Информационное моделирование
Процессы, приходящие в окружающем мире, настолько сложны и многогранны, что для их изучения используется метод информационного моделирования. С помощью создания моделей появляется возможность представить реальность в упрощенном виде. Удобнее всего вести ее формирование с помощью компьютера. В результате появляется реальный образ объекта, позволяющий понять основные его свойства и использовать информацию для решения конкретной задачи. Построение и использования моделей ведется практически во всех социальных и естественных науках.
Назначение информационного моделирования
С помощью моделирования ведется познание окружающего мира путем создания заместителей исследуемых объектов, которые получили название моделей существующих прототипов или оригиналов. Примером могут служить имена реальных людей, манекены человеческие фигур, макеты действующих самолетов, парков или мостов. Сюда же можно отнести глобусы или карты.
Все выпускаемые модели не могут полностью отразить характеристики оригинала и только указывают на часть его свойств. Примером является модель автомобиля без двигателя и остальных агрегатов. При этом некоторые объекты сразу могут отражать несколько оригиналов, предоставляя информацию о присутствующих у них свойствах. Мяч можно сравнить с планетой, указывая, что она круглая. Если рассмотреть глобус, то здесь появляется информация о расположении материков.
Наиболее качественной моделью считается та, которая с максимальной полнотой отражает признаки объекта. При этом полностью охарактеризовать свой прототип не может ни одна модель. Однако часто этого и не требуется. При создании модели самолета, которая предназначается для коллекции, главным является воспроизведение его внешнего вида, а не летных характеристик.
При изготовлении модели необходимо заранее знать предъявляемые к ней требования, и какие признаки оригинала она должна отражать. Исходя из этих условий, модели бывают двух видов:
- Натурная или материальная. К ним относятся макеты или муляжи, которые являются уменьшенными копиями воспроизводимого объекта. В данном случае идет обычное копирование внешних признаков оригинала. При этом копии могут иметь разные размеры отличные от прототипа. Хорошим примером является модель солнечной системы, которая во много раз меньше реальных параметров объекта.
- Информационная. Сюда относится словесное описание, схема, чертеж или формула. В данном случае ведется предоставление набора признаков об объекте с содержанием всей необходимой информации.
Предназначения моделей состоят в следующем:
- Представление масштабных будущих проектов. Сюда может относиться план застройки жилого сектора или архитектурные особенности отдельного помещения.
- Показ сложнодоступной информации. Это касается макетов в биологическом кабинете.
- Проверка работы создаваемых в будущем агрегатов. Модель самолета проверяется в аэродинамической трубе с целью выявления всех недостатков на стадии проектирования.
- Для точного прогнозирования. Снимки, полученные из космоса, дают представление о перемещении воздушных масс.
- С целью получения необходимой информации. Наглядным примером является места указания движения поездов или автобусов.
Разновидности информационных моделей
Информационные модели отражают свойства объекта в определенной форме. По способу представления они делятся на виды:
- Образные. Такие модели несут в себе информацию об объекте с помощью зрительных образов. Это могут быть рисунки или фотографии, расположенные на носителе информации. Классическими примерами являются бумага с нанесенным на нее изображением, фотографии или спутниковые снимки. Образные модели широко используются в учебных заведениях. Здесь они присутствуют в учебниках или как иллюстрации на плакатах
- Знаковые. Выглядят в виде формул, текста или написанной на определенном языке программы.
- Смешанные. В таких моделях присутствуют как образные, так и знаковые элементы. Сюда относятся географические карты, различные диаграммы или графики.
Информационные модели широко применяются при разработке чертежей для строительных и механических конструкций, а также при формировании электронных схем.
Графические модели
С помощью графического моделирования есть возможность представить объект в виде различного вида изображений. К ним относятся:
- Схема. Это графическое изображение объекта, выполненного с помощью условных линий. В результате появляется информация о структуре системы, ее внешнем виде и данные о некоторых характерных признаках. При этом она носит ограниченный характер, поскольку схема не обладает рельефностью. Если речь идет о блок-схемах, то их задача состоит в предоставлении алгоритма определенных действий для решения проблемы.
- Карта. Здесь идет описание местности в виде ее моделирования. Карта выглядит как уменьшенное изображение участка поверхности Земли разной по размеру территории. В результате появляется наглядная информация о рельефе местности, расположении населенных пунктов, проложенных автомагистралях и расстояний между объектами.
- Чертеж. Это нанесенный на бумагу в уменьшенном виде объект. Особенность проекта заключается в том, что он ведется методом проецирования детали в определенном масштабе. Для предоставления более полной информации в чертеже присутствуют размерные линии с нанесенными числами и текст. Их созданием занимаются проектировщики, которые работают в конструкторских бюро.
- График. Сюда включаются диаграммы, содержащие статистические данные об исследуемом явлении. График представляет собой разного вида линии, отражающие тенденцию развития процессов, их рост или падение.
На бумагу можно наносить объемные изображения узлов и деталей. Это значительно облегчает восприятие модели предмета.
Математические модели
Любые процессы можно описать с помощью математической символики. Сюда относятся разной сложности уравнения или любые типы неравенств. Существенную помощь в создании математических моделей оказало появление ЭВМ. С использованием электронно-вычислительной техники появилась возможность не только убыстрить расчеты, но и значительно их углубить. Это дало мощный толчок для формирования таких видов моделей, которых раньше невозможно было создать на практике.
Компьютерное математическое моделирование проводится в 7 этапов:
- Первый. Определяются цели моделирования, и ведется понимание структуры будущего объекта, а также взаимодействия его с окружающей средой. Определяется способ управления процессом на основании существующих целей и прогнозирование будущих последствий такого воздействия.
- Второй. Определяется степень важности входных параметров, которые разделяются по рангам.
- Третий. Ведется непосредственно разработка математической модели на основании имеющейся абстрактной формулировки.
- Четвертый. Подыскивается наиболее удобный способ исследования построенной модели. Оптимальным вариантом является численный метод, который хорошо поддается программированию.
- Пятый. Отлаживается разработанная программа.
- Шестой. Готовая программа тестируется на основании заранее известного результата. Если проверка проходит успешно, программа запускается в работу.
- Седьмой. Начинается непосредственно эксперимент и если точность полученных результатов не соответствует ожидаемым реальным процессам, модель отправляется на доработку.
Основным преимуществом математических моделей является универсальность, поскольку их можно использовать на разных явлениях, а иногда даже на целом классе.
Моделирование глобальных процессов
Во время моделирования процессов, проходящих в отдельно взятых науках, решаются локальные задачи. При этом перед человечеством стоит цель получения информации о ближайшем своем будущем. Здесь рассматривается не политическая и экономическая ситуация в отдельных государствах, а развитие человечества в целом.
Такая необходимость заключается в том, что из-за непродолжительности жизни человека, изменения, которые наблюдаются в мире, малозаметны. На развитие человечества и планеты влияет огромное количество проходящих процессов, которые взаимосвязаны между собой, но конечные результаты их деятельности предсказать невозможно. Человеческому уму не под силу решить такую проблему и только с помощью компьютерного моделирования можно спрогнозировать итог взаимодействия глобальных факторов на ближайший период и сделать относительно верный прогноз.
Возможные трудности
Причиной нестабильности могут стать следующие факторы:
- Увеличение численности населения. По статистике количество человек на Земле удваивается через каждые 40 лет. Это приводит к истощению источников, поддерживающих существование населения.
- Уменьшение природных ресурсов. Связано это с высокими темпами развития промышленного производства. К ним относятся полезные ископаемые и источники чистой воды.
- Повышенный процент в воздухе соединений углерода диоксида. Происходит это из-за уменьшения количества лесов на планете, поскольку их вырубка ведется в неконтролируемом порядке.
- Глобальное потепление на Земле. Причиной является неправильное хозяйствование человечества.
Трудности ведения отслеживания проблем состоят в том, что все происходящие на Земле процессы необходимо рассматривать в комплексе. С одной стороны рост производства относится к положительному фактору. Однако он за собой тянет негативные последствия в виде загрязнению почвы и атмосферы, а также повышенному расходу невозобновляемых энергоресурсов. Увеличение численности людей позволяет развивать нашу планету, но это влечёт за собой ухудшение состояния атмосферы.
Чтобы хорошо понимать и прогнозировать будущее развитие человечества, возникает потребность в моделировании всех процессов.
Соблюдение правил
В результате моделирования появляется возможность избежать будущих катастроф. Для этого необходимо соблюдать следующие правила:
- В мире существуют возобновляемые ресурсы, к которым относятся вода, лес или рыба. Необходимо их расходовать так, чтобы они успевали восстанавливаться.
- К невозобновляемым ресурсам относятся различные виды руд, нефть или уголь. В процессе их потребления необходимо соблюдать меру, чтобы постепенно осуществлялся переход на потребление возобновляемых ресурсов, таких как солнечная энергия, или ветер. При организации научного подхода после исчезновения невозобновляемых видов природных источников произойдет плавный переход к использованию энергии от новых ресурсов.
- Загрязнение природы должно вестись такими темпами, чтобы она успевала очищаться. С этой целью на промышленных предприятиях обязательно требуется устанавливать очистительное оборудование.
Для охвата всех глобальных процессов ведется их моделирование, которое известно под названием WORLD. Полученные данные дают возможность наметить пути развития человечества для достижения благополучия и стабильности.
Современное строительное моделирование
Проектирование строительных объектов осуществляется с помощью цифрового моделирования. Обеспечивается это применением технологии BIM. Ее эффективность дает возможность существенно сэкономить финансовые и временные затраты. Такая технология позволяет создавать модели для ведения строительства объектов любой сложности, к которым относятся тоннели, мосты, высотные дома и скоростные трассы. BIM напоминает 3D моделирование с расширенной базой данных.
При создании модели 3D-объекта используются компоненты, загруженные в электронную базу. Сюда включаются стоимость используемых материалов, их физико-механические характеристики, данные инженерных изысканий. В том случае, когда параметры изменяются, программой в схему автоматически вводятся поправки.
С помощью моделирования BIM обеспечивается возможность архитекторам, проектировщикам, дизайнерам, коллективное ведение работы. Все вносимое ими данные тут же распределяются программой в нужные ячейки. Создание такой модели выражается в следующих преимуществах:
- комплексный расчет всех характеристик строительного объекта;
- устранение ошибок, которые возможны на стадии проектирования;
- выявление отклонений в заложенной технологии при ведении строительных работ;
- полная синхронизация всего процесса;
Любая задумка заказчика перед началом возведения объекта за счет использования системы моделирования предварительно просматриваются на экране. Это позволяет устранить все недопонимания между участниками проекта еще на стадии его разработки.
Функционирование модели BIM осуществляется на всех этапах:
- Проектирование. Сначала создается непосредственно 3D-модель. Это все подробные чертежи, спецификации и расчеты. Затем данные заносятся в программу, и после обработки формируется список предстоящих работ. Кроме того, на этой стадии с помощью компьютера проект дополняется такими данными как устройство подъездных путей, площадок для разгрузки и хранении, а также обслуживание спецтехники.
- Строительство. Наличия созданной 3D модели позволяет на этом этапе вести полный контроль возведения объекта. В случае выявления отклонений происходит их фиксации и корректировка. Такая работа ведется всеми участниками: заказчиком, застройщиком, инвестором и контролирующими органами.
- Эксплуатация. Технологии BIM даже после сдачи строительного объекта обладают возможностями контроля состояния строения в последующий период. Обеспечивается это наличием датчиков, подающих необходимую информацию на компьютерное оборудование.
Использование моделирования BIM позволяет сэкономить на постройке объекта до 20% средств. При этом время на его возведение сокращается на 12%, что придает проекту повышенную привлекательность.
Информационное моделирование относится к процедуре формирования и построения моделей различного формата, которые представляют собой хранилища, легко воспринимаемые человеком. Разрабатываются они абсолютно для всех сфер жизни и дают возможность получить данные о наиболее слабых сторонах объекта или текущего процесса, что позволяет принять меры для исправления ситуации.
На особом контроле
Строительство и реконструкция уникальных зданий и сооружений требуют особого технического контроля за производимыми работами. Современные технологии и оборудование помогают специалистам вести эффективный мониторинг на объектах.
Российские строители все активнее возводят технически сложные объекты. Многие из них имеют нестандартную конструкцию, фундаментную и фасадную часть, повышенную высотность и т. д. Строительство таких объектов должно проходить под особым контролем независимых экспертов. Дальнейшая эксплуатация этих зданий также требует постоянного мониторинга их состояния. Особый технический контроль необходим и при реставрации исторических зданий. По словам экспертов, методы мониторинга исторических и сложных современных объектов очень схожи между собой.
Учесть все факторы
По словам генерального директора компании «КБК Проект» Василия Костина, строительство, реконструкция и эксплуатация уникальных объектов требуют повышенного внимания к методам диагностики их состояния. В частности, в работе экспертам необходимо использовать возможности быстрой оценки на соответствие определенным нормам конструкции здания. При этом она должна быть проста в использовании на любом этапе строительства и (или) эксплуатации объекта и сочетаема с основными программными продуктами мониторинга.
«В диагностике таких объектов важно учесть множество факторов. Например, запас прочности, статические и динамические параметры, особенности материалов и грунтового основания, характер внешних воздействия на конструкции и т. п. И если в процессе строительства работа экспертов – это регулярный анализ на соответствие проектной документации, то в процессе эксплуатации – уже постоянный технический анализ состояния конструкций объекта, с постоянным режимом наблюдения. Системы для такого мониторинга разрабатываются на стадии проектирования и устанавливаются во время строительства. Как правило, это комплексные автоматические стационарные системы, создаваемые индивидуально для каждого здания. Они следят за своевременным выявлением деформации конструкций и рядом других параметров», – поясняет Василий Костин.
Генеральный директор компании «Энигма-С» Виталий Соколов рассказывает, что большинство методик мониторинга уникальных объектов в основе идентичны между собой, но имеют и различия. В особенности это касается исторических зданий. Это связано с конструктивными особенностями таких объектов. «В частности, в Петербурге, да и в других городах страны, в послевоенные годы велись активные, но иногда технологически разные работы по восстановлению и строительству зданий. В связи с этим фундаменты, стены, перекрытия, колонны и другие несущие конструкции могут отличаться и, соответственно, иметь различную структуру, вес и несущую способность. Именно для определения этих параметров мониторинг рекомендуется проводить совместно с комплексным техническим обследованием, которое даст полную картину о состоянии конструкций здания и уже на первичном этапе позволит найти «слабые места», на которые стоит обратить более пристальное внимание», – подчеркивает он.
Технологии, стандарты, профессионализм
Вести эффективный мониторинг строительства, реконструкции и реставрации уникальных сооружений сейчас помогают новейшие технологии и оборудование. Также специалисты задействуют их в наблюдениях и при эксплуатации объектов.
Виталий Соколов отмечает, что современные технологии позволяют вести цикличные инструментальные наблюдения в режиме автоматизированного мониторинга с использованием роботизированных тахеометров, инклинометров, датчиков раскрытия трещин и другой регистрирующей аппаратуры, с возможностью пост-обработки и передачи данных в реальном времени. Также мониторинг может быть полуавтоматизированным. При этом регистрирующая аппаратура в местах наблюдений работает в автоматическом режиме, с комбинацией инструментальных наблюдений.
По мнению Василия Костина, из новых технологий можно выделить ультразвуковое сканирование, которое помогает анализировать геометрию конструкций, прочность материалов и несущую способность фундаментов. Также важны разнообразные датчики для измерения напряжений конструкций, системы термометрии, предназначенные для непрерывного измерения температуры объектов на базе волоконно-оптических датчиков. Современные технологии, добавляет он, позволяют существенно снизить стоимость мониторинга – при повышении качества и достоверности получаемой информации.
Специалисты также отмечают, что за последние годы начали совершенствоваться и нормативные отраслевые стандарты. На них теперь можно ориентироваться, применяя новое оборудование.
Генеральный директор компании «ГЛЭСК» Сергей Салтыков напоминает, что сам термин «геотехнический мониторинг» начал обретать четкое наполнение не только в сознании потребителей услуги, но и у исполнителей работ лишь с выходом СП 305.1325800.2017. Новая нормативно-техническая документация РФ детализировала объемы и состав работ, необходимых к выполнению при мониторинге. По его словам, совсем скоро качественный проект геотехнического мониторинга (а не копия общих рекомендаций из геотехнического обоснования) станет нормой на каждой строительной площадке, ведь его значимость не меньше проекта организации строительства или проекта производства работ.
«Могу добавить, что главным при мониторинге является пытливый ум специалиста, знающего, что он измеряет, и не болеющего звездной болезнью, мешающей второй и третий раз свои же измерения перепроверить. Лишь таким экспертам я доверяю сверхточные цифровые нивелиры, тахеометры, инклинометры, тензодатчики, пьезометры и многое другое. Кроме того, наблюдения, осуществляемые при геотехническом мониторинге, являются комплексными и в обязательном порядке требуют привлечения специалистов различных направлений. Так, в «ГЛЭСК» каждый геотехнический мониторинг осуществляется в тесной связке штатного геотехника, геолога, геодезиста, инженера по обследованию зданий и сотрудника нашей измерительной лаборатории», – резюмирует Сергей Салтыков.
Мнение
Сергей Салтыков, генеральный директор компании «ГЛЭСК»:
– Геологические условия зачастую непредсказуемы – и всегда есть шанс столкнуться с пластом, течением или пустотами, ускользнувшими из взора изыскателей. Сверхточные современные измерительные комплексы, используемые в соответствии с требованиями проекта геотехнического мониторинга, позволяют на начальном этапе выявить и предотвратить ошибку, грозящую стать фатальной, а следовательно, сберечь средства и репутацию застройщика.
Оставаться верными себе
Несмотря на перемены, происходящие в отрасли, большинство девелоперов намерено сохранить ранее выбранную технологию жилищного домостроения, но готово ее дорабатывать и обновлять.
По оценке экспертов, примерно треть новых жилых домов в России возводится по кирпично-монолитной технологии, такую же долю рынка занимает кирпич. Приблизительно 12–14% жилых объектов строятся из панелей и блоков. Специалисты считают, что происходящие в отрасли перемены, связанные с переходом девелоперов на проектное финансирование, кардинальным образом не поменяют текущее соотношение видов домостроения. Значительная часть застройщиков продолжит возводить жилые объекты по традиционной для них технологии – возможно, несколько обновленной.
Выбор за застройщиком
В Петербурге соотношение видов жилищного домостроения схоже с общероссийским. Застройщики в качестве конструктива объектов используют кирпич-монолит, монолит, сборный железобетон-монолит, кирпич и сборный железобетон.
По словам директора по строительству компании «Строительный трест» Андрея Панькова, любой застройщик, как правило, отдает наибольшее предпочтение определенному строительному материалу. «При возведении жилья мы традиционно применяем кирпичную технологию. Толщина внешних кирпичных стен в наших объектах достигает 1 м, а фасады из кирпича с декоративными элементами зачастую выигрывают на фоне окружающей застройки. Как пример – жилой комплекс «Новое Купчино», который выделяется на фоне превалирующей типовой панельной застройки Малой Бухарестской улицы и Дунайского проспекта. Или объект «Капитал», который уже стал архитектурной доминантой современного Кудрово. В ближайшие годы «Строительный трест» планирует продолжать строительство жилых объектов из кирпича, поскольку этот натуральный экологичный материал соответствует ценностям нашей компании и будет актуальным во все времена», – подчеркнул он.
Как сообщили в пресс-службе «Группы ЛСР», свои жилые объекты компания возводит из монолита и кирпича, а также сборных железобетонных изделий по бесшовной технологии. Монолитно-кирпичная технология удобна тем, что позволяет реализовать практически любой архитектурный проект. А дома из железобетонных конструкций дают возможность строить быстро. Себестоимость строительства дома из кирпича выше, чем аналогичных объектов из сборного железобетона или построенных по монолитно-кирпичной технологии. Впрочем, после модернизации домостроительного комбината, выпускающего железобетонные изделия, возможности реализовывать интересные проекты из этого материала возросли. Современные дома сборного типа выглядят по-другому и серьезно отличаются от тех, что строили 40–50 лет назад.
Новые перспективы
Панель и монолит, отмечают специалисты ГК «БФА-Девелопмент», – любимая тема для сравнения в дискуссиях последних десяти лет. Обычно учитываются три аспекта: исторически сложившиеся представления потребителя о качестве обеих технологий, их техническое развитие и возможности отечественных компаний по их применению. Каждая из этих технологий позволяет реализовывать задачи в различных технических форматах. При этом стоимость панельных домов, по сравнению с монолитными, ниже на 10–15%, но вряд ли монолит выигрывает этот спор по качеству, считают эксперты.
Что касается себестоимости строительства, то все, что делается на промышленном производстве, позволяет максимально упростить технологические процессы и автоматизировать их, поясняют в ГК «БФА-Девелопмент». Как следствие, монолитный дом всегда будет дороже объекта, построенного с применением промышленных технологий. Потребительские характеристики, такие как звуко- и теплоизоляционные свойства, по сравнению с монолитным строением могут быть существенно выше. Дело в том, что монолит – самая простая технология. Она не требует высокой квалификации при монтаже, не подразумевает наличие производства. Именно поэтому она и была взята на вооружение на заре постперестроечного строительного бума. Со временем начали проявляться и осознаваться крупные недостатки монолитной технологии. А именно отсутствие должного контроля качества монтажа (да и сырья), сезонность работ, низкая квалификация рабочих и, как следствие, зачастую неудовлетворительное качество конечного продукта. В свою очередь, панельная технология в состоянии выйти за пределы эконом-класса, особенно в сочетании с уже широко применяемыми комбинированными технологиями: каркасно-монолитной, каркасно-кирпичной, монолитно-панельной. Многое зависит только от готовности наших производителей.
Несколько месяцев назад Председатель Правительства РФ Дмитрий Медведев заявил о необходимости типизации объектов строительства. Речь не о том, что все дома будут «под одну гребенку» как при Хрущёве, считает генеральный директор СК «ЛенРусСтрой» Леонид Кваснюк. Это означает необходимость повышения скорости строительства за счет унификации производственных процессов. Быстрее всего можно строить жилье, имея домостроительные комбинаты.
«У нас тоже есть ДСК. Сейчас мы устанавливаем на производстве новую линию, позволяющую отлить панель любого размера и даже большепролетные перекрытия. Кроме того, ДСК очень «вписывается» в новые схемы финансирования строительства. В целом, я далек от мысли о том, что монолитное или кирпичное домостроение – это плохо. Мы на своих объектах также используем и монолит, и кирпич. И даже совмещаем панель с монолитом: чтобы увеличить высоту потолка, сделать более оригинальные планировки. Как показывает практика, панель с монолитом вполне совместима! И при этом остается высокая скорость строительства. Для примера: панельный дом мы строим за 10 месяцев; на такой же по размерам монолитный требуется уже 18 месяцев, а на кирпичный – порядка трех лет и более. Это данные из нашей практики», – добавляет Леонид Кваснюк.
Важные составляющие
Сергей Терехов, директор по продажам компании H+H (в настоящее время входит в «Группу ЛСР»), отмечает: говоря о перспективах и трендах, не стоит забывать и о других строительных материалах. По его словам, сегодня практически каждый второй объект в Петербурге и Ленинградской области строится с применением газобетона. Доля таких объектов выросла с 45% почти до 50%. Площадь первичного рынка жилищного строительства, где при выполнении ограждающих конструкций в качестве одного из основных материалов используется газобетон, в Петербурге и Ленобласти составляет 5,7 млн кв. м. Этот показатель является максимальным за последние годы.
«Рост популярности газобетона закономерен. Этот материал ценится за удобство, доступность, скорость строительства, экологичность, надежность, долговечность и за энергосберегающие свойства. Рост коммунальных тарифов на отопление заставляет потребителей пересматривать типы строительных материалов, применяемых для возведения внешнего контура дома. Востребованы стеновые материалы, которые выполняют сразу две функции: несущую и теплоизолирующую. По нашим оценкам, в ближайшие 3–5 лет тренд использования газобетона именно как энергоэффективного материала будет только возрастать», – резюмирует Сергей Терехов.
Мнение
Леонид Кваснюк, генеральный директор СК «ЛенРусСтрой»:
– Панельные дома вполне могут быть бизнес-класса – достаточно посмотреть на ЖК Skandi Klubb на Петроградской стороне. Конечно, отличия в архитектуре в зависимости от типа домостроения есть. Если вы хотите сделать что-то вроде Исаакиевского собора, из панели здание такой причудливой формы не построишь. Но украсить панель так, чтобы дом приобрел благородный облик с отсылкой к классическим традициям или, напротив, благородному хайтеку – очень даже возможно.