Russian Federation
Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом
UDK 681.5 Автоматика. Теория, методы расчета и аппаратура систем автоматического управления и регулирования. Техническая кибернетика. Техника автоматизации
UDK 004.94 Компьютерное моделирование
The subject area of the article is construction facilities life cycle management, where the object-oriented automated technologies of low-rise housing construction are the subject of consideration. The purpose of this study is to describe the meta-structure of such technologies, consisting of a set of hierarchical structures of the finite elements (premises, structures, engineering equipment, etc.) and for this meta-structure definition the concept of low-rise housing estate construction facilities integrity is introduced. The object of the article's research is hierarchical data structures, on the basis of which object-oriented databases and knowledge bases are formed, serving automated technologies for construction facilities integrity generation within all stages of the life cycle. The article uses the method of decomposition of the low-rise housing estate construction facilities integrity into a variety of automated technologies and their constituent hierarchical data structures, which allows us to identify all subject areas of objects of manor low-rise housing estate construction for computational justifications of the limiting states of finite elements (objects) of architecture, building structures, engineering equipment. Hierarchical structures create a standardized basis for the organization of finite element information models for managing the life cycle of manor low-rise estate housing construction. Decision-makers should prepare hierarchical data structures and algorithms for calculating the justifications for finite elements. The article presents examples of hierarchical data structures schemes for the design stage tasks solving. It is concluded that all information models of finite elements on a variety of subject areas of manor low-rise estate housing construction objects arise during the execution of constructive (algorithmized) processes in the decision-making layers of the corresponding stages of the life cycle of construction objects. It is concluded that all information models of finite elements on a variety of subject areas of manor low-rise estate housing construction objects arise during the execution of constructive (algorithmized) processes in the decision-making layers of the corresponding stages of the life cycle of construction objects. A structuring condition is also proposed: if the main link of the life cycle management technology is the information model of the object, then the fundamental condition for object orientation and meaningful filling of hierarchical data structures is the construction system used in this construction object, as a set of load-bearing and enclosing structures, its components and materials used. The proposed approach will make it possible to create and maintain a shared data environment on a regular and ongoing basis as part of a set of hierarchical data structures of the construction projects under consideration. In the development, it becomes possible to qualitatively improve the technological conditions for decision-making according to various criteria, including criteria for environmental friendliness, energy efficiency, economy, comfort for low-rise residential buildings using neural network data structures and the use of artificial intelligence algorithms. The above together is the basis for the formation of a modern innovative technological order for the objects of estate low-rise housing construction.
life cycle, hierarchical data structures, innovative technological order, information model, low-rise construction, object-oriented automated technology, operation system, limit states of construction facilities data, building system, low-rise housing estate construction facilities integrity
Введение
Управление жизненными циклом объектов усадебного малоэтажного жилищного строительства (ОУМЖС) требует наличия объектно-ориентированных автоматизированных технологий такого строительства. Создание моделей технологий, их реализация в работающие образцы сопряжено с описанием мета-структуры таких технологий, состоящей из множества иерархических структур данных помещений, конструкций, инженерного оборудования и других конечных элементов, для определения которой вводится понятие целостности ОУМЖС в составе жилых домов, гаражей, бань, веранд, различных хозпостроек. Объектом исследования статьи выступают иерархические структуры данных, на основе которых формируются объектно-ориентированные базы данных и базы знаний, обслуживающие автоматизированные технологии порождения целостности для всех стадий жизненного цикла строительных объектов: инженерных изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации и утилизации. Такая декомпозиция целостности ОУМЖС на иерархические структуры данных, позволяет выявить все предметные области ОУМЖС для расчетных обоснований предельных состояний конечных элементов (объектов) архитектуры, строительных конструкций, инженерного оборудования.
Целостность построенных ОУМЖС во всей их многосторонности и индивидуальном многообразии наглядно представлена в составе усадебного жилого поселка на рис. 1.
Рис. 1. Объекты малоэтажного жилищного строительства.
Автор фото Константин Долгановский [1]
Очевидно, что понятие целостности ОУМЖС возникает и объяснимо в условиях пригодности эксплуатации построенного строительного объекта в полном соответствии его функциональному назначению и его информационной модели как объекта капитального строительства (ОКС) [2,3, 4].
Методы и модель
Целостность ОУМЖС выступает как метрика качества процесса отображения информационной модели ОКС из виртуальной в природную среду и возникает как результат материализации разделов, созданных проектировщиками в виде цифровых информационных моделей (ЦИМ) или в традиционной инфографии проектно-сметной документации на электронных или бумажных носителях как проекции частей ЦИМ [5-8]. Целостность как метрика — соответствие функциональному назначению и соответствие информационной модели объекта строительства может быть задана в удельных величинах, например в процентах, либо с применением последовательного шкалирования: «высокий», «средний», «низкая», вплоть до бинарной шкалы: «есть», «нет» [9]. Данные процессы реализуются автоматизировано, то есть ими управляют подготовленные специалисты — лица, принимающие решения (ЛПР).
Результат возникновения метрики целостности ОУМЖС вполне рационален, но по значимости его также можно соотнести и с «иррациональным» актом рождения нового, раннее не существовавшего ОКС. В этом замечании заложен междисциплинарный смысл понятия целостности. Впрочем, данное замечание относиться также и ко всему множеству других материальных объектов (изделий), создаваемых в строительной (и любой другой) деятельности социума.
Следовательно, создание множества технических объектов из составляющих их конечных элементов и характеризующих эти конечные элементы данных всегда являлось и остается одной из исходных аксиом формирования среды развития всех сфер жизнедеятельности. Данная аксиома формирует требования к объектно-ориентированным базам данных и базам знаний, которые используют автоматизированные технологии ОУМЖС.
Декомпозиция целостности ОУМЖС на составные конечные элементы (КЭ): архитектурные элементы, элементы конструкций, оборудования, инженерных сетей и т.п., — с опорой на теорию множеств, теорию графов наиболее полно представлено с помощью иерархических структур данных [10-13]. Обобщая, возможно определить КЭ, как любой элемент информационной модели технического объекта (здания, сооружения), требующий конструктивных обоснований.
Первоочередным требованием любого КЭ является жесткая геометрическая привязка в пространственной системе координат, устанавливающая его местоположение в консолидированной ЦИМ. Методологической основой геометрической привязки КЭ являются традиционные модульные координатные сетки: ортогональные, полярные и другие (ГОСТ Р 21.101-2020 – «Основные требования к проектной и рабочей документации»). Соответственно, координатные сетки осей для привязки всех КЭ заложены в технологиях информационного моделирования и разработки ЦИМ [4].
Иерархические структуры данных являются объектами функциональных преобразований при выполнении компоновок, расчетов, конструирования, графического представления КЭ и аналогичных операций.
По существу, декомпозиция целостности ОУМЖС на множество автоматизированных технологий и составляющих их иерархических структур данных позволяет выявить все предметные области ОУМЖС для расчетных обоснований предельных состояний КЭ (объектов) архитектуры, строительных конструкций, инженерного оборудования. В данном случае подразумеваются не процессы геометрического информационного моделирования, но процессы расчетных обоснований КЭ для такого моделирования.
Роль и значение ЛПР в указанных процессах очевидна, так как ЛПР всегда опирается на накопленный опыт и знания предметной области КЭ архитектуры (например, компоновки помещений), строительных конструкций (например, расчетов несущих стен и перекрытий), инженерного оборудования (например, расчетов теплоснабжения) и внешних сетей [6, 7, 14].
При этом все данные в составе иерархических структур данных имеют как постоянный (константы), так и переменный (параметрический) характер. Постоянные данные содержат значения, закрепленные в нормативно-технических документах (ГОСТ, СП, ТУ, типовые проекты и серии) и фиксируются в базах данных и знаний автоматизированных технологий ОУМЖС. Переменные данные устанавливают ЛПР как исходные параметры и свойства моделирования предметных областей ОУМЖС и преобразований над их КЭ. Эти параметры и свойства должны соответствовать заданиям Заказчиков и нормативным требованиям к КЭ. В итоге, в результате работы автоматизированных технологий все параметрические данные принимают постоянные значения, которые фиксируются и сохраняются в составе иерархических структур данных для конкретных ОУМЖС.
Таким образом представленные иерархические структуры данных и составляющие их множества {КЭ} создают стандартизированную основу организации информационных моделей КЭ для управления жизненным циклом ОУМЖС. При этом именно ЛПР формализуют и моделируют в автоматизированных процессах различных стадий жизненного цикла порождение множества информационных состояний КЭ во времени. Данная сложная совокупность состояний КЭ в виде иерархических структур данных (в свою очередь составляющих объектно-ориентированные автоматизированные технологии ОУМЖС) и есть информационная модель строительного объекта [15-17]. Схема связей модели представлена на рис.2.
Рис. 2. Структура управления жизненным циклом строительного объекта
с позиции объектно-ориентированных автоматизированных технологий для ОУМЖС
Очевидно, что множества {КЭ}11, {КЭ}12, … {КЭ}NM (где N — предметная область, M — слой принятия решения) отражают назначение, конкретное содержание иерархических структур данных КЭ ОУМЖС, связанные с особенностями моделирования предметных областей ОУМЖС.
Формально для закрепления в стадиях особенностей множеств {КЭ} ОУМЖС предлагается следующая индексация множеств {КЭ} в виде – КЭijmk, где:
i — индекс стадии жизненного цикла ОУМЖС;
j — индекс предметной области КЭ на стадии i;
m — индекс слоя принятия решения в предметной области j;
k — индекс значения конкретных наборов данных для КЭk в слое m в предметной области j на стадии i.
Характерная запись каждого КЭijmk, включенного в состав иерархических структур данных, содержит идентификатор (имя) и список конкретных значений данных.
Данная сложная совокупность состояний КЭijmk, из которых построены иерархические структуры данных (которые в свою очередь входят в состав объектно-ориентированных автоматизированных технологий ОУМЖС) тождественна информационной модели конечного элемента строительного объекта во всей его целостности, то есть КЭijmk.
Информационные модели КЭiijmk порождаются в слоях принятия решений при исполнения конструктивных алгоритмизированных процессов на стадиях жизненного цикла ОУМЖС (Кijmk-процессы) [13,14].
Формализованные модели слоев принятия решений представлены в виде ориентированных сетевых графов, где вершины являются процедурами (функциями, методами) обработки исходных информационных моделей КЭijmk через промежуточные в результативные модели, а ребрами (связями) являются сами информационные модели КЭijmk [13, 15, 16]. При этом, как правило, требуется использовать аппарат теоретико-множественных преобразований иерархических структур данных в целях построения областей определения процедур и отображения их в область значений процедур.
Полученные итоговые результативные информационные модели КЭijmk представляются в форме набора результатов:
КЭ1ijmk в виде изысканий, ТЭО, инвестиционного плана, i=1;
КЭ2ijmk в составе задания на проектирование, проектно-сметной документации, i=2;
КЭ3jmk в натуральном виде в составе возведенного строительного объекта и исполнительной документации, i=3;
КЭ4jmk в натуральном виде при эксплуатации, ремонте, реконструкции и реставрации объекта, i=4;
КЭ5jmk в натуральном виде при утилизации объекта.
Очевидно, все множества {КЭ}jmk ОУМЖС для различных стадий жизненного цикла имеют существенные различия.
Далее представим наглядные примеры схем иерархических структур данных {КЭ}2ijmk ОУМЖС (для стадии проектирования). Схема индексации объектов на участке застройки представлена на рис. 3:
Рис. 3. Содержательные индексы целостности
для объектов усадебного малоэтажного жилищного строительства
Индексы предметных областей «j» на стадии проектирования (i=2) используют базы данных и знаний предметных областей. Индексы предлагается поставить в соответствие со структурой проектной документации (Постановление Правительства РФ от 16.02.2008 №87). Тогда, структура предметных областей жилых домов на стадии проектирования {КЭ}Ж2 1 mk принимает вид на рис. 4:
Рис. 4. Структура предметных областей жилых домов на стадии проектирования
АРЖ2 3 mk — архитектурные решения (для обоснования требований строительной физики и компоновки жилого дома);
КРЖЖ2 4 mk — конструктивные решения (для обоснования требований предельных состояний прочности, устойчивости, деформативности, долговечности конструкций жилого дома);
ИОСЖЖ2 5 mk — инженерное оборудование, для инженерных систем жилого дома: электроснабжение, водоснабжение, водоотведение, теплоснабжение и др.
СМЖЖ2 11 mk — ресурсная смета на строительство жилого дома.
Задачи слоев принятия решений (операции над ориентированными сетевыми графами) на стадии проектирования для предметной области жилых домов представлены на рис. 5:
Рис. 5. Набор задач (слои принятия решений) для АР
Вариативность индекса «k» определяется количеством наборов данных по задачам конкретного слоя принятия решений. Эти данные представлены в требованиях соответствующих нормативно-технических документов [7].
Например, для слоя принятия решений «Задачи теплотехники КЭЖ2 3 2 k» необходимо выполнение требований СП 80.13330.2012 «Тепловая защита зданий»: по теплопередаче, теплоустойчивости, воздухопроницаемости, переувлажнению ограждающих конструкций. Итоговые оценки результатов расчетов всегда осуществляет ЛПР уровня «Пользователя».
Далее рассмотрим структуру предметной области конструктивных решений жилых домов КРЖ2 4 mk. Фрагмент структуры предметной области показан на рис.6:
Слои принятия решений при проектировании конструкций ориентированы на расчеты и нормативные обоснования всех требований предельных состояний (прочности, устойчивости, деформативности) конструкций: оснований, фундаментов, стен, перекрытий, покрытий, крыши и других, включая обоснования подобранных марок, спецификаций конструкций в составе рабочей документации [6].
Рис.6. Пример конечных элементов и слоев принятия решений для КР
Вышеизложенное позволяет предложить по принципу аналогии следующее условие для иерархических структур данных ОУМЖС: если основным звеном технологий управления жизненным циклом является информационная модель объекта, то основополагающим условием объектной ориентации и содержательного наполнения иерархических структур данных является применяемая в данном строительном объекте строительная система, как совокупность несущих и ограждающих конструкций, их узлов и используемых материалов.
В разработке объектно-ориентированных автоматизированных технологий для управления жизненным циклом ОУМЖС важным является выбор строительной системы в виде: каркасных, каркасно-щитовых, монолитных и смешанных конструкций из цементо-, гипсо-, известковых бетонов, композиционных бетонов и изделий на их основе: различных мелкоштучных кирпичей, блоков и множества их конструктивных сочетаний [19]. Необходимо отметить, что приоритетами авторов являются в выборе строительной системы для ОУМЖС являются системы с применением монолитных композиционных бетонов, обладающими обоснованными преимуществами [17, 18].
Предложенный подход позволит на регулярной и постоянной основе создавать и поддерживать среду общих данных в составе множества иерархических структур данных рассматриваемых объектов строительства и позволит качественно совершенствовать условия принятия решений на основе нейросетевых структур данных и алгоритмов искусственного интеллекта, поскольку создание и регулярное накопление иерархических структур данных в реальном производстве по-существу формирует наборы данных (datasets) для обучения нейросетей [2, 20]. Изложенное в совокупности является основой формирования современного инновационного технологического уклада ОУМЖС [18].
Выводы
1. Все информационные модели конечных элементов на множестве предметных областей объектов усадебного малоэтажного жилищного строительства возникают при исполнения конструктивных (алгоритмизированных) процессов в слоях принятия решений соответствующих стадий жизненного цикла объектов строительства.
2. Вводится понятие целостности объектов малоэтажного усадебного жилищного строительства для обоснования декомпозиции их частей на множестве иерархических структур данных конечных элементов, что особенно важно в условиях применения автоматизированных технологий.
3. Целостность объектов малоэтажного усадебного жилищного строительства является метрикой качества процесса отображения информационной модели строительного объекта из виртуальной в природную среду.
4. Иерархические структуры данных создают стандартизированную основу организации информационных моделей конечных элементов для управления жизненным циклом объектов усадебного малоэтажного жилищного строительства в составе стадий изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации, утилизации.
5. Важным условием объектной ориентации и содержательного наполнения иерархических структур данных является применяемая в объекте строительная система, как совокупность несущих и ограждающих конструкций, их узлов и используемых материалов.
6. Предложенный подход позволит на регулярной и постоянной основе создавать и поддерживать среду общих данных в составе множества иерархических структур данных рассматриваемых объектов строительства и позволит качественно совершенствовать условия принятия решений на основе нейросетевых структур данных и алгоритмов искусственного интеллекта.
1. Entsov D. Construction error. // New Companion. 12.11.2019. URL: https://www.newsko.ru/articles/nk-5482090.html (date access 05.02.2024)
2. Losev Yu.G., Losev K.Yu. Low-rise housing construction as a basis for innovative development of the construction industry. Vestnik evraziiskoi nauki [The Eurasian Scientific Journal]. 2021. No. 2. (In Russian).
3. Krivov A., Krupnov Yu.V. Dom v Rossii. Natsional’naya ideya [House in Russia. National idea]. Moscow: Olma-Press, 2004. - 416 p. (In Russian).
4. Maloetazhnoe zhilishnoye stroitel’stvo [Low rise housing construction]. Pod red. Prof.Asaula A.N. SPb.: Humanistica. 2005. - 560 p.
5. BIM-tekhnologii v stroitel’stve: funkcii, razvitie i opyt primeneniya [BIM-technologies in construction: functions, development and application experience] / Abramyan S.G., Burlachenko O.V. et al. // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel’nogo universiteta. Seria: Stroitel’stvo i arkhitektura. - 2021. Issue 1(12). Pp. 323-332
6. Spravochnik sovremennogo proektirovshika [Handbook of a modern designer]. Pod red. Prof. Mailyan L. R. Rostov-upon-Don: Phoenix. 2007. - 540 p.
7. Spravochnik sovremennogo arkhitektora [Handbook of a modern architect]. Pod red. Prof. Mailyan L. R. Rostov-upon-Don: Phoenix. 2010. - 632 p.
8. Fürber C. Data Quality Management with Semantic Technologies. Springer. 2015. pp. 20-55. ISBN 9783658122249
9. Maiezza P. As-Built Reliability in Architectural HBIM Modeling, Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLII-2/W9. p.461-466. 2019
10. Mangreim M.L. Ierarkhicheskie struktury. Model proccesov proektirovaniya i planirovaniya [Hierarchical structures. A model of design and planning processes]. Moscow: Mir, 1970. - 127 p.
11. Berzetis A.T. Struktury dannykh [Data structures]. Moscow: Statistica. 1974. 234 p.
12. Akho A.V., Hopecroft D.A., Ulmann D.D. Struktury dannykh i algoritmy [Data structures and algorythms]. Moscow: Wiliams Publishing House. 2003. - 384 p.
13. Losev Yu.G., Losev K.Yu. Prerequisites for Construction Objects Automated Life Cycle Technologies Development. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2022. No. 5, pp. 33-43. (In Russian).
14. Solovev A.K. Physika sredy[Physics of the environment]. Moscow: ASV. 2011. 341 p.
15. Losev Yu.G., Losev K.Yu. Formalization foundations to computer automated life cycle management technologies of construction facilities. Stroitel’stvo i arkhitektura [Construction and architecture]. 2022. No. 4 (37). pp. 86-90. (In Russian).
16. Losev Yu.G., Losev K.Yu. Formalization foundations to computer automated life cycle management technologies of construction facilities. Stroitel’stvo i arkhitektura [Construction and architecture]. 2023. Vol. 11, No. 1(38). (In Russian).
17. Losev Yu.G., Losev K.Yu. Formation of a low-rise housing construction technological order with the use of monolithic composite gypsum concrete. Zhilishchnoe Stroitel’stvo [Housing Construction]. 2023. No. 8, pp. 11-20. (In Russian).
18. Losev Yu.G., Losev K.Yu. Development of low-rise housing construction based on building systems using composite gypsum concrete. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2021. No. 10, pp. 60-64. (In Russian).
19. Information system "Low rise construction" [Maloetazhnoe stroitel’stvo] on the program mule base of NormaCS PRO. URL:http://www.steps.ru/product/maloetazhnoe_stroitelstvo_informatsionnaya_sistema (date of access: 15.01.2024)
20. Eremenko Yu.I. Intellektual’nye sistemy prinyatiya resheniy i upravleniya [Intelligent decision-making and management systems]. Stary Oskol: Tonkiye naukoyemkie tekhnologii. 2016. - 401 p.
