CC BY
71Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.05
С.А. СЫЧЁВ, канд. техн. наук ([email protected])
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)
Индустриальная технология монтажа быстровозводимых трансформируемых зданий в условиях Крайнего Севера
Индустриальная технология монтажа быстровозводимых трансформируемых зданий - оптимальное сочетание решений, которое позволит создать здание с максимально возможным соответствием энергоэффективному индустриальному «чистому» скоростному возведению полносборных зданий из высокотехнологичных систем, учитывая природно-климатические условия местности, функциональное назначение, архитектурные предпочтения и требования нормативных документов. Мероприятия, направленные на выполнение вышеизложенных требований, подразумевают выполнение комплекса объемно-планировочных, конструктивных, технологических решений, а также современное инженерное оборудование. Таким образом, комплексное использование основных положений на практике позволяет создать систему возведения полносборных зданий с заранее подготовленным фундаментом, дорогами, благоустройством и подведенными инженерными сетями, что допускает скоростное возведение зданий из высокотехнологичных систем и оперативным подключением здания к подготовленным сетям. Интегральный характер «чистого» строительства ставит перед автором задачу, решение которой индивидуально в каждом конкретном случае, обеспечивает устойчивое развитие и часто является инновационным. Формирование скоростного метода монтажа заключается в поиске рациональных решений путем последовательного анализа составляющих трудового и энергетического баланса монтажного процесса.
Ключевые слова: быстрая сборка, энергоэффективность, унифицированные модульные конструкции, предварительно изготовленные на заводе, быстровозводимые модульные здания, высокая скорость строительства.
Для цитирования: Сычёв С.А. Индустриальная технология монтажа быстровозводимых трансформируемых зданий в условиях Крайнего Севера // Жилищное строительство. 2017. № 3. С. 71-78.
SA. SYCHEV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2nd Krasnoarmeiskaya Street, St. Petersburg, 190005, Russian Federation)
Industrial Technology of Installation of Prefabricated Transformable Buildings in the Far North
Industrial technology of installation of prefabricated transformable buildings is the optimal combination of solutions that makes it possible to erect a building with maximum possible compliance with energy efficient, industrial "clean" fast construction of prefabricated buildings from high-tech systems with due regard for climate and natural conditions, functionality, architectural preferences, and requirement of normative documents. Activities aimed at the implementation of these requirements involve the implementation of complex space-planning, structural, technological solutions, and modern engineering equipment. Thus, the integrated use of the basic provisions in practice makes it possible to create the system of construction of prefabricated buildings with pre-prepared foundations, roads, landscaping and connected engineering networks that permits the fast erection of high-tech buildings and operative connection of the building to the prepared networks. The integral nature of the «pure» construction puts the problem to the author, the solution of which is individually in each concrete case and provides the sustainable development and often is innovative. The formation of a high-speed method of installation is the search for rational solutions by means of the continuous analyses of components of labor and energy balance of the installation process.
Keywords: quick assembly, energy efficiency, standardized modular designs, prefabricated at the factory, prefabricated modular buildings, high speed construction.
For citation: Sychev S.A. Industrial technology of installation of prefabricated transformable buildings in the Far North. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 3, pp. 71-78. (In Russian).
Исследование существующих технологий показало, что в России и за рубежом накоплен значительный опыт создания быстровозводимых строительных систем [1-4]. Существующие строительные системы имеют ряд недостатков: длительные сроки возведения, значительный вес конструкций, невозможность быстрой разборки элементов при необходимости, трудность перевозки [1]. Автором была предпринята попытка в усовершенствовании трансформируемой системы [5] для создания новых типов трансформации элементов для быстрого изменения объемно-планировочных решений, наличием встроенного
оборудования, возможность монтажа без использования тяжелого кранового оборудования.
Несмотря на относительную консервативность строительного рынка, в мире появляется все большее количество технологий, которые могут изменить современное представление о строительстве [6-8]. Например, возведение зданий из модульных трансформируемых высокотехнологичных строительных систем. Сборка здания этим методом осуществляется из отдельных унифицированных полносборных объемных модулей повышенной заводской готовности посредством автоматизированных мачтовых
Крупнопанельное домостроение
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
а
ТГ
-г 11 " „
Рис. 1. Общий вид объемного блока
подъемников и различных вспомогательных строительных машин [8-15].
Объемные блоки соответствуют единой унифицированной модульной системе, позволяющей взаимоувязать размеры зданий и их элементов.
В модульной системе обязателен принцип кратности всех размеров. В рассматриваемом примере применен блок модульной системы 3М с размерами 9000x3000x3600 мм (рис. 1).
В отличие от аналога объемный блок повышенной заводской готовности представляет систему из модуля перекрытия, стальных трансформируемых колонн или стеновых модулей, трансформируемых наружных стеновых ограждений; имеет вид стакана. Модули перекрытия могут соединяться через одноуровневые или двухуровневые колонны, образуя при этом необходимое объемно-планировочное пространство, например двойной этаж или второй свет. При необходимости колонны могут быть заменены на стеновые модули благодаря унифицированному крепежу (рис. 2).
Модуль перекрытия размером 9000x3000 мм, толщиной 600-900 мм представляет собой сварную объемную конструкцию заводского изготовления, состоящую из решетчатых ригелей в продольном и поперечном направлениях. Верхний пояс модуля снабжается монолитным железобетонным перекрытием толщиной 100 мм, выполненным в производственных условиях с помощью несъемной опалубки из профилированного стального листа, включенного в совместную работу. На монолитном перекрытии выполняется чистовая отделка пола. По углам модуля расположены стандартизированные площадки для крепления колонн с установленными на них коническими направляющими, разъемными петлями и 12 отверстиями под высокопрочные болты 26 мм.
Также на модуле имеются дополнительные стандартизированные площадки, позволяющие крепить дополнительные (промежуточные) колонны и соединять модули в продольном направлении. Каждый модуль снабжен только одной парой колонн. На боковых гранях модуля устанавливаются крепежи для наружных стеновых ограждений. В каждом модуле размещаются различные инженерные коммуникации на этапе заводской сборки (рис. 3).
Соединение сетей смежных блоков осуществляется при помощи стыков, разъемов и резьбовых соединений. Нижний пояс структурного перекрытия выполнен из пря-
Рис. 2. Объемный блок: а — блок с колоннами; б — блок со стеновым модулем; 1 — модуль перекрытия; 2 — колонна; 3 — стеновой модуль (наружное трансформируемое стеновое ограждение условно не показан)
моугольного профиля либо уголка. В качестве отделки потолка используются негорючие цементно-стружечные плиты со встроенными осветительными приборами и декоративным покрытием. В потолке устроены лючки для доступа к крепежным болтам и соединениям инженерных коммуникаций.
Вертикальные модули стен представляют собой колонны, соединенные крестовыми связями и распоркой, образуя геометрически неизменяемый блок в плоскости крестовой связи. Для большей несущей способности модуля в вертикальном направлении колонны устанавливаются попарно. Жесткость стенового модуля из плоскости крестовой связи обеспечивается решетками, обрамляющими модуль по периметру. При необходимости в модуле могут быть устроены дверные или технологические проемы. Каждый модуль снабжается финишной отделкой из негорючих цементно-стружечных плит толщиной 25 мм (рис. 4).
Процесс производства модулей полностью роботизирован. На выходе получается панель с точной геометрией элементов, имеющей допустимые погрешности в параметрах не более 1 мм.
Стальные трансформируемые колонны выполнены из круглой трубы, в сложенном транспортном положении крепятся к модулю перекрытия на разъемные петли. В зависимости от этажности здания и приложенной нагрузки на перекрытие выбирается диаметр трубы. На торцах колонн приварены пластины с отверстиями для крепления к модулям высокопрочными болтами, гайками и шайбами. Для обеспечения большей жесткости несущих колонн на планках формируются ребра жесткости (фасонки) (рис. 5). Полость самой колонны заполняют бетонной смесью в заводских условиях, так образуется трубобетон.
В вариантном исполнении ядро сталебетонных колонн может быть выполнено из бетона, железобетона и железобетона с двойной трубой в зависимости от этажности и нагрузки на перекрытие.
а
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Рис. 3. Горизонтальный модуль трансформируемой строительной системы типового этажа 3000 Х9000 х600мм (наружное стеновое ограждение условно не показано): Вид А — в транспортном положении; 1 — горизонтальный модуль; 2 — колонны; 3 — стандартизированные площадки для крепления колонн; 4 — конические направляющие; 5 — разъемные петли; 6 — отверстия под болты; 7 — дополнительные крепежи для наружных стеновых ограждений; 8 — инженерные коммуникации
н
l'J'
.2520
f
■75.
ZSSQ
-fii
\ 11
к-
1500.
5 7 SO
Ь
¡3Z5, 25
filll) A
11(?икн1н(л:1!1ус.т!чн;ни infi* - ™ мм Структура решвпа - 375 мм . Цемвн'гмснлрииянвн плита - 25 мм
57ВД
Рис. 4. Вертикальный модуль (3) трансформируемой строительной системы типового этажа 5790 Х3600 х 425мм: 1 — колонны; 2 — крестовые связи модуля; 3 — распорки; 4 — структурная решетка
Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. Трансформируемая несущая колонна: 1 — колонна; 2 — конические направляющие; 3 — разъемные петли; 4 — пластины с отверстиями; 5 — высокопрочные болты; 6 — гайки; 7 — шайбы; 8 — монтажная консоль
Одна колонна используется для монтажа двух соседних модулей перекрытия - это осуществимо при помощи дополнительной монтажной консоли, устанавливаемой на оголовке колонны в заводских условиях. Монтажная консоль служит для временного опирания соседнего модуля на период монтажа. Установка колонны в проектное положение осуществляется поворотом на петле (рис. 2).
В здании основным элементом жесткости, воспринимающим горизонтальные усилия и вертикальную нагрузку, является ядро жесткости.
Пространственное ядро жесткости размером 11160x11160 мм выполнено из жестких стеновых модулей. Ядро вмещает в себя мачтовый монтажный подъемник, вертикальные инженерные коммуникации, сборные стале-
74| -
бетонные лестницы. Основная жесткость здания придается сборными структурными ядрами жесткости и жесткими дисками перекрытий.
Сталежелезобетонные лестницы, расположенные в ядрах жесткости, ограждены стенами, образуя незадым-ляемые лестничные клетки. Лестничные марши шириной 1000 мм с промежуточной сталебетонной площадкой. Балки лестничных площадок и косоуры выполнены из прямоугольного профиля размером 150x200 мм, заполнены монолитным железобетоном изнутри. Ступени сварены из уголка 40x40, заполняются монолитным бетоном в заводских условиях.
Фасады здания оформлены трансформируемыми витражными системами из двухкамерного стеклопакета.
^^^^^^^^^^^^^^ |3'2017
Научно-технический и производственный журнал
3S00
ШадЛ
X
, 4 j4 ит.)
Ц7
/
/
н;_1
/
еооо
Рис. 6. Пример крепления фасадной панели: 1 — модуль перекрытия; 2 — колонна; 3 — дополнительные крепежи для наружных стеновых ограждений; 4 — двухкамерный стеклопакет; 5 — простенки с солнечными батареями; 6 — поворотные петли стенового ограждения; 7 — уплотнитель стыка; 8 — нащельник
Рис. 7. Пример модуля с трансформируемым стеновым ограждением в транспортном и разложенном положениях: 1 — модуль перекрытия; 2 — колонна; 3 — разъемные петли трансформируемой колонны; 4 — дополнительные крепежи для наружных стеновых ограждений; 5 — двухкамерный стеклопакет; 6 — простенки с сол -нечными батареями; 7 — поворотные петли стенового ограждения
В простенки, закрывающие колонны, углы здания и перекрытия вмонтированы солнечные панели, повышающие общую энергоэффективность готового здания (рис. 6).
Со стороны фасада модули снабжены элементами, служащими для крепления трансформируемых витражных систем. Одновременно на колонны в заводских условиях навешиваются внешние панели, являющиеся простенками (рис. 7).
Стеновое ограждение представляет собой витражное остекление с простенками. Простенки выполнены в виде сэндвич-панелей с солнечными батареями, закрепленными на колоннах; устанавливаются в проект-
Рис. 8. План инженерных коммуникаций модулей УВСС по этажу
Условные обозначения:
—— Водопровод хозяйственно-питьевой —— Канализация бытовая —— Электросеть 220В —— Вентиляция приточно-вытяжная
Светильник встроенный потолочный Щит осветительный
ПГ Пожарный гидрант
Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 9. Схема раскладки модулей УВСС перекрытия
Рис. 10. Разрез здания 1—1
ное положение вместе с колоннами. Наличие эффективных уплотнителей позволяет сделать стыки панелей герметичными. Также на фасаде предусмотрены нащельники для защиты стыков от проникновения атмосферных осадков и пыли. Трансформация стенового ограждения аналогична трансформации колонн благодаря применению петель.
Модули производятся по каркасной технологии с использованием металлического профиля. Инженерные коммуникации заранее прокладываются в стенах. Для объединения проложенных коммуникаций предусмотрены стыковочные трубы. В потолке устроены лючки для доступа к крепежным болтам и соединениям инженерных коммуникаций (рис. 8).
Стоит также отметить, что стальные трубы, проводящие «арктическую» воду с низким содержанием рН и вы-
сокими показателями железа, служат в 2-3 раза меньше своего нормативного срока на Крайнем Севере, рекомендуется использование композитных пластиков.
Здания, возведенные роботизированным методом, позволят уменьшить объем трудозатрат, что отразится на конечной стоимости объекта строительства.
С поставленной задачей справляется роботизированный метод монтажа зданий из отдельных объемных блоков. Сборка здания этим методом осуществляется из отдельных унифицированных высокотехнологичных полносборных объемных модулей повышенной заводской готовности посредством роботизированных мачтовых подъёмников и различных вспомогательных строительных машин.
Рассматриваемое здание общественного назначения в качестве примера универсальности строительной системы
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
1
1
1
1
1
1
1
1
f
1
i
ь т. ) U I и
ф é
Рис. 11. Фасад здания 1—12
и способа монтажа сблокировано из трех одинаковых секций разной этажности, размеры здания в плане 39x108 м, высота этажа 3,6 м (рис. 9-11).
Таким образом, система трансформируемого объемного блока представлена в виде модуля перекрытия с прикрепленными к нему колоннами и стеновым ограждением, полностью готовым к трансформации. При перевозке блока в сложенном виде автомобильным транспортом соблюдены все максимально допустимые габариты. Выводы
Представлено подробное описание элементов объемных блоков, разработанных и усовершенствованных автором. Впервые рассмотрен принцип трансформирования сталебетонных колонн и наружного стенового ограждения модуля в проектное положение, позволяющий сократить время монтажа на 25% по сравнению со зданием из объемных блоков.
При перевозке транспортный объем одного модуля с закрепленными на нем сложенными элементами уменьшен в 3,02 раза по сравнению со строительным объемом, что позволяет значительно снизить транспортные издержки по доставке модулей полносборных зданий на 50%.
Список литературы
1. Асаул А.Н., Казаков Ю.Н., Быков В.Л., Князь И.П., Ерофеев П.Ю. Теория и практика использования быстровоз-водимых зданий. СПб.: Гуманистика, 2004. 472 с.
2. Афанасьев А.А. Технология возведения полносборных зданий. М.: АСВ, 2000. 287 с.
3. 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.
4. Вильман Ю.А. Основы роботизации в строительстве. М.: Высшая школа, 1989. 120 с.
5. Сычёв С.А. Технологические принципы ускоренного домостроения, перспектива автоматизированной и роботизированной сборки зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 3. С.66-70.
6. Viscomi B.V., Michalerya W.D., Lu L.W. Automated construction in the ATLSS integrated building systems // Automation in construction. 1994. № 3, pp. 35-43.
7. Fudge J., Brown S. Prefabricated modular concrete construction // Building engineer. 2011. 86(6), pp. 20-21.
8. Knaack U., Chung-Klatte Sh., Hasselbach R. Prefabricated systems: Principles of construction. De Gruyter, 2012, 67 p.
9. 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. No. 25 (2), pp. 143-149.
10. Head P.R. Construction materials and technology: A Look at the future. Proceedings of the ICE - Civil Engineering. 2001. No. 144(3), pp. 113-118.
11. Swamy R.N. Holistic design: key to sustainability in concrete construction. Proceedings of the ICE - Structures and Buildings. 2001. No. 146 (4), pp. 371-379.
12. Lawson R.M., Richards. J. Modular design for high-rise buildings. Proceedings of the ICE - Structures and Buildings. 2001. No. 163 (3), pp. 151-164.
13. Nadim W., Goulding J.S. Offsite production in the UK: The Way forward? A UK construction industry perspective Construction Innovation: Information, Process, Management. 2010. No. 10 (2), pp. 181-202.
Крупнопанельное домостроение
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
14. Day A. When modern buildings are built offsite. Building engineer. 2010. No. 86(6), pp.18-19.
15. Allen E., lano J. Fundamentals of building construction: Materials and methods. J. Wiley & Sons. 2004, 28 p.
References
1. Asaul A.N., Kazakov Ju.N., Bykov B.A, Knjaz' I.P., Erofe-ev P.Ju. Teorija i praktika ispol'zovanija bystrovozvodi-myh zdanij [Teorija i praktika ispol'zovanija bystrovozvo-dimyh zdanij] St. Petersburg: Gumanistika, 2004. 472 p. (In Russian).
2. Afanas'ev A.A. Tehnologija vozvedenija polnosbornyh zdanij [Tehnologija vozvedenija polnosbornyh zdanij]. Moscow, 2000. 287 p. (In Russian).
3. Verstov V.V., Bad'in G.M. Osobennosti proektirovanija i stroitel'stva zdanij i sooruzhenij v Sankt-Peterburge. Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2010. No. 1 (22). pp. 96-105. (In Russian).
4. Vil'man Ju.A. Osnovy robotizacii v stroitel'stve [Osnovy robotizacii v stroitel'stve]. Moscow: Vysshaja shkola, 1989. 120 p. (In Russian).
5. Sychev S.A. Technological principles of rapid housing, the future of automated and robotic Assembly buildings. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. No. 3, pp. 66-70. (In Russian).
6. Viscomi B.V., Michalerya W.D., Lu L.W. Automated construction in the ATLSS integrated building systems. Automation in construction. 1994, No. 3, pp. 35-43.
7. Fudge, J., Brown, S. Prefabricated modular concrete construction. Building engineer. 2011, No. 86 (6), pp. 20-21.
8. Knaack U., Chung-Klatte Sh., Hasselbach R. Prefabricated systems: Principles of construction. De Gruyter, 2012, 67 p.
9. 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. No. 25 (2), pp. 143-149.
10. Head P.R. Construction materials and technology: A Look at the future. Proceedings of the ICE - Civil Engineering. 2001. No. 144 (3), pp. 113-118.
11. Swamy R.N. Holistic design: key to sustainability in concrete construction. Proceedings of the ICE - Structures and Buildings. 2001. No. 146 (4), pp. 371-379.
12. Lawson R.M., Richards. J. Modular design for high-rise buildings. Proceedings of the ICE - Structures and Buildings. 2001. No. 163 (3), pp. 151-164.
13. Nadim W., Goulding J.S. Offsite production in the UK: The Way forward? A UK construction industry perspective Construction Innovation: Information, Process, Management. 2010. No. 10 (2), pp. 181-202.
14. Day A. When modern buildings are built offsite. Building engineer. 2010. No. 86 (6), pp. 18-19.
15. Allen E., lano J. Fundamentals of building construction: Materials and methods. J. Wiley & Sons. 2004, 28 p.
