Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Формообразование строительных конструкций. Монография
.pdf
41
инновационный проект, обоснование инвестиций и инженерный проект, рабочее проектирование, подготовка к осуществлению проекта,
изготовление элементов конструкций и организация их доставки на
площадку строительства, строительство, эксплуатация до капитальных ремонтов, капитальные ремонты и эксплуатация после капитальных ремонтов, реконструкция и эксплуатация после проведения реконструкции, полное прекращение эксплуатации.
6. 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 сооружений.
7. Цикл формообразования можно признать в условиях рыночной
экономики развернутым аналогом инвестиционного цикла, например,
для объектов транспортного строительства, — в рамках совершенствования и развития Единой транспортной системы России.
8. Циклический характер формообразования строительных конструкций полностью соответствует положениям развивающегося научного
направления по разработке общей теории развития технических систем,
включающей представления о стадиях их «жизненного цикла».
9. В целом рассмотренный процесс создания и развития конструктивных форм сооружений служит разносторонней иллюстрацией диалектики
научно-технического прогресса в области строительных конструкций.
42
3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Н
СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЦИПОВ
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
3.1. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННОЙ
СИСТЕМЫ КРИТЕРИЕВ РАЗРАБОТКИ И РАЗВИТИЯ
КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ СООРУЖЕНИЙ
евозможно замыкаться только в экстраполяции проверенного практикой применения известных технических решений на более сложные условия возведения и
эксплуатации новых объектов. Опасно предлагать и не
вполне обоснованные новые технические решения при
создании ряда современных ответственных инженерных сооружений, пусть даже, на первый взгляд, и удовлетворяющие технологическим и социальным заказам инвестиционных программ.
Такие программы, к сожалению, не всегда далеко просчитаны, и,
возможно, вытекают из желания получить в кратчайшие сроки
сверхвысокие прибыли без тщательного анализа длительных экологических, экономических и социальных последствий не всегда
достаточно безопасной эксплуатации возведенных объектов.
Увеличиваются потребности в проведении квалифицирован-
ной научно-технической экспертизы проектов строительства
сложных инженерных сооружений, для чего необходимо развитие принципов объективной оценки безопасности и эффективности проектных решений с учетом реалий XXI в., в том числе и
при реконструкции сооружений. Сложность устройства конструкций определяется совокупностью требований — технологическим и социальным заказами на комплекс потребительских
свойств, отвечающих историческому уровню развития страны и
цивилизации в целом. Поэтому 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.
От строительной науки в связи с перечисленными выше об-
стоятельствами сейчас и далее следует ожидать, в первую оче-
43
редь, повышение внимания к методологическим аспектам инженерного творчества. Необходимы современные подходы, прежде
всего, на основе высокопроизводительных компьютерных технологий, к получению достоверных оценок безопасности и эффективности как вариантов создания новых, ещѐ только проектируемых сооружений, так и вариантов реконструкции давно интенсивно эксплуатируемых объектов промышленности, энергетики и
транспорта для ряда регионов, в особенности, в условиях глобального изменения климата и подъѐма уровня мирового океана.
За последнее десятилетие получила обобщение методология
формообразования строительных металлических конструкций,
выдвинутая академиком Н.П. Мельниковым во второй половине
XX века и под его руководством внедрѐнная ЦНИИПроектстальконструкция в отечественную практику проектирования ответственных сооружений для различных отраслей техники. Н.П.
Мельниковым были сформулированы определенные принципы
системы формообразования [95, с. 8]:
«…– Концентрация материалов с минимальным количеством
основных несущих элементов каркаса.
– Избирательное комбинированное применение сталей раз-
личных классов прочности с использованием высокопрочного
материала в тех элементах и деталях, которые обеспечивают экономический эффект для конструкции или сооружения в целом.
– Применение высокопрочной стали в крупнопролетных про-
тяженных конструкциях и особенно в тех случаях, когда значительная часть несущей способности расходуется на поддержание
собственного веса.
– Весьма эффективный прием совмещения функций в одной
конструктивной форме, например, несущих и ограждающих.
– Применение предварительно напряженных конструкций…».
Новая обобщенная система принципов формообразования строительных конструкций разработана и обоснована как совокупность
современных методологических подходов к поиску направлений и к
оценке результатов выбора новых конструктивных форм в строительстве сооружений из разнообразных материалов.
Цель разработки такой системы — сформулировать и обосновать принципы формообразования для выполнения многокритериального сопоставительного анализа объектов проектирования на
44
любых стадиях разработки проектной документации, что должно
способствовать формированию при проектировании наиболее конкурентоспособного набора вариантов намечаемых технических
решений, включающего как известные и имеющие опыт практического применения, так и новые конструктивные формы.
3.2. ПРИНЦИПЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В период 2005—2010 гг. выдвинута и обоснована [109; 161]
система 12 логически «ортогональных» (т.е. не вытекающих как
следствия из других вводимых принципиальных положений)
принципов формообразования строительных конструкций. Принципы формообразования — это критерии выбора, критерии принятия решений при создании сооружения из набора некоторой
совокупности конструктивных форм. В этом процессе должны
рассматриваться и конкурировать как известные технические решения и технологии, так и инновационные разработки. Введены
следующие принципы: «безопасности», «самосохранения», «управляемости», «композиции конструкционных материалов», «структурирования», «энергоѐмкости», «объединения технологий», «экономичности», «конкуренции», «технологичности», «совмещения
функций», «эстетичности».
Первые семь принципов можно признать наиболее важными и
интересными непосредственно для выбора инновационных
направлений в процессе проектирования и для решения конкретных задач разработки конструктивных форм с учетом технологи-
ческих и экономических возможностей их реализации для конкретных объектов строительства.
В разные времена, при различных объемах накопленных знаний
эти критерии формулируют по-своему, иногда при отсутствии или
недостатке квалифицированных кадров проектировщиков или
опыта строительства. Но почти всегда решения принимаются в
условиях наличия существенных ограничений возможностей общества и экономики. Более того, следование в строительстве, как и
в других видах деятельности, некоторым принципам весьма субъективно и нередко носит интуитивный характер. Тем не менее,
лучшие сооружения прошлого оказывались удивительно точными
по соотношениям и абсолютным значениям генеральных размеров
45
и весьма качественно собранными из строго подогнанных деталей, что определялось талантом, трудолюбием, принципиальностью, настойчивостью и упорством авторов выдающихся проектов и их исполнителей.
Многокритериальный анализ характерен для современной методологии описания и исследования сложных систем.
Как отмечал А.И. Яблонский 196; 267 :
«…Сложная система описывается, как правило, при помощи
набора сравнительно независимых контекстов, каждый из которых дает лишь частичное знание о системе в целом, но полное по
отношению к данному контексту».
И там же далее:
«…Представление о многоаспектном описании сложной системы является одним из основных методологических принципов
современного научного мировоззрения».
В целом рассмотренный процесс формообразования служит
разносторонней иллюстрацией диалектики научно-технического
прогресса в области строительных конструкций. Диалектика формообразования — это, по существу, отрицание известных решений, утративших перспективу дальнейшего развития, и их замена
(скорее всего, вынужденная) новыми решениями, в наибольшей
мере удовлетворяющими определенной совокупности критериев — принципов формообразования.
Сформулируем принципы формообразования:
● Принцип безопасности. Конструктивные формы сооружения
должны разрабатываться, проектироваться и осуществляться с
такими геометрическими параметрами пролетов, габаритов, профиля, плана, с физико-механическими характеристиками конструкционных материалов, с включением, возможно, резервных
элементов и связей, которые необходимы и достаточны для обеспечения экологической и технологической безопасности объекта
по отношению:
– к жизни и деятельности людей в зоне влияния сооружения;
– технологическим процессам возведения, эксплуатации, ремонтов, реконструкции и демонтажа сооружения;
– другим техническим системам и природным процессам, области и характеристики неблагоприятного воздействия которых
могут в особых случаях включать рассматриваемое сооружение.
46
Проектирование сооружений или комплексов сооружений для
обеспечения их безопасности на стадиях строительства и эксплуатации должно включать разработку систем мониторинга и, при
необходимости, систем управления состоянием ответственных
несущих и ограждающих конструкций.
● Принцип самосохранения. Несущие элементы конструктив-
ных форм должны обладать определенными ресурсами поглощения и рассеивания энергии в процессах своего необратимого деформирования (разрушения) независимо от причин, вызвавших
развитие таких процессов. Эти ресурсы обеспечиваются:
– достаточной пластичностью, термостойкостью, огнестойкостью и радиационной стойкостью конструкционных материалов;
– подбором композиции конструкционных материалов;
– конструктивным решением внешних и внутренних связей,
соединений, деталей, в том числе устройством переменных или
односторонних связей;
– устройством вспомогательных (защитных) элементов с
большими ресурсами отражения, поглощения и рассеивания
энергии;
– формой несущих элементов, не допускающей опережающую
местную потерю устойчивости равновесия их деталей;
– структурой несущих элементов и их деталей, последовательно придающей разрушению многомасштабный характер с
постепенным (замедленным) распространением повреждений от
мелких локальных областей на более обширные фрагменты сооружения;
– дублированием ответственных несущих и некоторых вспомогательных элементов конструктивных форм, а также деталей связей.
● Принцип управляемости. Для достижения и сохранения тре-
буемых эксплуатационных параметров, обеспечения надежности
и повышения эффективности использования сооружения в его
техническую систему могут включаться специальные несущие и
вспомогательные элементы конструктивных форм, а также специальное оборудование, обеспечивающее управление при строительстве, эксплуатации и реконструкции сооружения:
– напряженно-деформированным состоянием несущих элементов;
– реакциями внутренних и внешних связей;
– кинематикой и физическими свойствами внутренних и внешних связей;
47
– геометрией структуры и размерами элементов, их физикотехническими характеристиками;
– изменением параметров внешних природных воздействий на
сооружение через преобразование конфигурации ряда вспомогательных элементов и (или) режимов работы специального оборудования;
– интенсивностью постоянных и временных нагрузок и воздействий, структурой и скоростями потоков временных нагрузок от
транспортных средств, пешеходов, транспортируемых продуктов;
– изменением гидрологических режимов эксплуатации сооружения;
– движением транспорта по пересекаемым и параллельным
транспортным коммуникациям.
● Принцип композиции конструкционных материалов. Для
достижения максимальной эффективности конструктивные формы должны включать определенные наборы материалов, применяемых для создания несущих и вспомогательных элементов.
При этом каждый материал, включаемый в композицию, должен
в наименьшей степени проявлять собственные недостатки и в
наибольшей — компенсировать недостатки других материалов
композиции.
● Принцип структурирования. Конструктивная форма должна
обладать достаточной по сложности и числу уровней иерархической структурой несущих элементов, чтобы исключать возникновение каскадных процессов разрушения и не допускать реализацию общего разрушения макроэлементов структуры или проявление форм общей потери устойчивости конструкции,
опережающих развитие местных деформаций и локальных форм
неустойчивого равновесия несущих элементов. Структурирование направлено:
– на обеспечение качественного по точности и минимального
по уровню остаточных напряжений изготовления деталей и монтажных блоков;
– на достижение максимальной простоты транспортировки и
высокого качества сборки конструкций;
– на выбор и реальное достижение такой геометрии и такого
количества и взаимного расположения элементов конструктивных
форм с различными уровнями напряженно-деформированного
48
состояния и комбинациями материалов, которые необходимы для
нормальной эксплуатации сооружения.
● Принцип энергоемкости. Конструирование должно быть
направлено на минимизацию внутренней потенциальной энергии
деформации, накапливаемой в сооружении от его собственного
веса, усилий регулирования напряженного состояния и внутренних остаточных напряжений, возникших при изготовлении конструкций, всеми несущими элементами всех его конструктивных
форм в сумме при всех возможных сочетаниях постоянных и
временных нагрузок и воздействий.
● Принцип объединения технологий. Для наиболее рацио-
нального применения, особенно в сложных условиях возведения
и эксплуатации сооружений, их конструктивные формы целесообразно создавать и развивать, частично или полностью используя (модифицируя) технические решения несущих и вспомогательных элементов, относящихся к строительным объектам различных классов, при необходимости заимствуя эффективные
конструкционные материалы, 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 материалы и технологии из других областей техники.
● Принцип экономичности. При создании сооружения необ-
ходимо стремиться к оптимизации по экономическим критериям
совокупности его конструктивных форм. Многокритериальная
экономическая оптимизация должна совместно рассматривать все
этапы создания, проектирования, возведения (с учетом возможной очередности ввода) и многофункциональной эксплуатации
сооружения.
Задачу оптимизации необходимо решать с учетом сценариев
поведения сооружения при его эксплуатации. Такие сценарии
должны отражать варианты изменения во времени технических,
экономических, природных и социальных условий работы сооружения и его обслуживания.
В алгоритмах оптимизации необходимо увязывать выбор конструкционных материалов и их распределение в сооружении с
49
достижением согласованного оптимума экономических критериев
при различных (прежде всего, нормативных) сценариях эксплуатации объекта. Функции ограничений в алгоритмах оптимизации
технических решений сооружений по экономическим критериям
должны отражать работу объектов в составе более сложных технических и природно-технических систем.
Следование принципу экономичности должно обеспечивать
достаточный уровень экономической безопасности сооружения.
● Принцип конкуренции. При выполнении заказа на сооруже-
ние необходима позитивная многокритериальная конкуренция
конструктивных форм. К рассмотрению следует принимать все
варианты проектных решений, допустимые по условиям обеспечения безопасности строительства и эксплуатации, с точностью
до степени определенности технического задания на возведение
или реконструкцию сооружения.
В каждом конкурирующем варианте должны учитываться и,
по возможности полнее, соблюдаться условия интеграции сооружения в более сложные природно-технические системы.
● Принцип технологичности. Все несущие и вспомогательные
элементы и их детали должны иметь геометрическую форму, отношения размеров, увязанные допуски, качество материалов,
обеспечивающие на этапах изготовления конструкций, их транспортировки, монтажа, эксплуатации, ремонтов, реконструкции
применение технологических процессов, наиболее эффективных
по безопасности, качеству, производительности и экономичности
своего осуществления.
● Принцип совмещения функций. При создании сооружений
целесообразно отыскивать технические решения, в которых элементы конструктивных форм в процессах возведения и эксплуатации объектов способны всегда одновременно или по мере
необходимости выполнять несколько конструктивных и технологических функций.
● Принцип эстетичности. В результате проектирования, стро-
ительства или реконструкции сооружения должно достигаться
органическое единство его архитектурной и конструктивных
форм. Внешний и внутренний облик сооружения и его функционирование не должны порождать отрицательных эмоций, в худшем случае оставляя некоторую часть пользователей невосприимчивой к «языку» архитектуры.
50
Вместе с тем, притязания архитекторов не должны беспредельно принижать и, тем более, подрывать все другие принципы
формообразования строительных конструкций.
3.3. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Обобщение принципов формообразования строительных конструкций для оценки результатов создания новых конструктивных форм в первую очередь опирается на опыт научноисследовательской и проектной деятельности коллектива ЦНИИПроектстальконструкция (ЦНИИПСК) им. Мельникова [109; 110],
а также на успешную реализацию этих проектов на практике на
протяжении более чем 125 лет существования института, основанного академиками В.Г. Шуховым и Н.П. Мельниковым [81; 108].
Достижения ЦНИИПроектстальконструкция базируются на
поиске и внедрении в подавляющем числе проектов новых прогрессивных технических решений, на их глубоком и разностороннем расчетном обосновании, на привлечении современных
высокопроизводительных технологий заводского изготовления
элементов металлоконструкций и монтажа сооружений с обеспечением долговременной защиты металла от коррозии. Как отмечено в работе [108], на счету института сотни уникальных сооружений, функционирующих и по сей день, — объекты металлургии,
энергетики, судостроения, автомобилестроения и космического
назначения, башни и мачты, резервуары и газгольдеры, мосты, монументы и памятники.
В первую очередь для выдвижения обобщѐнной системы
принципов формообразования был использован опыт разработки
творческими коллективами института проектов мостов, включая
трубопроводные, — с большими и сверхбольшими пролетами,
мостовых переходов большой протяженности, доведенных до
уровня серийных специальных сборно-разборных временных мостов и инженерных механизированных мостов, а также металлических (вантовых) башенных градирен (для ТЭЦ и АЭС), козловых кранов грузоподъемностью до 1000 т пролетами до 120 м
(судостроительных и для монтажа конструкций строящихся АЭС),
кранов-перегружателей (для ТЭЦ), подкраново-подстропильных
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]