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.
БКДК: стабильный рынок в ожидании взлета
Большепролетные клееные деревянные конструкции (БКДК) –
уникальный материал, с каждым годом увеличивающий свою долю рынка по всему миру.
При этом на строительном рынке России БКДК занимают довольно скромное место, чему, по мнению экспертов, есть ряд объективных причин.
Долговечно, прочно, красиво
БКДК были изобретены еще в начале XX века в Германии, где их использовали при строительстве объектов железнодорожной инфраструктуры. Основным недостатком первых таких конструкций была высокая подверженность материала деформации под воздействием атмосферных осадков и агрессивных сред.
Поэтому массовое использование БКДК в строительстве началось лишь в середине ХХ века, после изобретения целого ряда химических составов для защиты древесины.
По словам директора по маркетингу ООО «Большепролет» Екатерины Фурман, БКДК целесообразно использовать в пролетах длиной от 8 м, что актуально для самых разных помещений, где нет возможности поставить опоры для устройства кровли и перекрытий.
Сегодня эти конструкции находят применение в самых разных областях строительства по всему миру. «БКДК имеют широкую область применения и активно используются при строительстве спортзалов, аквапарков, бассейнов, складов, жилых помещений. Помимо этого, они имеют повышенную химическую и огнестойкость по сравнению с металлическими и железобетонными конструкциями и могут быть использованы для складов материалов с повышенной химической активностью. Также клееные конструкции – стильный элемент декора, который, неся конструкционные нагрузки, отлично смотрится практически в любом интерьере, не требуя дополнительной отделки», – отмечает директор «Первой Загородной Компании» Андрей Кирюшин.
В России и в мире
По данным экспертов, в западных странах более 70% спортивных сооружений, концертных залов и стадионов и других крытых большепролетных зданий возводятся по технологии БКДК. Количество же таких зданий исчисляется тысячами.
К наиболее известным объектам можно отнести такие сооружения, как концертный зал Z´enith de Paris, испанский отель Metropol Parasol, железнодорожный вокзал в Берне (Швейцария), целый ряд куполообразных складских помещений (в Италии внешний диаметр купола одного из них составляет 144 м, а высота – почти 40 м), множество офисных и, конечно, жилых зданий.
Норвегия может похвастаться самым высоким в мире зданием, построенным по технологии БКДК. В марте 2019 года состоялось открытие делового центра Mjоstаrnet Tower в Брюмундале. Высота 18-этажного здания (площадью 11,3 тыс. кв. м) составляет 85,4 м.
В России объемы строительства объектов по данной технологии пока значительно отстают от зарубежной практики. О скромной востребованности таких конструкций на строительном рынке свидетельствуют и объемы производства – по данным экспертов Step Change Consulting, ежегодно в стране выпускается около 420 тыс. куб. м клееных конструкций из цельной древесины и 150 тыс. кв. м LVL-бруса – порядка 4–5% от мирового объема производства.
Между тем отечественные разработки в области БКДК начались еще в 1930-х годах. Но железобетон на время вытеснил «деревянные» технологии из массового строительства, однако постепенно они опять стали востребованы. Из них в военные и послевоенные годы по проектам Центрального НИИ промышленных строительных материалов в стране строились промышленные и производственные помещения, мостовые пролеты и т. д. После распада советской экономики такое строительство фактически прекратилось и получило новый виток развития лишь в новом веке.
По словам генерального директора Ассоциации деревянного домостроения Олега Паниткова, сегодня отношение к деревянному домостроению пусть небыстро и непросто, но меняется. «Мы уходим от образа некой баньки, простенького бревенчатого сруба к современным конструкциям и строительству, которое отличается качеством и скоростью, архитектурной привлекательностью и экономичностью, эффективностью и экологичностью, а главное – обеспечивает высокое качество жизни», – считает он.
Проблемы и перспективы
Одной из проблем, тормозящих развитие строительства с использованием БКДК в России, эксперты называют несовершенство законодательства.
«По нормам, действующим на территории РФ, эти конструкции должны иметь многократный запас прочности, из-за чего приходится увеличивать объем исходного материала, что ведет к удорожанию продукции. Нормы не менялись с советских времен, недавние поправки (сделанные в 2012 и 2014 годах) несущественны. Европейцы уже давно привели в соответствие с реалиями нормативную базу для применения БКДК, мы пока ожидаем», – говорит Екатерина Фурман.
Еще одной причиной низкой востребованности БКДК в России можно считать инертность мышления потенциальных заказчиков, которая сформировалась под влиянием многолетней самодеятельной работы компаний, занимающихся деревянным домостроением без соблюдения каких-либо технических норм и правил.
И, наконец, свою роль играет недостаток опыта, во многом утерянного за десятилетия. Так, если грамотно спроектировать объект с применением БКДК в стране может несколько организаций (ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, университеты Санкт-Петербурга, Москвы и Нижнего Новгорода), то вот архитекторов, готовых работать с данной технологией, пока недостаточно, говорят эксперты.
В ожидании взлета
Даже с учетом всех перечисленных проблем очевидные достоинства БКДК постепенно способствуют их возвращению на рынок. За последние годы в стране возведен целый ряд достойных объектов, не уступающих лучшим иностранным образцам.
Одной из первых ласточек стал казанский Дворец водных видов спорта, который построили к Универсиаде 2013 года. Далее с применением БКДК были построены аквапарк в Новосибирске, ледовая арена во Владивостоке, Олимпийская бобслейная трасса в Сочи, спортивно-концертный комплекс «М-1 Арена» в Петербурге и целый ряд спортивных объектов по программе «Газпром – детям». Компания Good Wood в 2014 году возвела самое высокое офисное здание из древесины в России – Good Wood Plaza, высотой 19,7 м.
Драйвером дальнейшего развития рынка БКДК могло бы выступить жилищное строительство. Тем более, что «увеличение применения деревянных конструкций» входит в число задач, ставящихся перед отечественной строительной отраслью нацпроектом в жилищной сфере. Но нока что здесь все упирается в недоработки российского законодательства. Тем не менее, проблема решается – участники рынка ждут завершения работы над целым пакетом необходимых документов.
По мнению технолога корпорации «Русь» Сергея Шинкаренко, еще одним из направлений развития российского рынка БКДК может стать мостостроение. Сегодня в России капитальных мостов из древесины практически не строится, даже в лесных районах страны, тогда как в Европе подобные сооружения весьма распространены, а их срок эксплуатации нередко превышает 50 и более лет.
Мнение
Екатерина Фурман, директор по маркетингу ООО «Большепролет»:
– Спрос на большепролетные конструкции сегодня достаточно устойчив, без значительных колебаний. Сказывается тенденция роста доверия к подобным зданиям – они сами себя демонстрируют, как, к примеру, внушительные по своим размерам и архитектурному исполнению спортивные дворцы. Заказчику БКДК при выборе поставщика в первую очередь следует обращать внимание на доверие рынка. Если в открытом доступе поставщик публикует информацию о выполненных объектах и устойчивой деятельности, то можно включить его в список претендентов. Далее обратить внимание стоит на удаленность предприятия от места строительства – транспортировка таких крупногабаритных изделий стоит дорого.
Андрей Кирюшин, директор «Первой Загородной Компании»:
– Заказчику стоит обратить внимание на репутацию поставщика, соблюдение им технологии производства, качество поставляемой продукции, а также на общую стоимость предложения. Нередки случаи, когда продавец манипулирует ценой кубометра, а она, как правило, не учитывает всех нюансов и неточно отображает стоимость заказа в целом.
«Зеленый» как доллар
В последнее время при выборе строительных материалов как профессиональные застройщики, так и частники все больше внимания уделяют таким вопросам, как экологичность и безопасность для здоровья человека. И, по данным производителей, газобетон требованиям в этой сфере вполне отвечает.
Там не менее, в сети Интернет обнаруживается информация о неэкологичности газобетона и даже его вредности для здоровья. «Строительный Еженедельник» постарался разобраться в вопросе.
Экогазобетон
По утверждениям производителей, газобетон стопроцентно экологически безопасен. Просто по той причине, что не содержит в своем составе каких-либо вредных для здоровья веществ. «Газобетон является экологически безопасным – как для людей, проживающих в домах с ограждающими конструкциями из этого материала, так и для окружающей среды. В процессе производства автоклавного газобетона участвуют натуральные компоненты, такие как кварцевый песок, известь, вода и цемент. Газобетон является минеральным строительным материалом, который не поддается влиянию плесени и не гниет, к тому же он требует в своем производстве небольшого количества сырья. Из 1 куб. м сырья получают до 5 куб. м продукции», – говорит инженер по применению продукции YTONG Алексей Аверин.
«Газобетон считается высокоэкологичным материалом за счет сырья и технологии производства. В результате термобарической обработки газобетона в автоклаве (высокая температура и давление пара), образуется минерал тоберморит (силикат кальция). Это, по сути, искусственный камень, который не выделяет вредных веществ при эксплуатации – и даже при воздействии огня», – добавляет продукт-менеджер компании «Кселла-Аэроблок-Центр» Павел Коляко.
Коммерческий директор компании «ЕвроАробетон» Дмитрий Щуров подчеркивает, что, говоря об экологичности того или иного стройматериала, рассматривать нужно прежде всего два фактора: радиоактивность и горючесть. «Негорючесть газобетона дает возможность не учитывать столь опасный фактор, как токсичность выделяемых при сгорании веществ. Точно так же к этому материалу неприложимы такие критерии, как скорость распространения пламени или дымообразующая способность. Газобетон даже при высоких температурах ведет себя нейтрально – не поддерживает горение и не выделяет опасных для здоровья субстратов. После пожаров в домах, построенных из газобетона, сам материал остается неповрежденным», – отмечает он.
«По показателю радиоактивности газобетон относится к наименее опасным материалам (первый класс экологической безопасности). Его удельная эффективность естественных радионуклидов ниже 54 Бк/кг при норме 370 Бк/кг. Сходными характеристиками обладают только дерево и гипс, у всех остальных популярных стройматериалов показатель по естественной радиоактивности выше. При этом, в отличие от гипса, газобетон не гниет и не подвержен плесени», – добавляет директор по продажам Н+Н («Эйч плюс Эйч») Сергей Терехов.
По его словам, полную безопасность газобетона подтверждает и строгая экологическая сертификация, которую проходят крупнейшие российские и зарубежные производители. «В 2016 году компания Н+Н получила «зеленый» сертификат EcoMaterial GREEN, который свидетельствует, что ее газобетонная продукция соответствует требованиям стандартов экологической маркировки строительных и отделочных материалов EcoMaterial 1.3. По итогам независимого аудита действие экологического аудита ежегодно продлевается», – подчеркивает эксперт.
Алексей Аверин отмечает также, что после завершения эксплуатационного этапа жизненного цикла газобетон может являться вторичным сырьем. «Также ежегодно перерабатывается 95% образовавшихся отходов производства», – добавляет он.
Немного о мифологии
По словам экспертов, распространяемая в Интернете информация о низкой экологичности газобетона может иметь две основных причины появления. Во-первых, это может быть следствием элементарной некомпетентности в вопросе. Во-вторых – проявлением недобросовестной конкуренции со стороны производителей других стройматериалов, которые вместо того, чтобы отстаивать достоинства своей продукции, концентрируются на необоснованной критике чужой.
«Иногда возникающую в Интернете информацию о низкой экологичности газобетонных блоков можно объяснить незнанием сырьевой составляющей газобетона или технологии производства», – полагает Павел Коляко. «Следует сказать о разнообразных мифах, которыми некоторые пугают потребителей продукции. Например, иногда говорят, что газобетон – «химический материал». Оспорить это невозможно просто по той причине, что в природе все материалы – химические, состоящие из элементов таблицы Менделеева. Одним из таких «химических» компонентов газобетона называют алюминиевую пудру, которая добавляется в газобетон в малом количестве (0,1% по массе) для газообразования. Но этот материал после завершения процессов структурообразования конечного изделия находится в нем в связанном состоянии в составе комплексных соединений и никакого вредного влияния оказать не может. При этом какие бы то ни было синтетические вещества в составе газобетона отсутствуют», – подчеркивает Дмитрий Щуров.
О том же говорит Алексей Аверин. «Алюминий, являющийся основой порообразователя в газобетоне, в результате химической реакции образует гидроалюмосиликаты, индифферентные соединения, не более опасные, чем стоящая на полке кухонного шкафа алюминиевая кастрюлька», – отмечает он.
Мнение
Дмитрий Щуров, коммерческий директор компании «ЕвроАробетон»:
– Практически любой материал, даже дерево, содержит в мизерных объемах радиоактивные вещества. Их легкий «фон» никак не влияет на здоровье человека. Для материалов, применяемых в жилищном строительстве, норма радиоактивности составляет 370 Бк/кг. Таким образом, газобетон, «фон» которого ниже 54 Бк/кг, относится к наименее опасным материалам. Такой показатель соответствует условному первому классу (низкий уровень) экологической опасности.