Значение этапа проектирования в цикле строительства зданий и сооружений.

Создание нового здания и сооружения от момента возникновения решения об их необходимости и реализации включает два основных этапа:

разработка расчетной модели строительного объекта (проектирование);

строительство этого объекта.

Реконструкция эксплуатируемых зданий, объем, который в последнее время значительно увеличился, включает в себя два аналогичных этапа с учетом диагностики (мониторинга) состояния реконструируемого объекта. Слово «проект» по-латыни означает «брошенный в будущее».

Проект - это совокупность расчетов, чертежей, схем, таблиц и других документов, необходимых для осуществления строительства объекта.

Строительное проектирование является составной частью строительного производства, сопровождая его о начала строительства до передачи завершенного объекта в эксплуатацию.

Проектировщикам принадлежит ведущая роль в обеспечении эффективности нового строительства, реконструкции и технического перевооружения действующих предприятий.

Этап проектирования в цикле строительства зданий и сооружений является наиболее важным и определяющим технико-экономический уровень строительного объекта по следующим причинам:

на этапе проектирования устанавливаются необходимые запасы прочности, устойчивости и жесткости несущих конструкций, способных обеспечить нормальные условия эксплуатации
зданий и сооружений в течение длительного сроков службы;

в проект закладываются современные прогрессивные технологии, необходимые для функционирования будущего конкурентоспособного объекта;

при проектировании устанавливаются технико-экономические показатели строительства зданий и сооружений, сроки возведения объекта, необходимые для сравнения с конкурирующими вариантами проекта.

В результате такого сравнения выявляется наиболее конкурентоспособный вариант, принимаемый для реализации строительства;

следует подчеркнуть, что повлиять на экономичность конструкции, её технические качества (прочность, долговечность, устойчивость, жесткость) гораздо легче при проектировании, чем на стадии производства или эксплуатации;

Проектирование представляет собой творческий процесс, требующий большого напряжения сил и способностей специалиста, высокого эмоционального накала, но зато доставляет большое удовольствие.

Проектирование строительных конструкций как решение инженерной задачи носит итерационный характер. Для выработки эффективного конструктивного решения, творческий процесс проектирования условно можно разбить на три стадии: анализ, синтез, оценка полученного решения (рис. 6.1)

На первой стадии производится анализ существующего положения дел по рассматриваемой задаче, и определяются цели* поиска. Основательное изучение банка данных по рассматриваемой проблеме, накопление и систематизация обширной информации позволяют конструировать и уточнить цель творческого поиска, изучить опыт предшественников и подумать варианты подхода к новому, более конкурентному решению.

На второй стадии осуществляется синтез различных подходов к решению задачи с перебором различных вариантов пробами и попытками. Именно здесь наиболее упорная умственная деятельность, организованное мышление тесно переплетаются с подсознательной работой мозга, и в результате осуществляется порыв к новому решению. Успешному решению творческой задачи способствует специализированные здания и тренировка мышления. Важную роль при этом играют наблюдательность, сообразительность, способность к наглядному представлению проектируемых объектов, отождествление предметов по сходственным признакам (аналогии).

На третьей стадии проектирования изучаются возможные последствия практического внедрения нового решения, и оценивается ожидаемый эффект. Чтобы новое решение не осталось непонятным, его надо связать с прежним знанием, которое никогда не отвергается полностью. Результаты творческого процесса следует представить в убедительной, доказательной и доходчивой форме с необходимыми расчетами и анализом.

Обычно эти стадии творческого процесса повторяются многократно. Следующий цикл может отличаться от предыдущего большей детализацией и меньшей общностью.

Рис. 6.1. Стадии творческого процесса проектирования.

Вариантное проектирование.

Выбор эффективных решений при проектировании выполняется на основе технико-экономического анализа компоновки сооружении, конструктивных схем, материалов, технологии изготовления с учетом требований, предъявляемых к конструкциям зданий и сооружений в эксплуатации. Одним из основных способов, применяемых для этой цели, является вариантное проектирование. Вариантное проектирование заключается в составлении и анализе конкурирующих вариантов, из которых на основе технико-экономического анализа выбирается наиболее рациональный. При вариантном проектировании зданий и сооружений решаются два типа задач:

сравнительный анализ различных конструктивных решений при одинаковой компоновке сооружения;

сравнительный анализ компоновочных схем при одинаковых конструктивных решениях элементов сооружения.

Задачи первого типа отличаются разнообразием. В них анализируются конструктивные схемы зданий, материал конструкций, типы основных несущих конструкций (балки, фермы, оболочки и др.), формы сечений элементов. В задачах второго типа предусматривается выбор рационального шага ферм, колонн, иногда пролетов. В связи с применением типовых решений и необходимостью соблюдения модульных размеров область компоновочных задач сужается.

Для строительства выбирается тот вариант, который имеет наилучшие показатели. В качестве критериев оценки вариантов применяют следующие показатели: масса конструкций и стоимость основных материалов; стоимость конструкций в «деле», т.е. затраты на материалы, изготовление и монтаж; полные ожидаемые затраты с учетом эксплуатационных расходов.

При выборе вариантов могут использоваться экспертные оценки и методы теории решений.

Проектирование строительных конструкций обычно представляет собой последовательность проб и ошибок. На основе информации (прошлого опыта) создается первый вариант проекта. Полученная конструкция проверяется, находятся её слабые места и излишние запасы, проводится корректировка проекта. Эта процедура повторяется до тех пор, пока не будут установлены требования надежности и экономичности.

С развитием электронной вычислительной техники использование итерациональных процедур позволяет автоматизировать поиск рациональных решений и создает новые возможности в совершенствовании вариантного проектирования сравнением практически неограниченного числа вариантов.

Критерии:

расход материалов;

стоимость строительства;

расходы с учетом их отдаленных во времени эксплуатаций.

Требуется инженерная интуиция.

Вариантное проектирование эффективно:

- при проектировании уникальных сооружений с применением большепролетных конструкций, высотных сооружений, подземных сооружений большого объема.

Способ вариантного проектирования имеет следующие недостатки:

- требуется определенная инженерная интуиция при выборе вариантов для сравнительного анализа; выбранный вариант лучший из рассмотренных, но не лучший из возможных.

Пример 7.1. Разработать и сравнить варианты конструкционных решений поперечной рамы одноэтажного производственного здания пролетом 24м.

Вариант 1. (рис 7.1а) Основные несущие конструкции покрытия - балки переменной высоты с отверстиями в стенке, которые уменьшают собственную массу и служат и служат для прокладки коммуникаций. Колонны предусмотрены прямоугольного сечения с консолями, на которые опираются подкрановые балки. Колонна жёстко соединена с фундаментом. Устойчивость каркаса в продольном направлении обеспечивается продольными связями.

Вариант 2, (рис 7.1б) Улучшаем конструкцию, применяя центрифугированные колонны кольцевого сечения, которые обладаю лучшим сопротивлением сжатия, чем колонны прямоугольного сечения. В качестве основной конструкции покрытия применена железобетонная ферма с параллельными поясами.

Вариант З. (рис 7.1в) Существенно изменяется конструкция покрытия. Применяются плиты КЖС (крупноразмерные железобетонные сводчатые), которые устанавливаются на подстропильные балки. Плиты КЖС представляю собой короткие цилиндрические своды-оболочки, в которых расход материалов снижается по сравнению с плоскостными конструкциями на 25-40%.

Из рассмотренных вариантов 3ий является лучшим, так как уменьшаются: число плит в 2 раза, продолжительность изготовления и монтаж на 25-35%, трудоемкость сооружения каркаса здания на 15-25%.

Рис. 7.1

а, б и в -варианты конструктивных решений одноэтажного производственного здания.

4 вариант – напольный грузовой тр-т, нет тяжелых колонн и подкрановых балок. Колонны легкие.

1 - плиты покрытия,

2 - балка покрытия переменной высоты с отверстиями (вариант 1),

железобетонная ферма (вариант 2),

плита покрытия КЖС – крупноразмерная железобетонная сводчатая (вариант 3);

3 - колонна; 4 - фундамент; 5 - подкрановая балка;

6 - продольные связи; 7 - подстропильная балка.

Оптимальное проектирование. При вариантном проектировании оцениваются рассматриваемые решения, но при этом неизвестно, что же было отвергнуто, не попав в круг анализируемых вариантов. Вероятность того, что среди сравниваемых проектных решений находится оптимальное, невелика.

Оптимальное проектирование заключается в разработке проекта конструкций, удовлетворяющей требованиям нормальной эксплуатации и имеющей наилучшие показатели из возможных. Основу метода оптимального проектирования представляют аналитические закономерности, связывающие расчетно-конструктивные параметры изделия и организационно-технологические процессы его изготовления и монтажа с соответствующими им экономическими показателями. Преимуществом данного метода является то, что создаются условия для управления параметрами проектируемой конструкции.

Оптимальной называется система, удовлетворяющая заданным противоречивым требованиям к конфигурации конструкции, её прочности, деформативности, устойчивости, технологичности и оптимизирующая при этом решение по заданным критериям (масса конструкции, трудоемкость, стоимость с учетом расходов в течение срока эксплуатации).

Качество проекта характеризуется целевой функцией, зависящей от параметров конструкции:

C = f (x1, x2,…, xn)

где x1, x2,…, xn - параметры конструкции (форма поперечного сечения, высота, расход материалов и др.)

Оптимальной считается такая конструкция в допустимой области параметров, в которой целевая функция принимает минимальное (максимальное) значение:

C = C min(max),

Целевая функция принимает минимальное значение, если критерием оптимального решения является стоимость с учетом фактора времени или расход материалов; максимум целевой функции соответствует критерий по максимальному значению несущей способности или нагрузки.

Например, для железобетонной конструкции целевая функция общей стоимости может быть записана так:

C = f (x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7)

где x1 - геометрические данные о поперечном сечении и его армировании (высота и ширина ребра и полок поперечного сечения, площадь сечения арматуры); x2 - данные о рабочей арматуре(класс, марка арматурной стали, вид арматурной стали); x3 - вид и класс бетона; x4 - длина элемента; x5 - стоимостные характеристики бетона и арматуры; x6 - трудоемкость технологических способов изготовлении; x7 - трудоемкость технологических способов монтажа (включая транспортирование).

Факторы x1, x2, x3 связаны с требованиями норм по проектированию, недопущения при изготовлении, монтаже и эксплуатации предельных состояний (по прочности, трещиностойкости, прогибам).