Модернизация конструктивных систем каркасных малоэтажных многоквартирных жилых домов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Модернизация конструктивных систем

каркасных малоэтажных многоквартирных жилых домов

да

о

см

I-«. О!

О Ш

т

X

<

т о х

X

Ратомская Вера Сергеевна,

магистр, кафедра технологии и организации строительного производства, Институт строительства и архитектуры (ИСА), Московский государственный строительный университет (национальный исследовательский университет),

[email protected]

Топчий Дмитрий Владимирович,

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и организации строительного производства, Московский государственный строительный университет (Национальный исследовательский университет), [email protected]

Лапидус Азарий Абрамович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии и организации строительного производства, Московский государственный строительный университет (Национальный исследовательский университет)

В данной работе рассматривается проблема модернизации каркасных систем при устройстве малоэтажных многоквартирных домов, как в одной из областей, выходящей на ведущие позиции в отечественной строительной индустрии. Это подтверждается данными мониторинга Министерства строительства Российской Федерации, что в условиях рецессии в строительной индустрии, именно малоэтажное многоквартирное строительство помогает сохранить объемы активности данной отрасли. С помощью поликритериального анализа, критериями которого являются трудоемкость, скорость возведения, стоимость строительства, экологичность применяемых материалов, производится отбор наиболее перспективных конструктивных систем. По результатам из выбранных технологий строительства, методом экспертной оценки выбирается одна лидирующая из представленных: деревянная каркасно-стоечная система, комбинация легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) и структурных изоляционных панелей (СИП), монолитный железобетон и технология полносборного деревянного дома. В работе представлен расчет по выбранному методу анализа. Результаты оценки подвергаются статистической проверке с использованием критерия согласия Пирсона для установления достаточной степени согласованности мнений экспертов и признания выборки данных репрезентативной. В выводе работы приводятся достоинства и недостатки выбранной системы, а также обозначаются направления дальнейших исследований данного вопроса. Ключевые слова: малоэтажное домостроение, модернизация каркасной системы, метод экспертной оценки, определение согласованности мнений экспертов, технология полносборного деревянного дома, выбор оптимальной конструктивной системы.

По данным мониторинга Минстроя РФ, в условиях рецессии в строительной индустрии именно малоэтажное многоквартирное строительство помогает сохранить объемы активности данной отрасли. Маркетинговые исследования устанавливают экономичность и высокую скорость возведения жилых домов с каркасной системой [1]. Таким образом, выбранное направление является одним из ведущих, однако, существует необходимость модернизации конструктивных систем каркасных малоэтажных многоквартирных жилых домов с технологической, организационной и моральной точки зрения.

Традиционные технологии устройства несущих конструктивных элементов предполагают использование искусственного мелкоразмерного камня, мелких блоков, монолитного или сборного железобетона, дерева или металла [2]. Производство работ и с использованием перечисленных материалов является традиционной для отечественного домостроения и серьезных проблем при выполнении строительно-монтажных работах не возникает. При этом вышеназванные материалы являются универсальными и могут использоваться как при возведении малоэтажных жилых зданий, так и при многоэтажном строительстве, и некоторые больше подходят для многоэтажных, чем для малоэтажных домов. Кроме того, при использовании ряда материалов для малоэтажных многоквартирных зданий, для некоторых технологий характерен большой запас несущей способности, при котором эксплуатационный срок здания значительно превышает срок морального устаревания. При этом при возведении таких домов трудозатраты увеличиваются, что несет за собой увеличение сметной стоимости строительства.

Альтернативными системами для возведения малоэтажных домов, как наиболее перспективными, являются: деревянная каркасно-стоечная система, комбинация легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) и структурных изоляционных панелей (СИП), монолитный железобетон и каркасные дома по полносборной технологии - вариант использования метода «платформы» в категории кар-касно-щитовых деревянных домов [3], [4], [5].

Данная технология предусматривает укладку в щиты коммуникаций и теплоизоляции. Кроме этого, возможно заполнение оконных проемов и первичной (черновой) отделки стен. Все указанные операции производятся в заводских условиях [6], а затем на строительной площадке осуществляется поэлементный монтаж.

Основное исследование. Для реализации строительных проектов необходимо контролировать качество и надежность выполнения работ, в особенности целесообразность выбираемых организационно-технологических решений [7]. В настоящее время проводится достаточно много исследований, посвященных строительству малоэтажных многоквартирных домов. В них рассматриваются проблемы выбора материалов, технологических и организационных решений [8].

Не менее важным фактором является выбор той или иной технологии, положенной в основу проектных решений. Для отбора систем к сравнению был произведен их предварительный количественный поликритериальный анализ.

Обобщенными критериями сравнения выступили:

• Трудоемкость (чел-ч);

• Скорость строительства (часы);

• Стоимость строительства (рубли, включая затраты на материалы и производство работ);

• Экологичность применяемых материалов (нагрузка на окружающую среду в г/м2 только на стадии эксплуатации жизненного цикла материала; опущены стадии добычи сырья, изготовления материала и его ликвидации).

К сравнению были приняты технологические составляющие конструктивов, включающие устройство как несущих, так и ограждающих конструкций для перевода сравниваемых систем в плоскость равных условий.

Результаты первичного сравнения с обобщением данных приведены в Таблицах 1, 2.

Таблица 1

Расчет параметров количественного поликритериального сравнения

№ п/п Наименование конструктивной системы ТРУДОЕМКОСТЬ СКОРОСТЬ ВОЗВЕДЕНИЯ СТОИМОСТЬ ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

Чел-час, за 1 м2 стен + 1 м2 перекрытия Час, на 1м2 стен + 1м2 перекрытия Руб, за 1м2 стен + 1м2 перекрытия, материалы и работа Эквивалент выбросу CO2 и SO2, г/м2

Деревянные системы

1 Каркасно-рамочная Стены - несущий каркас 150х50+утепление 150мм + обшивка ОСП по мембране + подшивка паро-гидроизоляцией Перекрытия -по деревянным балкам 50х150 + утепление 2.2+1.3 = 3.5 1.2 640+400 = 1040 620+880 = 1500 2540 1398

50мм + подшивка парогид-роизоляцией + настил 100х25

2 Технология Платформа Стены - см. 1 Перекрытия -см. 1 2.2+1.3 = 3.5 1.2 640+400 = 1040 710+880= 1590 2630 1398

3 Технология SIP Стены - СИП по каркасу из бруса 150х100 Перекрытия -СИП по брусу 150х50 0.7+0.5 = 1.2 0.5 1040+990= 2030 400+400 = 800 2830 1398

4 Технология i-SIP Стены - СИП по каркасу из деревянных двутавров Перекрытия -СИП по двутавровым балкам 0.7+0.5 = 1.2 0.5 990+970 = 1960 400+400 = 800 2760 1398

5 Полносборный деревянный дом Стены - панели максимальной заводской готовности Перекрытия -панели максимальной заводской готовности 0.4+0.4 = 0.8 0.4 1150+1260 = 2410*0,8 = 1930 200+200 = 400 2330 1434

6 Стоечно-балочная Стены - несущий усиленный каркас 150х150 + утепление 150мм + обшивка ОСП по мембране + подшивка паро-гидроизоляцией Перекрытия -по деревянным балкам 50х200 + утепление 50мм + подшивка парогид-роизоляцией + настил 100х25 2.4+1.3 = 3.7 1.2 1060+440= 1500 620+880 = 1500 3000 1398

Металлические системы

7 ЛСТК Стены - каркас из ЛСТК + утепление 150мм + обшивка ГВЛ по мембране + подшивка паро-гидроизоляцией Перекрытия -С-образные профиля + утепление 50мм + проф-настил Н60 + подшивка паро-гидроизоляцией 2.2+1.1 = 3.3 1.1 870+820 = 1690 620+880 = 1500 3190 1548

8 ЛСТК + СИП Стены - каркас из ЛСТК + обшивка СИП Перекрытия -С-образные профиля + СИП 0.6+0.5 = 1.1 0.5 1270+1210 = 2480 400+400 = 800 3280 1548

Железобетонные системы

9 Монолитный Стены - ГСБ 375мм Перекрытия -Монолитный ж/б 0.8+0.9 = 1.7 0.5 без учета технологических перерывов 1320+1600 = 2920 600+620 = 1220 4140 2557

10 Сборный и сборно-монолитный Стены - см. 9 Перекрытия -Сборные ж/б плиты ПНО 0.8+0.1 = 0.9 0.5 1320+1060 = 2380*1.6 = 3810 200+200 = 400 4210 2557

X X О го А JZ

X

го m

о

ю 7

М О

to

Таблица 2

a>

о

CN

I-«. Ol

О Ш

m x

<

m о x

X

№ п/п Наименование конструктивной системы ТРУДОЕМКОСТЬ СКОРОСТЬ ВОЗВЕДЕНИЯ СТОИМОСТЬ ЭКОЛО- ГИЧ-НОСТЬ ИТОГО, баллы

Чел-час, за 1м2 стен + 1 м2 перекрытия Час, на 1 м2 стен + 1м2 перекрытия Руб,за 1м2 стен + 1м2 перекрытия, материалы и работа Эквивалент выбросу CO2 и SO2, г/м2

Деревянные системы

1 Каркасно-рамочная 3,5 4 1 3 11,5

2 Технология Плат-Платформа 3,5 4 2 3 12,5

3 Технология SIP 1,5 1,5 4 3 10

4 Технология i-SIP 1,5 1,5 3 3 9

5 Стоечно-балочная 5 4 5 3 17

Металлические системы

6 ЛСТК 2 2 1 1,5 6,5

7 ЛСТК + СИП 1 1 2 1,5 5,5

Железобетонные системы

8 Монолитный 2 1,5 1 1,5 6

9 Сборный и сборно-монолитный 1 1,5 2 1,5 6

• технологические (трудозатраты и сложность технологии);

• организационные (скорость возведения и обеспеченность ресурсами);

• экономические (стоимость строительства и эксплуатации);

• эксплуатационные (ремонтопригодность и экологичность).

Данные критерии были отобраны на основании информационного анализа из предыдущего опыта исследований малоэтажного строительства.

Для проведения опроса была разработана анкета, представленная на рисунке 1. В столбце [2] ранжируются критерии от 1 (незначительно влиятельный) до 8 (наиболее влиятельный), а затем по восьми приведенным критериям ранжируются в столбцах [3], [4], [5], [6] представленные к сравнению конструктивные системы от 1 (худшие показатели по данному фактору) до 4 (лучшие показатели по данному фактору).

Таким образом, согласно итогам предварительного сопоставления, список принятых к исследованию конструктивных систем будет выглядеть следующим образом:

• Технология ¡-Б1Р - в категории деревянных каркасов.

• Комбинация ЛСТК и СИП - в категории металлических каркасов.

• Монолитный каркас - в категории каркасов из железобетона.

• Также к списку добавится становящаяся популярной в мире технология полносборного деревянного дома.

Все перечисленные выше технологии являются достаточно прогрессивными, и для определения лидирующей из них, воспользуемся методом экспертной оценки, являющимся процедурой получения оценки проблемы на основе мнения специалистов в исследуемой области. Для определения необходимого количества экспертов воспользуемся таблицей, позволяющей вычислить искомую величину в зависимости от вероятности и ошибки среднего. Данная таблица сформирована в процессе обобщения основ статистического анализа математических данных [9].

Приняв ошибку среднего 10% и значение вероятности 0,95, получим минимальное количество экспертов для проведения опроса - 96 человек. Разобьем общее количество экспертов на 8 экспертных групп. При отборе критериев оценивания распределим их на 4 группы:

Рис. 1. Анкета участника экспертного опроса

После того, как все 8 анкет были заполнены, необходимо вычислить дисперсионный коэффициент конкордации W, показывающий меру согласованности мнений экспертных групп.

Среднее значение результатов опроса вычислим по формуле (1):

г = -^х Ъ = £ X £?=1£!=1гг5 =36 (1)

Где г - результат ранжирования, т - количество критериев, d - количество экспертных групп.

Вычислим среднеквадратическое отклонение по формуле (2):

^ = — г)2 = г1Б —

36)2 = 1620 (2)

Где Б - среднеквадратическое отклонение, г -результат ранжирования, т - количество критериев, d - количество экспертных групп.

Коэффициент конкордации лежит в пределах от 0 до 1.

Рассчитаем коэффициент конкордации с учетом отсутствия одинаковых рангов по формуле

(3):

ж 12X5 = ~~~~~~~~~ = 0.603 (3)

а2х(т3-т) 82х(83-8) 4 '

Где W - коэффициент конкордации, Б - сред-неквадратическое отклонение, т - количество критериев, d - количество экспертных групп.

Полученное значение свидетельствует о достаточной степени согласия экспертных групп. Произведем оценку его значимости по критерию Пирсона х2

При отсутствии одинаковых рангов критерий Пирсона вычисляется по формуле (4):

/2=ЙХ(Ш-1)Х^ = 8Х7Х 0.603 = 33.8 (4)

Где W - коэффициент конкордации, т - количество критериев, d - количество экспертных групп.

Определим табличное значение коэффициента Пирсона при вероятности 0,05 и числу степеней свободы к = т-1= 7. Для этого воспользуемся данными значений коэффициента Пирсона, представленными в табличной форме. Табличное значение для вышеназванных параметров равно Х2 = 14.1

Поскольку 14.1 < 33.8, то гипотеза о согласии групп экспертов в ранжировках принимается.

Аналогичной проверке подвергаются все данные, полученные в ходе исследования.

Результаты экспертной оценки по каждому из 8 критериев до их сведения в суммарную таблицу представлены в виде гистограммы (рис. 2).

Рис. 2. Распределение результатов по экспертным группам.

Результаты расчета средневзвешенной оценки по каждой из представленных конструктивных систем и умножении ее на вес критерия, получаем результаты, сведенные в таблицу 3.

Таблица 3

Комбинация ЛСТКи СИП Технология i-SIP Каркас из монолитного железобетона Полносборный деревянный дом

2.48 2.56 1.93 3.03

Согласно проведенному исследованию, лидирующую позицию занимает технология полносборного деревянного дома для возведения каркасных малоэтажных многоквартирных зданий. Данный результат обусловлен многочисленными достоинствами данной системы, заключающимися в быстроте возведения здания, легкости проведения отделочных работ, отсутствии необходимости в высококвалифицированной рабочей силе (как следствие, снижение фонда оплаты труда), хорошими эксплуатационными характеристиками и стойкости к биологическим воздействиям [10]. Низкая распространенность технологии, в свою очередь, обусловлена необходимостью использования грузоподъемных механизмов при монтаже, низкой ремонтопригодностью и, самое важное, высокой стоимостью изготовления изделий и малым разнообразием архитектурных форм.

Пути решения и дальнейшие направления исследования обозначенного вопроса заключаются в повсеместном внедрении данной технологии, что позволит значительно снизить стоимость единицы выпускаемой продукции, а также изготовление щитов каркаса в соответствии с индивидуальным проектом застройщика, что позволит сократить сроки возведения и вероятность монтажной ошибки на стройплощадке до минимума. На данный момент щиты каркасных домов по технологии полносборного деревянного дома изготавливают шаблонно, используя несколько доступных типоразмеров.

Литература

1. Зайнуллина Т.Г. Проблемы и перспективы малоэтажного жилищного строительства // Terra Economicus. 2013. № 4. С. 105-107.

2. Карасев Д.О., Шипилова Н.А., Арутунян М.С. Малоэтажное строительство. Виды строительных материалов для возведения зданий // Интернет-журнал «Науковедение». 2016. № 3. С. 1-6.

3. Субботин О.С. Ресурсосберегающие технологии в архитектуре малоэтажных жилых зданий // Вестник МГСУ. 2009. № 4. С. 247-249.

4. Дьяченко О.С. Особенности строительства мотелей и доступного жилья в Украине по каркасной технологии домостроения ЛСТК // Вестник Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. 2011. № 6-7. С. 65-70.

5. Чотулов В.Ю. Анализ и совершенствование технологии монтажа домокомплектов из SIP в России // Символ науки. 2017. № 04-3. С. 155-160.

6. Шалагин И.Ю., Куриленко Н.И. Исследование и способ повышения эффективности каркас-но-щитовых ограждающих конструкций // Фундаментальные исследования. 2016. № 2. С. 104-108.

7. Лапидус А.А Формирование интегрального потенциала организационно-технологических ре-

х

X

о го А с.

X

го m

о

ю 7

М О

to

а>

о

es

I-«. Ol

шений посредством декомпозиции основных элементов строительного проекта // Вестник МГСУ. 2016. № 12. С. 114-121.

8. Лапидус А.А., Абрамов И.Л. Календарное планирование производства работ при проектной подготовке организации строительства малоэтажных объектов // Научное обозрение. 2017. № 4. С. 6-9

9. Рупосов В.Л. Методы определения количества экспертов // Вестник ИрГТУ. 2015. № 3. С. 286-292

10.Леонович О.К. Повышение долговечности и экологической безопасности стеновых панелей деревянных домов каркасного типа // Труды БГТУ. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2014. № 2. С. 25-29.

Modernization of structural systems of low-rise multi-family

residential buildings Ratomskaya V.S., Topchy D.V., Lapidus A.A.

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University

This paper raises the problem of modernization of frame systems in the construction of low-storeyed apartment buildings, as in the field that leads to the leading positions in the domestic construction industry. This is confirmed by the monitoring data of the Ministry of Construction of the Russian Federation, that in conditions of a recession in the construction industry, it is low-rise multi-apartment construction that helps to preserve the activity volumes of this industry. With the help of polycritical analysis, the criteria of which are labor intensity, construction speed, construction cost, and environmental friendliness of the materials used, the most promising structural systems are selected. According to the results of the selected construction technologies, the expert method selects one of the leading ones presented: wooden frame-rack system, a combination of light steel thin-walled structures (LSTC) and structural insulation panels (CIP), monolithic reinforced concrete and technology of a prefabricated wooden house. The paper presents the calculation for the selected method of analysis. The assessment results are statistically verified using the Pearson's chi-squared test to establish a sufficient degree of consistency of expert opinions and to recognize the data sample as representative. The conclusion shows the advantages and disadvantages of the chosen system, as well as directions for further research on this issue. Keywords: low-storeyed house construction, modernization of the frame system, the expert evaluation method, determination of the consistency of expert opinions, "German" platform technology, the selection of the optimal constructive system.

References

1. Zainullina T.G. Problems and prospects of low-rise housing construction. Terra Economicus. 2013. No. 4. Pp. 105-107. (rus)

2. Karasev D.O., Shipilova N.A., Arutunyan M.S. Low-rise construction. Types of building materials for the construction of buildings. Internet-magazine "Science". 2016. No. 3. Pp. 1-6. (rus)

3. Subbotin O.S. Resource-saving technologies in the architecture of low-rise residential buildings. Vestnik MGSU. 2009. No. 4. Pp. 247-249. (rus)

4. Dyachenko O.S. Features of the construction of motels and affordable housing in Ukraine on the frame technology of housing construction LSTC. Bulletin of the Dnieper State Academy of Civil Engineering and Architecture. 2011. № 6-7. Pp. 65-70. (rus)

5. Chotulov V.Yu. Analysis and improvement of the technology of mounting home sets from SIP in Russia. Symbol of Science. 2017. No. 04-3. Pp. 155-160. (rus)

6. Shalagin I.Yu., Kurylenko N.I. Research and method of increasing the efficiency of frame-panel enclosing structures. Basic Research. 2016. No. 2. Pp. 104-108. (rus)

7. Lapidus A.A. Formation of the integral potential of organizational and technological solutions through the decomposition of the main elements of the construction project. Vestnik MGSU. 2016. No. 12. Pp. 114-121. (rus)

8. Lapidus A.A., Abramov I.L. Calendar planning of works at the project preparation of the organization of construction of low-rise buildings. Scientific Review. 2017. No. 4. Pp. 6-9. (rus)

9. Ruposov V.L. Methods for determining the number of experts. Bulletin of ISTU. 2015. No. 3. Pp. 286-292. (rus)

10. Leonovich O.K. Improving the durability and environmental safety of wall panels of wooden houses of frame type. Proceedings of BSTU. № 2. Forest and wood industry. 2014. No. 2. Pp. 25-29. (rus)

О Ш

m x

<

m о x

X