Экономическая эффективность конструктивных систем промышленных зданий из железобетона с учетом стоимости жизненного цикла и рисков аварий

Введение

Повышение требований к эксплуатационной надёжности и экономической эффективности промышленных зданий обусловлено как усложнением производственных процессов, так и растущими требованиями к объектам в части условий работы персонала, выбросов в окружающую среду и состава промышленной инфраструктуры. Железобетонные конструкции (ЖБК) занимают ключевое место в структуре затрат на возведение каркаса объекта. Такие несущие системы определяют технологическую адаптивность, универсальность, доступность материалов, механическую и пожарную безопасность, и длительный срок эксплуатации зданий. Однако долговечность железобетона зависит от множества факторов: точности инженерных решений, качества применяемых материалов, соответствия нормативам защиты от коррозии, уровня технологий изготовления, а также условий эксплуатации. Важно учитывать, что разрушения элементов ЖБК, даже если они не приводят к полному обрушению сооружения, сопровождаются значительными финансовыми потерями, включающими вынужденные простои технологических линий, проведение внеплановых обследований, срочные ремонтные работы, привлечение специализированных организаций, юридические издержки и компенсации. Крупные аварии приводят к репутационным потерям, нарушению логистических цепочек и в ряде случаев – к экологическому ущербу [7,10]. Таким образом, актуальность анализа жизненного цикла железобетонных конструкций и учета его особенностей при проектировании, определяется не только стремлением к снижению расходов на ремонт и экономической эффективностью, но и предотвращением высокозатратных рисковых событий.

Отдельное направление исследований посвящено оценке надёжности и рисков отказов строительных систем. Имеются разработки по анализу деградации бетона в условиях карбонизации, прогнозированию интенсивности коррозии арматуры, моделированию вероятности прогрессирующего разрушения при частичном отказе несущих элементов, анализу отказов от усталости материала при динамических нагрузках [1,5]. Однако в большинстве работ [4,8,9] эти оценки не интегрированы в экономическую модель жизненного цикла. Существующий разрыв между инженерной и экономической оценками ограничивает возможности рационального выбора конструктивных систем. Это создаёт необходимость комплексной модели, интегрирующей вероятностные показатели надёжности и экономические параметры жизненного цикла.

Новизна настоящей работы заключается в структурировании расширенной классификации аварийных ситуаций, характерных для железобетонных конструкций промышленных зданий, и включении этих данных в интегрированную модель Life Cycle Costing («Расчет стоимости жизненного цикла», далее LCC), представляющую собой концепцию управления затратами, которая позволяет оценить расходы на производство продукции на всем её жизненном цикле. В отличие от существующих методик, где аварийные события рассматриваются на качественном уровне, предложенный подход предусматривает количественную оценку их вероятности и вычисление финансовых последствий, что позволяет формировать полную картину затрат.

Цель работы – построение комплексной методики оценки стоимости жизненного цикла ЖБК промышленных зданий с учётом аварийных рисков, применимой для выбора оптимальных с позиций экономической эффективности проектных решений. Для ее достижения необходимо:

- детализировать структуру затрат на всех этапах жизненного цикла;

- предложить формульные зависимости для расчёта стоимости на каждом этапе LCC;

- сформировать и формализовать классификацию аварийных ситуаций применительно к железобетонным конструкциям промышленных зданий;

- предложить методику расчёта ожидаемой стоимости аварийных рисков;

- провести сравнительный анализ проектных решений с учётом показателя LCC и без него.

Методология

Практика проектирования в России и ряде других стран опирается преимущественно на сметный подход, ориентированный на оценку капитальных затрат стадии строительства. Это обеспечивает понятность и формализованность расчётов, но вместе с тем формирует ограниченность экономического анализа. Значительная часть конструктивных решений, принимаемых на ранних стадиях, оказывает долгосрочное влияние на эксплуатационные расходы, которые сметные методы зачастую не охватывают. В мировой инженерно-экономической практике для оценки полной стоимости владения объектом активно применяется концепция Life Cycle Costing (LCC). Подход возник в эпоху массовой индустриализации в рамках задач оптимизации расходов на обслуживание сложных систем, но позднее нашёл широкое применение в строительстве, особенно в странах ЕС, США, Японии и Южной Кореи. LCC рассматривается как инструмент стратегического планирования и управления активами, позволяющий оценивать рациональность выбора материалов и технологий с точки зрения минимизации долгосрочных издержек [1,3,6].

Оценка LCC выполняется при следующих технико-экономических ограничениях: учет затрат на протяжении периода существования объекта; дисконтирование будущих затрат для сопоставимости во времени; учёт неопределённости, включая вероятностный характер аварий; структурирование денежных потоков по этапам жизненного цикла; возможность сравнения альтернативных решений по критерию минимизации приведённых затрат.

Для формирования модели оценки стоимости железобетонных конструкций промышленных зданий по этапам жизненного цикла предлагается этапы жизненного цикла и соответствующую стоимость железобетонных конструкций определять следующим образом:

· Проектирование (Сₚ): включает расчёты, моделирование, разработку проектной документации.

· Производство материалов и изготовление конструкций (Сₘ): производство цемента, заполнителей, арматуры, формование элементов, транспортировка.

· Строительство и монтаж (Сₛ): затраты на сборку, монтажные работы, использование техники.

· Эксплуатация и обслуживание (Сₑ): текущее обслуживание, плановые ремонты, мониторинг состояния.

· Реконструкция в связи с техническим износом, обусловленным природными и техногенными факторами (С_r).

· Утилизация и демонтаж (Сᵤ): демонтаж конструкций, транспортировка отходов, переработка.

Принимая во внимание перечисленные затраты на каждом этапе жизненного цикла конструкций промышленных зданий, а также содержание концепции LCC для оценки полной стоимости владения объектом, сформируем авторский подход к расчёту стоимости жизненного цикла систем промышленных зданий из железобетона.

Основная часть

Предлагаются следующие обобщённые формулы для рассматриваемых этапов жизненного цикла систем промышленных зданий из железобетона:

1. Проектирование:

(1),

где – базовая стоимость проектирования, определяемая сметными нормативами; – коэффициент инженерной сложности, определяемый с учетом использования систем автоматизации проектирования, в т.ч. построенных на идеологии технологий информационного моделирования, а также с учетом доли ручных расчетов, возможности научно-технического сопровождения, при традиционном подходе к проектированию , при наличии усложняющих факторов и определяется конкретными особенностями проекта; – стоимость проектирования с учетом оценки LCC, – коэффициент удорожания, аналогичный .

2. Производство материалов и изготовление конструкций:

(2),

где – соответственно стоимость основных материалов (бетон, арматура), стоимость изготовления конструкции (заводское, строительная площадка), стоимость монтажа в проектное положение или устройство монолитной конструкции; – соответственно число типов материалов (виды бетона, арматуры); – логистические расходы.

3. Строительство и монтаж:

(3),

где число применяемых технологий изготовления, включая формирование сборочных комплектов, методы монтажа, используемые при строительстве несущей системы; – затраты на использование строительных машин и техники. В случае, если сметой учитываются затраты на эксплуатацию строительных машин, то в эту стоимость может включаться арендная плата за использование техники, задействованной при устройстве ЖБК (краны, бетононасосы и др.).

4. Эксплуатация и обслуживание:

(4),

где – затраты на эксплуатацию в году t; – затраты на мониторинг за техническим состоянием конструктивной системы, – интервал времени (годы) с начала эксплуатации до реконструкции (при ее наличии) или до истечения срока службы ЖБК (при нормальной эксплуатации 100-125 лет); – ставка дисконтирования (3-5%).

5. Реконструкция:

(5),

где – затраты систему усиления или восстановления несущей способности ЖБК, включая материалы элементов усиления и стоимость их устройства с учетом технологии усиления (восстановления); – затраты на проектирование системы усиления или восстановления несущей способности (эксплуатационных свойств) конструктивной системы, – стоимость обслуживания (поддерживающих мероприятий, в т.ч. защита от коррозии, заделка волосяных трещин, окраска и т.п.) для системы усиления; – срок службы системы усиления ЖБК (может определяться на основе обобщения данных мониторинга за техническим состоянием усиленных конструкций); – ставка дисконтирования.

6. Утилизация:

(6),

где – затраты на демонтаж ЖБК; – стоимость ее переработки, включая транспортировку к предприятиям для утилизации; – срок службы конструкции.

Таким образом полная стоимость жизненного цикла без учета риска последствий аварийной ситуации может быть определена следующим образом:

(7).

Вместе с тем, при оценке стоимости жизненного цикла необходимо учитывать риски аварийных ситуаций и их стоимостное выражение. Аварийные ситуации, характерные для ЖБК можно условно классифицировать по следующим основным признакам: типу воздействия (механические, температурные, физико-химические); характеру развития (внезапные/ развивающиеся во времени); уровню повреждения (полное или частичное выключение элементов из работы под нагрузкой); источнику инициирования (техногенные, природные).

Каждая аварийная ситуация имеет свою вероятность возникновения, при этом общее выражение для определения риска имеет вид:

(8),

где – вероятность возникновения аварийной ситуации, трактуемая для конструкции как вероятность ее отказа; – ущерб от аварии в ее стоимостном выражении.

Ущерб в общем случае может включать социально-экономические последствия. Например, когда при отказе (разрушении) отдельной конструкции инициируются последовательные отказы близлежащих конструкций (прогрессирующее) разрушение и при этом есть пострадавшие или погибшие люди. В частном случае для упрощения учета стоимости жизни или реабилитации пострадавших буде рассматривать материальный ущерб. Тогда его можно интерпретировать как суммарную стоимость разрушенных конструкций и конструкций, которые потеряли свою эксплуатационную пригодность (имеют трещины, большие прогибы и т.п.).

Вероятность отказа ЖБК определяется многими факторами, но основной из них, который, как правило, приводит к возникновению ущерба, это потеря несущей способности. В качестве примера можно привести зависимость, в которой в качестве нагрузочного эффекта принимаются случайные величины предельных изгибающих моментов (используется при вычислении вероятности отказа ЖБК в виде балок). Выражение для в этом случае можно записать следующим образом:

,

(9),

где – функция плотности нормального распределения (Лапласа), – индекс надежности, , – предельные изгибающие моменты воспринимаемые железобетоном и вызванные нагрузками от аварийного воздействия; , – среднеквадратические стандарты этих случайных величин.

Учитывая многокомпонентную природу аварий может представлять собой условную вероятность, вычисляемую на основе известной формулы Байеса. Тогда риск вычисляется по следующей формуле:

(10),

где – условная вероятность наступления рисковой ситуации из полной группы событий (сценариев аварии) на этапе для аварии типа ; – размер ущерба, соответствующий -тому сценарию рисковой ситуации - том типе аварийного воздействия.

В условиях учета рисков, очевидно, что показателем, наиболее объективно отражающим экономическую эффективность принятого конструктивного решения, является величина LСС_R:

(11).

Анализ представленной математической модели показал, что функция является наиболее чувствительной к изменению таких параметров как ставка дисконтирования, частота и стоимость ремонтов и обслуживания, используемые материалы, вероятность различных сценариев разрушения, стоимость их последствий. Это не ставит под сомнение необходимость применения в проектах более дорогих, но долговечных материалов, защитных покрытий, прочного и качественного бетона, арматуры, дополнительной защиты от коррозии. Это особенно актуально для конструкций, используемых для объектов повышенного уровня ответственности с длительным сроком эксплуатации, в том числе, промышленных объектов.

Дополнительные затраты на долговечность ведут к увеличению значений индекса надежности и существенно уменьшают риск уменьшают R. Предложенная модель при ее экстремализации позволяет находить оптимальную точку экономического равновесия, при которой некоторое увеличение первоначальных капитальных вложений приводит к снижению величины . Качественно это утверждение иллюстрируется таблицей 1

Таблица 1. Сравнение гиперпараметров конструктивного решения с учетом концепции проектирования [10]

Гиперпараметр	Без учета LCC	С учётом LCCR
Стоимость проектирования	низкая	выше на 5–20%
Капитальные затраты	минимизируются	могут увеличиваться
Эксплуатационные расходы	обычно выше	оптимизируются
Вероятность аварий	не оценивается	рассчитывается
Риск последствий аварийной ситуации	максимальный и не ограничивается	оптимизируется до рационального минимума

Подтвердим практическую применимость предложенной модели на примере расчёта условной стоимости для железобетонной двускатной балки покрытия промышленного здания с подвесными кранами.

Исходные данные для расчета стоимости:

- срок службы: 40 лет;

- стоимость изготовления и монтажа (обычное проектирование): 1 200 000 руб.;

- стоимость надежного решения, проектируемого с учетом снижения рисков (+15%): –1 380 000 руб.;

- стоимость проектирования (базовая): 90 000 руб.;

- стоимость проектирования с учётом анализа LCC и риска: 110 000 руб.;

- ремонт каждые 10 лет: 90 000 руб.;

- ставка дисконтирования по всем этапам: 5%.

- вероятность аварии – отказа конструкции (средняя, за 40 лет) для обычного решения: 1.2 % (0,012); для проектируемого с учетом — 0,2 % (0.002);

- последствия при аварии – материальный ущерб, связанный с утратой технологического оборудования, находящегося под балкой: 26,5 млн руб.

Расчет представим в табличной форме (таблица 2).

Таблица 2. Сравнительный анализ экономической эффективности проектного решения для ЖБК [10]

Показатель	Конструктивное решение, проектируемое обычным способом	Конструктивное решение, проектируемое с учетом минимизации
Первоначальные затраты	1 290 000 руб.	1 490 000 руб.
Эксплуатация + ремонт	238 000 руб.	170 000 руб.
Риск аварии	318 000 руб.	5300 руб.
Итог	1 846 000 руб.	1 665 300 руб.

Данные из таблицы 2 показывают, что при высокой стоимости последствий аварии при повышенном уровне ответственности объекта или высокой интенсивности нагрузок преимущество долговечного решения становится заметным и экономически выгодным, особенно при корректной оценке вероятностей отказа.

Заключение

Экономическая эффективность железобетонных конструкций не может быть оценена только на основе капитальных затрат. Только комплексный подход, учитывающий весь жизненный цикл и вероятностный характер аварий, позволит получить надежные и безопасные и экономически рациональные конструктивные решения. Интеграция анализа рисков в модель LCC обеспечивает количественное обоснование выбора долговечных материалов и превентивных защитных мероприятий, позволяя снизить вероятность прогрессирующего разрушения несущих систем с железобетонными конструкциями.

Разработанная модель демонстрирует, что комбинированный подход к проектированию железобетонных конструкций промышленных зданий, где в качестве критерия экономической эффективности используется , даёт более объективную и комплексную оценку экономической эффективности ЖБК. Он позволяет:

- оценивать не только капитальные, но и будущие эксплуатационные и аварийные расходы;

- принимать обоснованные решения о применении долговечных материалов и технологий, оправданных не только с инженерной, но и с экономической точки зрения;

- планировать профилактические мероприятия, мониторинг, ремонт, что снижает риск дорогостоящих аварий;

- обосновывать инвестиции в устойчивость и надёжность, особенно для объектов с долгим сроком службы и высоким уровнем ответственности.

Но методика имеет и свои ограничения. Они связаны с доступностью статистических данные по отказам и авариям для ЖБК. Кроме этого, вероятность последствий аварийной ситуации в ряде случаев посчитать очень сложно. Например, когда есть неопределённость в прогнозах коррозии, усталости и внешних техногенных воздействий [1,10]. Для повышения надёжности результатов целесообразны дальнейшие исследования, направленные на создание и пополнение баз данных разрушений и отказов ЖБК, применение методов машинного обучения и статистического анализа для прогнозирования риска, интеграцию моделей с BIM-системами и системами мониторинга, развитие отечественных норм проектирования ЖБК для учёта долгосрочной надёжности и LCC.