Высокотехнологичная строительная система скоростного возведения многофункциональных полносборных зданий

Сычев С.А.

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.05

С.А. СЫЧЕВ, канд. техн. наук ([email protected])

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)

Высокотехнологичная строительная система скоростного возведения многофункциональных

зданий

Нахождение оптимального сочетания инженерных решений позволит создать здание с максимально возможным соответствием энергоэффективному индустриальному 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, оптимизационных, логистических, конструктивных, технологических, информационных решений, а также современное инженерное оборудование. Таким образом, комплексное использование основных положений на практике позволяет создать систему возведения полносборных зданий при заранее подготовленных фундаменте, дорогах, благоустройстве и подведенных инженерных сетях, что допускает скоростное возведение зданий из высокотехнологичных систем с оперативным подключением здания к подготовленным сетям.

Ключевые слова: быстрая сборка, предварительно изготовленные на заводе быстровозводимые модульные здания, высокая скорость строительства, логистика, контроль качества, энергоэффективное строительство, высокотехнологичные строительные системы.

полносборных

SA. SYCHEV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2-ya Krasnoarmeyskaya Street, 190005, Saint-Petersburg, Russian Federation)

High-tech Construction System for High-speed Construction of Multipurpose Prefabricated Buildings

The goal is to find the optimal combination of decisions which will allow to create a building with maximum energy efficient line of industrial «clean» fast construction of prefabricated buildings from high-tech systems, considering climate and natural conditions of the area, functionality, architectural preferences and requirements of normative documents. Activities aimed at fulfilling the above requirements imply the implementation of complex space-planning, optimization, logistics, design, technology, information solutions and advanced engineering equipment. Thus, the integrated use of the basic provisions in practice is a system of erecting prefabricated buildings in a prepared Foundation, roads, landscaping and utilities networks that allow high-speed construction of buildings of high-tech systems and operational connection of the building to the prepared networks.

Keywords: quick аssembly, prefabricated in the factory, prefabricated modular buildings, high speed of construction, logistics, quality control, energy-efficient construction, high-tech building systems.

Автор считает полносборное строительство перспективным в России, а также за рубежом, но требующим глубокой модернизации общего подхода к возведению зданий из элементов заводской готовности. Модернизация полносборного строительства представляет собой усовершенствование технологических процессов, разработку и внедрение нового оборудования, материалов, способов и методов производства, оптимизацию всех производственных процессов, необходимость технического перевооружения производства, внедрение новых компьютерных технологий, безотходное производство и снижение энергозатрат.

Развитие быстровозводимого полносборного строительства обусловлено потребностью в доступном жилье средних и малых городов России, необходимостью возведения в короткие сроки зданий различного назначения, находящихся в особых, суровых и экстремальных условиях. Актуальность этой проблемы возрастает в условиях дефицита и необходимости строительства полносборных зданий

3'2016 ^^^^^^^^^^^^^

из модулей высокой заводской готовности. Совершенствование этого направления строительства невозможно без разработки методологии и проведения комплекса научно-исследовательских и экспериментальных разработок с применением современных технических средств, контрольно-измерительной аппаратуры, программно-технических систем диагностики и непрерывного мониторинга. Актуальность проблемы многократно возрастает при повышении требований качества, надежности и безопасности монтажа, демонтажа, транспортировки и эксплуатации быстровозво-димых зданий различного назначения, особенно в неблагоприятных условиях.

Развитием науки и практики применения подобных комплексов, совершенствованием строительно-технологических решений занимались ведущие отечественные и зарубежные ученые. Однако в настоящее время эффективная реализация преимуществ быстровозводимых полносборных зданий осложнена ввиду слабой проработанно-

- 43

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

сти вопросов применения модульных комплексов в сложных условиях строительства, незагруженности существующих мощностей по производству модулей; неудовлетворительного состояния нормативно-технического и инженерного обеспечения; отсутствия научно-технических принципов создания мобильных систем «нового поколения» [1-20].

Целью данной статьи является обоснование концепции «чистого» строительства («clean» construction) с готовым этапом нулевого цикла с комплексной оценкой качества, точности и технологичности и безопасности возведения надземной части зданий, разработка научных основ и методологии единой комплексной технологической системы проектирования, заводского изготовления, транспортирования, монтажа и демонтажа полносборных зданий.

Проблема скоростного энергоэффективного строительства решается за счет применения модернизированных строительных комплексов — бы-стровозводимых полносборных зданий, которые представляют систему зданий, сооружений, подсистем технического обеспечения, прогрессивных высокоэффективных технологий, инженерных сетей, объединенных в единую общую функциональную систему. Сроки сокращения строительства должны решаться на стадии подготовки производства, в заводских условиях на конвейерных линиях, оборудованных роботами, что позволяет распределить трудозатраты в соотношении 80-90% на заводе, 10-20% на монтаже (рис. 1).

Для значительного развития отрасли полносборного строительства зданий и сооружений автор предлагает рассматривать новый вид строительной продукции.

Высокотехнологичная строительная система (high-tech building system) - это технически сложная система возве-

Рис. 1. Зависимости функции быстровозводимости зданий площадью 100, 250, 500, 750 м2 от типов и видов строительства

Рис. 2. Схема формирования оптимальной технологии модульного строительства

дения полносборных зданий из модулей, для производства которых используются сложные технологические процессы заводского изготовления полносборных зданий, включающие в себя инженерные сети, электронику, финишную отделку, элементы креплений, эффективную монтажную технику и робототехнику, необходимые для скоростного

Сравнительные технико-экономические показатели методов монтажа сборных зданий из модулей

Показатели Способы монтажа модулей

Свободный Ограниченно-свободный Полупринудительный Полуавтома-тизированый Автоматизированный монтаж с роботами

Фиксация элементов Без ограничителей С ограничителями связи Кондуктор Ферма-шаблон Объемно-групповой кондуктор Стенд сборки

Технологическая оснастка Гибкие стропы Траверсы с гибкой связью Траверсы с жесткой связью Кондуктор с жесткими захватами Робот-манипулятор

Точность монтажа До 20 мм До 7,5 мм До 5 мм До 2 мм До 0,1 мм

Трудоемкость, % 100 75 60 45 30

Себестоимость, % 100 85 70 50 40

Продолжительность, % 100 60 50 20 10

Научно-технический и производственный журнал

ЖИЛИЩНОЕ

Л

возведения и ввода в эксплуатацию зданий и сооружений.

При решении оптимизационных задач автором использовалась теоретико-игровая модель (рис. 2) в виде технологического графа, включающая в себя отдельные блоки и элементы технологического цикла, и схема формирования эффективной технологии модульного строительства.

Согласно зависимостям трудоемкости монтажа определены области высокотехнологичного, среднетехнологичного и слаботехнологичного монтажа объемных модулей полносборных зданий (см. таблицу).

Автором разработаны и предложены новые средства и методы обеспечения точности, качества, автоматизации и скорости монтажа полносборных зданий, закрепленные авторскими патентами, позволяющие вести оперативный монтаж, транспортировку, изготовление и контроль качества при строительстве полносборных зданий, наиболее важные из них: система дистанционного контроля состояния резьбовых соединений строительных элементов и конструкций; система дистанционного контроля за транс-

Рис. 3. Интерактивная модель проекта производства работ скоростного возведения зданий из модульных систем (слева) и средства виртуальной реальности (справа)

портировкой высокотехнологичных строительных систем; компьютерная система управления строительным комплексом; строительный модуль для строительства зданий; способ строительства многоэтажных зданий из объемных блоков.

Производительность каждого транспорта, занятого перевозкой объемных высокотехнологичных модулей, как показывает анализ, может быть увеличена на 12% за счет ускорения загрузки при рациональном размещении изделий на складах заводов-поставщиков. И это позволяет обойтись меньшим количеством средств подвижного состава для доставки одного и того же груза.

12

Рис. 4. Общий вид всех элементов высокотехнологичной строительной системы для строительства многофункциональных полносборных зданий: 1 — пол; 2 — несущие стены; 3 — строительный потолок; 4 — последующие строительные модули; 5 — одноуровневые несущие колонны; 6 — болтовые отверстия; 7 — высокопрочные болты; 8 — планки; 9 — верхний бетонный пояс; 10 — болтовые отверстия; 11 — ребра жесткости; 12 — крепления; 13 — бетон 2

4

1

8

Рис. 5. Общий вид типового строительного модуля в собранном виде: 1 — строительный модуль; 2 — пол; 3 — одноуровневые несущие колонны; 4 — ограждающие панели; 5 — встроенные инженерные сети; 6 — металлический нижний пояс; 7 — стеклопакеты; 8 — ребра жесткости; 9 — крепления; 10 — бетон

3'2016

45

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

11

■ LI El Е .

¡г ■ г--4 ■ iv "Fd »л......

■

Л J

J. - □ * -,

.....J

I. —"-»-J

j-y™ _

Рис. 6. Схема возведения каркаса высотных зданий из строительных модулей с ограждающими сэндвич-панелями и остеклением: а — со стальным ядром жесткости; б — с железобетонным каркасом; 1 — ядро жесткости; 2 — смонтированная часть каркаса; 3 — монтируемая часть каркаса; 4 — строительный модуль; 5 — пол; 6 — несущие стены; 7 — строительный потолок; 8 — одноуровневые несущие колонны; 9 — ограждающие панели; 10 — стеклопакеты; 11 — удлиненные несущие колонны; 12 — фундамент

Расчеты по выбору рационального технического процесса при доставке модулей на стройки показали, что за счет правильного технического процесса во всех его фазах при совместной работе погрузочно-разгрузочного оборудования и транспортных средств возможно сокращение транспортных расходов в среднем на 12-16%, а простоев строительных бригад - на 8%.

Для определения оптимального количества транспортных средств при разработке оптимальных графиков их работы необходимо увеличение поточных линий в системе путем объединения нескольких монтажных потоков и обслуживающего их автотранспорта в единые комплексные логистические системы. Как показывают расчеты математического моделирования, при объединении в единую систему трех монтажных потоков и соответствующего числа автопоездов занятость строительно-монтажных бригад и автотранспорта в течение смены увеличивается до 91,5%.

Разработана методология технологического проектирования, составления ППР и ПОС на основе BIM технологий (рис. 3). Новый ППР учитывает изменения в динамике, является оперативным документом, где высокая скорость строительства обеспечивается качественным интерактивным проектом производства работ, логистикой изложения последовательности и полноты информации, применением BIM технологий, безусловным применением постоянного контроля качества производства работ на всех стадиях строительства с автоматическим контролем точности установки строительных конструкций и выполнения строительно-технологических операций.

Отпадает необходимость его графического представления, трудоемких расчетов и объемного рукописного опи-

Рис. 7. Вариант готового полносборного здания из высокотехнологичных строительных систем

сания, применения типовых схем, не привязанных к реальным условиям. Предлагаемый ППР учитывает изменения в динамике, является оперативным документом. Появляется возможность многократного обращения к базе данных и сравнения альтернативных вариантов различных технологий и выбора оптимального решения с использованием обширной базы данных по материалам, машинам и механизмам, способам и методам производства работ. Его главное преимущество заключается в возможности скоростной визуальной сборки высокотехнологичных систем с детализацией встроенных в модули инженерных сетей.

Результатом глубокого анализа и оптимизации стала разработанная система возведения полносборных зданий из высокотехнологичных строительных модулей.

На рис. 4 представлен общий вид всех элементов строительного модуля для строительства зданий.

Строительные модули несущих стен, пола и потолка содержат встроенные инженерные сети и финишную отделку, выполненную в заводских условиях. Колонны и каркас строительных модулей пола и потолка содержат болтовые отверстия для присоединения друг к другу с помощью высокопрочных болтов и планок. На рис. 5 представлен общий вид типового строительного модуля в собранном виде.

Строительные модули поставляются на площадку в разобранном виде.

На рис. 6 представлена схема возведения каркаса высотных зданий из строительных модулей с ограждающими сэндвич-панелями и остеклением.

На рис. 7 представлен вариант полносборного здания из высокотехнологичных строительных систем.

Значимость исследований заключается в создании научной базы комплексной модернизации системы полносборного строительства, разработке методов контроля и оценки качества, точности технологических процессов, расчета параметров технологии возведения полносборных зданий, обеспечивающих качество, технологичность и безопасность полносборных зданий, а также в создании технологических регламентов

1

а

Научно-технический и производственный журнал

и запатентованных способов работ. Опыт практической реализации результатов исследований свидетельствует, что модернизация производства по сравнению с новым строительством повышает производительность на одного работающего на 35-40%

По оценке специалистов - концепция «чистого» строительства полносборных зданий предполагает также экономию 25-30 % капиталовложений на общестроительных работах (отсутствие затрат на производство земляных работ, устройство фундаментов, цоколя, прокладку внутренних коммуникаций).

Выводы.

1. Предложена концепция модернизации полносборного строительства (усовершенствование, улучшение, обновление) в соответствии с современными нормами, техническими условиями и показателями качества, включая: подготовку строительного производства, проектиро-

Список литературы

1. Афанасьев А.А. Технология возведения полносборных зданий. М.: АСВ, 2000. 287 с.

2. Афанасьев А.В., Афанасьев В.А. Организация строительства быстровозводимых зданий и сооружений. Бы-стровозводимые и мобильные здания и сооружения: перспективы использования в современных условиях. СПб.: Стройиздат, 1998. С. 226-230.

3. Асаул А.Н., Казаков Ю.Н., Быков В.Л, Князь И.П., Ерофеев П.Ю. Теория и практика использования быстровозводимых зданий. СПб: Гуманистика, 2004. 463 с.

4. 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.

5. Николаев С.В. СПКД - система строительства жилья для будущих поколений // Жилищное строительство. 2013. № 1. С. 7-15.

6. Тихомиров Б.И., Коршунов А.Н., Шакиров Р.А. Универсальная система крупнопанельного домостроения с многовариантными планировками квартир и их разнообразными сочетаниями в базовой конструкции блок-секции // Жилищное строительство. 2012. № 4. С. 13-20.

7. Сычев С.А. Моделирование технологических процессов ускоренного монтажа зданий из модульных систем // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2015. №11. С. 18-25.

8. Сычев С.А. Системный анализ технологий высокоскоростного строительства в России и за рубежом // Перспективы науки. 2015. № 9 (72). С. 45-53.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Anderson M., Anderson P. Prefab prototypes: Site-specific design for offsite construction. Princeton Architectural Press, 2013. 123 p.

10. Rounce G. Quality, waste and cost considerations in architectural building design management. International Journal of Project Management, 1998. No. 16(2), pp. 123-127.

11. 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.

3'2016 ^^^^^^^^^^^^^^

вание полносборных объектов, заводское изготовление конструкций, транспортирование и монтаж и демонтаж зданий; комплексную механизацию и автоматизацию процессов с использованием многофункционального оборудования и робототехники и внедрения новых компьютерных технологий.

2. Предложены способы и методы автоматизированного контроля точности и качества технологических процессов; скоростного интенсивного, автоматизированного и роботизированного возведения полносборных зданий из строительных высокотехнологичных систем с учетом требований энергоэффективности; автоматическое позиционирование модулей при их монтаже с помощью манипуляторов и жестких гидравлических траверс; предложен вариант технологического проектирования, составления ППР и ПОС на основе BIM (Building Information Modeling) технологий с автоматическим контролем выполнения строительно-технологических операций.

References:

1. Afanas'ev A.A. Tehnologija vozvedenija polnosbornyh zdanij [Technology of construction of prefabrication buildings]. Moscow, 2000. 287 р. (In Russian).

2. Afanas'ev A.V., Afanas'ev V.A. Organizacija stroitel'stva bystrovozvodimyh zdanij i sooruzhenij. Bystrovozvodimye i mobil'nye zdanija i sooruzhenija: perspektivy ispol'zovanija v sovremennyh uslovijah [The organization of construction of the fast-built buildings and constructions. The fast-built and mobile buildings and constructions: prospects of use in modern conditions]. Saint-Petersburg: Strojizdat, 1998, рр. 226-230. (In Russian).

3. Asaul A.N., Kazakov Ju.N., Bykov B.L., Knjaz' I.P., Erofeev P.Ju. Teorija i praktika ispol'zovanija bystrovozvodimyh zdanij [The theory and practice of use of the fast-built buildings]. Saint-Petersburg: Gumanistika, 2004. 463 р. (In Russian).

4. Verstov V.V., Badyin G.M. Features of design and construction of buildings and constructions in St. Petersburg. Vestnik gragdanskih ingenerov. 2010. No. 1, рр. 96-105. (In Russian).

5. Nikolaev S.V. SPKD - system of construction of housing for future generations. Zhilishchnoe Stroitelstvo [Housing Construction]. 2013. No. 1, pp. 7-15. (In Russian).

6. Tikhomirov B.I., Kites A.N., Shakirov R.A. Universal system of large-panel housing construction with multiple plannings of apartments and their various combinations in a basic design of block section. Zhilishchnoe Stroitelstvo [Housing Construction]. 2012. No. 4, pp. 13-20. (In Russian).

7. Sychev S.A. Methods of prediction of advanced equipment and technology high-speed mounting of modular construction. Montazhnye i special'nye raboty v stroitel'stve. 2015. No. 10, pp. 57-65. (In Russian).

8. Sychev S.A. System analysis technology of high-speed construction in Russia and abroad. Perspektivy nauki. 2015. No. 9, pp. 45-53. (In Russian).

9. Anderson M., Anderson P. Prefab prototypes: Site-specific design for offsite construction. Princeton Architectural Press, 2013. 123 p.

10. Rounce G. Quality, waste and cost considerations in architectural building design management. International Journal of Project Management, 1998. No. 16(2), pp. 123-127.

- 47

Крупнопанельное домостроение

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Day A. When modern buildings are built offsite. Building engineer. 2010. No. 86(6), pp.18-19.

17. Allen E., lano J. Fundamentals of building construction: Materials and methods. J. Wiley & Sons. 2004, 28 p.

18. Fudge J., Brown S. Prefabricated modular concrete construction. Building engineer. 2011. No. 86(6), pp. 20-21.

19. Staib G., Dörrhöfer A., Rosenthal M. Components and systems: Modular construction: Design, structure, new technologies. Institut für internationale ArchitekturDokumentation, München, 2008. 34 p.

20. Knaack U., Chung-Klatte Sh., Hasselbach R. Prefabricated systems: Principles of construction. De Gruyter. 2012. 67 p.