CC BY
71
УДК 694.143
ВАРФОЛОМЕЕВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ, инженер, [email protected]
Научно-исследовательская лаборатория строительной экспертизы Баренц-региона,
163002, г. Архангельск, ул. Романа Куликова, 21
АНАЛИЗ ОПЫТА МАЛОЭТАЖНОГО ДЕРЕВЯННОГО ДОМОСТРОЕНИЯ
На основе экспериментальных данных разработана математическая модель износа двухэтажных деревянных многоквартирных зданий, наиболее распространенных на севере России. Рассмотрен опыт развития малоэтажного деревянного домостроения России, Скандинавских стран, Северной Америки, Японии, Германии с учетом влияния изменяющихся лесосырьевых ресурсов на конструктивные решения домов и технологию их индустриального производства. Выявлены основные преимущества и недостатки применения домов различной конструкции из цельной и клееной древесины с точки зрения материалоемкости, энергоэффективности, трудосбережения.
Ключевые слова: дома, древесина, LVL, износ, ресурсы.
VARFOLOMEEV, ANDREY YURYEVICH, engineer,
Research laboratory of building expertise (Barents region) Co. Ltd. [email protected]
21 R. Kulikov st., Arkhangelsk, 163002, Russia
ANALYSIS OF EXPERIENCE OF LOW WOODEN HOUSE-BUILDING
The mathematical model of two-storied multi-room wooden houses wear in the north of Russia was estimated using the experimental data. Taking into account the influence of changing the timber resources on constructive decisions of houses and technology of their industrial manufacture the experience of development of low wooden housing construction was considered. The main advantages and disadvantages of the experience of wooden house-building improvement in Russia, Scandinavia, Northern America, Japan and Germany were analysed. Different house constructions with application of natural timber and laminated wood were analyzed from the point of view of specific consumption of materials, power efficiency and labor-savings.
Keywords: houses, timber, LVL, wear, resources.
При реализации приоритетного национального проекта по строительству доступного и комфортного жилья гражданам России целесообразно использовать прогрессивный зарубежный опыт.
Цель настоящей работы - исследовать мировой опыт малоэтажного деревянного домостроения во взаимосвязи с изменениями лесосырьевых ресурсов.
В богатых лесами северных регионах России основным строительным материалом для домостроения издавна является древесина. Ранее были наиболее распространены индивидуальные дома-дворы на одну семью, в которых сблокированы жилая секция и хозяйственная: кладовые, скотный двор, сеновал, мастерские и прочие помещения. Это обеспечивало энергоэффективность
© А.Ю. Варфоломеев, 2010
и эргономичность жилья в северном климате. Срубы таких домов выполняли из толстых еловых, сосновых либо лиственничных бревен, соединенных нагелями. Рубили дома плотники с использованием «черты» для разметки границ выборки пазов, предназначенных для сопряжения бревен разного диаметра (имеющих природную конусную форму с изменяющимся по длине поперечным сечением). Эта работа - трудоемкая, и качество домов полностью зависело от квалификации плотников.
В период индустриализации с 1930-х гг. в северных лесных регионах развивалось лесопиление. На первое место по объемам деревянного домостроения вышли двухэтажные многоквартирные дома со срубами из бруса сечением 150^150 мм. Их также вручную возводили непосредственно на строительной площадке. Поскольку стыки четырехкантного бруса выполнять гораздо проще, то были исключены операции разметки бревен с помощью «черты», трудоемкая выборка переменных по ширине и глубине пазов в бревнах конической формы, вырубание полукруглых чаш для угловых сопряжений. Это значительно сократило продолжительность обучения рабочих кадров.
Основным конструктивным недостатком таких домов, массово возводившихся в Архангельской области на прибрежных территориях со слабыми торфяными основаниями, было широкое применение быстро возводимых фундаментов из деревянных свай либо стульев. Проблема заключалась в том, что фунгицидная инфекция, всегда присутствующая в грунте, за счет осмотического явления быстро поднималась по порам древесины вертикальных элементов фундаментов. Дереворазрушающие грибы распространялись на цокольные перекрытия и стены, разрушали целлюлозу, в результате чего несущая способность и теплоизоляционные свойства конструкций снижались. Кроме того, фунгицидная инфекция ухудшает экологию жилища, создавая опасность для здоровья и жизни людей (особенно страдающих аллергией) [1]. В итоге дома приходится часто капитально ремонтировать.
Проанализируем закономерность изменения остаточного ресурса (Ор) деревянных многоквартирных двухэтажных домов срубной конструкции, используя данные о продолжительности их эксплуатации (Т) и величине физического износа (Ф) [2]:
Ор = 100 % - Ф.
Была рассмотрена выборка из 280 домов, эксплуатируемых в одном из городов Архангельской области. В зависимости от Т выборку разделили на 7 групп с интервалом в 10 лет. Путем полиномиальной аппроксимации выборки определили зависимость Ор от Т (рис. 1).
Зависимость (Ор)Т7 характеризуется полиномом третьей степени:
ОрТ = - 0,0006 Т 3 + 0,0654 Т 2 - 2,204 Т + 81,258.
О хорошем совпадении линии тренда с экспериментальными данными (рис. 1) свидетельствует коэффициент детерминации 0,9009, близкий к 1. Полином имеет два экстремума. Увеличение Ор после 25 лет эксплуатации домов объясняется массовым проведением капитальных ремонтов деревянного жилого фонда. В советское время при низкой стоимости труда и невысокой цене на древесину капитальный ремонт подгнивших домов признавали экономически целесообразным. Однако в период перестройки экономики в России цены на
древесину быстро выросли до уровня мировых. Особенно это было заметно в Архангельской области, где развито лесоэкспортное производство, и основной объем продукции реализуют за рубеж. В последние годы в России наблюдается рост доли трудозатрат в себестоимости готовой продукции (пока этот показатель значительно ниже, чем в развитых странах мира). По указанным причинам цельнодеревянные дома срубной конструкции по эксплуатационным затратам стали неконкурентоспособными. Они не соответствуют современным требованиям комфортности (в первую очередь для людей с ограниченной мобильностью [3]) и экономичности. Поэтому, несмотря на то, что после 45 лет эксплуатации наблюдается снижение их ресурса (рис. 1), во многих случаях капитальный ремонт не производят по экономическим соображениям.
Срок эксплуатации домов, лет
Рис. 1. Изменение остаточного ресурса домов при эксплуатации
Развитие фрезерного оборудования активизировало в 1980-х гг. строительство малоэтажных домов из оцилиндрованных бревен. При изготовлении комплектов срубов в заводских условиях фрезерование в бревнах полукруглых угловых стыков, а также выборка продольного паза по длине бревен, имеющих постоянное поперечное сечение, хорошо поддаются автоматизации. Разработано множество компьютерных программ для проектирования домов из оцилиндрованных бревен и оптимизации раскроя срубов [4].
Анализ опыта строительства таких домов в России показал, что во многих случаях бревна перед фрезерованием не высушивали до требуемой влажности. При сушке в процессе эксплуатации в углах сопряжения стен образовывались зазоры, бревна деформировались, на их наружной поверхности образовывались глубокие продольные трещины (за рубежом таких проблем нет, поскольку бревна обязательно проходят камерную сушку при мягких режимах). Опыт показал, что в холодном климате дома целесообразно изготавливать из бревен диаметром более 300 мм.
Дефицит бревен большого диаметра в доступных местах лесозаготовок способствовал развитию малоэтажного домостроения из клееного профилированного бруса. Производство клееных элементов для таких домов
наиболее рентабельно там, где осуществляется комплексная переработка древесины. Она позволяет рационально использовать короткие и тонкие пиломатериалы, например отходы, получаемые при изготовлении экспортных пиломатериалов стандартной длины. Основными условиями успешного производства таких домов является сушка древесины перед склеиванием до требуемой влажности, а также быстрое их возведение под крышу для исключения увлажнения атмосферными осадками. К сожалению, в отечественной практике эти условия соблюдаются не всегда. Большинство малых предприятий специализируется на изготовлении погонажного клееного бруса. Готовые дома с качественной отделкой «под ключ», оснащенные всеми коммуникациями и соответствующие современным требованиям комфортности, на рынке предлагаются ограниченным количеством фирм по ценам, не доступным для широкого круга покупателей.
В Германии отдают предпочтение домам с массивными стенами требуемой толщины, изготавливаемым из цельной (на обычных или ершенных гвоздях либо нагелях) или клееной древесины. Обычно дома производят на небольших заводах. Они отличаются высоким качеством изготовления, обладают большой тепловой инерцией. Для их производства не надо организовывать поставки утеплителя, пароизоляции и прочих разнородных материалов от различных производителей.
В последние годы в России активизировалось строительство малоэтажных комфортных домов на одну семью за счет средств индивидуальных заказчиков [5]. В связи с ростом дефицита углеводородов и обострением проблемы минимизации выделений углекислого газа, опасно влияющего на изменение климата на планете, все больше внимания уделяется энергоэкономичности построек. Указанным требованиям удовлетворяют малоэтажные деревянные каркасные дома с эффективными минеральными утеплителями. В США строят 85 % таких домов, в Японии - около 50 %, в Европе - 10 %. В развитых странах мира ежегодно вводят в строй в среднем около 1 м2 нового жилья на душу населения, жилой фонд на 60 % состоит из малоэтажных домов [6].
В Скандинавских странах, наиболее близких России по климату, широко распространены энергоэкономичные деревянные каркасные дома. На отдаленных территориях в настоящее время интенсивно строят малоэтажные модульные дома. Для повышения энергоэффективности в них используют систему принудительной вентиляции с рекуперацией (теплообменом) удаляемого и входящего воздуха. Модули имеют чистовую отделку и укомплектованы инженерным оборудованием, которое соединяется в единую систему при монтаже дома.
Модули наиболее эффективно применять в северном климате, где очень короткий период теплого времени года, который наиболее благоприятен для строительства, и имеется дефицит квалифицированных рабочих. В 2007 г. реализован российско-норвежский пилотный проект по изготовлению в Норвегии и монтажу в Архангельске экспериментального дома из 6 модулей. Его установили на готовый фундамент за 5,5 часов [7]. Для внутренней отделки модулей использовали фанеру с наружным слоем из шпона, подобранного по декора-
тивным свойствам с учетом запроса заказчика. Фанера долговечнее обоев и других традиционных отделочных материалов, что позволит экономить на косметических ремонтах. Короткие сроки строительства позволяют вести планирование расходов без корректировки сметы из-за инфляции или изменения рыночных цен на материалы и услуги. Это повышает инвестиционную привлекательность таких домов, особенно при использовании заемных средств.
Двухэтажные дома из модулей полной заводской готовности, имеющие традиционный деревянный каркас, чистовую отделку и смонтированное инженерное оборудование, строят в вахтовых поселках. Распространенные размеры модулей в плане - 8,4^2,88 м, максимальные размеры - 9,6х3,2 м. Стандартные общие высоты модулей - 2,9 и 3,2 м соответственно, помещений -2,4 и 2,7 м. Наружные стены имеют следующую конструкцию: 19 мм - деревянная вагонка с атмосферостойким защитно-декоративным покрытием; 19 мм - планки для крепления вагонки (воздушный зазор); изоляционный картон; 12 мм - пропитанная битумом ДСП; 36x148 мм - стойки деревянного каркаса с шагом 600 мм, между которыми укладывают минераловатный утеплитель толщиной 150 мм; 0,15 мм - пароизоляция из полиэтиленовой пленки согласно КРБ 8000; 12 мм - внутренняя обшивка из ДСП. Для защиты от коррозии следует использовать оцинкованные гвозди.
Звукоизоляция наружных стен и двойных перегородок между соседними модулями - не менее 48 дБ, для перекрытий - не менее 52 дБ. Для обеспечения звукоизоляции перекрытий между модулями при шумовой ударной нагрузке с расчетной величиной не более 58 дБ используют виниловое покрытие с мягкой подложкой либо аналогичный материал. Микроклимат помещений поддерживается за счет применения энергосберегающей системы принудительной вентиляции с рекуператорами. При необходимости можно изготавливать модули без некоторых стен (длинных либо коротких), благодаря чему при сборке домов на строительной площадке получают помещения требуемых габаритов. Использование модулей полной заводской готовности обеспечивает гарантию качества, позволяет минимизировать трудозатраты на строительной площадке и снизить зависимость от погодно-климатических условий. Это особенно важно при строительстве в северном климате, где имеется дефицит квалифицированных рабочих кадров строительного профиля.
До мирового финансового кризиса наиболее интенсивный рост объемов малоэтажного домостроения зафиксирован в США. В период развития потребительского спроса на дома там кардинально реформировали национальные строительные правила, регламентировавшие применение конкретных материалов и методов производства. Указание в нормативных документах конкретных наименований способствовало процветанию лоббизма, значительно усложняло и затягивало внедрение новшеств в строительство. Для исключения факторов, тормозящих инновации, в нормативные документы ввели функциональные требования к используемым материалам и технологиям, что оказало позитивное влияние на развитие строительной индустрии США и способствовало объективной конкуренции на рынке товаров и услуг.
Рост объемов домостроения в США вызвал интенсивное развитие производства клееных конструкций. Это обусловлено тем, что в доступных рай-
онах лесозаготовок значительно сократились запасы деловой древесины хвойных пород большого диаметра, пригодной для конструкционного применения. Транспортные расходы на доставку сырья значительно влияют на конкурентоспособность производимых строительных материалов, а соответственно, и возводимых зданий и сооружений.
Цельная древесина имеет много сучков, трещин и других естественных пороков, являющихся достаточно крупными, сосредоточенными ослаблениями. В клееной древесине естественные пороки распределяются по объему более равномерно, благодаря чему крупные дефекты не попадают в одно сечение. Поэтому клееная древесина обладает более стабильными показателями прочности. В результате потенциал древесины используется более эффективно, уменьшается материалоемкость несущих конструкций. Перечисленные функциональные преимущества способствовали интенсивному развитию производства клееных конструкций не только из древесины хвойных пород, но и из более дешевой, быстро растущей осины, клена, березы и др. Конструкции стали склеивать не только из досок, но и из шпона, волокна которого располагают в клееном пакете в одном (продольном) направлении. Полученный легкий и прочный материал назвали ЬУЬ. Технологию его производства разработали в США в 1930-х гг. Во время Второй мировой войны ЬУЬ применяли в самолетостроении для изготовления пропеллеров, а с 1970-х гг. - для строительных балок (в т. ч. двутавровых) и ферм [8]. Использование шпона позволило уйти от цилиндрической анизотропии древесины, которая является основной причиной возникновения больших внутренних напряжений, вызывающих неравномерные деформации и растрескивание конструкций (особенно при неравномерном изменении их влажности при эксплуатации). В объеме композитного материала ЬУЬ значительную часть составляют клеевые прослойки и пропитанная клеем древесина, мало деформирующиеся при изменении влажности. Поэтому формоустойчивость конструкций из ЬУЬ, а также стабильность показателей прочности значительно выше, чем склеенных из досок, и тем более изготовленных из цельной древесины.
В промышленности США [9] наибольшее распространение получили листы ЬУЬ толщиной 30-90 мм (рис. 2).
Рис. 2. Объемы производства (а) и применения (б) в США ЬУЪ разной толщины: 1 - 30 мм, 2 - 40 мм, 3 - 45 мм, 4 - 90 мм, 5 - другие толщины
Для снижения материалоемкости изгибаемых и сжато-изгибаемых несущих элементов домостроения в США создали индустриальные производства унифицированных двутавровых элементов с полками из ЬУЬ [9]. Такие полки обладают высокой прочностью при растяжении и сжатии. Стенки двутавровых элементов выполняют из древесно-стружечных плит (08Б), обладающих повышенным сопротивлением скалыванию. Динамика производства двутавровых элементов в Северной Америке [9] показана в таблице.
Объемы производства двутавровых элементов в США и Канаде
Год Производство двутавровых элементов, тыс. пог. м
США Канада
1990 48768 2743
1995 109118 11887
2005 258470 126797
2006 245059 113386
Широкое применение деревянных унифицированных элементов двутаврового сечения в качестве несущих балок междуэтажных и чердачных перекрытий, стропил и др. позволило значительно сократить материалоемкость и трудозатраты в строительстве. Качество строительных материалов и конструкций в США строго контролирует Американский институт конструкций из древесины. При нарушениях предприятие утрачивает право производить этот товар до устранения всех недостатков и прохождения повторной дорогостоящей аттестации.
В Японии фактически каждое поколение через 20-30 лет строит себе новый дом из легких конструкций. В плотно заселенных сейсмоопасных городах при строительстве применяют неразрезные опоры на 2-3 этажа из клееных ламелей (досок) или ЬУЬ. Япония в больших объемах импортирует ЬУЬ. Например, в 2001 г. импортировали 63,5 % ЬУЬ, в т. ч. 55,9 % - из древесины мягких лиственных пород [9]. ЬУЬ там широко используют не только в несущих конструкциях, но и для изготовления встроенной мебели с высокими декоративными свойствами. При этом строительные правила запрещают использовать клеи, содержащие формальдегид и другие токсичные компоненты. Следует учесть, что перевод автоматизированных производств на применение экологически безопасных меламиновых клеев требует дорогостоящей отработки технологических режимов склеивания.
В России производство ЬУЬ началось в Сибири и Тверской области с использованием импортного оборудования при инжиниринговом сопровождении специалистов Финляндии и США. В Тверской области компания «Талион Терра» создала производство ЬУЬ с торговой маркой Ш1ха1ат на основе технологического оборудования из США проектной мощностью 140 тыс. м3 в год [8]. Годовая потребность хвойного сырья - около 360 тыс. м3. После гидротермической обработки еловых и сосновых чурбаков в бассейнах про-
ходного типа производят их лущение и получают ленту шпона толщиной 3,2 мм. Из высушенного и рассортированного шпона склеивают при температуре +185 °С многослойные высокопрочные листы ЬУЬ шириной 1250 мм и длиной 20,5 м, предназначенные для изготовления строительных конструкций различного назначения. Имеются технические возможности увеличения листов до требуемой длины.
Выводы
1. Сокращение запасов деловой древесины требуемых размеров в доступных районах лесозаготовок способствовало развитию производства клееных конструкций для малоэтажного домостроения, в том числе с использованием малоценной древесины мягких лиственных пород.
2. В связи с возрастающими требованиями к энергосбережению развивается строительство малоэтажных домов с многослойными стенами с эффективными теплоизоляционными материалами.
3. В связи с дефицитом квалифицированных рабочих строительных специальностей развивается производство и применение панелей и модулей полной заводской готовности. Это обеспечивает повышение качества строительства, сокращение сроков работ на строительной площадке, снижение зависимости от погодно-климатических условий.
4. В России реализованы пилотные международные проекты по строительству новых образцов быстровозводимых энергоэффективных жилых домов из древесины и созданию современных автоматизированных деревообрабатывающих производств. Это открывает перспективу рационального использования прогрессивного мирового опыта малоэтажного домостроения и снижения материалоемкости построек за счет применения клееной древесины с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Библиографический список
1. Проживание в помещениях, поражённых плесневым грибком - фактор риска развития микогенной сенсибилизации и инфицирования при бронхиальной астме / Т.Н. Носова, О.Ф. Колодкина, Т.А. Бажукова, Л.И. Ведрова // Проблемы медицинской микологии. -2003. - № 3. - С. 20-22.
2. Правила оценки физического износа жилых зданий : ВСН 53-86(р). - Госгражданстрой.
3. Варфоломеев, А.Ю. Учет потребностей людей с ограниченной мобильностью в деревянном домостроении на Севере / А.Ю. Варфоломеев, И.Ф. Ламов // Развитие деревянного домостроения в Вологодской области. Проблемы и практические решения : материалы межрег. науч.-техн. конф. - Вологда : Издательский центр ВИРО, 2008. - С. 53-60.
4. Носов, Д.А. Оптимизация раскроя сруба деревянного дома на основе генетического алгоритма / Д.А. Носов // Развитие деревянного домостроения в Вологодской области. Проблемы и практические решения : материалы межрег. науч.-техн. конф. - Вологда : Издательский центр ВИРО, 2008. - С. 119-123.
5. Мартынов, Ю.Н. Деревянное домостроение в Вологодской области / Ю.Н. Мартынов // Развитие деревянного домостроения в Вологодской области. Проблемы и практические решения: материалы межрег. науч.-техн. конф. - Вологда : Издательский центр ВИРО, 2008. - С. 18-24.
6. Бурдин, Н.А. Мировой и российский рынки клееных конструкционных материалов из древесины / Н.А. Бурдин, В.В. Пешков // Деревообрабатывающая промышленность. -2005. - № 5. - С. 2-5.
7. Роэлдсет, Э. Мониторинг в режиме реального времени эксплуатационных параметров экспериментального деревянного модульного дома в Архангельске / Э. Роэлдсет, С.Э. Свен, А.Ю. Варфоломеев // Сб. реф. информации ученых Арханг. гос. техн. университета о результатах НИР и НИОКР, рекомендованных к практич. использованию. -Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007. - С. 53-54.
8. Яшин, М. Ultralam - супердерево из Торжка / М. Яшин // Леспром. - 2009. - № 3 (61). -С. 52-59.
9. Guss, L.M. LVL in North America: The decade ahead. LVL development, manufacturing, current status and prospects for the future; for planning and investment / L.M. Guss., A. Klema-rewski // Leonard Guss Associates, Inc. 8th edition. - January 2008. - 161 p.
