Особенности модульной координации, унификации и типизации в промышленном строительстве

Объемно-планировочные и конструктивные решения промышленных зданий

ОСОБЕННОСТИ МОДУЛЬНОЙ КООРДИНАЦИИ, УНИФИКАЦИИ И ТИПИЗАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Несмотря на разнообразие протекающих в промышленных зданиях технологических процессов, при их проектировании можно применять в большинстве случаев унифицированные планировочные и конструктивные решения, основанные на модульной системе, изложенной ранее [2, с. 22].

Унификация объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий имеет две формы – отраслевую и межотраслевую. Если в прошлом унификация объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий проводилась в рамках данной отрасли промышленности, то в настоящее время создаются унифицированные промышленные здания для разных отраслей промышленности. Создание межотраслевой системы унификации объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий позволяет сократить число типоразмеров конструкций, снизить стоимость строительства и создать условия для повышения уровня его индустриализации.

Для удобства унификации объем промышленного здания расчленяют на отдельные части или элементы.

Объемно-планировочным элементом или пространственной ячейкой на­зывают часть здания с размерами, равными высоте этажа, пролету и шагу.

Планировочным элементом или ячейкой называют горизонтальную проекцию объемно-планировочного элемента. Объемно-планировочные и планировочные элементы в зависимости от расположения их в здании могут быть угловые, торцевые, боковые, средние и элементы у температурного шва (рис. 10.1).

Температурным блоком называют часть здания, состоящую из нескольких объемно-планировочных элементов, расположенных между продольными и поперечными температурными швами или между температурными швами и торцевой или продольной стеной здания.

С момента своего возникновения унификация прошла несколько стадий: линейную, пространственную и объемную.

Линейная унификация позволила установить вначале частично, а затем в комплексе величины отдельных параметров производственных зданий и некоторых их сочетаний. Так были унифицированы пролеты и высоты зданий, шаг колонн, а также нагрузки, действующие на конструкции и грузоподъемность мостовых кранов.

Основные унифицированные параметры и укрупненные модули для одно­этажных промышленных зданий приведены в табл. 10.1, обозначения к ней показаны на рис. 10.2.

Путем пространственной унификации было сокращено число сочетаний параметров по пролетам, высотам и шагам колонн и получены унифицированные объемно-планировочные элементы, применение которых дает возможность создавать множество схем промышленных зданий, различных по габаритам. В зависимости от характеристик технологических процессов унифицированная габаритная схема промышленного здания может быть использована для разных отраслей промышленности.

Объемная унификация позволила сократить число типоразмеров конструкций и деталей зданий и тем самым повысить серийность и снизить стоимость их изготовления, кроме того, было сокращено число типов зданий, созданы условия для блокирования и внедрения прогрессивных технологических решений.

Рис. 2.1. Членение унифицированной габаритной схемы промышленного здания на температурные блоки и объемно-планировочные элементы

Типы объемно-планировочных элементов: 1 – угловые; 2 – торцовые; 3 – боковые. 4 – средние; 5 – боковые у темпе­ратурного шва; 6 – средние у температурного шва

Таблица 10.1.

Основные параметры и модули для одноэтажных промышленных зданий

Параметры	Модуль, м	Принятые размеры, м
Пролет		6, 12, 18, 24, 30 и более
Шаг колонн		6, 12, 18 и более
Высота (от пола до низа несущей конструкции покрытия на опоре): в бескрановых зданиях в крановых зданиях   Привязка осей подкрановых балок к осям колонн: без проходов с проходами Привязка стен к разбивочным осям	0,6 0,6   0,25 0,25 0,25	3; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6 и более 8,4; 9; 9,6 и более   0,75 1 и более 0; 0,25; 0,5

Для некоторых отраслей промышленности производственные здания выполнялись со сборным железобетонным каркасом и оснащались подвесными или мостовыми кранами грузоподъемностью до 50 т. Для таких отраслей разработка проектов зданий велась на основе применения унифицированных типовых секций (УТС) или унифицированных пролетов (УТП).

Унифицированная типовая секция – объемная часть здания, состоящая из нескольких пролетов по­стоянной высоты. Габариты секции зависят от характера технологического процесса и конструктивного решения здания. Чаще всего такая секция представляет собой температурный блок здания. Поэтому максимальная ее длина равна расстоянию между поперечными температурными швами, а максимальная ширина – предельному расстоянию между продольными температурными швами.

Блокируя унифицированные типовые секции и пролеты между собой, можно получить объемно-планировочное и конструктивное решение промышленного здания требуемой величины с параметрами (пролета, шага, высоты), отвечающими технологическим условиям.

На рис. 10.3 показано объемно-планировочные решение унифицированной типовой секции размером 144x72 м, оборудованной мостовыми кранами, для предприятий машиностроения. В зависимости от применяемых сеток колонн, а также от характера блокирования в здании унифицированные типовые секции разде­ляют на следующие типы (рис. 10.4): I тип – многопролетные, для зданий сплошной застройки, рассчитанные на блокирование секций с любой стороны (см. рис. 10.4, а); II тип – одно-, двух-, многопролетные, блокируемые только вдоль пролетов (для зданий, ширина которых не может быть принята больше, чем ширина одной секции) (см. рис. 10.4, б); III тип – одно- и двухпролетные, пристраиваемые к многопролетным секциям (см. рис. 10.4, в).

Отступления от габаритов унифицированных типовых секций и уни­фицированных типовых пролетов возможны только при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Рис. 10.5. Унифицированные объемно-планировочные элементы для промышленных зданий с внутренним отводом воды; оборудованных подвесными кранами

Рис. 10.6. Унифицированные объемно-планировочные элемен­ты для промышленных зданий с внутренним отводом воды, оборудованных мостовыми кранами

На каждую унифицированную типовую секцию и пролет разработаны и изданы массовым тиражом рабочие чертежи. Их использование сокращает объем проектной документации, уменьшает стоимость проектных работ, сокращает сроки проектирования, позволяет поднять качество проектов и применять минимальное число типов конструктивных элементов.

Однако практика проектирования показывает, что применение УТС и УТП в отдельных случаях значительно завышает площади и объемы производственных зданий. Дальнейшее совершенствование архитектурно-строительной унификации идет по пути перехода от межотраслевой к межвидовой, т.е. к нахождению общих объемно-планировочных и конструктивных решений для производственных, сельскохозяйственных и гражданских зданий. В настоящее время ведутся работы над созданием единого общесоюзного каталога унифицированных типовых, стандартных строительных конструкций и изделий. Унифицированные объемно-планировочные элементы разработаны для зданий с подвесными (рис. 10.5) и опорными мостовыми кранами (рис. 10.6), с наружным и внутренним отводом воды, с устройством верхнего света и без него.

Путем взаимосочетания объемно-планировочных элементов можно получить нужные разновидности температурных блоков, а следовательно, и унифицированных габаритных схем промышленных зданий разных габаритов. Как известно, унификация объемно-планировочных и конструктивных решений возможна только при наличии координации размеров конструкций и размеров зданий на основе единой модульной системы с применением укрупненных модулей, величины которых приводятся в табл. 10.1.

В целях упрощения конструктивного решения одноэтажные промышленные здания проектируют в основном с пролетами одного направления, одинаковой ширины и высоты. Применение в одном здании различных по величине и высоте пролетов возможно только в том случае, если это обусловливается технологическим процессом и необходимостью удовлетворить требования, связанные, например, с блокированием цехов. В тех же случаях для отдельных производств может быть допущено взаимно перпендикулярное расположение пролетов.

Перепады высот в многопролетных зданиях менее 1,2 м обычно не устра­ивают, поскольку они значительно усложняют и удорожают решение здания. Перепады более 1,2 м, необходимые по технологическим условиям, обычно совмещают с температурными швами.

Шаг колонн по крайним и средним рядам принимают на основании технико-экономических соображений с учетом технологических требований. Обычно он составляет 6 или 12 м. Возможен и больший шаг, но кратный укрупненному модулю 6 м, если допускает высота здания и величина расчетных нагрузок.

В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, создающими значительные нагрузки, высоту помещения и отметку верха крановой консоли колонн увязывают не только с пролетом, но и с грузоподъемностью крана и шагом колонн каркаса (табл. 10.2).

В многоэтажных промышленных зданиях сетку колонн каркаса назначают в зависимости от нормативной полезной нагрузки на 1 м² перекрытия. Размеры пролетов назначают кратными 3 м, шаг колонн кратным 6 м. Так, при нагрузке до 10000 Н/м² (1000 кг/м²) применяют сетку колонн 9х6 м, а при нагрузках 20000 и 25000 Н/м² (2000 и 2500 кг/м²) – 6x6 м. Применение других сеток колонн возможно лишь при соответствующем технико-экономическом обосновании. Высоты этажей многоэтажных зданий устанавливают кратными укрупненному модулю 0,6 м, но не менее 3 м (рис. 10.7).

Таблица 10.2.

Отметка верха консолей колонны в одноэтажных зданиях со сборным железобетонным каркасом, оборудованных мостовыми кранами

Пролет L, м	Высота помеще­ний И, м	Грузоподъем­ность крана Q, т	Отметка верха крановых консо­лей колонн h, м, при шаге колонна
6 м	12 м
18; 24	8,4		5,2	4,6
18; 24	9,6	10; 20	5,8	5,4
18; 24	10.8	10; 20		6,6
18; 24; 30	12,6	10; 20; 30	8,5	8,1
18; 24; 30	14,4	10; 20; 30	10,3	9,9
24; 30	16,2	30; 50	11,5	11,1
24; 30		30; 50	13,3	12,9

Образование объемно-планировочной структуры многоэтажных про­мышленных зданий достигают аналогично одноэтажным зданиям, т.е. путем блокирования унифицированных объемно-планировочных элементов или секций.

Длину многоэтажного промышленного здания назначают в зависимости от технологического процесса. Объемно-планировочные решения (габаритные схемы) многоэтажных зданий характеризуют число пролетов, их размер, этажность и наличие подвесного транспорта или мостовых кранов (рис. 10.8).

Большое влияние на сокращение числа типоразмеров конструктивных элементов, а также на их унификацию оказывает расположение стен и других конструкций здания по отношению к модульным разбивочным осям.

Унификация промышленных зданий предусматривает определенную систему привязки конструктивных элементов к модульным разбивочным осям. Она позволяет получить идентичное решение конструктивных узлов и возможность взаимозаменяемости конструкций.

Для одноэтажных промышленных зданий установлены привязки колонн крайних и средних рядов, наружных продольных и торцевых стен, колонн в местах устройства температурных швов и в местах перепада высот между пролетами одного или взаимно перпендикулярных направлений (рис. 10.9). Как видно, выбор «нулевой привязки» (т.е. совпадение наружной грани колонн с разбивочной осью) или привязки на расстоянии 250 или 500 мм от наружной грани колонн крайних рядов зависит от грузоподъемности мостовых кранов, шага колонн и высоты здания.

Такая привязка позволяет сократить типоразмеры конструктивных элементов, учитывать действующие нагрузки, устанавливать подстропиль­ные конструкции и устраивать проходы по подкрановым путям.

Геометрические оси торцевых колонн основного каркаса смещают с по­перечных разбивочных осей внутрь здания на 500 мм, внутренние поверхности торцевых стен должны совпадать с поперечными разбивочными осями, т.е. иметь нулевую привязку (рис. 10.9, а). При этом отпадает необходимость в доборных элементах в несущей конструкции ограждающей части покрытия и появляется возможность свободного размещения фахверка (или каркаса) торцевой стены.

Температурные швы, как правило, устраивают на спаренных колоннах. Ось поперечного температурного шва должна совпадать с поперечной разбивочной осью, а геометрические оси колонн смещают от нее на 500 мм (рис. 10.9, б). В продольных температурных швах привязку колонн к продольным разбивочным осям осуществляют по тем же правилам, что и колонн крайнего ряда. Размер вставки, устраиваемой в покрытии, зависит от величины привязки, и его принимают 300, 350, 400, 500, 1000 и 1500 мм (рис. 10.9, г). В зданиях со стальным или смешанным каркасом продольные температурные швы выполняют на одной колонне с устройством скользящих опор.

Рис. 10.9 Привязка конструктивных элементов одноэтажных каркасных промышленных зданий к разбивочным осям

а – колонн и стен; б – колонн в местах температурных швов; в – колонн в местах перепада высот; г – то же, со вставкой в зависимости от толщины стен

Перепад высот между пролетами одного направления или при двух взаимно перпендикулярных пролетах (рис. 10.9, в) устраивают на спаренных колоннах со вставкой с соблюдением правил для колонн крайнего ряда и колонн у торцевых стен. Размеры вставок 300, 350, 400, 500 или 1000 мм ( рис. 10.9, г).

Вставки в 300, 350 и 400 мм не подчиняются правилам унификации, однако значительно упрощают конструктивное решение температурных швов и узлов перепада высот в покрытиях.

Привязку осей подкрановых рельсов к продольным разбивочным осям в зданиях, оборудованных мостовыми кранами при их грузоподъемности до 50 т, принимают 750 мм, а при наличии проходов по подкрановым путям или при грузоподъемности кранов больше 50 т – 1000 мм.

Рис. 10.10 Привязка несущих наружных стен к продольным разбивочным осям

Рис. 10.11. Привязка конструктивных элементов многоэтажных каркасных промышленных зданий к разбивочным осям: а – варианты расположения разбивочных осей; б, в – примеры привязки колонн и самонесущих или навесных стен; г – примеры привязки колонн и стен в местах устройства деформационных швов

В одноэтажных зданиях с несущими наружными стенами их привязку к продольным разбивочным осям осуществляют с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточную опору для несущих конструкций покрытия (рис. 10. 10). Привязку несущей торцевой стены при опирании на нее плит покрытия принимают такой же, как для несущей продольной стены. Геометрические оси несущих внутренних стен совмещают с разбивочными осями.

В многоэтажных каркасных промышленных зданиях разбивочные оси колонн средних рядов совмещают с геометрическими (рис. 10.11,а). Исключением могут быть колонны, располагаемые в местах деформационных швов, перепада высот зданий и в тех случаях, когда конструкции опор различны.

Колонны крайних рядов зданий либо имеют «нулевую привязку» (рис. 10.11, б), либо внутреннюю грань колонн размещают на расстоянии а от модульной разбивочной оси (рис. 10.11, в). Величину а принимают равной половине толщины внутренней колонны. Привязка самонесущих или навесных стен к разбивочной оси ведется с учетом привязки колонн крайних рядов и особенностей примыкания стен к колоннам или перекрытиям. В местах устройства деформационных швов привязку колонн и стен осуществляют согласно рис. 10.11, г. В случае перепада высот при установке одинарных колонн используют двойные разбивочные оси.

Модульная координация основных параметров промышленных зданий и стандартная привязка конструктивных элементов к разбивочным осям позволяют унифицировать их объемно-планировочное и конструктивное решение и способствуют дальнейшей индустриализации строительства.

Сказанное относится к промышленным зданиям со сборными железобетонными или стальными каркасами. Возможны и другие способы привязки, если они не усложняют решение здания, не увеличивают число типоразмеров сборных элементов и не повышают стоимость строительства. При применении монолитных железобетонных конструкций или покрытий в виде пространственных систем привязку к разбивочным осям и решение деформационных швов (осадочных и температурных) подвергают проработке.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИИ

Многообразие современных производств и, следовательно, технологических процессов обусловливает, в свою очередь, многообразие объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий.

Приступая к проектированию, прежде всего необходимо изучить производственный процесс, для размещения которого предназначено здание, и затем выявить те требования, которые он определяет и которым должны отвечать объемно-планировочное и конструктивное решения.

Однако в зависимости от рода производства, т.е. характеристики техно­логического процесса, эти требования могут быть разными. В одних случаях решающими могут быть требования, связанные с обеспечением кондиционированного метеорологического режима и состава воздуха (например, для прецизионных производств), в других – требования, связанные с обеспечением усиленной аэрации (горячие цехи); в одних случаях габариты изделий определяют необходимое пространство (самолето-сборочные цехи или судостроительные эллинги), в других – габариты оборудования (например, прокатные цехи).

Несмотря на многообразие производств и соответственно объемно- планировочных и конструктивных решений зданий, могут быть выделены некоторые общие принципы этих решений. Среди них прежде всего следует выделитьблокирование в одном промышленном здании некоторых про­изводственных помещений, обслуживающих один технологический процесс, или некоторых цехов с разными технологическими процессами или даже разных промышленных предприятий.

Опыт проектирования показывает, что с помощью блокирования можно в отдельных случаях уменьшить площадь заводской территории на 30%, сократить периметр наружных стен до 50%, снизить стоимость строительства на 15–20%.

Вместе с тем блокирование, учитывая разные характеристики техно­логических процессов, может создать определенные трудности в объемно-планировочных и конструктивных решениях зданий, имея в виду возможные различные требования к размерам пространства, к метеорологическому режиму, воздушной среде и пр.

Блокирование на территориях, с относительно неспокойным рельефом, может привести к неоправданному возрастанию объема земляных работ и снижению экономического эффекта. Поэтому блокирование целесообразно в тех случаях, когда характеристики технологических процессов (например, по нагрузкам, требованиям к среде и др.) относительно близки между собой и когда местные условия строительства не вызывают серьезных трудностей (например, по рельефу, размерам территории и пр.).

Следует отметить еще один положительный фактор блокирования – возможность объединения однородных вспомогательных цехов (например, ремонтно-механических, складских и т.п.) разных производственных процессов (рис. 12.1 и 12.2). Такое объединение дает возможность не только сократить требуемые объемы здания в результате уменьшения вспомогательных площадей, но и уменьшить количество персонала.

Рис. 12.1. Блокирование в одном здании двух предприятий с различной технологией производства – текстильной фабрики и завода электротехнических изделий

Рис. 12.2. План и разрезы здания, в котором сблокированы два предприятия: текстильная фабрика и завод электротехнических изделий: а, 6 – схемы решения генеральных планов до блокирования; в – то же, после блокирования

Наряду с блокированием сохраняет свое значение и павильонная застройка, когда она оправдана характером технологического процесса (например, сопровождаемого значительными тепло- и газовыделениями), местными условиями и главное – доказательными экономическими преимуществами.

На основании экономических соображений в промышленности приборостроения получил, например, применение так называемый «модульный принцип»формирования структуры предприятия, согласно которому предприятие состоит из нескольких автономных однородных единиц – «технологических модулей», размещаемых в отдельных небольших производственных зданиях (корпусах-модулях). Строительство каждого из этих корпусов и ввод их в эксплуатацию занимают значительно меньше времени, чем строительство и ввод в эксплуатацию предприятия в целом [17 с. 24–28; 18, с. 36–39].

Экономический эффект достигают за счет введения в эксплуатацию сначала первого корпуса-модуля и получения готовой продукции, а затем последовательно вводимых других корпусов. Таким образом, к окончанию строительства последнего корпуса-модуля, т.е. к моменту окончания стро­ительства предприятия в целом, оно выпускает готовую продукцию во все нарастающем объеме. Следует отметить, что при «модульном принципе» утрачиваются преимущества блокирования.

В решении вопроса о блокировании или применении павильонной застройки существенную роль наряду с перечисленными выше технологическими факторами играет экономика.

Выбор этажности представляет собой одну из важных задач, решаемых в процессе проектирования.

Если характеристики технологического процесса допускают с одинаковой степенью целесообразность применения как одноэтажных, так и многоэтажных зданий, выбор этажности здания зависит от местных условий (площади участка, отведенного под строительство, его рельефа, климатических характеристик местности и т.п.), а также от технических и экономических показателей.

Следует иметь в виду, что одноэтажные здания позволяют более свободно размещать и перемещать оборудование при модернизации технологического процесса. В них относительно просто решается устройство подъемно-транспортного оборудования и естественного освещения по всей производственной площади цеха. Вместе с тем одноэтажные промышленные здания требуют значительных территорий, которые, бывает часто трудно выделить по условиям застройки города, а с другой – городские территории имеют большую ценность в связи с наличием элементов благоустройства (дороги, подземные коммуникации и т. п.) и перспективами дальнейшего развития города.

Строительство одноэтажных промышленных зданий в загородной зоне влечет за собой сокращение нередко ценных сельскохозяйственных угодий. Кроме того, по сравнению с многоэтажными зданиями одноэтажные имеют значительно большую площадь наружных ограждений и, следовательно, увеличенные теплопотери (часто в 1,5 раза превышающие теплопотери равновеликих по площади многоэтажных зданий). Последние, как бы­ло указано, целесообразны для размещения производства с относительно небольшими технологическими нагрузками – менее 20000 Н/м² (2000 кг/м²) – при строительстве в местностях с холодным климатом, для строительства в городских условиях.

Следует иметь в виду, что в многоэтажных зданиях общая площадь всегда на 15–20% выше, чем в одноэтажных, за счет устройства лестниц, подъемников, большого числа других коммуникационных помещений. Поэтому при выборе этажности основным критерием считают экономические показатели, получаемые на основании сравнения вариантов возможных решений, если какие-либо из технологических требований не определяют заведомо этажность.

Наконец, следует выделить принцип унификации решений зданий, который преследует получение относительно лучшего объемно-планировочного и конструктивного решения, способствует повышению гибкости или универсальности объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий, что имеет большое значение для ускорения научно-технического прогресса.

Во многих отраслях промышленности технологические процессы и связанное с ним оборудование, а также предметы труда совершенствуются быстро. В этих условиях довольно часто меняют оборудование, расстанавливаемое в помещении иногда по совершенно новой технологической схеме. Поэтому объемно-планировочные и конструктивные параметры здания не должны стеснять или ограничивать процессы модернизации производства.

Повышение универсальности или гибкости производственных зданий достигают прежде всего в результате освобождения пространства (рис. 12.2 и 12.4), например, за счет увеличения сетки колонн и в необходимых случаях за счет повышения высоты помещения (в чистоте). Повышение универсальности также достигают некоторыми конструктивными мероприятиями, например, устройством в одноэтажных промышленных зданиях по всей его площади усиленного пола, допускающего установку оборудования в любом месте помещения без устройства специальных фундаментов.

Рис. 12.4. Универсальное промышленное здание с винтовыми несущими конструкциями покрытия: а – общий вид; б – схема плана и разрез

Преследуя повышение универсальности, нельзя забывать об экономической стороне дела. Например, увеличение сетки колонн может привести к повышению стоимости конструкций покрытия из-за увеличения пролета или шага вертикальных опор. Поэтому, принимая то или иное решение, учитывающее условия повышения универсальности здания, необходимо проверить его экономическую эффективность.

Проектируя здание, полезно иметь в виду научно-технический прогноз развития данной отрасли промышленности, который определяет вероятные пути развития отрасли в целом, технологии производства и технологического оборудования. Такой прогноз позволяет при проектировании с большой обоснованностью принимать решения при выборе объемно-планировочных или конструктивных параметров промышленных зданий.

Например, если прослеживается тенденция увеличения габаритов изделий, то, очевидно, сборочные цехи предприятий целесообразно делать с пролетами таких размеров, чтобы они оказались достаточными для сборки изделий большого размера; в настоящее же время, пока изделия имеют еще небольшие размеры, в одном таком пролете могут быть размещены две или больше сборочных линий.

В связи с ускорением научно-технического прогресса возникает проблема долговечности промышленных зданий. Если, например, проектируемое здание предназначают для размещения производства, которое, согласно данным прогнозирования, через определенное число лет потеряет свое значение и будет прекращено, то срок службы здания должен быть такой же продолжительности или (если позволяют его конструктивные данные) оно должно быть использовано для размещения другого производства. В этом случае универсальность объемно- планировочных и конструктивных параметров оказывается крайне ценным качеством.

Значительно сложнее обстоит дело, когда объемно-планировочное решение жестко подчинено технологическому процессу (например, как в зданиях тепловых электростанций). В этом случае, если здание не удается приспособить под модернизированное оборудование, его использовать для других целей крайне трудно. В таких зданиях часто оборудова­ние настолько связано со строительными конструкциями, что его замена вынужденно приводит к смене конструкций, т.е. долговечность здания определяется в данном случае сроком эксплуатации данного вида оборудования.

Как указывалось, целесообразное решение промышленного здания опре­деляют прежде всего экономичным использованием пространства, т.е. его площадей и объемов для того технологического процесса, для которого оно предназначено. Приблизительно требуемые производственные площади определяют по мощности предприятия на основе укрупненных отраслевых показателей выпуска готовой продукции в тоннах или рублях с 1 м² площади. Отраслевые показатели выводят на основе показателей действующих однородных передовых в техническом и производственном отношениях предприятий.

Если величину общего, например, годового выпуска продукции в тоннах или рублях, разделить на показатель годового выпуска продукции с 1 м² площади, то получают приближенную величину требуемой площади здания в квадратных метрах.

При проектировании здания уделяют большое внимание не только ра­циональному расположению технологического оборудования, удобной транспортировке сырья, полуфабрикатов, готовой продукции и отходов производства, но и правильной организации рабочих мест, обеспечению безопасности и созданию условий труда, отвечающих санитарно-гигиеническим требованиям.

Объемно-планировочное решение должно быть возможно проще по своей форме. Здание прямоугольное в плане с параллельно расположенными пролетами одинаковой ширины и высоты упрощает конструктивное решение, повышает степень сборности конструкций, сокращает число их типоразмеров.

В случае применения многоэтажных зданий, например, для производств, имеющих легкое технологическое оборудование и изготовляющих изделия малой массы, их формы также следует проектировать возможно проще и, кроме того, шириной не менее 24 м. Первые этажи многоэтажных зданий отводят для размещения производственных процессов с тяжелым оборудованием или процессов, сопровождающихся выделением сточных вод, содержащих кислоты, щелочи и другие агрессивные примеси.

Как было сказано, объемно-планировочные и конструктивные решения промышленных зданий должны допускать возможность модернизации технологических процессов с заменой или перестановкой станков и оборудования без существенной реконструкции здания.

В наибольшей степени этой задаче отвечают универсальные здания. Однако во всех других случаях целесообразно повышать степень универ­сальности, избегая загромождения производственного пространства зда­ния, например, лестничными клетками, подъемниками, санитарными узлами и пр.

Технологическое оборудование располагают на открытых площадках вне зданий, когда это возможно по эксплуатационным и климатическим условиям.

Важный общий принцип объемно-планировочных решений – изоляция вредностей одних производственных помещений от других. Видимое влияние могут оказывать метеорологический режим, состав воздуха, шум, вибрация. Например, производства, технологический процесс которых сопровождается значительными тепло- или газовыделениями, размещают в одноэтажных зданиях, при этом ширину и профиль таких зданий назначают с учетом обеспечения эффективной аэрации. Очевидно, при этом может быть предпочтительна павиль­онная застройка, обеспечивающая надежную изоляцию помещений с нормальным режимом. Производства, при которых в воздух могут выделяться ядовитые газы, пары и пыль в концентрациях, превышающих предельно допустимые нормы, располагают в отдельных помещениях, изолированных от других помещений зданий соответствующими ограждающими конструкциями.

Значительное влияние на объемно-планировочные и конструктивные ре­шения промышленных зданий оказывают природно-климатические харак­теристики места строительства по температурному и ветровому режимам, по количеству осадков и другим показателям. В суровых климатических условиях предпочтительны, например, здания с меньшей площадью наружных ограждающих конструкций (блокированные, многоэтажные) в целях снижения теплопотерь и, следовательно, повышения экономичности здания в эксплуатации. Повторяемость, скорость и направление ветров, а также закономерности снегопереноса оказывают влияние на выбор профиля покрытия, если предусматривают аэрацию и естественное освещение через фонари. Характеристики светового климата вообще определяют решение естественного освещения, размеры светопроемов и размеры фонарей. Из сказанного следует сделать вывод, что климатические характеристики тщательно выявляют и учитывают при принятии проектного решения.

Значительное влияние на объемно- планировочные и конструктивные ре­шения оказывают требования пожарной безопасности. В соответствии с ними определяют наибольшую допускаемую этажность зданий, требуемую этажность зданий, требуемую степень огнестойкости их конструкций и наибольшую допускаемую площадь этажа между противопожарными преградами.

Если позволяет технологический процесс, помещения с производствами, наиболее опасными в пожарном отношении, располагают в одноэтажных зданиях у наружных стен, а в многоэтажных зданиях – на верхних этажах. Из здания на случай возникновения пожара предусматривают возможность безопасной эвакуации людей, для чего проектируют эвакуационные пути и выходы.

Эвакуационные выходы для людей не предусматривают через помещения с производствами категорий А, Б и Е, а также через помещения в зданиях IV и V степени огнестойкости.

В качестве эвакуационных выходов используют предусматриваемые для производственных целей проезды, проходы, лестницы, двери и ворота, за исключением ворот, предназначенных для пропуска железнодорожного тран­спорта.

Число эвакуационных выходов из каждого помещения должно быть не менее двух. Наружные пожарные лестницы, удовлетворяющие противопожарным требованиям, могут быть использованы в качестве выходов со второго и вышерасположенных этажей.

В зависимости от категории пожарной опасности производства и степени огнестойкости здания расстояние от наиболее удаленного рабочего места до выхода наружу или в лестничную клетку принимают таким, чтобы люди могли покинуть помещение за то время, пока пребывание в нем допустимо, т.е. до тех пор, пока не распространится огонь или продукты горения. Эти расстояния установлены в нормах проектирования (см. СНиП 2.01.02–85. Противопожарные нормы; СНиП 2.09.02–85. Производственные здания).

Ширину коммуникационных помещений и дверей на путях эвакуации принимают в зависимости от числа людей, находящихся на наиболее населенном этаже (кроме первого), с таким расчетом, чтобы их пропускная способность полностью обеспечивала эвакуацию в заданное время.

В большинстве случаев конструкции одноэтажных и многоэтажных промышленных зданий выполняют по каркасной схеме. Каркасные системы наиболее рациональны при значительных статических и динамических нагрузках, характерных для промышленных зданий, и значительных размерах перекрываемых пролетов.

Однако при небольших пролетах (до 12 м) и отсутствии тяжелого подъемно-транспортного оборудования вместо каркасных конструкций применяют конструкцию с несущими стенами. Основные конструктивные элементы таких зданий – стены, несущие конструкции покрытия (балки или фермы) и уложенные по ним плиты покрытия. Поскольку в промышленных зданиях обычно отсутствуют внутренние поперечные стены, устойчивость наружных стен достигается устройством пилястр, которые располагают с внутренней или наружной стороны стены, чаще всего в местах опирания несущих конструкций покрытия (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Конструктивные схемы промышленных зданий: а – с несущими стенами; б – с несущими стенами, усиленными пилястрами: 1 – фундамент; 2 – несущая стена; 3 – несущая конструкция покрытия (железобетонная балка); 4 – плиты покрытия; 5 – подвесной кран; 6 – пилястры

Несущим остовом одноэтажного каркасного промышленного здания служат поперечные рамы и связывающие их продольные элементы (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Основные элементы каркаса одноэтажного промышленного здания: а – общий вид; б – схема устройства подстропильных конструкций; в – схема устройства вертикальных связей в покрытии: 1 – фундамент под колонну; 2 - колонна каркаса; 3 – ригель (балка или ферма); 4 – подкрановая балка; 5 – фундаментная балка; 6 – несущая конструкция ограждающей части покрытия – плиты ; 7 – подстропильная ферма; 8 – вертикальные связи между колоннами; 9 – вертикальные связи в покрытии, 10 – наружная стена, 11 – оконные переплеты; 12 – ограждающая конструкция покрытия (пароизоляция, термоизоляция и кровля); 13 – воронка внутреннего водостока

Поперечная рама каркаса состоит из стоек, жестко заделанных в фундамент, и ригелей (ферм или балок), являющихся несущими конструкциями покрытия, опертых на стойки каркаса.

Продольные элементы каркасаобеспечивают устойчивость каркаса в продольном направлении и воспринимают кроме нагрузок собственной массы продольные нагрузки от торможения кранов и нагрузки от ветра, действующего на торцевые стены здания. К этим элементам относятся: фундаментные, обвязочные и подкрановые балки, несущие конструкции ограждающей части покрытия и специальные связи(между стойками и между несущими конструкциями покрытия) .

Наружные стены каркасных зданий представляют собой лишь ограждающие конструкции и поэтому решаются как самонесущие или навесные. Конструктивная система покрытия может быть беспрогонной или с прогонами. В первом случае по несущим конструкциям покрытия укладывают крупноразмерные плиты (панели). Во втором случае вдоль здания укладывают прогоны, а по ним в поперечном направлении – плиты небольшой длины. Беспрогонная схема покрытия по затратам материала более экономична.

При шаге колонн каркаса 12 м и более возникает необходимость устройства подстропильных конструкций (рис. 12.6, б), на которые через 6 или 12 м устанавливают ригели (балки) или фермы. В случае, когда отсутствует подвесной транспорт и несущей конструкцией ограждающей части покрытия служат железобетонные плиты длиной 12 м, надобность в подстропильных конструкциях при шаге колонн каркаса, равном пролету плит, отпадает.

В некоторых промышленных зданиях, например цехах металлургических заводов, подстропильные конструкции имеют значительные пролеты, в мартеновских цехах, где печи размещены в средней части здания, колонны каркаса среднего ряда располагают с шагом 36 м (рис. 12.7, б).

Рис. 12.7. Устройство подстропильных конструкций больших пролетов: а, б – в главном здании мартеновскою цеха с печами емкостью 500 т (а – поперечный разрез; б – продольный разрез): в – в прокатном цехе; Р – разливочный пролет; П – печной пролет; 1 – разливочный кран грузоподъемностью 350/75/15 т; 2 – заливочный кран грузоподъемностью 180/50т; 3 – консольно-поворотный передвижной кран грузоподъемностью 3 т; 4 – консольный передвижной кран грузоподъемностью 3 т; 5 – шихтовый открылок, 6 – защитный экран; 7 – подкрановые балки; 8 – стропильные фермы, 9 – подстропильные фермы; 10 – отрезки колонн

В прокатных цехах передача раскатанной полосы стали из пролета в пролет обусловливают шаг средних колонн 36 или даже 72 м. Подстропильные конструкции выполняют в виде ферм, которые воспринимают либо нагрузку от покрытия, либо нагрузку от мостовых кранов (рис. 12.7, а).

Подстропильные фермы, перекрывающие пролет 72 м, выполнены по типу стальных мостовых ферм с клепаными соединениями (рис. 12.7, в). В данном случае они воспринимают кроме нагрузки подкрановых балок нагрузки от отрезков колонн, которые вклепаны в подстропильные фермы.

Покрытия с несущими конструкциями в виде железобетонных балок или ферм с уложенными по ним плитами имеют приведенную толщину бетона 80-100 мм при собственной массе (весе) 1 м² покрытия 200-250 кг. При такой массе покрытия значительную часть бетона и арматурной стали расходуют на то, чтобы воспринять собственную массу конструкции. Поэтому наряду с этими конструкциями покрытий в настоящее время широко распространены облегченные конструкции с применением металлического профилированного настила с легким утеплителем, укладываемого по прогонам.

Весьма перспективны покрытия в виде тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, сводов, складок и др., примеры которых рассмотрены далее. Известны решения пространственных армоцементных покрытий, масса 1 м которых 45-55 кг, а приведенная толщина оболочки 15-20 мм.

Многоэтажные промышленные здания проектируют, как правило, с полным сборным железобетонным каркасом и самонесущими или навесными стенами и, в отдельных случаях, с неполным каркасом и несущими стенами. Основные элементы каркаса – колонны, ригели, плиты перекрытий и связи. Междуэтажные перекрытия выполняют из сборных железобетонных конструкций двух типов: балочные и безбалочные.

При безбалочных перекрытиях функцию ригелей выполняют железобетонные плиты, располагаемые по разбивочным осям колонн. Колонны и ригели, соединенные жестко в узлах между собой, образуют рамы каркаса, которые могут располагаться поперек, вдоль или одновременно в обоих направлениях.

Междуэтажные железобетонные перекрытия служат жесткими горизонтальными связями; они распределяют горизонтальную (ветровую) нагрузку между элементами каркаса и обеспечивают совместную пространственную работу всех элементов каркаса здания.

Функцию вертикальных связей выполняют поперечные или продольные железобетонные стены, или крестообразные стальные элементы, устанавливаемые между колоннами, или жесткое ядро, образуемое сочетанием поперечных и продольных железобетонных стен, образующих лестничные клетки, лифты.

Сборные железобетонные каркасы могут быть решены по рамной, рамно-связевой или связевой системе (рис. 12.8). При рамной системе каркаса пространственная жесткость здания обеспечивается работой самого каркаса, рамы которого воспринимают как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки. При рамно-связевой системе вертикальные нагрузки воспринимаются рамами каркаса, а горизонтальные – рамами и вертикальными связями (диафрагмами). При связе­вой системе вертикальные нагрузки воспринимаются колоннами каркаса, а горизонтальные – вертикальными связями.

Рис. 12.8. Конструктивные системы каркасов многоэтажных промышленных зданий: а – рамная; б – рамно-связевая; в – связевая: 1 – колонна; 2 – поперечный ригель; 3 – продольный ригель; 4 – вертикальная поперечная связь (диафрагма ); 5 – вертикальная продольная связь (диафрагма)

Рамно-связевые системы имеют некоторые преимущества по сравнению с рамами, так как упрощаются узловые сопряжения элементов каркаса и их можно унифицировать, достигая некоторое сокращение расхода стали за счет облегчения закладных деталей в стыках и уменьшения арматуры в колоннах.

В тех случаях, когда поперечные стены или лестничные клетки отсутствуют или расстояние между ними очень велико, а также когда перекрытия ослаблены отверстиями, обеспечить удовлетворительную работу сборного железобетонного каркаса рамно-связевой системы не представляется возможным. В таких случаях приме­няют сборный каркас рамной системы. В отдельных случаях каркас может быть решен с балочной конструкцией перекрытия и жестким железобетонным монолитным ядром. Ядро на всю высоту здания выполняют в подвижной опалубке. В стенах ядра оставляют отверстия для опирания ригелей каркаса, устройства дверей и прокладки трубопроводов.

Требования пожарной безопасности в конструктивных решениях про­мышленных зданий сказываются прежде всего в устройстве противопожарных преград, т.е. противопожарных стен (брандмауэров, рис. 12.9, а, б), противопожарных зон (рис. 12.9, в), а в многоэтажных зданиях – в устройстве несгораемых перекрытий.

Рис. 12.9. Противопожарные преграды: а – поперечная противопожарная стена; б – продольная противопожарная стена; в – противопожарная зона; г – расположение противопожарных преград в плане

Противопожарные преграды разделяют объем здания на отдельные части, ограничивая при возникновении пожара распространение огня пределами одной части здания. Кроме того, с помощью противопожарных преград выделяют наиболее огнеопасные помещения.

Противопожарные преграды выполняют из несгораемых конструкций. Противопожарные стены располагают поперек или вдоль здания, разделяя междуэтажные перекрытия, покрытия, фонари и другие конструктивные элементы из несгораемых или трудносгораемых материалов. Противопожарные стены устанавливают на самостоятельные фундаменты либо на несущие несгораемые конструкции перекрытий.

Противопожарные стены выполняют выше уровня кровли на 0,6 м, если хотя бы один из элементов покрытия, за исключением кровли, выполнен из сгораемых материалов, и на 0,3 м, если все элементы покрытия, за исключением кровли, выполнены из трудносгораемых и несгораемых материалов.

Противопожарные стены зданий с несгораемыми покрытиями могут не разделять покрытий и не возвышаться над кровлей независимо от группы ее возгораемости.

В цехах, оборудованных мостовыми кранами, противопожарные стены располагают только в верхней части здания. Расстояния между противопожарными стенами назначают в зависимости от категории пожарной опасности производства, степени огнестойкости, этажности здания и приводятся в строительных нормах и правилах. Устройство проемов в противопожарных стенах не рекомендуется.

Противопожарные зоны устраивают шириной не менее 6 м. Они перерезают здание по всей его ширине. На участках противопожарных зон все конструктивные элементы здания выполняют из несгораемых материалов. Если противопожарная зона расположена вдоль здания, то она представляет собой противопожарный пролет, все конструкции которого изготовляют также из несгораемых материалов (рис. 12.9, г). По краям противопожарной зоны устраивают из несгораемых материалов гребни, размер которых принимают аналогично выступам противопожарных стен.

В многоэтажных зданиях для предупреждения распространения огня по вертикали устраивают несгораемые перекрытия, а производства, наиболее опасные в пожарном отношении, как было указано, располагают на верхних этажах.