CC BY
96Научно-технический и производственный журнал
-------жилищн
СТРОИТЕ!
УДК 728.001
С.Н. ОВСЯННИКОВ, д-р техн. наук, П.Н. СЕМЕНЮК, канд. техн. наук, А.Н. ОВСЯННИКОВ, канд. техн. наук, В.Н. ОКОЛИЧНЫЙ, канд. техн. наук ([email protected])
Томский государственный архитектурно-строительный университет (634003, г. Томск, Соляная пл., 2)
Объемно-планировочные, конструктивные и инженерные решения каркасной универсальной
архитектурно-строительной системы
Рассматриваются особенности объемно-планировочных решений новой каркасной универсальной полносборной архитектурно-строительной системы КУПАСС, разработанной по проекту 02.G25.31.002 Минобразования России «Разработка и запуск в производство технологии строительства энергоресурсосберегающего жилья экономического класса на основе универсальной полносборной каркасной конструктивной системы». Система КУПАСС является сейсмостойкой и выгодно отличается универсальностью от существующих бескаркасных и каркасных архитектурно-строительных систем, позволяет проектировать из унифицированных конструктивных элементов как жилые, так и общественные здания различного функционального назначения с самыми разнообразными объемно-планировочными решениями и конструктивными решениями, которые обладают высокой энергоэффективностью.
Ключевые слова: объемно-планировочные решения, жилые здания, общественные здания, каркасная универсальная сейсмостойкая система, встроенно-пристроенные помещения, свободные планировочные решения, энергоэффективность.
Для цитирования: Овсянников С.Н., Семенюк П.Н., Овсянников А.Н., Околичный В.Н. Объемно-планировочные, конструктивные и инженерные решения каркасной универсальной полносборной архитектурно-строительной системы // Жилищное строительство. 2017. № 6. С. 11-19.
полносборной
S.N.OVSYANNIKOV, Doctor of Sciences (Engineering), P.N. SEMENYUK, Candidate of Sciences (Engineering), A.N. OVSYANNIKOV, Candidate of Sciences (Engineering),V.N. OKOLICHNY, Candidate of Sciences (Engineering), ([email protected]) Tomsk State University of Architecture and Building (2, Solyanaya Square, 634003 Tomsk, Russian Federation)
Space-Planning, Structural and Engineering Decisions of Frame Universal Prefabricated Architectural-Construction System
The article discusses the features of space-planning decisions of a new frame universal prefabricated architectural-construction system CUPASS developed according to the project 02.G25.31.002 of the Ministry of Education of Russia "Development and launch of construction technology of energy-saving housing of economic class on the basis of universal prefabricated frame structural system". The CUPASS system is earthquake resistant and has an obvious universality advantage over the existing frameless and frame architectural-construction systems that make it possible to design, on the basis of unified structural elements, both residential and public buildings of different functional purposes with a variety of spatial-planning and structural decision which have high energy efficiency.
Keywords: space-planning decisions,, residential buildings, public buildings, earthquake resistant frame universal system, built-in and attached premises, free planning decisions, energy efficiency.
For citation: Ovsyannikov S.N., Semenyuk P.N., Ovsyannikov A.N., Okolichny V.N. Space-planning, structural and engineering decisions of frame universal prefabricated architectural-construction system. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 6, pp. 11-19. (In Russian).
В настоящее время для строительства гражданских зданий применяются три основные архитектурно-строительные системы: крупнопанельная бескаркасная, каркасно-панель-ная сборная и каркасно-монолитная. Все они имеют свои конструктивные особенности, плюсы и минусы. Объемно-планировочные решения в значительной степени зависят от шага и пролета основных несущих конструкций - стен или элементов каркаса.
Каркасная универсальная полносборная архитектурно-строительная система (КУПАСС) сочетает в себе новые конструктивные решения полносборного и сейсмостойкого каркаса здания [1-7], наружные конструкции с высокой теплозащитой [8], современные инженерные системы жизне-
62017 ^^^^^^^^^^^^^
обеспечения [9]. Производство конструктивных элементов основано на разработанных новых рецептурах и технологиях производства высокомарочных тяжелых и легких конструкционных бетонов [6-7]. Система КУПАСС имеет целый ряд функциональных, объемно-планировочных и конструктивных преимуществ по сравнению с используемыми сегодня домостроительными системами.
Так, для сейсмостойких крупнопанельных жилых домов наиболее характерна бескаркасная перекрестно-стеновая конструктивная схема с несущими внутренними поперечными и одной или несколькими средними продольными стенами. При сейсмичности до 6 баллов предпочтительна поперечно-стеновая конструктивная схема со смешанным
- 11
Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Планировочное решение крупнопанельного жилого дома 464-й серии
Рис. 2. Планировочное решение крупнопанельного жилого дома 75-й серии
12
6'2017
Научно-технический и производственный журнал
шагом несущих поперечных стен. Наружные продольные стены при этой схеме, как правило, являются самонесущими. При этом для домов первых массовых серий характерен был малый шаг поперечных несущих стен (2,6 и 3,2 м) и пролет 5,1 м. Для современных серий крупнопанельных жилых домов шаг увеличен до 3,2-6,4 м, а пролеты до 6 м. При таких размерах площади помещений не могут быть большими, а планировочные решения не отличаются разнообразием (рис. 1, 2). Известны основные недостатки планировочных решений домов первых массовых серий: наличие проходных комнат, совмещенные санузлы, маленькие кухни и жилые комнаты, практически отсутствие прихожей. В современных сериях крупнопанельных домов данные недостатки устранены, но планировка квартир в таких домах отличается однообразием, отсутствием свободы архитектурных решений. Кроме того, во встроенных помещениях таких домов в рамках существующих несущих стен очень трудно разместить помещения общественного назначения, требующие больших площадей и различных функциональных взаимосвязей.
Каркасные архитектурно-строительные системы имеют значительно большую свободу планировочных решений. В практике строительства получили наибольшее распространение полносборные серии: 1.020-1/87 (ИИ 04); КУБ 2,5 и КАСКАД (Томская домостроительная компания). Основными несущими элементами в этих системах являются колонны, шаг и пролет которых составляют: в серии 1.020-1/87 (ИИ 04) - 6 м (3 м); в КУБе 2,5 - 3 и 6 м; в КАСКАДе - от 3 до 6,3 м. Система КУБ 2,5 является безригельной, а 1.020-1/87 (ИИ 04) и КАСКАД - ригельными. Данные конструктивные особенности и определяют предельные значения шага и пролета колонн. При этом система 1.020-1/87 (ИИ 04) изначально разрабатывалась для проектирования
Рис. 3. Фрагмент план этажа здания системы 1.020-1/87(ИИ 04)
Рис. 4. Планировочное решение жилого дома системы КУБ 2,5 6'2017
Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. План типового этажа жилого дома системы КАСКАД
и строительства общественных и производственных зданий (рис. 3), а системы КУБ 2,5 и КАСКАД - для жилых зданий с возможностью устройства в них встроенно-пристроенных помещений общественного назначения (рис. 4, 5).
В данных системах свобода планировочных решений обеспечена отсутствием несущих поперечных и продольных стен. При этом если в системах 1.020-1/87 (ИИ 04) и КУБ 2,5 остаются неизменными шаг и пролет, то в системе КАСКАД можно изменять величину шага, пролета и конфигурацию самого здания, что позволяет получать более гибкие планировочные решения.
Рассмотренные каркасные архитектурно-строительные системы имеют хорошие планировочные возможности, но заложенные в них конструктивные решения не являются достаточно универсальными и не позволяют их использовать одинаково для строительства как жилых, так и общественных зданий.
Каркасная универсальная полносборная архитектурно-строительная система КУПАСС разработана в Томском государственном архитектурно-строительном университете (ТГАСУ) совместно с ОАО «Томская домостроительная компания» (ОАО ТДСК) при участии АО «Иркутский Пром-стройпроект». Эта система позволяет из одного и того же набора строительных конструкций проектировать и строить жилые и общественные здания различного назначения. При
принятом шаге колонн 6,7 м пролет может быть от 2,1 до 7,2 м. Используемая сетка колонн может быть и больше, при этом планировочные решения помещений и здания в целом могут быть самыми разнообразными, зависящими только от требований заказчика, назначения и фантазии архитектора (рис. 6-11).
Особенностью конструктивной системы КУПАСС является технология сборки узлов соединения основных несущих элементов с применением обжимных муфт [10], до настоящего времени применявшаяся только в монолитном строительстве. Для сборного домостроения использование данной технологии потребовало исследований деформаций и перемещений элементов, возникающих в процессе обжатия муфт. Подбор обжимного оборудования, режимов и разработка специальной технологической оснастки позволили решить данную проблему и существенно уменьшить объемы сварочных работ при монтаже. Еще одной особенностью конструктивной системы КУПАСС является использование специальных резинометаллических опор, позволяющих увеличить сейсмостойкость жилого дома до 8 баллов. При этом сам рамно-связевый каркас обеспечивает сейсмостойкость зданий в 7 баллов, что позволяет использовать данную архитектурно-конструктивную систему на большей части территории Сибири без дополнительной сейсмоизоляции.
14
62017
Научно-технический и производственный журнал
Для апробации системы КУПАСС были запроектированы 12-этажный трехсекционный дом-представитель (рис. 12) и 3-этажный односекционный испытательный фрагмент здания (рис. 13).
При разработке новой архитектурно-строительной системы для жилищного строительства в суровом климате Сибири изначально была поставлена задача обеспечить наивысший класс энергосбережения. Эта задача была обеспечена принципиально новыми конструктивными решениями наружных стен, применением окон с высоким сопротивлением теплопередаче и использованием системы автоматизированного управления и учета потребления тепловых ресурсов в сочетании с рекуперацией тепловой энергии удаляемого воздуха в системе вентиляции.
При решении наружных стен применена система поэтажного опирания наружных стеновых панелей на специальные конструктивные элементы - терморазрывы, что позволило максимально облегчить конструкции наружных стен и при этом увеличить толщину эффективного утеплителя (пенополистирол ПСБС-25) до 240 мм. В панелях отсутствуют жесткие ребра, в противопожарных целях по контуру проемов и самих панелей при изготовлении панелей на стенде устанавливаются вкладыши из полужесткой минераловатной плиты. Панели имеют наружную и внутреннюю керамзитобетонные ветви толщиной 80 мм каждая и связаны между собой стеклопла-стиковыми гибкими связями; общая толщина панелей 400 мм. Панели изготавливаются на заводе на технологической линии «Мескептапп». Конструкции наружных
Рис. 6. План первого этажа жилого дома системы КУПАСС
Рис. 7. План типового этажа жилого дома системы КУПАСС 6'2017 ^^^^^^^^^^^^^^
Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 9. План подземной парковки под жилым домом системы КУПАСС
16
6'2017
Научно-технический и производственный журнал
-------жилищн
СТРОИТЕ!
Рис. 10. План первого этажа детского сада на 140мест системы КУПАСС
Рис. 11. План первого этажа школы системы КУПАСС
6'2017
17
Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 12. Общий вид трехсекционного дома-представителя системы КУПАСС
стеновых панелей обеспечивают приведенное сопротивление теплопередаче 3,88 м2-°С/Вт, что было установлено расчетами трехмерных температурных полей в программе Temper 3D, а затем подтверждено лабораторными испытаниями в климатических камерах ТГАСУ и в натурных условиях на трехэтажном испытательном фрагменте. Фрагмент здания специально построен ОАО «Томская домостроительная компания» для проведения сейсмических и статических силовых испытаний, а также для проведения теплофизиче-ских, акустических и светотехнических исследований, которые были выполнены совместно с ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и НИИСФ РААСН [11, 12].
Увеличение тепловой защиты наружных ограждающих конструкций позволяет достичь в многоэтажных многоквартирных зданиях класса энергосбережения до «В+». Дальнейшее увеличение класса энергосбережения достигается энергоэффективными системами отопления и вентиляции. В системе КУПАСС применены специальные коммуникационные шахты, расположенные в лестничной клетке, в которых размещены стояки не только водоснабжения и канализации, но и отопления. Применение вертикально-горизонтальной системы отопления позволяет установить приборы учета и управления потреблением тепла на каждую квартиру. Это позволяет мотивировать потребителей в экономии тепла. В каждой квартире установлены гигрорегулируемые приточные клапаны, обеспечивающие автоматическое управление воздухообменов в зависимости от присутствия людей. Эта система в сочетании с принудительным удалением воздуха через вентшахты в специальную венткамеру с рекуператором позволяет существенно снизить теплопотери, связанные с неорганизованным воздухообменом. Использование
Рис. 13. Общий вид испытательного фрагмента здания системы КУПАСС
рекуператора позволяет обеспечить теплом лестнично-лиф-товой узел блок-секции. Применение ограждающих конструкций с высоким приведенным сопротивлением теплопередаче в сочетании с энергоэффективным инженерным оборудованием позволило получить расчетный показатель теплопотребления запроектированным домом-представителем ql°т=0,06 Вт/(м3-°С), что значительно ниже нормативной удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоквартирных 12-этажных зданий по СП 50.13330.2012 qтр°т=0,29 Вт/(м3-оС). В соответствии с энергетическим паспортом 12-этажное здание дома-представителя по системе КУПАСС следует отнести к классу энергосбережения А++ (очень высокий).
Каркасная универсальная полносборная архитектурно-строительная система КУПАСС позволяет проектировать и строить современные здания самого разнообразного функционального назначения, а учитывая, что эта система отличается легкостью монтажа конструктивных элементов, возможностью строительства зданий в сейсмических районах, а также высоким классом энергосбережения и архитектурно-художественной выразительностью, она получит широкое распространение.
Список литературы
References
1. Овсянников С.Н., Околичный В.Н. Новая каркасная универсальная полносборная сейсмостойкая конструктивная система. Инвестиции, строительство и недвижимость
как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики: Материалы Пятой Всероссийской научно-практической конференции с международным
участием, 10-13 марта 2015 г. Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2015. С. 36-43.
1. Ovsyannikov S.N., Okolichny V.N. New frame universal préfabrication aseismic constructive system. Investments, construction and real estate as material basis of modernization and innovative development of economy: materials of the Fifth All-Russian scientific and practical conference with the international participation, on March 10-13, 2015. Tomsk State architectural and construction university. 2015, pp. 36-43. (In Russian).
18
62017
Научно-технический и производственный журнал
2. Копаница Д.Г., Капарулин С.Л., Данильсон А.И., Устинов А.М., Усеинов Э.С., Шашков В.В. Динамическая прочность и деформативность узла сопряжения железобетонного каркаса // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 5 (52). С. 57-63.
3. Балдин И.В., Гончаров М.Е., Балдин С.В., Тигай О.Ю. Экспериментальные исследования стыков сборных железобетонных колонн каркаса конструктивной системы «КУПАСС» на действие статических нагрузок // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 5 (52). С. 64-71.
4. Балдин И.В., Уткин Д.Г., Балдин С.В. Исследование работы узлов сопряжения колонны и несущих ригелей системы «КУПАСС» // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 5 (52). С. 72-79.
5. Кабанцев, О.В., Гонтарук, А.А. О некоторых особенностях поведения сейсмостойких зданий в зонах тектонических нарушений (на примере Шикотанского 1994 г. землетрясения). Вторая Национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию. Сочи. 1997. Октябрь. С. 9-10.
6. Стешенко А.Б., Кудяков А.И. Оптимизация технологических приемов приготовления пенобетонной смеси // Актуальные проблемы современности. 2016. № 2 (12). С. 197-202.
7. Кудяков А.И., Абакумов А.Е. Технологические решения производства керамзитового гравия повышенной прочности из глинистого сырья Томской области // Вестник Евразийского национального университета им. Л.Н. ГГумилева. 2016. Ч. 2. № 4 (113). С. 404-410.
8. Овсянников С.Н., Самохвалов А.С. Теплотехнические и звукоизоляционные характеристики наружных и внутренних ограждающих конструкций зданий системы КУПАСС. Инвестиции, строительство и недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики: Материалы VI Международной научно-практической конференции. Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2016. Ч. 2. С. 48-53.
9. Куликов В.В., Толстых А.В., Пенявский В.В. Сравнение энегоэффективности различных вариантов организации вентиляции в зданиях // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 5 (52). С. 151-161.
10. Осипов С.П., Клименов В.А., Батранин А.В., Штейн А.М., Прищепа И.А. Применение цифровой радиографии и рентгеновской вычислительной томографии при исследовании строительных конструкций и в строительном материаловедении // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 6. С. 116-127.
11. Бубис А.А., Петросян А.Е., Петряшев Н.О., Петряшев С.О. Натурные динамические испытания на сейсмостойкость архитектурно-строительной системы КУПАСС // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2016. № 2. С. 13-23.
12. Умнякова Н.П., Егорова Т.С., Андрейцева К.С., Смирнов В.А., Лобанов В.А. Новое конструктивное решение сопряжения наружных стен с монолитными междуэтажными перекрытиями и балконными плитами // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 28-31.
6'2017 ^^^^^^^^^^^^^^
2. Kopanitsa D.G., Kaparulin S.L., Danilson A.I., Ustinov A.M., Useinov E.S., Shashkov V.V. Dynamic durability and deformativnost of knot of interface of a reinforced concrete framework. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2015. No. 5 (52), pp. 57-63. (In Russian).
3. Baldin I.V., Goncharov M.E., Baldin S.V., Tigay O.Yu. Pilot studies of joints of combined reinforced concrete columns of a framework of the constructive KUPASS system on action of static loadings. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2015. No. 5 (52), pp. 64-71. (In Russian).
4. Baldin I.V., Utkin D.G., Baldin S.V. A research of work of knots of interface of a column and the bearing crossbars of the KUPASS system. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2015. No. 5 (52), pp. 72-79. (In Russian).
5. Kabantsev O.V., Gontaruk A.A. About some features of behavior of aseismic buildings in zones of tectonic violations (on the example of the Shikotan 1994 of an earthquake). Second National conference on aseismic construction and seismic division into districts. Sochi. 1997. October, pp. 9-10. (In Russian).
6. Steshenko A.B., Kudyakov A.I. Optimization of processing methods of preparation of foam-concrete mix. Aktuafnye problemy sovremennosti. 2016. No. 2 (12), pp. 197-202. (In Russian).
7. Kudyakov A.I., Abakumov A.E. Technology solutions of production of ceramsite gravel of the increased durability from clay raw materials of the Tomsk region. Vestnik Evraziiskogo natsional'nogo universiteta im. L.N. Gumileva. 2016. Part 2, No. 4 (113), pp. 404-410. (In Russian).
8. Ovsyannikov S.N., Samokhvalov A.S. Heattechnical and sound-proof characteristics of the external and internal protecting structures of buildings of the KUPASS system. Investments, construction and real estate as material basis of modernization and innovative development of economy: materials VI of the International scientific and practical conference. Tomsk state architectural and construction university, 2016. Part 2, pp. 48-53. (In Russian).
9. Kulikov V.V., Tolstykh A.V., Penyavskii V.V. Comparison of an enegoeffektivnost of various options of the organization of ventilation in buildings. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2015. No. 5 (52), pp. 151-161. (In Russian).
10. Osipov S.P., Klimenov V.A., Batranin A.V., Shteyn A.M., Prishchepa I.A. Application of digital radiography and a x-ray computing tomography at a research of building constructions and in construction materials science. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2015. No. 6, pp. 116-127. (In Russian).
11. Bubis, A.A., Petrosyan, A.E., Petryashev, N.O., Petrya-shev S.O. Natural dynamic tests for seismic stability of the KUPASS architectural and construction system. Seismostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost sooruzhenii. 2016. No. 2, pp. 13-23. (In Russian).
12. Umnjakova N.P., Egorova T.S., Andrejceva K.S., Smir-nov V.A., Lobanov V.A. New constructive solution of interface of external walls to monolithic interfloor overlappings and balcony plates. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2013. No. 6, pp. 28-31. (In Russian).
- 19
