Russian Federation
Russian Federation
UDK 69.07 Конструктивные элементы в целом. Несущие конструкции
UDK 728.1 Жилищное строительство и жилые здания в целом
UDK 005 Изучение проблемы организации: методология, анализ, синтез, классификация и таксономия (теория, основы), систематизация в целом
The subject area of the article is the life cycle of buildings and structures, where the object of research is information modeling of low-rise housing object-oriented automated technologies in construction. It is proposed and justified that the priority of the introduction of these technologies is the resource concentration on the production of low-rise housing construction facilities. Such objects can be individual and blocked houses up to 3 floors, attics, verandas, garages, saunas and other outbuildings on estate plots. First of all, the creation of such technologies should meet the regulatory requirements of environmental friendliness, economy, energy efficiency and comfort of the housing environment. A formalized model of the construction of these technologies in the creation of building systems and other parts of low-rise housing construction objects is proposed. The purpose of this article is to present specific requirements for the life cycle management information support of such objects in accordance with the construction of the K-processes in the proposed model. This construction formalizes a special representation of information models, which makes it possible to provide algorithmic justification of the regulatory requirements of the limit states of the structural parts of the above objects. The conclusion is made about the expediency of the life cycle stages automated technologies managing of buildings primarily through an object-oriented operating system for generating and managing automated processes for creating low-rise housing facilities.
life cycle, information model, low-rise construction, operation system, limit states of construction facilities, building system, data base, object-oriented automated technology.
Введение
Наибольшая эффективность в оптимизации значительных затрат внедрения технологий информационного моделирования (ТИМ) жизненного цикла (ЖЦ) объектов строительства (ОС), по мнению авторов, связана с применением автоматизированных объектно-ориентированных технологий ЖЦ ОС для определенных видов ОС массового назначения. Для этого предложено и обосновано общее формализованное представление решения указанной проблемы в виде модели построения автоматизированных технологий для различных стадий ЖЦ ОС [1].
В последние годы наработана значительная нормативная база, помогающая развивать ТИМ ЖЦ ОС (СП 333 1325800.2020, СП 404.1325800.2018 и др.). Данные нормативы инвариантны к различным технологиям информационного моделирования на основе предлагаемых на рынке программным системам: Renga, Revit, Archicad, Tekla, Allplan, Bentley и др. И не случайно то, что основа нормативной базы ТИМ ЖЦ ОС развивается независимо от программных систем и создается под конкретных пользователей, разрабатывающих проекты ОС и далее организаций, имеющих право на экспертизу проектов при получении разрешения на возможность строительства ОС. Таким образом создается общее правовое поле создания и использования ТИМ ЖЦ ОС для различных видов ОС и различными организациями строительной отрасли.
Успехи в этом направлении позволили Минстрою РФ принять решение с 1 марта 2023 года сделать обязательным подготовку проектов госзаказа с применением ТИМ в создании проектной документации в форме консолидированных информационных моделей чертежей, текстов пояснений (BIM-моделей) ОС, а с 1 июля 2024 года — и для любых других строительных проектов при представлении их на экспертизу. Для этих целей фирма АСКОН развивает специальную технологию на основе программной системы Pilot BIM [2].
Системы информационного моделирования в строительной сфере, например: Renga, Revit, Archicad, Tekla, Allplan, Bentley, КОМПАС 3D, имеют свои особенности и технологически инвариантны к различным видам ОС гражданского и промышленного назначения. Инвариантность во многом построена на алгоритмах начертательной, аналитической геометрии и общих нормативных стандартных требованиях к проектной документации. Корректное внедрение существующих ТИМ ОС в проектных и иных организациях строительной индустрии происходит путем создания объектно-ориентированные возможностей моделирования конкретных ИМ ОС в соответствии с условиями самих организаций (кадровыми, финансовыми и др.). Учитывая особенности заданий на проектирование конкретных ОС гражданского и промышленного назначения, внедрение и использование технологические средства ТИМ ОС требует постоянной настройки организаций на предметную, объектно-ориентированную область проектируемого ОС при создании ИМ ОС по соответствующим разделам проектно-сметной документации, что предполагает значимое повышение трудозатрат.
Однако, в настоящее время, наибольший эффект внедрения автоматизированных объектно-ориентированных технологий следует ожидать в использовании ОС массового применения, к которым относятся производства объектов малоэтажного жилищного строительства (МЖС) в связи с существующими массовыми запросами общества (по статистике корпорации Дом РФ около 70 % семей хотят жить в малоэтажной жилой среде) [3-5, 7].
Объектами МЖС в данном контексте выступают индивидуальные и блокированные дома до 3-х этажей, мансарды, веранды, гаражи, бани и иные подсобные строения на усадебных участках.
Результаты использования ТИМ в управлении ЖЦ объектов МЖС должны в первую очередь отвечать нормативным требованиям экологичности, экономичности, энергоэффективности (идеология 3-Э) и комфортности жилищной среды. Существенное значение объектной ориентации МЖС связано со строительными системами ОС [3, 5-10]. Данные нормативные требования являются основой создания ТИМ в управлении ЖЦ объектов МЖС и приняты в статье как аксиомы.
Теоретические предпосылки, формализованное построение таких технологий опирается на концептуальную основу и методологию Конструктивного Направления, вытекающую из теории алгорифмов Маркова А,А. и устанавливающую факт, что любой искусственно созданный виртуальный или материальный конструктивный объект (КО) всегда имеет реализующий его конструктивный (алгоритмический) процесс ( К-процесс) [11, 12]. Вводится важный методологический принцип и аксиома порождения К -процессов для получения КО: К -процессы всегда объектно-ориентированы и исполнимы только для конкретного класса ОС, то есть не существуют универсальных К-процессов, которые могут производить все многообразное множество жилых, общественных, промышленных ОС. На основании Конструктивного Направления предложена общая формализованная модель построения автоматизированных технологий и схема разработки, управления и порождения К-процессов для стадий ЖЦ ОС, изложенной в [1,2,5].
Схема формализованного построения автоматизированных технологий управления жизненным циклом СС МЖС представлена на рис.1.
Рис.1. Схема формализованного построения автоматизированных технологий управления жизненным циклом МЖС [1].
Объектно-ориентированная операционная система порождения и управления К-процессами стадий ЖЦ МЖС является информационной средой производства объектов МЖС.
Целью настоящей статьи является изложение специфичных требований к информационному обеспечению ЖЦ объектов МЖС в соответствии с построением К-процессов, представленных на Рис.1.
Методы и модель
Средства информационного обеспечения ЖЦ объектов МЖС согласно [1] включают:
- множества {ИИМikj} и {РИМikj} в составе {СПРikj};
- базы данных и базы знаний строительных нормативов и типовых решений К – процессов МЖС;
- типовые (повторно-применяемые) ИМ инвестиционно-изыскательских, архитектурных, конструктивных, инженерно-технологических эксплуатационных решений на соответствующих стадиях ЖЦ.
Краткое пояснение символов, представленных на Рис.1:
{СПРikj} – слои принятия решений ( j ) в составе стадий ( i ) ЖЦ для формирования порождающих, алгоритмических К- процессов стадий МЖС.
Каждый j–слой содержит множество алгоритмов в виде технологических процедур и операций {ТПОikj} решения задач предметной области при порождении, соответствующих {КОiki}. Достижение этой цели предлагается на основе построения графических сетевых структур (ориентированных сетевых графов), которые включают множества алгоритмов соответствующего j–слоя из предметной области для получения {КОikj}. Для этого множество {ТПОikj} предметной области каждого {СПРikj} объединяются в вершинах графических сетевых моделей. Связи с вершинами в сетевых моделях {ТПОikj}, составляются из исходных (ИИМ) и результативных (РИМ) информационных моделей. Иначе, для каждого элемента из {ТПОikj} на входе существуют исходное множество {ИИМikj}, а на выходе результативный элемент из {РИМikj}, то есть каждому элементу {ТПОikj} ставится в соответствие элемент {РИМikj}. Таким образом, функциональные преобразования (алгоритмы) в каждой {ТПОikj} семантически связаны с промежуточными и конечными целями производства {КОikj}.
Далее рассмотрим особенности расслоения и информационного моделирования объектов МЖС на примере стадии 2 ЖЦ МЖС: проектирования архитектурно-строительных частей.
Все ИМ объектов МЖС включают объемно-планировочные решения (ОПР) в составе помещений (жилых, общих, вспомогательных), а также конструктивные решения (КР): конструкции фундаментов, стен, перекрытий, крыш, перегородок, окон, дверей, полов, потолков и т.п.
Для помещений предельные состояния диктуются нормативными и функциональными требованиями задач строительной физики: строительной климатологии, температурно-влажностного режим, тепловой защиты, вентиляции, звукоизоляции, инсоляции, освещения, радиационной, радоновой зашиты и другими ограничениями.
Для объектов КР при проектировании МЖС в составе конструкции фундаментов, стен, перекрытий, крыши, перегородок, окон, дверей, полов, потолков предельные состояния связаны с нормативными требования решения задач строительной механики, металлических, железобетонных, каменных, деревянных конструкций, конструкций оснований и фундаментов и управляется существующей нормативно-технической базой решения задач I группы (прочность, устойчивость) и задач II группы (деформативность, трещиностойкость) предельных состояний указанных конструкций.
Все элементы ИМ имеют строгую геометрическую привязку модульной системы координат по ГОСТ Р 21.101-2020 – «Основные требования к проектной и рабочей документации».
В модели на Рис.1 «К-процесс 2» приводит к порождению Конструктивных Объектов в виде проектной и рабочей документации на основе существующих нормативных методик расчетов предельных состояний элементов ИМ.
Для каждого конкретного {СПРikj} для объектов МЖС все элементы ИМ (помешения, конструкции) маркируются идентификаторами с содержательным набором переменных и постоянных параметров как в исходных множествах {ИИМikj}, так и в результативных множествах {РИМikj}. Идентификация элементов ИМ в {СПРikj} и составляет объектно-ориентированное содержание {ИИМikjm} и {РИМikj} в К-процессах объектов МЖС.
Представление различного класса элементов ИМ объектов МЖС для К-процессов требует использования аппарата теоретико-множественных операций и преобразований: включения, объединения, выделения, пересечения и др. операций на множествах [13]. Применение подобного аппарата позволит в первую очередь, формировать набор и порядок множеств {ИИМikjm}, и на этой основе готовить области определения для алгоритмов {ТПОikj} решения задач предметной области в виде декартового произведения, создающего единое векторное пространство на входе в {ТПОikj}. Функциональная обработка области определения декартового произведения с помощью алгоритмов {ТПОikj} порождает области значения в виде множества {РИМikj}, а в итоге – конечные {КОi}. Конечные «конструктивные объекты», как правило, соответствуют маркам элементов ИМ с полным составом спецификаций.
Следует отметить, что стандартная идентификация объектов ОПР и КР фиксируется в ИМ на основе существующих понятий и определений на русском языке. Таким образом все помещения и конструктивные части здания будут иметь свои традиционные названия и маркировки на русском языке.
Например, в слое принятия решений {СПР1kj} с кодом СП (свайное поле) для обоснования конструкций (ростверка, свай) разрабатываются модели «К-процессов 2» и в соответствии с требованиями строится ориентированный сетевой граф, вершины которого представляют собой множество {ТПО2jk} для расчетов предельных состояний конструкций свайного поля.
Например, в слое принятия решений с именем «свайное поле» (j=’СП’) множества {СПР2kСП} строится ориентированный сетевой граф для обоснования конструкций (ростверка, свай). Вершины данного графа представляют собой множество {ТПО2kСП} для расчетов предельных состояний конструкций свайного поля.
Связи с {ТПО2kСП} составляются из {ИИМ2kСП} и {РИМ2kСП} конструкций свайного поля.
При расчете свай в слое принятия решений {СПР2kСП} идентификацию подмножества с именем «свая»(«СВ») в {СПР2kСП} (то есть в свайном поле), можно представить как: {ИИМ2kСП (СВn[P])}, где «n» — количество свай, СВ — идентификатор свай, P — список параметров СВn, необходимых для расчетов предельных состояний свай в соответствии с действующими нормативами. Количество свай устанавливает конструктор-проектировщик ЛПР23СП, в соответствии с конкретной конструкцией свайного поля.
Результативная информационная модель свайного поля РИМ2kСП (СВn[P]) содержит конструктивный объект КО2kСП, представляющий собой спецификации, используемые для проектирования и производства свай. Аналогично выполняются расчетные обоснования и для конструкций ростверка в слоях принятия решений на множестве {СПР23РТ}. Полученные результаты используются в разработке рабочей документации и дальнейшего изготовления конструкций свайного поля конкретного объекта МЖС.
Учитывая нерегулярность расположения частей объектов МЖС и их привязку в координатной модульной системе координат в 3D-модели, связанные с индивидуальностью их расположения в ОПР и КР, предлагается для их классификации и идентификации на различных стадий ЖЦ МЖС использовать иерархическую модель представления множества данных частей объектов МЖС [14].
Необходимые параметры материалов и конструктивных элементов из баз данных и знаний МЖС, которые потребуется использовать в {ИИМijkm} и в {РИМijk}, возможно классифицировать на основе московской системы классификации строительных материалов и изделий – МССК, вполне применимой для ТИМ управления ЖЦ ОС [15].
Формальное представление К-процессов для стадий ЖЦ МЖС представим в следующем виде (подробнее смотри в [1]):
{К-процессы1} ≡ {СПР1kj} ⟶ {КО1} (К-процессы предпроектной стадии МЖС);
{К-процессы2} ≡ {СПР2kj} ⟶ {КО2} (К-процессы проектной стадии МЖС);
{К-процессы3} ≡ {СПР3kj} ⟶ {КО3} (К-процессы стадии строительства МЖС);
{К-процессы4} ≡ {СПР4kj} ⟶ {КО4} (К-процессы стадии эксплуатации МЖС);
{К-процессы5} ≡ {СПР5kj} ⟶ {КО5} (К-процессы стадии утилизации МЖС).
Представленные модели и методология формирования ИМ для стадий ЖЦ МЖС являются составной частью требований к созданию средств обеспечения для управления автоматизированными технологиями стадий ЖЦ. Они основаны на наличия объектно-ориентированной операционной системы порождения и управления К-процессами, иначе ОООС управления ЖЦ объектов МЖС [1,10,16].
Проблемы методологии развития средств обеспечения и, собственно, операционной системы являются предметом рассмотрения следующих статей.
Выводы
1. Методологические аспекты информационного моделирования объектно-ориентированных автоматизированных технологий для стадий ЖЦ МЖС связаны с представлением ИМ в виде упорядоченных множеств классов помещений и множества классов конструкций МЖС для их алгоритмического обоснования на соответствие нормативным требованиям расчетов предельных состояний данных объектов.
2. Формализованная модель и схема разработки автоматизированных технологий управления стадиями ЖЦ объектов МЖС в составе объемно-планировочных и конструктивных решений основана на методологии «Конструктивного Направления» Маркова А.А.
3. Объекты МЖС в составе помещений должны удовлетворять предельным состояниям, диктуемым нормативными требованиями для решения задач строительной физики, а также функциональным требованиям МЖС.
4. Объекты МЖС в составе конструкций фундаментов, стен, перекрытий, крыши, перегородок, окон, дверей, полов, потолков и др. должны удовлетворять предельным состояниям, диктуемым нормативными требованиями для решения задач строительной механики, металлических, железобетонных, каменных, деревянных конструкций, конструкций оснований и фундаментов.
5. Идентификация множествв объектов ОПР и КР фиксируется в ИМ на основе существующих понятий и определений на русском языке.
6. Представление объектов МЖС в составе ИМ в виде множеств различных классов обеспечивает математический аппарат операций и преобразований теории графов и множеств.
7. Управление автоматизированными технологиями стадий требуют в конечном итоге наличия объектно-ориентированной операционной системы порождения и управления жизненным циклом объектов малоэтажного жилищного строительства.
1. Losev Y.G., Losev K.Yu. Formalization foundations to computer automated life cycle management technologies of construction facilities // Construction and Architecture [Osnovy formalizatsii postroeniya avtomatizirovannykh tekhnologiy upravleniya zhyznennym tsyklom ob’ektov stroitel’stva // Stroitel’stvo i Arkhitektura]. - 2022 4(37). pp.86-90. ((in Russ., abstract in Eng.). - DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-4
2. Akhmetov D.R., Breus N.L., Mansurov T.T. Common data environment: practical benefits in the implementation of construction projects // The Eurasian Scientific Journal [Sreda obshikh dannykh: prakticheskaya pol’za pri realizatsii stroitel’nykh proektov // Vestnik Evraziyskoy Nauki]. - 2022 14(3). (in Russ., abstract in Eng.).- URL: https://esj.today/PDF/35SAVN322.pdf
3. Losev Y.G., Losev K.Yu. Development of low-rise housing construction based on building systems using composite gypsum concretes // Construction Materials Russia [Razvitie maloetazhnogo zhilishnogo stroitel’stva na osnove stroitel’nykh system s primineniem kompozitsionnykh gipsobetonov // Stroitel’nye Materialy]. - 2021 10. pp.60-64. (in Russ., abstract in Eng.).- DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-796-10-60-64
4. Dubrov A.P. [Ekologiya zhilisha i zdorov’e cheloveka] Ecology of the home and human health. Ufa: Slovo. 1995. 96 p. (In Russian).
5. Losev Y.G., Losev K.Yu. [Stroitel’nye sistemy zdorovogo doma // Sovremennye stroitel’stvo i arkhitektura] Construction systems of a healthful house //. Modern Construction and Architecture. - 2018 4. pp.18-22. (in Russ., abstract in Eng.).. - DOI: https://doi.org/10.18454/mca.2018.12.1
6. Ginzburg A.V., Kulikova E.N., Pavlov A.S., Vainshtein M.S. Interoperability in construction design by means of information modeling technologies // The Eurasian Scientific Journal [Obespecheniye interoperabel’nosti pri proektirovanii s primeneniem technologiy informatsionnogo modelirovaniya // Vestnik Evraziyskoy Nauki]. - 2019 6(11). (In Russian). - URL:https://esj.today/PDF/25SAVN619.pdf
7. Losev K.Yu. Buildings and structures life-cycle information specific // The Eurasian Scientific Journal [Informatsionnye osobennosti zhiznennogo tsykla zdaniy I sooruzheniy // Vestnik Evraziyskoy Nauki]. - 2021 1(13). (in Russ., abstract in Eng.). - URL: https://esj.today/PDF/13SAVN121.pdf
8. Losev Y.G., Losev K.Yu. Low rise residential construction as the basis of building industry innovative development // The Eurasian Scientific Journal. [Maloetazhnoye stroitel’stvo kak osnova innovatsionnogo razvitiya stroitel’noy otrasli // Vestnik Evraziyskoy Nauki] - 2021 2(13). (in Russ., abstract in Eng.). - DOI:https://doi.org/10.15862/10SAVN221
9. Krupnov Yu.V., Krivov A. [Dom v Rossii. Natsional’naya ideya]. A house in Russia. The National idea. - Moscow: Olma-Press. 2004. 416 p. (In Russian).
10. Losev Y.G., Losev K.Yu. Prerequisites for Construction Objects Automated Life Cycle Technologies Development // Housing Construction [Predposylki razrabotki techno;ogiy avtomatizatsii zhinennogo tsylka ob’ektov stroitel’stva // Zhilishchnoe Stroitel’stvo]. 2022. No. 5, pp. 33-43. (in Russ., abstract in Eng.). - 2022. 5. pp.33-43. DOI:https://doi.org/10.31659/0044-4472-2022-5-33-43
11. Markov A.A. The Constructive direction // Philosophical Encyclopedia [Konstruktivnoye napravleniye // Philosofskaya enciklopediya]. - Vol.3. Moscow: Soviet Encyclopedia. 1964. (In Russian). - URL: http://philosophy.niv.ru/doc/encyclopedia/philosophy/articles/528/konstruktivnoe-napravlenie.htm
12. Markov A.A. The theory of algorifms. // Proceedings of the Steklov Mathematical Institute [Teoriya algorifmov // Trudy matematicheskogo instituta im.Steklova]. Moscow - Vol.42. (In Russian).
13. Berztiss A. Data Structures: Theory and Practice. - Academic Press, Inc. 1971. 408 p.
14. Volkodav V.A., Volkodav I.A. Development of the structure and composition of a building information classifier towards the application of BIM technologies // Vestnik MGSU. Monthly Journal on Construction and Architecture [Razrabotka struktury i sostava klassifikatora stroitel’noy informatsii dlya primineniya BIM-tekhnologiy // Vestnik MGSU]. - 2020. 15(6). - pp. 867-906. (in Russ., abstract in Eng.). - DOIhttps://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.6.867-906
15. Timchenko V.S., Volkodav V.A., Volkodav I.A., Timchenko O.V., Osipov N.A. Development of classification tables “Process management”, “Design processes” and “Information” of the classifier of construction information for creating and maintaining information models of capital construction objects // Vestnik MGSU. Monthly Journal on Construction and Architecture [Razrabotka elementov klassifikatora stroitel’noy informatsii dlya sozdaniya i vedeniya Informatsionnykh modeleyob’ektov kapital’nogo stroitel’stva v chasti processov proektirovaniya, upravleniya stroitel'nymi processami i stroitel'noy informatsii // Vestnik MGSU]. - 2021. 16(7). pp. 926-954. (in Russ., abstract in Eng.). - DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2021.7.926-954
16. Losev K.Yu., Losev Yu.G. Towards the methodology of automation of buildings and structures life cycle // The Eurasian Scientific Journal [K metodologii avtomatizatsii zhiznennogo tsykla zdaniy i sooruzheniy // Vestnik Evraziyskoy Nauki]. - 2022. 14(1). (in Russ., abstract in Eng.). - DOI:https://doi.org/10.15862/09SAVN122
