Введение
Наибольшая эффективность в оптимизации значительных затрат внедрения технологий информационного моделирования (ТИМ) жизненного цикла (ЖЦ) объектов строительства (ОС), по мнению авторов, связана с применением автоматизированных объектно-ориентированных технологий ЖЦ ОС для определенных видов ОС массового назначения. Для этого предложено и обосновано общее формализованное представление решения указанной проблемы в виде модели построения автоматизированных технологий для различных стадий ЖЦ ОС [1].
В последние годы наработана значительная нормативная база, помогающая развивать ТИМ ЖЦ ОС (СП 333 1325800.2020, СП 404.1325800.2018 и др.). Данные нормативы инвариантны к различным технологиям информационного моделирования на основе предлагаемых на рынке программным системам: Renga, Revit, Archicad, Tekla, Allplan, Bentley и др. И не случайно то, что основа нормативной базы ТИМ ЖЦ ОС развивается независимо от программных систем и создается под конкретных пользователей, разрабатывающих проекты ОС и далее организаций, имеющих право на экспертизу проектов при получении разрешения на возможность строительства ОС. Таким образом создается общее правовое поле создания и использования ТИМ ЖЦ ОС для различных видов ОС и различными организациями строительной отрасли.
Успехи в этом направлении позволили Минстрою РФ принять решение с 1 марта 2023 года сделать обязательным подготовку проектов госзаказа с применением ТИМ в создании проектной документации в форме консолидированных информационных моделей чертежей, текстов пояснений (BIM-моделей) ОС, а с 1 июля 2024 года — и для любых других строительных проектов при представлении их на экспертизу. Для этих целей фирма АСКОН развивает специальную технологию на основе программной системы Pilot BIM [2].
Системы информационного моделирования в строительной сфере, например: Renga, Revit, Archicad, Tekla, Allplan, Bentley, КОМПАС 3D, имеют свои особенности и технологически инвариантны к различным видам ОС гражданского и промышленного назначения. Инвариантность во многом построена на алгоритмах начертательной, аналитической геометрии и общих нормативных стандартных требованиях к проектной документации. Корректное внедрение существующих ТИМ ОС в проектных и иных организациях строительной индустрии происходит путем создания объектно-ориентированные возможностей моделирования конкретных ИМ ОС в соответствии с условиями самих организаций (кадровыми, финансовыми и др.). Учитывая особенности заданий на проектирование конкретных ОС гражданского и промышленного назначения, внедрение и использование технологические средства ТИМ ОС требует постоянной настройки организаций на предметную, объектно-ориентированную область проектируемого ОС при создании ИМ ОС по соответствующим разделам проектно-сметной документации, что предполагает значимое повышение трудозатрат.
Однако, в настоящее время, наибольший эффект внедрения автоматизированных объектно-ориентированных технологий следует ожидать в использовании ОС массового применения, к которым относятся производства объектов малоэтажного жилищного строительства (МЖС) в связи с существующими массовыми запросами общества (по статистике корпорации Дом РФ около 70 % семей хотят жить в малоэтажной жилой среде) [3-5, 7].
Объектами МЖС в данном контексте выступают индивидуальные и блокированные дома до 3-х этажей, мансарды, веранды, гаражи, бани и иные подсобные строения на усадебных участках.
Результаты использования ТИМ в управлении ЖЦ объектов МЖС должны в первую очередь отвечать нормативным требованиям экологичности, экономичности, энергоэффективности (идеология 3-Э) и комфортности жилищной среды. Существенное значение объектной ориентации МЖС связано со строительными системами ОС [3, 5-10]. Данные нормативные требования являются основой создания ТИМ в управлении ЖЦ объектов МЖС и приняты в статье как аксиомы.
Теоретические предпосылки, формализованное построение таких технологий опирается на концептуальную основу и методологию Конструктивного Направления, вытекающую из теории алгорифмов Маркова А,А. и устанавливающую факт, что любой искусственно созданный виртуальный или материальный конструктивный объект (КО) всегда имеет реализующий его конструктивный (алгоритмический) процесс ( К-процесс) [11, 12]. Вводится важный методологический принцип и аксиома порождения К -процессов для получения КО: К -процессы всегда объектно-ориентированы и исполнимы только для конкретного класса ОС, то есть не существуют универсальных К-процессов, которые могут производить все многообразное множество жилых, общественных, промышленных ОС. На основании Конструктивного Направления предложена общая формализованная модель построения автоматизированных технологий и схема разработки, управления и порождения К-процессов для стадий ЖЦ ОС, изложенной в [1,2,5].
Схема формализованного построения автоматизированных технологий управления жизненным циклом СС МЖС представлена на рис.1.
Рис.1. Схема формализованного построения автоматизированных технологий управления жизненным циклом МЖС [1].
Объектно-ориентированная операционная система порождения и управления К-процессами стадий ЖЦ МЖС является информационной средой производства объектов МЖС.
Целью настоящей статьи является изложение специфичных требований к информационному обеспечению ЖЦ объектов МЖС в соответствии с построением К-процессов, представленных на Рис.1.
Методы и модель
Средства информационного обеспечения ЖЦ объектов МЖС согласно [1] включают:
- множества {ИИМikj} и {РИМikj} в составе {СПРikj};
- базы данных и базы знаний строительных нормативов и типовых решений К – процессов МЖС;
- типовые (повторно-применяемые) ИМ инвестиционно-изыскательских, архитектурных, конструктивных, инженерно-технологических эксплуатационных решений на соответствующих стадиях ЖЦ.
Краткое пояснение символов, представленных на Рис.1:
{СПРikj} – слои принятия решений ( j ) в составе стадий ( i ) ЖЦ для формирования порождающих, алгоритмических К- процессов стадий МЖС.
Каждый j–слой содержит множество алгоритмов в виде технологических процедур и операций {ТПОikj} решения задач предметной области при порождении, соответствующих {КОiki}. Достижение этой цели предлагается на основе построения графических сетевых структур (ориентированных сетевых графов), которые включают множества алгоритмов соответствующего j–слоя из предметной области для получения {КОikj}. Для этого множество {ТПОikj} предметной области каждого {СПРikj} объединяются в вершинах графических сетевых моделей. Связи с вершинами в сетевых моделях {ТПОikj}, составляются из исходных (ИИМ) и результативных (РИМ) информационных моделей. Иначе, для каждого элемента из {ТПОikj} на входе существуют исходное множество {ИИМikj}, а на выходе результативный элемент из {РИМikj}, то есть каждому элементу {ТПОikj} ставится в соответствие элемент {РИМikj}. Таким образом, функциональные преобразования (алгоритмы) в каждой {ТПОikj} семантически связаны с промежуточными и конечными целями производства {КОikj}.
Далее рассмотрим особенности расслоения и информационного моделирования объектов МЖС на примере стадии 2 ЖЦ МЖС: проектирования архитектурно-строительных частей.
Все ИМ объектов МЖС включают объемно-планировочные решения (ОПР) в составе помещений (жилых, общих, вспомогательных), а также конструктивные решения (КР): конструкции фундаментов, стен, перекрытий, крыш, перегородок, окон, дверей, полов, потолков и т.п.
Для помещений предельные состояния диктуются нормативными и функциональными требованиями задач строительной физики: строительной климатологии, температурно-влажностного режим, тепловой защиты, вентиляции, звукоизоляции, инсоляции, освещения, радиационной, радоновой зашиты и другими ограничениями.
Для объектов КР при проектировании МЖС в составе конструкции фундаментов, стен, перекрытий, крыши, перегородок, окон, дверей, полов, потолков предельные состояния связаны с нормативными требования решения задач строительной механики, металлических, железобетонных, каменных, деревянных конструкций, конструкций оснований и фундаментов и управляется существующей нормативно-технической базой решения задач I группы (прочность, устойчивость) и задач II группы (деформативность, трещиностойкость) предельных состояний указанных конструкций.
Все элементы ИМ имеют строгую геометрическую привязку модульной системы координат по ГОСТ Р 21.101-2020 – «Основные требования к проектной и рабочей документации».
В модели на Рис.1 «К-процесс 2» приводит к порождению Конструктивных Объектов в виде проектной и рабочей документации на основе существующих нормативных методик расчетов предельных состояний элементов ИМ.
Для каждого конкретного {СПРikj} для объектов МЖС все элементы ИМ (помешения, конструкции) маркируются идентификаторами с содержательным набором переменных и постоянных параметров как в исходных множествах {ИИМikj}, так и в результативных множествах {РИМikj}. Идентификация элементов ИМ в {СПРikj} и составляет объектно-ориентированное содержание {ИИМikjm} и {РИМikj} в К-процессах объектов МЖС.
Представление различного класса элементов ИМ объектов МЖС для К-процессов требует использования аппарата теоретико-множественных операций и преобразований: включения, объединения, выделения, пересечения и др. операций на множествах [13]. Применение подобного аппарата позволит в первую очередь, формировать набор и порядок множеств {ИИМikjm}, и на этой основе готовить области определения для алгоритмов {ТПОikj} решения задач предметной области в виде декартового произведения, создающего единое векторное пространство на входе в {ТПОikj}. Функциональная обработка области определения декартового произведения с помощью алгоритмов {ТПОikj} порождает области значения в виде множества {РИМikj}, а в итоге – конечные {КОi}. Конечные «конструктивные объекты», как правило, соответствуют маркам элементов ИМ с полным составом спецификаций.
Следует отметить, что стандартная идентификация объектов ОПР и КР фиксируется в ИМ на основе существующих понятий и определений на русском языке. Таким образом все помещения и конструктивные части здания будут иметь свои традиционные названия и маркировки на русском языке.
Например, в слое принятия решений {СПР1kj} с кодом СП (свайное поле) для обоснования конструкций (ростверка, свай) разрабатываются модели «К-процессов 2» и в соответствии с требованиями строится ориентированный сетевой граф, вершины которого представляют собой множество {ТПО2jk} для расчетов предельных состояний конструкций свайного поля.
Например, в слое принятия решений с именем «свайное поле» (j=’СП’) множества {СПР2kСП} строится ориентированный сетевой граф для обоснования конструкций (ростверка, свай). Вершины данного графа представляют собой множество {ТПО2kСП} для расчетов предельных состояний конструкций свайного поля.
Связи с {ТПО2kСП} составляются из {ИИМ2kСП} и {РИМ2kСП} конструкций свайного поля.
При расчете свай в слое принятия решений {СПР2kСП} идентификацию подмножества с именем «свая»(«СВ») в {СПР2kСП} (то есть в свайном поле), можно представить как: {ИИМ2kСП (СВn[P])}, где «n» — количество свай, СВ — идентификатор свай, P — список параметров СВn, необходимых для расчетов предельных состояний свай в соответствии с действующими нормативами. Количество свай устанавливает конструктор-проектировщик ЛПР23СП, в соответствии с конкретной конструкцией свайного поля.
Результативная информационная модель свайного поля РИМ2kСП (СВn[P]) содержит конструктивный объект КО2kСП, представляющий собой спецификации, используемые для проектирования и производства свай. Аналогично выполняются расчетные обоснования и для конструкций ростверка в слоях принятия решений на множестве {СПР23РТ}. Полученные результаты используются в разработке рабочей документации и дальнейшего изготовления конструкций свайного поля конкретного объекта МЖС.
Учитывая нерегулярность расположения частей объектов МЖС и их привязку в координатной модульной системе координат в 3D-модели, связанные с индивидуальностью их расположения в ОПР и КР, предлагается для их классификации и идентификации на различных стадий ЖЦ МЖС использовать иерархическую модель представления множества данных частей объектов МЖС [14].
Необходимые параметры материалов и конструктивных элементов из баз данных и знаний МЖС, которые потребуется использовать в {ИИМijkm} и в {РИМijk}, возможно классифицировать на основе московской системы классификации строительных материалов и изделий – МССК, вполне применимой для ТИМ управления ЖЦ ОС [15].
Формальное представление К-процессов для стадий ЖЦ МЖС представим в следующем виде (подробнее смотри в [1]):
{К-процессы1} ≡ {СПР1kj} ⟶ {КО1} (К-процессы предпроектной стадии МЖС);
{К-процессы2} ≡ {СПР2kj} ⟶ {КО2} (К-процессы проектной стадии МЖС);
{К-процессы3} ≡ {СПР3kj} ⟶ {КО3} (К-процессы стадии строительства МЖС);
{К-процессы4} ≡ {СПР4kj} ⟶ {КО4} (К-процессы стадии эксплуатации МЖС);
{К-процессы5} ≡ {СПР5kj} ⟶ {КО5} (К-процессы стадии утилизации МЖС).
Представленные модели и методология формирования ИМ для стадий ЖЦ МЖС являются составной частью требований к созданию средств обеспечения для управления автоматизированными технологиями стадий ЖЦ. Они основаны на наличия объектно-ориентированной операционной системы порождения и управления К-процессами, иначе ОООС управления ЖЦ объектов МЖС [1,10,16].
Проблемы методологии развития средств обеспечения и, собственно, операционной системы являются предметом рассмотрения следующих статей.
Выводы
1. Методологические аспекты информационного моделирования объектно-ориентированных автоматизированных технологий для стадий ЖЦ МЖС связаны с представлением ИМ в виде упорядоченных множеств классов помещений и множества классов конструкций МЖС для их алгоритмического обоснования на соответствие нормативным требованиям расчетов предельных состояний данных объектов.
2. Формализованная модель и схема разработки автоматизированных технологий управления стадиями ЖЦ объектов МЖС в составе объемно-планировочных и конструктивных решений основана на методологии «Конструктивного Направления» Маркова А.А.
3. Объекты МЖС в составе помещений должны удовлетворять предельным состояниям, диктуемым нормативными требованиями для решения задач строительной физики, а также функциональным требованиям МЖС.
4. Объекты МЖС в составе конструкций фундаментов, стен, перекрытий, крыши, перегородок, окон, дверей, полов, потолков и др. должны удовлетворять предельным состояниям, диктуемым нормативными требованиями для решения задач строительной механики, металлических, железобетонных, каменных, деревянных конструкций, конструкций оснований и фундаментов.
5. Идентификация множествв объектов ОПР и КР фиксируется в ИМ на основе существующих понятий и определений на русском языке.
6. Представление объектов МЖС в составе ИМ в виде множеств различных классов обеспечивает математический аппарат операций и преобразований теории графов и множеств.
7. Управление автоматизированными технологиями стадий требуют в конечном итоге наличия объектно-ориентированной операционной системы порождения и управления жизненным циклом объектов малоэтажного жилищного строительства.
