Перспективы цифровизации деревянного домостроения
Цифровая экономика – новый научно-технологический уклад всех промышленных производств. Этот уклад может характеризовать как высшую степень автоматизации, так и начало роботизации производства. Но у каждого производства свои особенности и свой уровень готовности к освоению этого уклада.
Создание деревянного дома предусматривает несколько последовательных этапов: лесозаготовка, лесопиление и сушка пиломатериалов, деревообработка, комплектация, строительство и обустройство дома. Для каждого этапа установлен технологический регламент (процесс), определяющий перечень необходимых операций и параметры получаемой по заданным режимам продукции. Технологический процесс разрабатывается на основе нормативных требований к конечной продукции, включая проект дома и оборудование для выполнения работ по каждому этапу. Операции выполняются в регламентированных режимах.
Совокупность технологических процессов, операций и режимов формирует производственный процесс, который должен иметь структурно-организационное обеспечение (кадры, финансы и др.), необходимое для управления производством (рис. 1).
Такая структура производственного процесса позволяет определять основные параметры производимой на каждом этапе продукции, контролировать и регулировать их, что является необходимым условием для программного обеспечения дигитализации (цифровизации) производства, реализуемой коммуникационными устройствами IT-технологий. Технологический алгоритм деревянного домостроения и основные контролируемые параметры продукции рассмотрены в статьях автора.
В 80-е годы прошлого века, в условиях плановой экономики, отраслевые НИИ лесопромышленного комплекса должны были разрабатывать типовые технологические процессы изготовления лесопродукции, содержащие перечень и последовательность технологических операций и применяемое оборудование, а также технологические режимы выполнения каждой операции. В частности, были созданы типовые технологические документы для изготовления стандартных деревянных домов, комплектов деревянных деталей и изделий для домов со стенами из местных строительных материалов (кирпича, арболита и т. п.), деревянных окон и дверей, паркета. Аналогичные типовые документы были разработаны для лесозаготовки, сушки пиломатериалов и других лесопромышленных производств. В них регламентируются технологические алгоритмы производства и определяются контролируемые параметры продукции на всех этапах изготовления в качестве основы обеспечения требуемого качества.
Значимость технологического алгоритма как фактора конкурентоустойчивости производства повышается при рыночных отношениях. Содержание технологических документов, особенно в части операций и режимов, может отличаться на родственных предприятиях из-за разных применяемых технологий, оборудования и уровня его автоматизации, особенностей требований потребителей (заказчиков), но в них должны быть указаны контролируемые параметры продукции на каждой операции, поскольку иначе невозможна цифровизация производства или его отдельных этапов. Цифровизация производства, в частности, деревянного домостроения, может базироваться как на постоянно, в режиме реального времени, контролируемых параметрах продукции, так и на периодически контролируемом ее состоянии. Это зависит от характера каждого этапа создания деревянного дома.
Лесозаготовка
Современное техническое оснащение лесозаготовки – использование харвестеров и форвардеров – принципиально изменило технологию производства круглых лесоматериалов. Эти машины выполняют одновременно несколько технологических операций (валку деревьев, обрезку ветвей, транспортировку и разделку хлыстов, складирование круглых лесоматериалов – сортиментов), исключают ручной труд на этом этапе и многократно повышают производительность труда, кроме того, они могут осуществлять подсортировку пиловочных бревен (диаметром до 18 см и свыше 18 см), что существенно для их последующей оптимальной распиловки на этапе лесопиления.
Для цифровизации лесозаготовки прежде всего необходимо кодирование каждого бревна по основным параметрам: порода древесины, длина и диаметр бревна, его объем и, возможно, информация-символ сертификации данного участка лесфонда). Такой код на бревно может наноситься при помощи устройства, установленного на форвардере, и сохраняться до подачи бревна в лесопильный станок или, при поставке другим потребителям, до его использования потребителем и/или прохода через таможенную службу (при экспортных поставках). Код должен быть доступен дистанционно для контроля перемещений бревен и их оперативного учета в сырьевом балансе предприятия.
Данные об используемом для лесозаготовки лесном фонде, его определенном участке (лесосеке) тоже могут быть оцифрованы по информации в разрешительном документе структуры лесного хозяйства. К этим данным относятся следующие: формула участка (например, 3Е2Б – 60% ели и 40% березы); объем товарной и нетоварной (сухостой, бурелом и др.) древесины; условия утилизации отходов (порубочных остатков) – сжигание, выработка щепы, перегнивание; способ лесовосстановления (лесопосадки, деревьями-семенниками, оставляемыми на лесосеке для естественного лесовозобновления) и др. Вся эта информация может быть внесена в систему контроля производственного процесса, периодически отслеживаться визуально или беспилотными аппаратами (дронами), а по окончании лесозаготовки оцениваться путем сличения представленного лесфонда и степени его использования, в том числе по объемам товарной древесины (по учету заготовленных бревен). Таким образом, на этапе лесозаготовки возможен как постоянный и оперативный контроль параметров продукции, так и периодическая оценка состояния процесса (табл. 1).
Лесопиление и сушка пиломатериалов
В лесопильное производство поступают пиловочные бревна с кодами, нанесенными на этапе лесозаготовки. Программное обеспечение и устройства позволяют сканировать (считывать) код бревна, определять его форму и видимые пороки на поверхности (сучки, гнили, трещины) и оптимизировать раскрой бревна по критерию максимального выхода пиломатериалов требуемых сечений.
В лесопильном цехе должны быть установлены датчики, контролирующие концентрацию древесной пыли в воздухе, поскольку при ее критическом содержании возможен взрыв. Информация от этих датчиков оперативно фиксируется в общей системе контроля производства.
Часть пиломатериалов, предназначенных для использования в качестве конструкционных элементов дома, то есть испытывающих механические нагрузки при его эксплуатации, проходит так называемую силовую сортировку. Программное обеспечение такой сортировки позволяет оперативно определять класс прочности пиломатериалов. Другие пиломатериалы, которые используются для раскроя на заготовки и детали, могут сортироваться по сушильным пакетам, каждый из которых формируется из досок одной толщины и с учетом конечной (требуемой) влажности древесины, определяемой условиями эксплуатации деталей.
Для сушки пиломатериалов в настоящее время используется апробированное в зарубежных и отечественных сушильных камерах программное обеспечение, доказавшее свою эффективность. После сушки важно контролирование выдержки (остывания) пиломатериалов во избежание дефектов сухих пиломатериалов. Каждый сушильный пакет должен иметь код, позволяющий контролировать его местоположение и передвижение внутри предприятия от момента формирования до подачи в деревообрабатывающий цех.
Деревообработка
Для раскроя пиломатериалов на заготовки как первоочередной операции деревообработки разработаны варианты программного обеспечения, обеспечивающие контроль длины, заготовок, вырезку недопустимых пороков по нанесенным вручную меткам. Программное обеспечение последующей обработки заготовок (фрезерования, профилирования и др.) для получения готовых изделий и деталей изделий неполное, поскольку отсутствуют устройства, определяющие точность профилей и шероховатость поверхности.
Склеивание деталей по длине и сечению массово применяется в деревообрабатывающих производствах для получения деталей требуемых размеров и даже изделий, например щитов пола. Разработанные системы контроля склеивания позволяют оперативно оценивать и регулировать такие параметры этого процесса, как качество и дозировка клеевого состава, время прессования, и другие, и могут стать элементами цифровой деревообработки. Но основной параметр клееной древесины – прочность клеевых соединений определяется лабораторными методами спустя некоторое время после склеивания. Для полного и достоверного включения этого процесса в систему цифровизации деревообработки необходимы экспресс-методы контроля прочности клеевых соединений в ходе склеивания.
Это положение актуально и для контроля деревянных изделий, для которых необходима оперативная оценка прочности узловых соединений и качества отделки (окраски), осуществляемая сейчас только лабораторными методами.
Клееные детали, окрашенные изделия, детали из древесины нормированной влажности, например доски пола, упаковываются во влагозащитные материалы (специальную бумагу, картон, пленки). Упаковка необходима и для сохранности продукции на стадиях логистики, и для ее учета.
По действующим стандартам, на каждой пачке деталей должна быть маркировка с указанием вида деталей, их количества (шт.) и объема (м3) и др. Эта информация может быть закодирована и введена в систему цифровизации, что позволит не только оперативно вести учет продукции, но и контролировать ее передвижение вплоть до использования для строительства дома.
Система цифровизации деревообработки должна включать оперативную информацию о концентрации древесной пыли в воздухе производственных помещений, температуре и влажности воздуха. Для помещений, где осуществляется склеивание деревянных изделий, это особенно важно.
При деревообработке, как и при лесозаготовке и лесопилении, неизбежно образуется вторичное древесное сырье (ВДС). На осваиваемом участке лесфонда его объем составляет не менее половины запаса древесины. ВДС лесозаготовки состоит из порубочных остатков, они могут измельчаться в щепу, используемую, например, для отопления помещений лесопиления и деревообработки или производства топливных брикетов. При лесопилении остаются опилки и обрезки досок, которые тоже могут перерабатываться в щепу. Основные виды ВДС на этапе деревообработки – это опилки, стружки, шлифовальная пыль, некондиционные остатки деталей.
Внебалансовым видом вторичного древесного сырья, то есть не учитываемым в объеме использованной древесины, является кора, составляющая до 10% объема бревен. Кору также можно использовать как топливо и сырье для получения других видов продукции, в том числе экстрагируемых химических соединений, например танидов.
Измерять и учитывать ВДС принято в плотных или насыпных кубометрах. Программного обеспечения учета и контроля перемещения и использования ВДС пока не разработано.
Комплектация
Детали, изделия и конструкции – конечная продукция деревообработки – составляют основу так называемых домокомплектов, предназначенных для строительства деревянного жилого здания, которое после полного обустройства и установки инженерного оборудования становится деревянным домом.
Домокомплект состоит из сотен деревянных деталей, десятков изделий и нескольких конструкций, таких как лестницы и фермы крыши. Для их накопления и хранения деревообрабатывающее предприятие создает склад готовой продукции, на котором должна быть система накопления разных видов продукции, обеспечивающая определенные условия ее хранения, прежде всего температуру и влажность воздуха, и оснащенная противопожарным оборудованием.
При кодировании пачек деталей, каждого изделия, конструкции и программного обеспечения склада этап комплектации вполне может стать элементом системы цифровой деревообработки. Для этого можно адаптировать системы складского накопления и хранения продукции ряда отечественных отраслей (металлообработки, сельхозпродукции и др.).
Кодирование продукции может обеспечить не только оперативное формирование домокомплектов, но и логистику до стройплощадки.
Комплектация строительства деревянных домов инженерным оборудованием может осуществляться по отдельным программам, поскольку не относится к процессам деревянного домостроения.
Строительство и обустройство дома
Строительство дома ведется по проектам организации строительства (виды, объемы и порядок выполнения работ на участке застройки) и проектам организации работ (очередность строительства здания и др.), включая монтаж и наладку систем инженерного оборудования (электро-, водо- и газоснабжение, водоотведение, переработку отходов и т. п.). Все строительные работы выполняются в определенной последовательноcти и в установленные сроки, а их качество должно соответствовать проектной документации на дом (жилище) и оцениваться по актам сдачи-приемки вида работ.
Информация о состоянии строительства и обустройства дома (как и данные контроля лесфонда) может быть введена в систему цифрового домостроения и периодически оцениваться по актам выполненных работ.
Перспективы цифровизации деревянного домостроения
Все вышеизложенное характеризует полный цикл деревянного домостроения: условно говоря, от пня (лесозаготовки) до ключа (готового дома). Степень готовности этого цикла к цифровизации оценивается в 35–40% (табл. 2), что определяет необходимость большой работы по программному и техническому обеспечению цифровизации деревянного домостроения.
Возможна разработка типовых систем программного и технического обеспечения как отдельных этапов и состояний производственного процесса, так и полного цикла деревянного домостроения. Эти работы может организовать профсообщество домостроителей при участии государственных структур.
Хозяйственных структур, осуществляющих полный цикл производства и строительства деревянных домов, в настоящее время десятки, их количество постоянно увеличивается. Но сотни предприятий в России занимаются отдельными этапами деревянного домостроения: лесозаготовкой, изготовлением срубов из окоренных бревен или пиленых брусьев, строительством домов. Для цифровизации этих этапов оправдана разработка и освоение типовых локальных систем программного и технического обеспечения, вариативно учитывающих технологии и технику каждого этапа. Например, лесозаготовка может осуществляться по технологии как сортиментной, так и хлыстовой вывозки древесины, с применением разных видов лесозаготовительной техники.
Разработка типовых локальных (для отдельных этапов) и комплексных (для всего цикла деревянного домостроения) систем цифровизации деревянного домостроения существенно ускорит его переход на новый технологический уровень и сократит затраты предприятий и структур (компаний, холдингов и др.), работающих в этой сфере.
Цифровизация деревянного домостроения позволит принимать и реализовывать оперативные управленческие решения на основе реальной и объективной информации о параметрах производственного процесса, что укрепит технологическую дисциплину и неизбежно оптимизирует издержки производства. Но стабильность и эффективность систем цифровизации будут зависеть от уровня и надежности их защиты от внешнего негативного воздействия, то есть от так называемых киберугроз, и наличия автономных источников энергообеспечения, что следует учесть при разработке. Условным примером и стимулом развития деревянного домостроения могут быть «умные дома», созданные в ряде стран, включая Россию. Это дома, оснащенные техническим и программным обеспечением, позволяющим оперативно контролировать и даже регулировать основные параметры комфорта (освещенность, влажность и температуру воздуха и др.), в том числе дистанционно. Оснащение дома датчиками состояния конструктивных систем (отслеживание прогибов, трещин и т. п.) повышает его надежность.
Современное состояние цифровизации этапов деревянного домостроения и систем эксплуатации дома как результата этого производственного процесса обуславливает возможность полной цифровизации домостроительного производства при оперативном решении ряда организационно-технических задач активным профсообществом домостроителей.
Текст Виктор Кислый, директор фирмы «МП “ДОМ”», канд. техн. наук
