CC BY
20Конструктивная основа современных НБЗ и их экономическое обоснование
Захаров Аркадий Васильевич
кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Архитектура» НИУ МГСУ, zakharov.arkady@yandex.ru
Здания-мосты в значительной мере решают две наиболее сложные проблемы крупных городов: постоянно возникающие автомобильные заторы и катастрофическая нехватка свободных территорий под застройку. При этом строительство мостов через различные протяженные препятствия техногенного (автомобильные и железные дороги) и природного характера (реки, овраги и т.п.) остается одной из наиболее необходимых задач формирования городской транспортной сети. Наиболее часто приходится преодолевать с помощью таких сооружений именно железнодорожные пути. Так, например, в Москве подъездные пути к железнодорожным вокзалам, расположенным вблизи центра города и промышленным зонам, расположенным в черте города, расчленили городскую улично-дорожную сеть на крупные сектора, транс-портно мало связанные между собой. Общая длина этих дорог превышает сотню километров, на каждом из которых для сшивки городской улично-дорожной сети необходимо иметь несколько мостов, что приводит к необходимости строительства сотен мостов. Возведение традиционных мостов целиком финансово ложиться на государственные структуры, не давая прямой экономической отдачи. Из-за ограниченности государственных финансовых средств их строительство растягивается на долгие годы. Для быстрейшего решения проблемы предлагается привлечение внешних инвестиций путем строительства нового вида сооружений - «зданий-мостов». Мостовая часть сооружения включается в городскую транспортную сеть, а площади помещений здания, приносящие быстрый доход, передаются в пользование инвестора. Тем самым, решается вторая проблема -нехватки свободных территорий под застройку.
Ключевые слова: малопролетные, средне- и большепролетные конструкции зданий-мостов, относительная строительная высота, удельный расход стали, компоновка конструктивных систем, экономическая целесообразность.
Особенностью зданий-мостов является то обстоятельство, что их строительство осуществляется над уже освоенными городом территориями или над не подлежащими под застройку территориями неудобий (овраги, болота и т.п.)12. Это обстоятельство дает не только дополнительные возможности для нового строительства в сложившихся границах города, но и требует применения специальных конструктивных систем и архитектурно-планировочных решений. В Московском Государственном Строительном Университете (МГСУ) с начала текущего столетия ведутся исследования по разработке таких решений ЗМ и ЗП. [1,2,3,4,]
3,4,5,6
Запросы городов и условия застройки диктуют необходимость возведения зданий, разных по этажности, форме и габаритам в плане. Поэтому предложен типологический ряд унифицированных конструктивных решений пролетных конструкций ЗМ и ЗП длиной до 25, 50 и 100 метров. Конструктивное решение этих мостов базируется на общих принципах строительной механики, но конструкция малых мостов, возводимая традиционными приемами для междуэтажных перекрытий и малопролетных мостов, существенно отличается от общего конструктивного решения средних и больших мостов.
Это отличие заключается в том, что в традиционных массовых конструкциях междуэтажных перекрытий, опирающихся по двум сторонам, их строительная высота (толщина), по условиям прочности и прогиба, обычно находится в пределах 1/10 - 1/30 пролета, составляя значительно меньшую часть высот разделяемых этажей. Исходя из указанных соотношений, можно видеть, что при строительной высоте 0,15 - 0,30 метра могут перекрываться пролеты 3 - 6 метров (однопро-летные и без предварительного напряжения), что привычно для массовых домов. Другой критерий установления размеров строительной высоты междуэтажного перекрытия вытекает из необходимости увеличения свободной от опор площади помещений, обеспечивающего их свободу планировки, и необходимости размещения в межэтажных пространствах горизонтальных коммуникаций инженерного и санитарно-техниче-ского оборудования. При привычной высоте помещений около 3 метров, приемлемая высота междуэтажного пространства для инженерных и санитарно-тех-нических коммуникаций составляет примерно 1 метр. Так, две указанные необходимости и требования обеспечения прочности привели к экономически целесообразным габаритам междуэтажных перекрытий: пролет - около 20 метров, строительная высота - около 1 метра. Эти же габариты имеют и наиболее распространенные конструкции малопролетных мостов.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м о
о см о см
о ш т
X
3
<
т О X X
Строительные высоты главных пролетных конструкций средних и больших зданий-мостов совпадают с высотой, по крайней мере, одного этажа (такие этажи называются «несущими») или с полной высотой всего сооружения. В этих сооружениях междуэтажные перекрытия, сопрягаясь с продольными стенами, становятся полками единой коробчатой конструкции, работающей на главный пролет здания-моста. Например, при отношении строительной высоты к пролету 1/2,5 конструкция десятиэтажного здания-моста имеет пролет 100 метров при высоте 40 метров. При этом расход конструкционных материалов в нем близок к расходу их на дом такого же объема при его высоте в 100 метров, но стоящего целиком на земле.
Рассмотрим подробнее конструктивные особенности в зависимости от их типоразмеров.
Малопролетные конструкции перекрывают пространство до 25 метров при строительной высоте около одного метра (рис.1). Выполняются из сталежелезобе-тона. При балочной схеме работы имеют коробчатое сечение, у которого верхняя полка, выполненная из железобетона, работает на сжатие вдоль основного пролета и на изгиб в поперечном направлении. В качестве стенок коробчатого сечения применяются заанкеренные в нее верхними поясами стальные фермы (первый вариант) или листовые конструкции (второй вариант).
Со сквозными стенками по первому варианту такие конструкции чаще применяются в качестве междуэтажных перекрытий в гражданских зданиях, но могут применяться и для пролетных конструкций транспортных эстакад для легковых и малотоннажных грузовых автомобилей.
По второму варианту исполнения сталежелезобе-тонные конструкции перекрытий используются под тяжелые нагрузки промышленных зданий и пролетные конструкции мостов и эстакад общего назначения. При этом, по габаритам оба варианта конструкций могут совпадать и хорошо сочетаться в компоновке зданий-мостов и зданий-платформ.
Экономическая эффективность (и инвестиционная привлекательность) здания-моста значительно возрастает с увеличением отношения площади помещений здания к площади проезжей части моста. Поэтому производство конструкций междуэтажных перекрытий по первому варианту исполнения будет преобладающим. К тому же, в межферменном пространстве перекрытий свободно размещаются и обслуживаются горизонтальные элементы инженерных и сантехнических коммуникаций (трубы и воздуховоды) здания, что позволяет разносить на большие расстояния от точек подключения вертикальные элементы коммуникаций, тем самым обеспечивая возможность увеличения размеров помещений и свободу их планировки.
Производство стальной части пролетной конструкции выполняется на заводах по технологии, разработанной в США в 70ых годах прошлого века для междуэтажных перекрытий небоскребов, и, в настоящее время, повсеместно распространенной. По этой технологии отправочная марка изделия - монтажный блок шириной в 2 метра собирается из двух ферм - будущих продольных сквозных стенок сталежелезобетон-ной коробчатой конструкции. Через каждые два метра по длине конструкции эти продольные ребра соединяются поперечными фермами-ребрами той же высоты, так, чтобы верхние поверхности верхних поясов нахо-
дились в одной плоскости. Далее, на полученную плоскость настилаются стальные профильные листы, служащие несъемной опалубкой и арматурой будущей сталежелезобетонной плиты. Профильные листы укладываются с таким расчетом, чтобы их крайние нижние полки совпадали с полками верхних поясов продольных ферм-ребер. По этим полкам, а также в местах контакта нижних полок остальных гофр листов с верхними полками поперечных ферм, посредством электросварки или пристрелки через профилированные листы производится крепление анкеров ко всем верхним поясам ферм-ребер.
Готовая отправочная марка габаритами 20х2х1 (или в сложенном состоянии 10х2х2 метра) транспортируется и монтируется в проектное положение. После сборки всех монтажных блоков в пределах этажа производится заливка бетона, который после набора прочности, благодаря наличию указанных анкеров, войдет в состав сталежелезобетонной конструкции перекрытия сплоченного коробчатого сечения.
При строительной высоте в один метр конструкции перекрытий могут укладываться в сетку осей вертикальных опор 10 х 20 метров. Здания-мосты практически не имеют конструктивных ограничений по габаритам в плане и по этажности. Примером малопролетного ЗМ с борцовскими залами над железнодорожными путями (рис.2).
По условиям эксплуатационной безопасности, проезжая (мостовая) часть здания-моста отгораживается от остальной его части сплошными железобетонными стенами. При этом образуется туннель, защищающий здание от выхлопных газов автомобилей, их шума и вибраций. По тем же соображениям, подобные, но более мощные, туннели устраиваются под зданиями-мостами, перекрывающими железнодорожные пути.
Средне- и большепролетные конструкции, как отмечалось выше, имеют коробчатое сечение, полками которого служат междуэтажные перекрытия, работающие в направлении главного пролета ЗМ на сжатие на верхних этажах и на растяжение - на нижних.
В качестве стенок коробчатой конструкции могут служить железобетонная балка-стенка, в которой могут быть проёмы ограниченных размеров, или стержневые конструкции в виде стальных ферм; арок или вант, (рис. 3 а,б,в,г), причем, две последние конструкции могут находится, как в пределах габаритов здания, так и выходить из них (рис.4,5). Нагрузка от междуэтажных перекрытий передается в узлы ферм, а на арки и ванты - стойками или подвесами с шагом 2 м, равным ширине малопролетного блока междуэтажного перекрытия (см.рис.1). Совокупность всех указанных стержневых элементов, лежащих в одной плоскости, образует «сквозные» стенки коробчатого сечения средне- и большепролетных конструкций.
Площадь этажа, свободная от опор, в средне- и большепролетных ЗМ определяется по длине размером пролета, перекрываемого главными несущими конструкциями, а по ширине расстоянием между ними. По ширине пролета между главными несущими конструкциями эффективно применять упомянутые выше, конструкции малопролетных ЗМ, опирающиеся на главные несущие конструкции. Их продольные сквозные стенки, соединяемые со стеновыми конструкциями главного пролета, надежно обеспечивают поперечную устойчивость ЗМ.
Как известно, расход материалов на любую пролетную конструкцию пропорционален квадрату перекрываемого пролета. Поэтому проектирование экономичных конструкций ЗМ всегда базируется на выборе минимального пролета, диктуемого природными и сложившимися функциональными условиями подпролетной территории, функциональными требованиями проектируемого здания и технологическими ограничениями возведения здания и изготовления его элементов.
Указанные технологические ограничения в значительной мере относятся к конструкциям большепролетных ЗМ, у которых главные стальные элементы (пояса и крайние раскосы ферм, арки и ванты) испытывают столь значительные усилия, что площади их сплошных поперечных сечений достигают величин порядка 1 м2. Изготовить, транспортировать и смонтировать конструкцию из таких элементов при современном уровне техники чрезвычайно сложно и экономически неприемлемо. Приемлемые конструктивные решения возможны при рациональной увязке их с объемно-планировочными решениями и совмещением несущих и ограждающих функций конструкций здания-моста.
Поскольку здание-мост является пролетным сооружением, важнейшим критерием его объемно-планировочного решения, определяющим возможность его осуществления и расход конструкционных материалов, является отношение высоты ЗМ к его пролету.
В здании-мосте, построенном по конструктивной схеме фермы, имеется возможность разгрузить её пояса, передав значительную часть усилий с них на ста-лежелезобетонные конструкции перекрытий, являющиеся полками коробчатого поперечного сечения дома. В домах, построенных по схеме арки, в качестве затяжек, поэтажно, растяжения могут воспринимать те же междуэтажные перекрытия. В домах, построенных по схеме вант, распорками, работающими на сжатие, также послужат междуэтажные перекрытия.
Означенные меры являются общими для указанных видов конструкций и могут служить основой для проектирования сквозных стенок пролетных конструкций коробчатого сечения. Рассмотрим их на примере ферм. Для многоэтажных ЗМ наиболее целесообразно применять многорешетчатые фермы, узлы пересечения раскосов которых, должны находиться в уровнях междуэтажных перекрытий (Рис.Зб). Такая компоновка фермы позволяет решить две задачи: минимизировать расход материалов на устройство узлов крепления конструкций перекрытий и стен и снизить площади поперечных сечений стержней решетки до размеров, приемлемых по технологии их изготовления на заводах и монтажа на строительной площадке.
Задача достижения приемлемых размеров стоит и при проектировании поясов ферм. Как указывалось выше, при больших пролетах мостов чрезмерны площади поперечных сечений поясов становятся препятствиями для реализации проектов ЗМ. Здесь необходим новый экономический подход к их проектированию, отличающийся от существующего, при котором габариты мостовой пролетной части конструкции и её элементов назначаются из условий минимизации общего расхода материалов на пролет. Поскольку здание-мост, помимо пространства для транспортной функции, включает в себя полезные площади, предназначенные для функций здания, предлагается ввести в основу экономический показатель для обычных зда-
ний - удельный расход, кг/м2, конструкционного материала, например, стали на единицу полезной площади всего здания78.
По расходу конструкционных материалов наиболее эффективными являются стержневые конструкции, испытывающие преимущественно нормальные напряжения растяжения или сжатия по всей площади поперечных сечений элементов. К таковым относятся фермы арки и ванты. Но при больших пролетах и этажности площади поперечных сечений стержней достигают таких значений, что изготовить их, транспортировать и монтировать, как указывалось выше, становится неприемлемо дорого и трудоёмко. Приемлемого результата, по стоимости и трудоемкости возведения здания-моста, можно достичь его рациональным объемно-планировочным и конструктивным решением. Как показывают расчеты, высота ЗМ должна составлять пропорцию к его пролету не менее 1/2,5.
При этом, увеличение этажности, сопровождаемое увеличением расхода конструкционных материалов на объект, не приводит к увеличению их удельного расхода. В этом можно убедиться, рассматривая результаты расчета удельного расхода стали в различных вариантах решения пролетных конструкций - столбцы 5 и 6 таблицы 1
Таблица 1
Ориентировочный удельный расход стали на пролетные конструкции, приведенный к одному квадратному метру площади ЗМ, включающей площадь проезжей части легко-
№ п/п Наименование пролетной конструкции Габариты: длина(пр олет), ширина, высота, м Общая площадь без экспл. крыши, Вес стальной части про-летн. констр., т Удельн. расход стали про-летн. констр. без экс-плуат. крыши, кг/м.кв
с экс-
с экспл. крышей м.кв. плуат. крышей, кг/м.кв.
1 2 3 4 5 6
2 Монтажный блок перекрытия мало-го моста или междуэтажного перекрытия ЗМ 20 х 2 х 1 40 2,2 -6" 55 - 150"
3 Одноэтажный ЗМ 50х20х5 1000 261 261
2000 130
4 Пятиэтажный ЗМ 50 х20 х 5000 488 98
20 6000 81
5 Двенадцатиэтажный ЗМ 50 х 20 х 50 12000 1005 84
13000 77
6 Одноэтажный ЗМ 100х20х 2000 890 445
5 4000 222
7 Десятиэтажный ЗМ 100 х 20 х 20000 2375 119
40 22000 108
8 Двадцатипятиэтажный ЗМ50х50 100 х 20 х 54000 4628 90
100 56000 89
X X О го А С.
X
го т
о
Примечание: 6 и 150 - вес стальной части и удельный расход стали для тяжелого пролетного строения.
м о м о
о см о см
В шестом столбце таблицы 1, для каждого здания, показано два значения удельного расхода стали: верхнее - при неэксплуатируемой кровле, нижнее - при эксплуатируемой. Удельный расход стали состоит из суммы удельного расхода на пролетную конструкцию междуэтажного перекрытия (величина равная 55 кг/м2 и независимая от этажности и пролета главной конструкции) и конструкцию главного пролета (величина, зависимая от пролета и высоты здания).
Как видно, удельный расход конструкционных материалов в одноэтажных ЗМ (столбец 6, строки 3 и 6) значительно выше удельного расхода в многоэтажных средне- и большепролетных Зм (строки 5 и 8). К тому же, расчеты показывают, что размеры поперечных сечений поясов при повышении этажности уменьшаются до размеров, приемлемых в современных технологиях производства.
Из изложенного можно сделать вывод, что возведение зданий-мостов при современном уровне развития техники вполне реально и экономически целесообразно при отношении высоты ЗМ к его пролету не менее 1/2,5
Рис.1 Монтажный блок перекрытия малопролетного здания- моста
О Ш
т х
Рис.2 Малопролетное здание- мост над железной дорогой с комплексом борцовских залов. Арх. Чемидова Н. а. б.
3
<
т о х
X
Рис. Схемы зданий-мостов: а- балка, б- ферма, в- арка, г-вант
Рис.4 Арочное здание - мост санатория над ущельем в
г.Кисловодске. Арх. Козлов Н.
Рис.5 Вантовое здание -мост с торговым центром над Ярославской железной дорогой в районе станции Лось г.Москва. Арх. Демьяненко А.
Литература
1.Забалуева Т.Р., Кочешкова Е.И. Возможности освоения нерационально используемых городских пространств // Жилищное строительство. 2011.№ 1. С. 10-13. 2.
2. Забалуева Т.Р., Кочешкова Е.И. Исследование возможностей применения новых типов зданий, использующих пространство над занятыми территориями в городской застройке// Вестник МГСУ.2009, № 3. С. 66-70
3.Патент РФ № 2012158047/03, 28.12.2012. Здание-мост // Патент России № 2513230. 2014. Бюл. № 11. / Забалуева Т.Р., Захаров А.А., Молдавский С.С..
4.Патент РФ № 2012158052/03, 28.12.2012. Здание-мост // Патент России № 2513231. 2014. Бюл. № 11. / Забалуева Т.Р., Захаров А.А., Маслова Т.А.
X X
о го А с.
X
го m
о
м о м о
о сч о сч
5.Патент РФ № 2012158046/03, 28.12.2012. Здание-мост // Патент России № 2513229. 2014. Бюл. № 11. / Забалуева Т.Р., Захаров А.А., ВакалюкЮ.Р. 6.Патент РФ № 2012158054/03, 28.12.2012. Здание-мост // Патент России № 2514075. 2014. Бюл. № 11. / Забалуева Т.Р., Захаров А.А., Лепешкина.Д.А.
7.Забалуева, Т.Р. Здания-мосты - решение проблемы автомобильных пробок в крупнейших горо-дах/Т.Р. Забалуева, А.В. Захаров, Е.И. Кочеш-кова//Промышленное и гражданское строительство. -2013. - № 9. - с. 32-35.
8.Захаров А.В., Флейшман С.Л. Совершенствование улично-дорожных сетей посредством зданий-мо-стов/А.В. Захаров, С.Л. Флейшман//Промышленное и гражданское строительство. - 2016. - №6. - С. 52.
The constructive basis of modern NBZ and their economic
justification Zakharov A.V.
National Research Moscow State Construction University Bridge buildings to a large extent solve the two most difficult problems of large cities: constantly occurring traffic jams and a catastrophic lack of free territory for development. At the same time, the construction of bridges over various long-term obstacles of anthropogenic (roads and railways) and natural nature (rivers, ravines, etc.) remains one of the most necessary tasks for the formation of a city transport network. Most often it is railway tracks that have to be overcome with the help of such structures. So, for example, in Moscow, access roads to railway stations located near the city center and industrial zones located within the city, divided the urban street-road network into large sectors, transport little connected. The total length of these roads exceeds a hundred kilometers, each of which requires several bridges to stitch together the urban street-road network, which leads to the need to build hundreds of bridges. The construction of traditional bridges falls entirely financially on state structures, without giving direct economic returns. Due to the limited state financial resources, their construction stretches for many years. To quickly solve the problem, it is proposed to attract foreign investment by building a new type of structures-"bridge buildings". The bridge part of the structure is included in the city transport network, and the areas of the building's premises, which bring quick income, are transferred to the investor. Thereby, the second problem is solved-the lack of free territories for development. Key words: low-span, medium- and long-span structures of bridge buildings, relative construction height, specific consumption of steel, layout of structural systems, economic feasibility.
References
1.Zabalueva T.R., Kocheshkova E.I. Opportunities for the development of irrationally used urban spaces □□ Housing. 2011.No 1. S. 10-13. 2.
2. Zabalueva TR, Kocheshkova E.I. Investigation of the possibilities of using new types of buildings using space above occupied territories in urban development городской Vestnik MGSU.2009, No 3. P. 66-70
3. RF patent No. 2012158047/03, December 28, 2012. The bridge
building // Patent of Russia No. 2513230. 2014. Bull. No. 11. / Zabalueva T.R., Zakharov A.A., Moldavsky S.S.
4. RF patent No. 2012158052/03, December 28, 2012. The bridge
building // Patent of Russia № 2513231. 2014. Bull. No. 11. / Zabalueva T.R., Zakharov A.A., Maslova T.A.
5. RF patent No. 2012158046/03, December 28, 2012. The bridge
building // Patent of Russia № 2513229. 2014. Bull. No. 11. / Zabalueva T.R., Zakharov A.A., Vakalyuk Yu.R. 6. RF patent No. 2012158054/03, December 28, 2012. The bridge building // Patent of Russia No. 2514075. 2014. Bull. No. 11. / Zabalueva T.R., Zakharov A.A., Lepeshkina.D.A.
7.Zabalueva, T.R. Bridge buildings - solving the problem of traffic jams in major cities / T.R. Zabalueva, A.V. Zakharov, E.I. Kocheshkova // Industrial and civil construction. - 2013. - No. 9. - p. 32-35.
8.Zakharov A.V., Fleishman S.L. Improving road networks through building bridges / A.V. Zakharov, S.L. Fleishman // Industrial and Civil Engineering. - 2016. - No. 6. - S. 52.
О Ш
m x
<
m о x
X
