Строительные системы зданий
Строительная система – комплексная характеристика конструктивного решения зданий по материалу и технологии возведения основных несущих конструкций. Схема классификации строительных систем зданий дана рис. 3.14.
Строительные системы зданий с несущими стенами из кирпича и мелких блоков из керамики, легкого бетона или естественного камня бывают традиционные и полносборные. Традиционная система основана на возведении стен в технике ручной кладки, полносборная – на механизированном монтаже стен из крупных блоков или панелей, выполненных в заводских услових из кирпича, каменных или керамических блоков. При этом крупноблочная система почти совместно уступает место панельной.
Рис. 3.14 Классификация строительных систем.
Традиционная система до недавнего времени являлась основой при возведении капитальных гражданских зданий средней и повышенной этажности. В настоящее время на основе применения традиционной системы осуществляется свыше 30% объема строительства жилых и 80% - массовых общественных зданий. Уровень индустриальности конструкций зданий традиционной строительной системы в целом достаточно высок благодаря массовому применению крупноразмерных сборных изделий для перекрытий, лестниц, перегородок, фундаментов.
Традиционная система обладает существенными архитектурными преимуществами. Благодаря малым размерам основного конструктивного элемента стены (кирпича, камня) эта система позволяет проектировать здания любой формы с различными высотами этажей и разнообразными по размерам и форме проемами. Применение традиционной системы особенно целесообразно для зданий, доминирующих в застройке. Конструкции зданий со стенами ручной кладки надежны в эксплуатации: они огнестойки, долговечны и теплоустойчивы.
Наряду с архитектурными и эксплуатационными преимуществами ручная кладка стен является причиной основных технических и экономических недостатков каменных зданий: трудоемкости возведения и нестабильности прочностных характеристик кладки, подверженных влиянию сезона возведения и квалификации каменщика.
Повышению экономичности и индустриальности конструкций зданий с каменными стенами способствуют применение камня или кирпича высоких марок (150, 200, 300), замена ручной кладки монтажом кирпичных (каменных) панелей заводского изготовления.
Строительная система зданий со стенами из кирпичных панелей впервые разработана и применена в СССР Г.Ф. Кузнецовым, Н.В. Морозовым.
Панели несущих стен изготовляют высотой в этаж и длиной в один-два конструктивно-планировочных шага (одно-, двухмодульные панели). Объединения отдельных камней, мелких блоков естественного камня, керамических блоков или кирпича в панель достигают их предварительной укладкой на цементном растворе в стальные формы с вибрированием (виброкирпичные и виброкаменные панели) либо без вибрирования, но со специальными синтетическими добавками в раствор, повышающими сопротивление кладки растяжению (кирпичные и каменные панели).
В обоих случаях прочность конструкции на сжатие увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению со стеной ручной кладки, что обеспечивает экономию 40-50% кирпича или камня. Переход от конструкций стен ручной кладки к панельным позволяет снизить затраты труда на 25%, приведенные затраты на 6-7% и сроки строительство на 30%. Несмотря на экономические преимущества, объем внедрения этих конструкций невелик.
Полносборные здания с несущими конструкциями из бетонных и железобетонных элементов возводят на основе крупноблочной, панельной, каркасно-панельной и объемно-блочной строительных систем.
Крупноблочная строительная система применяется для возведения жилых зданий высотой до 22 этажей. Масса сборных элементов составляет 3-5т. Установку крупных блоков осуществляют по основному принципу возведения каменных стен – горизонтальными рядами, на растворе, с взаимной перевязкой швов.
Преимуществами крупноблочной строительной системы являются: простота техники возведения, обусловленная самоустойчивостью блоков при монтаже, возможность широкого применения системы в условиях различной сырьевой базы, гибкость номенклатуры блоков, позволяющая при ограниченном числе типоразмеров изделий позволит различные типы жилых домов и массовых общественных зданий; ограниченные по сравнению с панельным и объемно-блочным домостроением капиталовложения в производственную базу из-за простоты и меньшей металлоемкости формовочного оборудования; ограниченная масса сборных изделий, позволяющая использовать распространенное монтажное оборудование и применять крупноблочные конструкции в городском и сельском строительстве.
Создание крупноблочной строительной системы – первый этап массовой индустриализации конструкций зданий с бетонными стенами. Крупноблочная система по сравнению с традиционной каменной дала снижение затрат труда на 10% и сроков строительства на 15-20%.
Повышение нормативных теплотехнических требований к наружным стенам в Украине привело к вытеснению этой системы, т.к. она была ориентирована на однослойные конструкции наружных стен с низким сопротивлением теплопередаче.
При ее применение в отапливаемых зданиях блоки наружных стен необходимо изготовлять трехслойными с утеплителем из пенополистирола, минераловатных, перлитофосфогенных плит и т.п.
Существующие здания требуют утепления наружных стен. Использование этой системы возможно в комбинированном варианте – крупноблочные внутренние стены и многослойные наружные панельные или кирпичные стены.
Панельная строительная система применяется при проектировании зданий высотой до 30 этажей в обычных грунтовых условиях и до 14 этажей в сейсмических районах.
Стены таких зданий монтируют из бетонных панелей высотой в этаж, массой до 10 т и длиной в 1-3 конструктивно-планировочных шага. Конструкции панелей несамоустойчивы: при возведении их устойчивость обеспечивают монтажные приспособления, а в эксплуатации – специальные конструкции стыков и связей. Панели несущих стен устанавливают на цементном растворе, без взаимной перевязки швов.
По сравнению с традиционной системой с каменными стенами одна позволяет снизить стоимость строительства на 6-7%, массу конструкций на 30-40% и затраты труда на 40%.
Техническим преимуществом панельных конструкций является их значительно большая по сравнению с традиционными прочность и жесткость. Это определило широкое применение панельных конструкций для зданий повышенной этажности в сложных грунтовых условиях (на просадочных и вечномерзлых грунтах, над горными выработками).
Панельные конструкциисейсмостойки.
Панельные конструкции применяются преимущественно для возведения жилых зданий различного типа, гостиниц, пансионатов, спальных корпусов домов отдыха и санаториев, а также для ряда массовых общественных зданий (детские ясли-сады, школы и др.).
Каркасно-панельна строительная система с несущим сборным железобетонным каркасом и наружными стенами из бетонных или небетонных панелей применяется в строительстве зданий высотой до 30 этажей.
В жилищном строительстве систему применяют в ограниченном объеме, поскольку она уступает панельной по технико-экономическим показателям.
В могоэтажных зданиях высотой до 100м используют в основном железобетонные несущие конструкции, а при большей высоте – стальные, которые имеют меньшее сечение, и соответственно, меньший вес, что приводит к уменьшению усилий в несущих конструкциях и снижает себестоимость фундаментов. Недостаток стальных конструкций – низкая огнестойкость и коррозионная стойкость. Поэтому их необходимо защищать от воздействия огня: напылением специальных растворов с заполнением; изготовленным на основе базальта, керамического волокна или штукатуркой, цементно-песчаным раствором толщиной 10-60мм, облицовкой кирпичом или базальтовыми, гипсовыми, бетонными, вермикулитными плитами толщиной 20-60мм.
Объемно-блочная строительная система.
Объемно-блочные здания возводят из крупных объемно-пространственных железобетонных элементов массой до 25т, заключающих в себе жилую комнату или другой фрагмент здания. Объемные блоки, как правило, устанавливают друг на друга без перевязки швов.
Объемно-блочное строительство сулит существенное снижение суммарных трудозатрат в строительстве (на 12-15% по сравнению с панельными) и прогрессивную структуру этих затрат. Если в панельном строительстве соотношение затрат труда на заводе и строительной площадке составляет в среднем 50:50%, то в объемно-блочном оно приближается к 80:20%. Из-за сложности технологического оборудования капиталовложения при создании заводов объемно-блочного домостроения на 15% больше по сравнению с заводами панельного домостроения.
Объемно-блочную систему применяют для строительства жилых домов, гостиниц, спальных корпусов домов отдыха и санаториев высотой до 16 этажей в обычных и сложных грунтовых условиях и для жилых домов малой и средней этажности при сейсмичности 7-8 баллов.
Наиболее эффективно объемно-блочное домостроение при значительной концентрации строительства, необходимости его осуществления в сжатые сроки, при дефиците рабочей силы.
Монолитная и сборно-монолитная строительные системы применяются преимущественно для возведения зданий повышенной этажности. К системе монолитного домостроения относят здания, все несущие конструкции которых выполняют из монолитного бетона, к сборно-монолитной – здания, в которых несущие конструкции выполняют частично сборными, частично монолитными. Монолитные здания, как правило, проектируют бескаркасными, сборно-монолитные – каркасными или бескаркасными.
На архитектурно-планировочное и конструктивное решение монолитных и сборно-монолитных зданий оказывает существенное влияние применяемый метод бетонирования несущих конструкций. В отечественном монолитном домостроении наибольшее распространение получили при возведении бескаркасных зданий методы бетонирования в скользящей, объемно-переставной и крупноразмерной щитовой опалубке, при возведении каркасных – методы подъема перекрытий (МПП) и подъема этажей (МПЭ).
Интенсивное развитие монолитного строительства в Украине началось в 90-х годах и связано оно с активизацией деятельности зарубежных фирм.
Метод скользящей опалубки предусматривает непрерывное бетонирование несущих стен в системе синхронно перемещаемых по вертикали опалубочных щитов, устанавливаемых по контуру всех несущих стен здания или секции-захватки.
Метод объемно-переставной опалубки основан на цикличном (поэтажном) бетонировании стен и перекрытий с последующим перемещением элементов Г- или П-образной (объемной) опалубки, объединяющей вертикальные и горизонтальные щиты опалубки на отметку верхнего этажа.
Метод крупноразмерной щитовой (крупнощитовой) опалубки заключается в цикличном (поэтажном) бетонировании несущих стен в поэтажно устанавливаемых крупных (размером на конструктивно-планировочную ячейку) плоских опалубочных щитах.
Метод подъема перекрытий сводится к бетонированию плит междуэтажных перекрытий и покрытия размером на всю площадь здания на нулевой отметке в инвентарной бортовой опалубке с последующим перемещением этих плит по вертикальным несущим конструкциям (колоннам и объемно-пространственным бетонным шахтам – стволам жесткости) и креплением к этим конструкциям на проектных этажных отметках.
Различные между методами подъема перекрытий и подъема этажей сводится к месту монтажа вертикальных ограждающих конструкций. При МПП их устанавливают после закрепления перекрытий на проектных отметках. При МПЭ ограждающие конструкции каждого этажа (преимущественно полносборные) монтируют на нулевой отметке и перемещают на проектную отметку вместе с плитой междуэтажного перекрытия.
Наиболее распространенной из числа сборно-монолитных становится система с вертикальными монолитными элементами жесткости, возводимыми в скользящей опалубке, в сочетании со сборными панельными или каркасно-панельными конструкциями. Эта комбинированная строительная система позволяет повысить прочность несущих конструкций, а следовательно, и этажность зданий по сравнению с этажностью полносборного здания из тех же конструктивных элементов.
В последнее время используют конструктивно-технологическую систему зданий в опалубке из стальных и полимерных материалов, которые относятся после бетонирования (несъемная опалубка). С ее помощью конструкции зданий получают дополнительные функции – усиленные, утепленные, гидроизоляционные и декоративные.
Применение монолитного домостроения целесообразно при отсутствии или недостаточной мощности предприятий панельного домостроения, а также при необходимости для решения градостроительных задач возведения зданий, отличающихся по архитектурно-планировочным параметрам и композиции от массовых полносборных.
Монолитные и сборно-монолитные здания по жесткости одинаковы, а иногда и превосходят панельные. Поэтому их применение особенно целесообразно в сложных грунтовых условиях и в условиях сейсмики.
Монолитные и сборно-монолитные конструкции применяют для зданий до 25 этажей в обычных условиях строительства и до 20 этажей при строительстве в районах с расчетной сейсмичностью 7-8 баллов. Нижнюю границу этажности монолитных зданий определяют из технико-экономических требований. Применение монолитных конструкций, возводимых конструкций, возводимых в объемно-переставной опалубке, экономически целесообразно для зданий выше 8 этажей в обычных условиях и выше 4 этажей – в сейсмических. Для метода скользящей опалубки нижние границы экономической целесообразности составляют соответственно 15 и 8 этажей.
Выгодно отличает монолитное домостроение от панельного меньший (на 10%) расход арматурной стали, так как нет необходимости расходования ее на стыковые соединения, подъемные панели, закладные детали. В сейсмостойком строительстве рациональное использование несущей способности монолитных конструкций позволяет еще больше сократить расход стали (до 20%). Капиталовложения в производственную базу в монолитном домостроении ниже, чем в панельном, на 15-17%.
Строительные системы зданий с несущими конструкциями из дерева и пластмасс применяют для возведения жилых и общественных зданий высотой в 1-2 этажа. Несущая способность деревянных конструкций, как показывают расчеты, испытания и опыт древнерусского строительства многоярусных высотных культовых и крепостных сооружений, позволяет возводить здания большей высоты. Однако современное строительное законодательство не допускает применения вертикальных деревянных несущих конструкций для зданий средней и повышенной этажности, так как они не отвечают требованиям долговечности и огнестойкости. По мере разработки и массового внедрения технологических и дешевых способов повышения био- и огнестойкости древесины предельная этажность зданий с деревянными несущими конструкциями будет повышается. В настоящее время в зданиях выше двух этажей допустимо только выборочное применение деревянных элементов. Например, для внутриквартирных перекрытий и лестниц в зданиях с квартирами, помещения которых размещены в двух уровнях, или для каркаса панелей наружных несущих стен с обшивками из листовых материалов.
Существует несколько строительных систем зданий с несущими стенами или каркасом из дерева. Традиционная – с несущими рубленными стенами из уложенных по периметру стен горизонтальных рядов («венцов») бревен. Ряд индустриальных систем: брусчатая – с несущими стенами из брусьев квадратного или прямоугольного сечения, каркасная – с заполнением пространства между стойками утеплителем и обшивками на постройке (каркасно-обшивочная) или щитами заводского производства (каркасно-щитовая), бескаркасные – щитовая и панельная.
Традиционная система имеет ограниченное применение. Ее используют только в богатых лесом районов. Брусчатая, каркасно-обшивочная, каркасно-щитовая, щитовая и панельная системы представляют собой последовательные этапы индустриализации массового деревянного домостроения. На современном этапе развития строительной техники они уступили место экономически эффективным и индустриальным конструкциям. Панели высотой в этаж и длинной от 2,4 до 6м имеют деревянный каркас, обшивки из водостойкой фанеры (снаружи), древесно-струженных плит (изнутри) и эффективный утеплитель.
Затраты пиломатериалов на строительство панельных зданий в 2,6 раза ниже, чем на брусчатые дома. Строки возведения одноэтажного одноквартирного панельного дома составляют всего 2,5-2 рабочих смены. Эксплуатационные качества наружных ограждений панельных зданий значительно выше, чем каркасно-обшивных или щитовых, благодаря малой протяженности стыков сборных элементов и практической воздухонепроницаемости обшивок.
Применение панельного деревянного домостроения в малоэтажной сельской застройке технически целесообразно и экономично также по сравнению с индустриальными строительными системами, использующими капитальные конструкции из несгораемых материалов. Так, по сравнению с бетонным деревянное панельное домостроение позволяет снизить массу монтируемых конструкций в 4 раза, расход стали в 6 раз, затраты труда на 30% и сметную стоимость на 7%.