CC BY
17Организация
строительного производства
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.05
С.А. СЫЧЕВ, канд. техн. наук (sasychev@ya.ru)
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)
Анализ структуры и содержания технологических модулей монтажа укрупненных элементов
В современных условиях строительного производства имеется острая необходимость разработки методологии комплексной оценки и анализа эффективности инженерных решений, выбора в конкретных условиях строительства рациональной технологии выполнения монтажа объемных, модулей. Ускорение научно-технического прогресса в области высокоскоростного строительства зданий из модулей невозможно без широкого внедрения принципиально новых технологий, обеспечивающих высокую производительность труда, эффективность и качество возведения зданий из модулей. Поиск оптимальной технологии модульного строительства зданий связан с определением совокупности параметров и характеристик системы, которые обеспечивают минимизацию приведенных затрат, трудоемкости и продолжительности работ, социально-экологические, эргономические и другие требования.
Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, быстрая сборка, унифицированные модульные конструкции, предварительно изготовленные на заводе, быстровозводимые модульные здания, высокая скорость строительства.
SA. SYCHEV, Candidate of Sciences (Engineering) (sasychev@ya.ru) Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2-ya Krasnoarmeyskaya Street, 190005, Saint-Petersburg, Russian Federation)
Analysis of the Structure and Content of Process Modules of Integrated Elements Mounting
In modern conditions of construction industry there is an urgent need for the development of an integrative assessment methodology and analysis of the effectiveness of engineering solutions, the choice of rational technology of the installation of volumetric modules in the specific construction context. The acceleration of scientific and technical progress in the field of high-speed construction of modular buildings is impossible without the widespread introduction of fundamentally new technologies that ensure high productivity, efficiency and quality of construction of modular buildings. The search for the optimal technology of modular building construction involves determining the combination of parameters and characteristics of the system, which ensure the minimization of reduced expenditures, complexity and duration of works, socio-ecological, ergonomic and other requirements.
Keywords: energy efficiency, energy saving, quick build, unified modular structures, prefabricated at the factory, prefabricated modular buildings, high speed of construction.
Коренные преобразования в технике и технологии модульного строительства зданий, прорыв в технологии монтажных работ возможны только на основе внедрения и реализации новых плодотворный идей, связанных с появлением современных материалов, конструкций модулей, новых монтажных машин и роботов, новых методов производства монтажных работ и организации труда на строительной площадке. Внедрение интенсивных технологий на базе передовой техники, роботов, прогрессивных технологических процессов и гибких технологий производства монтажных работ позволяет создавать принципиально новые ресурсоэнергосберегающие, безотходные, малооперационные эффективные технологии.
Актуальность рассматриваемых вопросов подчеркивается наличием серьезных недостатков в строительстве зданий из модулей, связанных с незавершенной проработкой индустриальных методов и способов монтажа модулей, отсутствием на стройках перспективных средств механизации и автоматизации монтажа модулей [1-13].
Настоящее исследование представляет собой опыт систематизированного изложения технологических основ анализа эффективности инженерных решений при строительстве зданий из модулей и контроля качества монтажных
3б| —
работ. Автор считает, что такой научно обоснованной базой, способной дать надежную основу и методологию проектирования рациональных процессов строительства зданий из модулей, может и должен быть развернутый анализ взаимоувязанных факторов строительного производства, которые в своей совокупности определяют уровень эффективности технологий строительства зданий из модулей.
Монтажные работы представляют собой динамичную технологическую систему с большим разнообразием и многовариантностью решений, которые в каждом конкретном случае принимаются исходя из технико-экономического анализа и выбора наиболее эффективного или оптимального варианта строительства зданий из модулей с учетом производственных, климатических и грунтовых условий строительства. Поиск оптимальной технологии строительства зданий из модулей связан с определением совокупности параметров и характеристик системы, которые обеспечивают минимизацию приведенных затрат, трудоемкости и продолжительности работ, социально-экологические, эргономические и другие требования. Технологический модуль (ТМ) строительства зданий из модулей имеет сложную структуру, состоящую из следующих основных взаимосвязанных между собой блоков:
М-2'2016
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Organization of construction works
Рис. 1. Схема формирования эффективных технологий модульного строительства
тм = { | фу|, | кмитри о1п|,| примсиукиэл,
(1)
где Фу - функциональный - совокупность требований к условиям работы объемных модулей; К - конструктивный - тип модулей, конструкций, колонн, несущих конструкций; Тр - технологический - совокупность технологических требований (норм, условий) для выполнения всего комплекса (основных и вспомогательных) монтажных и других работ; Отп - организационный - методы организации технологических процессов, увязка материальных и трудовых ресурсов во времени и пространстве; Пр - производственный - методы и способы производства работ; Мс - механизация процессов; подбор комплексов машин, средств комплексной механизации; Ук - контроля и управления - методы и средства управления технологическими процессами, внедрение элементов АСУ ТП, контроль качества работ; Эт - экономический - технико-экономическая оценка и обоснование решений, расчет технико-экономических показателей вариантов производства работ.
Совершенствование технологии строительства зданий из модулей работ, оптимизация инженерных решений, а также проектирование и прогнозирование эффективной ресурсосберегающей технологии невозможны без анализа составляющих элементов отдельных блоков и синтеза взаимосвязанных элементов и блоков структуры ТМ.
Каждый блок ТМ представляет собой большой информационный массив, в котором необходимо решать многокритериальную и многоцелевую задачу со следующими критериями оптимизации: по удельной трудоемкости, себестоимости или приведенным затратам, продолжительности работ, экономии материалов и ресурсов.
Стыковка блоков ТМ осуществляется на основе синтеза полученных оптимальных решений с использованием метода технических стратегий.
Принцип модульной разбивки структуры монтажных работ упрощает проектно-технологическую подготовку производства, позволяет выявить слабые звенья технологической цепи, где имеются непроизводительные потери, подлежащие комплексной механизации и автоматизации. Анализ внутренней структуры ТМ вскрывает внутренние неиспользованные резервы повышения производительности труда, устанавливает взаимосвязь элементов и особенности той или иной технологии, позволяет прогнозировать
формирование новых структур ТМ более совершенных технологий. Как показал сравнительный анализ по составляющим ТМ, наиболее индустриальной технологией строительства зданий из модулей для условий г. Санкт-Петербурга является технология строительства зданий из объемных блок-комнат.
Целевые функции на различных стадиях оптимизации: минимизация трудозатрат, продолжительность и стоимость работ на строительной площадке, гарантированное качество и надежность здания из модулей, минимальные затраты материальных и трудовых ресурсов - представлены в табл. 2 и на рис. 1.
Взаимосвязь критериев эффективности и качества, формирующих рациональные технологии строительства зданий из модулей, представлена на рис. 1.
Модульные здания с максимальным использованием выделяемой внутри их тепловой энергии и максимальной защитой от потерь тепла через наружные поверхности и вентиляцию называют энергосберегающими. В них стремятся использовать технологии отопления, вентиляции, освещения, водоснабжения, канализации с минимальными затратами энергии на их функционирование. Для этого применяют возобновимые источники энергии (солнечную, ветровую и т. п.) и наряду с этим обращают внимание на сокращение потери тепла, повышение сопротивления теплопередачи наружу здания, что в комплексе с учетом местных климатических условий позволяет обеспечить хорошие условия регулирования теплообмена в здании и снизить энергозатраты.
Здания, конструктивно совмещенные с установками для утилизации возобновляемой энергии, называют энергоактивными. В них происходит максимальное совмещение несущих и технологических функций конструкций зданий и установок. Это позволяет не только сократить расход отторгаемой земли, строительных материалов, но и снизить длину коммуникаций.
Основные принципы проектирования энергоэффективного дома - это максимальное использование выделяемой тепловой энергии и максимальная защита от потерь тепла через наружные поверхности и вентиляцию, применение альтернативных источников энергии.
Следует заметить, что «для обогрева дома, который считается дешевым в эксплуатации, может понадобиться
1-2'2016
37
Организация
строительного производства
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Модель многоцелевой оптимизации инженерных решений при модульном строительстве
Уровни и стадии оптимизации Варианты инженерных решений, условий работ Пример оптимального
1 2 3 n
Градостроительный комплекс, тип, серия, этажность здания ^32 З3 . . . 3n Жилое 16-этажное здание
Грунтовые условия К, К2 У® ■ ■ ■ К„ Песчаный грунт
Тип фундамента Ф, (Ф2С ф3 . . . Фп Ж/б монолитная плита
Технология строительства Т1 Т2 Т„ Объемно-блочные модули
Механизация работ jMf М3 . . . Мп Башенный кран
Схема организации монтажных работ О2 О3 . . . О„ Секционная схема
Контроль точности и качества И1 И2 Ип Радиочастотный метод
Ограждающие конструкции Р1 (Р; Р3 . . . Рп Сэндвич-панели
Рис. 2. Макеты домов для сравнения
либо 70, либо всего лишь 15 кВт/м2 в год. Дома, отвечающие первому, более высокому уровню расхода энергии, называются энергосберегающими, или энергоэффективными. Их разновидностью являются пассивные дома, уровень энергии которых не превышает 15 кВт/м2 в год.
В условиях климата с низкими отрицательными температурами, присущего большей части нашей страны, следует уделять внимание тому, насколько здание подвержено отдаче тепла.
С помощью объемно-планировочных решений удается значительно снизить теплопотери. Отношение площади ограждающих конструкций к объему строения (так называемый «коэффициент подверженности» S/V) влияет на энергетическую эффективность здания. Чем меньше отношение площади ограждающих конструкций к объему, тем менее подвержено здание влияниям климата.
Сравним два дома, форма одного из которых - полусфера, а другого - параллелепипед (рис. 2). Объем сферы составляет V=4nR3/3=268 м3, значит, объем купольного дома (полусферы) составит 134 м3. Таким образом, при почти одинаковом объеме (130 м3 против 134 м3) площадь поверхности купольного дома 100,5 м2. Следовательно, купольный дом потребует меньше затрат на обогрев (из-за снижения потерь на рассеяние тепла) как минимум на 20%.
Значительная потеря тепла в зимний период происходит через оконное остекление. Проследив изменение ко-
личества теплопотерь в зависимости от варианта остекления и сравнив их характеристики, можно сделать вывод, что снижения энергозатрат можно добиться путем грамотного выбора остекления.
Энергопотребление зданий, как уже было сказано, можно снизить за счет ориентации здания, что актуально для российского климата, особенно в зимний период. Ориентация основного фасада здания на южную сторону позволит получить дополнительную возможность обогрева здания за счет солнечной энергии в холодные месяцы года, что понизит стоимость обогрева. Южное направление также увеличит использование светового дня, следовательно, снизится потребление в электроэнергии в течение дня. Южная ориентация здания также может использоваться для получения солнечной энергии или нагревания воды для обогрева самого здания. Все вышеперечисленные способы экономии энергии применяются и в пассивных домах, чтобы обеспечить заданную требуемую величину удельного расхода тепловой энергии на отопление, равную 15 Вт/м2 в год.
Все перечисленные выше факторы позволяют обеспечить хорошие условия регулирования теплообмена в здании, снизить энергозатраты и улучшить микроклимат помещений. Однако использования инноваций в области энергосбережения недостаточно при создании энергоэффективного дома. Человеческий фактор может способствовать нерациональному расходованию тепловой энергии.
Основные технико-экономические показатели производства работ
Таблица 2
ТЭП Расчетные формулы
Обобщенный показатель экономического эффекта Эт, р. Эт = Рт - Зт Рт - стоимостная оценка результатов за расчетный период; Зт - стоимостная оценка затрат по изготовлению модулей на заводе и стройплощадке за расчетный период
Себестоимость работ С = 1,08^ СМч1 Т0 + 1,53р /=1
Себестоимость 1 модуль (м3) 1 маш.-ч С„ч = ЕДо + ГДг + Ст.э
Удельные приведенные затраты 1 модуль Пуд= 1,082 + ^ + +
Удельная себестоимость модуля, р./м3 С1=С/У
Примечания: Е - единовременные затраты; V - объем работы на объекте (шт. свай, м3); V,- - годовой объем работ, м3; V - объем работ, выполняемый за 1 ч; Зр - заработная плата рабочих на ручных операциях; Тг - годовой фонд рабочего времени; То - продолжительность работы на объекте.
38
1-2'2016
Научно-технический и производственный журнал
Organization of construction works
Одной из таких причин является низкое качество и неплотности сопряжений окон, дверей, ограждающих конструкций.
При оценке теплопроводности теплоизоляционных материалов не учитывается наличие инфильтрации, в то время как в зимний период холодный воздух проникает в помещения при инфильтрации через стены, стыки и неплотности окон. Проходя через толщу стены, он вызывает снижение температуры ограждения на его поверхности, а проникая в комнату, охлаждает внутри воздух и вызывает дополнительные потери тепла. Фильтрация воздуха приводит к увеличению тепловых потерь через ограждения почти в два раза.
Другим слабым местом является сопряжение окон с наружными стенами. При косом дожде вода часто попадает в тело панелей, ухудшая их теплозащитные свойства и разрушая строительную конструкцию. Возможно попадание влаги в утеплитель и из-за некачественного выполнения стыков панелей, соединения мембран. Нередко вода в этих местах проникает и в жилые помещения. В результате термическое сопротивление стен в таких зданиях в 4-5 раз ниже нормативного.
Ухудшение теплозащитных свойств в холодные месяцы года ведет к образованию на внутренней поверхности конденсата и даже черной плесени, к промерзанию панелей. Затраты на отопление таких зданий значительно увеличиваются.
С такими проблемами, в частности с появлением конденсата на внутренних поверхностях стен в местах стыков модулей, приходится сталкиваться как в зданиях постройки прошлых лет, так и в зданиях современной постройки. Это говорит о том, что стыковые соединения не удовлетворяют современным требованиям энергоэффективности ни с конструктивной точки зрения, ни в первую очередь с точки зрения качества выполнения работ.
Несовершенство нерегулируемых систем естественной вентиляции также является причиной нерационального использования энергии. Затраты на вентиляцию современных зданий при составлении энергетических паспортов оцениваются в 40-50% всех затрат на отопление. При этом требуемый уровень воздухообмена необходим как в «холодных» домах, так и в «теплых». Отсюда следует, что расходы тепла на вентиляцию без использования специальных инженерных методов уменьшаться не будут.
Тепловизионный (с использованием инфракрасной съемки) контроль качества строительно-монтажных работ позволит навести порядок на строительных площадках, повысит ответственность строителей за выполнение «скрытых работ», даст информацию разработчикам и производителям строительных конструкций по совершенствованию конструкции и инженерного оборудования.
Таким образом, рациональным и экономически целесообразным способом повышения энергоэффективности является сочетание различных конструктивных и инженерных мероприятий, например увеличение теплозащитных свойств ограждающих конструкций при одновременном использовании современных инженерных энергосберегающих методов и технологий.
Выводы.
Поиск оптимальной технологии строительства зданий из модулей связан с определением совокупности параметров и характеристик системы, которые обеспечивают ми-
1-2'2016 ^^^^^^^^^^^^^
нимизацию приведенных затрат, трудоемкости и продолжительности работ, социально-экологические, эргономические и другие требования.
Анализ внутренней структуры технологических модулей вскрывает внутренние неиспользованные резервы повышения производительности труда, устанавливает взаимосвязь элементов и особенности той или иной технологии, позволяет прогнозировать формирование новых, более совершенных технологий строительства зданий из модулей.
Список литературы
1. Асаул А.Н., Казаков Ю.Н., Быков В.Л., Князь И.П., Ерофеев П.Ю. Теория и практика использования быстро-возводимых зданий. СПб.: Гуманистика, 2004. 463 с.
2. Афанасьев А.А. Технология возведения полносборных зданий. М.: АСВ, 2000. 287 с.
3. Афанасьев А.В., Афанасьев В.А. Организация строительства быстровозводимых зданий и сооружений. Бы-стровозводимые и мобильные здания и сооружения: перспективы использования в современных условиях. СПб.: Стройиздат, 1998. С. 226-230.
4. Бадьин Г.М., Сычев С. А. Анализ дефектов монтажа и эксплуатации быстровозводимых конструкций // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2. С. 218-223.
5. Бадьин Г.М., Сычев С.А. Современные технологии строительства и реконструкции зданий. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 288 с.
6. Верстов В.В., Бадьин Г.М. Особенности проектирования и строительства зданий и сооружений в Санкт-Петербурге // Вестник гражданских инженеров. 2010. № 1 (22). С. 96-105.
7. Казаков Ю.Н., Сычев С.А. Система возведения домов заводского изготовления // Сб. науч. тр. по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества». Тамбов, 2015. С. 63-65.
8. Day A. When modern buildings are built offsite // Building engineer. 2011, 86 (6), pp. 18-19.
9. Fudge J., Brown S. (2011). Prefabricated modular concrete construction // Building engineer. 2011, 86 (6), pp. 20-21.
10. Head P.R. Construction materials and technology: A Look at the future // Proceedings of the ICE - Civil Engineering. 2001, 144 (3), pp. 113-118.
11. Rounce G. Quality, waste and cost considerations in architectural building design management // International Journal of Project Management, 1998, 16 (2), pp. 123-127.
12. Swamy R.N. Holistic design: key to sustainability in concrete construction // Proceedings of the ICE - Structures and Building. 2001, 146 (4), pp. 371-379.
13. Wang Y., Huang Z., Heng L. Cost-effectiveness assessment of insulated exterior wall of residential buildings in cold climate // International Journal of Project Management, 2007. 25 (2), pp. 143-149.
References
1. Asaul A.N., Kazakov Ju.N., Bykov B.L., Knjaz' I.P., Erofe-ev P.Ju. Teorija i praktika ispol'zovanija bystrovozvodimyh
- 39
Организация
строительного производства
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
zdanij [Teoriya i praktika ispol'zovaniya bystrovozvodimykh zdanii.]. SPb.: Gumanistika, 2004. 463 p.
2. Afanas'ev A.A. Tehnologija vozvedenija polnosbornyh zdanij [Tekhnologiya vozvedeniya polnosbornykh zdanii ]. Moskva, 2000. 287 p.
3. Afanas'ev A.V., Afanas'ev V.A. Organizacija stroitel'stva bystrovozvodimyh zdanij i sooruzhenij. Bystrovozvodimye i mobil'nye zdanija i sooruzhenija: perspektivy ispol'zovanija v sovremennyh uslovijah [Organizatsiya stroitel'stva bystrovozvodimykh zdanii i sooruzhenii. Bystrovozvodimye i mobil'nye zdaniya i sooruzheniya: perspektivy ispol'zovaniya v sovremennykh usloviyakh]. SPb.: Strojizdat, 1998, pp. 226-230.
4. Bad'in G.M., Sychev S.A. Analiz defektov montazha i jekspluatacii bystrovozvodimyh konstrukcij. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2015. № 2, pp. 218-223. (In Russian).
5. Bad'in G.M., Sychev S.A. Sovremennye tehnologii stroitel'stva i rekonstrukcii zdanij [Modern technologies of construction and reconstruction of buildings]. SPb.: BHV-Peterburg, 2013. 288 p.
6. Verstov V.V., Bad'in G.M. Osobennosti proektirovanija i stroitel'stva zdanij i sooruzhenij v Sankt-Peterburge
Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2010. № 1 (22), pp. 96-105. (In Russian).
7. Kazakov Ju.N., Sychev S.A. Sistema vozvedenija domov zavodskogo izgotovlenija. Materials of the International scientific and practical conference «Science and Education in Life of Modern Society». Tambov, 2015. pp. 63-65.
8. Day A. When modern buildings are built offsite. Building engineer. 2011, 86(6), pp.18-19.
9. Fudge J., Brown S. (2011). Prefabricated modular concrete construction. Building engineer. 2011, 86 (6), pp. 20-21.
10. Head P.R. Construction materials and technology: A Look at the future. Proceedings of the ICE - Civil Engineering. 2001, 144 (3), pp. 113-118.
11. Rounce G. Quality, waste and cost considerations in architectural building design management. International Journal of Project Management, 1998, 16 (2), pp. 123-127.
12. Swamy R.N. Holistic design: key to sustainability in concrete construction. Proceedings of the ICE - Structures and Building. 2001, 146 (4), pp. 371-379.
13. Wang Y., Huang Z., Heng L. Cost-effectiveness assessment of insulated exterior wall of residential buildings in cold climate. International Journal of Project Management, 2007. 25 (2), pp. 143-149.
40
1-22016
