Понятие о моделировании в строительстве - Stroit.top

3. Моделирование в строительстве

3.1. Основные положения

Практически для любой задачи организации, планирования и управления строительством характерна множественность ее возможных решений, зачастую большая неопределенность и динамичность осуществляемых процессов. В процессе разработки плана работы строительной организации, плана возведения объекта строительства приходится сравнивать между собой огромное количество вариантов и выбирать из них оптимальный в соответствии с выбранным критерием. Критерий — это тот показатель, который является мерилом эффективности плана (пути) достижения цели.

Для предварительного анализа и поиска эффективных форм организации, а также планирования и управления строительством используется моделирование.

Моделирование — это создание модели, сохраняющей существенные свойства оригинала, процесс построения, изучения и применения модели. Моделирование является основным инструментом анализа, оптимизации и синтеза строительных систем. Модель — это упрощенное представление некоторого объекта (системы), процесса, более доступное для изучения, чем сам объект.

Моделирование дает возможность проводить эксперименты, анализировать конечные результаты не на реальной системе, а на ее абстрактной модели и упрощенном представлении-образе, привлекая, как правило, для этой цели ЭВМ. При этом необходимо иметь в виду, что модель является лишь орудием исследования, а не средством получения обязательных решений. Вместе с тем она дает возможность выделить наиболее существенные, характерные черты реальной системы. К модели, как и к любой научной абстракции, относятся слова В.И.Ленина: «Мышление, восходя от конкретного к абстрактному, не отходит.. .от истины, а подходит к ней.. .все научные (правильные, серьезные, невздорные) абстракции отражают природу глубже, важнее, полнее» (В.И.Ленин. Поли.собр.соч. Изд. 5-е, т.29, с. 152).

Современное строительство как системный объект характеризуется высокой степенью сложности, динамичностью, вероятностным характером поведения, большим числом составляющих элементов со сложными функциональными связями и другими особенностями. Для эффективного анализа и управления такими сложными системными объектами необходимо иметь достаточно мощный аппарат моделирования. В настоящее время интенсивно ведутся исследования в области совершенствования моделирования строительства, однако практика пока еще располагает моделями с довольно ограниченными возможностями полного адекватного отображения реальных процессов строительного производства. Разработать универсальную модель и единый метод ее реализации в настоящее время практически невозможно. Одним из путей решения данной проблемы является построение локальных экономико-математических моделей и методов их машинной реализации.

В общем случае модели подразделяются на физические и знаковые. Физические модели, как правило, сохраняют физическую природу оригинала.

Для построения знаковых моделей может использоваться, в принципе, любой язык — естественный, алгоритмический, графический, математический. Наибольшее значение и распространение имеют математические модели в силу универсальности, строгости, точности математического языка. Математическая модель представляет собой совокупность уравнений, неравенств, функционалов, логических условий и других соотношений, отражающих взаимосвязи и взаимозависимости основных характеристик моделируемой системы.

Проблема выбора оптимальных решений имеет, применительно к каждой конкретной задаче, свои специфические особенности, а круг таких задач весьма широк. Тем не менее возможно и полезно выделить некоторые характерные черты и вытекающие из них общие подходы к постановке задач оптимизации и поиску наивыгоднейших решений.

Оптимальные решения в технико-экономических задачах должны отбираться не путем использования интуитивных представлений, а, как правило, на основе строгого расчета. Для этого исходную технико-экономическую задачу необходимо соответствующим образом формализовать, т.е. описать с помощью математических выражений характерные для нее связи, зависимости между параметрами.

Совокупность всех этих математических выражений и составляет, вместе с экономической характеристикой входящих в них величин, экономико-математическую модель задачи (объекта исследования, системы). Таким образом, экономико-математическая модель — это математическое описание экономического процесса (объекта, системы).

Теоретические основы экономико-математических методов были разработаны российскими учеными В.С.Немчиновым, Л.В.Канторовичем, В.В.Новожиловым, Н.П.Бусленко. Им же принадлежит заслуга в разработке методологии экономико-математического моделирования и методов количественного подхода к социально-экономическим процессам.

Корректно составленная и предназначенная для практического использования модель должна удовлетворять двум условиям:

— адекватно отражать наиболее существенные черты анализируемого явления, процесса, системы;

— должна быть разрешима, т.е. в описывающей ее системе условий должны отсутствовать математические, экономические, технологические противоречия и иметься эффективные вычислительные алгоритмы для поиска решений. Так как экономико-математическая модель — это всего лишь постановка экономической задачи на математическом языке, то для ее решения необходимо разработать или подобрать из существующих метод решения (алгоритм).

Экономико-математические модели подразделяются на описательные (не содержащие управляемых переменных) и конструктивные, главным образом, оптимизационные (бывают статистическими и динамическими, открытыми, учитывающими внешние воздействия на моделируемый объект, и закрытыми, содержащими управляемые переменные), а по форме представления аналитическими, графоаналитическими, графическими и т.д. Экономико-математические модели являются основой применения математических методов и электронно-вычислительной техники в экономике.

Экономико-математические методы (термин введен В.С.Немчиновым) представляют собой комплекс экономических и математических дисциплин, таких как:

— экономико-статистические методы (экономическая статистика, математическая статистика);

— эконометрия — наука, изучающая конкретные количественные взаимосвязи экономических объектов и процессов (с помощью математических и статистических методов и моделей);

— исследование операций (методы принятия оптимальных решений);

— экономическая кибернетика — отрасль науки, занимающаяся приложением идей и методов кибернетики к экономическим системам.

Использование экономико-математических методов и ЭВМ в целях оптимального планирования и управления строительным производством требует последовательного выполнения ряда ниже перечисленных работ математического, технического, информационного и экономического порядка, таких как:

— разработка экономико-математических моделей;

— подготовка соответствующих алгоритмов и вычислительных схем;

— программирование для электронных вычислительных машин;

— формирование необходимой информации или исходных данных, требующихся для соответствующих расчетов;

— классификация и кодирование объектов для расчетов на ЭВМ;

— анализ полученных результатов и их использование в практической деятельности.

Источник

Сущность, способы и цели моделирования строительного производства

Все здания отличаются друг от друга как объемно-планировочными, так и конструктивными решениями. В связи с этим возникает вопрос: «Как можно оценить и проанализировать будущий характер строительства объекта, выявить особенности, которые могут возникнуть и повлиять на процесс строительства объекта»? Выходом является такой прием, как моделирование строительного производства, позволяющий задолго до начала строительства выявить «узкие» места и предусмотреть организационные мероприятия, обеспечивающие нормальный ход строительства.

Модель — это условный образ объекта, сконструированный для упрощения его исследования. Модели, как правило, отражают свойства оригинала и создают условия для получения информации о поведении предполагаемой организационной системы строительства в реальных условиях. Известны следующие группы моделей: физические, символические, графические.

Физические модели представляют собой некоторую материальную систему, отличающуюся от оригинала в основном размерами, материалами для изготовления, расцветкой и т. д. Простейшим представителем физической модели является макет здания. Как правило, физический макет дает общее представление об объекте, по нему можно оценить цветовую гамму, определить насколько вписывается рассматриваемый объект в существующую застройку. Однако сам макет и его изготовление мало помогут строителям предвидеть сложности, которые могут возникнуть в процессе строительства объекта.

Символические модели — это модели, отражающие непосредственно процесс создания того или иного объекта (системы) и описываемые с использованием языковых, математических способов или в виде уравнений.

Графические модели — это способ графического изображения установленной (принятой) последовательности выполнения определенных действий при выполнении комплекса работ или строительства отдельного объекта.

Разработка графической модели строительства объекта является первым шагом (этапом) в разработке основного документа организации строительства — календарного плана (графика) строительства объекта.

Модель, как правило, отражает последовательность выполнения работ, совмещенность и взаимосвязь их между собой. Разработанная в той или иной форме модель строительства должна быть согласована со всеми заинтересованными физическими и юридическими лицами.

Виды и область применения графических моделей

В теории организации строительства известны и на практике используются следующие виды графических моделей:

— линейные (графики Ганта);

Линейные модели (графики) (рис. 2.1 а). Впервые такой прием был предложен и применен в начале 20-го века для описания очередности выполнения строительных работ профессором Гантом. Каждая работа изображалась в виде линии, причем длина линии зависела от продолжительности выполнения соответствующей работы.

Область применения линейных графиков для отображения принимаемых организационных решений по строительству объекта или выполнения комплекса работ — это строительство простых, несложных объектов, а также линейных сооружений (дороги, инженерные коммуникации, ограждения и т. п.).

Циклограммы. Общий вид циклограммы приведен на рис. 2.1 6.

Такой способ изображения последовательности выполнения работ был предложен в 1930-1935 годах. Циклограммы, также как и линейные графики, наиболее применимы для отображения принимаемых организационных решений простых, несложных объектов и работ, а также линейных сооружений (дороги, инженерные коммуникации, ограждения и т. п.).

При относительной простоте разработки линейных моделей и циклограмм они обладают рядом существенных недостатков: не видны связи, отражающие взаимозависимости работ; не выделяются главные работы, предопределяющие общую продолжительность объекта (комплекса работ); невозможно определить резервы времени по работам. Для больших и сложных объектов линейные модели и циклограммы получаются громоздкими и трудно читаемыми.

Таких недостатков не имеет сетевое моделирование (сетевые графики).

Сетевые модели (графики)

В основе сетевого метода (СПУ — сетевое планирование и управление) лежит разработанная в 1958 году в США система РЕНТ «техника обзора и оценки программ» или «Метод критического пути». В БССР (в настоящее время — Республика Беларусь) сетевые методы стали широко применяться с 1962 года. Сетевые методы моделирования при решении вопросов организации строительства обеспечивают возможность учета практически всех особенностей строительного производства, что, в свою очередь, позволяет строительным организациям повысить эффективность строительства. Общий вид сетевых моделей приведен на рис. 2.2.

Достоинства сетевых методов заключаются в следующем:

1. Через события и технологические связи абсолютно достоверно можно установить правомерность составленной модели.

2. Критический путь и соответственно работы, лежащие на критическом пути, предопределят общую продолжительность строительства объекта и потребуют абсолютно точного обеспечения ресурсами, так как критические работы не имеют резервов времени.

3. По некритическим работам можно определить резервы времени, которые можно использовать в случае необходимости оптимизации графиков.

9. Параметры, элементы и правила построения сетевых моделей, расчет сетевого графика (показать на примере).

Сетевая модель изображается в виде системы, состоящей из стрелок и кружков.

В основе построения сети лежат понятия «работа», «событие», «зависимость», «ожидание».

Работа – это производственные процесс, требующий затрат времени и материальных ресурсов и приводящий к достижению определенных результатов (например, рытье котлована, устройство фундаментов, монтаж конструкций). Работу изображают одной сплошной стрелкой длина которой может быть не связана с продолжительностью работы (если график составлен не в масштабе времени).

Как правило, над стрелкой указывают наименование работы, а под стрелкой – продолжительность работы в рабочих днях и при необходимости количество рабочих в день или смену. Под стрелкой можно показать также сметную стоимость СМР (тыс. руб.), физический объем работ, исполнителя работ и т.д. В некоторых материалах рекомендуют под стрелкой указывают наименование работы, а над стрелкой – продолжительность работы в рабочих днях и при необходимости количество рабочих в день или смену. В зависимости от назначения графика содержание приводимых параметров работы может меняться, но продолжительность и наименование работ указывают всегда.

Событие– это факт окончания одной или нескольких работ, необходимой и достаточной для начала следующих работ.В любой сетевой модели события устанавливают технологическую и организационную последовательность работ. События изображаются кружками или другими геометрическими фигурами, внутри которых (или рядом) указывается определенный номер – код события. События ограничивают рассматриваемую работу и по отношению к ней могут быть начальными и конечными.

Начальное событие определяет начало данной работы и является конечным для предшествующих работ. Конечное событие определяет окончание данной работы и является начальным для последующих работ.

Исходное событие – событие, которое не имеет предшествующих работ в рамках рассматриваемого СГ. Завершающее событие – событие, которое не имеет последующих работ в рамках рассматриваемого сетевого графика.

Зависимость(фиктивная работа) вводится для отражения технологической и организационной взаимосвязи работ и не требует ни времени, ни ресурсов. Зависимость изображается пунктирной стрелкой. Она определяет последовательность свершения событий. Например, зависимость 11-12 вызвана технологической необходимостью окончания песчаной подготовки под стяжку одновременно с окончанием установки дверных коробок, без чего невозможно выполнение работ по устройству цементной стяжки под полы.

Ожидание– процесс, требующий только затрат времени и не потребляющий никаких материальных ресурсов. Ожидание, в сущности, является технологическим или организационнымперерывом между работами, непосредственно выполняемыми друг за другом.

Направление стрелок следует принимать слева направо

Форма графика должна быть простой, без лишних пересечений, большинство работ следует изображать горизонтальными линиями

При выполнении параллельных работ, т.е. если одно событие служит началом двух работ или более, заканчивающихся другим событием, вводится зависимость и дополнительное событие (рис.3.7.), иначе разные работы будут иметь одинаковый код.

Если те или иные работы начинаются после частичного выполнения предшествующей, то эту работу следует разбить на части.

Не должно быть висячих событий («хвостов» или «тупиков»), замкнутых контуров (рис. 3.8.).

Рис. 3.7. Изображение параллельных работ:

Рассчитать сетевой график это значит определить все временные параметры:

— определить и проставить в соответствующих секторах каждого события ранние и поздние сроки (порядковые номера рабочих дней начала и окончания) соответствующих работ;

— выделить критический путь и соответственно критические работы;

— на не критических работах определить величину частных и общих резервов времени.

Порядок нумерации событий.

Нумерация событий начинается с первого события. Следующие события нумеруются исходя из следующего условия – стрелка работы, технологического события, ожидания всегда должна указывать на событие с большим номером.

Правила определения ранних сроков каждой работы.

В первом событии в левом секторе ставим цифру «0». Таким образом, это свидетельствует о том, что «0» — это раннее начало всех работ начинающихся с этого первого события. Для определения раннего срока окончания соответствующих работ необходимо к раннему началу рассматриваемой работы прибавить ее продолжительность.

При этом следует соблюдать следующее требование. Если к событию, в котором необходимо поставить значение раннего окончания, подходит несколько работ и связей, то вначале определяется срок раннего завершения каждой работы, затем из полученных выбирается наибольшее значение, и эта величина ставится в левый сектор соответствующего события. Таким образом, осуществляется расчет ранних сроков до завершающего события.

Правила определения поздних сроков каждой работы.

Расчет начинается с последнего события. В правый сектор ставится цифра равная значению, стоящему в левом секторе, то есть раннему окончанию. Таким образом, расчет поздних сроков осуществляется, начиная от последнего события. Позднее начало каждой работы определяем, вычитая от известного значения позднего окончания работы её продолжительность. При этом следует соблюдать следующее требование. Если к событию можно при расчете поздних сроков (идя против стрелок) можно подойти с разных сторон, то, после определения позднего начала по каждой работе выбирается наименьшее значение и заносится в правый сектор соответствующего события.

При правильном расчете поздних сроков в первом событии в правом секторе должна получиться цифра «0».

Критический путь и его характеристика

Критический путь наряду с событиями, работами, технологическими связями является одним из важнейших элементов сетевого графика.

Критический путь — это самый длинный путь (в днях) от исходного до завершающего события. На сетевом графике он отмечается в виде жирной или двойной линии. Критический путь проходит через события у которых ранние и поздние начала и окончания работ равны между собой и, соответственно, по работам, величины общих и частных резервов времени у которых равны нулю. Найти критический путь можно осуществив расчет графика, используя секторный способ (графический).

1. Найти все возможные пути от первого (исходного) события до последнего (завершающего).

2. Рассчитать длину каждого из путей суммированием значений продолжительности работ лежащих на каждом пути.

3. Сравнить длины путей и найти путь наиболее продолжительный от первого события до последнего события.

Наиболее продолжительный путь в этом случае совпадет с критическим путем, найденным графическим расчетом.

Частный и общий резерв (запас) времени

Работы, лежащие на критическом пути, называются критическими, так как не обладают резервами времени (запасами), и должны выполняться за расчетное время.

Другие работы являются не критическими и могут иметь запасы (резервы) времени – частный и общий. На графиках критический путь выделяется двойной или просто более жирной линией.

Возможность определения запасов времени некритических работ – это главное отличие и достоинство сетевого моделирования по сравнению с линейными графиками и циклограммами.

Расчет запасов времени.

Частный резерв времени r – это количество дней, на которое рассматриваемую работу можно растянуть или передвинуть без изменения ее продолжительности, не изменяя раннее начало последующей работы.

где: – частный резерв времени,

– раннее начало последующей работы,

– раннее начало рассматриваемой работы,

– продолжительность рассматриваемой работы в днях.

Общий резерв времени R – это количество дней, на которое рассматриваемую работу можно растянуть или передвинуть без изменения ее продолжительности, не изменяя длины критического пути (продолжительности строительства объекта).