Belgorod, Belgorod, Russian Federation
UDC 332.83
The work contains scientific, theoretical and practical provisions of the virtual resource analysis method, proposed for use in existing and future systems of construction pricing and rationing. Virtual resources of construction and installation work (process), implemented and analyzed in special software scenes created for this purpose, are used in the process of repeated statistically justified rehearsals simulating the production of full-scale work in conditions of maximum digital reproduction of conditions, tools and prototyping typical risky situations of its implementation. The updated assessment of resource costs for the production of works is carried out by automated collection and evaluation of the user dynamic metrics of the contractor and the timing of the main processes of the evaluated construction work, consisting of an analysis of the trajectories of the basic movements of the key nodes of the performer's avatar and the timing of the main processes of the decomposed complex task performed during virtual operations, taking into account the calculated response of the environment and predicted variations in performance of the contractor. The events implemented in the virtual processor are considered in a certain technological sequence that ensures monitoring of resource requirements in the proposed generalized factor space, providing a statistically justified alternative estimated rationing and rational management of the life cycle of the construction object. The paper presents methodological aspects of the organization and production of virtual resource analysis, and shows its quantitative effectiveness using a practical example.
Life cycle management of a construction object, pricing in construction, virtual reality, information modeling, organizational and technological risks.
Введение. Информационное моделирование зданий (ТИМ) давно и заслуженно оцениваемое мировым строительным сообществом как инструмент эффективного ресурсосбережения и технологической прозрачности строительства, находится в состоянии постоянного инструментального совершенствования. ТИМ, в целом, реализуемые в виде пространственный моделей (цифровых двойников) объектов капительного строительства, насыщенных информацией, востребованной в управлении объектом, опираются на парадигму динамизма информационной модели, ее постоянного развития и совершенствования, информационного и элементного наполнения по мере реализации этапов жизненного цикла объекта [1]. Технологии представления проектной информации исполнителю все более информатизируются и виртуализируются, реализуясь на практике широчайшим аппаратно-программным обеспечением от информирующих мониторов до интерактивных устройств виртуальной и дополненной реальности. Проектно-сметная и организационно-технологическая документация в строительстве в ее привычном понимании все более уступает место цифровому формату представления, реализуемому не в целом по объекту, а на заданном уровне детализации для ограниченного набора элементов информационной модели, работа над реализацией которых составляет текущее производственное задание [2, 3].
Несмотря на очевидную эффективность формализации и цифровой унификации большинства проектных операций в составе ТИМ невостребованный потенциал роста эффективности наблюдается в информатизации организационного и сметного разделов проектного производства, включающих сведения о составе и структуре ресурсов, задействованных при натурной реализации объекта капительного строительства и аналитическую работу с ними [4]. При этом, если процессы рационального распределения и мониторинга ресурсов, отражаемые инструментами цифрового календарного, сетевого планирования и сметного ценообразования находят все большую цифровую реализацию в ряде современного и отечественного отраслевого ПО, то инструментам виртуального прототипирования и производственной имитации все еще не уделяется должного внимания ни застройщиками, ни следующими за ними проектировщиками и вендорами. В наибольшей степени это касается перманентно актуальных вопросов гармонизации расчетных ресурсоемкостей альтернативно технологически обеспечиваемых строительных процессов и актуализации элементных сметных норм в условиях развивающегося производственного оснащения и технологического совершенствования строительства.
Практически востребованные и статистически обоснованные инструменты ресурсного анализа технологических процессов в строительстве базируются на качественной идентификации и количественном учете производственных и технологических рисков, сопутствующих произвольно ресурсоемкому процессу. Традиционно дискуссионным является как сам процесс и инструменты учета риска и неопределенности прогнозируемой ресурсоемкости, так и многочисленные факторы актуального рискового окружения любого технологического процесса, обуславливающую искаженное количественное восприятие рисковых обстоятельств информационной системой, недостаточную достоверность получаемых диагностических сведений и рекомендаций по управлению рисками. Эти обстоятельства делают неизбежным развитие инструментов информационного моделирования в оценке ресурсоемкости строительства в направлении роста качества и автоматизации работы с производственными рисками [5].
Оценка трудоемкости и стоимости выполнения строительно-монтажных работ основана на использовании сметных норм – ресурсоемкости выполнения единицы объема, заранее определенной для широкой номенклатуры работ в выбранном варианте их исполнения. Единичные сметные нормы умножаются на объемы работ, определенных для оцениваемого строительного объекта, и корректируются системой индексов удорожания и факторов производства работ. Универсальные сметные нормы, оправданные для построения федеральной системы сметного нормирования, содержат ряд существенных недостатков, снижающих или нивелирующих эффективность их использования. Сюда можно отнести и недостаточную информационную содержательность нормы, допускающую множественность трактовок ее технологических и ресурсных положений, а также перманентное устаревание материально-технической базы выполнения строительной нормы, отдаляющее ее от современного уровня строительного производства, что является причиной значительного расхождения нормативной и фактической стоимости строительства, преодолеваемой участниками строительного проекта внесистемными и неформальными инструментами [6]. Современное строительное и проектное производство строится на значительном текущем и все более растущем перспективном использовании аппаратно-программных технологий производственного контроля и аналитики, в частности предиктивной, базой чего не может быть определенная с невысокой достоверностью проектная ресурсоемкость строительства. Кроме того, сметное нормирование остается последней отраслью проектного производства в строительстве, которая все еще реализуется в аналоговых, сравнительных, прецедентных технологиях калькуляции, что не вполне соответствует общему направлению цифровизации жизненного цикла здания, взятому мировой строительной индустрией базовой парадигмой развития.
Методика, оборудование. Актуальные задачи строительного ценообразования – повышение достоверности сметной оценки, корректировки единичных расценок на реально складывающиеся способы и условия производства работ, учет реальной трудоемкости и времени выполнения фактически производимых технологических процессов могут быть решаемы в инструментальной среде виртуальной реальности. Виртуальная реальность, являясь средой, обеспечивающей максимальную интерактивность и иммерсивность имитируемых процессов производственного взаимодействия исполнителей и ресурсов, и доступная сейчас для оперативного развертывания в условиях любого строительного и проектного производства позволяет сформировать и наладить действенный и эффективный механизм достоверной актуализации элементных сметных норм произвольного состава и номенклатуры статей затрат, реализуемый как процесс релевантной реальных условиям производства имитации ресурсоемкого технологического процесса со снятием статистически надежной метрики среды реализации процесса и его акторов, полагаемой в основу технологии виртуального ресурсного анализа (ВРА) строительных процессов [7]. ВРА реализованные в формате интерактивных виртуальных сцен для имитационных репетиций производимых на практике строительных работ, с ограничениями и инструментальным оснащением, протипированными в информационной модели и позволяющими детально имитировать порядок производства технологических процессов работы полагаются автором в основу в основу создания и актуализации элементных сметных норм нового цифрового поколения [8]. Создание виртуальных сцен для таких производственных репетиций может быть осуществлено в отечественном программном комплексе VR Concept [9] (рис. 1).
Рис. 1. Возможности виртуальной среды VR Concept:
произвольные артефакты и их свойства, имитация физического взаимодействия артефактов и аватара, командная работа аватаров, программирование, запись и реализация динамических сценариев, имитация геометрических и физических ограничений, подоснова из облака точек
Созданные виртуальные строительно-монтажные репетиционные сцены могут использоваться для ресурсного анализа только при наличии обратной связи в виде количественной метрики действий и состояния аватара сцены. Траектория движения ключевых точек аватара, востребованность и режим использования имитирующих инструмент артефактов, управление реакций и событиями, генерируемыми виртуальной средой (сложность производства, укладки, сборки, фиксации, потребность в индивидуальной защите, подмащивании, провоцирование подготовительных и сопроводительных действия и проч.), варьируемые показатели производительности исполнителя (утомляемость, ритмичность, внимательность, коллегиальность, изменения восприятия окружающей среды) являются количественной базой для диагностирования и вероятностной оценки актуальной ресурсоэффективности работы в ВРА.
Для оценки фактической ресурсоемкости виртуально выполняемой работы предлагается собирать и накапливать следующую информацию:
– данные о движение характерных точек участника виртуального процесса в пространстве (траектория, скорость, ритм, устойчивость движений);
– данные о задействовании, перемещении, общем времени и режиме использования артефактов;
– данные о количестве и обстоятельствах возникновения геометрических (повторения, возвраты, время выбора действий) и физических (столкновения, потери ресурсов) коллизий при репетиции работы;
– сведения о размерах, положении и структуре пространства выполнения индивидуальной и командной работы.
Анализ этой информации, возможный и в режиме реального времени, позволит количественно оценить возникающие в виртуальном пространстве и эквивалентные фактическим в натурной строительной ситуации:
– затраты времени работы исполнителей, потребность и график задействования оборудования;
– рациональность расположения, хранения и использования оборудования;
– эргономичность и ритмичность осуществления производственных операций;
– ментальную и физическую утомляемость исполнителей, рациональную малую механизацию труда и оснастку рабочего;
– рациональность командного взаимодействия, технологии групповой работы, расстановки исполнителей и сценария их взаимодействия;
– повторяемость качества результата, фактических потерь времени и ресурсов;
– влияние возможных осложнений, рисков, нештатных производственных ситуаций на результат работы, ресурсоемкость и рациональность мер по обеспечению реальной безопасности труда и сбережению ресурсов.
Основная часть. Организация рациональных и эффективных строительных процессов сопряжена с идентификацией, учетом и управлением их организационными и технологическими рисками. Сопутствующая учету и аналитическому обороту рисков терминология, проставленная в ряде отечественных и зарубежных норм [10, 11], определяет риск как «комбинацию последствий и их вероятности». Н.А. Рыхтикова рассматривает риск с позиций общеотраслевой направленности явления, определяя его как «объективно существующую вероятность наступления неблагоприятных обстоятельств в процессе осуществления … деятельности организации, вызванная воздействием факторов внешней и внутренней среды» [11]. На дуализм риска как категории, в равной степени значимо требующей анализа позитивного и негативного воздействия, указывал П.Г. Грабовый [12]. В этой связи идентифицируемые и управляемые риски рассматриваются как система факторов ситуационной среды, препятствующих реализации плановых показателей производства на заданном уровне ресурсного обеспечения [13].
Цифровизация рисков при виртуальной прототипизации строительных процессов рациональна в следующем обобщенном факторном пространстве [14], описываемом совокупностью общеиндустриальных обстоятельств, текущих технологических несовершенств и индивидуальных отраслевых особенностей строительного предприятия как потенциального пользователя ВРА:
– кадровые факторы, связанные с отклонениями в распределении и рациональном использовании временных ресурсов исполнителя, а также внутрисменные потери рабочего времени;
– организационно-технологические факторы, описывающие отклонения ресурсообеспеченности, организации рабочего места, препятствия производству работ со стороны внешней и производственной сред, вмещающих процесс;
– материальные факторы, включающие в себя нерационально используемые материальные ресурсы вследствие брака, перерасхода, несовершенства технологии производства и т.п.;
– внешние факторы внутрипроизводственного взаимодействия – недостатки проектного и сметного представления производственной ресурсоемкости, логистических и транспортных связей, принятой схемы материального обеспечения строительного производства и т.п.
Оценку общей ресурсоемкости имитируемого в ВРА процесса рационально осуществлять линейной сверткой показателей метрики аватара:
Р = ΣKiGi, (1)
где Ki – количественные показатели метрики выполнения; Gi – удельные веса показателей.
Показатели метрики аватара, используемые для оценки общей ресурсоемкости проекта, количественно характеризуют эффективность (производительность) действий, выполняемых в процессе репетиций имитируемой работы. Так, автором [7] предложены четыре основных показателя, обобщенно оценивающих процесс и результаты репетиций, в сравнении с геометрически или экспертно-назначаемыми идеализированными действиями, характеризующими выполнение исследуемой работы на установленном эталонном уровне виртуальной производительности и мастерства. Показатель K1 выражает результативность репетиции работы как успешность выполнения всех ее процессов, заключающихся в технологически и организационно рациональном получении продукта надлежащего качества. Показатель K2 оценивает затраты времени, понесенные исполнителем работы в сравнении с минимально (рационально) назначенными на этапах исполнения работ, что позволит проанализировать физическую кондицию исполнителя и реакцию внешней среды. Показатель K3 характеризует качество движений аватара, совершенных в виртуальном пространстве, выражаемое в стабильности назначенной идеализированной траектории движений его ключевых узлов аватара, что позволяет оценить и оптимизировать эргономичность и организацию рабочего места. Показатель K4 оценивает действия текущего исполнителя в череде репетиций или коллективных имитаций по установленным параметрам выборки исполнителей, что обеспечивает статистическую обоснованность возвращаемых ВРА оценок. В развитии метода допускается использовать неограниченное число иных количественных показателей метрики выполнения, обеспеченных достигаемым исследователем качеством виртуальной имитации процесса и среды его производства.
Таблица 1
Факторное пространство реализации виртуальной модели СМР в ВРА
|
Поле факторного пространства |
Характеристика поля факторного пространства |
|
Поле i процессов (Pi) |
Технологические события, реализующие процессы, входящие в состав СМР, связывающие результаты СМР (связи ВТП) i=1…m |
|
Поле k результатов (Ak) |
Технологические результаты, достигаемые при реализации технологических процессов, выражающиеся в степени проектной готовности строительной продукции (узлы ВТП) k=1…n |
|
Поле j ресурсов (Rj) |
Ресурсы (виртуальные прототипы), затрачиваемые на выполнение технологических процессов для достижения заданных технологических результатов (j=1…p) |
Эффективным подходом к имитационной реализации произвольно сложного технологического процесса, обеспеченного конечным числом ресурсных компонент, можно считать факторной пространственный анализ [14]. По аналогии с предложенным подходом события (в количестве i), входящие в процессный пул виртуализируемой СМР реализуются в ВРА в определенной технологической последовательности, обеспечивающей мониторинг ресурсной потребности (по m видам ресурсов) в аспекте ряда диагностируемых показателей в обобщенном факторном пространстве (табл. 1).
Элементы результатного поля имеют строго регламентируемую конфигурацию, определяющую установленный нормативный уровень требований к безопасности и качеству строительной продукции. Элементы процессного поля могут быть представлены альтернативными строительными технологиями. Общее требование к альтернативному допуску – установленный уровень безопасности и качества строительного производства, достижение которого регулируется технологическими картами альтернативных процессов. Элементы ресурсного поля обладают переменным характером, мониторинг расчетного значения и волатильности которых представляет собой решаемую в ВРА техническую задачу аудитора (разработчика) элементной сметной нормы. Оценка волатильности элемента ресурсного поля j сводится к диагностике величины его ресурсного отказа (объемного превышения) (Dij) и вероятности ресурсного отказа (Fij) в процессе i, определяемых на выборке реализованных СМР, репрезентативной по составу акторов и вариации виртуальных прототипов ресурсного окружения (наполнения) ВРА, рис. 2.
Рис. 2. Организационная схема формализованного ВРА
Установленные (оцененные) Dij и Fij компонентов ресурсного поля факторного пространства служат объектом управления, обеспечивающим рациональный синтез управленческих (технологических) решений по реализации проектов производства/воспроизводства строительной продукции или ее элементов (отдельных строительных конструкций, элементов зданий и сооружений) на всех стадиях жизненного цикла объекта строительства от проектной до демонтажа. Рационализация набора управленческих (технологических) решений сводится к решению оптимизационной задачи — выбору для безусловного достижения минимально требующегося результата Ak набора допустимых технологических процессов, совокупная волатильность которых для элементов процессного поля Pi будет минимальна (1):
|
|
gi S(i=1…m)gj S(j=1…n) Dij Fij = min; |
(1) |
|
S(i=1…m)gi = 1; |
||
|
S(j=1…m)gj = 1 |
где gi, gj — удельные веса (степени значимости при принятии управленческих решений), устанавливаемые для входящих в достигающий результата Ak технологических процессов и затрачиваемых на реализацию процессов ресурсов (соответственно).
Примером пилотной реализации ВРА может служить проведенная автором в виртуальной сцене ПК
VR Concept серия репетиций работ по устройству каменной кладки стеновой строительной конструкции из гиперпресованных элементов с заполнением объема теплоэффективным бетоном. Гиперпрессованные элементы представляют собой высокопрочные кладочные изделия рамочного формата размерами с современный кирпич, предлагаемые производителем для комбинирования с традиционной кирпичной кладкой [15]. Рекомендованная производителем технология кладки обязывает следовать определенному порядку установки камней в ряду, осуществлять их последовательную перевязку штатными пластиковыми связями и стальными скобами, что, с одной стороны, требует большего, чем традиционная кладка количества операций, но значительно меньше нуждается в операциях по контролю качества кладки и не требует растворных швов. Эти технологические особенности производства сильно отличают кладку от традиционной и не позволяют применять расценку и технологии устройства обычных кладок для проектирования сметной и технологической документации для кладки из ГПЭ. Возникшая правовая коллизия – технология выпущена на рынок, но не поддерживается действующей системой прямых расценок и нормативных трудоемкостей, решается на практике использованием применительной расценки и произвольной небезопасной организацией рабочего места каменщика.
Рис. 3. Элементы технологии и пользовательского интерфейса ВРА, используемого при оценке ресурсоемкости ресурсоемкости и качества кладки из ГПЭ
Проведенные в сцене репетиции (рис. 3) позволили установить следующие обстоятельства актуализированной ресурсоемкости производства каменной кладки стеновой строительной конструкции из ГПЭ и их оптимальные параметры:
– трудоемкость кубометра рядовой кладки стены общей толщиной 480 мм нормативного для г. Белгорода теплосопротивления составляет 2,5 чел.-ч., тогда как для традиционной кладки 3,6 чел.-ч., что позволяет сформировать для предприятия собственную элементную сметную норму;
– оценочная себестоимость устройства кладки ГПЭ составляет 5300 руб/м3, тогда как себестоимость кладки по применительным расценкам 4200 руб/м3, что позволяет обосновать ценовое предложение конкретного производителя работ;
– типовая технологическая карта на производство кладки содержит 12 неприменимых и нерациональных положений для использования в этой работе по аналогии, что делает необходимой разработку новой технологической карты в рамках стандарта организации-производителя;
– выявлено 7 потенциально возникающих коллизий с совокупными статистически усредненными потерями по затратам труда в 15 % и по ресурсам в 4 %, при обеспеченном на 95 % качестве кладки по 5 основным контролируемым показателям.
Выводы.
Технология ВРА, реализуемого для имитационной оценки ресурсоемкости строительных работ и процессов в виртуальных сценах специального программного обеспечения, позволяет оценить фактические трудовые и временные затраты, рациональность организации рабочего пространства, эргономичность и ритмичность работы, командное взаимодействие исполнителей работ, стабильность качества производимой работы, устойчивость и чувствительность к внешним рискам, организацию ресурсосбережения и безопасности труда. Репетиции работы, осуществляемые в виртуальных сценах с минимальными по отношению к натурным повторениям ресурсозатратами и стоимостью, определяют степень статистической обеспеченности оценки результатов, позволяют оценить качество цифрового воспроизводства рабочей среды и рациональные технологии прототипирования типовых рисковых ситуаций осуществления работы. Сметное нормирование, инструментально обогащенное ВРА, получит существенный потенциал роста качества и достоверности сметной и проектной документации, обеспечивая полную перспективную цифровизацию жизненного цикла объекта строительства.
1. Talapov V.V. BIM technology. The essence and features of the implementation of building information modeling [Texnologiya BIM. Sut` i osobennosti vnedreniya informacionnogo modelirovaniya zdanij]. Publishing House “DMK press”, Moscow, 2015. 410 p. (rus)
2. Kucherenko A.S., Naumov A.E. Parametric Information Modeling as an Effective Tool for the Design of Prefabricated Modular Buildings [Parametricheskoe informacionnoe modelirovanie kak e`ffektivny`j instrument proektirovaniya polnosborny`x modul`ny`x zdanij]. Bulletin of DNACA. 2023. Vol. 4(162). Pp. 50–57. (rus)
3. Naumov A.E., Kucherenko A.S., Bobrovnikov E.A., Korolskaya A.I. Parametric library elements as an effective means of improving information modeling technologies in construction [Parametricheskie bibliotechny`e e`lementy` kak e`ffektivnoe sredstvo sovershenstvovaniya texnologij informacionnogo modelirovaniya v stroitel`stve]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2023. Vol.2. Pp. 20–28. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2022-8-2-20-28. (rus)
4. Fedosov S.V., Oparina L.A., Fedoseev V.N. Digital project of construction organization: concept, definition, modern requirements, software [Digital construction organization project: concept, modern requirements, software]. Academia. Architecture and construction. 2024. Vol.2. Pp. 143–149. DOIhttps://doi.org/10.22337/2077-9038-2024-2-143-149. (rus)
5. Avilova I.P., Shchenyatskaya M.A. Management of effectiveness of investment and construction projects through the quality of property [Upravlenie effektivnost'yu investicionno-stroitel'nyh proektov cherez kachestvennoe sostoyanie nedvizhimosti]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2015. Vol. 4. Pp. 141–145. (rus)
6. On the discrepancy between the composition and scope of work in the project documentation and the estimate included in it [O rasxozhdenii sostava i ob``ema rabot v proektnoj dokumentacii i vxodyashhej v ee sostav smete]. Interregional public organization to promote the development of the construction industry “Union of Estimating Engineers”. 2019. URL: https://docs.cntd.ru/document/561163306 (date of treatments: 15.01.2025) (rus)
7. Naumov A.E., Dolzhenko A.V. Didactic effectiveness of virtualization of educational processes in construction design [Didakticheskaya e`ffektivnost` virtualizacii obrazovatel`ny`x processov v stroitel`nom proektirovanii]. in Proceedings of the VIII International Simposium “Actual problems of computer modeling of structures”, Tambov, 2023. Pp. 97. (rus)
8. Scorynina A.A. Building information modelling for actualization in construction technological processes [Informacionnoe modelirovanie stroitel`ny`x konstrukcij dlya aktualizacii resursoemkosti texnologicheskix processov], in Proceedings of the International Conference “High Technology and Innovation (XXV proceedings)”, Belgorod, 2023. Pp. 414–418. (rus)
9. VR Concept. URL: https://vrconcept.net/?ysclid=ltbom45taw826917970 (date of treatments: 15.01.2025)
10. GOST R 51897-2021 Risk management. Terms and definitions: national standard of the Russian Federation: approved and put into effect by Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated November 11, 2021 No. 1489-st: date of introduction 2022-03-01. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200181662 (date of treatments: 15.01.2025) (rus)
11. Ryhtykova N.A. Organizational risk analysis and management [Analiz i upravlenie riskami organizacii]: Tutorial. Publishing House “Infra-M”, Moscow, 2007. 247 p. (rus)
12. Grabovyi P.G. Risks in modern business [Riski v sovremennom biznese]. Publishing House “Prosvetitel”, Moscow, 2017. 285 p. (rus)
13. Avilova I.P., Naumov A.E., Shchenyatskaya M.A. Improving the economic efficiency of construction investments by means of technological risks management. Journal of Fundamental and Applied Sciences. 2016. Vol. 8(S2). Pp. 1502–1518. (rus)
14. Suvorova M.O., Naumov A.E. Scientific and theoretical approaches to complex assessment of building life cycle from a low-carbon development perspective. Real Estate: Economics, Management. 2023. Vol. 1. Pp. 6–10. DOI:https://doi.org/10.22337/2073-8412-2023-1-6-10. (rus)
15. Fences with hyperpressured briks [Zabory` iz giperpresovannogo kirpicha], exhibition “Low-rise Country”. URL: https://m-strana.ru/articles/zabory-iz-giperpressovannogo-kirpicha-sst/ (date of treatments: 15.01.2025) (rus)
