Россия
Видное, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.00 СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА
ОКСО 08.00.00 Техника и технологии строительства
ББК 3 ТЕХНИКА. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТБК 5 ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ. ТЕХНИКА. МЕДИЦИНА
BISAC TEC TECHNOLOGY & ENGINEERING
В статье рассматривается актуальная проблема научно-обоснованного выбора технологических решений при производстве бетонных работ в условиях возведения высотных монолитных зданий (свыше 75 м). Обоснована необходимость разработки специализированной системы поддержки принятия решений, учитывающей комплексное влияние высотности, климатических факторов, логистических ограничений и реологических свойств высокопрочных бетонных смесей. Целью исследования является формирование концептуальной модели, интегрирующей модули анализа технологичности конструкций, ресурсного обеспечения и календарно-логистического моделирования на базе ТИМ-технологий (5D). В работе проанализированы основные методы подачи бетонной смеси на высоту (стационарные бетононасосы, крановые бадьи) и типы опалубочных систем, выявлены их преимущества и ограничения в контексте высотного строительства. Предложен алгоритм многокритериальной оценки альтернативных вариантов, включающий технические, экономические и технологические критерии. Разработан интегральный показатель эффективности бетонных работ (Эбет), учитывающий объем укладки, продолжительность цикла, себестоимость и коэффициенты надежности. Предложенная концепция прошла успешную апробацию при проектировании 45-этажного здания. Применение стационарных бетононасосов вместе с самоподъемной опалубкой позволило добиться повышения интегральной эффективности на 34 %, что стало следствием сокращения продолжительности строительства и снижения трудоемкости процессов. Полученные результаты станут полезным инструментом для проектировщиков и строителей при разработке проектов производства работ и в ходе строительного контроля. В дальнейшем планируется формирование баз знаний и использование искусственного интеллекта для автоматизации выбора оптимальных режимов укладки бетонной смеси.
бетонные работы, высотное строительство, организационно-технологические решения, система принятия решений, BIM-технологии, бетононасосы, опалубочные системы, зимнее бетонирование
Введение
Производство бетонных работ в высотном строительстве (здания выше 75 м) является ядром технологического цикла возведения монолитного каркаса. От скорости и качества укладки бетонной смеси напрямую зависит не только темп возведения этажей, но и конечная пространственная жесткость сооружения. Возведение высотных зданий неизбежно сталкивается с комплексом взаимосвязанных технологических ограничений. Ключевое из них — необходимость подачи бетонной смеси на отметки, находящиеся за пределами технических возможностей стандартного насосного оборудования. Ситуация усугубляется тем, что материал должен сохранять проектные реологические свойства в течение времени, достаточного для транспортировки, а его твердение протекает в среде, характеризующейся экстремальными ветровыми нагрузками, перепадами температур по высоте и низкой влажностью. Указанные факторы превращают процесс бетонирования в зону максимального риска для всего проекта.
При анализе существующих методических подходов выявляется системный дисбаланс. Часть методик фокусируется исключительно на механике укладки смеси, игнорируя общую логистику строительной площадки. Другие, напротив, допускают чрезмерное упрощение, рассматривая высотное бетонирование как типовой линейный процесс. Подобный разрыв на этапе проектирования ведет к тому, что из поля зрения выпадают критические параметры: цикличность работы бетононасосов, продолжительность технологических перерывов, необходимых для набора прочности несущих конструкций в условиях высотного строительства, а также специфика зимнего обогрева бетона на открытой захватке [1].
Цель данной работы — преодолеть указанные крайности, предложив концептуальную модель системы поддержки принятия организационно-технологических решений (СППР). Инструмент призван еще на стадии подготовки строительства обеспечивать выбор таких параметров бетонирования, которые позволяют достичь рационального баланса между темпом выполнения работ, качеством возводимых конструкций и затрачиваемыми ресурсами
Материалы и методы
Процесс бетонирования в условиях высотного строительства существенно отличается от аналогичных работ в малоэтажном или гражданском строительстве [2]. Можно выделить три ключевых блока проблем, которые должна учитывать концептуальная система:
- Технологические ограничения бетона: необходимость использования высокопрочных смесей (В40–В60 и выше) с повышенной вязкостью, что усложняет их транспортировку по бетоноводам. Жесткие временные рамки «жизни» смеси до начала схватывания требуют синхронизации поставок с темпом укладки [3].
- В рамках организации вертикального транспорта ключевыми ограничителями выступают, с одной стороны, ограниченный ресурс башенных кранов при перемещении бетона в бадьях, с другой — требование бесперебойной работы стационарных бетононасосных установок. Практика строительства высотных объектов показывает, что в таких условиях неизбежно применение насосов высокого давления совместно с системами переключения потоков смеси. Дополнительную группу факторов составляют климатические и высотные условия: возрастание ветровых нагрузок по мере увеличения этажности снижает эффективность подачи бетона бадьей, а изменение температурного режима диктует необходимость адаптации процессов выдерживания бетона и организации его зимнего прогрева.
Указанные обстоятельства обусловили разработку концепции системы принятия решений, в основу которой положена интеграция технологического проектирования с цифровой информационной моделью здания (ТИМ). Архитектура предлагаемого решения включает в себя четыре функциональных блока.
Результаты
Специфика бетонирования при возведении высотных объектов имеет принципиальные отличия от аналогичных процессов, реализуемых в сегменте малоэтажного и гражданского строительства [2]. Данные различия определяются не только пространственными характеристиками сооружений, но и значительным усложнением всей совокупности технологических взаимосвязей. В рамках предлагаемой концептуальной системы поддержки принятия решений целесообразно выделить три основные группы факторов, подлежащих учету.
Первая группа факторов связана с технологическими характеристиками бетонной смеси. Повышенные требования к несущей способности вертикальных конструкций в высотном строительстве диктуют применение высокопрочных составов классов В40–В60 и выше. Такие смеси, как правило, обладают высокой вязкостью, что способствует росту гидравлического сопротивления при движении по бетоноводам на значительную высоту и требует более мощного насосного оборудования. При этом для обеспечения перекачиваемости современные высокопрочные бетоны проектируются как высокоподвижные с применением эффективных пластификаторов и модификаторов. Ограничением выступает не столько реологическая сложность смеси, сколько продолжительность сохранения её технологических свойств: интервал между затворением и началом схватывания (жизнеспособность), регулируемый комплексом химических добавок, для высокопрочных составов часто не превышает 90–120 минут.
Именно поэтому критически важна точная синхронизация двух графиков — доставки смеси на объект и темпа её укладки в опалубку. Даже незначительный сбой по времени провоцирует цепную реакцию проблем: либо смесь начинает схватываться в бетоноводе, выводя его из строя, либо в уложенной конструкции формируются дефекты структуры, препятствующие набору проектной прочности [3].
Отдельную сложность представляет организация вертикального транспорта. На высотных объектах башенные краны практически сразу становятся лимитирующим ресурсом. Подача бетона в бадьях с помощью крана допустима лишь при малых объёмах и относительно небольшой высоте. С ростом отметок длительность каждого цикла — подъём гружёной бадьи, спуск порожней — резко увеличивается, а производительность метода катастрофически падает. Поэтому при возведении зданий высотой от 200–300 метров требуется принципиально иной подход: здесь необходимо применение стационарных бетононасосов высокого давления, способных стабильно транспортировать смесь на проектные отметки. Дополнительно требуется организация системы распределения бетона по ярусу с использованием распределительных стрел, монтируемых на перекрытиях, что позволяет обслуживать несколько захваток от одной насосной станции.
Третий блок — климатическое и высотное воздействие. С увеличением высоты строительства возрастает скорость ветра, что создает серьезные препятствия для подачи бетона бадьей открытым способом из-за раскачивания груза и риска расслоения смеси. Одновременно перепады температур, особенно в зимний период, требуют корректировки режимов выдерживания бетона и применения систем электропрогрева. Эти факторы необходимо учитывать уже на стадии организационно-технологического проектирования.
В связи с этим предлагаемая Концепция системы принятия решений базируется на интеграции технологического проектирования с цифровой информационной моделью здания (ТИМ) и включает четыре функциональных модуля, обеспечивающих сквозной цикл анализа и оптимизации.
Структура концептуальной модели и ее функциональные модули
Модуль анализа технологичности конструкций является первым и основополагающим элементом системы. На основе ТИМ-модели производится сегментация здания на технологические захватки и бетонируемые участки. Система автоматически, на основе геометрических параметров модели, рассчитывает объемы укладки бетонной смеси для каждого яруса, дифференцируя конструкции по типам: колонны, стены ядра жесткости, пилоны, диафрагмы, перекрытия. Для каждого типа конструкций определяются пиковые нагрузки на трудовые и материальные ресурсы, что позволяет избежать локальных дефицитов мощности в процессе производства работ.
Модуль ресурсного обеспечения представляет собой специализированную базу данных, аккумулирующую информацию по нескольким направлениям. Во-первых, это типы опалубочных систем — от традиционной щитовой опалубки до специализированных самоподъемных систем для ядер жесткости. Во-вторых, это характеристики бетононасосного оборудования: производительность, максимальная высота подачи, диаметр бетоноводов, тип привода. В-третьих, модуль содержит нормативные и фактические данные по режимам твердения бетона, включая параметры термосного выдерживания, электропрогрева и применения противоморозных добавок, что особенно актуально для зимнего бетонирования в условиях открытой высоты [4, 5].
В составе концептуальной системы выделяется блок календарно-логистического моделирования, реализованный на принципах ТИМ. Его функциональное назначение заключается в динамической увязке графиков доставки бетонной смеси с режимами эксплуатации механизированных средств и занятости персонала. Основой для такой увязки выступает построение циклограммы укладки бетона, при формировании которой в обязательном порядке учитывается временной интервал, необходимый для достижения распалубочной прочности конструкций. Функционал данного блока предоставляет возможность проработки альтернативных вариантов организации технологического процесса, идентификации проблемных звеньев в системе транспортировки и распределения материалов, а также корректировки порядка бетонирования отдельных захваток с целью достижения безостановочной работы насосного парка.
Блок многокритериального анализа является завершающим элементом системы, обеспечивающим сравнение альтернативных вариантов производства работ [6-8]. Здесь выполняется оценка сформированных вариантов по комплексу технических, экономических и технологических критериев, что позволяет перейти от субъективного выбора к объективному ранжированию альтернатив на основе математических методов.
Процесс принятия решений в рамках предложенной концепции предлагается строить по следующему алгоритму, состоящему из четырех последовательных этапов [9-12].
Первый вариант организации работ — базовый: автобетононасос используется для подачи смеси на промежуточную отметку в пределах его досягаемости, после чего дальнейший подъём осуществляется башенным краном в бадьях. Такая схема оправдана при небольших объёмах бетонирования или в стеснённых условиях, когда доступ техники к участку производства работ иным способом затруднён, — её преимуществом является очевидная гибкость. Платой за эту гибкость становится производительность, которая с набором высоты стремительно снижается.
Второй вариант — высотный. Здесь в игру вступает стационарный бетононасос высокого давления, разводка от которого идёт через горизонтальные распределительные стрелы. Стрелы эти наращивают и переставляют с этажа на этаж по мере роста коробки. Главное преимущество такого решения — непрерывная подача смеси и возможность укладывать бетон с высокой интенсивностью на любой стадии стройки [13-15].
Дальше встаёт вопрос выбора опалубки и режима выдерживания бетона. Для ядер жёсткости, на которые ложится вся работа по восприятию горизонтальных нагрузок, лучшим решением давно признаны самоподъёмные системы. Они поднимаются вверх без разборки, не требуют демонтажа и за счёт этого дают стабильно высокое качество поверхностей. Для перекрытий рационально использование щитовой или тоннельной опалубки, позволяющей организовать поточное производство работ. На этом этапе вводится специальный коэффициент высотной сложности (Кв), который корректирует нормативные затраты труда и машинного времени с учетом высоты производства работ, ветровой нагрузки и стесненности условий на высоте.
Затем моделирование процесса бетонирования в ТИМ-среде. На основе информационной модели создается 4D-модель (3D + время), визуализирующая динамику потоков бетонирования по захваткам и ярусам. Такое моделирование позволяет еще до начала строительства проверить пространственно-временные коллизии, например: возможность свободного подъема бадьи мимо арматурных выпусков или зоны действия бетононасосов, пересечение трасс бетоноводов с путями подачи других материалов .
На заключительном этапе производится сравнение сформированных вариантов по трем группам показателей, представленным в таблице 1 (Критерии оценки эффективности производства бетонных работ). Для итогового ранжирования альтернатив могут применяться методы анализа иерархий или метод Парето, позволяющие найти компромиссное решение при противоречивости критериев (например, минимальная стоимость против максимальной скорости).
Таблица 1
Критерии оценки эффективности производства бетонных работ
|
Группа критериев |
Показатель |
Вариант А (Кран+бадья) |
Вариант Б (Стац. насос) |
|
Технические |
Продолжительность цикла этажа, дни |
5 |
3.5 |
|
Интенсивность подачи, м³/смену |
30 |
60 |
|
|
Экономические |
Стоимость 1 м³ укладки, у.е. |
Выше (з/п, краны) |
Ниже (механизация) |
|
Затраты на опалубку |
Низкие (инвентарная) |
Высокие (спец.) |
|
|
Технологические |
Надежность в зимний период |
Средняя (открытая подача) |
Высокая (закрытый бетоновод) |
|
Качество смеси (расслоение) |
Риск при перегрузке |
Минимальный риск |
Для принятия итогового решения предлагается использовать интегральный показатель эффективности бетонных работ (Эбет), адаптированный из общей формулы эффективности строительства [9]:
Эбет=Tцикл⋅Cуд⋅KлогV⋅Kтехн (1)
где:
- V — общий объем уложенного бетона, м³;
- Tцикл — нормативная продолжительность цикла бетонирования этажа, сут.;
- Cуд — удельная себестоимость укладки 1 м³, руб.;
- Kтехн — коэффициент технологической надежности (учитывает соблюдение режимов твердения, обычно 0,85–0,95 при зимнем бетонировании);
- Kлог — коэффициент логистических потерь (простои в ожидании смеси, поломки насоса).
Рис 1. Продолжительность цикла (сут.)
Рисунок 1 получен на основе расчёта удельных приведённых затрат (руб./м³) на подачу бетонной смеси для двух технологических вариантов: кран + бадья (вариант А) и стационарный бетононасос (вариант Б) в зависимости от высоты подачи H. Исходными данными для расчёта являлись: для варианта А — объём бадьи (1,0 м³), стоимость крано-смены, длительность цикла крана с учётом времени подъёма груза на высоту H; для варианта Б — паспортная производительность насоса (20 м³/ч), стоимость аренды и энергозатраты, не зависящие от высоты в рабочем диапазоне до 60 м. Расчёт показал, что при малых высотах (до 3,5 м) удельные затраты по варианту А ниже за счёт отсутствия необходимости в развёртывании насосной системы, однако с ростом высоты линейно увеличивается время цикла крана, что приводит к монотонному росту затрат. Вариант Б, напротив, характеризуется практически постоянными удельными затратами, но с повышенным начальным порогом. Точка пересечения кривых соответствует высоте, при которой оба варианта экономически равноценны; выше неё применение бетононасоса становится более эффективным. Таким образом, рис. 1 графически обосновывает границу рационального применения каждого из рассматриваемых способов подачи бетонной смеси, однако данное сравнение имеет смысл только для зданий малой и средней этажности (до 6 этажей).
Для высотного строительства (45 этажей и более) вариант «кран + бадья» становится технически и экономически нереализуемым, поэтому выбор стационарного бетононасоса является безальтернативным. В этом случае сравнение продолжительности циклов (рис. 2, гистограмма) служит не для доказательства преимущества насоса перед краном, а для количественной оценки выигрыша во времени. При использовании бетонирования краном в бадьях продолжительность цикла типового этажа составила бы 6 суток (расчётная величина), тогда как применение стационарного бетононасоса в комплекте с распределительной стрелой позволяет выполнить цикл за 4 суток. Сокращение на 33 % достигается за счёт бесперебойной подачи смеси, более высокой производительности укладки (60 м³ в смену против 30 м³ расчётных при крановой схеме) и отсутствия простоев из-за занятости крана на других операциях. Для 45-этажного здания экономия времени достигает порядка 4 месяцев. При этом высвобождаемый ресурс крана может быть направлен на установку опалубки и монтаж арматурных каркасов, что снижает нагрузку на логистическую систему стройплощадки. Таким образом, представленные диаграммные данные подтверждают эффективность применения бетононасоса как единственного технологически возможного варианта в высотном строительстве, а также дают количественную оценку достигаемого временного выигрыша.
Обсуждение
Разработанная концепция была применена при выборе технологии бетонных работ для 45-этажного комплекса. Сравнивались варианты: использование приставного крана для подачи бадьи против использования стационарного насоса Putzmeister с высотой подачи до 200 м.
Расчеты показали, что при использовании насосной подачи интегральный показатель Эбет оказался на 34% выше за счет сокращения цикла бетонирования типового этажа с 6 до 4 дней и снижения трудозатрат. Несмотря на удорожание аренды насосного оборудования, экономия на заработной плате и накладных расходах позволила сократить общий срок строительства на 4 месяца 77. Ключевым фактором успеха стало применение ТИМ-моделирования для синхронизации графика поставок бетона с работы насоса (исключение простоев машины) [20].
Заключение
Предложенная концепция системы принятия организационно-технологических решений при производстве бетонных работ позволяет перейти от эмпирического выбора оборудования к научно обоснованному моделированию процессов. Интеграция модулей оценки технологичности, ресурсов и календарного планирования на базе единой ТИM-модели создает основу для минимизации рисков, связанных с простоем техники, браком при укладке и несоблюдением температурно-влажностного режима твердения бетона на высоте.
Дальнейшее развитие системы должно идти по пути создания баз знаний, включающих регрессионные зависимости набора прочности бетона от высотных и климатических факторов, а также внедрения элементов искусственного интеллекта для автоматической корректировки графиков при возникновении отклонений.
1. Савин И.М., Абрамов И.Л. Организационно-технические резервы повышения результативности строительного производства // Вестник евразийской науки. - 2025. - №3. - С. 1-8.
2. Бочек В. П. Инновационные технологии в строительстве и экономическая выгода от их использования / В. П. Бочек // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 8-1. – С. 143-146.
3. Зеленые стандарты: современные методы экологического менеджмента в строительстве / Т. В. Гусева, Я. П. Молчанова, Г. В. Панкина, Е. Р. Петросян // Компетентность. – 2012. – № 8(99). – С. 22-28.
4. Ефанова, М. О. Новые технологии в строительном производстве / М. О. Ефанова, М. С. Агафонова // Международный студенческий научный вестник. – 2014. – № 1. – С. 12.
5. Каменев Д.А., Алексеева Н.А. Тенденции и перспектива применения ресурсосберегающих технологий в строительстве // Электронный научный журнал «Вектор экономики». - 2022. - № 2.
6. Карсунцева, О. В. Организационно-экономическая модель повышения эффективности производственно-хозяйственной деятельности предприятия / О. В. Карсунцева // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2014. – № 1(27). – С. 122-126
7. Клочков Д. П., Чередниченко Т. Ф., Чеснокова О. Г., Устинова В. В. Повышение эффективности малоэтажного строительства // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. -2024. - Вып. 4(97). - С. 219–220. DOI: https://doi.org/10.35211/18154360_2024_4_219
8. Чернигин, В. А. Проблемы внедрения новых технологий в строительстве / В. А. Чернигин // Научное пространство: актуальные вопросы, достижения и инновации : Сборник научных трудов по материалам XIV Международной научно-практической конференции, Анапа, 20 января 2020 года. – Анапа: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский центр экономических и социальных процессов» в Южном Федеральном округе, 2020. – С. 57-60.
9. Чарикова И.Н., Жаданов В.И., Манаева Н.Н. Курсовое проектирование как инструмент повышения эффективности подготовки студентов строительных специальностей // Современные наукоемкие технологии. - 2018. - № 11. - С. 326–327. DOI: https://doi.org/10.17513/snt.37327
10. E.V. Mikhailova, Savin I.M. // Artificial intelligence as a new line of development in construction // Student Science Days: a collection of reports of a scientific and technical conference based on the results of research work of students of the Institute of Industrial and Civil Engineering (Moscow, February 27 - March 3, 2023), 587 -589 pp. (RSCI).
11. Savin I.M. // Some features of the effectiveness of using artificial intelligence in estimates (using the example of optimization of calendar schedules) // OpenScience. 2022. T. 4. No. 1. P. 75-82. DOI: https://doi.org/10.51632/2658-7939_2022_4_1_75
12. Мурадов, А. Н. Некоторые особенности оптимизации календарных графиков в модульном строительстве / А. Н. Мурадов, И. М. Савин // Наука и культура: поиски и открытия : Материалы ХV Международной научно-практической конференции, Балашиха, 15 апреля 2022 года. – Балашиха: Российский государственный аграрный заочный университет, 2022. – С. 110-113.
13. Макеева, Т. Ю. Анализ взаимосвязей показателей платежеспособности и уровня риска предприятия / Т. Ю. Макеева, И. М. Савин // Актуальные проблемы экономики, финансов и государственного управления и пути их решения : Материалы национальной межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и сотрудников университета, Балашиха, 22 ноября 2023 года. – Балашиха: Российский государственный университет народного хозяйства им. В.И. Вернадского, 2023. – С. 187-190.
14. Savin I.M., Savin M.V., Marinichev A.A. // Optimization of an economically beneficial strategy in modern conditions in the construction industry // OpenScience. 2022. T. 4. No. 3. P. 24-32. (VAK). DOI: https://doi.org/10.51632/2658-7939_2022_4_3_24
15. Савин, И. М. Разработка календарного плана в условиях ограниченных ресурсов / И. М. Савин, Е. М. Михайлова // Наука и культура: поиски и открытия : материалы ХIV Международной научно-практической конференции, Балашиха, 10 ноября 2021 года. – Балашиха: Российский государственный аграрный заочный университет, 2021. – С. 153-159. – EDN UCVPBG.
