Настанова з оцінювання якості будівельних сталевих конструкцій

В.М. Гордєєв, заступник генерального директора з наукової роботи Укрінсталькон ім. В.М. Шимановського, д.т.н, професор

Вадим Миколайович Гордєєв висловлює думку, що на якість проектування будівельних сталевих конструкцій позитивно вплине стандарт, який визначатиме набір якісних і кількісних показників, що багатосторонньо характеризують технічний і економічний рівень конструктивних рішень. Серед них якісні характеристики проєкту, показники середньозваженого використання несучої здатності елементів конструкції, середній рівень міцності сталі, частка вітчизняного прокату у загальних витратах металу, питомі показники цих витрат. Розглядається декілька варіантів застосування стандарту. Перевага віддається варіанту, в якому показники якості визначаються авторами проєкту у процесі його створення. Наголошується на придатності стандарту для компютерної системи підтримки прийняття рішень.

Будівельна діяльність в Україні регламентується державними будівельними нормами (ДБН) та державними стандартами України (ДСТУ). Будівельні норми - це документ технічного характеру, що встановлює мінімальні вимоги до об'єкта будівельної діяльності. Стандарт - це технічний документ, схвалений визнаною організацією, який встановлює для загального та багаторазового застосування певні правила та містить вказівки. Дотримання норм є обов'язковим, дотримання стандартів - добровільним.

Правильно побудована система норм та стандартів позитивно впливає на культуру проектування і сприяє створенню будівельних об'єктів, безпечних для життя і здоров'я людей, та формуванню і підтриманню сталого навколишнього середовища.

 

Деякі аспекти проєктування металевих конструкцій.

Норми та стандарти проєктування будівельних металевих конструкцій орієнтовані, в основному, на технічні питання, які повязані з надійністю та безпекою об'єктів будівництва. З появою ДБН "Науково-технічний супровід будівельних об'єктів" набуло більшої актуальності впровадження у проєктування металевих конструкцій досягнень науки, техніки і нових технологій. Проте дотримання вимог щодо раціонального використання природних, енергетичних, трудових ресурсів або охорони довкілля виконується факультативно і без належного контролю.

Тривалий час будівельні норми містили в собі як вимоги міцності, стійкості або жорсткості конструкцій, так і вимоги щодо недопущення великих запасів. Так у нормах проектування сталевих констукцій, які діяли в Україні до 2011 року, була вимога, що обмежувала відносне недонапруження поперечних перерізів рівнем 5%. У наступних нормах ця вимога була усунена, оскільки вона трактувалася як сугубо економічна.

У теперішній час культура проектування сталевих конструкцій не досить висока. Замовники проектів з метою заощадження коштів шукають дешевого проектувальника і знаходять його, здебільшого, серед малокваліфікованих. У результаті з'являються робочі креслення, які завдають багато проблем заводам і монтажникам, а в гіршому випадку конструкція виявляється непридатною до використання. Більш кваліфіковані проектувальники працюють за принципом «які гроші – такий і товар» і видають спрощені конструктивні рішення з великими запасами. Питання щодо економічності проекту, раціонального використання природних, енергетичних, трудових ресурсів, охорони довкілля тощо залишаються поза увагою.

Мотиви розроблення стандарту.

З метою підвищення культури і якості проєктування металевих конструкцій Український інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського за підтримки Українського центру сталевого будівництва розробив першу редакцію державного стандарту України «Конструкції сталеві будівельні. Настанова з оцінювання якості конструктивних рішень». Цей документ визначає стандартизований набір показників, які всебічно характеризують якість конструктивних рішень запроєктованих будівельних металевих конструкцій і мають бути надані замовнику додатково до робочих креслень марки КМ (надалі проєкт КМ) або до іншої подібної проєктної документації за додаткові кошти. Стандартизований набір показників може конкретизувати явні та розкрити приховані характеристики якості конструктивних рішень і дозволити замовнику, підряднику, виробнику, монтажнику або іншим зацікавленим особам оцінити проєкт зі своєї точки зору.

Автори стандарту вбачають принаймні три шляхи його використання.

1. Незалежне оцінювання проєкту КМ. У цьому випадку зацікавлена сторона (забудовник, підрядник або хтось інший) замовляє сторонньому експертові оцінку якості проєкту КМ і надає йому для цього креслення марки КМ, розрахунки та інформацію про проєктну організацію, яка виконала проєкт. Тоді цей експерт, користуючись стандартом як настановою до виконання експертизи, визначає якісні і кількісні показники проєкту КМ і на їх основі оцінює конструктивні рішення.
2. У цьому випадку замовник проєкту КМ доручає проєктувальнику за додаткову плату додатково до проєкту КМ надати інформацію про конструктивні рішення відповідно до даного стандарту. Ця інформація сприяє самоконтролю виконавця і є основою для оцінювання якості конструктивних рішень замовником.
3. Використовується як завдання для поглибленого пророблення проекту та отримання стандартизованих звітних матеріалів у випадку доопрацювання або коригування проєкту КМ з метою його покращення за додаткові кошти. 

Стандарт рекомендує авторське визначення показників якості. Тоді трудомістськість виконання цієї роботи буде мінімальною, а користь від її виконання максимальною. Авторське визначення стандартизованого набору показників має ряд переваг. У першу чергу, автори проекту добре знають організацію, де вони працюють, і у них не має потреби її вивчати. Вони також знають завдання на проектування, всі деталі проектування і всі конструктивні рішення. Важливим є і те, що кількісні показники якості конструктивних рішень базуються на аналізі специфікації металопрокату. Якщо заздалегідь знати номенклатуру цих показників, то складаючи специфікацію, можна в один захід отримати потрібні показники.

Користь від авторського виконання цієї роботи полягає в тому, що надати показники, які негативно характеризують власний проєкт, немає ніякого сенсу, навпаки з'являється стимул, щоб конструкція була запроєктована якісно. Тим більше, надання показників оплачується додатково. Частину цих коштів можна використати для більш детального пророблення проєкту. І, нарешті, є змога усунути помічені недоліки, не витрачаючи додаткового часу. Таким чином, авторське виконання можна розглядати як механізм самоконтролю і саморегулювання.

Цю ідею можна розвинути далі. Відомо, що заощаджувати кошти треба не на проєктних роботах, а на будівельному об'єкті. Є сенс переплатити проєктувальнику, але отримати від нього хороший ретельно виконаний проєкт. Адже зайва гривня, вкладена у проєкт, за сприятливих обставин на 20-30 гривень зменшує вартість конструкцій. Якщо проєктувальнику поставити завдання розробити проєкт підвищеної якості, то його звіт, виконаний відповідно до стандарту, дозволить оцінити конструктивні рішення цього до проєкту.

Основні положення стандарту.

Стандарт призначений для оцінювання якості конструктивних рішень сталевих будівельних конструкцій на основі проєктів КМ для будинків, споруд та обєктів інженерно-транспортної інфраструктури, в якому форму та розміри поперечних перерізів конструкційних елементів визначають розрахунковим шляхом або на основі технічної документації, відмінної від проєктів КМ, якщо ця документація має у своєму складі розрахунки для визначення поперечних перерізів конструкційних елементів, відомість елементів та специфікацію металопрокату.

В основу оцінювання покладено інтерактивний принцип відповідно до якого якість конструктивних рішень визначає людина (особа, яка приймає рішення, або експерт), користуючись інформацією, встановленою стандартом. За результатами оцінювання можуть бути надані рекомендації щодо перегляду виду прокату, поперечних перерізів, товщин, виду та міцності сталі для елементів сталевих конструкцій.

Конструктивна схема і розміри будинку, споруди чи об'єкта інженерно-транспортної інфраструктури перегляду не підлягають.

Стандарт встановлює такий склад інформації, яку надають для оцінювання якості конструктивних рішень на основі проєкту КМ:

• якісні характеристики
• кількісні характеристики
• додаткові витрати металу
• питомі показники витрат металу

Ця інформація має міститися у звіті з оцінювання якості конструктивних рішень проєкту КМ, що розглядається.

Якісні характеристики.

Якісні характеристики визначаються на основі загальних даних про автора проєкту КМ, про замовника, про обєкт будівництва та шляхом вивчення і аналізу безпосередньо проєкту КМ. Вони наводяться у звіті описово за чотирма розділами.

Розділ 1. Принципові конструктивні рішення

• принципові конструктивні рішення і їхня відповідність призначенню
• вжиті заходи щодо покращення конструктивних рішень (варіантне проєктування, використання оптимізаційних методів тощо)
• ступінь уніфікації елементів конструкції та її деталей
• врахування у проєкті КМ технології виготовлення конструкцій
• врахування у проєкті КМ методу транспортування конструкцій
• врахування у проєкті КМ методу монтажу конструкцій
• врахування у проєкті КМ захисту конструкцій від корозії
• врахування у проєкті КМ вогнезахисту конструкцій
• врахування у проєкті КМ архітектурно-планувальних рішень та технологічного призначення будівлі
• врахування концепції сталого розвитку, адаптивності, можливості реконструкції, мобільності
• інші питання стосовно принципових конструктивних рішень

Розділ 2. Автоматизація розрахунків

У цьому розділі потрібно описати:

• програмне забезпечення для виконання будівельно-механічних розрахунків
• вид розрахункової схеми
• типи елементів розрахункової схеми
• ступінь деталізації конструкції та кількісні характеристики розрахункової схеми
• програмне забезпечення для перевіряння міцності, стійкості та експлуатаційної придатності елементів конструкції
• інші питання стосовно автоматизації розрахунків

Розділ 3. Автоматизація конструювання

• програмне забезпечення, яке використовується для підбирання поперечних перерізів або товщин елементів та деталей металевих конструкцій (зокрема, з урахуванням геометричної та фізичної нелінійності)
• програмне забезпечення, яке використовують для автоматизації конструювання
• програмне забезпечення, яке використовують для виготовлення креслень
• ступінь застосування 3D-технологій та BIM-технологій
• інші питання стосовно автоматизації конструювання.

Розділ 4. Система управління якістю

У цьому розділі потрібно описати:

• систему та організацію перевіряння розрахунків та креслень
• систему довгострокового зберігання креслень і розрахунків
• систему управління якістю проєктування
• інші питання стосовно системи управління якістю

Кількісні характеристики. 

Для оцінювання конструктивних рішень стандарт передбачає визначення та використання таких кількісних характеристик:

• теоретичної маси металу за проєктом M
• частки металу вітчизняного виробника D
• середньозваженої міцності металу R
• середньозваженого коефіцієнта використання без урахування надбавок на уніфікацію K
• середньозваженого коефіцієнта використання з урахуванням надбавок на уніфікацію Ku

У завданні на виконання оцінювання якості конструктивних рішень можуть бути визначені додаткові кількісні характеристики, наприклад приєднана використана енергія, приєднані викиди вуглецю тощо.

Кількісні характеристики визначаються на основі комплекту креслень, відомості елементів, специфікації металопрокату, механічних розрахунків конструкцій, розрахунків несної здатності та експлуатаційної придатності елементів металевих конструкцій та їх деталей, а також з використанням номенклатури вітчизняного виробництва металопрокату. Кількісні характеристики визначаються для кожного елемента конструкції і для конструкції в цілому.

Основою для визначення кількісних характеристик є специфікація металопрокату з проєкту КМ, якої треба суворо дотримуватися. Кількісна характеристика  теоретична маса металу за проєктом M  точно відповідає масі металу за специфікацією. Визначення інших кількісних характеристик потребує більш детальної інформації про конструкцію, ніж та, яку містить специфікація металопрокату. Тому, крім специфікації, потрібно використовувати відомість елементів, щоб деталізувати конструкцію до рівня деталей її елементів, проаналізувати склад металу, виробника прокату і коефіцієнти використання для кожної з деталей, а потім узагальнити цю інформацію до рівня кожного з елементів конструкції, до рівня групи уніфікованих елементів і  до рівня проєкту КМ в цілому.

Частка металу вітчизняного виробника D для елемента конструкції і для конструкції в цілому обчислюється на основі номенклатури вітчизняного виробництва металопрокату.

Наступні три показники названі середньо-зваженими. Середньозважений показник pa – це числова характеристика сукупності довільних обєктів, кожен з яких характеризується числовим показником p і ваговим коефіцієнтом m > 0.

Середньозважений показник визначають так:

де сума поширюється на всі обєкти сукупності.

У нашому випадку об'єктами є основні деталі металевої конструкції, які є складовими частинами специфікації металопрокату у проєкті КМ, а ваговими коефіцієнтами  маса цих деталей.

Середньозважену міцність металу R визначають за допомогою показника міцності для кожної деталі у Н/мм2.

Два наступні середньозважені показники K та Ku визначають за допомогою коефіцієнтів використання. Поняття коефіцієнт використання стосується розрахунків і потребує пояснень.

Як правило, розрахунки закінчуються перевіркою розрахункових нерівностей (умови міцності, стійкості, жорсткості тощо), порушення яких є неприпустимим. Для визначення коефіцієнтів використання потрібні нормовані розрахункові нерівності, тобто нерівності, зведені до форм

Коефіцієнт використання  це максимальне значення лівої частини нормованих розрахункових нерівностей K, вибране з набору розрахункових нерівностей, повязаних із даною деталлю конструкції.

Зауважимо, що з метою уніфікації один і той самий елемент з усіма своїми деталями повторюється в конструкції деяку кількість (для конкретики  n) разів. Експлуатаційну придатність кожного екземпляра деталі у проєкті КМ перевіряють розрахунками, в результаті чого для кожної деталі зявляється певна кількість нормованих розрахункових нерівностей такого типу:

де p - вид перевірки (за міцністю, стійкістю, гнучкістю тощо), i - номер екземпляра. Деталь вважають експлуатаційно придатною, якщо всі ці нерівності задовольняються. За цими нерівностями для кожного екземпляра деталі необхідно визначити коефіцієнт використання, обираючи з усіх видів перевірки максимальне значення лівої частини нормованої розрахункової нерівності

Якщо для деякої деталі не вдалося встановити жодної нерівності (наприклад, це конструктивна деталь), слід прийняти умовно Ki = 0,5. Потім треба знайти максимальний та середній коефіцієнти використання для даної деталі:

де пошук максимуму і підсумовування виконують з урахуванням усіх n екземплярів даної деталі. 

Таким чином знаходять коефіцієнт використання без урахування надбавок на уніфікацію K і коефіцієнт використання з урахуванням надбавок на уніфікацію Ku для множини уніфікованих елементів конструкції. Кількісні характеристики для конструкції в цілому визначають як відповідні середньозважені значення цих коефіцієнтів. Стандарт може бути використаний і для визначення кількісних характеристик для частини металевих конструкцій проєкту КМ. Щоб отримати кількісні характеристики для частини металевих конструкцій, потрібно скористатися відомістю елементів і специфікацією для цієї частини металевих конструкцій.

Основою для обчислення кількісних характеристик можуть бути розрахунки, виконані автоматизованим способом, ручним способом або інакше.

Додаткові витрати металу. 

Середньозважені коефіцієнти використання без урахування надбавок на уніфікацію K та з урахуванням надбавок на уніфікацію Ku дають змогу оцінити додаткові витрати металу для кожного з елементів конструкції, групи уніфікованих елементів і для конструкції в цілому.

Додаткові витрати металу для елемента конструкції або конструкції в цілому, без урахування витрат металу на уніфікацію елементів конструкції та їх деталей, можуть бути оцінені коефіцієнтом

Цей коефіцієнт враховує не тільки витрати, зумовлені неретельним призначенням перерізів елементів конструкції, але і витрати, викликані дискретністю сортаменту металопрокату.

Додаткові витрати металу, що виникли у звязку з уніфікацією елементів конструкції та їх деталей для групи уніфікованих елементів і для конструкції в цілому, можуть бути оцінені коефіцієнтом

Цей коефіцієнт враховує не тільки витрати, зумовлені уніфікацією елементів конструкції та їх деталей, але і витрати, викликані дискретністю сортаменту металопрокату.

Додаткові витрати металу в одиницях маси визначаються як добуток відповідного коефіцієнта на масу елемента конструкції, масу групи уніфікованих елементів або масу конструкції в цілому.

На жаль, відділити витрати, викликані дискретністю сортаменту металопрокату, від витрат, обумовлених неретельним призначенням перерізів елементів, не вдається.

Питомі показники витрат металу. 

Наступною характеристикою конструктивного рішення є питомі показники витрат металу. Це  відношення маси металу за проєктом до ключового показника, який характеризує обєкт будівництва.

Ключовим показником може бути:

• корисна площа для будівель
• прогін або довжина для лінійних споруд
• корисний обєм для резервуарів чи газгольдерів
• кількість посадкових місць для глядацьких залів та стадіонів
• кількість паркомісць для паркінгів
• потужність для електростанцій

Для обєкта можна визначити декілька питомих показників. Питомі показники витрат металу для усталених типів обєктів будівництва відомі спеціалістам. Порівняння показників, отриманих за цим стандартом, з такими самими показниками для вже реалізованих обєктів є хорошим критерієм якості конструктивних рішень.

Звіт.

Результати оцінювання якості консттивних рішень повинні бути оформлені у вигляді звіту. У звіті мають бути описані якісні наведені та розяснені кількісні характеристики, додаткові витрати металу (в абсолютному і відносному вимірах) і питомі показники витрат металу, виконана оцінка якості конструктивних рішень і надані рекомендації щодо використання або коригування проєкту КМ.

Висновки.

У стандарті описано процедуру оцінювання якості конструктивних рішень металевих конструкцій на основі проєкту КМ. Для того, щоб скористатися технічною документацією, відмінною від проєкту КМ (наприклад, закордонною), якщо в ній не вистачає деяких потрібних даних, цю документацію треба доопрацювати до рівня, еквівалентного проєкту КМ, а потім скористатися цим стандартом.

Конкретну мету оцінювання якості конструктивних рішень на основі проєкту КМ цей стандарт не встановлює. Звіт з оцінювання якості конструктивних рішень може бути використаний для їх оцінювання за альтернативними критеріями, оскільки він містить у собі великий набір якісних і кількісних характеристик, що дає можливість спеціалісту виконати відповідне оцінювання.

Склад інформації, зумовлений цим стандартом, і рекомендації для її визначення можуть бути використані не тільки для оцінювання якості конструктивних рішень на основі конкретних проєктів КМ, але і для розроблення компютерної системи підтримки прийняття рішень.