Комплексная оценка качества возведения гражданских зданий с учетом факторов, влияющих на их безопасность
На правах рукописи
Байбурин Альберт Халитович
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОЗВЕДЕНИЯ
ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ФАКТОРОВ,
ВЛИЯЮЩИХ НА ИХ БЕЗОПАСНОСТЬ
05.23.08 – Технология и организация строительства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт-Петербург
2012
Работа выполнена на кафедре технологии строительного производства ФГБОУ ВПО (национальный исследовательский университет) «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск.
| Научный консультант: | доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН Головнёв Станислав Георгиевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН Афанасьев Александр Алексеевич; доктор технических наук, профессор Колчеданцев Леонид Михайлович; доктор технических наук, профессор Красновский Борис Михайлович |
| Ведущая организация: | Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища), Москва |
Защита состоится « 15 » мая 2012 г., в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, ауд. 219.
Телефакс: (812) 316-58-72
E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «____» ____________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, д-р техн. наук, профессор Ю.Н. Казаков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Федеральные законы «О техническом регулировании» (№184-ФЗ от 27.12.2002), «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (№384-ФЗ от 30.12.2009) создали законодательную базу обеспечения безопасности в строительстве, закрепив в качестве предмета регулирования риск аварии и показатели конструкционной (механической) безопасности. Однако нормативная база и механизм регулирования безопасности находятся в стадии формирования.
Вместе с этим наблюдается рост числа строительных аварий и тяжести их последствий, в том числе в гражданском строительстве (около половины аварий). Основными причинами аварий являются дефекты строительных работ, применённых материалов, ошибки участников инвестиционно-строительного проекта. Ущерб от аварий исчисляется миллиардами рублей. Существенны и экономические потери дефектного строительства: до 5% затрат на жилищное строительство уходит на ликвидацию брака и около 3% – на преждевременный ремонт зданий в первые годы эксплуатации.
Строительный контроль ведётся без использования количественных показателей, обоснования объёмов контроля и критических значений отклонений по условию безопасности конструкций. Поэтому малоинформативные результаты контроля не являются полноценной доказательной базой для оценки соответствия этапов работ и завершенного объекта установленным требованиям. Проблема состоит в несовершенстве научных основ, системного подхода, методов контроля и оценки качества возведения гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества строительства, точности технологических процессов и показателей безопасности.
Степень разработанности проблемы. Анализ дефектов, отказов и аварий в строительстве содержится в официальных бюллетенях Госстройнадзора, работах Вейца Р.И., Гранау Э.Б., Гроздова В.Т., Дмитриева Ф.Д., Ройтмана А.Г., Руфферта Г., Сендерова Б.В., Физделя И.А., Шкинева А.Н. и др. Анализ причин аварий показывает, около 60% аварий происходят из-за низкого качества работ и применённых материалов. В большинстве случаев аварии зданий связаны с грубыми ошибками при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации, то есть с человеческим фактором.
Снижение рисков ошибок участников строительства достигается созданием отраслевых систем обеспечения качества (СОК), например, ПОКАС при строительстве атомных станций, а также систем менеджмента качества (известных в СССР как комплексная система управления качеством продукции – КС УКП), современные требования к которым обобщены в международных стандартах ИСО серии 9000. Однако указанные требования ориентированы на сертификацию системы менеджмента качества, сформулированы в самом общем виде без учёта отраслевой специфики, что затрудняет их применение. Отсутствуют рекомендации по количественной оценке СОК участников строительства, не исследована взаимосвязь уровня СОК строительных организаций с качеством работ по возведению зданий.
Методы контроля и оценки качества в строительстве предложены в ряде инструктивных отраслевых документов, работах Азгальдова Г.Г., Акимовой И.А., Болотина С.А., Волченко В.Н., Коробко В.И., Кузнецова А.Н., Монфреда Ю.Б., Покрасса Л.И., Столбова Ю.В., Сытника В.С., Тростянского П.В. и др. Как показал анализ, известные методы оценки качества строительства не удовлетворяют некоторым критериям достоверности и не учитывают показатели безопасности.
Применение строгих алгоритмических методов при решении задач оценки качества затруднено неопределенностью исходных данных. Следовательно, необходимы методы, позволяющие получать надежные решения при нечеткой исходной информации или ее недостатке. Наибольшее развитие получили методы, основанные на теориях нечетких множеств и энтропии (Заде Л., Шеннон К., Уткин В.С., Григорович В.Г., Юдин С.В. и др.), но для их использования при оценке качества строительства требуется уточнение параметров математических моделей.
Направленность научно-методологических исследований в области совершенствования технологии и организации строительных работ (в том числе в экстремальных условиях) определили труды отечественных ученых: Афанасьева А.А., Афанасьева В.А., Булгакова С.Н., Головнева С.Г., Гусакова А.А., Данилова Н.Н., Колчеданцева Л.М., Красновского Б.М., Крылова Б.А., Монфреда Ю.Б., Олейника П.П., Спектора М.Д., Теличенко В.И., Фокова Р.И. и многих др. Однако работ, системно рассматривающих вопросы оценки и технологического обеспечения качества, влияния организационно-технологических факторов на качество и безопасность гражданских зданий, не выявлено. Требуют дальнейшего совершенствования теоретические основы контроля и оценки качества, проектирования технологии и организации работ, ориентированных на обеспечение безопасности.
Основы теории надежности и безопасности строительных систем заложены в трудах Стрелецкого Н.С., Ржаницына А.Р., Болотина В.В. и др. Методы расчета конструкционной безопасности получили развитие в трудах Абовского Н.П., Бондаренко В.М., Гениева Г.А., Колчунова В.И., Перельмутера А.В., Райзера В.Д., Скоробогатова С.М., Снарскиса Б.И., Тамразяна А.Г., Травуша В.И., Шапиро Г.И. и др. Проблемы качества и безопасности рассмотрены также в работах G. Augusti, C. Cornell, A. Freudenthal, K. Ishikawa, H. Kume, N. Lind, А. Sarja, E. Schindowski, G. Spaethe, Е. Vesikary и др.
Анализ публикаций показал, что уровень безопасности с учётом дефектов возведения зданий целесообразно оценивать по относительным показателям, малочувствительным к погрешностям математических моделей. Однако в публикациях нет рекомендаций по использованию критериев безопасности при назначении точности технологических процессов, контроле и оценке качества возведения зданий.
Таким образом, научно-методологические основы оценки качества и обеспечения безопасности гражданских зданий в процессе строительства нуждаются в развитии по рассмотренным направлениям.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научных основ, системного подхода и методов контроля и комплексной оценки качества возведения гражданских зданий, направленных на повышение качества и безопасности строительной продукции.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:
- Обоснование концепции обеспечения качества и безопасности строительной продукции, разработка системы показателей и метода комплексной оценки качества возведения зданий с учётом факторов, влияющих на безопасность.
- Разработка методов и моделей для оценки системы обеспечения качества, прогнозирования качества работ и выбора участников строительства. Исследование влияния уровня системы обеспечения качества на показатели качества и безопасности гражданских зданий при их возведении.
- Разработка методов оценки точности технологических процессов с учётом значимости дефектов, критериев безопасности, а также при недостатке информации.
- Исследование влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий.
- Разработка методов контроля и оценки качества, анализа значимости дефектов, регулирования точности процессов, направленных на обеспечение качества и безопасности гражданских зданий при их возведении.
- Исследование технологической изменчивости параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемой точности и стабильности процессов строительно-монтажных работ, влияния дефектов на безопасность конструкций.
- Разработка методов расчета технологических параметров, способов производства бетонных работ в зимних условиях, обеспечивающих качество и безопасность возводимых конструкций. Практическая реализация и экономическая оценка разработанных методов и моделей.
Объект исследований – система обеспечения качества строительства; строительно-монтажные работы по возведению надземной части крупнопанельных, кирпичных, монолитных гражданских зданий; результаты работ в виде возведённых конструкций.
Предмет исследований – показатели, характеризующие уровень системы обеспечения качества; параметры качества технологических процессов и возведённых конструкций; методы оценки качества; закономерности влияния организационно-технологических факторов на качество и безопасность строительной продукции.
Методы исследования: системно-функциональный анализ; методы квалиметрии, метрологии; принципы технологии строительного производства и организационно-технологической надежности; методы теории вероятностей и математической статистики; корреляционно-регрессионный анализ; методы теории надежности и безопасности.
Информационно-эмпирическая база исследования основана на данных анализа научных публикаций, законодательных и нормативных актов, информационных бюллетеней Госстройнадзора, экспертных опросов, экспериментальных и опытно-производственных исследований (более 30 зданий и 13000 измерений параметров качества).
Области исследования соответствуют паспорту специальности 05.23.08: разработка научных основ, методов и средств контроля и способов повышения качества продукции в строительстве и его производственной базе (п. 7); разработка научных основ, системного подхода, методов и технологий повышения эксплуатационного качества промышленных и гражданских зданий с учетом круглогодичного производства работ, инструментального контроля и способов повышения надежности зданий при их возведении и реконструкции (п. 11); прогнозирование и оптимизация параметров технологических процессов и систем организации строительства и его производственной базы, повышение организационно-технологической надежности строительства (п. 1).
Научная новизна полученных результатов:
– разработан метод комплексной оценки качества возведения гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности;
– выявлены зависимости и построены математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства по предварительной оценке их систем обеспечения качества;
– уточнены методы оценки точности технологических процессов с учётом значимости дефектов и при недостатке информации; введены новые показатели для оценки и регулирования точности процессов по условию безопасности возводимых конструкций;
– выявлены закономерности влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий;
– разработана методика обеспечения качества и безопасности гражданских зданий при их возведении посредством риск-ориентированного контроля, анализа значимости дефектов, оценки и регулирования точности процессов, совершенствования системы обеспечения качества;
– исследованы технологическая изменчивость параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемая точность и стабильность процессов строительно-монтажных работ, влияние дефектов работ на безопасность конструкций;
– разработаны метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости, способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях, ориентированные на снижение дефектности, обеспечение качества и безопасности.
Таким образом, научная новизна исследования заключается в развитии научных основ, системного подхода и методов контроля и комплексной оценки качества возведения гражданских зданий с учётом факторов, влияющих на безопасность, с целью повышения качества и безопасности строительной продукции.
Достоверность результатов исследований обусловлена: использованием поверенных средств измерений; представительными объемами выборок; статистически значимыми результатами производственных исследований; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; положительным опытом апробации и внедрения.
Практическая значимость заключается в разработке методов контроля и оценки качества, точности технологических процессов, расчета параметров технологии, обеспечивающих качество и безопасность возводимых конструкций, а также в создании стандарта СРО, региональных методических документов Госстройнадзора, технологических регламентов и запатентованных способов работ. Опыт практической реализации результатов исследований свидетельствует о возможности и целесообразности их внедрения в гражданское строительство.
Значимость работы для теории и методологии заключается в усовершенствовании теоретических основ повышения качества и безопасности строительной продукции, а именно в создании математических моделей для прогнозирования влияния уровня системы обеспечения качества, точности процессов и организационно-технологических факторов на показатели качества и безопасности гражданских зданий при их возведении.
Внедрение. Полученные результаты реализованы: при строительстве гражданских зданий различных конструктивных систем, объектов метрополитена и аэропорта г. Челябинска; в деятельности ряда крупных строительных организаций: ГАКО «Челябметаллургстрой» (1989-1991), Union Engineering Ltd. (1996-1997), ЗАО «СК Массив» (1998-2001), «Челябметротрансстрой» (1999), ООО «Монтажотделстрой» (1999-2000), ЗАО «Монолит» (2002), ООО «СК Стройком» (2004-2006), ООО «Центр управления проектами» и ООО ПКФ «Символ» (2010). В результате внедрения на объектах гражданского строительства достигнуты технический, экономический и социальный эффекты.
Научные результаты использованы при разработке стандарта «Система контроля качества строительных работ» СРО НП «Союз строительных компаний Урала и Сибири», в методиках оценки качества и обеспечения безопасности объектов жилищного строительства, утвержденных Управлением Госстройнадзора Челябинской области; в программах НИР Минобразования РФ «Качество и безопасность технологий, продукции, образовательных услуг и объектов», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»; в учебном процессе при подготовке студентов и аспирантов.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на международных, российских и региональных симпозиумах, конференциях, семинарах: научно-практической конференции «Жилище Урала» (Челябинск, 1994); Уральских академических чтениях Российской академии архитектуры и строительных наук (Екатеринбург, 1997–2005); всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности на пороге третьего тысячелетия» (Челябинск, 2000); научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (1994–2011); международном геотехническом симпозиуме «Geotechnical Aspects of Natural and Man–Made Disasters» (Astana, Kazakhstan, 2005); строительном форуме «Саморегулирование строительной деятельности: перспективы, проблемы, пути решения» (Челябинск, 2006); международной научно-практической конференции «Components of scientific and technical progress» (Тамбов, 2007); научных чтениях Орловского академического научно-творческого центра РААСН (Орел, 2007); международном симпозиуме «Geotechnical Engineering for Disaster Prevention & Reduction» (Yuzhno-Sakhalinsk, Russia – Sapporo, Japan, 2007), II международной конференции «Популярное бетоноведение» (Санкт-Петербург, 2008); международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» SIB–2008 (Воронеж, 2008); 62-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2009), V международной конференции «Предотвращение аварий зданий и сооружений» (Москва, 2010), симпозиуме «Технологии безопасности критичных инфраструктур» (Екатеринбург, 2011).
На защиту выносятся:
метод комплексной оценки качества строительства гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности;
математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства по предварительной оценке систем обеспечения качества; показатели для оценки систем обеспечения качества строительных организаций;
методы оценки точности технологических процессов, позволяющие провести регулирование точности по условию безопасности возводимых конструкций, в том числе при недостатке информации;
закономерности влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий;
методика обеспечения качества и безопасности гражданских зданий при их возведении посредством риск-ориентированного контроля, анализа значимости дефектов, оценки и регулирования точности процессов, совершенствования системы обеспечения качества;
результаты исследований технологической изменчивости параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемой точности и стабильности процессов строительно-монтажных работ, влияния дефектов работ на безопасность конструкций;
новые способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях, метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости, ориентированные на снижение дефектности, обеспечение качества и безопасности.
Публикации. Основные положения работы отражены в двух монографиях, трех патентах, 90 публикациях, в том числе 26 в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержание изложено на 408 страницах текста и включает 145 таблиц, 82 рисунка, 302 наименований источников и 12 приложений.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены объект и предмет исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, а также приведены положения, выносимые на защиту.
Первая глава «Состояние проблемы и задачи исследований» посвящена анализу современного состояния проблемы обеспечения качества и безопасности возводимых гражданских зданий.
Во второй главе «Разработка метода комплексной оценки качества. Оценка системы обеспечения качества» разработаны концепция, система показателей и метод комплексной оценки качества, приведены результаты оценки систем обеспечения качества строительных организаций, разработаны математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства.
В третьей главе «Оценка и регулирование точности технологических процессов» обоснованы методы расчета и оценки показателей точности процессов с учётом значимости дефектов и при недостатке информации, а также предложены новые показатели для оценки и регулирования точности процессов по условию безопасности возводимых конструкций.
В четвертой главе «Оценка качества с учётом факторов, влияющих на безопасность» разработаны методы анализа значимости дефектов, риск-ориентированного контроля, оценки качества работ и обеспечения показателей безопасности возводимых конструкций посредством регулирования точности процессов и совершенствования системы обеспечения качества.
В пятой главе «Исследование качества возведения гражданских зданий» приведены результаты исследования качества возведения 30-ти объектов, достигаемой точности и стабильности технологических процессов, влияния дефектов на эксплуатационное качество и безопасность зданий.
В шестой главе «Исследование влияния организационно-технологических факторов на показатели качества строительства» изложены результаты исследования взаимосвязи влияющих факторов с показателями качества строительной продукции, разработаны вероятностно-статистический метод расчета технологических параметров и способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях.
В седьмой главе «Экономическая эффективность и результаты внедрения» оценены экономические эффекты повышения качества строительства, обеспечения безопасности и снижения риска аварии, приведены результаты внедрения и рекомендации по использованию научных выводов.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Метод комплексной оценки качества строительства гражданских зданий с учетом уровня системы обеспечения качества, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности.
Обеспечение качества и безопасности строительной продукции основано на выборе квалифицированных исполнителей, менеджменте качества, анализе безопасности и управлении технологическими процессами (рис. 1). Системное взаимодействие указанных элементов создает механизм обеспечения качества и безопасности в процессе строительства и является основой технического регулирования безопасности в соответствии с Федеральным законодательством.
Рис. 1. Концептуальная модель-схема обеспечения качества
и безопасности строительной продукции
Механизм обеспечения показателей безопасности, основанный на концептуальной схеме рис. 1, может быть реализован в результате: повышения уровня системы обеспечения качества исполнителей; контроля и оценки качества с учётом показателей безопасности; оценки вероятности отказа возводимых конструкций (технического риска); регулирования точности технологических процессов по результатам риск-ориентированного статистического контроля и оценки технического риска; разработки и внедрения соответствующих мероприятий по обеспечению качества и безопасности.
На основе принятой концептуальной модели разработан комплексный показатель качества строительства:
, (1)
где v – коэффициент «вето»; KСК – уровень системы обеспечения качества строительства; KD, KТ – показатели бездефектности и точности технологических процессов; KХ, KS – показатели стабильности процессов по отношению к систематическим и случайным погрешностям; KR, KP – относительные показатели несущей способности и безопасности возводимых конструкций; а, b, с, d – коэффициенты весомости. Коэффициенты весомости установлены методом анализа матрицы приоритетов: а = 0,19, b = 0,12, с = 0,025 и d = 0,26.
Частные показатели, входящие в (1), могут быть рассмотрены как показатели надёжности строительного производства: по уровню системы обеспечения качества KСК; по точности технологических процессов KD, KТ, KХ, KS ; по параметрам качества продукции KR, KP. Значения безразмерных частных показателей и показателя KСМР изменяются, как правило, от 0 до 1, что обеспечивает удобство их применения для сравнительной оценки и регулирования.
В процедурах приёмки работ и итоговой оценки соответствия рекомендуется использовать коэффициент «вето» v, принимаемый равным нулю в случае достижении пороговых значений снижения несущей способности KRlim или безопасности KPlim конструкций. При этом выражение (1) помимо сравнительной количественной оценки при v =1 обеспечивает оценку и по альтернативному признаку «соответствует – не соответствует».
Уровень системы обеспечения качества (СОК) строительства зависит от возможностей исполнителей безошибочно выполнить работы по проектированию, изготовлению материалов, изделий и возведению здания, а также от эффективности функционирования системы строительного контроля и надзора, что может быть формализовано комплексным показателем:
, (2)
где k – коэффициент нормативно-правового обеспечения и эффективности функционирования системы строительного контроля и надзора, определяемый экспертным методом; Kп, Kи, Kс – оценки СОК проектно-изыскательской организации, завода-изготовителя строительных материалов, изделий и строительной организации, определяемые по формуле (6). Весомости = 0,15, = 0,20 и = 0,65 определены ранжированием причин аварий. Величины, и переменные и могут уточняться по мере накопления статистических данных.
Качество выполнения процессов оценивается показателями точности, бездефектности и стабильности по контролируемым параметрам. Показатель бездефектности KD определяется как доля распределения параметра в интервале допуска [a, b], показатель точности KТ – как отношение допуска к фактическому разбросу параметра по уточненным формулам (10), (11). Показатели стабильности по отношению к случайным KS и систематическим KХ погрешностям представлены как отношения количества стабильных процессов к общему их числу.
Указанные показатели определяются по каждому контролируемому параметру качества и формируют систему единичных показателей, комплексируемых с учётом коэффициентов весомостей. Единичные показатели качества, характеризующие материал, геометрию, соединения элементов, группируются по видам конструкций или работ, далее – по этажам, зданиям. Определение весомости различных параметров и показателей осуществлялось следующими способами: ранжированием причин аварий, построением матрицы приоритетов; анализом чувствительности функций несущей способности и безопасности конструкций; нормировкой объёмов в физическом или стоимостном выражении.
Качество возведённых конструкций целесообразно оценивать относительным показателем несущей способности
, (3)
где 
– значения фактической и проектной несущей способности для групп однотипных несущих конструкций (стен, колонн, перекрытий и т.д.).
Для оценки уровня безопасности возведённых конструкций с учётом допущенных дефектов использованы относительные показатели: вероятности безотказной работы KP, характеристики безопасности по А.Р.Ржаницыну K или вероятности отказа конструкции KQ. Указанные показатели вычисляются как соответствующие отношения фактических значений безотказности P, характеристики безопасности или вероятности отказа Q к их проектному уровню P0, 0 или Q0. Показатели безопасности математически взаимосвязаны. Например, показатели KP и K связаны отношением
, (4)
где Р, Р0 – фактический и проектный уровни безотказности; Ф – функция стандартного нормального распределения; K – показатель снижения характеристики безопасности; 0 – проектное значение характеристики безопасности.
Характеристика безопасности конструкции с допущенными дефектами
, (5)
где k0 – проектный запас прочности; VR, VF – вариации прочности и нагрузки.
Из анализа норм проектирования и рекомендаций по оценке дефектов в качестве порогового значения снижения KR принят половинный интервал между 1 и 1/m, где m – нормативный коэффициент надежности по материалу, что соответствует для несущих конструкций крупнопанельных, кирпичных и монолитных зданий KR = 0,85–0,92.
Оценка относительных показателей безопасности производилась следующим образом. По проектным данным вычислялся средний запас прочности возводимых конструкций. В результате производственного контроля качества определялись средние значения и дисперсии параметров качества конструкций, фактическая средняя несущая способность и показательKR. По формуле (5) находили характеристику безопасности, определяли показатель K и далее – значения показателей KP и KQ, выраженные через K. Для конструкций исследованных зданий было оценено предельное значение увеличения вероятности отказа KQ = 2...7, что согласуется с данными Г. Аугусти, В.М. Бондаренко, С.И. Меркулова, А.П. Мельчакова (KQ = 2...10). Фактическая же вероятность отказа несущих конструкций для некоторых зданий превышает теоретическое значение в 8–18 раз (для сравнения: по оценкам европейских ученых – в 10–40 раз, по данным эксплуатации зданий в России – в 8–70 раз). Для повышения уровня безопасности зданий были разработаны и внедрены соответствующие мероприятия по снижению риска аварии (см. стр. 25).
Подстановкой в выражение (1) пороговых значений частных показателей, обоснованных далее, получены количественные критерии для комплексной оценки качества строительства, например, для кирпичных зданий KСМР =0,77, KRlim = 0,85 и KPlim =0,994. При развитии норм проектирования и строительства, совершенствовании технических регламентов по безопасности критерии оценки качества могут быть скорректированы.
Новый метод позволяет системно оценить факторы, влияющие на качество, получить количественную оценку, наиболее чувствительную к снижению показателей безопасности. Применяемая в настоящее время оценка качества по коэффициенту соответствия приводит к завышенному результату по сравнению с уровнем бездефектности (см. стр. 31), не учитывает показатели точности процессов и безопасности конструкций. Достоверность квалиметрической модели (1) подтверждается результатами конечно-элементного моделирования влияния дефектов, исследованиями построенных зданий после 6–7 лет их эксплуатации (стр. 28), а также проверкой достоверности частных показателей метода комплексной оценки.
2. Математические модели для прогноза качества работ и выбора участников строительства по предварительной оценке систем обеспечения качества; показатели для оценки систем обеспечения качества строительных организаций.
Для оценки систем обеспечения качества (СОК) участников строительства (проектировщика, изготовителей материалов и изделий, строительной организации) предложены показатели с учётом требований стандартов ИСО серии 9000 и специфики деятельности организации. Например, квалификация исполнителей, комплектность технологической документации, качество поставок, соблюдение технологии, уровень производственного контроля и т.д. Показатели разделены на четыре группы: организационная структура; ресурсы; методы и процессы; результаты и их документирование. Оценка производится экспертным методом в шкале от 0 до 1 по критериям степени соответствия требованиям, масштабов применения, результативности, полноты документирования. По каждому показателю принимается минимальная из экспертных оценок cj =0...1 по правилам теории нечётких множеств при малом количество экспертов j<5.
Показатель уровня СОК участника строительства
, (6)
где i – весомость оценки i-ой группы показателей; cj – экспертная оценка единичного показателя j-ым экспертом; n – количество показателей в группе.
При апробации методики установлено i =0,25 и получены оценки СОК для 15-ти крупных строительных организаций в пределах от 0,60 до 0,74 со средним значением 0,68 (рис. 2). Граничные оценочные значения уровня СОК – 0,75 и 0,90 обоснованы результатами анализа зависимости (7) и значений риска потребителя при статистическом приёмочном контроле.
Обнаружена значимая на уровне 0,05 корреляция (r = 0,64) между уровнем СОК подрядчика и уровнем бездефектности работ, позволяющая по регрессии прогнозировать качество работ. Согласованность мнений экспертов подтверждена коэффициентом конкордации на уровне значимости 0,01. Достоверность средней оценки СОК подрядчиков характеризуется доверительным интервалом 0,68±0,02 на уровне значимости =0,05, согласованностью экспертных оценок. Минимальные экспертные оценки получили следующие элементы СОК: повышение квалификации кадров, стимулирование качественной работы, применение карт операционного контроля качества и статистических методов контроля.
Исследования влияния уровня СОК подрядчика на качество работ производилось на выборке из 30-ти объектов. Установлено, что с повышением KСK увеличиваются показатели бездефектности работ KD и точности процессов KТ:
, (7)
. (8)
Адекватность построенных моделей регрессии проверена по критерию Фишера на уровне значимости 0,01–0,02, ошибка полученных зависимостей не превышает 5%. При этом необходимо учитывать ограничение 
.
Статистически значимой взаимосвязи между уровнем СОК и показателями безопасности KR и KР не выявлено. Это объясняется эмерджентным (системным) влиянием дефектов работ и ошибок участников строительства на эти показатели, причем критические дефекты и грубые случайные ошибки могут оказывать решающее влияние на уровень безопасности конструкций.
Важным условием безошибочного строительства является выбор квалифицированных участников инвестиционно-строительного проекта. Причем на стадии выбора априори неизвестны возможности бездефектного выполнения работ потенциальными исполнителями. Создание строительной продукции представим как последовательные процессы изысканий, проектирования, изготовления материалов и изделий, строительно-монтажных работ и сдачи-приёмки заказчику, в которых смежные пары участников условно являются изготовителями и потребителями (рис. 3). Заказчик (застройщик) осуществляет главные контролирующие функции, что на схеме показано стрелками «заказчик – контроль». Качество каждого процесса характеризуется долей бездефектной продукции Рi, зависящей от уровня СОК изготовителя Ki.
Рис. 3. Выбор участников строительства по модели достоверного качества
Для последовательных n пар операций производства и контроля уровень достоверного качества строительной продукции:
, (9)
где Ki – уровень СОК i-го участника проекта; аi – коэффициент пропорциональности; i, i – вероятности ошибочной браковки и приёмки продукции i-го процесса.
Выражение в числителе (9) определяет количество объективно бездефектной продукции на выходе i-го процесса, в знаменателе – суммарное количество принятой продукции с учётом ошибочной приёмки негодной продукции. Априори неизвестные значения Рi заменим на коррелированные с ними оценки Ki, получим уровень бездефектности i-го процесса Рi = аiKi. Полученную модель предлагается использовать для выбора исполнителей. Задаваясь выходным уровнем качества строительной продукции Q, по модели (9) можно найти тройки значений Ki для проектировщика, изготовителя материалов и строительной организации. Далее, оценивая уровень СОК по формуле (6), осуществляется подбор участников строительства. Адекватность модели доказана пассивным экспериментом при строительстве 10-ти зданий, ошибка составила от 7 до 13%. Модель может использоваться застройщиком для квалификационной оценки исполнителей с целью создания у него уверенности в получении качественной и безопасной строительной продукции.
3. Методы оценки точности технологических процессов, позволяющие провести регулирование точности по условию безопасности возводимых конструкций, в том числе при недостатке информации.
Качество процессов СМР характеризуется показателями бездефектности, точности и стабильности по каждому контролируемому параметру. Фактические распределения значений параметров, определенные в результате исследований, аппроксимируются, как правило, нормальным и логнормальным законами. Для указанных распределений расчет показателя KТ производился по уточненным формулам:
, (10)
, (11)
где х – допуск; t, l – квантили соответствующих распределений уровня ; Sх – стандартное отклонение;, – параметры логнормального распределения.
При расчете точности вместо границ разброса ±3, характерных для массового промышленного производства, предложено устанавливать более точные границы 2t Sх в зависимости от объёма выборки и уровня доверия. Значения t, l и принимаются в зависимости от значимости дефекта или уровня ответственности зданий. Например, при нормальном распределении а х b в выборке объёмом n >120 для критических дефектов или повышенного уровня ответственности установлены t=2,576 и =0,99. По сравнению с известным методом точность оценки KТ повышается на 9–17% для выборок объемом n=30–120 и до 34% при n>120, что существенно при регулировании точности процессов по условиям безопасности продукции.
При обосновании допустимого уровня дефектности q использован метод установления гарантированных значений параметра, применяемый в нормах проектирования. Из условий рис. 4 получено:
, (12)
где Ф – функция стандартного нормального распределения; un, u2 – квантили обеспеченности нормативного xn и критического xcr значений параметра качества x; n – коэффициент технологической надежности, назначенный из условия xcr= xn/n; Vх – вариация параметра.
Значения n приняты в зависимости от значимости дефектов с учётом соотношения коэффициентов надежности по уровню ответственности зданий. Отличие принятых значений n от расчетных, полученных из выражения n = xn/xcr для исследованных параметров качества, составляет 2–7%. По формуле (12) получены оценочные значения дефектности для двух этапов: до и после регулирования точности технологических процессов, то есть при большой 25–50% и малой 5–25% изменчивости контролируемых параметров Vх.
С целью обоснования оценочных значений q исследовано влияние изменчивости контролируемых параметров на уровень дефектности (рис. 5). Установлено, что при наблюдаемой вариации параметров 25–50% следует использовать оценочные значения q для первого этапа.
На основании результатов натурных исследований, анализа достигаемой точности процессов установлены оценочные значения показателей (табл. 1). Из выражения KD = 1– q получим критерии оценки показателя бездефектности KD. Обоснование оценочных значений KТ производилось по известной зависимости между KТ и q, показателей КХ, КS – по результатам анализа стабильности процессов при достигнутом уровне технологии и организации работ.
Если при статистическом выборочном контроле превышен допустимый уровень q по критическому дефекту, то коэффициент n уже не обеспечивает надежность непревышения критического значения параметра xcr, и следует перейти к сплошному контролю по этому параметру с безусловным устранением всех критических дефектов.
Таблица 1
| Наименование показателей точности технологического процесса | Оценочные значения | |||
| приемлемо | недопустимо | |||
| этап 1 | этап 2 | этап 1 | этап 2 | |
| Уровень дефектности q при дефектах: – критических – значительных – малозначительных | 0,015 0,04 0,10 | 0,0025 0,015 0,04 | 0,04 0,10 0,25 | 0,015 0,04 0,10 |
| Показатель точности процесса KТ | 1,00 | 1,33 | 0,67 | 1,00 |
| Показатели стабильности процесса KХ и KS | 0,75 | 1,00 | 0,50 | 0,75 |
Примечание. 1-й этап – строительство без регулирования точности процессов; 2-й этап– строительство с регулированием точности технологических процессов.
Критические значения хcr, при которых нарушаются условия безопасности возводимых несущих конструкций KR KRlim или KР KPlim, определялись расчетным методом и сопоставлялись с опубликованными данными. По известным значениям хcr становится возможным регулирование точности процессов по условию безопасности. Для этого разработаны следующие показатели (рассмотрен случай а х, причем хcr< а – см. рис. 4, где a=xn):
резервное значение показателя точности по критерию безопасности
; (13)
резервное значение стандартного отклонения при достигнутой точности
; (14)
запас точности по критерию безопасности
. (15)
критическое значение отклонения, обеспечивающее непревышение уровня дефектности q:
. (16)
где uq – аргумент функции стандартного нормального распределения Ф(u)=1–q.
Среднее значение 
, стандартное отклонение Sх и точность процесса KТ по каждому контролируемому параметру определяются статистическим контролем.
Указанные показатели в совокупности с обоснованными для исследованных параметров значениями хcr составляют основу для регулирования точности процессов по критерию безопасности. Например, для параметра глубины опирания сборных панелей перекрытий получено: xn = 70±12 мм, xcr = 42 мм, 
= 66,4 мм, Sх = 12,1 мм, KТ = 0,75, q = 0,32. Критическое значение стандартного отклонения, обеспечивающее условие q 0,015 и проектный уровень безопасности, равно Sqcr = 11,26 мм. При достигнутой точности процесса KТ = 0,75 резервное значение стандартного отклонения равно SР = 13,8 мм, что обеспечивает 15%-й запас точности (zТ = 1,15). Так как Sх > Sqcr и запас zТ мал, точность монтажа необходимо повысить (изменением способов работ, оснастки, усилением контроля и т.д.).
При недостатке данных контроля задача оценки качества решена методом теории нечётких множеств. При этом функция распределения рассмотрена как «плотность» меры неопределенности, а параметры функции приняты зависимыми от крайних измеренных значений xmax, xmin и уровня риска ошибки. Доказано, что при использовании метода достаточно малой выборки n<5 для определения параметров распределения и уровня бездефектности (рис. 6). Сравнением с точными оценками установлены ошибки расчета средних значений в пределах 3%, стандартных отклонений – 11,9%, уровня дефектности – 3,7%.
При альтернативном контроле по принципу «соответствует – не соответствует» возникают затруднения в определении количественных характеристик параметра (среднего значения, стандартного отклонения и др.). Для повышения информативности альтернативного контроля использован информационный метод расчета среднего значения и стандартного отклонения.
Получены выражения для альтернативного среднего значения 
и стандартного отклонения 
:
, (17)
, (18)
где 
– частоты попадания ниже и выше допустимых значений [а, b]; n – объем выборки; Н – энтропия процесса.
Информационный метод позволяет получить оценки средних и дисперсий при альтернативном контроле с наименьшей трудоемкостью (например, при помощи калибров, шаблонов), а также проверить их стабильность. Информационные оценки имеют удовлетворительное совпадение со статистическими оценками точности, ошибка составляет 6,8–16,3%.
4. Закономерности влияния организационно-технологических факторов строительства на показатели качества возводимых конструкций гражданских зданий.
Определение организационно-технологических факторов (ОТФ), существенно влияющих на качество и безопасность строительной продукции, осуществлялось методом двухтурового экспертного опроса (63 эксперта, средний стаж 18,5 лет, ошибка оценки 7,3% с обеспеченностью 0,95). Ранжированием выявлены семь значимых факторов: соблюдение технологии работ ТР; качество поставляемых материалов, изделий КМ; уровень квалификации рабочих и ИТР УК; комплектность и качество проектной документации ДП; полнота производственного контроля качества ПК; комплектность и качество технологической документации ДТ; обеспеченность механизмами, оснасткой и инструментом УМ. Согласованность мнений экспертов при ранжировании факторов подтверждена коэффициентом конкордации на уровне 0,01. Для количественной оценки ОТФ предложены показатели, характеризующие степень соответствия факторов уровню, установленному в проектной, нормативной и технологической документации. Например, показатель соблюдения технологии работ определялся следующим образом:
, (19)
ti – количество нарушений технологии работ i-го вида; tki – количество параметров и режимов технологии, проконтролированное при ведении работ i-го вида; n – количество видов работ.
В производственном эксперименте на 30-ти объектах гражданского строительства изучалось влияние ОТФ на качество результатов работ. Откликами служили относительный показатель несущей способности KR возведенных конструкций, а также вариация прочности V(R). В результате анализа парной корреляции установлено, что с увеличением показателей факторов ТР, КМ, УК, ПК, и УМ качество работ повышается, что приводит росту показателя KR (коэффициент корреляции r =0,790...0,844). При этом вариация прочности V(R) снижается (r = –0,745...–0,896). По исследованной выборке зданий значимой корреляции факторов ДП и ДТ с откликами не выявлено.
Для изучаемых закономерностей влияния получены значимые уравнения регрессии (ошибка 4,4–7,7%, уровень значимости F-критерия р<0,014). Анализ парной корреляции исходит из допущения элиминирования (исключения) влияния всех остальных рассматриваемых факторов, что может искажать результаты. Поэтому исследовалась множественная корреляция факторов и откликов. В результате пошаговой регрессии были получены линейные модели, включающие только значимые факторы:
; (20)
. (21)
Адекватность моделей подтверждена критерием Фишера и исследованием остатков в виде разности между наблюдаемыми и предсказанными значениями отклика. По полученным моделям взаимосвязи технологических факторов с показателями KR и V(R), становиться возможным прогнозирование безопасности через функциональную зависимость, полученную из выражения (28):
. (22)
Аргумент функции стандартного нормального распределения Ф(и) задается из условия нормального распределения KR и требуемой вероятности Pr{KR KRlim}Prlim. Например, при Prlim = 0,9985 и = 2,968.
Для исследованных факторов составлен перечень организационно-технических мероприятий, повышающих численные значения показателей ОТФ. Отбор наиболее эффективных мероприятий предлагается осуществлять по коэффициентам эластичности регрессионных моделей, относительной доле дисперсии влияющих параметров в составе дисперсии KR, а также по результатам анализа причин брака. Установлена следующая приоритетность ОТФ по степени влияния на уровень качества и безопасности возведения зданий: полнота производственного контроля; соблюдение технологии работ; качество поставляемых материалов, изделий; обеспеченность механизмами, оснасткой и инструментом; уровень квалификации рабочих и ИТР.
5. Методика обеспечения качества и безопасности гражданских зданий при их возведении посредством риск-ориентированного контроля, анализа значимости дефектов, оценки и регулирования точности процессов, совершенствования системы обеспечения качества.
Риск-ориентированный контроль качества предложено осуществлять по следующему алгоритму.
1) Назначается номенклатура и оценивается значимость (весомость) контролируемых параметров и потенциальных дефектов, влияющих на показатели безопасности конструкций KP и KR.
2) Определяются критические значения параметров xcr по результатам оценки их влияния на показатели KP и KR, по формулам (13)–(16) рассчитывается необходимая точность технологических процессов.
3) По табл. 1 или проектной документации назначаются значения приёмочного q0 и браковочного q1 уровня дефектности.
4) По формулам (2) и (6) оценивается уровень системы обеспечения качества и назначается риск потребителя (застройщика), а также риск изготовителя (подрядчика) в зависимости от значимости параметров качества.
5) Находится оптимальный объём выборки с учётом, и q:
, (23)
где Ent{*} – целая часть выражения; u – квантиль нормального распределения.
6) Определяется достоверность контроля по оперативной характеристике, устанавливающей вероятность ошибочной браковки или приёмки в зависимости от фактического уровня дефектности.
По описанному алгоритму разработан статистический приемочный контроль по количественному признаку. Отличие от известных подходов заключается в выборе планов контроля с учётом значимости дефектов, ответственности зданий и уровня системы обеспечения качества с целью оптимизации затрат на контроль и рисков ошибок. При этом снижение затрат на контроль качества по сравнению с контролем по альтернативному признаку достигает 20–30%.
Для оценки значимости дефектов разработаны балльный, вероятностный и количественный методы. Балльный метод основан на методике анализа видов, последствий и критичности дефектов. Значимость (критичность) дефекта СD определяется произведением СD=D1D2D3, где D1, D2, D3 – балльные оценки соответственно частоты, значимости и вероятности выявления дефекта. Критерии балльных оценок были уточнены для наблюдаемых дефектов работ. По значению показателя СD предложено определять значимость дефекта, его категорию по степени риска, назначать оценочные значения дефектности q и риск подрядчика, которые используются при статистическом контроле (табл. 2).
Таблица 2
| СD, балл | Рейтинг DR | Значимость дефекта | Категория дефекта по степени риска | q, % | Риск |
| Более 100 | Более 0,15 | Критический | I (большой риск) | 1,5 | 0,01 |
| 40...100 | 0,05…0,15 | Значительный | II (средний риск) | 4,0 | 0,05 |
| Менее 40 | Менее 0,05 | Малозначительный | III (малый риск) | 10,0 | 0,10 |
Как правило, причиной аварии является наложение опасных дефектов и ошибок участников строительства, которые не учитывает балльный метод. Для оценки значимости дефектов по риску аварийных ситуаций предложена вероятностная модель (рис. 7), которая описывает отказ конструкции, как комбинации событий в виде дефектов работ, материалов, отклонений уровня нагрузки и ошибок исполнителей. Анализ известных исследований позволил оценить вероятность реализации указанных событий: ошибки строителей – 0,50, проектировщиков – 0,10, дефекты материалов (ошибки изготовителей) – 0,20, ошибки при эксплуатации – 0,15, превышение уровня нагрузок – 0,05. Указанные ошибки не будут иметь последствий, если не допущена ошибка лицом, осуществляющим контроль. Вероятность ошибки контролёра принята равной 0,1.
Модель позволяет оценить значимость дефекта по рейтингу его опасности
, (24)
где Pri(j,l) – вероятности перехода конструкции в неисправное состояние различной градации. Чем выше рейтинг опасности дефекта, тем более он критичен с точки зрения безотказности конструкции. Значения рейтинга для категорий дефектов, полученные подстановкой в (24) оценочных уровней q0 из табл. 1, указаны в табл. 2.
| Исходное событие | Критический дефект, q0 | Ошибка проекта, V1 | Дефект материала, отклонение нагрузки, V2 | Ошибка в строительстве, эксплуатации, V3 | Конечное состояние | Вероятность конечного состояния |
Рис. 7. Модель развития опасной ситуации при критическом дефекте:
виды технических состояний: Р – работоспособное; ОР – ограниченно работоспособное; Н – неработоспособное; А – аварийное; q0, V1, V2, V3 – вероятности соответствующих событий
При ограничении риска аварии предельный уровень дефектности q0 для критических дефектов определяется выражением:
. (25)
Для фонового по РФ значения риска аварии Pr(A)=510–6 получено q0=0,003, что почти совпадает с ранее обоснованным предельным значением 0,0025 (см. табл. 1).
В количественном методе анализа критичности дефектов в качестве критериев предлагается использовать предельные значения снижения прочности KRlim и безопасности KРlim. По результатам расчетов составлены оценочные таблицы для наиболее характерных дефектов возведения зданий. Предложенные методы позволяют количественно оценить значимость дефектов, выполнить их ранжирование, обосновать программу мероприятий по предупреждению дефектов, назначить характеристики статистического контроля.
Риск-ориентированный контроль качества предлагается проводить по комплексному показателю (1) или в упрощенном виде с использованием относительного показателя несущей способности (3) основного несущего элемента или узла, например, платформенного стыка, кирпичного простенка, железобетонной колонны или стены. В качестве показателя (3) могут использоваться и другие критерии предельных состояний конструкций.
По результатам статистического контроля для исследованных зданий построены гистограммы значений показателя KR (рис. 8). Достоверность аппроксимации распределений нормальным законом оценивалась по асимметрии и эксцессу, критериям Колмогорова и Пирсона.
 |  |
Рис. 8. Распределения относительного показателя несущей способности
Оценка точности процесса по критерию безопасности производится по показателям точности и разброса:
, (26)
, (27)
где 
– стандартные отклонения фактической и проектной относительной несущей способности; t – квантиль t-распределения уровня.
Фактическая вероятность обеспечения безопасности:
. (28)
где KRlim – предельное значение показателя при неблагоприятном сочетании нормативных отклонений.
Требуемое значение указанной вероятности определялось из соотношений среднего и расчетного сопротивлений материала:
, (29)
где Ф – функция стандартного нормального распределения; и – квантиль стандартного нормального распределения уровня ; VR – вариация сопротивления R; m – коэффициент надежности по материалу.
Например, для бетонных конструкций при нормативных значениях m=1,3, VR=0,135 и и0,95=1,645 искомая вероятность равна 0,9985. Для кирпичных конструкций в нормах приняты m=1,4, VR=0,15 и квантиль и0,98=2, при этих условиях вероятность равна 0,9996. С учетом (26)–(29) определены предельные значения показателей точности и разброса, при которых наблюдаемая технологическая изменчивость не приводит к нарушению условия конструкционной безопасности в виде вероятности Pr{KR KRlim}Prlim. Например, для кирпичных зданий получено:
; (30)
. (31)
Если фактические значения показателей точности и разброса превышают расчетные критические значения по условию безопасности, то необходимы мероприятия по повышению точности технологических процессов. Повышение точности достигается усилением контроля, изменением методов работ, технологической оснастки, повышением квалификации исполнителей и т.п.
Блок-схема обеспечения безопасности в процессе строительства показана на рис. 9. На первом этапе осуществляется риск-ориентированный контроль по показателю качества (1) или (3). На втором этапе оценивается технический риск – вероятность отказа конструкции в потенциальной зоне разрушения. При этом проверяются различные сечения элементов по видам предельных состояний. При нарушении того или иного условия безопасности выполняется регулирование точности технологических процессов (этапы 3–6). Регулирование осуществляется по критическим параметрам, входящим в функцию несущей способности конструкции, по формулам (13)–(16).
Невозможность повысить низкую точность процессов означает наличие системных сбоев в организации производства и контроля качества, менеджменте ресурсов, то есть в экономико-управленческой системе строительной организации. В этом случае необходимо повысить уровень системы обеспечения качества и показатели организационно-технологических факторов (этап 7), прогнозируя их влияние на относительный показатель KR и его вариацию по регрессионным моделям (20), (21). Повышение указанных показателей осуществляется планированием и внедрением соответствующих мероприятий. На последнем этапе регулирования производится оценка рисков с учетом ущерба, и принимаются решения о приёмке этапов работ и возведённых конструкций.
Рассмотрим пример обеспечения безопасности в процессе строительства крупнопанельного жилого дома серии 97. На основе данных контроля по формуле (3) найдены значения показателя относительной прочности платформенных стыков в контрольной выборке, определено среднее значение 0,839 и стандартное отклонение 0,062. Обеспеченность показателя качества стыков, найденная по формуле (28), равна 0,9357, что меньше требуемого значения 0,9985. Следовательно, технический риск разрушения узлов превышает допустимое значение. Точность монтажа не обеспечена, так как показатель точности (26) меньше нуля. Произведем регулирование точности процесса монтажа по критическим параметрам качества. Так для параметра «толщина растворных швов стыка» по формуле (16) определено критическое значение разброса по критерию безопасности Sqcr=6,36 мм, обеспечивающее бездефектность на уровне 0,985. При наблюдаемой точности процесса KТ =0,63 и разбросе 7,77 мм требуемый уровень бездефектности не обеспечен, запас точности мал ZТ=1,18.
Рис. 9. Блок-схема обеспечения качества и безопасности зданий при их возведении
Для повышения точности работ по указанному параметру необходимо осуществить мероприятия, обеспечивающие устройство швов номинальной толщины: повышение точности геометрического нивелирования монтажного горизонта; устройство маяков выверенной толщины; использование раствора проектной марки по подвижности; повышение точности монтажа по высотным отметкам; усиление контроля; соблюдение требований ППР (устройство швов с подмостей; разравнивание раствора гребёнчатым шпателем и т.д.). В результате внедрения мероприятий разброс по указанному параметру был снижен до расчетного значения.
Однако регулирование точности процессов монтажа по другим критическим параметрам не дало результатов, так как процессы не стабильны во времени, технологическая изменчивость параметров существенна, и в системе обеспечения качества имеются сбои. При фактическом уровне СОК подрядчика 0,69 прогнозируемый по формуле (7) уровень бездефектности работ равен 0,67, наблюдаемая бездефектность по критическим параметрам низкая – 0,51–0,71. Следовательно, необходимо регулирование показателей СОК и влияющих организационно-технологических факторов (ОТФ). Для регулирования предпочтительны наиболее низкие показатели, в данном случае – полноты производственного контроля качества ПK и качества поставляемых материалов и изделий KM. Из списка возможных мероприятий были выбраны соответствующие мероприятия, повышающие значения указанных показателей. В результате их внедрения значения показателей ПK и KM увеличились. При фактически установленных значениях показателей ОТФ по формулам (20) и (21) получено прогнозируемое значение KR=1,07 при вариации 0,121. Уровень конструкционной безопасности стыков после изменения ОТФ повысился до 0,9941. В результате повторного регулирования точности процессов по геометрическим параметрам уровень безопасности стыков достиг требуемого значения 0,9985.
Ущерб в результате возможного отказа платформенного стыка складывается из прямых затрат на разборку конструкций, монтаж новых конструкций, социальных потерь от гибели или ранения людей (морального ущерба), косвенных потерь в виде расходов по расселению жильцов, возмещению сопутствующих ущербов и т.д. Прямой ущерб при локальной аварии составит 3 млн. руб., минимальные социальные потери при четырех пострадавших – 4 млн. руб., косвенные потери не учитываем. Относительный ущерб при стоимости здания C0 составит 7,0/C0, если C0=200 млн. руб., то относительный ущерб С/C0 = 0,035. При наблюдаемой вероятности безотказной работы платформенных стыков 0,9357 риск локальной аварии будет равен R = (1–Р)С/C0 = =(1–0,9357)7,0/C0 = 0,45/C0, а при стоимости здания C0=200 млн. руб. R = 0,00225, что превышает предельное значение управляемого риска 510–5, рекомендованное в ГОСТ Р 53778-2010. После регулирования точности процессов и ОТФ риск аварии снижается в 42,9 раза и составит 0,0105/C0 или R = 5,2510–5, что практически соответствует предельному уровню риска.
6. Результаты исследований технологической изменчивости параметров качества возведения гражданских зданий, достигаемой точности и стабильности процессов строительно-монтажных работ, влияния дефектов работ на безопасность конструкций.
Исследовалось качество возведения надземной части 30-ти гражданских зданий: крупнопанельных, кирпичных, монолитных и сборно-монолитных. Объемы выборок обеспечивали точность оценки параметров от 3 до 10% при наблюдаемой вариации 25–50% и надежности оценки 0,95. Установлено, что параметры, ограниченные с двух сторон имеют нормальное распределение, с одной стороны – логнормальное распределение случайных значений.
В результате натурных исследований качества возведения десяти крупнопанельных зданий серий 97 и 121 высотой 10 и 16 этажей получены средние значения коэффициента соответствия нормам KС, уровня бездефектности KD и показателя точности технологических процессов KТ (табл. 3).
Таблица 3
| Группа показателей | КС | KD | КТ | Группа показателей | КС | KD | КТ |
| Параметры материалов | 1,00 | 0,98 | 0,80 | Монтаж панелей стен | 0,83 | 0,77 | 0,59 |
| Геометрич. параметры | 0,76 | 0,70 | 0,65 | Монтаж перекрытий | 0,79 | 0,69 | 0,71 |
| Параметры связей | 0,72 | 0,58 | 0,29 | Монтаж лестн. клетки | 0,61 | 0,49 | 0,50 |
| Параметры швов | 0,62 | 0,49 | 0,43 | Герметизация стыков | 0,32 | 0,25 | 0,00 |
Значительная технологическая изменчивость приводит к превышению нормативных допусков, что характеризуется значениями показателя точности KТ <1 и низким уровнем бездефектности. Показатели качества по модели оценки (1), усредненные по зданиям, сведены в табл. 4.
Таблица 4
| № здания | KСК | KD | KТ | KX | KS | KR | KP | KСМР |
| 1 | 0,73 | 0,63 | 0,62 | 0,63 | 0,50 | 0,840 | 0,977 | 0,777 |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |
| 8 | 0,72 | 0,61 | 0,68 | 0,50 | 0,50 | 0,921 | 0,996 | 0,799 |
| 9 | 0,69 | 0,85 | 1,00 | 0,75 | 0,25 | 0,901 | 1,002 | 0,853 |
| 10 | 0,69 | 0,70 | 0,55 | 0,67 | 0,67 | 0,830 | 0,997 | 0,776 |
| Среднее | 0,69 | 0,62 | 0,59 | 0,65 | 0,62 | 0,863 | 0,984 | 0,772 |
В пределах зданий (по этажам) стабильность параметров по отношению к систематическим и случайным погрешностям, как правило, удовлетворительная. Однако технологические процессы нестабильны относительно проконтролированных объектов (KS=0,22, KX=0,17), что, вероятно, объясняется системным влиянием множества организационно-технологических факторов.
Показатель снижения безопасности конструкций стен по среднему и опорному сечениям составил по расчету 0,954…1,00, снижения прочности платформенных стыков – 0,73…0,986. В некоторых случаях потребовалось регулирование точности процессов по условиям безопасности KR0,92 и KР0,994.
Качество монтажных работ по комплексному критерию KСМР 0,78 и частным показателям KR и KР для домов №4 и 7 – не обеспечено. Для указанных домов потребовался демонтаж участков с критическими дефектами в платформенных стыках. По совмещенным графикам (рис. 10) видно, что комплексный показатель KСМР наиболее чувствителен к снижению безопасности несущих конструкций KР (корреляция r = 0,86). Показатель критичности дефектов CD для параметров устройства связей равен 50–60, параметров герметизации стыков – 40 (значительные дефекты), для остальных отклонений – 6–30 (малозначительные дефекты). По рангу опасности дефектов выявлена необходимость проведения количественного анализа их влияния. Например, отклонения размеров сварных швов приводят к снижению прочности связей на 2–30%, безотказности – на 2–27%, и требуется устранение дефектов.
Дефекты в виде утолщения растворных швов, смещения сборных элементов, снижения прочности бетона и неплотного замоноличивания стыков приводят к увеличению податливости платформенных стыков при сжатии на 42–51%, вертикальных шпоночных стыков при сдвиге – в 1,5–2 раза. Для оценки влияния дефектов на работу несущей системы здания серии 97 реализованы конечно-элементные расчетные схемы, и установлено неблагоприятное изменение усилий в элементах конструкций, особенно, в платформенных стыках.
В связи с низкой обеспеченностью несущей способности платформенных стыков опирания по алгоритму рис. 9 выполнено регулирование точности процессов по условию безопасности, разработаны и внедрены соответствующие организационно-технические мероприятия, снижающие риск аварии до допустимого уровня: повышение точности геодезической разбивки и выверки; обеспечение нормативной толщины растворных швов; сплошной инструментальный контроль стыков и др. В результате риск аварии конструкций снизился на порядок до допустимого уровня. Сокращение возможного ущерба в результате повышения безопасности составило 0,031C0, где C0 – стоимость здания.
В стадии эксплуатации дефекты монтажа крупнопанельных зданий могут приводить к увеличению деформаций сдвига в вертикальных стыках с раскрытием трещин и нарушением герметичности стыков (рис. 11). Это подтверждается результатами исследования зданий после 6–7 лет эксплуатации, при котором фиксировались количество и ширина раскрытия трещин в стыках стеновых панелей, а также относительная доля выкрошенных и ремонтных швов.
Установлена значимая на уровне 0,05 корреляция между уровнем бездефектности работ, количеством и шириной раскрытия трещин в вертикальных растворных швах стеновых панелей (r = 0,72...0,92), а также долей выкрошенных и отремонтированных швов (r = 0,80). Полученные данные подтверждают достоверность метода комплексной оценки (1) и результатов конечно-элементного моделирования влияния дефектов.
В результате оценки качества возведения десяти кирпичных зданий высотой от 4-х до 16-ти этажей определены показатели качества технологических процессов, усредненные значения которых приведены в табл. 5.
Таблица 5
| Группа показателей | КС | KD | КТ | Группа показателей | КС | KD | КТ |
| Параметры материалов | 0,69 | 0,62 | 0,48 | Кладка стен, столбов | 0,77 | 0,68 | 0,91 |
| Геометрич. параметры | 0,80 | 0,71 | 1,15 | Монтаж перекрытий | 0,71 | 0,60 | 0,56 |
| Параметры связей | 0,71 | 0,60 | 0,11 | Монтаж лестн. клетки | 0,72 | 0,64 | 0,90 |
| Параметры швов | 0,62 | 0,51 | 0,59 | Устройство связей | 0,71 | 0,60 | 0,11 |
Точность работ обеспечена только по геометрическим параметрам KТ 1. Вероятность попадания значений параметров в интервал допуска, даже без учёта систематических отклонений, мала (0,17–0,38), и объясняется случайной изменчивостью и систематическими ошибками. Результаты комплексной оценки качества возведения зданий по модели (1) приведены в табл. 6.
Таблица 6
| № здания | KСК | KD | KТ | KX | KS | KR | KP | KСМР |
| 1 | 0,64 | 0,50 | 0,46 | 0,60 | 0,60 | 0,840 | 0,977 | 0,712 |
| 2 | 0,70 | 0,59 | 0,66 | 0,77 | 0,69 | 0,952 | 0,992 | 0,809 |
| 3 | 0,60 | 0,47 | 0,27 | 0,69 | 0,77 | 0,829 | 0,991 | 0,664 |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |
| 10 | 0,71 | 0,70 | 0,73 | 0,72 | 0,69 | 0,951 | 0,989 | 0,836 |
| Среднее | 0,67 | 0,64 | 0,72 | 0,73 | 0,69 | 0,946 | 0,993 | 0,814 |
По результатам тестов на стабильность сделаны выводы о стабильном качестве работ в пределах объекта строительства и о значительной неоднородности качества на объектах, возводимых разными строительными организациями. Это объясняется вариацией организационно-технологических факторов, влияющих на качество работ.
Качество возведения зданий по комплексному критерию KСМР 0,77 обеспечено, кроме зданий №1 и 3, на которых дефекты армирования кладки потребовали усиления несущих столбов и простенков. Допущенные дефекты прочности камня, армирования кладки и устройства горизонтальных швов отнесены к значительным (показатель критичности СD=40–90), остальные отклонения – к малозначительным дефектам (СD=5–35). С учётом ранга опасности дефектов выполнен расчетный анализ их влияния на показатели безопасности каменных элементов. Установлено, например, что снижение марки камня и утолщение горизонтальных швов могут приводить к увеличению вероятности отказа несущих элементов в 8...32 раза.
Показатель снижения безопасности каменных элементов составил по расчету 0,978…1,00, снижения прочности – 0,83…0,996, что в некоторых случаях не удовлетворяло условиям безопасности KR0,85 и KР0,994 и потребовало регулирования точности процессов. По формулам (13)–(16) установлено, что процессы устройства кладки по параметру прочности камня и армированию характеризуются значительной изменчивостью (Sx>Sqcr) и отсутствием запаса точности (ZТ<1), что не обеспечивает проектный уровень безопасности. По алгоритму рис. 9 осуществлено регулирование точности процессов каменной кладки и разработка мероприятий для обеспечения качества и безопасности зданий. В результате риск аварии несущих элементов снизился до допустимого уровня. Сокращение возможного ущерба в результате регулирования безопасности составило 0,0262C0, где C0 – стоимость здания.
Исследование качества железобетонных работ выполнялось на строительстве десяти монолитных и сборно-монолитных зданий высотой от 3-х до 23-х этажей. Средний уровень бездефектности по параметру прочности бетона составил 0,99, по геометрическим параметрам – 0,61; соответствующие показатели точности процессов равны 1,06 и 0,65. Показатель несущей способности возведенных конструкций KR для всех объектов превысил проектное значение, снижение уровня безопасности KP в результате допущенных дефектов либо отсутствовало, либо было незначительно. Наименьшие значения KСМР отмечены для объектов с относительно низким уровнем системы обеспечения качества. Обнаружена значимая корреляция (r = 0,95 на уровне 0,05) между показателем бездефектности KD и уровнем СОК строительной организации. Качество возведения зданий по комплексному критерию оценки KСМР и показателям безопасности KR и KР обеспечено.
По значению показателя критичности большинство отклонений отнесены к малозначительным дефектам (СD = 5–21). С целью количественного анализа дефекты возведения зданий были разделены на четыре класса отклонений: геометрических характеристик сечений; прочности бетона; положения арматуры, пространственного положения конструкций. Оценочными расчетами установлено, что первые три класса не оказали существенного влияния на напряженно-деформированное состояние монолитных конструкций.
Производственные исследования показали, что в случае использования в монолитных зданиях сборных железобетонных колонн высотой на 2-3 этажа несоосность их монтажа может быть существенной. Так, например, для 23-этажного здания максимальные значения отклонений от вертикали достигали 45–65 мм. Расчет пространственной системы здания, смоделированной конечно-элементной расчетной схемой, показал максимальное увеличение напряжений в сечениях колоннах в стадии эксплуатации на 16–18%, в стадии возведения на 24–29%. Изменение напряжений в колоннах не превышает предельных сопротивлений материала и не требует увеличения армирования колонн. Установлено также, что фактические значения показателей точности (26) и разброса (27) удовлетворяют условиям конструкционной безопасности. Следовательно, мероприятия по повышению точности процессов не требуются.
В результате статистического обобщения по 30-ти объектам установлено, что использование вместо уровня бездефектности коэффициента соответствия KС дает завышенную на 10–30% оценку качества (рис. 12). С помощью полученной регрессии возможно откорректировать оценки по KС.
Исходя из достигаемой точности технологических процессов, определена необходимая точность контрольных измерений (при условии x = 4Sx):
, (32)
xmet – предельное значение погрешности измерений; x – допуск; t – квантиль t-распределения уровня ; Sx – стандартное отклонение; KТ – точность процесса по параметру x. Из полученных опытных данных, приведенных в диссертации, следует, что применяемые средства измерений обеспечивают необходимую точность контроля при достигаемой точности процессов и фактическом уровне технологии и организации строительства.
7. Новые способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях и метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости, ориентированные на снижение дефектности, обеспечение качества и безопасности.
Один из способов снижения дефектности реализован в новой технологии возведения монолитных конструкций гражданских зданий в зимних условиях (патенты №№ 1675499, 2017906, 2364690). Суть новой технологии заключается в подборе таких режимов и сроков ступенчатого нагружения монолитных конструкций, которые ускоряют темпы возведения при обеспечении требуемого качества. При этом учитываются физико-химические свойства тяжелого бетона раннего возраста, его способность доуплотняться под нагрузкой с «залечиванием» микродефектов структуры и улучшением конструкционных характеристик. В результате комплексных лабораторных исследований и опытно-производственной проверки определено совместное влияние нагрузки, отрицательных температур и последующего оттаивания на параметры эксплуатационного качества монолитных конструкций. Прирост прочности бетона на сжатие при новых способах возведения достигает 19–28%, прирост прочности балок при изгибе – 5–27%. На основе установленных зависимостей определены допустимые уровни нагружения монолитных колонн, стен и перекрытий.
Требуемая прочность бетона монолитных стен на уровне i-го этажа определяется по формуле:
, (33)
где – доля максимальной нагрузки в стадии возведения по отношению к эксплуатационной; – коэффициент допустимой интенсивности нагружения, определенный экспериментальным путем; R28 – проектная прочность бетона; ni – номер этажа при счете сверху; N – общее количество этажей.
Новая технология внедрена при строительстве 16-этажных сборно-монолитных зданий. Согласно ППР требуемая прочность бетона монолитных стен составляла 50–100% от проектной в зависимости от этажа. В условиях раннего нагружения прочность бетона была назначена по формуле (33) в пределах 25–65% от R28. Результаты опытно-производственной проверки новой технологии на реальных монолитных конструкциях подтвердили достоверность методики расчета технологических параметров и эффективность разработанных способов. Разработанная технология позволяет уменьшить дополнительные затраты на зимнее бетонирование, сократить сроки возведения зданий на 5–15%, снизить дефектность монолитных конструкций на 5–28%.
Пассивные методы зимнего бетонирования («термос», противоморозные добавки, предварительный электроразогрев на стадии остывания) являются нерегулируемыми, так как изменчивость внешних факторов практически невозможно компенсировать изменениями технологических параметров выдерживания бетона. Поэтому для этих методов параметры технологии предложено назначать с определенной надежностью, учитывающей случайную изменчивость влияющих факторов.
В вероятностной математической модели технологического процесса введены следующие обозначения: R – фактический результат процесса (главный параметр); Rтр – требуемый результат; x1...xn – регулируемые параметры технологии; y1...ym – нерегулируемые параметры (условия производства, ресурсные ограничения); S(x1)...S(xn), S(y1)...S(ym) – стандартные отклонения случайных параметров x1...xn и y1...ym. Процесс опишем функцией R = f(x1...xn, y1...ym), непрерывной и определенной на интервалах значений аргументов. Величина R имеет случайную природу в результате аддитивного наложения большого числа не зависящих друг от друга факторов, каждый из которых не является доминирующим. Тогда, согласно центральной предельной теореме, величину R принимаем нормально распределенной, а вероятность достижения требуемого результата Rтр находим из выражения:
, (34)
где Ф – функция стандартного нормального распределения;R, S(R) – среднее значение и стандартное отклонение случайной величины R.
Определением вероятности (34) решается прямая задача вероятностного проектирования технологии. Алгоритм ее решения показан на схеме рис. 13. Обратная задача заключается в следующем: исходя из результата и вероятности выполнения производственного задания, нормировать отклонения регулируемых параметров технологического процесса таким образом, чтобы гарантировать результат с заданной вероятностью (бездефектностью). Для решения обратной задачи, задаваясь требуемой вероятностью выполнения производственного задания =Р(Rтр), используя выражение (34), находим квантиль стандартного нормального распределения u при условии, что Ф(u)= и требуемое значение разброса S(R). Далее, приняв S(y1)...S(ym) в качестве нерегулируемых отклонений, определим допустимые отклонения параметра xi из группы регулируемых параметров xi[x1... xn].
Рис. 13. Блок-схема проектирования технологии с учётом изменчивости параметров
При проектировании пассивных методов зимнего бетонирования в качестве случайных факторов рассматривались температура наружного воздуха, скорость ветра, начальная температура бетонной смеси и термическое сопротивление опалубки и утеплителя. Для условий Южного Урала установлены распределения случайных значений температур и скорости ветра в зимние месяцы. При фактической изменчивости параметров для получения (с обеспеченностью 0,95) 40%-й критической прочности требуемое значение средней прочности бетона для конструкций с модулем поверхности Мп=1...3 составляет 46–54%. При этом увеличение продолжительности выдерживания бетона может быть компенсировано ускоренными способами возведения, описанными выше. Вероятностное проектирование технологии зимнего бетонирования снижает риск недобора критической прочности бетона, обеспечивая качество конструкций с заданной вероятностью.
Для снижения трудоемкости комплексной оценки качества строительства разработан программно-методический инструментарий в виде компьютерной экспертной системы с возможностью использования нечёткой исходной информации. База знаний системы основана на формализованных с помощью теории нечётких множеств лингвистических правилах типа
если{A и B и C}, то {D} с, (35)
где – степень истинности. Например, «Если уровень СОК проектировщика приемлемый (s11), изготовителя – удовлетворительный (s22), подрядчика – приемлемый (s31), то весьма возможно ( =0,5), что уровень системы обеспечения качества строительства – удовлетворительный (S2)». Указанное правило формализовано так: fS{s11; s22; s31} = S2, где fj – логический вывод, реализуемый по нечётким базам знаний. Интерпретация степеней принадлежности вербальными выражениями привязана к шкале от 0 до 1, например =0,65…0,9 – «очень возможно».
Логические правила типа (35) сформулированы на основе полученных теоретических зависимостей и результатов производственной проверки методики комплексной оценки. Верификация нечётких выводов экспертной системы проводилась сравнением с результатами, полученными по квалиметрической модели (1), достоверность выводов экспертной системы составляет 85–96%.
Экономический эффект от повышения качества строительства формируется за счет сокращения издержек на исправление брака, увеличения производительности труда и повышения цены на более качественную строительную продукцию. Установлено, что прямые затраты на контроль качества при возведении зданий составляют 3,6–5,5% от сметной стоимости строительства. Тип конструктивной системы здания влияет не только на уровень дефектности строительства, но и на величину затрат на контроль качества. Так, лучшее качество при наименьших затратах на контроль характерно для монолитных зданий с неразрезной несущей системой.
Практическая реализация методики регулирования точности процессов с целью обеспечения конструкционной безопасности проводилась на объектах крупнопанельного и кирпичного домостроения в микрорайонах №33а и №51 г. Челябинска при участии Госстройнадзора. В результате внедрения мероприятий по повышению точности процессов, совершенствованию системы обеспечения качества уровень бездефектности по контролируемым параметрам на опытных зданиях увеличился на 5–25%, показатель точности – на 10–40%, показатели безопасности – на 15–20%. Сокращение возможного ущерба при различной степени локализации аварии (в зависимости от реализации в проекте противоаварийных мероприятий) в результате регулирования влияющих факторов и снижения риска составляет (0,01–0,92)С0, где С0 – стоимость здания. Экономический эффект на объектах внедрения составил 6,16–6,56 млн. руб. на одно здание.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Разработан метод комплексной оценки качества работ при возведении гражданских зданий с учётом уровня системы обеспечения качества (СОК) строительства, точности технологических процессов, показателей конструкционной безопасности, соответствующий концепции обеспечения качества и безопасности строительной продукции. Метод позволяет системно оценить факторы, влияющие на качество, получить количественную оценку, наиболее чувствительную к снижению показателей безопасности. Достоверность метода подтверждена исследованиями повреждений построенных зданий в процессе эксплуатации, результатами конечно-элементного моделирования влияния дефектов, опытом практической реализации.
- Предложены показатели для оценки уровня СОК проектной организации, завода-изготовителя материалов и изделий, строительной организации. Уровень исследованных СОК строительных организаций подрядчиков варьируется в пределах от 0,60 до 0,74 со средним значением 0,68±0,02. Установлено статистически значимое влияние уровня СОК на бездефектность и точность технологических процессов. Предложены математические модели, позволяющие прогнозировать качество работ по предварительной оценке СОК участников строительства и осуществлять их выбор. Разработанные модели могут применяться застройщиком (заказчиком) для квалификационной оценки исполнителей, направленной на создание уверенности в получении качественной и безопасной строительной продукции.
- Развиты теоретические основы оценки и регулирования точности технологических процессов с учётом значимости дефекта, объема выборки, уровня ответственности здания, позволяющие точнее оценить отношение допуска к разбросу. Разработаны методы оценки точности технологических процессов по условию безопасности возводимых конструкций. Впервые введены показатели резервных значений стандартного отклонения, показателя точности и запаса точности, характеризующие процесс с точки зрения опасности критического дефекта. Показатели позволяют оценить точность процессов с позиций обеспечения безопасности и, в случае необходимости, скорректировать методы производства работ и контроля качества с целью достижения расчетной точности по критическим параметрам, влияющим на конструкционную безопасность.
При недостатке данных контроля предложено использовать уточненные математические модели теории нечетких множеств и информационные критерии на основе энтропии, которые позволяют по данным альтернативного контроля получить адекватные количественные оценки при меньших затратах на контроль.
- Определены и ранжированы по значимости организационно-техноло-гические факторы (ОТФ), влияющие на качество строительства: уровень соблюдения технологии работ, полнота производственного контроля; обеспеченность механизмами, оснасткой, инструментом; уровень квалификации рабочих и ИТР и др. В результате анализа множественной корреляции и регрессии выявлены зависимости между ОТФ и показателями качества, влияющими на безопасность возводимых конструкций. Полученные регрессионные модели позволяют осуществить регулирование конструкционной безопасности в процессе строительства посредством комплекса мероприятий, повышающих значения показателей ОТФ.
- Усовершенствованы научные основы обеспечения безопасности на стадии строительства с использованием процедур регулирования точности технологических процессов, повышения показателей СОК подрядчиков и влияющих организационно-технологических факторов. Разработанная методика позволяет, в случае невыполнения условий безопасности по результатам риск-ориентированного контроля, прогнозировать по установленным зависимостям изменение уровня конструкционной безопасности при повышении точности технологических процессов, уровня СОК подрядчика и показателей ОТФ.
Разработаны алгоритмы и программы для комплексной оценки качества с использованием нечетких баз данных и возможностью оперативного контроля и регулирования. При внедрении методики на объектах крупнопанельного и кирпичного домостроения риск аварии возводимых конструкций был снижен до допустимых значений.
- Разработаны методы оценки значимости дефектов, позволяющие установить объёмы статистического контроля и обосновать программу мероприятий по предупреждению дефектов. Назначение достоверности и объёмов контроля с учетом значимости дефектов и ответственности зданий, позволяет оптимизировать затраты на контроль и риски ошибок подрядчика и заказчика. Установлена некорректность применения для оценки качества работ коэффициента соответствия нормам, так как его значения на 10–30% выше фактического уровня бездефектности, вычисленного статистическими методами. Получена зависимость, позволяющая скорректировать оценки при использовании коэффициента соответствия.
- Проведены производственные исследования качества работ с проверкой разработанных методик и моделей при возведении 30-ти гражданских зданий различных конструктивных систем. Установлены характеристики аппроксимирующих нормальных и логнормальных распределений основных параметров качества. Определены средние уровни бездефектности возведения зданий 0,62–0,69, достигаемая точность 0,59–0,90 и стабильность технологических процессов по видам работ, а также показатели несущей способности и безопасности конструкций с учетом дефектов. Обоснованные критерии комплексной оценки позволяют однозначно оценить качество возведения объектов. Большинство зданий возведено с удовлетворительным уровнем качества, кроме двух кирпичных (с нарушением армирования кладки) и двух панельных зданий (с дефектами узлов и связей). На указанных объектах выполнено регулирование точности технологических процессов по условию безопасности, разработаны и внедрены соответствующие мероприятия, повышающие качество работ и безопасность возводимых конструкций.
- Разработаны вероятностный метод расчета параметров технологии с учётом технологической изменчивости и способы возведения монолитных конструкций в зимних условиях, повышающие качество и эффективность работ. Новые способы ускоренного возведения основаны на результатах лабораторных и опытно-производственных исследований влияния режимов нагружения, отрицательных температур на параметры эксплуатационного качества монолитных конструкций. Предложенные способы, позволяют снизить дополнительные затраты на зимнее бетонирование, сократить сроки возведения зданий, повысить качество возводимых конструкций.
- Результаты исследований использованы в стандарте СРО «Союз строительных компаний Урала и Сибири», методических документах Госстройнадзора Челябинской области и ряда крупных строительных организаций, в программах НИР Минобразования РФ. При внедрении разработанных методов контроля и оценки качества установлено снижение уровня дефектности на 5–25%, показателя точности процессов – на 10–40%, (технический эффект), увеличение уровня безопасности конструкций на 15–20% (социальный эффект). Размер предотвращенного ущерба при различной степени локализации аварии составляет (0,01–0,92)С0, где С0 – стоимость здания. Экономический эффект на объектах внедрения составил 6,16–6,56 млн. руб. на одно здание.
Научно обоснованные организационные и технологические решения и реализованная совокупность методов, формируют механизм регулирования безопасности на стадии строительства в соответствии с требованиями Федерального законодательства. Разработанный программно-методический инструментарий обеспечения качества и безопасности гражданских зданий предназначен для создания информативной доказательной базы при проверке соответствия объектов строительства установленным требованиям.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ряда строительных вузов страны при подготовке и переподготовке кадров инженеров-строителей.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
Положения диссертации изложены в двух монографиях, трех патентах и 90 публикациях, в том числе 26 – в ведущих журналах по перечню ВАК.
Монографии
- Байбурин, А.Х. Качество и безопасность строительных технологий: монография / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев.– Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006.– 453 с.
- Современные строительные технологии: монография / Под ред. С.Г. Головнева. – Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2010. – 268 с.
Патенты
- Патент №1675499 Российская Федерация, МКИ Е 02 D 15/02. Способ возведения монолитных бетонных и железобетонных стен гражданских зданий в зимних условиях / А.Х. Байбурин, Н.В. Юнусов, С.Г. Головнев и др. – Бюл. № 33, 1991.
- Патент №2017906 Российская Федерация, МКИ Е02 В 5/32. Способ возведения монолитных железобетонных перекрытий гражданских зданий в зимних условиях / А.Х. Байбурин, Н.В. Юнусов, С.Г. Головнев и др. – Бюл. № 15, 1994.
- Патент №2364690 Российская Федерация, МПК Е04 В 2/84. Способ возведения монолитных зданий в зимнее время / С.Г. Головнев, А.Х. Байбурин, Л.А. Беркович. – Бюл. № 23, 2009.
Статьи в ведущих научных журналах по перечню ВАК
- Байбурин, А.Х. Оценка качества строительно-монтажных работ на основе показателей надежности / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. – 1998. – № 2. – С. 67–70.
- Байбурин, А.Х. Формирование системы показателей качества в строительстве / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. – 1999. – №8.– С. 57–60.
- Байбурин, А.Х. Надежность как критерий для классификации дефектов в строительстве / А.Х. Байбурин // Промышленное и гражданское строительство. №10. 2000. С. 25–26.
- Байбурин, А.Х. Методика статистической оценки качества строительно-монтажных работ / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. – 2000. – №5. – С. 85–89.
- Байбурин, А.Х.Оценка системы качества строительной организации / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев// Известия вузов. Строительство. – 2001. –№ 1. – С. 57–61.
- Байбурин, А.Х. Качество возведения кирпичных жилых домов / А.Х. Бай-бурин // Жилищное строительство. – 2001. – №9. – С. 9–10.
- Байбурин, А.Х. Анализ видов, последствий и критичности отказов в строительстве / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Известия вузов. Строительство. – 2001.– №8. – С. 77–79.
- Байбурин, А.Х. Оценка качества строительства кирпичных зданий / А.Х. Байбурин // Известия вузов. Строительство. – 2001. – № 11. – С. 120–123.
- Байбурин, А.Х. Оценка качества строительно-монтажных работ методами теории нечетких множеств / А.Х. Байбурин // Известия вузов. Строительство. – 2002. – №6. – С. 54–58.
- Байбурин, А.Х. Качество возведения монолитных жилых домов / А.Х. Бай-бурин, С.Г. Никоноров // Жилищное строительство. – 2002. – №4. – С. 4–6.
- Байбурин, А.Х. Проектирование экспертной системы оценки качества строительных технологий / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев, С.В. Никоноров // Известия вузов. Строительство. – 2002. – № 7. – С. 52–55.
- Байбурин, А.Х. Оценка качества строительства монолитных зданий / А.Х. Байбурин, С.В. Никоноров // Известия вузов. Строительство. – 2002. – № 9. – С. 129–133.
- Байбурин, А.Х. Анализ опасности дефектов строительно-монтажных работ/ А.Х. Байбурин // Известия вузов. Строительство. – 2003. – № 1. – С. 49–51.
- Байбурин, А.Х. Качество возведения крупнопанельных зданий / А.Х. Бай-бурин // Жилищное строительство. – 2002. – №10. – С. 10–11.
- Байбурин, А.Х. Анализ критичности дефектов возведения жилых зданий / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. – 2003. – №5. – С. 13–14.
- Байбурин, А.Х. Комплексная оценка качества возведения домов / А.Х. Бай-бурин // Жилищное строительство. – 2003. – №11. – С. 2–3.
- Байбурин, А.Х. Проектирование экспертной системы оценки качества / А.Х. Байбурин, Т.В. Субботин // Жилищное строительство. – 2004. – №5. – С. 4–5.
- Байбурин, А.Х. О совершенствовании нормативов качества возведения жилых зданий / А.Х. Байбурин, С.В. Никоноров // Жилищное строительство. – 2005. – №8. – С. 8–9.
- Байбурин, А.Х. Влияние качества строительства на эксплуатационную надежность крупнопанельных зданий / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. – 2006. – №7. – С. 5–6.
- Байбурин, А.Х. Оценка качества строительства при недостатке информации / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. – 2007. – №2. – С. 23–24.
- Байбурин, А.Х. Дефекты устройства связей и живучесть панельных зданий / А.Х. Байбурин // Жилищное строительство. – 2007. – №4. – С. 6–7.
- Байбурин, А.Х. О допуске на размеры монолитных конструкций гражданских зданий / А.Х. Байбурин, С.В. Никоноров // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 6. – 2008. – №12(112). – С. 16–18.
- Байбурин, А.Х. Методика оценки качества возведения кирпичных зданий / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 9. – 2009. – №35(168). – С. 24–27.
- Байбурин, А.Х. Исследование влияния технологических факторов на уровень качества возведения гражданских зданий / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 11. – 2010. – №33(209). – С. 20–24.
- Байбурин, А.Х. Техническое регулирование безопасности на стадии строительства / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 12. – 2011. – №16(233). – С. 18–20.
- Байбурин, А.Х. Надежность монтажа панельных зданий по параметрам качества продукции / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 13. – 2011. – №35(252). – С. 40–43.
Основные публикации в других изданиях
- Байбурин, А.Х. Раннее нагружение монолитных конструкций многоэтажных гражданских зданий в зимних условиях: Дис.... канд. техн. наук. / А.Х. Байбу-рин. – Челябинск, 1992. – 211 с.
- Байбурин, А.Х. Совершенствование системы качества строительно-монтаж-ных работ / А.Х. Байбурин, С.Г. Головнев // Третьи уральские акад. чтения. Проблемы реконструкции городов Урала.– Екатеринбург: Изд-во УРО РААСН, 1997. – С. 90–94.
- Байбурин, А.Х. Безопасность конструктивной ячейки крупнопанельного здания / А.Х. Байбурин // Безопасность жизнедеятельности: сб. науч. тр. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. – С. 37–39.
- Байбурин, А.Х. Нормирование точности строительно-монтажных работ по критерию надежности / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 2. – 2003. – №7(23). – С. 55–57.
- Байбурин, А.Х. Комплексная оценка качества строительно-монтажных работ / А.Х. Байбурин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Строительство и архитектура». Вып. 3. – 2005. – №13(53). – С. 68–70.
- Байбурин, А.Х. Модель для выбора участников строительства / А.Х. Бай-бурин, С.Г. Головнев // Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве» SIB-2008, Т.3. – Воронеж: ВГАСУ, 2008. – С. 25–28.
- Байбурин, А.Х. Обеспечение безопасности крупнопанельных зданий / А.Х. Байбурин, Д.А. Байбурин // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. тр. – М.: МДП, 2008. – С. 35–39.
- Байбурин, А.Х. Обеспечение надежности строительно-монтажных работ по параметрам качества продукции / А.Х. Байбурин // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. трудов. Вып. 8. – М.: МДП, 2009. – С. 205–212.
- Байбурин, А.Х., Оценка и совершенствование системы качества в проектных организациях / А.Х. Байбурин, А.Ю. Самарин // Строительство и образование: Сб. науч. трудов. – Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2009, №12. – С. 3–5.
- Байбурин, А.Х. Технология ускоренного возведения монолитных конструкций в зимних условиях / А.Х. Байбурин // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. – 2009. – №2(121). – С.72–73.
- Байбурин, А.Х. Исследование влияния качества строительства на эксплуатационную надежность зданий / А.Х. Байбурин // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. трудов. Вып. 9. – М.: МДП, 2010. – С. 140–147.
- Baiburin, A.Kh. Implementation of pile foundation quality and serviceability / A.Kh. Baiburin, S.G. Golovnev // The Proceedings of the International Geotechnical Symposium «Geotechnical Aspects of Natural and Man-Made Disasters». – Astana, Kazakhstan Geotechnical Society, 2005. – P. 144–147.
- Baiburin, A.Kh. Quality and reliability estimation of airfield runway / A.Kh. Baiburin, S.G. Golovnev // The Proceedings of the International Geotechnical Symposium «Geotechnical Engineering for Disaster Prevention & Reduction». – Yuzhno-Sakhalinsk, Russia – Sapporo, Japan, 2007. – Р. 271–272.
