Алгоритмический подход в сетевом моделировании в строительстве: графические решения и оптимизационные задачи

Введение

С переходом на новые экономические отношения в строительном комплексе отмечены значительные организационно-экономические изменения. Исчезла структура управления на базе плановой экономики, изменились организационно-экономические отношения непосредственно в строительном комплекса и с его внешней средой. В силу новых экономических отношений проблемы управления капитальным строительством ложатся на строительную отрасль, на строительные организации и их объединения. В связи с этим изучение состояния и закономерностей, сложившихся в строительстве, является актуальной задачей, которую нужно успешно решать с учетом государственных рекомендаций, содержащихся в принимаемых документах.

К таким документам относится Указ Президента Российской Федерации В.В. Путина от 21 июля 2020 года № 474 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года», в котором одной из национальных целей развития Российской Федерации определена цифровая трансформация. В рамках данной цели поставлена задача обеспечения достижения «цифровой зрелости» ключевых отраслей экономики и социальной сферы, в том числе строительной отрасли. Правительство Российской Федерации утвердило стратегическое направление в области цифровой трансформации строительной отрасли, городского и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации до 2030 года [1].

В тоже время деятельность строительного комплекса в экономически эффективном направлении необходимо проводить на основе современных методов и средств управления, к которым относятся управление проектами, диверсификация строительного производства, цифровизация элементов строительной системы, учет вероятностного характера и многокритериальности факторов, влияющих на выполнение поставленных целей. Выбор методов и средств управления обосновывается оптимизационными решениями при рассмотрении разных этапов жизненного цикла объекта или комплекса объектов. Учитывается взаимодействие и взаимовлияние организационных, конструктивных, технологических, трудовых, ресурсных, энергетических и других факторов в выбранных критериях их оценки [2].

Принимаемые решения направлены на повышение организационно-технологической надежности строительного производства в вероятностных условиях функционирования строительной отрасли на каждом уровне управления: управление отраслью, региональным строительным комплексом, строительных объединений и организаций. Такие решения отражаются в организационно-технологической документации (проектах), рекомендованной рядом нормативных документов, и разрабатываемой на вариантной основе. Принятые в организационных проектах решения, базирующиеся на проведенных расчетах с учетом конкретной информации в проектно-сметной документации и состоянии организационного и материально-технического развития строительной организации, позволяют обосновано подходить к выбору современных методов управления [3].

В каждом организационном проекте должен обязательно разрабатываться календарный план на основе исходных данных получаемых из проектной и нормативной документации, принимаемых технологических решений, возможности ресурсного обеспечения и информации получаемой на основе проведенных расчетов [4]. Результатом календарного планирования получается модель строительного производства, отвечающая принятым критериям оценки [5]. Основными критериями оценки чаще всего принимается срок строительства с продолжительностью выполнения отдельных работ или распределение одного или нескольких ресурсов, а также интенсивность поставки или использования ресурсов. При необходимости может быть составлено несколько календарных планов, позволяющих учитывать вероятностные условия функционирования отдельной строительной системы.

Роль каждого организационного проекта в общей системе повышения организационно-технологической надежности строительного производства в определении информационной взаимосвязи организационных проектов и планировании строительного производства на всех уровнях управления, учитывая взаимодействие участников подготовки строительного производства: заказчика, проектные, подрядные, субподрядные организации и проблемы обеспечения материально-техническими ресурсами. Такой методологический подход позволяет не только повысить организационно-технологическую надежность строительного производства, но и активно влиять на управление изменениями в эффективной экономической деятельности строительных организаций различной производственной мощности и в целом в строительном комплексе [6].

Предложенные в статье методический инструментарий и практические рекомендации позволят специалистам применять систематический подход на стадии изучения проекта и строительного производства, организационного проектирования и реализации принятого варианта организационного проекта учитывать дополнительно многие вероятностные факторы, сопутствующие инвестиционному процессу, так как будет использована в управлении надежная информацию для планирования строительного производства [7].

Календарное планирование и расчет временных характеристик работ в организационно-технологическом планировании

Для графического решения календарного планирования в основном применяют три метода: линейные календарные планы, циклограммы и сетевые модели. Эти логико-информационные модели дают возможность получать разный объем информации, необходимой для управления планируемым производственным процессом. Сетевые модели позволяют информацию в ходе расчета выразить в виде цифровых данных по десяти параметрам, получаемых различными методами расчета, в том числе с применением программного обеспечения ЭВМ, и может способствовать цифровизации организационного проектирования в строительстве [8].

Основная задача широкого внедрения в практическое применение сетевого моделирования это приобретение навыков разработки простейших детерминированных моделей (с использованием нормативных данных, характеризующих необходимые временные, машино- и трудозатратные, ресурсные, квалификационные и другие затраты для производства работ), предусмотренных календарным планированием. Сетевые модели можно разрабатывать различными методами и модели могут быть такими, когда каждая работа отображается безмасштабной стрелкой, показывающей последовательность выполнения работ и их технологическую взаимосвязь со следующими за ней работами, или стрелки отображаются в выбранном масштабе времени. Начало и окончание каждой работы показывают событиями чаще в виде окружности, в которую вносят ряд информации [9].

Сетевые графики рекомендуется рассчитывать на ЭВМ, а в случаях, когда применять ЭВМ для этих целей невозможно или экономически нецелесообразно, графики рассчитывают вручную. При расчете сетевого графика вручную применяют способы расчета на графике, табличный метод расчета, матричный способ ускоренного расчета по потенциалам событий и др. Расчет сетевого графика графическим методом выполняется непосредственно на самом графике, каждое событие (окружность) которого делится на четыре сектора и в каждый сектор записывается определенная информация (рис. 1). Остальные временные характеристики работ наносятся на поле чертежа.

Расчет сетевого графика в табличной форме применяется для определения временных характеристик каждой работы сетевой модели календарного графиков (плана). Таблица включает десять граф. Три первых графы необходимы для формирования исходных данных расчета работ сетевого графика вручную или по программе для ЭВМ, отраженных на сетевой модели. Это информация о коде работы, коде (кодах) предшествующих работ и продолжительность работы. Семь оставшихся граф используются для записи

Номер события

Ранний срок начала Поздний срок окончания

работы «Б» Т^рн_Б работы «А» Т^по_А

Номер предшествующего события,

через которое к данному событию

проходит максимальный путь

Рис. 1. – Содержание секторов событий при расчете

сетевого графика графическим методом

временных характеристик каждой работы, часть которых лежит на критическом пути и не имеет резерва времени, а для остальных работ расчетом устанавливаются резервы времени, которое можно использовать для изменения срока выполнения этих работ при решении оптимизационных задач. Расчет сетевого графика в таблице проводится последовательно в четыре этапа (таблица 1).

Исследование сетевых моделей проводят по одному или нескольким критериям. Основными критериями часто принимаются продолжительность выполнения каждой вида работы в целом или на отдельных фронтах работы (функционирование специализированного потока и его частей) и распределение соответствующих необходимых ресурсов. Корректировка (оптимизация) сетевых графиков по ряду организационных факторов, ресурсам и срокам строительства позволяет формировать вероятностные модели, которые в свою очередь обеспечивают надежность строительного производства в реальных вероятностных условиях его функционирования.

Организационно-технологическая схема строительства объекта как алгоритм сетевого моделирования календарного плана

Последовательность ведения работ от начала создания строительной продукции до момента ввода в эксплуатацию объекта с учетом принимаемых

Таблица 1 - Таблица расчёта сетевого графика*(составлено авторами)

*Прмечание: Условные обозначения:

- зона данных для программного расчета

- направление ручного расчета табличным методом

методов организации производства отражают в формируемой организационно-технологической схеме возведения объекта. При разработке календарного плана строительства объекта или календарных планов организационных проектов для других направлений производственной и управленческой деятельности существует возможность включать инновационные технологии и их использование в виде конкретных мероприятий или при расчете нового времени выполнения работ, на которые эти мероприятия влияют [10].

Строительство организуют тремя методами, имеющими различие по продолжительности создания продукции и интенсивности потребления ресурсов: последовательным, параллельным и поточным. Наибольшее применение в строительстве нашел поточный метод, как метод, отвечающий оптимальному развитию, стабилизации и свертыванию работ и потреблению ресурсов. Если по рассмотренной схеме организовать работы по производству разных видов продукции, или проводить планирование на разных уровнях управления, или выполнять планирование на разный временной период (стратегическое, тактическое (среднесрочное), годовое (производственное), текущее или оперативное), то можно получить в результате календарный план, отражающий общий срок выполнения поставленной задачи, отвечающий используемой информации.

В качестве примера рассмотрим строительство 10-этажного 6-секционного жилого дома длиной 90000 мм. Для построения календарного плана в виде сетевой модели разработаем организационно-технологическую схему строительства объекта поточным методом, то есть, определяем фронты работ для каждого вида специализированного потока Для развития горизонтальных потоков (земляных работ, возведения подземной части (нулевой цикл), возведения надземной части здания и кровли) необходимо учитывать конструктивное решение объекта и принимать за фронт работы (захватку). Захватка это конструктивно самостоятельную часть объекта, обеспечиваемая наличием деформационного шва, проектируемого в местах изменения высоты здания, использования поворотных секций или смены конструктивных решений, что позволяет иметь самостоятельную осадку части здания. В данном, рассматриваемом примере это захватки по деформационному шву размером 60 и 30 м длины здания (расположение деформационных швов принимается при проектировании конструктивной системы объекта). Работы по заполнению проемов и все виды работ отделочного периода планируется выполнять развивающимися вертикально потоками в технологической последовательности по ярусам-захваткам, каждая из которых может включать различное количество этажей, а поток может быть вертикально восходящим или вертикально нисходящим. Вертикальные потоки обычно развиваются по секциям, которые формируются на один лестнично-лифтовой узел и секции между собой не сообщаются. В этом случае количество вертикальных потоков будет равно количеству секций. Сформированная организационно-технологическая схема для объекта принятого в качестве примера, базируется на рассмотренных выше подходах. В тоже время в каждой схеме развитие горизонтальных потоков можно изменять направление их развития (2 захватку сделать первой, а 1 захватку второй), а развитие вертикальных потоков можно изменять по вертикальному направлению и количеству этажей в ярусе. При внесении изменений в организационно-технологическую схему строительства объекта или принятии новых и дополнительных критериев оптимизации схема может выступать в качестве исходных данных для решения оптимизационных задач вариантного проектировании календарных планов (рис. 2).

Организационно-технологическая схема позволяет получить алгоритм для построения календарного плана в виде сетевого графика (сетевой модели). Основным принципом построения графика является расположение работ каждого специализированного потока на одной горизонтальной линии. Потоки следуют сверху вниз в технологической последовательности выполнения работ, предусмотренной организационно-технологической схемой строительства объекта. Работы специализированных потоков делятся на части (захватки и ярусо-захватки), предусмотренные организационно-технологичекой схемой,

для каждой из которых при расчете календарного графика (плана выполнения отдельных работ) определяются сроки их выполнения и другие временные характеристики. для каждой из которых при расчете календарного графика (плана выполнения отдельных работ) определяются сроки их выполнения и другие временные характеристики.

Таким образом, расчетным путем получается информация о наличии или отсутствии простоев (разрывов) непрерывной работы бригады из-за

Рис. 2. Организационно-технологическая схема возведения 10-ти этажного жилого дома поточным методом (составлено авторами)

неподготовленности фронта работ при выполнении каждой работы являющейся частью потока из-за неподготовленности фронта работ предшествующей бригадой или бригада будет работать без простоев. Наглядность взаимодействия каждой части работ в потоке с предшествующей и последующей работой в одном специализированном потоке отражается на линейной диаграмме. Линейная диаграмма это календарный график, построенный на данных результатов расчета временных характеристик каждой работы, полученных при расчете сетевого графика, а не на логических подходах, применяемых при построении календарных графиков другими графическими методами.

Методологический подход к календарному планированию на основе сетевого моделирования, оптимизационное решение ресурсных задач и учет вероятностного характера строительного производства повышает надежность системы строительного производства. Надежность это способность сохранять запроектированные качества системы в течение заданного времени в условиях воздействия возмущающих факторов, присущих строительству как весьма сложной вероятностной системе, стала в настоящее время одной из важнейших проблем. Большие возможности строительного производства заключаются в решении проблем организационно-технологической надежности строительного производства, включая организационные, технологические и экономические решения.

Надежность как наука охватывает изучение широкого круга вопросов. Термин “надежность” может быть применен только к результату деятельности системы, элементы которой могут быть сколько угодно не надежными, поэтому под надежностью системы следует понимать надежность результата [11]. В строительстве значительно усложнились организационные, технологические и экономические решения, что явилось одной из причин снижения надежности системы строительного производства, поэтому многие фактические показатели производительности труда, стоимости строительства, как правило, отклоняются от планируемых показателей. В настоящее время состав, содержание и объем проектной документации по организации строительства и производства работ включают вопросы подготовки строительного производства [12]. Основными исходными данными для организационно-технологического проектирования служит информация о решениях принятых в строительной части объекта. Эта информация позволяет системно решать ряд вопросов: материально-технического обеспечения, принимать технологии производства строительных процессов и методы строительства, механизации строительного производства и технологического транспорта, организации труда и охраны труда, обеспечения качества СМР, обеспеченности энергетическими ресурсами. Принятые решения показывают на строительном генеральном плане, который отражают организацию строительной площадки с учетом рекомендаций размещения строительного хозяйства, оперативно-диспетчерского управления, охраны окружающей среды. Многие перечисленные решения взаимосвязаны и взаимозависимы и устанавливаются рядом нормативных данных [13].

Календарное планирование строительства объекта поточным методом

в виде сетевой модели

Исходными данными для построения календарного плана служит принятая организационно-технологическая схема строительства объекта (см. рис. 2). При расчете сетевой модели определяются временные параметры: общий срок строительства объекта, срок выполнения работы каждым специализированным потоком и ее части на отдельном фронте работы, резервы времени каждой работы. Общий срок строительства объекта, полученный в ходе расчета сетевой модели, рекомендуется сравнимать с нормативным сроком [14]. В случае, если рассчитанный срок строительства объекта на 10-15 % меньше нормативного или равен нормативному сроку, то оптимизация сетевой модели по сроку строительства не требуется. Для расчета временных параметров работ необходимо определить продолжительность этих работ, а для построения графиков распределения ресурсов в соответствии со сроками производства работ и интенсивностью их потребления необходимо провести расчет потребности каждого вида ресурса в целом на объект. Объемы работ определяют по проекту, а их трудоемкость берется на единицу измерения объема работы по нормативам (документам) с учетом типа проекта и региона их реализации [15, 16, 17, 18]. Продолжительность выполнения каждого вида работ (функционирования специализированного потока) зависит от организационных факторов и количества необходимых ресурсов. Основными организационными факторами являются количество смен работы в сутки, численности рабочих в бригаде (звене) по профессии и квалификации для механизированных и немеханизированных работ, количество работающих строительных машин для механизированных работ и ЕНиР [16].

Построение сетевой модели строительства объекта во многих случаях связано со сложностью графического показа выполнения работ в технологической последовательности. В то же время, если учесть, что расчет сетевого графика носит алгоритмический характер, то можно и процесс разработки календарного плана (сетевой модели) представить в виде алгоритмического подхода. Алгоритмический подход к разработке сетевой модели значительно упростит не только ее построение, но и визуальное восприятие четкой графической формы календарного плана. Путь этот проходит через тщательно продуманную и графически оформленную организационно-технологическую схему возведения конкретного объекта поточным методом. Такой сетевой график способствует достаточно легкому получению информации для построения графиков потребности в основных ресурсах и дополнительной информации для принятия оптимизационных решений по выбранным критериям.

Сетевой график поточного строительства может быть разработан для любого вида потоков по ритмичности (ритмичные, разноритмичные, неритмичные) и другим классификационным признакам потоков, а также удобен при планировании и последующем технико-экономическом анализе вариантов, связанных с вероятностным характером строительной отрасли. Существует возможность использования метода сетевого моделирования в любом направлении деятельности и на любом иерархическом уровне управления при условии правильного формулирования поставленной цели (результата, задачи), этапов ее достижения и необходимых ресурсов.

Для расчета временных параметров каждой работы или части ее на выделенном фронте работ при поточном методе строительства необходимо проводить расчет временных характеристик, в том числе начального и конечного событий всего периода производственной деятельности рассматриваемой в целом в календарном плане. В тоже время временные параметры (характеристики) отдельных специализированных потоков и их частей в соответствии с рассчитанной продолжительностью этих работ, ранними и поздними сроками начала и окончания работ и имеющимися у них полными и частными резервами времени, позволяют изменить время выполнения работы, а значит и распределения ресурсов. Путь от исходного (первого для модели) события до завершающего (последнего) события сетевой модели, на котором лежат работы без резервов времени, называется критическим, потому как изменение сроков выполнения работ лежащих на этом пути приводит к изменению общей продолжительности рассчитанного срока выполнения работ (строительства объекта) в календарном плане. При алгоритмическом подходе к построению календарного графика в виде сетевой модели календарный график по форме четко отражает развитие планируемых специализированных потоков выполнения работ предусмотренных организационно-технологической схемой: горизонтальных, вертикальных и внепоточных (инженерное оборудование, благоустройство и озеленение, неучтенные работы, подготовка к сдаче в эксплуатацию объекта).

Такая графическая модель способствует наглядному формированию информации для разработки рекомендуемыми нормативными документами по составу и содержанию организационных проектов в строительстве графиков: линейной диаграммы, движения рабочих по количеству человек, профессии и квалификации, потребности материальных и энергетических ресурсов, машин и механизмов. На основании этих графиков, построенных после оптимизации

непосредственно сетевого графика по выбранным критериям, внедрять

цифровизацию в проектирование необходимо с учетом изменений во взаимосвязанных элементах строительного производства. Например, при изменении календарного срока выполнения работы специализированным потоком могут измениться сроки поставки необходимых ресурсов, либо интенсивность их потребления, что отразится на расчетной площади склада.

Эта же причина может вызвать изменение требуемых площадей административно-бытовых зданий и сооружений и даже отразиться на энергообеспечении.

Методология календарного планирования строительства объекта поточным методом в виде сетевой модели

Календарный план в организационном проектировании является основным документом, который помогает принять логически обоснованные решения для достижения поставленной цели или нескольких целей. Календарное планирование состоит из следующих этапов: выбор метода строительства, формирование исходных данных, разработка организационно-технологической схемы с определением последовательности выполнения работ и формированием фронтов работ, построение сетевого графика на основе принятых решений, выбор метода расчета сетевого графика, определение критериев для оптимизационных решений с применением графических и экономико-математических методов. Полученные результаты решения оптимизационных задач рекомендуется вносить в исходную модель календарного плана и повторять расчет сетевого графика с целью последующей корректировки первичных ресурсных графиков. Принятый за основу вариант организационно-технологического планирования, учитывающий результаты решения оптимизационных задач, следует отразить в мероприятиях, которые способствуют их реализации всей системой подготовки производства. Эта система включают: подготовку строительной организации, инженерную подготовку строительной площадки, подготовку к производству работ и подготовку, осуществляемую в период строительства (рис. 3).

Для перевода результатов расчета временных параметров каждой работы в составе организационного проекта из безмасштабной модели в масштаб времени с учетом потребляемых ресурсов на их выполнение обычно используются графическая модель в виде линейной диаграммы. Линейная диаграмма это график, в котором представлены расчетные дни в виде календарной линейки (год, месяц, числа месяца после исключения выходных и праздничных дней). Каждый специализированный поток отражается на одной горизонтальной линии, а части этого потока (захватки или ярусы-захватки) отмечаются событиями их раннего начала. Так выявляется наличие

Рис.3. Последовательность разработки календарного плана (сетевого графика)

с оптимизационными решениями в проекте производства работ (ППР)

(составлено авторами)

(отсутствие) внутрибригадных простоев, которые влияют одновременно на несколько экономических показателей функционирования непосредственно потока и на последующее производство работ. Над работами обычно надписывают три показателя, которые используются при построении линейной диаграммы и графика движения рабочих, суммарная площадь которого определяет общую трудоемкость строительства объекта. Первым показателем для каждой работы записывается рассчитанная продолжительность работы в днях, второй показатель это количество смен работы в сутки, а третьим показателем ставится количественный состав бригады (звена), ее выполняющий – рабочие, например, 15–ІІ–8. Если перемножить эти три показателя, то получим трудоемкость рассматриваемой работы в чел.-дн. Поэтому формирование исходных данных начинается с таблицы подсчета объемов работ, вносимых в календарный план, а сроки выполнения работ, полученные в ходе расчета сетевого графика, используются при построении графиков потребности в различных ресурсах по срокам и интенсивности их потребления.

Данный методологический подход к сетевому моделированию многократно использовался в учебном процессе строительных специальностей ВУЗа. Метод показал, в качестве положительного результата, быстрое понимание темы студентами и способность использования метода при разработке календарных планов для объектов различного назначения в организационно-технологическом проектировании.

Выводы

Деятельность строительного комплекса в экономически эффективном направлении необходимо проводить на основе современных методов и средств управления, таким как управление проектами, диверсификация строительного производства, цифровизация элементов строительной системы, учет вероятностного характера и многокритериальности факторов, влияющих на выполнение поставленных целей. Строительная отрасль в целом это сложная система, слабо поддающаяся точному математическому анализу, и на стратегическом этапе или концептуальных уровнях, применение когнитивного моделирования, позволяет на качественном уровне описывать и исследовать слабоструктурированные системы. Особенностью метода когнитивного моделирования отличающей его от традиционных методов, является то, что благодаря использованию лингвистических переменных и нечетких алгоритмов он позволяет эффективно исследовать поведение системы [19]. Дальнейший выбор методов и средств управления обосновывается оптимизационными решениями при рассмотрении разных этапов жизненного цикла объекта или комплекса объектов. Учитывается взаимодействие и взаимовлияние организационных, конструктивных, технологических, трудовых, ресурсных, энергетических и других факторов в выбранных критериях их оценки.

В каждом организационном проекте должен обязательно разрабатываться календарный план на основе исходных данных получаемых из проектной и нормативной документации, принимаемых технологических решений, возможности ресурсного обеспечения и информации получаемой на основе проведенных расчетов. Результатом календарного планирования получается модель строительного производства, отвечающая принятым критериям оценки. Календарный план в организационном проектировании является основным документом, который помогает принять логически обоснованные решения для достижения поставленной цели или нескольких целей.

Сложность построения сетевой модели строительства объекта, во многих случаях, связана со сложностью графического показа выполнения работ в их технологической и организационной последовательности. Процесс разработки календарного плана в виде сетевой модели можно значительно упростить, придав ему алгоритмическое решение. Путь этот проходит через тщательно продуманную и графически оформленную организационно-технологическую схему возведения конкретного объекта поточным методом. При алгоритмическом подходе к построению календарного графика в виде сетевой модели календарный график по форме четко отражает развитие планируемых специализированных потоков выполнения работ.

Сетевой график поточного строительства может быть разработан для любого вида потоков по ритмичности и другим классификационным признакам потоков, а также удобен при планировании и последующем технико-экономическом анализе вариантов календарных планов, связанных с вероятностным характером строительной отрасли. Метод сетевого моделирования рекомендуется применять в любом направлении деятельности и на любом иерархическом уровне управления при условии правильного формулирования поставленной цели (результата, задачи), этапов ее достижения и необходимых ресурсов.