Mоделирование жилищной сферы, совместимой с биосферой Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Экологическое строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

УДК 351.777.8

С.А. КОБЕЛЕВА1, канд. техн. наук, Н.В. БАКАЕВА1, д-р техн. наук, К.С. АНДРЕЙЦЕВА2, инженер

1 Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс (302020, Орел, Наугорское ш., 29) 2 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, Москва, Локомотивный пр., 21)

Mоделирование жилищной сферы, совместимой с биосферой

Постоянное усложнение воздействий на жилищную сферу повлекло необходимость совершенствования механизмов управления ею. Поиск оптимальных моделей для изучения жилищной сферы послужил темой для исследования. Предложенные модели жилищной сферы основываются на системном представлении в виде открытой динамической структуры и отличаются содержанием в ее составе трех составляющих: социальной, природной и производственно-инфраструктурной. Механизмом самоорганизации жилищной сферы могут служить принципы биосферной совместимости.

Ключевые слова: жилищная сфера, моделирование, биосферная совместимость, критерий экологической безопасности, механизм самоорганизации.

S.A. KOBELEVA1, Candidate of Sciences (Engineering), N.V. BAKAEVA1, Doctor of Sciences (Engineering), K.S. ANDREYTSEVA2, engineer 1 State University — Education-Science-Production Complex (29, Naugorskoe Hwy, 127238, Orel, Russian Federation) 2 Scientific and Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivny Passage, 127238, Moscow, Russian Federation)

Simulation of Housing Sphere Compatible with Biosphere

Constant complication of impacts on the housing sphere has led to the need to improve the mechanisms of its management. The theme of this study is the search for optimal models. The proposed models of the housing sphere are based on the systematic presentation in the form of an open dynamic structure and are notable for the presence of social, natural and production-infrastructure components in its composition. The principles of biospheric compatibility can serve as a mechanism of self-organization of the housing sphere.

Keywords: housing sphere, simulation, biospheric compatibility, criterion of ecological safety, mechanism of self-organization.

Создание экологически чистой, безопасной и комфортной среды жизнедеятельности человека, обеспечение высокого качества жизни отнесены к числу приоритетов долгосрочного развития Российской Федерации на период до 2030 г. В городах не теряет своей актуальности проблема обеспечения населения жильем. При обсуждении проблемы обеспеченности горожан жильем в основном затрагиваются вопросы результативности приоритетных национальных проектов, а также механизмы кредитования. Однако неоспорим тот факт, что жилье не относится ни к экономическим, ни к политическим категориям. Оно создает основу для жизни человека (создание семьи, рождение и воспитание детей, личная безопасность, место для отдыха, занятий и пр.) [1].

На региональном уровне рассматривается понятие «жилищная сфера», включающее строительство и реконструкцию жилищ, сооружений и элементов инженерной инфраструктуры, управление жилищным фондом, его техническое содержание и все виды ремонта. Жилищная сфера функционирует в непосредственном контакте с окружающей природной средой. Например, это изъятие земли под площадки для жилищного строительства, добыча минерально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов для промышленности строительных материалов, нарушение подземного пространства инженерными сетями и др. С позиций технического регламента о безопасности предлагается рассматривать основное предназначение жилищной сферы как удовлетворение рациональных потребностей населения в жилье в соответствии с приемлемым уровнем комплексной безопасности, включающей и эколо-

во! —

гическую безопасность, отражающей воздействие на окружающую природную среду [2].

Базируясь на новой мировоззренческой парадигме биосферной совместимости городов, поселений, развивающих человека, разработанной Российской академией архитектуры и строительных наук под руководством академика В.А. Ильичева, можно по-новому формулировать и решать задачи модернизации массового жилищного строительства. Концепция биосферосовместимого города предусматривает не традиционное создание новых технологий и товаров за счет природных ресурсов, а согласованное прогрессивное развитие людей и среды их жизнедеятельности во взаимосвязи с развитием биосферы [3]. Она направлена на развитие градостроительного комплекса, изначально отвечающего социально значимым потребностям населения, и на обеспечение безопасности, качества жизни, повышение ресурсного и биотического потенциалов за счет применения биосферосовместимых технологий.

Жилищная сфера подвержена различного рода воздействиям ввиду активных процессов взаимодействия с внешней средой (при добыче сырья и производстве строительных материалов, при проектировании и строительстве, эксплуатации и демонтаже выработавших свой ресурс объектов). Таким образом, жилищная сфера является системой, открытой для внешних воздействий, т. е. воздействий, переводящих систему в новое состояние.

Постоянное усложнение воздействий на жилищную сферу повлекло необходимость совершенствования механизмов управления ею. В отличие от физических систем,

^^^^^^^^^^^^^ 62014

Научно-технический и производственный журнал

Ecological construction

Совместимая с §имф*рой мишсцивя сф4?а

I

Уйргалгхн* [-1 ........

митшиав сфер»1

Рис. 1. Общий вид концептуальной модели совместимой с биосферой жилищной сферы как социо- природно- технической системы

жилищная сфера, как сложная система, имеет существенное отличие - социальную направленность. Поэтому существующие модели, исключающие человека из формализованного описания, не могут передать состояния таких систем. Поиск оптимальных моделей для изучения жилищной сферы послужил темой для исследования.

Так, с позиций системного подхода, жилищная сфера как сложная по структуре и динамическая система включает:

1) природную составляющую как часть внешней среды (землю, минерально-сырьевые, топливно-энергетические ресурсы и т. п.), учитывающую расходы природных компонентов для создания строительной продукции на всех стадиях жизненного цикла;

2) социальную составляющую как часть внешней среды, учитывающую возможность реализации рациональных потребностей человека по критерию «жилье» и обеспечивающую развитие человека;

3) производственно-инфраструктурную составляющую, включающую предприятия строительной индустрии, проектные и строительно-монтажные организации и других участников строительного комплекса, реализующих мероприятия, направленные на создание и модернизацию промышленности строительных материалов, разработку и внедрение инновационных проектов и технологий, проведение научных исследований, обеспечивающих в конечном итоге региональную потребность в основных видах строительных материалов, изделий, конструкций и производственных мощностей для развития жилищной сферы.

На рис. 1 изображена схема концептуальной модели совместимой с биосферой жилищной сферы как социо-природно-технической системы.

Функционирование жилищной сферы региона как еди-

образуется в потоки производственно-инфраструктурной составляющей (гй). Это так называемые входные потоки для исследуемой модели.

В потоке ресурсов природной составляющей различаются прежде всего минерально-сырьевые, топливно-энергетические ресурсы и др. [4], являющиеся основой для производственно-инфраструктурной составляющей -это (пы).

Природная составляющая жилищной сферы помимо ресурсного обеспечения выполняет также экосистемные и обеспечивающие функции, состоящие в регулировании естественных процессов: ассимиляции загрязнений и отходов, поддержании климата, водного режима, озонового слоя и т. д. и в создании эстетических, рекреационных, культурных, исторических, образовательных ценностей и пр. Соответственно это потоки - п., и п.,.

к2 к3

Таким образом «образ» (состояние) природной составляющей описывается в виде множества:

^к = К' Пк2' Пк} (1)

где пк1, пк2, пк3 - соответственно ресурсная, экосистемная и обеспечивающая функции природной составляющей.

В «образе» социальной составляющей имеет смысл выделить «заказы-требования» внешней среды, связанные с развитием человеческого потенциала, а также технические требования, влияющие на создание комфортной и безопасной жилищной сферы (показатели внедрения зеленых стандартов - экологически безопасные строительные материалы и изделия, ресурсо-, энергоэффективные конструкции, использование двухкомпонентного сырья и т. п.). «Образ» (состояние) социальной составляющей жилищной сферы описывается в виде множества:

Ук = {ук,' Ук.} (2)

где ук1 - потребности населения региона в жилье, связанные с развитием человеческого потенциала; ук2 - требования населения к комфортности и безопасности.

Производственно-инфраструктурная составляющая жилищной сферы описывается следующим множеством:

Тк = Кр 'к2> 'к} (3)

ной системы ^к) описывается социальным (Ук), производственно-инфраструктурным (Тк) и природным (Щ «образами». На систему 5к воздействуют многокомпонентные информационные потоки, отвечающие потребляемым ресурсам и функциям природной составляющей (пк), а также потоки «заказов» от социальной составляющей (уи). Часть потоков природной и социальной составляющих пре-

где (к1 - произведенные подсистемой строительные материалы, изделия и конструкции; ^ - инновационные проекты и программы, результаты научных исследований;

- инновационные технологии изготовления строительных материалов, изделий конструкций, методы производства строительно-монтажных работ и организации строительства.

Выходными параметрами системы $к являются параметры множеств, характеризующих:

- объекты капитального строительства (реконструированные или вновь построенные) и обеспечивающие рациональные потребности населения в жилье;

¥к - техногенные и бытовые отходы, перерабатываемые производственно-инфраструктурной составляющей;

Ок - не утилизируемые техногенные и бытовые отходы, которые накапливаются и загрязняют природную составляющую.

6'2014

61

Экологическое строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Для достижения системой целевого состояния - состояния совместимости с биосферой формируется множество управленческих решений, направленных на выбор наилучшего и наиболее эффективного варианта развития жилищной сферы. Параметры этих решений представлены множествами: Мк, Жк, Як, множества социально-экономических, технологических, экологических решений соответственно. Способ формирования управляющих воздействий определяет стратегию управления (способ распределения ресурсов и механизмы управления, ставки экона-логов, меры стимулирования зеленого строительства, способы внедрения технологий ресурсосбережения и др.).

Теоретико-множественная модель совместимой с биосферой жилищной сферы может быть определена кортежем:

= <(Н„, ¥„, Т}, (М, Ж,Щ, (В, V, О}, Ф> (4)

где [Шк, Ук, Тк} - множество входных параметров системы (внешние воздействия на составляющие системы и параметры, их характеризующие); [Мк, Жк, Як} - множество внешних воздействий на систему - управленческих решений; жество результатов на выходе из системы (ее состояний); Ф - множество предикатов.

Принципиальная новизна предлагаемой концептуальной модели состоит в том, что она позволяет оценить результаты взаимного влияния социальной, производственно-инфраструктурной и природной составляющих в составе единой системы - совместимой с биосферой жилищной сферы, установить ее границы и выявить показатели эффективности ее функционирования (снижение техногенной нагрузки на окружающую природную среду, обеспечение экологической безопасности и пр.).

Сформулированный академиком В.А. Ильичевым принцип составления и расчета тройственных или гуманитарных балансов биотехносферы урбанизированных территорий [5] справедливым для расчета балансов составляющих локальных систем. В этом случае количественное выражение баланса можно расценивать как обобщенный критерий оценки их состояния.

Соотношение между составляющими баланса должно быть таково, чтобы было возможно их симбиотическое соединение, определяющее состояние совместимости с биосферой, при котором происходит сохранение (а при необходимости восстановление) биосферы регионов и на этой основе развитие человеческого потенциала либо деградация биосферы и снижение качества жизни населения городов и поселений. Для расчета гуманитарного баланса должны быть формализованы различные процессы, ситуации, состояния и их сочетания, взаимодействия факторов, структурированные и систематизированные по принципам матрицы преобразования города в биосферосовместимый и развивающий человека [6].

Рис. 2. Схема когнитивной модели совместимой с биосферой жилищной сферы В, Vк,, Ок} - мно-

Реализация основных положений парадигмы биосферной совместимости представляет собой механизм самоорганизации жилищной сферы - способность перехода в устойчивое состояние при внешнем воздействии, не превышающем порогового значения и компенсирующегося системой. В этом случае состояние системы определяется значениями его параметров и (или) их производных, которые остаются стабильными в заданном диапазоне с течением времени.

Состояние экологической безопасности жилищной сферы - это как минимум устойчивое состояние системы. Под экологической безопасностью жилищной сферы понимается комплексная характеристика условий жизнедеятельности человека, включая возведение и эксплуатацию зданий, которая выражается в объективных показателях (ресурсоемкость, от-ходоемкость и т. п.) и в субъективных оценках, например степени удовлетворения потребностей населения в жилье.

Экологическая безопасность - это интегральный показатель, который в соответствии с Федеральным законом № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» характеризует уровень комплексной безопасности, качество жизни и развития общества. Этот показатель отражает динамику изменения состояния окружающей среды и дает возможность прогнозировать развитие экологических ситуаций.

На основе концептуальной модели совместимой с биосферой жилищной сферы была построена когнитивная модель [7], которая отражает механизм ее самоорганизации (МСО) и влияние факторов внешней среды. В качестве количественного критерия оценки экологически безопасного состояния жилищной сферы выступает баланс между показателями состояния ее составляющих. В рамках проводимого исследования баланс устанавливается между тремя взаи-

62

6'2014

Научно-технический и производственный журнал

Ecological construction

мосвязанными составляющими, описываемыми следующими комплексными показателями: а) степенью удовлетворения потребностей жилищного строительства и населения в природных ресурсах (первичные потребности), б) уровнем развитости производственно-инфраструктурной составляющей в регионе; в) степенью обеспеченности жильем как условием для развития человеческого потенциала (главные потребности, определяющие прогрессивное развитие общества).

Когнитивная модель совместимой с биосферой жилищной сферы (рис. 2) представляет собой ориентированный (целевой) граф, ребрам которого сопоставлены веса. Вершины графа соответствует факторам (концептам, семантическим категориям), определяющим ситуации в жилищной сфере, а ориентированные ребра - причинно-следственным связям между факторами.

Когнитивная модель в графическом виде позволяет структурировать жилищную сферу и служит средством ее формализации и анализа. Интерпретация вершин, ребер и весов на ребрах позволяет получить различные функциональные зависимости, определяющие влияние связей на изменение факторов и приводящие к возникновению различных ситуаций в жилищной сфере.

Примем гипотезу о том, что рассматриваемая система - жилищная сфера обладает свойством самоорганизации, т. е. способностью перехода в устойчивое состояние при внешнем воздействии, не превышающем порогового значения и компенсирующемся системой. В этом случае состояние системы определяется значениями его параметров и (или) их производных, которые остаются стабильными в заданном диапазоне с течением времени.

Система нелинейных дифференциальных уравнений описывает фактическое (текущее) состояние жилищной сферы:

Х\ = аюХ1 -аиХ,2 + /1Х2Х3 -Ь,7;

Хг = а2ЯХ2 — — Ь2У\

Хъ = о30Х3 — а33Х2 + ГзВД —

7 = а4аТ-а„Т2+Х1Х2Х3. (5)

Рассмотрим основные параметры модели.

Переменная Х1 характеризует степень удовлетворения потребностей жилищного строительства и населения в природных ресурсах.

Переменная Х2 характеризует уровень развитости производственно-инфраструктурной составляющей в регионе (использование зеленых технологий, количество инновационных производств, темпы обновления основных фондов и пр.)

Переменная Х3 характеризует степень удовлетворения рациональных потребностей населения в жилье (общение, признание, достижение успеха, образование, медицина и здравоохранение, познание, самовыражение, самоактуализация и т. п.) Качество удовлетворения социальных потребностей человека определяет уровень комфорта жизни.

Внешние воздействия и управленческие решения определяют темп (динамику) развития исследуемой ситуации в жилищной сфере. Другими словами, динамика изменения состояния жилищной сферы с точки зрения достижения целевого состояния - состояния экологической безопасности описывается следующими нелинейными дифференциальными уравнениями:

Х1=а1йХ^-апХ2 +у1Х2Х3-Ъ1У + и1й\

Хг = а20Х2 — я22X2 + У2— Ь2У + и20;

Хз = а30Х3-а33Х3 + у3Х1Х2 -Ь3У+изо;

У = атУ-а^У'1 Л-ХхХ2Х3, (6)

где в качестве новых переменных входят управляющие воздействия и,, и, и, направленные на формирование совместимой с биосферой жилищной сферы.

В формировании показателя интегрального показателя экологической безопасности жилищной сферы У проявляется эффект синергетики, отражающий совместно протекающие явления жизнедеятельности и процессы жилищного строительства на системном уровне. Рассматриваемая система - жилищная сфера - это система с обратной связью, поэтому в уравнениях (5) и (6) присутствуют коэффициенты обратных связей: а10, а20, а00, а41, которые характеризуют воздействия различных факторов внешней среды на удовлетворение потребностей населения, обеспеченность ресурсами и качество жизни через развитие человека. При этом воздействия внешней среды могут иметь как стабилизирующее влияние (без изменений), так и стимулирующее рост и развитие влияние различных факторов на обеспечение экологической безопасности. Так, коэффициенты отрицательных обратных связей а,,, а22, а33, а44 характеризуют стабилизирующее влияние внешней среды на развитие производственно-инфраструктурной составляющей. Коэффициенты а0 и а.. (1 = 1, 2, 3 ,4) отражают механизм самоорганизации отдельных компонентов и системы в целом. Коэффициенты отрицательных обратных связей Ь,, Ь2, Ь3 характеризуют стабилизирующее влияние совместимой с биосферой жилищной сферы на удовлетворение потребностей и потребление ресурсов. Коэффициенты у1, у2, у3, которые могут быть как положительными, так и отрицательными, характеризуют взаимное влияние между отдельными составляющими и компонентами жилищной сферы. Параметры ио, и20, ио задают вклад человека в формирование экологической безопасности жилищной сферы, т.е. отражают реализацию факторов управления. Таким образом, с помощью когнитивного моделирования осуществляется генерация сценариев развития жилищной сферы с заданными параметрами.

В заключение следует отметить, что проблема создания совместимой с биосферой жилищной сферы как самоорганизующейся системы до настоящего времени не решена. Механизмом самоорганизации системы могут служить принципы биосферной совместимости, а критерием оценки ее экологически безопасного состояния - баланс.

Предложенная концептуальная модель жилищной сферы основывается на системном представлении в виде открытой динамической структуры и отличается содержанием в ее составе взаимодействующих составляющих: социальной, природной и производственно-инфраструктурной. Отличительной особенностью построенной модели является ее многокомпонентное представление в виде социо-природно-технической системы. Математическая модель может быть использована для исследования динамики состояния жилищной сферы как индикатора качества жизни человека при изменении условий жизнеобеспечения и факторов внешней среды.

62014

63

Экологическое строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

Список литературы

1. Кобелева С.А. Сценарии развития жилищного строительства с учетом влияния экологических факторов // Строительство и реконструкция. 2013. № 3 (47). С. 33-38.

2. Ильичев В.А., Емельянов С.Г., Колчунов В.И., Бакаева Н.В. Социальные ожидания, жилищные программы и качество жизни на урбанизированных территориях // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 2. С. 3-7.

3. Ильичев В.А. Биосферная совместимость - принцип, позволяющий построить парадигму жизни в гармонии с планетой Земля // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2013. № 1. С. 4-5.

4. Кобелева С.А. Выбор критериев для экологической оценки строительных технологий // Безопасность в техносфере. 2013. № 6. С. 23-26.

5. Ильичев В.А. Биосферная совместимость. Технологии вне-дрения инноваций. Города, развивающие человека. М.: Либроком. 2011. 420 с.

6. Ильичев В.А., Емельянов С.Г. Преобразование городов в биосферосовместимые и развивающие человека. Москва-Курск: ЮЗГУ, 2013. 99 С.

7. Бакаева Н.В., Шишкина И.В. Концептуальная модель экологически безопасной автотранспортной системы и постановка задачи управления // Экология урбанизированных территорий. 2013. № 2. С. 38-42.

References

1. Kobeleva S.A. The scenarios of housing in view of the influence of the environmental factors. Stroitel'stvo i rekonstrukcija. 2013. No. 3 (47), pp. 33-38. (In Russian).

2. Il'ichevV. A., Emel'janov S.G., Kolchunov V.I., Bakaeva N.V. Social expectations, housing programmes and quality of life in the urbanized area. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 2. pp. 3-7. (In Russian).

3. Il'ichev V.A. Biospheric compatibility - the principle, allowing to construct a life paradigm in harmony with a planet Earth. Biosfernaja sovmestimost': chelovek, region, tehnologii. 2013. No. 1, pp. 4-5. (In Russian).

4. Kobeleva S.A. The choice of criteria for the environmental evaluation of the construction technology. Bezopasnost v tehnosfere. 2013. No. 6, pp. 23-26. (In Russian).

5. Il'ichev V.A. Biosfernaja sovmestimost'. Tehnologii vned-renija innovacij. Goroda, razvivajushhie cheloveka [Biospheric compatibility. Technologies of introduction of innovations. The cities developing the person]. Moscow: LIBROKOM. 2011. 420 p. (In Russian)

6. Il'ichev V.A., Emel'janov S.G. Preobrazovanie gorodov v biosferosovmestimye i razvivajushhie cheloveka: kurs lekcij [Transfor-mation of the cities in biosferosovmestimy and developing the person: course of lectures]. Moscow - Kursk: JuZGU. 2013. 99 p. (In Russian)

7. Bakaeva N.V. , Shishkina I.V. Conceptual model of ecologically safe motor transportation system and management problem definition/ Jekologija urbanizirovannyh territorij. 2013. No 2, pp. 38-42. (In Russian).

Уважаемые коллеги!

Вы держите в руках журнал «Жилищное строительство» № 6, который завершает подписной период I полугодия 2014 г. Если вы еще не подписались на II полугодие 2014 г., то сделать это можно в редакции на все полугодие или на почте.

Для подписки через редакцию необходимо прислать заявку в произвольной форме по тел./факсу: (499) 976-22-08, 976-20-36 или по эл. почте: mail@rifsm.ru. В заявке надо указать название организации (для выставления счета), юридический и почтовый адреса, телефон и контактное лицо.

Открыта подписка на электронную версию журнала: http://ejournal.rifsm.ru/

На почте подписку можно оформить: По объединенному каталогу «Пресса России» По катал°гу агентства «р°спечать> индекс 70283

индекс 79250

W

ItHÍÜ rttíjp

Оставайтесь с

нами!

i

Подписано в печать 10.06.2014 Формат 60х881/8 Бумага «Пауэр» Печать офсетная Общий тираж 4500 экз.

Отпечатано в ООО «Полиграфическая компания ЛЕВКО» Москва, Холодильный пер., д. 3, кор. 1, стр. 3

Набрано и сверстано в РИФ «Стройматериалы»

Верстка Д. Алексеев, Н. Молоканова