авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Библиотека научных

разработок

и проектов МГСУ

В. М. Ф р и д к и н

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Москва

2011

УДК 624.07

ББК 38.5

Ф 88

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 году

Р е ц е н з е н т ы:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор В.В. Филиппов, заместитель директора по науке Института океанологии им. П.П. Ширшова;

доктор технических наук, профессор А.В. Носарев Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом МГСУ Фридкин, В.М.

Ф 88 Формообразование строительных конструкций : монография / В.М. Фридкин ;

М-во образования и науки Росс. Федерации, ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит. ун-т». М. : МГСУ, 2011. – 171 с.

(Б-ка науч. разработок и проектов МГСУ).

ISBN 978-5-7264-0518- Рассмотрены этапы формообразования строительных кон струкций как циклического процесса генерации конструктив ных идей, проектирования, возведения, эксплуатации каждого возведенного сооружения и ее прекращения. Введена необхо димая терминология и обоснована новая система из 12 принци пов формообразования строительных конструкций — базовых критериев принятия технических решений при проектировании сооружений и по их оценке научно-технической экспертизой.

Рассчитана на широкий круг специалистов в области строи тельства, в том числе на аспирантов и преподавателей вузов.

УДК 624. ББК 38. © ФГБОУ ВПО «МГСУ», ISBN 978-5-7264-0518- ПРЕДИСЛОВИЕ Книга обобщает исследования автора в области теории формооб разования строительных конструкций, включая работы этого направления, выполненные до и после выпуска монографии «Прин ципы формообразования в теории линейно-протяжнных сооруже ний» (М. : Ладья, 2006).

Данные в монографии ссылки на опубликованные работы автора и другие издания содержат, в частности, графическую информацию, полезную для восприятия материала, но в самой книге представлен лишь один рисунок, на котором отражен полный цикл формообразо вания строительных конструкций. Каждый читатель получает воз можность дополнить содержание примерами собственного творче ства или известными ему результатами, полученными другими авто рами. В книге имеется много ссылок на работы отечественных и зарубежных учных и инженеров различных поколений. Обращение к этим, как правило, фундаментальным исследованиям в области механики, вычислительной математики и теории сооружений, весьма полезно для формирования современной методологии создания но вых конструктивных решений инженерных сооружений XXI в. и развития искусственного интеллекта в этой области знаний.

Раздел 3 «Методологические основы современной системы прин ципов формообразования строительных конструкций» написан в со авторстве с чл.-кор. РААСН, д-ром техн. наук, проф. А.Б. Павловым, творчество которого, как и деятельность автора, долгие годы прохо дило в коллективе ЦНИИПроектстальконструкция им. Н.П. Мель никова — идеолога нашедшей отражение, в частности, и в данной работе (разд. 3, подразд. 3.1) теории формообразования строитель ных металлических конструкций.

Полагаем, что содержание книги будет востребовано учными, инженерами, преподавателями вузов, аспирантами и студентами, спе циализирующимися в области создания строительных конструкций.

В.М. Фридкин ВВЕДЕНИЕ В этой книге с позиций строительной науки рассмотрена проблема, всегда актуальная для человечества: куда и как следует направлять развитие техники для обеспе чения безопасности и дальнейшего прогресса цивилизации. Ис торический опыт свидетельствует, что каждый существенный шаг в создании и становлении новых промышленных и транс портных технологий сопровождается скачками в параметрах и структуре инженерных сооружений, обеспечивающих наиболее эффективную реализацию современных и перспективных техно логических процессов.

Вместе с тем, замена известных технологий новыми — цикли ческий процесс, неизбежно растянутый во времени, поскольку любое действительно полезное новшество должно окупить затра ты на сво создание и принести существенный социально экономический эффект от внедрения в практику. Такой результат создат ресурсы для перехода к удовлетворению продолжающих возникать запросов развивающейся цивилизации. И тогда для новых этапов технического прогресса обязательно возникнут идеи и инновационные предложения по созданию ещ более со вершенных инженерных сооружений.

Не исключено также появление или вскрытие новых природ ных и техногенных угроз и опасностей, требующих ещ большей изощрнности в генерации инженерных идей в области создания строительных конструкций.

Инженерное сооружение — сложная техническая система вза имодействующих строительных конструкций, технологического оборудования и объектов внешней среды. Создание инженерных сооружений как творческий и многосторонний процесс, который удовлетворяет важнейшие потребности жизнедеятельности лю дей и нарастающие по сложности и ответственности заказы прак тически всех отраслей техники, имеет свой прикладной научно методический базис, на первый взгляд, весьма далкий от фило софии естествознания.

Но, вместе с тем, проектирование, возведение и эксплуатация многочисленных сооружений как одни из важных проявлений разума, согласно теории В.И. Вернадского — высшей формы раз вития и поведения земной биосферы [38], участвуют в решении фундаментальной задачи цивилизации: обеспечивать безопасное длительное состояние и развитие ноосферы — планетарной сре ды обитания и активной деятельности человеческого общества [79;

142]. Биосфера и ноосфера В.И. Вернадского, с его точки зрения, — неизбежные явления планетарного масштаба, законо мерные результаты геологической эволюции Земли в течение миллиардов и особенно последних миллионов лет. Как отмечено в монографии [189], в ноосфере «…впервые человек становится крупнейшей геологической силой», и он коренным образом «…может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни».

Создание инженерных сооружений на основе инновационных технических решений может во многом способствовать достиже нию необходимых порогов экологической безопасности при дальнейшем развитии инфраструктуры транспорта, энергетики, прежде всего — атомной, химической промышленности, космо навтики, предприятий по добыче и обогащению полезных иско паемых, подводных сооружений для комплексного освоения мор ского шельфа и дна мирового океана на глубинах до 1000 м, а возможно, и бльших.

В XXI в. особое внимание обращается на создание эффектив ных инженерных сооружений для комплексного использования возобновляемых источников энергии солнца, атмосферы, воды, биомассы.

Техническому регулированию процессов создания инженер ных сооружений в условиях современной России необходимо придать следующие методологические особенности:

Новые инженерные сооружения должны обеспечивать со здание предприятий, комплексно решающих в интересах сохра нения и развития земной ноосферы проблемы экологии, наряду с проблемами развития различных отраслей промышленности, особенно энергетики, при необходимости объединяя в сложную систему несколько отраслей техники.

Техническая и экологическая безопасность всех возводи мых и в последующий длительный период эксплуатируемых объ ектов, не только официально считающихся «опасными производ ствами», но и являющихся таковыми, должна включать учет ши рокого спектра длительных воздействий на биосферу и ноосферу как на локальном (территориальном) уровне, так и на региональ ных и глобальном уровнях.

Проектные решения сооружений должны носить иннова ционный характер как по конструкциям (конструктивным фор мам), так и по технологическим процессам строительства, чем, в первую очередь и в наибольшей мере, обеспечивать без ущерба для качества создаваемых сооружений высокие показатели про изводительности труда строителей при их минимальном, по воз можности, числе на каждом объекте.

Проектные решения новых инженерных сооружений в полной мере должны опираться на достижения теории сооруже ний в области разработки современных логико-информационных, математических и вычислительных моделей сложных техниче ских систем, включающих строительные конструкции, эксплуа тирующие их объекты техники и окружающую среду — природ ную и техногенную.

Для наиболее рационального применения, особенно в сложных условиях возведения и эксплуатации сооружений, кон структивные формы инженерных сооружений целесообразно со здавать и развивать, частично или полностью используя (модифи цируя) технические решения несущих и вспомогательных элемен тов, относящиеся к строительным объектам различных классов, заимствуя при необходимости эффективные конструкционные ма териалы, соответствующие способы изготовления, технологии монтажа, системы контроля качества и организацию длительной эксплуатации конструкций этих классов. Аналогично, в интересах развития строительных конструкций, целесообразно применять в них отдельные конструктивные решения, конструкционные мате риалы и технологии из других областей техники.

Необходимо организовать строительство объектов «под ключ» в кратчайшие исторические сроки, возможно, разделив этот процесс на очереди. Но во всех случаях недопустимы режи мы экологически вредной «временной» или так называемой «опытной» эксплуатации возводимых объектов, растягивающей ся во времени, в силу недостаточного научного обоснования и проработки проектных решений, иногда на годы и даже на десят ки лет, и привлекающей дополнительные и всегда дефицитные материальные, трудовые и, следовательно, финансовые ресурсы.

Вместе с тем, первая очередь строительства (или е этап) могут иметь статус «экспериментального».

Экономичность возведения новых и реконструкции суще ствующих сооружений, осуществляемых в общегосударственных или частных интересах в рамках создания и развития любых предприятий, должна оцениваться, в первую очередь, с позиций «экологической» экономики. Это означает, что исчерпывающим образом должны учитываться:

– затраты на уровне капитальных вложений непосредственно в новые или реконструируемые объекты;

– определнная часть затрат на развитие инфраструктуры тех нических или природно-технических систем более высоких иерархических уровней, в которые в той или иной степени вклю чаются возводимые или реконструируемые инженерные соору жения;

– затраты на полную расчистку площадок, занимаемых выво димыми из эксплуатации предприятиями, с утилизацией или без опасным захоронением всех разобранных конструкций, выведен ного из работы оборудования и отходов деятельности ликвидиру емых производств;

– затраты на обеспечение экологической безопасности вновь созданных производств, обязательно включающие расходы на создание и наджное функционирование систем их мониторинга.

В первом десятилетии XXI в. компьютерное моделирование внешнего облика и структуры проектируемых сооружений до стигло уровня, позволяющего архитекторам, используя совре менные конструкционные материалы и строительные техноло гии, буквально «раскрепоститься» в возможности предлагать и превращать в реалии самые смелые поиски выражения своих идей и концепций.

Но переход от возможности осуществления замыслов архи тектора, от его «творческого раскрепощения» к практическому созданию зданий так называемых «произвольных форм» (FFD), согласно сокращнному обозначению, используемому в одной из недавних работ по научному анализу этого направления — до кладу [200], неизбежно приводит к общественной потребности квалифицированно и объективно разбираться во всех аспектах технической, экологической и, в итоге, экономической безопас ности каждого такого шедевра строительного искусства.

Сложность устройства конструкций определяется совокупно стью требований — технологическим и социальным заказами на комплекс потребительских свойств, отвечающих историческому уровню развития страны и цивилизации в целом. Поэтому сейчас столь необходима современная, не отстающая от темпов научно технического прогресса методологическая основа для разработки конструктивных форм и для выполнения многосторонней оценки уровня осуществления заказов на строительную продукцию [171].

Таким методологическим базисом может стать более совер шенная система принципов формообразования строительных конструкций [109;

158;

161]. Принципы формообразования — это наборы критериев выбора из некоторой совокупности кон структивных идей наиболее совершенных и эффективных реше ний. В этом выборе должны участвовать и конкурировать как из вестные технические решения и технологии, так и новые разра ботки. Здания «произвольной формы» с этих позиций — не более чем одно из новых и своеобразных направлений формирования и исполнения заказов на создание сложнейших по структуре и все гда исключительно выразительных для массового восприятия объектов строительства.

В разные времена, при различных объемах накопленных зна ний принципы формообразования излагают и используют в прак тической деятельности по-своему, иногда при отсутствии или недостатке квалифицированных кадров проектировщиков или опыта строительства. Но почти всегда решения принимаются в условиях наличия существенных ограничений возможностей об щества и экономики. Более того, следование в строительстве, как и в других видах деятельности, некоторым принципам весьма субъективно и нередко носит интуитивный характер. Тем не ме нее, лучшие сооружения прошлого оказывались удивительно точными по соотношениям и абсолютным значениям генераль ных размеров и весьма качественно собранными из строго подо гнанных деталей, что определялось талантом, трудолюбием, принципиальностью, настойчивостью и упорством авторов вы дающихся проектов и их исполнителей.

В предлагаемой монографии рассмотрен только методологи ческий аспект строительного конструирования, поскольку при меры реализации разработанной системы принципов формообра зования в практике проектирования, строительства и строитель ной экспертизы частично опубликованы в различных изданиях в 2003—2010 гг. [65—67;

76;

77;

110;

154—157;

160—169;

172].

Ряд инновационных разработок 2007—2010 гг., в том числе ре зультаты поисковых НИР, ещ находятся на этапах подготовки и представления заявок на изобретения.

1. ТЕРМИНОЛОГИЯ 1.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ О пределение понятий и терминов, используемых ниже во всех разделах работы и в приложениях, с позиций механики деформируемого твердого тела необходимо для четкости изложения вопросов теории сооружений, особенно стей их возведения, опыта эксплуатации, процессов ремонта и реконструкции. Приводимые ниже определения справедливы для всех классов строительных конструкций, но для наиболее слож ных и весьма разнообразных объектов строительства предлагае мая совокупность понятий может оказаться востребованной в наибольшей степени.

Основные определения выстроены по логической схеме «от простого — к сложному». Такой подход — важная черта научной методологии в любой отрасли знаний — применяется еще от эпохи Р. Декарта (1596—1650 гг.) более трех с половиной веков [50;

51]. Представлены также определения, уточняющие употребляе мые в нормативных документах и в технической литературе по нятия из ряда областей строительства и, в частности, мостострое ния. Определение используемых понятий сопровождается их классификацией по назначению или по структуре. В основном, это касается понятий «конструкция», «сооружение». Определе ния относятся как к объектам, так и к процессам, отражающим некоторую последовательность состояний этих объектов — стро ительных конструкций и сооружений. Однако разработка какой либо новой общей системы классификации сооружений как объ ектов техники не ставилась. Можно признать вполне достаточ ным для практики такой отработанный в течение десятилетий и широко распространенный в инженерной деятельности класси фикатор, как, например, система Международной классификации изобретений (МКИ) с ее иерархической структурой дифференци ации понятий: «раздел» «класс» «подкласс» «группа»

«подгруппа».

Предлагаемая терминология [153;

161] систематизирует, уточ няет и развивает сложившуюся к настоящему времени совокуп ность общепринятых определений, а также официальные термины, используемые в различных разделах настоящей работы и пред ставленные (со всеми необходимыми ссылками) в прил. 1, и им в подавляющем большинстве случаев не противоречит. В прил. отдельно введены термины, имеющие отношение к понятию «авария сооружения», к сожалению, необходимые для рассмот рения проблемы конструирования.

1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ Несущий элемент — находящееся в статическом или динами ческом равновесии твердое деформируемое тело, воспринимаю щее внешние воздействия и реакции связей с другими телами.

Несущий элемент может быть однородным или же состоящим из отдельных дискретных деталей и, возможно, окружающей де тали континуальной твердой деформируемой среды (или «мат рицы»), соединение которых определяет геометрические разме ры элемента, характер его связей и условия восприятия внешних воздействий. Каждую «деталь» и «матрицу», в принципе, можно, в свою очередь, представить, исходя из данных определений как первичную ступень иерархической структуры несущих элемен тов. Уровень «детали» в такой структуре отвечает заготовке ма териала, обрабатываемого или используемого как готовое изде лие при изготовлении элементов в заводских условиях или при их сборке и укрупнении на стадиях монтажа сооружения. К «дета лям» можно отнести, например, стальной арматурный каркас (а также арматурную сетку, отдельный стержень, закладной эле мент), а к «матрице» — уложенный, набирающий или набравший жесткость и прочность монолитный бетон, в свою очередь, структурированный заполнителями и добавками к цементу.

Дальнейшее абстрактное «дробление» несущих элементов це лесообразно лишь при разработке математических моделей, например, в конечно элементном анализе, при решении различны ми методами задач механики или при проектировании объектов.

Вспомогательный элемент — тело (не обязательно твердое), присоединенное к несущим элементам для обеспечения и сохра нения их эксплуатационных свойств, передающее на несущие элементы свой собственный вес и силы инерции, статические и динамические нагрузки от оборудования, транспортных средств, технологических продуктов, а также реакции от экранирования ветровых, ударно-волновых (в том числе акустических), снего вых, гололедных, температурных и других внешних воздействий.

Конструкция — техническая система несущих и вспомогатель ных элементов, выполняющая заданные технологические функ ции и сохраняющая во времени, полностью или частично, связи между несущими элементами, их соединения со вспомогатель ными элементами, а также связи с внешней средой.

Это определение можно сопоставить, например, с коротким, но «бессистемным» и поэтому менее «продуктивным» (или менее «работоспособным») определением, приведенным в книге англий ского ученого Д.Э. Гордона 48 : «…Конструкцию можно опреде лить как материальное образование любого рода, предназначенное для того, чтобы выдерживать нагрузки». В такое определение воз можно включение и биологических объектов — растений и жи вотных, которые также являются «материальными образования ми», «предназначенными» (или вынужденными?) «выдерживать нагрузки». Исходя из таких соображений, в представленном выше определении понятия «конструкция», в отличие от определения [48], используется термин «техническая система» — как предмет и результат человеческой деятельности (см. прил. 1, п. 11).

Понятие «конструкция» — важнейшее в этой работе, и ему в предлагаемой терминологии уделяется максимальное внимание.

В дальнейшем это понятие будет рассматриваться только по от ношению к объектам строительства, т.е. речь будет идти только о строительных конструкциях как технических системах различного уровня сложности.

Необходимо дать определение еще двух важных понятий, ха рактерных именно для строительных конструкций.

Пролет линейно-протяженной конструкции — расстояние вдоль ее продольной оси между одноименными по направлению дей ствия внешними связями или длина консольного участка (вылет консоли — также по определенным видам внешних связей). Как следует из этого определения, пролеты для вертикальных, гори зонтальных и «крутильных» связей и последовательность их рас становки могут быть различными.

Пролет пространственной (развитой в плане по двум или более направлениям) конструкции — расстояние в плане между опорными связями по одному из характерных направлений. Примеры: для кругового купола или круговой мембраны пролет — это диаметр основания сооружения или диаметр опорного контура, соответ ственно;

для аналогичных объектов с прямоугольным планом понятие «пролет» определяется двумя величинами — характер ными размерами сторон опорного прямоугольника;

у эллиптиче ских в плане оболочек это также две величины, близкие к разме рам большого и малого диаметров эллипса основания;

у цилин дрической конструкции большого удлинения (например, сводчатое покрытие склада, вокзальный дебаркадер) это одно число — длина хорды, соединяющей пяты несущих арок.

Для высотных конструкций (типа антенных башен и мачт или каркасов высотных зданий) близким аналогом понятия «пролет»

служит понятие «высота» — разность геодезических отметок вер ха фундамента и наивысшей точки конструкции. Однако наряду с такой характеристикой высотного объекта необходимо рассматри вать и параметр «полной высоты» — для антенных мачт, устанав ливаемых на зданиях, и параметр «расстояния между ярусами от тяжек». Для развитых в плане антенных объектов рассматриваются одновременно понятия «пролет пространственной конструкции», «высота» и «расстояние между ярусами оттяжек».

Максимальный теоретический пролет линейно-протяженной или пространственной конструкции — наибольший возможный по условиям прочности несущих элементов пролет конструкции, рассчитанной только на восприятие веса всех ее несущих и вспо могательных элементов.

Сложные строительные конструкции, особенно большепро летные и среди них те, которые возводятся и работают в качестве транспортных мостов, — наиболее характерные, доступные для обозрения и достаточно многочисленные продукты человеческой деятельности. Рекомендуемая терминология в области мосто строения также представлена в прил. 1.

В определении конструкции как системы несущих и вспомо гательных (помогающих «нести») элементов, скорее сложной системы, подразумевается достижение некоторого компромисса между требованиями заказа на создание объектов и возможно стями современных конструкционных материалов (материалов, из которых изготавливаются элементы конструкций) и строи тельных технологий. Увязка, соединение двух типов элементов (несущих и вспомогательных) в работоспособную техническую систему есть предмет творчества, искусства конструирования.

Для оценки и учета качества конструкционных материалов, применяемых в несущих и вспомогательных элементах, целесо образно ввести понятие, определяющее роль в конструкции наиболее прогрессивных материалов, обеспечивающих расшире ние областей применения технических решений. Таковы матери алы, разрабатываемые на основе новейших технологий, не обяза тельно для удовлетворения потребностей строительной инду стрии, или известные эффективные материалы, до этого не использовавшиеся в конкретных проектах для отдельных классов строительных объектов.

Конструктивный показатель качества — это безразмерный па раметр, определяемый отношением массы несущих и (или) вспо могательных элементов, в деталях которых применены материа лы, наиболее эффективные по совокупности их физико технических свойств, к общей массе конструкции. К таким мате риалам можно отнести прокат или лить из высокопрочных и специальных сталей, модифицированные бетоны или фибробето ны, высокопрочные канаты, ленты или пучки параллельных про волок, углепластики, стеклопластики, эластополимеры, полимер ные системы гидроизоляции, полиуретановые системы окраски пролетных строений, материалы вспомогательных элементов, достаточно прочные, легкие и стойкие к коррозии, воздействию микроорганизмов, возгоранию и излучениям, и т.п.

Каждая конструкция может характеризоваться очень простым и сильным интегральным критерием качества: суммой нескольких таких показателей, причем в эффективную массу должны вклю чаться массы элементов, состоящих либо целиком из прогрессив ных материалов, либо являющихся композициями обычных и эф фективных материалов. Чем выше указанная сумма и чем больше в этой сумме слагаемых, тем, в принципе, совершеннее конструкция.

Суммарный показатель качества может быть равен единице или даже превосходить это значение, если в одном элементе совмеща ется несколько прогрессивных материалов, и тогда указанный по казатель вычисляется отдельно для каждого из этих материалов.

Введенный показатель качества не отражает стоимостные ха рактеристики элементов конструкции и служит исключительно своеобразной мерой технического прогресса. Разумеется, за про гресс приходится расплачиваться, но в целом экономические и другие критерии, отражающие комплекс потребительских свойств конструкции, не выйдут на приемлемый уровень при низких значениях введенной выше очень понятной характеристи ки. В течение периода эксплуатации конструкции этот показатель изменяет свою величину, поскольку использованные в конструк ции материалы (или часть таких материалов) будут вытесняться новейшими, особенно продуктами нанотехнологий, как для про ектируемых объектов, так и для эксплуатируемых сооружений.

Конструкции очень близки к механизмам, элементы которых, звенья, есть аналоги определенных выше несущих элементов.

Звенья превращаются в несущие элементы вместе с преобразова нием системы из механизма в конструкцию после введения в ме ханизм и в зоны его контакта с внешней средой дополнительных связей, уничтожающих все степени свободы механизма. При вво де минимально необходимого числа связей полностью закреп ленный механизм становится конструкцией, образующей по определению строительной механики статически определимую систему. При большем числе вводимых связей образуется стати чески неопределимая система. Наглядными примерами таких об ратимых преобразований стали разводные мосты, механизиро ванные мосты, наводимые с подвижных транспортных средств, многочисленные трансформирующиеся конструкции.

Интересен пример крановых конструкций. Любые грузоподъ емные краны в статическом состоянии аналогичны строительным конструкциям, а в движении — это огромные механизмы, хотя и имеющие в своем составе своеобразные звенья (башни, стрелы, мосты), накапливающие очень большую потенциальную энергию деформации при относительно низких уровнях кинетической энергии, накопление которой ограничено невысокими скоростя ми движения кранов при любых технологических операциях.

Изменения количества и вида связей в конструкции в результа те внешних воздействий могут быть предусмотрены разработчи ками как возможные эксплуатационные состояния, характерные для систем с переменными и односторонними связями. Но при развитии аварийных ситуаций из-за действия чрезмерных или не предусмотренных заранее нагрузок либо при утрате в процессе эксплуатации несущими элементами их нормативных физико механических характеристик происходит аварийное необратимое превращение разрушающейся конструкции в один из предельных механизмов. Наблюдается прогрессирующая потеря несущими элементами внешних и внутренних связей, не только дискретных, но и охватывающих целые области материалов элемента.

Фундаментальное свойство конструкций — накопление, пре образование и выделение в виде механической работы, тепла и в меньшей степени излучения потенциальной энергии деформации.

Это свойство отчасти определяется известным, но редким для отечественной научно-технической литературы понятием «рези льянс». Согласно Д.Э. Гордону 48, способность запасать упру гую энергию и при действии нагрузки отклоняться упругим обра зом без разрушения называется р е з и л ь я н с о м и является очень ценным качеством конструкции. Резильянс можно опреде лить как количество упругой энергии, которое можно запасти в конструкции, не причиняя ей повреждений.

Механизмы же, в первую очередь, накапливают, преобразуют и теряют кинетическую энергию, определяемую массами и ско ростями звеньев. И для механизмов, и для конструкций характерно динамическое равновесие, достигаемое действием внешних, внутренних упругих и инерционных сил, а также реакций внеш них и внутренних связей. Однако для механизмов упругие и иные деформации звеньев — нежелательные, в значительно большей мере, чем для конструкций, явления, нарушающие точность дей ствия и работоспособность. Исключение — упругие пружины, включенные в состав механизмов.

В конструкциях висячих и вантовых мостов, имеющих боль шие пролеты (соответственно, близкие к 2000 м и 1100 м в сере дине 2011 г.), низ конструкций пролтных строений которых воз вышается над водной поверхностью на 60…70 м, и даже в нераз резных балочных пролтных строениях мостов с пролтами до 155…200 м, а также в конструкциях высотных сооружений, крайне нежелательно проявление кинематических свойств — развитие конечных перемещений элементов без существенных изменений их внутренней потенциальной энергии, но, возмож но, — с ощутимым перераспределением по сечениям и элементам экстремальных значений относительных деформаций. Исключе ние — некоторые детали подвижных опорных частей и деформа ционных швов, наиболее распространенные решения которых, в принципе, являются своеобразными механизмами.

Кинематические перемещения заметно отклоняют геометри ческую схему конструкции от проектной, принятой в качестве наиболее благоприятной по условиям эксплуатации, изменяют внутренние усилия, характер динамического взаимодействия объекта с ветровым потоком или с подвижной временной нагруз кой. В строительной механике учет конечных перемещений — предмет геометрически нелинейного анализа систем из стержней, пластин, оболочек и их комбинаций, которыми отображаются реальные несущие элементы и конструкции. Выявление и подав ление в конструкциях кинематических свойств — задача, рас сматриваемая в этой работе. Изложенное выше определение по нятия «конструкция» и его сопоставление с понятием «меха низм» дает необходимую однозначность в отличие от энциклопедического определения, включенного в прил. 1.

Различия в условиях технологических и социальных заказов, их индивидуальность или уникальность порождают разнообразие конструкций. Однако конструкции удается классифицировать, распределяя их по многочисленным признакам, принципам пове дения и свойствам несущих и вспомогательных элементов. Инди видуальность конструкций можно обеспечить, рассматривая только несущие элементы, введением понятия «конструктивная форма».

Конструктивная форма — множество конструкций с однород ным по материалам набором и одинаковой геометрической структурой несущих элементов и связей с внешней средой.

Такое определение игнорирует количественные характеристи ки конструкций: их масштабы, соотношения размеров, количе ство пролетов (панелей), но не физико-механические свойства материалов, принципиально различающихся по химической при роде и по технологиям создания и применения. Например, нераз резные балочные пролетные строения мостов в стальном, желе зобетонном или сталежелезобетонном исполнении — это разные конструктивные формы, поскольку они взаимно неоднородны по набору материалов несущих элементов, а также принципиально различаются геометрической структурой плиты проезжей части, внутренней структурой вертикальных несущих элементов, струк турами продольных и поперечных связей, а вследствие комплекса различий — и поведением в конструкции.

Еще пример: двух- или шестипролетная неразрезная железо бетонная балка при одинаковой структуре несущих элементов — это одна и та же конструктивная форма, независимо от количе ства промежуточных опор. Но аналогичная однопролетная бал ка — это уже другая конструктивная форма, поскольку в таких конструкциях иная структура внешних связей (нет промежуточ ных опор). Точно так же консольные балки — это особые кон структивные формы многопролетных, в крайнем случае, двух пролетных балок, у которых специфична структура внешних свя зей: по меньшей мере, на конце одного из крайних пролетов вообще нет связей с внешней средой. Балки с концевыми задел ками или концевыми упругими закреплениями — это еще одна группа конструктивных форм, не зависимых от количественных характеристик податливости заделок. В последнем случае раз личные конструктивные формы балок порождаются отличиями в видах и направлениях реакций внешних связей в заделках.

Иногда количественные и структурные различия между кон струкциями проявляются не так строго и наглядно, и тогда при знаки новизны конструктивной формы требуют более тщательного обоснования. Во многих случаях обоснование новизны относится к процедурам представления и экспертизы патентных заявок на предмет их патентной чистоты. Чем сложнее конструктивная форма, тем больше возможностей для ее совершенствования и распространения на новые области реализации проектов. Более широкое понятие «форма сооружения» определено в работе и представлено в прил. 1.

Сложная конструктивная форма — это множество конструк ций с установленной между конструкциями иерархией (порядком взаимодействия) геометрических структур и специфической си стемой внутренних и внешних связей. Понятие «сложная кон структивная форма» хорошо иллюстрируется в анализе кон струкций на основе метода конечных элементов (МКЭ), где ис пользуются эффективные методики учета сложной структуры моделируемых объектов. Для этого разработан «метод много уровневой подструктуризации» и его широко распространенная разновидность — «метод суперэлементов».

Вспомогательные элементы не определяют конструктивную форму: различия в окружении несущих элементов вспомогатель ными элементами позволяют применять одну и ту же конструк цию в разнообразных условиях. Например, стальные балочные железнодорожные пролетные строения с балластной плитой или на жестком плитном подрельсовом основании из железобетона, не включенные в совместную работу с балкой, имеют одну и ту же конструктивную форму изгибаемой стальной балки, хотя гео метрические параметры обоих вариантов конструкции могут су щественно различаться. Более того, вспомогательные элементы могут не быть твердыми телами, что косвенно учтено выше в определении термина «вспомогательный элемент»: балласт — сыпучее тело.

В общем представлении нетвердые тела также могут образо вывать вместе со вспомогательными элементами разнообразные конструкции, принимающие различные формы. Соответствую щие примеры таких объектов очень близки гидростроительству и мостостроению. Это насыпные плотины и струенаправляющие дамбы, хотя часть материала насыпных плотин, сконцентриро ванная в противофильтрационном ядре, должна иметь твердую консистенцию. Не исключено, что «насыпные» вспомогательные элементы смогут перейти в состав основных несущих элементов в некоторых новых классах подземных, подводных и высотных строительных конструкций.

Делая такую оговорку, останемся все-таки на позициях дан ных выше определений, начиная с определения «несущего эле мента» как твердого деформируемого тела. По такому определе нию понятия «насыпь» или «насыпная плотина» оказываются специфическими «конструкциями» из огромного количества до статочно крупных и микроскопических, но, тем не менее, твер дых частиц — своеобразных несущих элементов, случайным об разом перемешанных, но все-таки имеющих четкие характерные геометрические границы замкнутой области своего расположения в пространстве.

Строительные конструкции входят в состав более сложных образований — инженерных сооружений, определение которым проще всего дать с позиций системного подхода.

Инженерное сооружение — сложная техническая система вза имодействующих строительных конструкций, технологического оборудования и объектов внешней среды. Далее в большинстве случаев прилагательное «инженерное» в изложении опускается, поскольку понятие «сооружение» вне области инженерной дея тельности не рассматривается (например, не используется поня тие о «сооружениях» природного происхождения). В более узком смысле, обычно для объектов в областях транспорта и транс портного строительства, используется специфическое, сложив шееся исторически понятие «искусственное сооружение», кото рое по определению понятия «инженерное сооружение», пред ставленному выше, является одним из его частных случаев.

Понятие «мостовое сооружение» — частный случай понятия «искусственное сооружение» — включает в себя понятие «транс портный мост» как строительную конструкцию, являющуюся только одной из составляющих введенного выше понятия «со оружение». Нередко, однако, происходит некорректное расшире ние понятия «мост», определенного выше как специфическая конструкция, до уровня определения понятия «сооружение». Тем не менее, введенные здесь термины создают четкую однозначную область понятий, необходимую для системного подхода в любой области знаний. Понятие «мост» подробно рассмотрено в прил. 1.

Взаимодействие человека с искусственными сооружениями во многом относится к областям архитектуры и экологии. Исследо вания мостовых сооружений — это составляющая анализа более сложных систем «общество — человек — средства передвижения — дороги». В состав системы одного сооружения входят обычно несколько конструктивных форм различных уровней сложности, придавая объекту специфический архитектурный облик.

Более сложные и разнородные функции выполняет группа взаимодействующих сооружений или комплекс сооружений, примером которого может служить мостовой переход через вод ную преграду большой протяженности с одним или несколькими мостами, регуляционными и защитными водопропускными со оружениями, транспортными развязками и дорожными подходами.

Висячий мост в составе такого комплекса включал бы конструк тивные формы балки жесткости, пилонов, кабелей, узлов и под весок висячей системы, анкерных устройств и фундаментов. Ви сячий мост в целом может быть представлен как одна из сложных конструктивных форм среди множества строительных объектов комплекса сооружений.

Данное выше определение понятия «сооружение» исключает его понимание как объекта, возникшего в природе «естествен ным» путем. Но введенное выше понятие «конструкция» не ис ключает своего естественного происхождения без какого-либо вмешательства человека. Человеческая деятельность, тем не ме нее, может превратить естественную конструкцию в компоненту технической системы искусственного сооружения.

1.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ФОРМООБРАЗОВАНИЕ»

Итог введенной выше системы терминов — определение основного предмета анализа в рассматриваемой работе, понятия «формообразование».

Формообразование — процесс создания и развития конструк тивных форм. Этот процесс, имеющий различные стороны и мно гочисленные этапы, в монографии [161] рассмотрен наиболее по дробно применительно к большепролетным и сверхпротяженным мостовым сооружениям, предназначенным для различных видов транспорта, а также к ряду классов пространственных сооруже ний, не относящихся к мостостроению.

В длительном процессе формообразования во многом опреде ляющими являются такие изменяющиеся во времени факторы, как создание новых и усовершенствование известных конструк ционных материалов и на их основе — создание новой техники и высокоинтенсивных технологий, а также последовательное об новление в строительстве нормативных актов, более жестких по качественным и количественным критериям выбора конструк тивных форм, особенно в части безопасности возводимых соору жений. Обновление нормативных требований вызывается, преж де всего, потребностью развивающейся экономики в совершен ствовании потребительских свойств строительной продукции.

Развитие конструктивных форм стимулируется совершенство ванием вычислительной и экспериментальной техники, а также прогрессом механики и математики в разработке новых матема тических методов анализа, оптимизации и синтеза конструкций на современных и перспективных ЭВМ. В более широком смысле прогресс в создании новых конструктивных форм определяется уровнем используемых информационных технологий.

Близкие по смыслу к представленным выше определениям термины, применительно к мостостроению, частично введены в работах С.Р. Владимирского 41—43. Специфика формообразо вания и отвечающая ей терминология, также близкая представ ленной выше, для металлических строительных конструкций рас смотрена, в первую очередь, с позиций архитектуры, в моногра фии А.П. Мардера [88], где присутствует и «классификация металлических конструкций по типам элементов».

Рассмотрение живых организмов как биоконструкций [99;

113;

122] не является предметом данной работы. Тем не менее, можно заметить, что интерес к общности закономерностей живых организмов и объектов техники проявил еще в конце XIX века известный ученый-мостостроитель Н.А. Белелюбский. В курсе лекций по строительной механике он отметил [25]:

«…Большой интерес представляет то обстоятельство, что … кривые направления наибольшего растяжения или сжатия, име ющие место в различного рода балках (мостовые фермы со сплошной стенкой, кранные балки и т.п.), подвергнутых сгиба нию, реально существуют в костях животных… Кривые веще ства, соответствующие кривым напряжений, замечены были осо бо в бедренной и пяточной костях как у человека, так и других позвоночных животных».

В представленной работе не сопоставляются процессы формо образования в технике и в живой природе [192], т.е. не рассмат ривается самостоятельное научное направление, относящееся к бионике. Вместе с тем, можно признать полезными при создании строительных конструкций «экскурсии» специалистов, решаю щих сложные проблемы генерации конструктивных и архитек турных форм, в ботанику, биологию и даже в физиологию для поиска «подсказок» в принятии технических решений на базе природного «опыта» продолжительностью в десятки миллионов лет и более позднего. Немецкий инженер Ф.Р. Патури [113] пи сал, что все недостатки созданных человеком технических систем (в сравнении с «техникой», применяемой растениями) в принци пе являются следствием несовершенства конструктивного мыш ления человека. И природа не допускает создания расточитель ных или ошибочных конструкций.

2. ОСОБЕННОСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 2.1. ЦИКЛЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ Ф ормообразование не сводится к появлению отдельных сооружений с новыми конструктивными решениями, удовлетворяющими на момент завершения разработ ки проекта нормативному набору потребительских свойств и имеющими как товар соответствующую потребительскую стои мость. Вновь созданные конструктивные формы переживают периоды своего становления и широкого признания обществом и специалистами.

Но даже признанные официально на государственном уровне, т.е. защищенные патентами, новые конструктивные формы могут не успеть найти повторное и, тем более, неоднократное примене ние и будут заменены в проектах еще более совершенными раз работками, а иногда, в силу ряда обстоятельств, — менее эффек тивными и даже откровенно слабыми — новыми или даже из вестными — техническими решениями.

Создание конструктивных форм можно рассматривать как своеобразный ц и к л и ч е с к и й процесс. В каждом сооруже нии фиксируется определенный «коллектив» конструктивных форм различных уровней сложности, и формы совершают, по меньшей мере, один цикл своего развития в течение всего перио да существования объекта. Часть форм в этом синтезе иногда об новляется или замещается более совершенными аналогами даже по несколько раз, а сооружение в целом «может и не дожить до преклонного возраста».

В длительном процессе формообразования во многом опреде ляющими являются такие изменяющиеся во времени факторы, как создание новых и усовершенствование известных конструк ционных материалов и на их основе — создание новой техники и высокоинтенсивных технологий, а также последовательное об новление в строительстве нормативных актов, более жестких по качественным и количественным критериям выбора конструк тивных форм, особенно в части безопасности возводимых соору жений. Обновление нормативных требований вызывается, преж де всего, потребностью развивающейся экономики в совершен ствовании потребительских свойств строительной продукции.

Развитие конструктивных форм стимулируется совершенство ванием вычислительной и экспериментальной техники, а также прогрессом механики и математики в разработке новых матема тических методов анализа, оптимизации и синтеза конструкций на современных и перспективных ЭВМ. В более широком смысле прогресс в создании новых конструктивных форм определяется уровнем используемых информационных технологий.

Здесь рассматривается наиболее полный по количеству шагов цикл формообразования строительных конструкций, включаю щий и этапы возведения сооружений. Однако из описания цикла исключены процедуры, связанные с определением подрядчиков на проектно-изыскательские работы, на строительство, на кон троль его качества, на содержание объекта и т.п., поскольку предполагается, что сущность процесса формообразования долж на сохраняться в любых исторических и экономических условиях и при любой законодательной базе. Но отрицать влияние этих во многом субъективных факторов на рассматриваемый процесс не возможно, и их учет полностью связан с реализацией при созда нии и развитии конструктивных форм принципов формообразо вания, представленных далее в разд. 3. С определенной условно стью выделены и поименованы 12 этапов одного наиболее полного цикла формообразования, показанного на диаграмме (рисунок).

Этапы, в основном, общеизвестны, и через них проходит весь труд и вс творчество строителей. В циклах отдельных сооруже ний некоторые этапы могут осуществляться в минимальных объ емах или вообще отсутствовать. Последнее обстоятельство, ско рее всего, свидетельствует о негативных тенденциях в развитии конструктивных форм и требует пристального внимания специа листов и, в первую очередь, экспертов и заказчиков сооружений.

Поэтому отчетливое представление о цикличности процесса формообразования имеет большое практическое значение.

1 этап. Накопление предпосылок к изменению кон структивных форм 2 этап. Генерация новых конструктивных форм 3 этап. Инновационный проект 4 этап. Обоснование инвестиций и инженерный проект 5 этап. Рабочее проектирование 6 этап. Подготовка к осуществлению проекта 7 этап. Изготовление элементов конструкций и ор- ганизация их доставки на площадку строительства 8 этап. Строительство 9 этап. Эксплуатация до капитальных ремонтов 10 этап. Капитальные ремонты и эксплуатация по- сле капитальных ремонтов 11 этап. Реконструкция и эксплуатация после ре- конструкции 12 этап. Полное прекращение эксплуатации Полный цикл формообразования строительных конструкций 2.2. ЭТАПЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В цикле формообразования строительных конструкций можно выделить следующие этапы:

Этап 1. Накопление предпосылок к изменению конструк тивных форм (ниже «Накопление предпосылок…»).

Этот этап объединяет попытки приспособления известных конструктивных форм к новым или традиционным технологиче ским заказам на основе:

– использования улучшенных обычных или более эффектив ных новых конструкционных материалов и применения новых технологических процессов изготовления и монтажа конструк ций, опирающихся на более совершенные высокопроизводитель ные поточные линии, станки, машины, оснастки, сложное вспо могательное оборудование и специализированные монтажные агрегаты;

– освоения и внедрения современных систем проектирования сооружений 40;

42;

114, использующих мощную графическую и вычислительную технику и обладающих доступом к мощным базам данных с информацией об известных конструктивных ре шениях, патентах и патентных заявках.

Этап 2. Генерация новых конструктивных форм (ниже «Генерация…»).

На этом этапе происходят:

– Выявление в конструктивных формах-прототипах недостат ков и ряда непреодолимых противоречий, поиск путей к их устранению с помощью технических решений, развивающих и преобразующих структуру известных конструктивных форм или основанных на построении принципиально новой структуры не сущих элементов.

– Разработка для рассматриваемого класса сооружений новых конструктивных форм, обоснование их осуществимости. Органи зация защиты патентной чистоты предлагаемых технических ре шений и интеллектуальной собственности.

– Предпроектная разработка и обоснование эффективности технических решений группы новых конструктивных форм или одной формы в рассматриваемом классе сооружений путем вы полнения научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ (НИР и НИОКР).

– Организация рекламы новых конструктивных форм для при влечения инвесторов.

– Подготовка и реализация лицензий на право применения инно вационных разработок потенциальным инвесторам и заказчикам.

Этап 3. Инновационный проект.

На этом этапе осуществляются:

– Подготовка предложений по инновационному проекту внед рения новых конструктивных форм строительных конструкций как в составе рассматриваемого класса сооружений, так, возмож но, и в более широкой области объектов вне этого класса.

– Разработка, обсуждение и экспертиза инновационного проекта.

– Разработка предложений по программам инвестирования конкретного инновационного проекта. Привлечение инвесторов для реализации инновационного проекта на основе разработки инвестиционного проекта [39].

Этап 4. Обоснование инвестиций и инженерный проект (ниже «Инженерный проект»).

На данном этапе происходят:

– Выполнение комплекса изысканий для конкретного заказа на сооружение или комплекс сооружений при наличии инвестора, заказчика и инвестиций.

– Разработка многовариантного инженерного проекта соору жения (скорее всего, в составе более сложного комплекса);

при необходимости — научное сопровождение разработки инженер ного проекта.

– Выбор наиболее эффективного варианта для последующего осуществления с внедрением новых или повторно применяемых усовершенствованных конструктивных форм.

– Экспертиза инженерного проекта. Возможна доработка ин женерного проекта по замечаниям экспертизы с его повторным рассмотрением.

– Утверждение инженерного проекта заказчиком.

Этап 5. Рабочее проектирование.

На этапе происходят:

– Разработка, при необходимости, дополнительных или специ альных технических условий проектирования, если предлагаемые конструктивные формы не охватываются в полной мере дей ствующими стандартами, техническими условиями, СНиП и дру гими нормативными документами.

– Одно- или двухстадийное проектирование сооружения на основе инженерного проекта с использованием повторно приме няемых или новых конструктивный форм.

– Выполнение, при необходимости, НИР и НИОКР, сопро вождающих разработку специальных технических условий про ектирования и проекта — в дополнение к исследованиям, прове денным на этапе 2.

– Разработка проекта организации строительства (ПОС).

– Разработка проекта производства работ (ППР).

Этап 6. Подготовка к осуществлению проекта.

На данном этапе осуществляются:

– Разработка технологии (технологических регламентов) за водского (или приобъектного) изготовления и приемки элементов конструктивных форм сооружения, проектирование оснасток и другого сложного (специального) оборудования для изготовления конструкций, их транспортировки и монтажа.

– Разработка технологических регламентов для стадии строи тельства.

– Развитие (настройка) действующих или создание новых си стем управления качеством изготовления конструкций и каче ством строительства объекта в целом.

– Разработка программ обследований и испытаний в процессе строительства (при необходимости) и перед сдачей завершенного объекта в эксплуатацию. Разработка инструкций и рекомендаций по эксплуатации сооружения (проекта эксплуатации) с полным учетом специфики внедряемых конструктивных форм.

– Разработка проектов мониторинга сооружения на этапах его возведения и эксплуатации.

– Разработка с учтом проекта мониторинга программ и обо рудования для исследований поведения сооружения (в первую очередь, уникального) на стадиях его строительства и эксплуата ции, прежде всего — для изучения действительной работы эле ментов новых и усовершенствованных конструктивных форм.

Этап 7. Изготовление элементов конструкций и организа ция их доставки на площадку строительства.

На этапе осуществляются:

– Заводское и (или) приобъектное, на полигоне, изготовление монтажных блоков конструкций (или целых конструкций), кон троль качества изготовления, включая при необходимости кон трольную сборку крупных фрагментов сооружения.

– Доставка изготовленных и прошедших заводской контроль конструкций на строительную площадку. Организация входного контроля доставляемых конструкций.

– Организация механических контрольных испытаний дета лей, узлов, несущих элементов в рамках системы управления ка чеством строительства.

Этап 8. Строительство.

На этапе производятся:

– Подготовительные и основные строительные работы на ос нове разработанной, согласованной и утвержденной в установ ленном порядке проектно-сметной документации и технологиче ских регламентов.

– Входной контроль доставленных на строительную площадку конструкций заводского и полигонного изготовления.

– Обеспечение безопасности монтажа сооружения и контроль качества строительства на основе действующей системы управ ления качеством выполнения строительных работ.

– Окончательная регулировка внутренних усилий в несущих элементах, опорных реакций и геометрии возведенного сооружения.

– Обследования и испытания объекта перед его приемкой в эксплуатацию. Устранение выявленных недоделок и дефектов строительства.

– Приемка сооружения (возможно, в составе строительного комплекса) в эксплуатацию.

Этап 9. Эксплуатация до капитальных ремонтов.

На данном этапе осуществляются:

– Временная эксплуатация объекта при не полностью реализо ванном рабочем проекте при необходимости, в особых условиях строительства, оговоренных инженерным проектом.

– Опытная эксплуатация сооружения с расширенным контро лем за новыми или усовершенствованными конструктивными формами. (Этот режим действует только в условиях опытного или экспериментального строительства, что вполне оправдано и даже необходимо для новых, особенно уникальных, или радикаль но модифицированных известных технических решений).

– Постоянная эксплуатация сооружения на основе проекта эксплуатации объекта, а также, возможно, с использованием ряда разработанных в течение длительной эксплуатации дополнитель ных инструкций, указаний, рекомендаций. При разбиении объек та строительства на пусковые комплексы процесс ввода сооруже ния в эксплуатацию определяется программой ввода этих ком плексов в постоянную эксплуатацию и может растягиваться даже на десятилетия.

– Реализация проекта эксплуатации сооружения — поддержа ние эксплуатационной пригодности конструкций и технологиче ского оборудования, т.е. выполнение регламентных работ по надзору, уходу, профилактике и устранению дефектов.

– Мониторинг напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих элементов и функционирования вспомогатель ных элементов конструктивных форм, а для сложных, особо от ветственных и уникальных сооружений, — мониторинг объекта и окружающей объект среды его функционирования на основе спе циального проекта.

– Выявление и устранение предаварийных ситуаций, возника ющих на сооружении.

– Ликвидация аварий сооружения. Восстановление нормаль ного режима эксплуатации сооружения, определение остаточного ресурса его эксплуатации с учетом последствий аварий. Разра ботка комплекса дополнительных мероприятий для предотвра щения новых аварий.

Этап 10. Капитальные ремонты и эксплуатация после ка питальных ремонтов.

На данном этапе производят:

– Периодические и специальные ремонтные работы, необхо димые для обеспечения режима нормальной эксплуатации со оружения на уровне нормативных параметров, заложенных в проект сооружения.

– Капитальные ремонты включают замены отдельных деталей, несущих и (или) вспомогательных элементов конструктивных форм или замену (обновление) отдельных конструктивных форм без изменения технических характеристик сооружения, преду смотренных осуществленным проектом.

Этап 11. Реконструкция и эксплуатация после проведения реконструкции (ниже «Реконструкция…»).

На этапе осуществляются:

– Принятие решения о реконструкции сооружения. Такое ре шение может стать неизбежным при следующих обстоятельствах:

возникновение потребности в модификации (интенси фикации) технологических процессов, для осуществления ко торых возводилось сооружение;

необходимость перехода к принципиально новому тех нологическому заказу на эксплуатацию сооружения, требую щему радикальных изменений в конструкциях и замены обо рудования;

накопление из-за неудовлетворительной эксплуатации повреждений несущих элементов некоторых конструктивных форм, требующее их обновления или замены более совершен ными;

развитие неблагоприятных длительных процессов в кон струкционных материалах сооружения, что не было в должной мере учтено действующими нормативными документами, не корректно оценено при проектировании или стало следствием скрытого брака в процессе строительства или даже во время ремонтов;

влияние внешних воздействий, не учтенных нормами проектирования или проявившихся только при эксплуатации конкретных сооружений и отмеченных системой надзора за объектом (или за группой объектов с аналогичными наборами конструктивных форм);

проявление при эксплуатации принципиальных недо статков новой конструктивной формы, не учтенных при ее генерации и во время разработки проекта;

накопление в зоне сооружения неблагоприятных факто ров воздействия сооружения на окружающую среду, в том числе и на другие технические системы;

появление или накопление во внешней среде природных или техногенных факторов, потенциально опасных для экс плуатации сооружения.

– Разработка проекта реконструкции сооружения — возможно с внесением изменений в ряд конструктивных форм. Если по ка ким-либо причинам проект реконструкции отклоняется, то неиз бежен переход к новому проекту с радикальной заменой кон структивных форм, т.е. зарождается новый цикл для другой ком позиции конструкций, а цикл прежних форм завершается.

– Выполнение строительно-монтажных работ по реконструкции сооружения, включая обычно и обновление технологического обо рудования, при введении временных ограничений в режим нор мальной эксплуатации или при ее временном прекращении (в мо стостроении — устройство временного обхода). Обновление про екта эксплуатации сооружения. Модернизация системы наблюдений и контроля работы реконструированного сооружения.

– Обследование (при необходимости — испытания) сооруже ния и его приемка в постоянную эксплуатацию.

Этап 12. Полное прекращение эксплуатации.

На этом этапе происходит полное прекращение функциониро вания сооружения как технической системы заданного назначе ния вследствие:

– исчерпания срока службы по назначению с последующим демонтажом оборудования и конструкций;


– аварии или транспортной катастрофы и невозможности ча стичного или полного последующего восстановления или рекон струкции;

– развития постепенно прогрессирующих разрушений наибо лее ответственных несущих элементов, что не допускает полного восстановления их работоспособности в связи с невозможностью устранения причин, вызывающих разрушения;

– уничтожения — в результате техногенной или природной катастрофы, а также преднамеренного.

2.3. СИСТЕМНЫЙ ХАРАКТЕР ФОРМООБРАЗОВАНИЯ После определения и описания этапов, представленных на ри сунке, рассматривается взаимосвязь между ними. Процесс экс плуатации сооружения входит в несколько возможных этапов и может включать эксплуатацию временную, опытную, постоян ную — до ремонтов, после ремонтов, до реконструкции и после реконструкции.

Каждое сооружение, представляющее одну или несколько конструктивных форм, «поддерживает» их развитие двумя спо собами: через свою реконструкцию и, что наиболее существенно, благодаря передаче на новый цикл формообразования потока ин формации, «снимаемой» с конструктивных форм на каждом из представленных выше этапов цикла. Такая информация, охваты вающая все стороны зарождения и обоснования новых идей кон струирования, этапы проектирования, строительства, эксплуата ции, реконструкции, демонтажа сооружения, оказывается свое образным аналогом генетической информации биологических систем. Продолжая аналогию, можно сказать, что носителями «технических генов» становятся сложившиеся творческие кол лективы, и, прежде всего, конкретные личности, «создатели» и «хранители» конструкций.

Идейная генерация, создание, развитие конструктивных, как и архитектурных, форм сооружений — неотъемлемая, фундамен тальная черта цивилизаций, их исторические «портреты». Уни чтожение сведений (древних «баз данных»), ограничение и подав ление деятельности активных и пассивных носителей информации о «секретах» возведения сооружений приводило к угасанию об щества, к подрыву его способности самосохранения и развития.

По-видимому, рассматриваемый процесс (см. рисунок) явля ется хорошим аналогом для иллюстрации наиболее интересных современных гипотез о сущности живой материи [181]. Естество знание, опираясь на положение о невозможности снятия абсо лютно точных копий с любых материальных оригиналов, может определить жизнь как параллельные процессы неизбежного накопления и коррекции дефектов отображения материальных сред различной природы. Можно сказать, что изменчивость и наследственность есть две равноправные стороны жизненного процесса. Прекращение коррекции (мутаций) — это гибель си стемы, в том числе и технической, если она создается человеком для своего выживания на планете и не содержит явной или скры той угрозы самоуничтожения жизни. Коррекция не может быть полноценной в недостаточно открытой системе.

Именно поэтому системы, близкие к замкнутым, в том числе и не развивающиеся «консервативные» технические системы, включая и сооружения различного предназначения, в конце кон цов, обречены на деградацию, т.е. на переход к упрощенным (ма лозатратным) техническим решениям, в конкретных условиях наиболее доступным к применению. При этом быстро теряется квалификация создателей конструкций, восстановление которой через новые поколения строителей требует десятков лет. Этим можно объяснить наличие длительных периодов застоя в разви тии конструктивных форм при отсутствии условий для общего прогресса экономики.

Чем больше количество циклов, т.е., чем через большее число реальных объектов пройдет конструктивная форма, тем больше оснований для применения вероятностных методов при создании на базе такой конструктивной формы более совершенных соору жений.

Для конкретного сооружения цикл может прерываться на раз личных этапах, оставляя после себя данные о причинах, привед ших к остановке не менее, а возможно, и более значительных, чем сведения о благополучно осуществленных и успешно функ ционирующих объектах. Только наличие определенного инфор мационного «поля», разносторонней информации, накопившейся по ряду представителей (циклов) одной конструктивной формы, обеспечивает потенциальную возможность повторения ее циклов.

На этапе «накопление предпосылок», в том числе и не вполне объективно, может быть признан достаточным набор существу ющих конструктивных форм для повторного применения в усо вершенствованном исполнении, и тогда цикл продолжается, ми нуя этап 2. Но рано или поздно накопление изменений в окружа ющей среде, в экономике и в социальной сфере заставляет общество пересматривать возможности используемых («потреб ляемых») технических систем, включая и сооружения с их набо ром конструктивных форм.

Однако уже на этапе «Генерация…» углубленное изучение возможностей предлагаемой новой конструктивной формы может выявить скрытую несостоятельность или малую эффективность замысла и вернуть поиск на предыдущий этап — «Накопление предпосылок». Особенно внимательно следует относиться к предложениям, выдвигаемым без учета предшествующего опы та развития известных конструктивных форм. Конечно, среди таких предложений могут быть и исключительно эффективные, революционные для своей отрасли, но обычно, в общей массе, такие предложения, выдвигаемые, как правило, не «профессио налами», оказываются тупиками. Первый «тревожный» сигнал — наличие обширной рекламы новой идеи до ее последова тельного обоснования.

Еще в 50-е гг. XX в. возникли идеи генерации новых изобрете ний в любых отраслях техники с помощью эвристических алго ритмов, построенных на базе анализа описаний и формул большо го числа патентов и авторских свидетельств [8;

187]. Формализа ция на международном уровне логики обоснования новизны и полезности заявляемых решений весьма специфична и достаточно регламентирована, что определило популярность и успех таких алгоритмов. Появление ЭВМ и последующая компьютеризация общества обеспечили внедрение алгоритмов генерации изобрете ний во многих областях техники на основе теории решения изоб ретательских задач (ТРИЗ) [9;

40;

86]. В 70—90-е гг. XX в. нако пившийся опыт изобретательской деятельности, в том числе и с применением ТРИЗ, и развитие информационных технологий при вели к появлению теоретических обобщений ТРИЗ на языке си стемного анализа с притязаниями на открытие «законов развития технических систем» и к их формулированию [138;

195].

Обращает внимание отсутствие к началу XXI в. информации о сколько-нибудь заметном влиянии идеологии ТРИЗ на научно технический прогресс в строительной отрасли экономики, в том числе и в мостостроении, — в России и в других странах. Это можно объяснить следующим образом.

Во-первых, каждый цикл работы конструктивной формы в строительстве, в отличие от многих других отраслей техники, исторически растянут во времени на десятилетия и даже столе тия. Поэтому, как правило, отсутствует потребность в «скорост ной» переработке специалистами накопленных данных: новые технические решения и проекты «зреют» долгие годы, опираясь, прежде всего, на прогресс материаловедения и машиноведения.

Во-вторых, информация (в том числе и патентная) о сооруже ниях эксплуатируемых, строящихся, проектируемых и прекра тивших функционирование по прямому или иному назначению, хорошо систематизирована и весьма доступна специалистам как на национальном, так и на международном уровнях. Поэтому привлечение искусственного интеллекта программных компью терных средств к поиску новых решений не столь актуально, как, например, в некоторых отраслях машиностроения или в от раслях, производящих средства потребления, где рынок заставля ет обновлять, создавать более совершенную продукцию ежегодно и даже чаще.

В-третьих, разработка программ создания сооружений, в том числе и в транспортном строительстве, — многоцелевой (много критериальный) процесс, охватывающий решение задач для не скольких областей и уровней экономики. Такой процесс невоз можно свести к чисто изобретательским задачам. Гораздо важнее отобрать полезные (отчасти и новые) решения по совокупности критериев качества для нескольких уровней проектирования в рамках крупного инновационного проекта.

В-четвертых, сооружения и, тем более, их комплексы — доро гостоящие объекты для частных или государственных инвести ций в странах с любым уровнем развития экономики. Поэтому очень велика тенденция к проявлению консерватизма при окон чательном выборе технических решений и технологий их реали зации: все новое должно быть опробовано в экспериментальных проектах с ограниченными затратами.

В-пятых, во многих отраслях строительства, например, в мо стостроении, между человеком — потребителем и физическим участником эксплуатации сложной технической системы, вклю чающей конструктивные формы сооружений, во многих важней ших случаях «располагаются» такие ответственные участники процесса эксплуатации объекта строительства, как «железнодо рожный подвижной состав» или «автомобиль». Учет свойств и возможностей развивающихся во времени транспортных средств существенно отражается на темпах генерации и развития кон структивных форм сооружений. Застой в прогрессе железнодо рожного подвижного состава и автомобилей или достижение их показателями некоторого локального во времени оптимума суще ственно замедляет темпы разработки новых технических реше ний мостовых сооружений.

В-шестых, на развитие строительных конструкций значитель ное влияние, часто даже определяющее, оказывает архитектура, принципы которой не сводятся к закономерностям развития тех нических систем и не могут в полной мере учитываться в ТРИЗ.

На этапе «Инновационный проект», пока еще новом в России для промышленности и строительства, определяются общие схемы внедрения научно-технических достижений поисковых разрабо ток, которые привели к генерации наиболее перспективных для внедрения конструктивных форм, и возможная программа инве стиций для осуществления инновационного проекта. Для этого разрабатываются инвестиционные проекты, учитывающие в мак симальном объеме специфику и неопределенности реализации но вых технических решений в условиях конкретной экономики.

На этапе «Инженерный проект» предпочтение может быть от дано варианту сооружения с иной конструктивной формой, чем этого хотели разработчики новых технических решений, и тогда информация, полученная на предыдущих этапах, может стать ос новой реализации нового цикла на других объектах, вне конкрет ного инженерного или даже инновационного проекта.

На этапе «Рабочее проектирование» может быть выявлен, например, после проведения расширенных изысканий, отдельный непреодолимый недостаток конструктивной формы, в целом эф фективной, или появится ранее не рассматривавшийся или даже отклоненный вариант технического решения, рассматриваемый повторно под давлением экономических или иных факторов, не связанных с конструированием. И тогда, к сожалению, не счита ясь с потерями времени и средств на проектирование, приходится признанную и принятую ранее к разработке конструктивную форму оставить без объекта своего внедрения, а цикл на этом об рывается. Проблема в том, что многим проектным предприятиям еще далеко до уровня, очерченного в указанных выше трудах, и только нарастание конкуренции в проектировании обеспечит не обходимое повышение эффективности и качества проектов.

В целом разработка проектов сооружений в начале XXI в. по степенно поднимается на новую качественную ступень «ком плексного проектирования жизненного уровня конструкций» с научно обоснованным прогнозированием долговечности соору жений.

На этапе «Подготовка к осуществлению проекта» цикл может быть надолго прерван или вообще прекращен — в силу только внешних причин (например, экономических), не связанных с ка кими-либо нюансами конструирования. История техники знает много подобных примеров.

Этапы 1…6 не отвечают строго принятым в разное время и не вполне согласованным действующим нормативным документам и ведомственным регламентам в области строительного проекти рования, однако вполне адекватно отражают их сущность и зада чи применения. Определения этапов 1…6 остаются корректными и после вступления в действие с 01.07.2003 г. (с последовавшими изменениями и дополнениями) закона Российской Федерации «О техническом регулировании», в силу которого должна быть, в частности, пересмотрена и вся нормативная база строительства.

На этапах 7 и 8, относящихся к возведению сооружения и про текающих с большим совмещением во времени, причины пре кращения цикла могут быть, как и выше, «внешними». Но на эта пе «Строительство» при выполнении работ «нулевого» цикла (подготовка оснований и возведение фундаментов) иногда вскрываются ошибки изысканий площадки строительства, ство ра, трассы, не вскрытые даже экспертизой.

На этапах «Строительство», «Капитальные ремонты» и «Ре конструкция» возможны и известны аварии, перечеркивающие предыдущие замыслы и планы внедрения или развития конструк тивных форм и приводящие к огромным убыткам. Причины ава рий могут быть не связаны, по крайней мере, явно, с технически ми решениями или даже с недостатками и упущениями проекта производства работ. Понятие «авария сооружения», в качестве повторяющегося, к сожалению, спутника процесса формообразо вания, подробно рассмотрено в прил. 2.

Спорным можно считать вопрос о возможности вести строи тельство объекта до полного завершения разработки его проекта.

Конечно, если речь идет о реализации проекта, включающего только хорошо зарекомендовавшие себя многократным примене нием конструктивные формы, стройку допустимо начинать, опи раясь на поэтапную выдачу проектной документации. Такая ор ганизация строительства, по-видимому, совершенно недопустима (в том числе и при экспериментальном строительстве), если в проект закладываются новые конструктивные формы. Спешка и форсирование освоения инвестиций в таких случаях могут не только снизить эффективность внедрения новых технических решений, но и подорвать к ним доверие, что может привести к отказу от их повторного применения.

На этапе «Полное прекращение эксплуатации» рассматрива ются основные возможности прерывания цикла формообразова ния в его «материальном» воплощении, оставляя лишь информа ционную среду для потенциально возможного продолжения су ществования и развития конструктивной формы в новых циклах на новых объектах.

Возможен, однако, и новый цикл работы конструкций на но вом месте в прежнем или несколько ином качестве. Это доказано и примерами реконструкции двух железнодорожных арочных мостов через р. Москва, возведенных в первые десятилетия XX в.

по проекту выдающегося отечественного учного-мостостроителя Л.Д. Проскурякова и «сплавленных» по реке в новые створы для эксплуатации в качестве пешеходных, так называемых «обитае мых» мостов.

В отечественную практику современного строительства все больше входят понятия научного и инженерного сопровождения проектирования и строительства сооружений. Эти понятия хоро шо соотносятся с предлагаемым здесь представлением о циклич ности процесса формообразования.

Научное сопровождение — это, во-первых, выполнение ком плекса НИР или НИОКР на этапах 1…4, где гораздо точнее упо требить термин «научное опережение проекта», во-вторых, для особо сложных объектов строительства, реконструкции и ремон та сооружений, — выполнение, при необходимости, на этапах 5…12 конкретных научных работ по внедрению результатов ра нее выполненных исследований, в том числе и при эксперимен тальном строительстве, в-третьих, — участие в разработке проек тов эксплуатации возведенных сооружений и в мониторинге их технического состояния (этап 9), в-четвертых, — участие в полу чении объективных оценок последствий и в принятии решений по ликвидации аварийных состояний, возникших в процессе вы полнения строительно-монтажных работ или в период эксплуата ции сооружений.

К сожалению, сегодняшний опыт отечественного мостострое ния свидетельствует о том, что, как правило, научное сопровож дение развертывается на 5-м и редко на 4-м этапах цикла формо образования (см. рисунок), когда уже приняты принципиальные, а иногда и окончательные технические решения, которые науке достается только «подправлять», а иногда и «спасать». Действу ющая система финансирования прикладной науки и отсутствие инвестиций в разработку инновационных проектов в отечествен ном мостостроении не способствуют его подлинному прогрессу.

Инженерное сопровождение — это контроль объемов и каче ства выполнения строительно-монтажных работ в соответствии с рабочей документацией, ППР и технологическими регламентами.

Каждое удачно осуществленное сооружение — это успешно ре ализованная попытка компромисса человека с природой, упорядо чивание среды обитания людей на основе экосистемного метода, снижение энтропии этой среды в рамках создаваемых природно технических систем [179]. Чем сложнее природные условия и при меняемые технологии, тем сложнее сооружение, его конструктив ные формы, тем обычно более длителен цикл внедрения и, к сожа лению, тем больше случаев прерывания этого цикла.

Рассмотренный выше цикл формообразования (см. рисунок) можно признать в условиях рыночной экономики аналогом «ин вестиционного цикла».

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 1. Создание конструктивных форм можно рассматривать как своеоб разный циклический процесс. В каждом сооружении фиксируется опре деленный «коллектив» конструктивных форм различных уровней слож ности, и формы совершают, по меньшей мере, один цикл своего разви тия в течение всего периода существования объекта.

2. Каждый цикл можно разбить на отчетливо проявляющиеся этапы, хотя хронологически отдельные этапы по выполнению ряда работ могут частично наслаиваться друг на друга. Циклы могут приостанавливаться, навсегда обрываться и даже повторяться для одного и того же объекта.

3. Генерация и развитие конструктивных форм сооружений проходят в своеобразной информационной среде, где можно выделить информаци онную оболочку, непосредственно окружающую определенный объект или комплекс однородных объектов, которая обменивается данными с более обширными сферами информационного пространства. Чем лучше нала жен такой информационный обмен, тем больше предпосылок к прогрессу и расширению внедрения конструктивной формы.

4. В циклах отдельных сооружений некоторые этапы могут осуществ ляться в минимальных объемах или вообще отсутствовать. Последнее обстоятельство, скорее всего, свидетельствует о негативных тенденциях в развитии конструктивных форм и требует пристального внимания спе циалистов и, в первую очередь, экспертов и заказчиков сооружений. По этому отчетливое представление о цикличности процесса формообразо вания имеет большое практическое значение.

5. С определенной условностью можно выделить 12 этапов наиболее полного цикла формообразования: накопление предпосылок к измене нию конструктивных форм, генерация новых конструктивных форм, инновационный проект, обоснование инвестиций и инженерный про ект, рабочее проектирование, подготовка к осуществлению проекта, изготовление элементов конструкций и организация их доставки на площадку строительства, строительство, эксплуатация до капи тальных ремонтов, капитальные ремонты и эксплуатация после ка питальных ремонтов, реконструкция и эксплуатация после проведе ния реконструкции, полное прекращение эксплуатации.

6. Чем больше количество циклов, т.е., чем через большее число ре альных объектов пройдет конструктивная форма, тем больше оснований для применения вероятностных методов при создании на базе такой конструктивной формы более совершенных сооружений.

7. Цикл формообразования можно признать в условиях рыночной экономики развернутым аналогом инвестиционного цикла, например, для объектов транспортного строительства, — в рамках совершенство вания и развития Единой транспортной системы России.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.