Пути развития индустриального домостроения. XXI век

скачать книгу бесплатно

Пути развития индустриального домостроения. XXI век
Артем Зурабян

Индустриальное домостроение остается приоритетным при строительстве массового жилья, основой служат сборные конструкции крупнопанельных и объемно блочных домов, а для социальных объектов – сборное каркасное строительство. С появлением новых материалов и технологий возможно их совершенствование. В книге представлены конкретные технические решения, особые методы расчета, проектирования и прорывные технологии, позволяющие снизить себестоимость строительства и сделать жилье еще более доступным.

Пути развития индустриального домостроения. XXI век

Артем Зурабян

© Артем Зурабян, 2024

ISBN 978-5-0062-7430-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ПУТИ РАЗВИТИЯ ИНДУСТРИАЛЬНОГО ДОМОСТРОЕНИЯ

Посвящается памяти моего дяди,

одного из основоположников

крупнопанельного домостроения,

лауреата Ленинской премии,

Мкртумяна Армена Карапетовича

1. ВВЕДЕНИЕ

Рыночная экономика приводит к развитию высотного строительства эксклюзивных жилых домов на дорогой земле крупных городов. Однако это не избавляет от необходимости строительства массового жилья для широких слоев основной категории населения. Остаются востребованными недорогие квартиры, пользующиеся массовым спросом. Когда дома с квартирами такого типа строятся за счет государства в центре городов, то себестоимость строительства часто не имеет столь существенного значения, поэтому возможно и более дорогое по себестоимости монолитное каркасное строительство, оправданное необходимостью строго соблюдать нормативы площадей квартир и требованием компенсировать переселенцам сносимое жилье квартирами, расположенными в том же районе, где стоимость земли высока.

Все же массовым не дорогим строительством остаются дома из сборных конструкций, служащих основой крупнопанельных и реже объемно-блочных домов. Все жилые комплексы требуют создания социальной инфраструктуры, поэтому и сборное каркасное строительство общественных зданий остается востребованным. Некоторым аспектам совершенствования индустриального домостроения посвящена эта книга.

Известно, что крупнопанельное домостроение (КПД) началось в пятидесятых годах двадцатого века, когда после разрушений возникла острая необходимость в массовом строительстве жилья. Одним из основоположников этого направления был Мкртумян А. К., лауреат Ленинской премии. Панели первых домов были изготовлены на простых стендах в г. Магнитогорске, а затем им были созданы первые кассетные установки и уже в г. Москве кассетно-конвейерные линии и впервые налажено массовое производство пред напряжённых многопустотных плит. Впоследствии, когда крупнопанельное домостроение нашло широкое распространение, к созданию кассетной технологии были подключены такие организации как Гипростроммаш, из авиационной отрасли НИАТ и другие разработчики.

Не малый вклад в развитие крупнопанельного домостроения внесли В. П. Лагутенко и Н. Я. Козлов, автор вибропрокатных станов по изготовлению ребристых панелей. Они пытались минимизировать расход бетона, стали и стоимость, создавая и тонкостенные железобетонные панели усиленные ребрами. Это позволило в кратчайшие сроки построить миллионы квадратных метров жилья и переселить большую часть население из коммунальных в индивидуальные квартиры. Первые железобетонные конструкции домов ограничивали этажность и были не долговечны, поэтому, с ростом этажности до девяти и выше, кассетная технология стала превалирующей. В последствии все станы Н. Я. Козлова были демонтированы. Крупнопанельное домостроение развивалось не без влияния французского инженера Раймона Комю, построившего первые дома такого типа в г. Гавре.

Вместе с кассетной технологией, при непосредственном участии Мкртумяна А. К., были созданы первые двухярусные станы, позволяющие формовать трехслойные наружные стены в движущихся формах по конвейерной технологии в горизонтальном положении с тепловой обработкой на нижнем ярусе. Далее возникли их модификации, в частности, линии с многоярусными тепловыми камерами.

Десятилетиями крупнопанельное домостроение совершенствовалось. Теперь уже строятся двадцати пятиэтажные дома и даже высотные, более тридцати этажей. Принципиально технология изготовления панелей не изменилась, но появились кассетные установки «итальянского» типа со съемом изделий не вверх, а с бокового торца кассет, что позволяет уменьшить высоту производственных корпусов.

Надо отметить, что после начала девяностых годов большинство заводов крупнопанельного домостроения были ликвидированы и только небольшая часть из них продолжает производить продукцию. Тем не менее, совершенствовалась архитектура панельных домов. Появилась разнообразная облицовка наружных стен, оригинальные крыши, более комфортные первые нежилые этажи. Вентилируемые фасады и фасады типа «мокрая стена» начали применять и в крупнопанельном домостроении. Это позволило отказаться от трехслойных панелей и технологических линий для их изготовления. Применимы и однослойные наружные стены из теплоизоляционного керамзитобетона, но их изготовление так же требует отдельной производственной линии и часто осложнено трудностями создания фактурного слоя фасадов.

Несмотря на повышение этажности до двадцати пяти, конструктивно панельные здания мало изменились. Все регламентируется Сводами Правил – неизменны платформенные стыки, расчетная сварка стыков с закладными деталями внутренних стен. В некоторых случаях появились болтовые соединения для наружных стен. Чаще всего основными несущими остаются поперечные стены, воспринимающие горизонтальные нагрузки. Однако, если этажность выше двадцати пяти, то уже необходимо включать в работу несущие наружные стены, меняются и стыки, которые во многих случаях становятся монолитными.

Все же высотные здания это уникальные сооружения, а массовыми пока являются дома до двадцати пяти этажей. В связи с этим возникает вопрос можно ли усовершенствовать устоявшиеся технические решения стыков крупнопанельных домов, постараться отказаться или уменьшить объем сварочных работ, решить вопрос монтажа в зимних условиях, постараться осуществить без петлевой монтаж. Ниже приводятся пути осуществления этих задач.

Уже на заре крупнопанельного домостроения возникла идея еще большего укрупнения сборных элементов и перехода от плоских панелей к пространственным объемным блокам размером на комнату и большего размера, т.е. к объемно-блочному домостроению (ОБД). Предполагалось, что в заводских условиях можно изготавливать не только конструкции, но и выполнять весь комплекс отделочных работ, оснащать их инженерными системами. Второе преимущество это быстрый монтаж зданий. Кроме того, для зданий до девяти этажей можно было добиться и уменьшение расхода бетона.

Для полной отделки объемные блоки должны иметь как пол, так и потолок, поэтому в этом варианте имеют место двойные перекрытия и двойные стены. Толщина таких стен и перекрытий может быть небольшой, поэтому расход бетона может быть даже меньше, чем в крупнопанельном домостроении. Однако с повышением этажности стены надо утолщать и преимущество пропадает. Наличие двойных перекрытий в варианте блоков типа «колпак» приводит к необходимости создавать дополнительные технологические линии для плит перекрытий, а для блоков «лежащий стакан» требуются линии для производства наружных стен.

Задумка полностью перенести отделку квартир на завод, реализуется только частично, но и это требует больших производственных площадей и затрат. Объёмные блоки – негабаритный груз и их транспортировка реальна только в определённых условиях. С экономической точки зрения, при строительстве семнадцати и двадцати пятиэтажных жилых домов, крупнопанельное домостроение пока ещё более конкурентно-способное, чем объёмно-блочное. Это связано с тем, что стоимость строительства в большей степени зависит от конструктивного материала, а это в основном железобетон.

Если сравнивать крупнопанельное и объёмно-блочное домостроение по расходу бетона, то примерно до девяти этажей объёмно-блочное домостроение, благодаря тонким стенам, имеет преимущество и можно снизить расход бетона на квадратный метр продаваемой площади. Однако при повышении этажности тонкие стены объёмных блоков надо утолщать примерно до десяти сантиметров, но поскольку между двумя рядом стоящими объёмными блоками эти стены двойные, то их суммарная толщина больше толщины панельных стен равных чаще всего шестнадцати сантиметрам. Во многом с этим связано то, что крупнопанельное домостроение преобладает.

По скорости монтажа объёмно-блочное домостроение превосходит крупнопанельное, но требуются большие производственные площади и, следовательно, большие капиталовложения. Особых изменений технология изготовления объемных блоков не претерпела. Объемные блоки типа «лежачий стакан», выпускаемые Краснодарским заводом ОБД и типа «колпак» Минского ДСК-3 применяли и применяют литьевую технологию. Она же используется и на новых заводах, таких как Воронежский завод ОБД.

На первых порах литьевая технология для объемных блоков приводила к чрезмерному расходу цемента, поскольку бетонные смеси были литые, особенно при изготовление «лежащих стаканов» где через стены формуется и дно блока. Поэтому нами был предложен новый способ формования блоков типа «колпак» «метод подъема щитов» и существовал завод ОБД в г. Вологде с формования блоков такого же типа «методом подвижных щитов», разработанный ЦНИИЭП жилище. Однако с появлением супер пластификаторов острота этой проблемы была снижена.

Конструктивно здания из объемных блоков представляют собой отдельные столбы, которые при относительно небольшой этажности даже жестко между собой не связаны. При повышении этажности возникают более сложные узлы объединяющие эти столбы в единую структуру, что снижает конкурентно способность этого метода строительства при сравнении с панельным домостроением.

Потребность в более высоких домах привела к тому, что стены объемных блоков утолщаются и преимуществом остается быстрый монтаж и частичная заводская отделка. Существенным же недостатком остается необходимость в больших производственных площадях, больший расход бетона при этажности выше девяти и то, что объемные блоки это негабаритный груз. В связи с этим крупнопанельное домостроение скорее всего остается более экономичным методом строительства для домов повышенной этажности.

Были и есть попытки создать особо крупные объемные блоки. Например блоки длиной двенадцать метров и даже блоки шириной около шести метров («Монарх» Москва). Естественно, что у таких систем скорость монтажа практически удваивается, но остается сложная проблема их транспортабельности. Экономическая часть проектов неизвестна, но если строить на дорогой земле предоставленной безвозмездно, то любой проект может оказаться рентабельным, даже более дорогостоящий каркас.

Некоторые аспекты возможности совершенствования конструкций и интенсификации технологии объемно-блочного домостроения приведены ниже.

Многие предприятия предлагают применить панельное домостроение для строительства индивидуальных жилых домов. Это возможно и в объемно-блочном исполнении. Строительство одно-двухэтажного дома за считанные дни – вполне перспективное направление. Однако здесь возникают трудности транспортировки изделий, поскольку не по всем дорогам возможна перевозка тяжелых грузов и тем более негабаритных.

Всякое масштабное жилищное строительство требует и строительства объектов соцкультбыта. Это детские сады, школы, поликлиники, паркинги, торговые центры, физкультурно-оздоровительные комплексы. В редких случаях для этих целей можно использовать сборные элементы домов. Актуальным остается их строительство из монолитного железобетона или сборного каркаса, если для производства сборных элементов есть соответствующая база. Варианты сборного железобетонного каркаса основательно разработаны и отражены в нормативных документах, но какие-то элементы сборных конструкций, например, стыки могут совершенствоваться с появлением новых технологий.

Не всегда есть возможность общественные здания строить на основе сборных элементов, поэтому варианты монолитных конструкций остаются актуальными. Так при строительстве гаражей в г. Москве применены трубобетонные конструкции колонн, что ускорило строительство. При этом есть вариант сочетания таких колонн с без ригельным каркасом без капителей.

Рис. 1.1. Трехэтажный гараж в Южном Бутово г. Москва

Рис. 1.2. Пяти этажный гараж в Южном Бутово г. Москва

При применении монолитного каркаса оказывается более естественным выполнять и экономичную круглую рампу. Гаражи такого типа часто сочетаются с торговыми площадками или другими общественными предприятиями.

Однако, если предусмотрено строительства паркинга, то сборный каркас предпочтителен, независимо от того выполнен от из металла или из сборного железобетона. Особенно это заметно, если участок застройки не прямоугольный. Так для гаража в г. Мытищи разработана компактная схема паркинга со сборным железобетонным каркасом на участке со скошенной одной из сторон границ.

Рис. 1.3. Паркинг в г. Мытищи.

К разряду каркасных зданий общественного назначения можно отнести разработанный нами проект Ледового Дворца в г. Ступино. Здесь предпринята попытка на основе структуры каркаса с фермами уйти от ощущения промышленного здания, а отсутствие подшитого потолка по низу пятидесяти четырех метровых ферм подчеркивает масштаб и придает легкость перекрытию основной арены. Еще необычным решением являются круглые вспарушенные плиты перекрытий боковых пристроек диаметром по двенадцать метров.

Рис. 1.4 Ледовый Дворец в г. Ступино.

Все же такие сооружения необходимы для небольших городов или крупных районов и пока редкость при массовой застройке. Чаще всего строятся каркасные конструкции физкультурно-оздоровительных комплексов.

Каркасное строительство может быть целесообразным и при относительно небольших объемах строительства жилья. Отсутствие крупной заводской индустрии может быть компенсировано созданием небольшой базы для производства сборных элементов каркаса. Каркас можно использовать для высокоплотной низкой застройки, например, два – четыре этажа. Мелкоштучное заполнение каркаса позволяет разнообразить архитектуру, создавая индивидуальный облик домов. Для этого можно использовать практически любые типы каркасов, но новшеством может быть система с Т и Г-образными сечениями колонн, позволяющая упростить производство сборных элементов и уменьшить объем мелкоштучного заполнения при минимальных капиталовложениях на производственную базу.

Возвращаясь все же к теме массового крупнопанельного и объемно-блочного строительства необходимо отметить и особые методы их проектирования на современном уровне с учетом БИМ технологий. Переход на трехмерное проектирование открывает новые возможности для разработки проектов массовых жилых домов. Создана система позволяющая имитировать технологию изготовления и сборку таких домов. Она требует дальнейшей разработки и привязки к каждой конкретной серии домов, но значительно ускоряет проектирование и позволяет довольно быстро разрабатывать разные варианты проектов. Кроме того, появляется возможность выполнять проект с непосредственной привязкой к заводу изготовителю.

В устоявшиеся конструктивные и технологические решения крупнопанельного, объемно-блочного и каркасного строительства все же можно внести определенные изменения, позволяющие продолжить их совершенствование. Это касается стыковых соединений сборных элементов и технологии изготовления. Кроме того, возможен и революционный подход к многоэтажному домостроению на основе индустрии нового типа, названного домами «Лотос».

2. КРУПНОПАНЕЛЬНОЕ ДОМОСТРОЕНИЕ

2.1 Горизонтальный «сухой» стык сборных конструкций с ребристой опорной поверхностью и с замкнутыми полостями в теле бетона. Патент RU №2793996 С1. Патент RU №2799225 С1

В многоэтажном крупнопанельном здании обычно несущими являются внутренние стены, которые опираются друг на друга через плиты перекрытий и это основной несущий горизонтальный узел – «платформенный» стык. Обычно в практике крупнопанельного домостроения, усилия с верхнего элемента на нижний передаются через растворный шов толщиной до двадцати миллиметров. Напряжение в бетоне панелей по площади контакта с растворным швом все равно передаётся неравномерно, поскольку растворный шов имеет неодинаковую плотность и разный модуль деформаций.

Одной из мер по совершенствованию платформенного стыка может быть выполнение калиброванных по толщине опорных частей плит, что трудновыполнимо, а также применением тонких растворных швов толщиной до пяти миллиметров, выполненных на цементно-песчаных пастах. Применение пасты так же требует высокой точности изготовления изделий. При монтаже крупнопанельных зданий в зимний период мокрые процессы с раствором или пастой становятся трудно применимы, поэтому другим путем является попытка применять различные прокладки, которые образуют так называемый «сухой» стык.

Не точность форм, а следовательно и изделий, приводит к возникновению зазоров между сборными элементами, которые могут изменяться по длине панелей. Скорее всего это происходит по синусоиде, которая в худшем случае может иметь одну вершину как у верхнего, так и у нижнего элемента. Если предположить, что максимальное отклонение от точных размеров форм и, следовательно, изделий пять миллиметров, то рассматривая различные формы этих отклонений, по длине панели зазор между элементами может достигнуть десять миллиметров.

Рис. 2.1.1 Возможные отклонения от точных размеров опорных поверхностей панелей.

Для того, что бы перекрыть такой зазор нужна прокладка хотя бы толщиной двенадцать миллиметров. Если добиться еще большей точности форм и изделий с отклонением три миллиметра, то возможный зазор уменьшиться до шести миллиметров и толщина прокладки предположим до восьми миллиметров. Даже для таких минимальных отклонений порядка шесть миллиметров прокладки должны иметь очень низкий модуль упругости и при этом передавать немалые напряжения сжатия. Материалы с такими характеристиками подобрать очень сложно, хотя они работают в стесненных условиях. В следствии этого, прокладки для «сухого» стыка могут применены только тогда, когда бетон стен существенно недогружен и неравномерная передача нагрузки не влияет на несущую способность стены в целом. Практически это применимо для крупнопанельных зданий высотой пять – шесть этажей с недогруженными стенами или на верхних этажах домов повышенной этажности.

Рис.2.1.2 Деформации и напряженное состояние панелей с прокладками при зазоре три миллиметра.

Напряженное состояние панели при зазоре шесть миллиметров для двадцати пятиэтажного дома показано на рис.2.2.1, где видно, что прокладка не обеспечивает равномерной передачи напряжений. Напряжение в шве приняты примерно такими как на нижних этажах двадцати пятиэтажных домов. Зазор изменяется по длине панелей с максимальным значением синусоиды шесть миллиметров.

Остается традиционный способ передачи нагрузки при таких зазорах для любой этажности – это применение раствора, когда шов полностью заполняется и постепенно набирает прочность. При этом следует иметь в виду, что необходимая прочность раствора может быть существенно меньше прочности бетона стен, поскольку прочность бетона стен определяется из условия внецентренного сжатия, т.е. в ее середины по высоте. Однако применение раствора, как указывалось, это трудоемкие мокрые процессы снижающие скорость монтажа. Набор прочности раствора происходит медленно, а нагрузка при монтаже возрастает быстрее, что должно быть учтено.

Выходом из такой ситуации может оказаться другой тип «сухого» стыка основанного на деформациях бетона самой стеновой панели. С этой целью необходимо найти пути ослабить бетон опорных поверхностей стен, например, нижний торец стеновой панели поперек ее плоскости может иметь выемки (рис. 2.1.3) с треугольным профилем равномерно распределённые по длине панелей. Между выемками расположены опорные площадки бетонного торца панели. Причём выемки могут иметь различную форму. На рис. 2.1.4 показан фрагмент торца панели с конусными выемками. На рис. 2.1.5 показан разрез опирания стеновых панелей и плит перекрытия с таким стыком. Бетонные площадки опираются на плиты перекрытий через слой прослойки (смазки), снижающий трение между стеновой панелью и бетоном плит перекрытия. Кроме того, торец усиливается сеткой косвенного армирования. Для повышения звукоизоляции после смазки прямо на неё может быть уложен тонкий звукоизолирующий слой минеральной ваты, которая в последствии после монтажа стеновой панели входит в полости, хотя если зазоры небольшие это не обязательно.

Верхний торец стеновой панели может быть выполнен аналогично нижнему торцу, но не во всех случаях это возможно, поэтому его конструкция может быть выполнена иначе как это показано так же на рис. 2.1.5. Бетон верхнего торца стеновой панели ослаблен полостями, например путем внедрения гранул полистирола. Необходимый слой бетона с гранулами небольшой и не превышает двадцать миллиметров, поэтому утопить их в свежую бетонную смесь не представляет собой сложности. Процесс может быть ещё более контролируемым, если на свежую бетонную смесь уложить просто слой такой же бетонной смеси с гранулами. В отличие от пенополистиролбетона гранул не много. Слой у поверхности торца стены должен иметь больше гранул, чем слой под ним. Верхний торец так же покрывается смазкой и усиливается сеткой косвенного армирования.

Рис.2.1.3 Выемки «сухого» стыка в торце стеновой панели

Рис.2.1.4 Торец панели с выемками «сухого» стыка.

Рис. 2.1.5 «Сухой» стык панелей с выемками и гранулами

Работает такая конструкция следующим образом. Стеновая панель нижним торцом опирается на поверхность плиты перекрытия через смазку на которую укладывается звукоизолирующий материал. Чаще всего между плитой перекрытия и нижним торцом стеновой панели возникает зазор, поскольку изделия не могут быть идеально изготовлены. Повышая нагрузку на стены при дальнейшем монтаже здания, опорные площадки нижнего торца стеновой панели, расположенные между выемками в местах, где они соприкасаются с поверхностью плиты через смазку, начинают разрушаться и деформироваться. Смещаясь под нагрузкой стена опирается уже на большое число опорных площадок, которые при дальнейшем повышении нагрузки так же, начиная со слоя смазки, разрушаются и деформируются. Процесс продолжается до тех пор, пока стена не будет полностью загружена. Всегда разрушение происходит начиная от слоя смазки, поскольку верхние слои могут иметь большую площадь сечения и находится в более стеснённых условиях трёхмерного сжатия. Количество и размеры выемок определяются расчётом.

Если устройство выемок затруднительно, например на верхнем торце стены при кассетной технологии, то их можно заменить полостями, образованными гранулами полистирола. В этом случае, при наличии между опирающимися поверхностями зазоров, при передачи нагрузки так же разрушаются вначале соприкасающиеся поверхности торца панели в зоне смазки и затем следующие слои бетона, поскольку сдерживающее влияние на прочность бетона с гранулами растёт и количество полостей в виде гранул у смазки больше. Этот процесс продолжается до полного нагружения стен. Количество гранул полистирола определяется расчётом.

Наличие прорезей или полостей даёт возможность разрушающемуся бетону деформироваться в горизонтальном направлении, выходить из опорных зон и обеспечить необходимые деформации при нагружении. Наличие арматурных сеток усиливает опорную зону стеновых панелей и предотвращает разрушение основного тела бетона стеновых панелей.

Вариант стыка с прорезями, как указывалось, легко осуществим в кассетных установках для нижнего торца стеновых панелей. Вариант с полостями образованными гранулами полистирола больше подходит для верхнего торца стеновых панелей.

Такая конструкция опорных зон панелей многоэтажного крупнопанельных здания позволяет отказаться от применения раствора или паст, т.е. мокрые процессы при монтаже отсутствуют. Более того, конструкция позволяет отказаться и от прокладок между опирающимися панелями. Монтаж здания в этом случае сводится к простой сборке зданий со сваркой закладных деталей.

Естественно, что с увеличением нагрузки по мере монтажа верхних этажей зданий, стыки такого типа равномерно деформируются. Однако следует учесть то, что при расчете двадцати пятиэтажных зданий в горизонтальных швах из раствора возникает растяжение и широко применяемые швы теоретически разрушаются и превращаются в раскрошенную субстанцию, так что здание и в этом случае деформируется.

После подбора формы выемок и количества гранул, целесообразно провести испытание стыка на фрагментах. Это позволит убедиться в правильности расчета. Расчетная нагрузка на стык определяется исходя из необходимости достичь напряжений в шве примерно девяносто килограмм на квадратный сантиметр для двадцати пятиэтажных зданий. Фрагменты должны быть изготовлены таким образом, что бы зазор между нижним и верхним элементом был равен шесть миллиметров или десять миллиметров, если точность изготовления стеновых панелей меньше.

Рис. 2.1.6 Схема испытания фрагментов «сухого» стыка.

2.2 Стык панелей внутренних стен со снижением объема сварочных работ. Заявка ФИПС №2024105472

В многоэтажном крупнопанельном здании обычно внутренние стены, перекрытия и наружные стеновые панели соединяются между собой металлическими сварными накладными связями в виде уголков и пластин. Если наружные стены могут соединяться и с помощью болтовых соединений, то внутренние несущие стены, особенно поперечные, соединяются с помощью сварки, причем расчетной. Это наиболее ответственные узлы соединения, поскольку обеспечивают совместную работу панелей поперечных несущих стен при воздействии горизонтальных нагрузок на многоэтажное здание. Кроме того, эти стыки должны выдержать нагрузку и при прогрессирующем разрушении.