Сутягин А.Е. ® 2016-2019

О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И Опыт, [сын] ошибок трудных,
И Гений, [парадоксов] друг,
[И Случай, бог изобретатель]

А.С.Пушкин

ВВЕДЕНИЕ

    Цена, стоимость здания является важным, если не важнейшим фактором влияющим на весь строительный процесс. При прочих равных условиях выигрывает тот проект, который имеет меньшую стоимость возведения (и эксплуатации). И поэтому весьма часто стоимость - это основной, если не единственный критерий, по которому производится отбор вариантов для реализации архитектурного замысла. 
    Каким бы ни был выдающимся с архитектурной точки зрения проект здания, проектировщик должен стараться избегать чрезмерных расходов на возведение здания. Добиваться этого он должен, разумеется, без снижения надежности и качества. Минимизация затрат происходит с использованием определенных подходов и методов, имеющие аналитические, математические и эвристические основы.
    Стоимостной оценкой результатов проектирования, является калькуляция (или смета) затрат на здание.
   Общим подходом к решению широкого класса задач, возникающих при техническом проектировании, является метод системного анализа. Это метод, возникший  в ходе Второй Мировой войны, как способ увеличения выпуска военной продукции, позже стал широко использоваться в гражданской сфере. Причем его методология стала охватывать не только производственную сферу, но и социально-политическую.
     Подробнее история возникновения и развития метода изложено в [3].

Системный анализ, как метод решения задач по оптимизации конструктивных решений зданий

    Как это видно из название метода, предметом изучения системного анализа являются системы.

    Система - это совокупность объектов и межобъектных связей. Причем совокупность именно такая, когда происходить взимовлияние двух ипостасей системы.

    Системный анализ — метод анализа проблемы (задачи), представляющий собой последовательность действий по установлению структурных связей между переменными или элементами исследуемой системы.

   Согласно методологии  системного анализа, все проблемы (задачи) подразделяются на три класса:

   - хорошо структурированные (well-structured), или количественно сформулированные проблемы, в которых существенные зависимости выяснены очень хорошо;

   - слабо структурированные (ill-structured), или смешанные проблемы, которые содержат как качественные элементы, так и малоизвестные, неопределенные стороны, которые имеют тенденцию доминировать;

   - неструктурированные (unstructured), или качественно выраженные проблемы, содержащие лишь описание важнейших ресурсов, признаков и характеристик, количественные зависимости между которыми совершенно неизвестны.
   Задачей системного анализа является преобразование неструктурированных проблем в хорошо структурируемые (после чего задача решается тривиально).

   Пример недоучета системного анализа при разработки проекта:
   История создание сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд”. 1969-2003.

   Сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд» был способен пересечь Атлантический океан всего за 4 часа, вместо 8 часов (на дозвуковом самолете).
   Технически самолет был создан, но не было учтено, что большинству пассажиров будет важен критерий стоимости билета, чем скорость перелета через океан.
   Затянувшаяся разработка «Конкорда» и очень большой коэффициент новизны привели к тому, что совместная англо-французская программа вышла далеко за рамки бюджета, общие расходы составили почти миллиард фунтов стерлингов. Цена авиалайнеров, соответственно, также постоянно росла. Кроме того, выяснилось, что авиакомпании недооценивали масштабов расходов, необходимых для обслуживания парка сверхзвуковых лайнеров и поддержания его в состоянии лётной годности.

   Оптимизация затрат на строительство.

   Как мы уже напоминали - основным вопросом при осуществлении строительной деятельности является оптимизация затрат. Одним из практическим приложением системного анализа стал Функционально-стоимостной анализ (ФСА).
ФСА является очень эффективным методом оптимизации затрат. На надо понимать, что ожидать “чуда” от ФСА (как впрочем и от любого другого метода) не стоит. Уменьшение стоимости изделия само по себе не происходит! Необходимо изменить подходы к функции изделия.

   История возникновения ФСА

   Потребности в анализе структуры затрат при изготовлении промышленного изделия возникла в годы второй мировой войны ввиду возникшей ограниченности ресурсов, а также, отчасти из-за того, что “монетарная” оценка ресурсов ввиду специфики применения изделий (военная техника) не могла быть реализовано. 
   Классический пример технического противоречия на примере военной технике: что в танке должно быть больше в брони или снарядов. Или использования менее надежного двигателя в истребителях, но при этом увеличение огневой мощи  самолета.
   Все это потребовало разработки новых аналитических критериев проектирование технических изделий.
   Основы функционально - стоимостного анализа в СССР, в гражданской сфере, заложены в конце 40-х годов в работах инженера-конструктора Пермского телефонного завода Юрия Михайловича Соболева. Метод Ю.М. Соболева был направлен на отыскание экономичных способов изготовления изделия.
   Следует упомянуть, что внедрением методов схожих с методом ФСА, занимался Иван Федорович Тевосян нарком, впоследствии министр металлургической промышленности СССР, а затем и заместитель председателя Совета Министров СССР. Он создал группу из лучших в отрасли производственников, инженеров и ученых. Эта группа (во время первых пятилеток получившее название "кулак")  во главе с Тевосяном выезжала на отстающие заводы и оперативно решала возникшие проблемы технологическо-производственного процесса. (И.Ф. Тевосян послужил прототипом главного героя романа А.Бека “Новое назначение”).
   В США в конце 1940гг  Лоуренс Д. Майлс, инженер отдела снабжения американской электротехнической компании "Дженерал электрик" разработал методику снижения издержек при производстве продукции, которую назвал value analysis (стоимостной анализ). Впоследствии этот метод получил название Функционально-стоимостной анализ (ФСА) [4].
   Цель ФСА состоить в обеспечении правильного распределения ресурсов, выделяемых на изготовление изделия (возведение здания или сооружения) исходя из анализа прямых и косвенных издержек производственного процесса. Обеспечения “правильного” распределение ресурсов регулируется понятием “полезности” ресурса, а именно степени влияния ресурса на на конечные функции изделия. Коротко суть метода ФСА можно описать фразой:  Баланс между стоимостью и полезностью.
   Подробно с методом можно ознакомиться в [5].
   Надо понимать, что результатом использования ФСА может также стать и решения о полной переделки изделия (здания).

   В качестве одно из инструментов решения задач ФСА  в СССР возникла т.н. Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ), разработчиком которой стал Генрих Саулович Альтшуллер.

Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)

   На волне почти полувекового “взрывного” развития техники и технологии не могли не зародится мысль о том, как в сущности рождаются открытия и появляются изобретения. Каким механизмом владеют изобретатели и ученые, которые позволяет им это делать? Что больше в творческом труде: методической работы или искры интуиции. Благодаря накопившимся знаниям оказалось возможным выявить общие закономерности развития науки и техники и на их основе попытаться разработать “методику изобретательства”. 
   Одним из таких исследователей стал Генрих Саулович Альтшуллер (1926-1998). В 1946г. он и его соратники начали работу над “теорией изобретательства” Теорией решения изобретательских задач (ТРИЗ). в 1956 г. была опубликована первая книга о ТРИЗ [1].
   Альтшуллер и его последователи считали, что “изобретательское творчество” связано с “изменением техники развивающейся по определенным законам” [2]. То есть при проектировании какого либо материального объекта “придумывание”, размысливание также должно подчиняться (строгим) материальным законам.
   Кроме того, появление ТРИЗ было вызвано в то время объективной потребностью восстановления послевоенной экономики. В ТРИЗе постарались исключить элемент случайности изобретательского процесса: внезапное озарение (интуицию), “слепой” перебор и отбрасывание вариантов, даже зависимость от настроения.
   В ТРИЗе попытались исключить из изобретательского процесса психологическую инерцию, “эффект замыливания”, усилить творческую активность путем “развертывания” вектора творческого поиска порой в неожиданном направлении.
   Разработки ТРИЗа исключают из творчества элемент “озарения”, случайности. Методика ТРИЗ является рациональным системным подходом к изобретательству, да и собственно ко всему инженерному творчеству. 

   Суть ТРИЗ хорошо определяется пожалуй другой цитатой Пушкина:
"Поверил я алгеброй гармонию. Тогда уже дерзнул, в науке искушенный, предаться неге творческой мечты”.
                                                           * * *
   Справедливости ради следует отметить, что не все методологи изобретательского процесса разделяют такую точку зрения. Русский инженер и философ Петр Климентьевич Энгельмейер (1855-1942) в своей работе он писал “Когда ученый создает новое понятие, новый закон, он начинает, как художник, с интуиции. Является гипотеза. Потом он перерабатывает гипотезу мышлением, по научному. Но художественный элемент не исчезает… Возьмем закон всемирного притяжения Ньютона. В нем видны оба элемента: наглядный художественный образ невидимой но реальной силы, действующий между телами через космическое пространство, и научная умственная формула количественного действия этой силы…”
   В свое книге “Теория творчества” [8] Энгельмейер разрабатывает основы новой науки “эврилогии” - науки о творчестве. В основе творческого процесса, считал он, лежит “теория трехакта” - три стадии желание, знание и умение. В первой стадии изобретение предполагается, во второй, доказывается, в третьей осуществляется. Поэтому в первой стадии все начинается с интуитивного появления гипотетической идеи. Во второй стадии разрабатывается план, изобретение преобразуется в логическое представление. Третья стадия не связана непосредственно с творчеством. Выполнение плана может быть получено соответствующему специалисту. Гениальность проявляется в первом акте, талант во втором, прилежание в третьем.

                                    * * *
   Как говорилось выше, при анализе затрат при возведении зданий, необходимо выявить “функцию” элемента здания и связать эту “функцию” со “значимостью” которую эта функция вносить в потребительское качество.
   Далее необходимо попытаться снизить стоимость “функции” конструктивного элемента при сохранении “значимости”.

Способы снижения стоимости “функции” конструктивного элемента

1. Совмещение функций различных частей здания.

Широко распространенным приемом оптимизации конструктивных и технологических решений является метод совмещения функций.

Примеры:
а) Стены - несущие и ограждающие функции
б) Плитый фундамент - несущие и эксплуатационные функции (функции пола)
в) Стеклянный фасад - светопрозрачные функции, теплоизолирующие функции, эстетические функции. Типизация сборочных узлов.
г) Профилированный настил беспрогонное покрытие. совмещение несущих и ограждающих функций + функция жесткого диска покрытия.
д) Лампа накаливания - освещение + отопление
е) Аккуратные стены из пеноблоков без штукатурки - совмещение ограждающих и эстетических функций.
ж) Нужен ли подвесной потолок?

                                                          * * *
“Например, один из конкретных методов в модульном системном мышлении включает функциональное сочетание деконструктивизма (разделение крупной системы на модули) и реконструкционизма (сведение этих модулей воедино). При этом главная задача – определить сильные и слабые звенья (как эти модули работают, не работают или могли бы работать) и применить эти знания для достижения полезных результатов. Связанная с этим концепция проектирования, используемая в особенности инженерами-программистами, – это пошаговое приближение. Каждое последующее изменение, вносимое ими в продукт или услугу, неизбежно способствует улучшению результата или разработке альтернативных решений. Тут применяется стратегия проектирования «сверху вниз» (ее еще можно назвать «разделяй и властвуй»), при которой каждая подзадача выполняется отдельно в ходе продвижения к конечной цели. Противоположный подход – проектирование «снизу вверх», когда составляющие снова собираются вместе.” (Мадхаван Гуру “Думай как инженер, как превращать проблемы в возможности”) [7] 

2. Технологичность возведения здания. Многодельность.

   При условии массового строительства важным фактором снижение стоимости строительства является условие технологичности возведения здания. Технологичность возведения заключается в использовании типовых конструкций (типовых объемно-планировочных решений), интуитивно понятных сборочных узлов и деталей, простота и логичность технологического процесса.
   Обратной стороной технологичности, является многодетность строительных конструкций. Невзирая на ход научно-технологического прогресса  многие строительные конструкции многодельны, т.е. требует для своего изготовления и монтажа большое количество ручного и маломеханизированного труда. 
   Частично это обусловлено тем, что на строительном рынке работает множество универсальных строительных компаний, которые возводят практически все номенклатуры здания, без специализацию на виды деятельности. С другой стороны многодельность предполагает гибкость производства, т.е. практически любое здание можно возвести из множества мелких элементов, а вот из крупных элементов, только узко специализированные здания. (пример: монтаж “россыпью”).

3.Материалоемкость различных частей здания

   Материалоемкость  различных частей здания  сильно зависит от конструктивной схемы здания.   Относительные доли материалоемкости элементов здания представлены в табл: 
   Фундаменты   20-35%
   Несущий надземный каркас   15-25%
   Стены   25-40%
   Кровля   15-20%

   Если брать общую стоимость здания и инженерных систем. То в 50-60гг прошлого века стоимость инженерных систем составляла всего 10-15% от стоимости всего здания. Сейчас стоимость инженерных систем “перевалила” 50% уровень всех затрат на здание.
   Большую часть затрат в современных условиях (и в условиях городской застройки) может составлять затраты на инженерное развитие территории, благоустройство и экологические мероприятия. Порядок эти затрат и стоимости самого здания уже сравнялись. Вероятно, в будущем в затраты на возведения всего здания будут включать и затраты на демонтаж здания после окончания срока его эксплуатации.

4. Математическая оптимизация.

   Часто оказывается возможным провести аналитическую оптимизацию частей здания.

   Пример. Рассмотрим стоечно-балочную конструктивную систему. Возьмем свободный параметр - шаг колонн. Так при увеличении шага колонн, удельный (на 1 м.кв базовой площади здания) расход материала колонн уменьшается. При этом сечение балок увеличивается. Соответственно увеличивается и удельный расход материала балок. Если наложить друг на друга оба этих графика, то где мы получим точку минимума функции (минимума количества материала). 

5. Эвристическая оптимизация.

   Требуется задать, вопрос - каким целям служит, та или иная часть конструкции.
   Пример - оптимизация ленточных фундаментов.
Инженеру следует проанализировать составляющие фундамента здания: опорная часть, стенка фундамента, подошва. Даже постановка формальных определений может послужить оптимизации расхода материалов на исследуемую часть здания.

6. Энергетические затраты на возведения здания.

   Разумная деятельность предполагает разумное использование природных и энергетических ресурсов, находящихся в распоряжении человека. В последнее время было предложено использовать в качестве оценки состоятельности проектов не денежный (или монетарный) эквивалент, а энергетический и ресурсный эквиваленты:

EROI – energy return on investment (энергетическая рентабельность инвестиций) — сколько энергии надо вложить, чтобы получить одну единицу энергии на выходе.

MROI – material return on investment (материальная рентабельность инвестиций) — сколько материала (ресурсов) надо вложить, чтобы получить одну единицу продукции на выходе.

   В строительстве это означает - расчет стоимости здания ведется в энергетических единицах, например в Джоулях и сравнение различных зданий может производиться по суммарным энергетическим затратам.

                                                            * * *

   Мощным инкубаторам технических идей в СССР являлся журнал “Техника - Молодежи” [10].
   Так же интересна книга  Виктора Папанека Дизайн для Реального Мира, где автор анализирует взаимоотношения реальной функции вещи (технического устройства) и разумных усилий по изготовлению технического устройства [6].
   Недавно была переведена на русский язык книга Думай как инженер, как превращать проблемы в возможности, американского инженера Мадхаван Гуру. В этой книге автор размышляет о проблемах инженерного творчества [7]/
   Юмористический подход к строительному процессу превосходно обыгран в художественном фильме “Чокнутые” (1991), реж. А.Сурикова [11].

                                                             * * *
   В заключении статьи приведем цитату по книге (Мадхаван Гуру “Думай как инженер, как превращать проблемы в возможности”) [7]

“У инженерного мышления есть три основных свойства:
Первое – способность «увидеть» структуру там, где ее нет. Наш мир – от хайку до высотных зданий – основан на структурах. И подобно тому как талантливый композитор «слышит» звуки до того, как запишет их в виде нот, грамотный инженер способен визуализировать и воплотить структуры с помощью сочетания правил, моделей и интуиции. Инженерное мышление тяготеет к той части айсберга, которая находится под водой, а не над ее поверхностью. Важно не только то, что заметно; невидимое тоже имеет значение...

Второе свойство инженерного мышления – это способность эффективно проектировать в условиях ограничений. В реальном мире они присутствуют всегда и определяют потенциальный успех или провал нашей деятельности. Учитывая свойственный инженерии практический характер, затруднений и напряжения в ней гораздо больше по сравнению с другими профессиями. Ограничения любого происхождения – налагаемые природой или людьми – не позволяют инженерам ждать, пока все явления будут в полной мере объяснены и поняты. 
Предполагается, что инженеры должны добиваться максимально возможных результатов в имеющихся условиях. Но, даже если ограничений нет, грамотные инженеры знают, как применять ограничения для достижения своих целей. Временные ограничения стимулируют креативность и находчивость инженеров. Финансовые трудности и явные физические ограничения, зависящие от законов природы, также широко распространены наряду с таким непредсказуемым ограничением, как поведение людей...

Третье свойство инженерного мышления сопряжено с компромиссами – умением давать продуманные оценки решениям и альтернативам. Инженеры определяют приоритеты в проектировании и распределяют ресурсы, выискивая менее важные цели среди более весомых. Например, при проектировании самолетов типичным компромиссом может стать сбалансированность затрат, веса, размаха крыла и габаритов туалета в рамках ограничений, которые налагаются конкретными требованиями к летно-техническим характеристикам. 
Трудности такого выбора относятся даже к вопросу о том, нравится ли пассажирам самолет, в котором они летят. Если ограничения можно сравнить с хождением по канату, то компромиссы напоминают ситуацию из басни про лебедя, щуку и рака: идет борьба между тем, что имеется в распоряжении; тем, что возможно; тем, что желательно, и допустимыми пределами…

...Структура, ограничения и компромиссы – вот «три кита» инженерного мышления. Для инженера они имеют такое же значение, как для музыканта – такт, темп и ритм.”

                                                            * * *

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Альтшуллер Генрих Саулович (1926-1998). Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). Любое издание.

2. Альшуллер Г. С., Шапиро Р. Б. О психологии изобретательского творчества//Вопросы психологии. — 1956, № 6. — с. 37-49.

3. Блауберг И. В., Юдин Э. Г. Становление и сущность системного подхода. - М., Наука, 1973

4. Miles L. Technigues of value analysis and engineering, N. Y. Mc-Craw - Hill, 1972

5. Моисеева Н. К., Карпунин М. Г. Основы теории и практики функционально-стоимостного анализа. — М.: Высшая школа, 1988. — 192 с

6. Виктор Папанек (1925-1998) Дизайн для Реального Мира. любое издание

7. Мадхаван Гуру "Думай как инженер, как превращать проблемы в возможности". Изд. Манн, Иванов и Фербер, М.: 2016г.

8. Энгельмейер П. К., Теория творчества, М., «ЛКИ», 2007 г.

9. Александр Бек "Новое назначение", 1972г , любое издание.

10. Журнал "Техника – Молодежи" с 1961 по 1979 гг.

11. Худ.фильм „Чокнутые“, 1991 г. реж. А.Сурикова