CC BY
51
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 2 (4)
05.00.00 Технические науки
694.4.074.5
В.В.Стретенцев
Стретенцев Владимир Васильевич - директор учебно-научно-производственного центра «Технопарк Инновационное домостроение» при ДВГТУ. Е-mail: dom_festu@mail.ru
ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ В МАЛОЭТАЖНОМ ДОМОСТРОЕНИИ
Освещается применение деревянного балочно-стоечного каркаса как эффективного решения для строительства экологических домов. Оснащение домостроительного производства компьютеризированными деревообрабатывающими станками и программным обеспечением поэлементного проектирования позволяет наладить серийный выпуск деревянных строительных элементов. На примере экодома «Solar-5M» показано применение данной технологии для производства малоэтажных экологических домов. Использование представленных в статье решений в домостроительном производстве способствует появлению недорогого малоэтажного экологического жилья с высокими показателями качества.
Ключевые слова: деревянное малоэтажное домостроение, экодом, технопарк ДВГТУ, Казанцев Павел Анатольевич, «Solar-5M», Fachwerk, Hundegger, SpeedCut SC2i, CadWork.
Vladimir V. Stretentsev APPLICATION OF INNOVATIVE SOLUTIONS IN CONSTRUCTION
OF LOW-RISE HOUSES
The article deals with the application of wooden post-and-beam frames as an effective decision for building ecological houses. Introducing special equipment of woodworking computer-based machine-tools and the CAD/CAM software will allow house-building organizations to start serial production of wooden building elements. The example of the ecological house Solar-5M shows the application of the given technology for erecting low-rise ecological houses. The usage of the given solutions in house building promotes construction of inexpensive low-rise ecological high quality houses.
Key words: wooden low-rise house, ecological house, FENTU-Technopark, Pavel Kazantsev, Solar-5M, Fachwerk, Hundegger, SpeedCut SC2i, CadWork.
Введение
С началом третьего тысячелетия мировая экономика претерпевает глобальные потрясения. Наиболее повлияли на домостроение рост стоимости энергоносителей и мировой банковский кризис. Эти и другие неблагоприятные факторы, с одной стороны, негативно влияют на домостроение как на отрасль экономики, снижая объемы производства, с другой стороны, являются стимулом для введения новых и казавшихся ранее нецелесообразными решений в домостроение. Повышение энерготарифов заставляет строить энергоэффективные здания, а кризис в кредитной системе налагает жесткие ограничения на сроки строительства и его стоимость. Также к строительству предъявляются все более высокие экологические требования. Сегодня необходимо учитывать влияние на окружающую среду всех этапов создания объекта: производство стройматериалов и строительных конструкций, строительство домов, их эксплуатацию, утилизацию стройматериалов после реконструкции или сноса объекта. Необходимо учитывать влияние строящегося объекта на микроклимат на застраиваемой и прилегающих территориях. Становится востребованным использование альтернативных источников энергии для поддержания комфортных условий внутри помещений. Все это - далеко не полный перечень новых требований к строительству домов, приведших к необходимости введения инноваций в строительную отрасль, в частности, в малоэтажное строительство.
Цель данной статьи - показать инновационные решения в малоэтажном домостроении, использование которых поможет развитию строительства недорогого, современного, высококачественного экологического жилья. Применение деревянного балочно-стоечного каркаса для возведения домов не типично для России, где преобладает строительство малоэтажного жилья с несущими стенами. В статье показаны преимущества деревянного балочно-стоечного каркаса для производства деталей дома в заводских условиях с использованием современных компьютеризированных деревообрабатывающих станков и последних версий конструкторского программного обеспечения. При таком подходе
разработанная на компьютере конструкция дома в дальнейшем поэлементно изготавливается на компьютеризированном станке с высокой точностью.
К 2009 г. в России установлено лишь несколько подобных комплексов по производству деревянных строительных деталей. Увеличение доли предприятий, обладающих такими комплексами, существенно повлияет на качество деревянного домостроения в стране. Применение рассматриваемых в работе инновационных решений позволит получить дома с такими показателями качества сборки, которых ранее не возможно было достигнуть.
Инновационное домостроение
Инновационное домостроение - это архитектурные решения и строительные технологии, позволяющие строить такие дома, которых раньше не было. Возведение экологических, энергосберегающих, эргономичных и экономичных домов (экодомов) - основная цель введения инноваций в малоэтажное строительство сегодня. Совокупность представленных требований заставляет внимательно пересмотреть все этапы создания малоэтажного дома - от идей, заложенных архитектором в проект, до методов утилизации строительных материалов при реконструкции или сносе дома. В первую очередь необходимо определить общую концепцию проектируемого объекта, которая могла бы наиболее полно учитывать современные требования к возводимому объекту.
Рассмотрим основные требования к экодомам. При проектировании экодомов особое внимание уделяют использованию альтернативных источников энергии, таких как солнечная, ветровая и геотермальная. При этом рассматривается использование как одного альтернативного источника энергии, так и нескольких альтернативных источников энергии в сочетании. Такие дома имеют, как правило, свободную планировку, большие площади остекления, повышенную теплоизоляцию стен и перекрытий, термальные массивы для накопления тепла и специальные решения по вентиляции помещений. Учет этих и других общестроительных требований оказывает влияние на выбор строительной технологии. При этом необходимо помнить, что определяющую роль при проектировании должны играть творческое мышление и фантазия архитектора, а не
технические ограничения применяемой строительной технологии. Мы не должны забывать, что эстетическая составляющая в строительстве домов, особенно малоэтажных, часто может перевешивать многие технически логичные решения.
Выбор строительной технологии
Каркасная технология - одна из наиболее подходящих технологий строительства малоэтажных домов. С учетом рассмотренных требований к экодомам, дом, построенный с применением деревянного балочно-стоечного каркаса -наиболее подходящий выбор. По традиции, такие дома называют фахверковыми (ЕасЬ,№егк, от нем. БасИ - панель, секция, и нем. Werk - сооружение). Однако современные архитектурные и конструкторские решения с использованием балочно-стоечного каркаса значительно отличаются от традиционных фахверковых. Деревянный балочно-стоечный каркас отличается и от так называемого «канадского» каркаса, в котором используются стойки меньшего сечения, обычно 90 х 40 мм или 140 х 40 мм, расположенные с периодом 16 или 24 дюйма (405 мм или 610 мм), образующие несущую стену каркасной конструкции. В современном деревянном балочно-стоечном каркасе стойки сечением 140 х 140 мм или 200 х 200 мм располагают на гораздо большем расстоянии друг от друга, обычно от 2 до 6 м. Таким образом, исчезает необходимость в несущих стенах традиционного типа и появляется возможность увеличить площадь остекления.
Использование деревянного балочно-стоечного каркаса при строительстве экодомов удовлетворяет всем рассмотренным нами требованиям к технологии строительства эко домов. Такое строение имеет свободную планировку и большие площади остекления. Большие расстояния между стойками позволяют практически беспрепятственно проходить солнечному свету до термальных массивов. В отличие от стальных или железобетонных, деревянные элементы каркаса не создают мостков холода, помогая повысить теплоизоляцию ограждающих конструкций. При всем этом, использование балочно-стоечного каркаса не ограничивает творческую мысль архитектора, но, напротив, помогает создавать современные изящные архитектурные решения. Дома с деревянным ба-
лочно-стоечным каркасом отличаются разнообразием архитектурных решений, форм и назначений. Такие дома нетрудно расширить или перестроить, они имеют современный вид и легко вписываются в существующую застройку, обладают высокой прочностью. Деревянная балочно-стоечная каркасная технология наилучшим образом подходит для серийного производства элементов каркаса, упрощая транспортировку элементов к месту сборки, уменьшая зависимость качества строительства от квалификации рабочих. Представленный на рынке ассортимент защитных покрытий позволяет защитить древесину каркаса от неблагоприятных факторов, повысить долговечность и прочность строения. Также необходимо отметить, что при деревянном каркасном строительстве особенно экономически выгодно использовать для несущей конструкции элементы заводского изготовления небольшого веса, которые могут быть перевезены и быстро смонтированы на стройплощадке без серьезных затрат на транспортировку и грузоподъемную технику. Также элементы каркаса, производимые в заводских условиях, в отличие от изготовленных на месте строительства, имеют более высокую точность и качество изготовления. Большим преимуществом применения балочно-стоечной технологии при возведении домов становится сочетание высокой скорости сборки несущего каркаса и возможности смонтировать кровлю дома сразу же после установки каркаса. Уменьшается зависимость сроков строительства от погодных условий, т.к. на всех остальных этапах строительства дома будут защищены от осадков. Использование древесины для изготовления несущего каркаса существенно снижает затраты на обработку материала. В процессе эксплуатации деревянные элементы не выделяют вредных веществ, они не токсичны, не вызывают аллергической реакции. Также упрощается утилизация стройматериалов при реконструкции или сносе объекта.
Для строительства экодомов возможно применение и других строительных технологий, однако наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к экодомам, каркасная балочно-стоечная технология строительства, использование которой не исключает и другие технологии.
Серийное производство строительных деталей
Как уже отмечалось выше, значительно уменьшить сроки строительства и снизить затраты без снижения качества строительства возможно только при серийном изготовлении деталей домов в заводских условиях. Изготовление деталей домов в заводских условиях позволит более экономно расходовать материал, условия хранения которого значительно отличаются от условий хранения на стройплощадке, упростить и обезопасить дополнительную обработку деревянных строительных деталей антипиренами и антисептиками. При строительстве домов с деревянным балочно-стоечным каркасом для снижения себестоимости также желательно уменьшить количество комплектующих, приобретаемых на стороне. Этому поможет замена металлических соединительных элементов деревянными замками, выполненными на балках и стойках. Необходимые для сборки разметка и сверление строительных элементов, осуществленные в заводских условиях, существенно сократят время сборки каркаса на стройплощадке, а исключение ручных операций при доработке и подгонке строительных элементов повысит качество собираемой конструкции. При заводском способе изготовления элементов каркаса особое внимание необходимо уделить выбору деревообрабатывающего оборудования, позволяющего автоматически выполнять все необходимые операции по обработке деталей каркаса с высокой точностью.
Выбор оборудования
Чтобы реализовать идею недорогого и качественного серийного домостроения, при выборе оборудования следует ориентироваться на полностью автоматические деревообрабатывающее станки с компьютерным управлением всеми производимыми операциями. Оборудование должно не только обеспечивать распиловку и обрезку в размер деревянных деталей, но также обработку узловых соединений элементов каркаса, среди которых наиболее часто востребованы соединения типа «вполдерева», «шип-паз», «ласточкин хвост». Выполнение таких соединений на полностью автоматических деревообрабатывающих станках делает возможным применение сложных соединений без потерь каче-
ства и упрощает сборку деревянного каркаса на стройплощадке, существенно сокращает сроки возведения строения. Сегодня на рынке компьютеризированного деревообрабатывающего оборудования лидируют такие производители как Hundegger, Kruesi, Schmidler, Weinman. Предлагаемое ими оборудование выполняет в автоматическом режиме и с высокой точностью операции пиления, фрезерования, сверления, выборки пазов, нанесения разметочных линий и печати надписей на изготавливаемых деталях. При выборе оборудования для производства деталей каркаса желательно остановиться на оборудовании, позволяющем автоматически выполнять все необходимые операции по обработке деталей каркаса, чтобы исключить или свести к минимуму ручные операции.
Также необходимо выбрать программное обеспечение, позволяющее поэлементно проектировать строение на компьютере и передавать цифровые данные для изготовления деталей строения на станок. Следует обратить внимание на совместимость такого программного пакета с существующими и широко распространенными архитектурными и конструкторскими программными пакетами. Как правило, в программных пакетах, предназначенных для поэлементного конструирования деревянных конструкций, уже включены стандартные узлы и соединения деревянных деталей, которые выполняются автоматически. При этом такие программы позволяют разрабатывать собственные методы соединения элементов в конструкции. Применение программ поэлементного проектирования пока не имеет столь широкого распространения, однако их использование в малоэтажном домостроении даст толчок развитию этого вида строительства.
Применение инновационных решений в технопарке ДВГТУ «Инновационное домостроение»
В качестве примера реализации вышеизложенных идей можно рассматривать деятельность технопарка ДВГТУ «Инновационное домостроение» (далее технопарк). Основное направление деятельности технопарка - реализация инновационных идей в малоэтажном строительстве. Весь цикл работ по производству домов организован таким образом, чтобы инновационная составляю-
щая присутствовала как на этапе проектирования, так и на этапе производства комплектующих и сборки всей конструкции дома. Для этого университетом в рамках Приоритетного национального проекта «Образование» было приобретено современное деревообрабатывающее оборудование и программное обеспечение для деревянного домостроения. В качестве главной производственной единицы был выбран станок SpeedCut SC2i немецкой фирмы Hundegger. Это полностью автоматизированная производственная линия для изготовления каркасных конструкций и раскроя стропильных элементов. Данный станок был разработан преимущественно для быстрого и точного раскроя деревянных де -талей, фрезеровки, сверления, маркировки и нанесения надписей.
Для организации сквозного проектирования был выбран программный пакет CADWORK. Это мощное программное обеспечение, позволяющее при помощи специальных интеллектуальных функций быстро реализовать все стадии архитектурных и конструкторских работ. Гибкость программного пакета CADWORK позволяет проектировать самые разнообразные деревянные конструкции от мебели до сложных архитектурных комплексов, делая строительство из деревянных элементов более привлекательным и конкурентоспособным. Программный пакет CADWORK выдает данные для всех распространенных видов оборудования машинной обработки, включая Hundegger SpeedCut SC2i.
Еще одной базовой производственной единицей технопарка является четырехсторонний станок Basic-400 итальянской фирмы CM-Mashine. На данном станке можно обрабатывать заготовки большого сечения до 300 х 400 мм. Использование Basic-400 особенно удобно при изготовлении деталей деревянного балочно-стоечного каркаса.
В настоящее время технопарк сосредоточивает свои усилия на разработке, производстве и строительстве на территории Дальневосточного федерального округа малоэтажных экодомов и комплектующих к ним, а также на создании системы подготовки кадров для высокотехнологического деревянного до -мостроения.
Пилотный проект технопарка
В качестве пилотного проекта специалистами технопарка был выбран модульный вариант экодома «8о1аг-5М» профессора ДВГТУ Павла Анатольевича Казанцева [1]. «Бо1аг-5М» размером 4 на 9 м состоит из трех модулей 4 на 3 м, может быть изготовлен в цехе и перевезен на трейлере к месту установки. Такое решение позволило сотрудникам технопарка начать работы по созданию экологических домов до оформления площади под строительство пилотного дома. Также появилась возможность, при сравнительно небольших затратах, проверить все вводимые новшества и внести необходимые корректировки в конструкцию. Экодом «Бо1аг-5М» рассчитан на сезонное проживание 4-6 человек. В нем размещены 2 жилые комнаты по 12 м2, санузел, душевая кабина, накопительный бак для солнечной установки. Получилось интересное решение проблемы сезонного проживания туристов, дачников, вахтовых рабочих. Сезонность модульного дома в основном связана с упрощением системы водоснабжения и водоотведения, которые для экономии предполагается не заглублять в грунт. С другой стороны, модульный дом с весны по осень не требует энергозатрат на отопление и нагревание воды. В это время источником энергии для дома является солнце (см. рисунок).
Рис. Экодом на различных этапах постройки
«Бо1аг-5М» имеет деревянный балочно-стоечный каркас. Для изготовления каркаса использован клееный брус следующих сечений: балки основания 140 х 135 мм, стойки 140 х 90 мм, стропила 140 х 90 мм и 100 х 90 мм. Прочие элементы выполнены из досок сечением 140 х 45 мм и 100 х 45 мм. Основные типы соединений элементов каркаса: вполдерева, шип-паз, врубка. Для скрепления элементов каркаса использовались шурупы по дереву с шестигранной головкой М 8-12 и шпильки с резьбой по всей длине М 8 с гайками и кузовными шайбами.
«Бо1аг-5М» был поэлементно спроектирован с помощью программного пакета CADWORK. Это упростило работу по внесению доработок и изменений в конструкцию. Процесс изготовления деталей каркаса одного модуля размером 3 х 4 м на станке Hundegger БрееёСи! БС21 занимает около трех часов. Эту работу выполняют оператор и помощник. Сборка каркаса модуля в цехе из готовых деталей занимает около шести часов, выполняется тремя сборщиками. После утепления минеральной ватой и установления пароизоляции стены мо -дуля изнутри и снаружи обшиваются деревянной вагонкой. Эти и другие отделочные работы могут быть выполнены строителями соответствующей квали -фикации.
В ходе работ по созданию экодома «Бо1аг-5М» на реальном объекте были отработаны предлагаемые инновационные решения для малоэтажного домостроения. Также подтвердилась эффективность применяемых решений. Проектирование деревянных домов при помощи CADWORK и изготовление элементов каркаса на станках типа Hundegger SpeedCut БС21 дает возможность
существенно повысить качество изготовления и сборки деревянных кон -струкций;
применять ранее сложные и трудоемкие в изготовлении узлы и соединения;
расширить выбор архитектурных решений;
учесть при проектировании все детали будущей конструкции;
исключить ручную разметку и обработку элементов;
упростить сборку конструкции на стройплощадке;
сократить время изготовления и сборки деревянных конструкций; повысить производительность труда;
уменьшить зависимость строительства от погодных условий.
Выводы
Использование инновационных решений в малоэтажном домостроении способствует появлению недорогого, современного, высококачественного экологического жилья. Применение деревянного балочно-стоечного каркаса для возведения домов будет особенно эффективно, если для проектирования домов будет использоваться программное обеспечение поэлементного конструирования, а изготовление элементов каркаса будет производиться на современных компьютеризированных деревообрабатывающих станках.
Применение таких решений дает следующие преимущества: высокая производительность работ; высокая точность изготовления элементов;
применение простых и надежных способов соединения элементов; сведение к минимуму зависимости качества строительства от квалификации рабочих;
существенное снижение себестоимости при серийном производстве; ведение строительных работ после возведения каркаса в защищенных от осадков условиях;
возможность транспортировки готового домокомплекта на большие расстояния.
Необходимо отметить и трудности, которые могут сдерживать применение рассматриваемых решений:
требуется высококвалифицированный конструкторский персонал; нужны серьезные инвестиции в программное обеспечение и оборудование. Рассмотренные в статье инновационные решения в малоэтажном домостроении способствует строительству экологических, энергосберегающих, эргономичных и экономичных домов с высокими показателями качества сборки в короткие сроки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Казанцев П.А., Ковалев О.П., Волков А.В. Солнечный дом для Приамурья и Приморья (современные технологии) // Архитектура и строительство Дальнего Востока. 2007. № 11-12 (56-57). С. 50-51.
