CC BY
11Научная статья УДК 69
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура
ВАК: 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения, 2.1.5 Строительные материалы и изделия;
2.1.9. Строительная механика
с1сн:10.51608/26867818_2023_3_46
Аннотация. В статье производится исследование технологического процесса свайных работ с целью совершенствова-ния технологии с применением методологии ФСА и ТРИЗ. Показаны особенности выполнения этапов ФСА и функционально-идеального моделирования (ФИМ) с учетом специфики строительных технологий. В результате структурного, функционального анализа и оценки затрат определены приоритеты свертывания операций. Сформулированы нежелательные эффекты каждой операции. Составлена причинно-следственная цепочка недостатков существующей технологии. После процедуры ФИМ предложена технология 30 позиционирования мостовой сваебойной установки с автоматическим управлением движением и погружением свай. Новая технология позволяет устранить операции разбивки свайного поля, предварительной раскладки свай и ряд нежелательных эффектов. При этом появляются дополнительные сверхэффекты, позволяющие превратить мостовую установку в универсальный строительный манипулятор для возведения нулевого цикла.
Ключевые слова: строительные технологии; свайные работы; технологические операции; погружение сваи; функционально-стоимостной анализ; нежелательные эффекты
Для цитирования: Байбурин А.Х., Толкынбаев Т.А., Кочарин Н.В. Функционально-стоимостной анализ технологии забивных свай // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 46-57. СЫ:10.51608/26867818_2023_3_46.
Original article
ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ЗАБИВНЫХ СВАЙ
SPIN: 2585-1227 AuthorlD: 1107553
© Авторы, 2023 SPIN: 5927-9812 AuthorlD: 266980
ORCID 0000-0002-7432-5671
БАЙБУРИН Альберт Халитович
доктор технических наук, профессор кафедры Строительного производства и теории сооружений
Южно-Уральский государственный университет (НИУ) (Россия, Челябинск, e-mail: abayburin@mail.ru) ТОЛКЫНБАЕВ Темирхан Анапияевич
доктор технических наук, профессор кафедры строительства Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (Республика Казахстан, Астана, e-mail: temtol1961@mail.ru) КОЧАРИН Николай Витальевич
старший преподаватель кафедры Строительного производства и теории сооружений
Южно-Уральский государственный университет (НИУ) (Россия, Челябинск, e-mail: kocharinnv@susu.ru)
FUNCTIONAL AND COST ANALYSIS OF THE TECHNOLOGY OF DRIVEN PILES
© The Author(s) 2023
BAIBURIN Albert Khalitovich
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Building Technologies and Structural Engineering South Ural State University (National research university) (Russia, Chelyabinsk, e-mail: abayburin@mail.ru) TOLKYNBAYEV Temirkhan Anapiyevich
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Construction
L.N. Gumilyov Eurasian National University
(Republic of Kazakhstan, Astana, e-mail: temtol1961@mail.ru)
KOCHARIN Nikolay Vitalievich
Senior Lecturer of the Department of Building Technologies and Structural Engineering South Ural State University (National research university) (Russia, Chelyabinsk, e-mail: kocharinnv@susu.ru)
Abstract. The article examines the technological process of pile work in order to improve the technology using the methodologies of VA(VE) and TRIZ. The article shows the features of the implementation of the VA(VE) stages and functional-ideal modeling (folding), taking into account the specifics of construction technologies. The priorities for the winding down of operations have been determined following the structural and functional analysis and cost estimation. The undesirable outcomes of each operation are formulated. A chain of shortcomings of the existing technology has been compiled. After the FIM procedure, the technology of 3D positioning of a mobile installation with automatic movement control and pile immersion is proposed. The new technology makes it possible to eliminate the operations of splitting the pile field, pre-laying piles, and a number of other undesirable effects. At the same time, additional super effects appear, allowing the bridge installation to be converted into a universal construction manipulator for the construction of a zero cycle.
Keywords: construction technologies; pile work; technological operations; pile sinking; functional and cost analysis; undesirable effects
For citation: Baiburin A.Kh., Tolkynbayev T.A., Kocharin N.V. Functional and cost analysis of the technology of driven piles // Expert: theory and practice. 2023. № 3 (22). Рр. 46-57. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_3_46.
Введение
Функционально-стоимостной анализ (ФСА) -метод системного исследования функций объекта (продукта, технологии) с целью поиска баланса между себестоимостью и полезностью. Начало методу положили наработки советского инженера Ю.М. Соболева (поэлементный экономический анализ, ПЭА) и американца Л.Д. Майлса (value analysis / value engineering, VA / VE). Термин «функционально-стоимостной анализ» введён в 1970 году Е.А. Грампом [1-3]. В США применяется термин value engineering analysis (VEA) -стоимостной инженерный анализ.
В 80-е годы в СССР практика ФСА получила большое развитие в различных отраслях промышленности [4-6]. При этом особое внимание обращалось на совершенствование технологических процессов [7-8]. В этот период вышли основательные труды по теории ФСА, разработаны фундаментальные принципы, проверены на практике многочисленные приемы и методы по снижению затрат и повышению качества продукции [2; 4-6]. Особую эффективность показало совместное применение ФСА и ТРИЗ [9], которое было обусловлено не только постановкой задач, но и их решением.
Первоначально ФСА появился на стыке техники и экономики, однако проекты индустриальных мировых лидеров, таких как Boeing, Samsung, Siemens, Procter & Gamble и других показывают, что система ФСА+ТРИЗ с успехом используется в любых областях, для совершенствования систем любой природы, где только возможно использование структурно-функциональных подходов [10-11]. Чаще всего ФСА используют для снижения издержек, устранения дефектов при производстве продукции [7; 12], совершенствовании организационных структур [3; 13-14]. В последние годы при анализе затрат
и дефектов производства используются нейронные сети [15].
Глубокая модернизация строительной отрасли требует системного совершенствования строительных технологий. Такой подход обеспечивает система ФСА+ТРИЗ, основы которой заложены Г.С. Альтшуллером, В.М. Герасимовым, С.С. Литвиным и другими разработчиками ТРИЗ.
Цель статьи - анализ и совершенствование технологического процесса из области строительства с применением методологии ФСА и ТРИЗ. Показаны особенности выполнения последовательных этапов ФСА с учетом специфики строительных технологий.
Методология
Методы производства свайных работ достаточно полно описаны в [16-17]. В данной работе использованы стандартные методы ФСА: компонентный анализ, построение структурной и функциональной моделей; анализ значимости функций рассматриваемой системы (технологических операций); формулирование нежелательных эффектов и анализ их причинно-следственных связей; анализ затрат на выполнение функций; построение матрицы «значимость функций - стоимость функций»; свертывание (функционально-идеальное моделирование) технологического процесса; анализ эффективности полученных решений.
Построение структурной модели
Процесс забивки железобетонной сваи в самом общем случае состоит из следующих операций (рис. 1):
1. разбивка свайного поля;
2. раскладка свай у мест забивки;
3. передвижение копра к месту погружения Таблица 1 - Функциональная модель процесса
сваи;
4. подтаскивание, подъем и установка сваи на
копер;
5. выверка положения сваи (в плане и по вертикали);
6. погружение (забивка) сваи;
7. измерения погружения (отказа) сваи в конце погружения;
8. «отдых» сваи при недостижении проектного отказа;
9. добивка сваи после «отдыха» с измерением отказа;
10. срубка головы сваи под проектную отметку.
забивания свай
Рис. 1. Структурная модель технологии устройства забивных свай:
I - подготовительные работы; II - погружение свай;
III - срубка голов свай
На рис. 1 пунктиром показаны возможные дополнительные работы в виде «отдыха» и добивки сваи в случае, если не будет достигнут проектных отказ сваи. Переход 7-3 означает повтор операций для следующей погружаемой сваи, а переход 7-10 пропускает «отдых» и добивку, если проектный отказ сваи достигнут (обычный случай).
Построение функциональной модели
Используя правила формулирования функций, построим функциональную модель процесса забивки свай (табл. 1).
Операция добивки снова включает в себя передвижение копра, подъем, установку и выверку сваи, а также измерение погружения сваи. Поскольку «отдых» и добивка требуются не часто, в функциональной модели эти операции не раскрыты полностью.
При разработке функциональной модели процесса используют классификации операций и их функций, определяют ресурс функций. Разделим операции свайных работ по виду: С - создающие (в результате этих операций что-то производится); О -обеспечивающие операции (транспортирование, погрузка-разгрузка, хранение, заготовка, подача и т.д.); И - исправляющие (в результате устраняется нежелательный эффект, возникший на предыдущих операциях); К - контрольно-измерительные операции; Пр - простои, ожидания. Транспортные операции по доставке свай и сваебойного механизма учитывать не будем.
Операция Вид Функция (Р) Ранг Уровень
1. Разбивка свай- О Р1. Выполнить ОФ А
ного поля метки (в местах забивки свай)
2. Раскладка свай О Р2. Разложить ОФ А
у мест сваи (у мест за-
погружения бивки)
3. Передвижение О Р3. Переместить ОФ А(Н)
копра копер (к месту за-
к месту погруже- бивки)
ния сваи
4. Подъем и уста- О Р4. Установить ОФ Н
новка сваи сваю (на копро-
на копер вую мачту)
5. Выверка сваи И(К) Р5. Установить сваю точно ВФ А
6. Погружение С Р6. Забить сваю ГФ А(Н)
сваи (до отказа)
7. Измерение по- К Р7. Измерить по- ОФ А
гружения сваи гружение (отказ) сваи
8. «Отдых» сваи, И Р8. Сделать пере- ВФ А
показавшей (Пр) рыв (на время
ложный отказ «отдыха»)
9. Добивка сваи И Р9. Добить сваю ОФ А(Н)
после отдыха до отказа
10. Срубка сваи И Р10.Срубить сваю ОФ А
под отметку (под проектную отметку)
К исправляющим операциям (И) относятся операция выверки сваи (исправляются недостатки точности установки сваи на копер), «отдыха» и до-бивки (исправляются недостатки основной забивки, когда проектный отказ не достигается), а также операция срубки сваи под проектную отметку (исправляется недостаток погружения свай не до проектной глубины). Выверку сваи в плане и по вертикали также можно отнести к контрольной операции.
Функции операций классифицируем по рангам: ГФ - главная (главное назначение технологического процесса); ОФ - основная (основные функции обеспечивают выполнение главной функции); ВФ -вспомогательная (обеспечивает выполнение основной функции); НФ - ненужная (иногда ненужная функция может оказаться даже вредной). К второстепенным функциям отнесены выверка сваи на копровой мачте, поскольку при этом устраняется недостаток основной операции подъема на копер, а также операция «отдыха», так как ожидание необходимо для основной операции добивки сваи.
Ресурсом функции называют уровень ее выполнения. Ресурс функции может быть адекватным (А); избыточным (И) или недостаточным (Н). Недостаточный уровень выполнения характерен для опе-
III
рации установки сваи на копровую мачту, так как установка неточная и требует дальнейшей выверки сваи в плане и по вертикали. Недостаточный уровень может быть у операции передвижения копра, когда грунт котлована будет переувлажнён и передвижение копра (особенно на базе автомобиля) будет затруднен. При забивке возможен недостаточный уровень, когда свая не достигает проектного отказа (иногда и после повторной забивки после «отдыха»). Недостаточный уровень может означать и случай, когда не достигается проектная глубина погружения, но отказ обеспечен. Остальные функции характеризуются адекватным (А) уровнем выполнения.
Анализ взаимосвязей системы
Для определения связей необходимо определить элементы надсистемы. Первоначально это: грунт (I), подземные воды, препятствия в грунте (II -большие камни, старые подземные постройки и пр.) и ростверк (III). Но при анализе было установлено, что подземные воды не влияют на технологию и этот элемент был исключен из надсистемы. Основные взаимосвязей между компонентами системы и надсистемы приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Матрица взаимосвязей между компонентами системы и надсистемы
Компоненты системы Надсистема
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I II III
1 0 С1 С2
2 0 С3 С4 С14
3 0 С10
4 0 С5
5 0 С6
6 0 С7 С12 С15
7 0 С8 С9
8 0 С16
9 С11 0 С13 С17
10 0 С18
С1 - разбивка определяет места раскладки
свай.
С2 - разбивка предопределяет путь перемещения копра.
С3 - раскладка свай мешает движению копра.
С4 - раскладка свай у мест забивки ускоряет подтаскивание и подъем свай на копер.
С5 - неточное положение сваи при после подъема на копер требует выверки сваи в плане и по вертикали.
С6 - неточная выверка сваи нарушает правильное ее погружение.
С7 - погружение сваи требует измерения отказа сваи.
С8 - измерение отказа показывает необходимость «отдыха» сваи.
С9 - измерение отказа показывает необходимость добивки сваи.
С10 - при добивке сваи требуется повторное передвижение копра.
С11 - при добивке сваи требуется повторное измерение отказа.
С12 - недостаточное погружение сваи требует срубки головы сваи.
С13 - недостаточное погружение при добивке требует срубки головы.
С14 - грунт затрудняет передвижение копровой установки.
С15 - препятствия в грунте затрудняют погружение сваи.
С16 - переуплотение или тиксотропное разжижение грунта приводит к ложному отказу и необходимости «отдыха» сваи.
С17 - переуплотение или тиксотропное разжижение грунта приводит к ложному отказу и необходимости добивки сваи.
С18 - ростверк требует срубки голов сваи.
Перечисленные связи выявляют основные закономерности технологии. Связи С3, С5, С6, С12-С17 являются вредными, мешающими выполнению главной функции технологии забивки свай.
Анализ значимости функций
Для определения значимости функций иис-пользуем метод парных сравнений (плюс означает приоритет операции, минус - наоборот). Матрица значимости функций операций с учетом рангов функций операций приведена в табл. 3.
Таблица 3 - Матрица значимости функций операций опалубочных работ
Функция операций Функции операций S+ V,% Pi
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1. Разбивка свай 0 ± 0,5 1,11 9
2. Раскладка свай ± 0 0,5 1,11 10
3. Переезд копра + + 0 + + - + + - - 6 13,33 4
4. Установка сваи + + - 0 + - + + - - 5 11,11 5
5. Выверка сваи + + - - 0 - - + - - 3 6,67 7
6. Забивка сваи + + + + + 0 + + + + 9 20,00 1
7. Контроль отказа + + - - + - 0 + - - 4 8,89 6
8. «Отдых» сваи + + - - - - - 0 - - 2 4,44 8
9. Добивка сваи + + + + + - + + 0 + 8 17,78 2
10. Срубка головы + + + + + - + + - 0 7 15,56 3
Е- 0,5 0,5 6 5 3 9 4 2 8 7 45 100
Главной функцией процесса погружения свай является непосредственная забивка сваи (приоритет 1) и добивка (приоритет 2) при необходимости «отдыха». Разбивка свайного поля и предварительная раскладка свай имеют минимальную значимость.
После построения функциональной модели переходим к анализу недостатков или нежелательных эффектов (НЭ) каждой операции. После этого этапа необходимо выявить ключевые НЭ, анализируя причинно-следственные связи и цепочки НЭ.
Нежелательные эффекты операций
сваебойных работ
Р1. Разбивка свайного поля: НЭ1.1 - требуется ручной труд, большие трудозатраты; НЭ1.2 -требуются точные средства измерений.
Р2. Раскладка свай у мест погружения: НЭ2.1 -затрудненность движения транспорта и крана по грунту; НЭ2.2 - возможное повреждение знаков разбивки свайного поля.
Р3. Передвижение копра к месту забивки: НЭ3.1 - затрудненность движения копра по грунту; НЭ3.2 - возможное повреждение знаков разбивки свайного поля.
Р4. Строповка, подтягивание и установка сваи на копре над местом забивки: НЭ4.1 - требуется ручной труд (строповка), большие трудозатраты; НЭ4.2 - требуется грузоподъемный механизм (на копре); НЭ4.3 - недостаточная точность установки сваи над местом забивки.
Р5. Выверка установки сваи (в плане и по вертикали): НЭ5.1 - требуется ручной труд, большие трудозатраты; НЭ5.2 - требуются точные средства измерений; НЭ5.3 - теряется много времени на точную установку сваи.
Р6. Забивка сваи: НЭ6.1 - встреча препятствия, отклонение сваи от вертикального положения; НЭ6.2 - разбивка головы сваи от удара молота; НЭ6.3 -поломка сваи, резкое увеличение осадки сваи (устраняется забивкой сваи-дубля); НЭ6.4 - продольные трещины в стволе или голове сваи (причины: разрушение амортизатора, препятствие в грунте, большая энергия удара); НЭ6.5 - поперечные или наклонные трещины в стволе или голове сваи (причины: изгиб сваи, изменение положения копровой стрелы); НЭ6.6 - превышение отказа (устраняется контрольной добивкой после «отдыха» или испытаниями на несущую способность); НЭ6.7 - ложный отказ (недостаточная масса молота; уплотнение грунта под острием сваи, отжим воды с боков и «сухое» боковое трение; устраняется «отдыхом» сваи); НЭ6.8 - отсутствие отказа (засасывание сваи при разжижении грунта под острием сваи, устраняется «отдыхом» и уменьшением частоты ударов); НЭ6.9 -повреждения существующих объектов при забивке свай вблизи (динамические нагрузки, движение
грунта и воды); НЭ6.10 - трудности стыковки длинных составных, наращиваемых свай (необходимость контрольного стыкования перед забивкой); НЭ6.11 -сильный вредный шум и вибрация.
Р7. Измерение погружения (отказа) сваи: НЭ7.1 - требуется ручной труд, большие трудозатраты; НЭ7.2 - требуются точные средства измерений (точность 1 мм).
Р8. «Отдых» свай, показавших ложный отказ: НЭ8.1 - потеря времени (от нескольких суток до 20 дней); НЭ8.2 - затрудненность переезда копра из-за забитых свай.
Р9. Добивка сваи после «отдыха»: НЭ9.1 -возможны повреждения оголовка сваи от удара молота; НЭ9.2 - потеря времени.
Р10. Срубка сваи под проектную отметку: НЭ10.1 - требуется механизация, большие трудозатраты; НЭ10.2 - возможна неточная срубка свай; НЭ10.3 - возможны повреждения торцов свай и арматуры выпусков; НЭ10.4 - образуются отходы, которые нужно утилизировать.
Итого технология имеет 33 нежелательных эффекта. Для их устранения рекомендуется сформулировать технические противоречия.
Анализ причинно-следственных связей
Причинно-следственная цепочка НЭ позволяет выявить узловые и ключевые НЭ, а так же выявить НЭ, которые не были определены при проведенном анализе технологических операций. При построении причинно-следственных связей (ПСС) выявлено несколько цепочек ПСС (рис. 2).
Рис. 2. Причинно-следственные связи нежелательных эффектов: полужирным выделены ключевые НЭ
Результатом построения ПСС должно быть уточнение и корректировка выявленных НЭ. Например, НЭ 7.1 и 7.2 неизбежны для контроля свай и связаны с тем, что геологическое строение площадки всегда неоднородно, поэтому нельзя судить о всех сваях по результатам испытания пробных свай. Можно в модель ПСС ввести новый НЭ и дополнить модель.
В приведенной модели такие дополнительные нежелательные эффекты связаны с надсистемой указаны как НС.1, НС.2 и НС.3. Нежелательный эффект НС.1 связан с невозможностью получения полной, детальной информации о геологическом строении площадки в результате инженерно-геологических изысканий и контрольных испытаний пробных свай. Это иногда приводит к проблемам при забивке свай, отмеченных нами как нежелательные эффекты НЭ6.1-6.8.
Нежелательные эффекты срубки свай НЭ10.2 и НЭ10.3 и точности ее расположения приводят к проблемам в надсистеме самой конструкции фундамента, обозначенные как НС.2, а нежелательные эффекты НЭ10.4 и НЭ4.9 влияют на надсистему строительной площадки НС.3.
Ключевые НЭ, которые нужно исключить в первую очередь: НЭ4.3 - недостаточная точность установки сваи над местом забивки; НЭ6.1 - встреча препятствия, отклонение сваи от вертикального положения.
Анализ стоимости и трудоемкости операций
В ЕНиР Е12-28 и нормы 05-01-001-03 ГЭСН 8102-05-2020 «Свайные работы» имеются следующие данные по стоимости и трудоемкости свайных работ, которые можно использовать для оценки затрат на выполнение функций. К сожалению, нормативы, указанные в ЕНиР и ГЭСН, укрупненные и зависят от большого количества факторов. На основании анализа норм и технической литературы можно оценить удельные трудозатраты на операции, указанные в табл. 1. Стоимостные затраты примем пропорциональными трудозатратам. Кроме того, будем дополнительно учитывать удельное количество нежелательных эффектов, которое характеризует степень проблемной значимости каждой операции (табл. 4).
Таблица 4 - Трудозатраты операций и их проблемная значимость в %
Операция (функция) .D т а р т Я а £ -о ГО 1— i § ш S ¿3 ? оа Принятое ¡начение
£ а т
1. Разбивка свайного поля 3-5 6,1 5
2. Раскладка свай у мест забивки 6-10 6,1 10
3. Передвижение копра 5-7 6,1 7
4. Подъем, установка сваи на копер 7-10 9,1 8
5. Выверка сваи 5-10 9,1 10
6. Погружение сваи 13-25 33,2 30
7. Измерение погружения сваи 4-7 6,1 5
8. «Отдых» сваи при ложном отказе 0 6,1 0
9. Добивка сваи после отдыха 7-13 6,1 15
10. Срубка головы сваи под отметку 11-20 12,0 10
Здесь проблемная значимость рассчитывалась как отношение количества нежелательных эффектов на данной операции к общему числу НЭ на всех операциях. Данные таблицы позволяют установить, что наиболее предпочтительными для свертывания являются операции: добивка сваи после «отдыха» и срубка головы сваи.
В случае свертывания технологического процесса, осуществляемого конкретной строительной организацией, трудоемкость и стоимость выполнения каждой операции (функции) находят по про-ектно-сметной документации. Полезно получить эти данные до выполнения свертывания с целью ориентации на свертывание наиболее трудоемких и затратных операций.
Матрица «значимость функций - стоимость функций»
Для обоснования операций свертки составим матрицу «качества исполнения функций», в которой сравним полученные данные о значимости функций и затратах на их реализацию. Затраты оценим по трудоемкости выполнения функций и проблемной оценке через нежелательные эффекты. Матрица «значимость функций - стоимость функций» приведена в табл. 5 и представлена в графическом виде на рис. 3.
В таблице трудоемкость функции F8 «отдых» сваи условно приравнена к трудоемкости повторной забивки сваи (обозначена «*»), т.к. эти операции неотделимы друг от друга.
Свертыванию подлежат, прежде всего, второстепенные функции F8 «отдыха» сваи, F5 выверки положения сваи, а также основные функции F2 раскладки свай и F1 разбивки свайного поля. Главную функцию F6 погружения сваи нельзя сворачивать, несмотря на дисбаланс затрат на указанную операцию.
Свертывание технологического процесса
При свертывании (функционально-идеальном моделировании) технологического процесса ставят целью ликвидировать операции, являющиеся носителями ненужных и вспомогательных, а по возможности и основных функций. При этом вспомогательные функции свернутых операций переводят в ненужные, то есть исключают, а основные - передают другим носителям. Таким образом, свертыванию подлежат вспомогательные операции выверки сваи, «отдыха» и добивки сваи, при возможности и основные операции разбивки свайного поля и раскладки свай у мест укладки.
Для каждой операции возможность свертывания формулируют в виде требования: операцию можно не выполнять, если возможно ее осуществление: а) за счет предшествующих операций, включая поставку материалов; б) за счет последующих опера-
-Р
тз
Таблица 5 - Матрица «значимость функций - стоимость функций»
Характеристики функций и затрат Функция Р операции свайных работ
Р1 Р2 РЗ Р4 Р5 Р6 п Р8 Р9 Р10
Значимость функции % 1,11 1,11 13,70 11,11 6,67 20,00 8,89 4,44 17,78 15,56
Приоритет функции Р 9 10 4 5 7 1 6 8 2 3
Ранг функции (см. табл. 5.1) ОФ ОФ ОФ ОФ ВФ ГФ ОФ ВФ ОФ ОФ
Трудоемкость функции, % 5 10 7 8 10 30 5 0(15)* 15 10
Количество НЭ 2 2 2 3 3 11 2 2 2 4
Проблемная значимость, % 6,1 6Д 6,1 9,1 9,1 33,2 6,1 6Д 6,1 12,0
Приоритет затрат 8 5 7 6 4 1 9 10 2 3
Превышение затрат 3,9 8,9 - - 3,3 10,0 - 11,6* - -
Приоритет свертки 4 3 - - 2 - - 1 - -
£ £
с -с
03 Г)
з; С 03
I
о х: з; С
"а о с
2 о-
Г)
3
аз о
а
"а
><
с
03
3 а
©
о о
а.
—I
го
^ Значимость функций, %
\? Затраты,%
Рис. 3. Диаграмма соотношения значимости функций и затрат на их выполнение
ю о ю
димость в этой операции. Выбор варианта свертывания определяется рядом факторов. Во-первых, необходимо обеспечить наивысшую производительность основного процесса, то есть наилучшее выполнение главной функции - забивки свай. Во-вторых, необходимо отказываться от вариантов свертывания, связанных с исправлением недостатков, возникающих на предыдущих операциях. Операции, направленные на устранение таких недостатков, всегда являются носителями вспомогательных функций и подлежат свертыванию в обязательном порядке. Лучше предотвратить недостаток, чем его потом устранять.
В-третьих, следует выбирать варианты свертывания на предшествующих операциях, что позволяет устранить больше нежелательных эффектов. И, в-четвертых, нужно учитывать внешние ограничения на изменение конструкции или технологии, определяемые проектом, нормами и техническими условиями.
Исправительную операцию Р5 «выверки сваи» после ее установки на копер можно не выполнять, если:
A) устранить из технологического процесса операцию, на которой возникает объект исправительной функции, то есть если не нужно будет устанавливать сваю на копровую мачту;
Б) изменить операцию, на которой возникает объект исправительной функции так, чтобы он перестал возникать - установка сваи на копровую мачту сразу производится точно и ее не нужно выверять, т.е. копровая мачта установлена точно над местом забивки и строго вертикально;
B) устранить необходимость в изменении соответствующих параметров объекта исправительной функции - допустимо погружать сваю без выверки (например, имеется точно выверенная лидерная скважина);
Г) исправительная операция будет выполнена на предыдущей операции - Р4 «установка сваи на копер», причем свая устанавливается точно над местом забивки, а выверка ее вертикальности обеспечивается положением копровой мачты;
Д) исправительная функция будет выполнена на последующей операции - Р6 «погружение сваи»;
Е) исправительная функция будет выполнена на новой операции.
Выбираем вариант Г - мостовой копер с 3Э позиционированием и автоматической выверкой. Варианты В и Д возможны, если выполнить достаточно глубокие лидерные скважины, которые будут строго выверены в плане и по вертикали. Тогда при забивке сваи она вынуждено будет погружаться вертикально в проектном местоположении. Такие ли-дерные скважины выполняют обычно в мерзлом или плотном грунте.
Контрольно-измерительную операцию F7 «измерение погружения (отказа) сваи» можно не выполнять, если:
A) устранить из системы объект контрольно-измерительной операции - сваю, что невозможно;
Б) устранить из технологического процесса операции, для которых выполняется данная функция;
B) устранить необходимость в контроле и измерении соответствующих параметров объекта контрольно-измерительной функции, т.е. так изменить обеспечиваемые ею операции, чтобы они перестали нуждаться в выполнении этой функции - например, увеличенный объем испытаний пробных свай и однородное напластование грунтов позволяет погружать сваи без замера отказа;
Г) контрольно-измерительная функция будет выполнена на предыдущей операции - F6 «погружение сваи», то есть при забивке сваи отказ будет контролироваться автоматически аппаратурой сваебойной установки;
Д) контрольно-измерительная функция будет выполнена на последующей операции, то есть после «отдыха» сваи идобивки;
Е) контрольно-измерительная функция будет выполнена на новой операции - будет предусмотрена операция испытания выборочных свай.
Операции «отдыха» и добивки сваи можно устранить только в случае, если сваи сразу будут погружены до проектного отказа, или если испытания свай, которые не показали проектный отказ, подтвердят их несущую способность. При относительно однородных грунтовых условиях, правильно выполненных пробных испытаниях и обоснованном выборе сваебойного оборудования все сваи могут показать расчетный отказ и их добивки после «отдыха» не потребуется.
Обеспечивающую операцию F1 разбивки свайного поля можно не выполнять, если:
A) устранить из системы объект обеспечивающей операции;
Б) устранить из технологического процесса операции, для обеспечения которых выполняется данная функция;
B) устранить необходимость в изменении соответствующих параметров объекта обеспечивающей функции, т.е. так изменить обеспечиваемые ею операции, чтобы они перестали нуждаться в выполнении этой функции;
Г) обеспечивающая функция будет выполнена на предыдущих операциях - при выборе сваебойного оборудования будет выбран портальный копер с 3D позиционированием, который начинает забивку сваи в месте, определяемом цифровой моделью, запрограммированной в движении копра;
Д) обеспечивающая функция будет выполнена на последующих операциях - забивка сваи производится по цифровой карте, программирующей движение копра;
Е) обеспечивающая функция будет выполнена на новой операции - места забивки обусловлены расположением лидирующих скважин.
Обеспечивающую операцию Р2 раскладки свай можно не выполнять, если:
A) устранить из системы объект обеспечивающей операции;
Б) устранить из технологического процесса операции, для обеспечения которых выполняется данная функция;
B) устранить необходимость в изменении соответствующих параметров объекта обеспечивающей функции, т.е. так изменить обеспечиваемые ею операции, чтобы они перестали нуждаться в выполнении этой функции - например, копер возит с собой запас свай (сверхэффект - масса возимых свай может использоваться как пригруз для вдавливания свай);
Г) обеспечивающая функция будет выполнена на предыдущих операциях - при выборе сваебойного оборудования будет выбран портальный копер, который перемещается к площадке складирования свай на бровке котлована и устанавливает очередную сваю на копровую мачту, а затем перемещается к месту забивки;
Д) обеспечивающая функция будет выполнена на последующих операциях;
Е) обеспечивающая функция будет выполнена на новой операции - складирование свай на бровке котлована с возможностью подачи на портальный копер (при условии, что пути движения копра заходят в зону складирования свай).
Анализ решений функционально-идеального
моделирования
При устройстве свайных фундаментов зданий большой протяженности рационально применять мостовую сваебойную установку, представляющую собой передвижной мост, по которому перемещается тележка с копром. Достоинством мостовой сваебойной установки является возможность точной установки свай в месте забивки. Предварительная раскладка свай в зоне работ значительно сокращает операции подтаскивания и закрепления сваи на копре, что значительно повышает производительность и качество работ. Однако возможно и локальное хранение штабелей свай на бровке котлована, но в зоне действия мостового копра.
В этом случае рационально использовать автоматическое 3Э-управление сваебойной установкой. Для этого установка оснащается различными датчиками, которые отвечают за движение механизма (моста, копровой мачты, молота и т.д.). Коор-
динаты каждой сваи записывают на запоминающее устройство в виде цифровой карты свайного поля и далее, не затрачивая время на разбивку расположения каждой сваи, установка может начинать работать. С помощью датчиков можно следить за погружением, вертикальностью сваи, количеством ударов, не используя дополнительного геодезического и измерительного оборудования. Это также позволит выполнить динамические испытания пробных свай. Получится своеобразный 3Э строительный принтер портального типа, только не для печати, а для забивки свай (рис. 4).
По цифровой модели с вРБ-позиционированием определяются места забивки свай. В случае отказа спутникового позиционирования оптическая система копровой установки или сам машинист выполнит ориентирование на разбивоч-ную ось, а датчик движения копровой мачты отчитает необходимое расстояние до сваи. Машина может ориентироваться и по струнному копиру, как в дорожном строительстве. Аппаратура копра считает удары и измеряет погружение сваи в автоматическом режиме. Возможна навеска оборудования для устройства лидерных скважин в мерзлом грунте и срубки голов свай.
б)
Рис. 4. Мостовая копровая установка (а) и 3Р-принтер строительный (б):
1 - мост (ходовая рама); 2 - тележка с мачтой и молотом; 3 - дизель-молот; 4 - рельсовый путь; 5 - копровая мачта
Поскольку мостовая сваебойная установка с цифровым 3Э управлением - это сложный и дорогой механизм, то желательно использование его моста на весь цикл строительства или, по крайней мере, на этапе возведения нулевого цикла. Для этого копровая установка снимается с моста, а на его тележку устанавливается монтажный кран, манипулятор для подачи бетонной смеси, строительный 3Э принтер или другой механизм, которые продолжают строительство сооружения. Получается универсальный строительный комбайн со сменным оборудованием: ковш для разработки котлована; трубчатый лидер для устройства лидерных скважин; кран для разгрузки и складирования свай; копер для забивки свай; гидравлические ножницы для срезки голов свай; бетоноукладчик для устройства ростверка; монтажный кран для возведения сооружения; строительный 3Э-принтер для возведения стен подвала.
Мостовая установка движется над котлованом, поэтому операция предварительной раскладки свай у места забивки может быть исключена. Копер берет сваи на складе у бровки котлована. Кроме того, он может работать как кран, разгружать, складировать или предварительно раскладывать сваи по свайному полю. Если на копер установить георадар, то появляется возможность обследовать всю площадь свайного поля перед забивкой с обнаружением локальных аномалий (валуны, карст, подземные сооружения), что позволит избежать проблем при погружении свай (нежелательные эффекты операции забивки Р6).
При использовании мостового копра с автоматическим позиционированием ликвидируются операция Р1 «переезд копра к месту забивки» (по дну котлована) и связанные с ней нежелательные эффекты НЭ1.1 и НЭ1.2, операция Р2 «раскладка свай у мест погружения» и НЭ2.1, НЭ2.2, а также операция Р5 «выверка установки сваи»(происходит автоматически) и нежелательные эффекты НЭ5.1-НЭ5.3. Кроме того, исключается НЭ8.2 - затруднение при проезде копра к свае после ее «отдыха». Появляются новые операции: установка рельсового пути под мостовую сваебойную установку; установка оборудования для автоматического позиционирования копра и свай. Последнюю операцию можно не учитывать, так как она относится к технической надсистеме копра, а не к технологии, но появляется операция программирования копра для его точного движения.
Также исключаются операция Р7 «измерение погружения сваи» и связанные с ней НЭ7.1 и НЭ7.2, так как она проводится автоматически. Более того, результаты измерений можно сразу сохранить в электронном файле, и уже не потребуется вызывать геодезиста для выполнения съемки положения свай. Данные о погружении свай могут быть транспонированы в электронный журнал свайных работ.
Возникают новые нежелательные эффекты: большие трудозатраты на установку рельс, увеличение стоимости копра, повышенные требования к квалификации персонала. Положительными эффектами способа 3D управления мостовой сваебойной установкой являются: высокая производительность, автоматизация позиционирования и высокая точность забивки свай, практически исключен человеческий фактор.
При навеске оборудования для срубки свай под проектную отметку с автоматическим наведением ликвидируется также НЭ10.2 и НЭ10.3.
Чтобы исключить НЭ6.2-НЭ6.5, НЭ6.7-НЭ6.9 и НЭ6.11 можно вместо забивки свай использовать процесс вдавливания свай. Вдавливание позволяет снизить энергоёмкость погружения свай, поскольку техника использует не горюче-смазочные материалы, а электричество. Значительно снижаются динамические нагрузки на близлежащие сооружения. Это также выгодно в экологическом плане, так как вдавливание производится без загрязнения продуктами сгорания окружающей среды, а также без вредных шумов и вибрации.
Все эти преимущества можно отметить, как положительные эффекты вдавливания, которые появляются при замене способа погружения свай. Но появляется и новые НЭ - низкая производительность, громоздкость и большой вес оборудования, что снижает маневренность и повышает энергозатраты на передвижение. В случае применения вместо пригруза анкеров, появляется дополнительная операция по их устройству.
Новая структурная схема технологии представлена на рис. 5.
В отличие от первоначальной технологии (см. рис. 5.1) новая технология включает не 10, а всего 8 операций:
1'. устройство путей для мостовой копровой установки;
2'. складирование свай на бровке котлована;
3. передвижение копра на склад за сваей и (после установки сваи на копер) к месту погружения сваи;
4'. установка сваи на копер с одновременной выверкой по вертикали;
6'. погружение (забивка) сваи с автоматическим контролем отказа;
8. «отдых» сваи при недостижении проектного отказа;
9. добивка сваи после «отдыха» с измерением отказа;
10. срубка головы сваи под проектную отметку.
N 1'
Анализ эффективности свертывания Для оценки эффективности свертывания предложены показатели:
Коэффициент свертывания:
/С =- Р
Рис. 5. Функционально-идеальная модель технологии погружения свай:
I - подготовительные работы; II - погружение свай;
III - срубка голов свай
Сверхэффекты усовершенствованного
процесса
Положительные сверхэффекты применения мостовой сваебойной установки с автоматическим 3D позиционированием:
СЭ1 - движение копровой установки не ограничено состоянием грунта, разложенными у мест забивки или уже погруженными сваями;
СЭ2 - сваи могут складироваться в любом месте в пределах пути мостового копра, как у мест забивки, так и на бровке котлована;
СЭ3 - автоматическое 3D позиционирование копра по цифровой карте исключает операцию разбивки свайного поля;
СЭ4 - мостовая копровая установка может предусматривать сменные рабочие органы: буровая установка для устройства лидерных скважин в мерзлом грунте; землеройные рабочие органы; различные типы молотов; установка для вдавливания свай (при условии заанкеривания копра, например, завинчиваемыми сваями) гидравлические ножницы для срубки голов свай; бетоноукладчик для устройства ростверка; монтажный манипулятор-кран; строительный 3D-принтер для возведения стен подвала; оборудование для динамических или статических испытаний свай;
СЭ5 - имеется возможность установки на мосте (портальной раме) сразу нескольких рабочих органов;
СЭ6 - при необходимости «отдыха» и добивки сваи не нужно оставлять место для передвижения копра к этой свае;
Однако имеются и отрицательные сверхэффекты усовершенствованной технологии:
СЭ7 - требуется устройство рельсовых путей для движения мостовой копровой установки; расположение путей у откосов котлована требует мероприятий по сохранению устойчивости откосов;
СЭ8 - при большой ширине свайного поля мост копровой установки становится металлоемким, что может быть экономически оправдано использованием установки для последующих работ по монтажу нулевого цикла здания; возможна также разбивка свайного поля на захватки.
F - F„ + Fa
где F - количество функций до свертывания; Fл -количество ликвидированных функций; Fд -количество функций, появившихся в результате свертывания.
Рейтинг свертывания: Рсв = - Fд) + 0,3(НЭл -НЭд + ПЭ), где НЭл - количество ликвидированных нежелательных эффектов; НЭд - количество нежелательных эффектов, появившихся в результате свертывания; ПЭ - количество положительных эффектов.
Результаты свертывания представлены в таблице (табл. 6).
Таблица 6 - Результаты свертывания технологии свайных работ
Технология погружения свай Ликвидируются Появляются
F„ НЭл Fä НЭд ПЭ
30-управление мо- 3 11 1 3 6
стовой сваебойной
установкой
Устройство свай пу- 0 8 0 2 3
тем вдавливания
30-управление 3 19 1 5 9
сваебойной установ-
кой + вдавливание
свай
По данным табл. 6 можно рассчитать показатели эффективности свертывания процесса сваебойных работ (табл. 7).
Таблица 7 - Результаты оценки эффективности свертывания
Технология погружения свай Коэффициент свертывания Рейтинг свертывания
Мостовой копер с 30-управ-лением 1,25 5,6
Устройство свай путем вдавливания 1,00 2,7
Мостовой копер с 30-управ-лением + устройство свай путем вдавливания 1,25 6,5
Выводы
Применение методологии ФСА и функционально-идеального моделирования (свертывания)
свайных работ позволило предложить пути совершенствования технологии. Показаны особенности выполнения последовательных этапов ФСА с учетом специфики строительных технологий. Предложенные варианты технологии подходят для объектов, где требуется точная забивка свай для фундамента большой площади (например, крупные заводы, протяженные сооружения, уникальные здания и инженерные сооружения).
Предложенные решения позволяют превратить мостовую копровую установку в универсальный строительный манипулятор для возведения нулевого цикла. Согласно законам развития технических систем предложенная технология отвечает тенденциям прогресса техники и технологии, выражаемых законами вытеснения человека с уровня управления, повышения идеальности и Б-образной кривой развития систем с повышением функциональных показателей в виде производительности, надежности, качества и пр.
Библиографический список
1. Грамп Е.А. Функционально-стоимостной анализ и его использование в промышленности зарубежных стран. - М.: Информэлектро, 1971. 37 с.
2. Велленройтер X. Функционально-стоимостной анализ в рационализации производства. - М.: Экономика, 1984. 110 с.
3. Функционально-стоимостной анализ: учеб. пособие / А.Х. Байбурин, Н.В. Кочарин, Ю.Ф. Прохоров и др. -Челябинск: Полиграф-Центр, 2019. 141 с.
4. Моисеева Н.К. Функционально-стоимостной анализ в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1987. 318 с.
5. Практика проведения функционально-стоимостного анализа в электротехнической промышленности / Под. ред. М.Г. Карпунина. - М.: Энергоатомиздат, 1987. 288 с.
6. Мисаков В.С. Функционально-стоимостной анализ в строительстве. - М.: Финансы и статистика, 1986. 114 с.
7. Герасимов О.М., Домкин К.И., Северинец Г.А. Особенности проведения функционально-стоимостного анализа технологических процессов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2021. Т. 2. С. 331-333.
8. Функционально-стоимостной анализ технологических процессов при производстве дорожных работ: методические указания / сост.: Т.В. Боброва, А.Б. Цыруль-никова. - Омск: СибАДИ, 2014. 42 с.
9. Альтшуллер Г.С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач. - Новосибирск: Наука, 1991. 224 с.
10. Пчельникова-Гротова О.Н. Повышение качества продукции на основе системы функционально-стои -мостного анализа // Надежность и качество сложных систем. 2023. № 1 (41). С. 5-12.
11. Тимофеева К.А., Борисова Е.В. Функционально-стоимостной анализ: проблемы и перспективы // Теория и практика современной аграрной науки. Сборник V национальной (всероссийской) научной конференции с международным участием. Новосибирск, 2022. С. 1705-1708.
12. Разумова А.А. Функционально-стоимостной анализ свай железобетонных, изготавливаемых на предприятиях Пензенской области // Ceteris Paribus. 2022. № 1. С. 36-41.
13. Бузов П.А., Жихарев А.Г., Маторин С.И. Функционально-стоимостной анализ для системы менеджмента качества // Научный результат. Информационные технологии. 2022. Т. 7. № 2. С. 35-41.
14. Fedonin O. N., Simkin A. Z., Mozhaeva T. P. and Proskurin A. S. Monitoring of parameters of functional and cost analysis of personnel processes of the enterprise quality management system // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 919 (2020) 042003.
15. Kim J. and Lee J.Y. Development of a cost analysis-based defect-prediction system with a type error-weighted deep neural network algorithm // Journal of Computational Design and Engineering, 2022, 9(2), 380-392.
16. Мангушев Р.А., Осокин А.И. Геотехника Санкт-Петербурга. - СПб.: СПбГАСУ, 2010. 264 с.
17. Верстов В.В., Гайдо А.Н., Иванов Я.В. Производство шпунтовых и свайных работ. - СПб.: СПбГАСУ, 2011. 292 с.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 06.07.2023; одобрена после рецензирования 21.08.2023; принята к публикации 21.08.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 06.07.2023; approved after reviewing 21.08.2023; accepted for publication 21.08.2023.
