, дает возможность прогнозировать улучшение конструкторских разработок, разыскивать внутри поверхностей распределения показатели рациональных большепролетных покрытий.

12. Выявлена структура взаимодействия критериев оценки (расхода материалов, трудоемкости, стоимости и энергоемкости) с определяющим параметром - приведенной площадью покрытия;.это позволило: построить многомерные технико-экономические уровни или факторные регрессии на общем факторе С,, а также векторные диаграммы объектов в факторной плоскости на факторах С1 и С2.

13. Доказано, что обобщенные характеристики: ортогональные факторы Сг - соответственно отражают затраты, связанные с размерами пространственных покрытий и расходы, зависящие в большей степени от способа возведения - и представляют собой более высокую степень обобщения, чем каждый в отдельности критерий оценки по расходу материалов, трудоемкости, стоимости и энергоемкости конструкций. Поскольку каждый из критериев - есть своеобразное обобщение затрат через специфический показатель, то этим объясняется высокая наполненность каждого из них фактором Сг Способность факторного анализа выбирать из разных признаков явления общую часть дисперсии делает факторы С, и С2 более глубокими, а оценку по ним всеобъемлющей. Именно эти свойства позволяют учесть в некоторой степени заводскую трудоемкость производства сборных конструкций косвенно через энергоемкость, учитывающей заводский переделы.

14. Обоснована предпосылка использования для оценки покрытий единого условного материала, что значительно упрощает сравнение конструкций, выполненных из разных материалов. Вместе с тем, эффективность применения факторного анализа к данному техническому приложению заключается в том, что возможен ввод в факторную модель сколько угодно большого числа вводных переменных, в том числе по материалу. Анализ вклада каждой в обобщенные факторы дает возможность прогнозировать улучшение конструкторских разработок.

15. Разработан математический инструмент оценки, с помощью которого, используя регрессии, построенные на обобщенном факторе С, и определяющем параметре покрытия, а также векторную диаграмму объектов в факторной плоскости, можно определить: рационально ли новое пространственное покрытие и насколько оно рационально выполнено по отношению к сегодняшнему уровню затрат на сходную конструкцию.

16. Впервые выявлен интегральный количественный показатель рациональности большепролетных покрытий.

17. Доказана взаимосвязь результатов инженерного разбора конструктивных систем с данными многомерного статистического анализа, надежность разработанного графо-аналитического аппарата.

18. Показано, что разработанная методика и полученные по ней результаты устанавливают: рациональным большепролетным пространственным покрытием может быть признана такая конструкция, при возведении которой суммарные затраты не превысят установленной многомерной величины характерной для данного вида конструктивной системы и ее генеральных размеров приведенной площади: , А S f0> • где f .; - многомерный факторный вес /-ой конструкции по фактору

С,; f01 - нормированный обобщенный показатель.

Или в развернутом виде для висячих покрытий

Г* < 0,02+ 1,79 ■ lg F. для оболочек и куполов

1°к < - 0,33+1,83 ■ IgFj для раздельного ввода в математическую векторную модель показателей удельного расхода стали и бетона).

19. Установлено, что строительная конструкция должна проектироваться с учетом требования экономичности, которое, как следует из п. 18, представляет собой ограничение вероятности превышения многомерной величины предельного уровня суммарных затрат, установленного на основе статистического обобщения технико-экономических показателей конструкций.

20. Выявлено, что в оболочках и куполах достигнут предел в минимизации расходов материалов, когда в висячих покрытиях разрывы между проектными данными и показателями осуществленных покрытий показывают не только резервы оптимизации, но и на элементы конструкций, где эти резервы скрыты (опорные контуры, стабилизационные системы и др.)

21. Показано, что большепролетные конструкции послужили лишь одной иллюстрацией аналитических возможностей многомерного статистического анализа. Изложенные принципы можно использовать для любых инженерных систем.

Особый интерес представляет учет экспертных оценок эстетических качеств сооружений и соотношение их с количественными показателями. Измерение качественной информации возможно методами многомерного факторного анализа и это открывает интереснейшие перспективы дальнейших исследований, результаты которых позволят находить и экономически, и технически, и художественно лучшее проектное решение для любой искусственной системы. публикации на тему диссертации.

1. Никонов H.H. Через конструкции к архитектуре. Москва. Строительство и архитектура Москвы, 1974 г. № 1

2. Никонов H.H. Новый подход к технико-экономическому анализу сооружений с большепролетными покрытиями. Москва. Строительная механика и расчет сооружений. 1980 г., № 4.

3. Никонов H.H. Организация и технология проектирования уникальных объектов 0лимпиады-80 в сб. Материалы семинара «Совершенст-вование технологии и организации проектно-изыскательских работ». Москва. 1980 г., Знание.

4. Никонов H.H. Взаимосвязь архитектурных и конструктивных форм. Архитектура СССР, 1982 г., № 5.

5. Никонов H.H. Опыт проектирования и строительства висячих покрытий в Баку. Висячие покрытия. Труды совещания под редакцией чл-корр. АН СССР Рабиновича И.М., 1962 г.

6. Никонов H.H. Оценка конструкций большепролетных покрытий по нескольким критериям. Материалы семинара «Эксплуатационная надежность зданий и сооружений». Знание. 1984г.

7. Никонов H.H. Многофакторная статическая оценка конструкций покрытий зданий и сооружений. ЦНТИ, 1984 г.

8. Никонов H.H., Канчели Н.В. В поиске современных решений. Строительство и архитектура Москвы, 1975 г., № 5.

9. Никонов H.H., Канчели Н.В. Байтовое покрытие. Авторское свидетельство № 583255.

10. Никонов H.H., Канчели Н.В. Висячее покрытие. Авторское свидетельство № 636346.

11. Никонов H.H., Канчели Н.В. Вантовое двухярусное покрытие для здания и сооружения круглого в плане. Авторское свидетельство № 580291.

12. Никонов H.H., Канчели Н.В. Висячее покрытие. Авторское свидетель-ство № 636345.

13. Никонов H.H., Канчели Н.В. Висячее покрытие. Авторское свидетель-ство № 636347.

14. Никонов H.H., Максименко В.А. Пространственное покрытие. Авторское свидетельство № 634003.

15. Никонов H.H., Максименко В.А. Большепролетные сооружения Олимпийских игр. Поиск, результат, анализ. В сб. Материалы семинара «Проектирование и строительство сооружений

0лимпиады-80 в Москве». Москва, 1979 г.Знание.

16. Никонов Н.Н., Максименко В.А. Новое большепролетное пространственное покрытие. Москва. Архитектура СССР, 1977 г., № 7.

17. Nikonov N. Disign of complex sistems: the sequence of actions fnd évaluations of resuit. Journal of International Association for shell and spatial structures Vol. 38 (1997) n.2. Issue dedicated to Stuttgart symposium "Concetuol design of structures.

18. Никонов H.H. «Проектирование сложных систем: последовательность действий и оценка результата». Архитектура и строительство Москвы, № 2, 1996 г.

19. Никонов Н.Н. «Инженер». Архитектура и строительство Москвы, № 5, 1995 г.

20. Никонов Н.Н. «Большепролетные покрытия. Анализ и оценка.», 431 стр., Москва, 1998 г.

21. Никонов Н.Н. "Проектные предложения козырьков над трибунами стадионов", "Опыт проектирования и возведения сооружений 0лимпиады-80" Москва, Знание, 1981 г.

Глава 7. Заключение и основные выводы.

Предложенная методика была использована при экспертизе олимпийских спортивных объектов с большепролетными покрытиями и в последующей инженерной деятельности автора.

Практическое значение методики заключается в универсальности, применимости к любому виду инженерных систем с неограниченным числом вводных переменных. Методика позволяет прогнозировать улучшение конструкторских разработок, показывать пути рационального расходования материальных, трудовых и финансовых ресурсов. В настоящем исследовании установлено, что дальнейшее совершенствование железобетонных пространственных покрытий - оболочек и куполов - связано с: внедрением легких конструкционных бетонов высоких марок и с одновременным снижением энергозатрат на производство легкого заполнителя; разработкой новых форм оболочек на основе унифицированных типовых элементов; снижением материалоемкости монтажных элементов; внедрением фибробетона, значительно снижающего трудоемкость арматурных работ, реализацией в сооружениях результатов теоретических и экспериментальных исследований работы пс)^рггий в упруго-пластической стадии, Безусловно, большое значение для улучшения технико-экономических показателей этого класса покрытий имеет внедрение предварительно напряженных конструкций. Показатели оболочек в Челябинске и Минске, ряда куполов подтверждают это.

Анализ висячих систем выявил, что существуют значительные резервы улучшения показателей этого класса покрытий, поскольку в большинстве построенных сооружений основные конструкции перегружаются стабилизирующими элементами, контуры переужесточаются и т.д. Установлено, что определение оптимальных жесткостных характеристик как собственно покрытия, так и опорных конструкций следует считать важнейшей в ряду проблем, полное решение которых должно способствовать улучшению характеристик висячих пространственных покрытий. В их число входит также разработка характерных приемов монтажа, сохраняющих величины монтажных моментов в опорных контурах на минимально возможном уровне. Решить эти проблемы - значит добиться существенного уменьшения затрат ресурсов при проектировании и возведении сооружений с висячими покрытиями. Научные открытия в этой области и опыт строительства последних лет показали, что пространственные висячие металлические конструкции в сочетании с железобетонным опорным контуром обладают высокими технико-экономическими показателями и будучи примененными в массовом строительстве могут дать значительный экономический эффект. В первую очередь, это относится к мембранным оболочкам. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в НИИЖБе и ЦНИИСКе, открыли резервы совершенствования висячих покрытий. Их экономическая эффективность и техническая надежность связываются с научно-обоснованным выбором жесткостных характеристик опорного контура и собственно покрытия.

Методика позволяет отобрать необходимые начальные размеры сечения опорного контура (рис. 11), этот выбор неизбежно приведет к учету совместной работы опорного контура с телом покрытия, поскольку статистическая зависимость установлена на основании обобщения многих показателей сооружений, в том числе и таких, где контур и покрытие рассматривались как единая конструкция.

Внешнее листовое армирование в настоящее время становится одним из эффективных приемов проектирования железобетонных конструкций в тех случаях, когда необходимо воспринять значительные нагрузки, совместить опалубку под бетон с несущим элементом конструкции, уменьшить трудозатраты Л^гакономить материал.

Улучшение конструирования и технико-экономических показателей этого вида железобетонных конструкций может быть связано с использованием сочетания внешней листовой арматуры в виде стальных коробов с фибробетонным заполнителем. В этом случае экономия трудозатрат на арматурных работах должна быть значительной. И для того, чтобы проблема строительства зданий с пространственными покрытиями получила полную завершенность, необходимо создать новые материалы для кровель. Отсутствие в необходимом наборе тепло- и гидроизоляционных материалов, обладающих необходимыми техническими и эстетическими качествами, служит препятствием для более широкого внедрения этих систем. Опытная проверка новых материалов при ремонте кровли Олимпийского крытого стадиона на пр. Мира должна способствовать его преодолению.