Научно-технические основы создания и внедрения систем мониторинга безопасности строительных конструкций

Научно-технические основы создания и внедрения систем мониторинга безопасности строительных конструкций зданий и сооружений повышенного риска 

М.А. Шахраманьян

В настоящее время в период бурного строительства уникальных комплексов (высотные здания, спортивные сооружения, торгово-развлекательные центры и др.) задачи обеспечения безопасности строительных конструкций таких объектов приобретают особенно высокий приоритет.

Одним из новых элементов обеспечения безопасности строительных конструкций является разработка и внедрение автоматизированных систем мониторинга технического состояния строительных конструкций. Важность и актуальность разработки и внедрения автоматизированных систем мониторинга безопасности строительных конструкций обусловливается в связи с:

– принятой и разрабатываемой нормативной правовой базой;

– сложностью и новизной разрабатываемых и внедряемых технологий мониторинга безопасности строительных конструкций;

– отсутствием достаточного количества квалифицированных специалистов и организаций в области проектирования и экспертизы автоматизированных систем мониторинга безопасности строительных конструкций.

Под научно-экспертном центром конструктивной безопасности понимается некое объединение ученых и специалистов с необходимым программно-методическом и техническом обеспечением, которое может принимать различные организационно-правовые формы (совет, комиссия, юридическое лицо и др.).

Типовая система автоматизированного мониторинга технического состояния строительных конструкций имеет следующую структуру

Первичные датчики и оборудование

Система сбора, управления и первичной обработки данных измерений

Комплекс специального программного обеспечения по обработке данных и отображению результатов мониторинга, оценке реального технического состояния (устойчивости, сейсмостойкости, остаточного ресурса долговечности), определения управляющих решений и рекомендаций по эффективной эксплуатации

Первичные датчики и оборудование предназначены для:

измерения колебаний строительных конструкций;

измерения наклонов, прогибов и кренов строительных конструкций;

измерения неравномерной и абсолютной осадки оснований зданий и сооружений;

измерения геометрических параметров здания с использованием автоматизированной высокоточной геодезической аппаратуры;

измерения напряжений в строительных конструкциях (фундаментная плита, колонны, перекрытия, несущие стены)

Система сбора, управления и первичной обработки данных предназначена для централизованного управления, получения и обработки данных измерений с помощью каналов проводной или беспроводной связи, хранения результатов измерений, проверки работоспособности и калибровки первичных датчиков и оборудования. Система сбора, управления и первичной обработки данных реализуется на базе типовых информационных систем класса SCADA

Комплекс специального программного обеспечения по обработке данных и отображению результатов мониторинга, оценке реального технического состояния (устойчивости, сейсмостойкости, остаточного ресурса долговечности), определению управляющих решений и рекомендаций по эффективной эксплуатации включает:

Спецпроцессор по интегрированной обработке разнородных измерений (геодезических, динамических, геологических, напряженного деформированного состояния и др.) для определения технического состояния объекта. Алгоритм работы спецпроцессора основан на критериях сравнения измеренных значений с допустимыми, которые устанавливаются специалистами применительно к объекту мониторинга в период адаптации (настройки) системы мониторинга;

Программный комплекс на базе современных геоинформационных систем, устанавливаемый в эксплуатационной службе объекта для управления системой мониторинга, формирования перечня опасных факторов, угрожающих безопасности здания и перечня конкретных инженерно-технических мероприятий по обеспечению безопасности строительных конструкций. Программный комплекс обеспечивает возможность отображения на трехмерной модели здания мест и динамики развития дефектов (в том числе и скрытых), и внешних факторов (например, зон образования карстовых явлений под фундаментом зданием) в режиме реального времени. Программный комплекс открыт для интеграции со SCADA системой, реализующей систему управления зданием (Building Management System (BMS)), с целью передачи в BMS систему информации об ухудшении технического состояния здания в виде простых светофорных сигналов («зеленый» – нормально, «желтый» – повышенное внимание, «красный» – опасно)

Основными задачами данного Центра являются:

– разработка требований к составу и проектам систем мониторинга безопасности строительных конструкций высотных зданий, уникальных сооружений и объектов повышенного риска;

– участие в экспертизе проектной документации на системы мониторинга, создаваемые в соответствии с требованиями ЕСКД, ЕСПД, СПДС и другими нормативными документами с использованием современных методов математического и физического моделирования;

– разработка программы и методики проведения испытаний систем мониторинга и проведение испытаний;

– разработка рекомендаций проектным организациями и органам экспертизы по вопросам корректировки проектной документации на системы мониторинга;

– разработка рекомендаций эксплуатирующим организациям по повышению эффективности функционирования систем мониторинга технического состояния строительных конструкций;

– организация работ по обучению и переподготовке специалистов в области проектирования и экспертизы диагностических комплексов и систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений;

– аттестация организаций и специалистов в области разработки, внедрения и эксплуатации систем мониторинга.

Описанный выше подход частично был апробирован при строительстве Ледового дворца на Ходынском поле. Решением Департамента градостроительной политики, развития и реконструкции г. Москвы была создана комиссия (в состав которой вошли в том числе и авторы статьи: Шахраманьян М. А. и Гурьев В. В.) по приемке этапа работ, связанных с проектированием и разработкой системы мониторинга технического состояния конструкций Ледового дворца спорта на Ходынском поле. В ходе работы комиссии были разработаны требования к составу проектной документации, программа и методика испытаний, которые были согласованы с Управлением государственного строительного надзора Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, Московским государственным строительным университетом (МГСУ), Московским научно-исследовательским институтом типового и экспериментального проектирования (ГУП МНИИТЭП) и утверждены Всемирной академией наук комплексной безопасности. Программа и методика предусматривают два этапа:

– первый этап «Проверка проектной документации» – на испытание исполнитель должен представить документы, разрабатываемые при создании автоматизированных систем в соответствии с ГОСТ 34.201-89 и руководящим документом по стандартизации («Автоматизированные системы. Требования к содержанию документов») РД 50-34.698-90;

– второй этап «Проверка функциональных возможностей системы» – состав данного раздела программы и методики испытаний формируется на основе анализа проектной документации тестируемой системы мониторинга технического состояния.

На основании результатов испытаний комиссия выдает официальное заключение о возможностях тестируемой системы по автоматизированной оценке технического состояния несущих конструкций в режиме реального времени и рекомендует (не рекомендует) тестируемую систему к принятию в эксплуатацию.

По результатам испытаний системы мониторинга технического состояния конструкций Ледового дворца спорта на Ходынском поле комиссия пришла к выводу, что система мониторинга не работоспособна и не позволяет осуществлять контроль технического состояния конструкций Ледового дворца спорта на Ходынском поле, а приведенные критерии технического состояния конструкций не отвечают требованиям контроля реального состояния конструкций объекта, а лишь создают иллюзию мониторинга.

Одним из основных результатов работы комиссии, который имеет большое значения для дальнейшего проектирования и разработки автоматизированных систем мониторинга технического состояния конструкций уникальных объектов, является разработка членами комиссии (Шахраманьян М. А., Пятницкий А. А., Рубцов И. В., Рубцов О. И.) с участием Шахраманьяна А. М. требований к составу проектной документации системы мониторинга технического состояния строительных конструкций.

Основные требования к составу проекта системы мониторинга технического состояния строительных конструкций должны включать следующие позиции:

– определение особенностей нагрузок и воздействий на объект мониторинга (климатические, геологические и др.);

– определение особенностей конструктивного решения объекта мониторинга;

– разработку вероятных сценариев отказов объекта мониторинга;

– разработку вероятных сценариев разрушения объекта мониторинга;

– разработку вероятных сценариев нарушения нормальной эксплуатации объекта мониторинга (температура, влажность, внутреннее давление);

– обоснование затрат на проведение и создание автоматизированной системы мониторинга;

– определение и обоснование контролируемых параметров;

– определение и обоснование методов контроля;

– определение способов обеспечения надежности функционирования системы;

– обеспечение надежности измерений критических контролируемых параметров (за счет использования разных методов измерений);

– обеспечение автоматизированного контроля работоспособности системы;

– определение архитектуры построения системы;

– схемы развертывания системы;

– описание архитектурных решений программного обеспечения;

– описание приборно-технической базы;

– технико-экономическое обоснование выбора приборно-технической базы и программного обеспечения;

– технико-экономическое обоснование выбора приборно-технической базы;

– технико-экономическое обоснование выбора программного обеспечения;

– описание алгоритма и критериев принятия управленческих решений по выбору сценариев реагирования. Сценарии реагирования, в том числе регламент взаимодействия со специализированными организациями, осуществляющими инструментальное обследование отдельных элементов конструкций.

С учетом вышеприведенных требований и существующей нормативной правовой базы ГУП МНИИТЭП совместно с НПО «СОДИС» участвуют в проектировании и разработке автоматизированных систем мониторинга высотных зданий в рамках городской программы «Новое кольцо Москвы», Крытого конькобежного центра в Крылатском, строящегося высотного здания законодательной и исполнительной власти в ММДЦ «Москва- Сити» и ряде других объектов.