Артем Саркисович Зурабян
Индустриальное домостроение в трёхлучевой системе координат Дома «Лотос». Часть 2. Конструкции, технология
Введение.
На заре развития индустриального домостроения вопросу снижения стоимости жилья уделялось много внимания. Появились первые индустриальные дома с особо тонкими конструкциями и даже с ребристыми панелями. Такие конструкции были предназначены для домов небольшой этажности и рассчитаны были на эксплуатацию в течение примерно двадцать лет. Развитие домостроения требовало строительство более долговечных капитальных домов повышенной этажности и высотных, поэтому все тонкие ребристые сборные элементы на крупнопанельных домостроительных комбинатах были заменены на плоские панели. Практически везде применялись навесные бетонные наружные стены. У истоков строительства первых домов с применением кассетной технологии в городе Магнитогорске стоял лауреат Ленинской премии Мкртумян Армен Карапетович.
В попытке удешевить конструкцию домов и перенести отделочные работы в заводские условия, получило развитие объёмно-блочное домостроение, основанное на производстве сборных элементов в виде блок-комнат. На основе объёмно-блочной системы были построены домостроительные комбинаты и в разных регионах страны возводились многоэтажные жилые здания. Преимущественно технология их изготовления основывалось на кассетной технологии, но тонкие стены объёмных блоков требовали применения литых бетонных смесей с большим расходом цемента. Особенно большая подвижность бетонной смеси необходима для блоков типа «лежачий стакан», где плита пола заливается через полости вертикальных стен. В 1987-1990 г. нами проектировались три домостроительных комбината объёмно-блочного домостроения для завода «Прогресс» в г. Самаре, ПО «Тантал» в г. Саратове и ПО «Позистр» в г. Абовяне, которые, кроме экспериментального производства, к сожалению, не были введены в эксплуатацию. Здесь применялась технология «метода подъёма щитов» для изготовления объёмных блоков типа «колпак», когда плоские стены формовались горизонтально из малоподвижных бетонных смесей и сразу после вибрации путём подъёма щитов с последующим формованием плиты потолка и узлов соединения из них собирался объёмный блок.
Достоинством такой технологии являлась возможность резко снизить расход цемента и формовать наружные стены из теплоизоляционного бетона. Блок получался монолитным и у него внутренние стены выполнены из конструктивного бетона, а наружные из теплоизоляционного. Формующие установки такого типа работают в некоторых регионах. Появление супер пластификаторов снизило эффект от подъёма щитов, но горизонтальное формование наружных стен из теплоизоляционного бетона с последующим их подъёмом и монолитное соединение с конструктивной частью блока остаётся преимуществом такого метода изготовления объёмных блоков. С появлением вентилируемых фасадов, частично собираемых на заводах, кассетное формование монолитно соединённых между собой всех четырёх несущих стен и потолка блоков типа «колпак» становится более распространённым.
Объёмно-блочное домостроение все же не могло полностью конкурировать с крупнопанельным домостроением, поскольку необходима перевозка крупногабаритных грузов и больших площадей на заводах по производству объёмных блоков. Вес сборных элементов достигает двадцати тонн и требуются крановое оборудование большой грузоподъёмности. Организовать полную отделку комнат на заводе в большинстве случаев пока не удалось. Как конструкция, объёмные блоки менее материалоёмкие, поскольку их сдвоенная стена в сумме может быть по толщине меньше толщины панелей. Но это верно для многоэтажных домов относительно небольшой этажности.
При повышении этажности более девяти этажей стены объёмных блоков становятся более толстыми и в сумме расход бетона превышает показатели крупнопанельных домов. Строительство зданий из призматических объёмных элементов вносит некоторые противоречия в конструктивную структуру многоэтажного здания. Так, отдельные вертикальные столбы из объёмных блоков соединяются в основном гибкими связями, и конструкция здания лишается монолитности. Если же эти соединения выполнить монолитными, то возникают трудоёмкие «мокрые» процессы. Двойные тонкие стены между комнатами и квартирами, хотя и приводят к экономии бетона, но снижают трещиностойкость конструкции.
Надо иметь в виду, что широкое развитие монолитного, в основном каркасного, домостроения все же направлено на строительство не массовых индивидуальных и более элитных жилых домов, которые решают локальные задачи расселения, поскольку такие дома дороже крупнопанельных. В то же время надо учитывать, что, например, в России на одного жителя приходится около двадцать три квадратных метров жилой площади, тогда как в Европейских странах и США это порядка сорока пяти – шестидесяти пяти квадратных метра. Таким образом, жилой фонд для достижения приемлемого уровня должен быть удвоен. При этом отказаться от многоэтажного строительства вряд ли удастся. А если это так то, наоборот, многоэтажное строительство переходит в высотное. Такая тенденция наблюдается в последнее время во многих странах. Таким образом, задача существенного снижения стоимости строительства остаётся актуальной.
Преодолеть недостатки объёмно-блочного строительства, сделать сборное объёмно-блочное более эффективным и придать импульс панельному домостроению можно необычным путём, которому посвящена эта работа.
Столетиями принято все дома строить в декартовой системе координат. Всегда исходили из того , что это самый недорогой метод строительства капитального жилья. Но так ли это? Оказывается что не совсем так. Можно создать иную систему индустриального многоэтажного домостроения, где себестоимость жилья буде существенно меньше по сравнению даже с самыми недорогими панельными или объёмно-блочными домами. Этого можно достичь, если отказаться от декартовых координат и предположить, что комнаты и помещения в домах не обязательно должны быть прямоугольными. Изменив представление о форме помещений в квартире, можно добиться значительного снижения стоимости строительства. Архитектурные аспекты такого изменения более подробно приведены в книгах изданной на платформах ЛитРес и Кобо с названием «Необычные квартиры домов «Лотос» – альтернатива панельному домостроению. Часть 1. Архитектура». Было показано, что функциональная деятельность жителей относительно системы координат конструкции жилых модулей во многом независима и форма ограждающих конструкций и может быть изменена. В этой части книги архитектурные аспекты так же кратко приведены, что бы создать единую картину с основным её содержанием, посвящённым конструкции и технологии.
2 Индустриальное домостроение в трёхлучевой системе координат.
2.1 Дома «Лотос»
Для значительного снижения стоимости строительства необходимо пересмотреть концепцию многоэтажного массового крупнопанельного или объёмно-блочного домостроения. Это реализовано в предлагаемых необычных домах «Лотос» (патенты РФ).
Всё индустриальное домостроение построено в декартовой системе координат. Считается, что это самая удобная система для сложной функциональной деятельности человека. Но можно построить иной тип конструкций, существенно более экономичных.
Основная идея таких домов, собираемых из сборных элементов заводского производства, основана на замене плоской стены на стеновой элемент криволинейный в плане. Криволинейная в плане стена под воздействием вертикальных нагрузок значительно более устойчивая и при одинаковой нагрузке может быть выполнена значительно более тонкой. Как указывалось, одной из причин ухода с арены домостроения экономичных тонкостенных и даже ребристых тонкостенных стен первого периода индустриализации строительства как раз и является их низкая устойчивость и, как следствие, ограничения по высотности строительства.
Рис. 2.1 Оптимальная конструктивная структура многоэтажных зданиях в декартовой и в трёх лучевой системе координат.
В Декартовой системе координат самой простой формой является коробчатый элемент, поэтому все крупнопанельные здания – это коробчатая структура. Криволинейные стены не вписываются в систему декартовых координат, но применимы в трёх лучевой системе. При этом, вместо коробчатой структуры, мы получаем совсем другого типа оптимальную конструкцию в виде трилистника.
Трёхлучевая структура плана, исходящая из центра здания, и криволинейные стены положены в основы системы зданий, которые мы назвали «Лотос». Трилистник в трёх лучевой системе координат с тремя ветвями в плане, считается, как с конструктивной, так и с градостроительной точки зрения, одной из оптимальных структур. Повышается площадь секции, на один лестнично-лифтовый узел при стандартном решении приходится не четыре, а шесть и более квартир. Развитая в плане форма трилистника повышает несущую способность здания при воздействии горизонтальных ветровых и сейсмических нагрузках. Отказ от плоских поперечных и продольных стен и применение более устойчивых при вертикальных нагрузках и экономичных криволинейных стен с наиболее простой круглой формой в плане, создаёт новую конструктивную структуру здания.
Основным сборным элементом при этом является изогнутая по кругу в плане стеновая панель или объёмный пространственный элемент с одной наружной криволинейной стеной. Такая панель или пространственный объёмный блок, могут быть расположены по внешнему контуру каждой их трёх ветвей здания и в виде круглого ядра в центре каждой из ветвей. Сами ветви объединены между собой жёстким лестнично-лифтовым узлом.
Применение криволинейных стен требует изменить и тип перекрытий на основную круглую плиту, которая уже может быть выполнена в виде высокоэкономичной переменной по толщине вспарушенной плиты с контурным ребром, работающей с распором. Толщина таких плит определяется только условиями звукоизоляции, поскольку несущая арматура расположена по ею контуру и может быть предварительно напряжённой. Для создания глубины здания необходима дополнительная плита трапецеидальная в плане, которая в некоторых случаях может быть объединена с круглой плитой.
Конструкция здания домов «Лотос» в самом простом случае представляет собой, объединённые между собой лестнично-лифтовым узлом, три ветви, состоящие из внешнего жёсткого контура и внутреннего круглого в плане несущего ядра. Внешний контур состоит из сопряжённых друг с другом изогнутых по кругу в плане стен. В лестнично-лифтовым узле также применены криволинейные стены.
В такой системе несущая наружная изогнутая стена как бы плавно переходит во внутреннюю несущую, заменяя собой наружные и поперечные стены крупнопанельного здания. В крупнопанельном домостроении железобетонные наружные стены чаще всего выполняют только ограждающие функции. Это примерно двадцать процентов расхода не выполняющего несущие функции бетона. Превратив наружные стены в несущие, уже можно существенно снизить расход бетона.
Если по расчёту не хватает несущей способности криволинейных стен, в конструкцию каждой ветви добавляются радиальные несущие стены. При необходимости, для высотных и сейсмостойких зданий, по внешнему периметру между криволинейными стенами может быть выполнен монолитный железобетонный каркас. Радиальные несущие стены, если по расчёту в них нет необходимости, а это более частый случай, могут быть заменены лёгкими перегородками.
Рис. 2.2 Пример плана типового этажа многоэтажного жилого дома «Лотос».
По сравнению с крупнопанельным домостроением, где теперь уже достигнута возможность строить двадцати пятиэтажные здания, дома «Лотос» позволяют ещё больше повысить этажность сборных конструкций зданий до тридцати, а с монолитным каркасом и более этажей с минимальным расходом материала.
Это вносит некоторые коррективы и при оценке эффективности с учётом стоимости земля. Высотность уменьшает затраты на землю. Ещё один фактор, влияющий на повышение эффективности при учёте стоимости земельного участка, – это большая площадь секции на этаже и большая ширина секции по сравнению с типовыми крупнопанельными секциями. Таким образом, дома «Лотос», благодаря возможности существенно повысить этажность, могут быть эффективными и на относительно дорогой земле.
Очевидно, что при применении криволинейных стен и трёх лучевой структуры плана здания возникают необычные квартиры с наружными стенами цилиндрической формы и с радиальными плоскими стенами. Изменение сложившегося представления о жилье оправдано тем, что достигается такая экономия конструктивного материала, когда из того же бетона можно создать по сравнению с крупнопанельным или объёмно-блочным домостроением существенно большие площади. При трёх лучевой системе с цилиндрическими стенами расход железобетона может быть снижен на двадцать и более процентов по сравнению с отработанными сериями панельных домов, где он равен более семидесяти четырёх сотых кубических метров на квадратный метр общей (продаваемой) площади, т.е. практически это дополнительная комната в квартире. Экономия бетона может быть ещё более значительная, если применять вентилируемый фасад, а не трёхслойные наружные стены.
По сравнению с не типовыми жилыми домами, например, с монолитным каркасом, где расход бетона ещё ниже, но большой объем возведения стен из мелкоштучного материала, снижение стоимости может быть ещё значительнее, поскольку они дороже крупнопанельных. Для массового строительства эта экономия – эшелоны цемента, крупного и мелкого заполнителя, арматурной стали. На двадцать и более процентов уменьшается количество карьеров, способствуя охране окружающей среды.
Квартиры в домах «Лотос» образуются путём расположения комнат вокруг санузла. Размеры комнат регулируются перемещением перегородок. Во многом это жёсткая схема, но и в панельных домах, при фиксированном шаге внутренних стен, так же ограничены варианты деления комнат.
Комнаты и кухни квартир представляют собой помещение с криволинейной наружной стеной с окнами и балконными дверьми, с плоскими радиальными стенами и с торцевой перегородкой напротив цилиндрического ядра ветви здания в котором они размещены. Общие комнаты квартир домов «Лотос» образуются путём объединения стандартной комнаты с кухней или двух смежных комнат. Не составляет труда объединить две квартиры в ветвях трилистника между собой.
Со стороны фасада между блоками образуются полости (пазухи), которые при строительстве высотных зданий и в сейсмических зонах можно использовать для создания монолитного каркаса. Если в каркасе нет необходимости, а это наиболее частый случай, полости служат как бы термосом здания, каналами для воздушного отопления, что трудноосуществимо в других конструктивных системах, или могут использоваться как внутренние шкафы для хранения.
Необычная форма квартир имеет и преимущества. Вся не освещённая зона квартир сжата и имеет относительно небольшие площади, а основная площадь находится в более освещённой зоне и выходит не на одну плоскость фасада, а на криволинейный контур.
Отход от прямоугольной системы, казалось бы, не позволяет делить площади на новые помещения, но и в панельных домах это деление происходит крайне редко. Чаще при необходимости деления меняют квартиры на большие.
Не прямоугольные площади комнат для расстановки мебели непривычны, но и в панельных зданиях у наружных стен мебель устанавливается редко. В домах «Лотос» используется свободная расстановка мебели, поскольку площадь квартир может быть существенно больше. Все эти изменения оправдываются наличием при той же стоимости большей площади или существенно более низкой стоимостью квартир. В случае развитие такого строительства, скорее всего возникнет некоторое приспособление мебельной отрасли к таким домам, тем более при применении печати на 3Д принтерах. Архитекторы и дизайнеры могут помочь потребителю в организации пространства в необычных формах и извлечь даже преимущества. Например, изогнутый фронт кухонь минимизирует движение, а расширенная зона у окон позволяет устанавливать кухонный остров даже в небольших квартирах. Но на первом этапе, несмотря на необычные формы комнат, мебель применяется в основном традиционная.
Не исключено, что многие потребители будут отдавать предпочтение квартирам такого типа, благодаря возможности приобрести жилье существенно большей площади за те же средства. При социальном распределении жилья можно увеличить нормы выделяемой площади или строить специальные серии домов «Лотос», разработанные для расселения при чрезвычайных ситуациях.
Дома «Лотос» в основном башенного типа с большей этажностью, чем в крупнопанельном строительстве, но они же могут блокироваться в виде дуплексов или в сочетании с более узкими секциями, созданными для небольших участков застройки. Для узких участков застройки разработаны дома секционного типа, правда с меньшим экономическим эффектом. При малоэтажной застройке экономическая целесообразность, за исключением сейсмических районов, не столь перспективна, но при наличие созданных мощностей она возможна в виде оригинальных типов домов.
При разработке планировочных и конструктивных решений многоэтажного здания трёх лучевая система координат заменяет декартовую и уже в этой системе определяются типы и формы сборных железобетонных пространственных элементов. Практически это применение более экономичных, с конструктивной точки зрения, оболочек. Наиболее эффективным методом строительства домов «Лотос» является применение объёмных блоков. Одним из ограничений при этом является необходимость транспортировки крупногабаритных элементов. Это не всегда возможно. Поэтому основным вариантом является панельный, т.е. сборные элементы это криволинейные стены и плоские плиты перекрытия.
В связи с этим рассматривается три схемы такого производства. Первая, когда транспортировка блоков не является препятствием, создание мини или полноценного завода для выпуска объёмных блоков. Вторая схема – членение заводских сборных объёмных элементов на стены и перекрытия. Третья – это производство основных блоков непосредственно на стройплощадке с доставкой комплектующих с производственной базы, что соответствует известной тенденции переноса мини домостроительного комбината на стройплощадку. Вторая схема осуществима практически везде.
Технологическая оснастка для сборных криволинейных элементов отличается минимальной металлоёмкостью и требует расхода металла меньшего, чем для крупнопанельного домостроения при той же производительности производства. Меньшая металлоёмкость оборудования (примерно в два-три раза) обусловлена кривизной и, в следствии этого, пространственной жёсткостью и отсутствием необходимости обеспечить жёсткие допуски по отклонениям от плоскости форм. По сравнению с крупнопанельным строительством, ускоряется монтаж, поскольку все основные монтажные элементы устойчивы и не требуют монтажных креплений.
Дома «Лотос» могут быть возведены и с помощью 3Д принтеров. Если развитие этой технологии позволит возводить несущие стены для многоэтажных зданий, то стены дома «Лотос» могут быть полностью изготовлены по этой технологии. Преимущества не теряются, поскольку в при любом методе формования криволинейные стены более устойчивы. Однако маловероятно, что в ближайшее время удастся создать специальные составы для несущих стен, которые позволят выдерживать большую нагрузку и будут экономичными. Более реально совместить несущие сборные железобетонные элементы стен с изготовлением с помощью 3Д принтеров ненесущих перегородок, вентиляционных шахт а может быть и утепляющей части наружных стен.
Таким образом, дома «Лотос» могут быть применены для массовой застройки в случаях, когда определяющей является стоимость конструкции здания. Жители могут за те же средства приобрести на двадцать тридцать процентов большую площадь, что равнозначно дополнительной комнате. Эффект повышается при строительстве в сейсмических районах.
2.2 Жилые дома.
Дома «Лотос» в основном предназначены для массового индустриального домостроения, поэтому основой является разработка планировочных решений жилых домов. Каждая ветвь на этаже представляет собой две – три квартиры или одну эксклюзивную образованную объединением двух квартир. Жилые дома «Лотос» могут быть выполнены как в панельном, так и объёмно-блочном исполнении. Их проектирование возможно полностью в соответствующими строительным нормам. Лестничные клетки могут быть вписаны в криволинейные стены или быть обычными двух маршевыми прямыми. Тип лестничных клеток, их количество, количество эвакуационных путей, определяются при конкретном проектировании. «Лотос» позволяет выполнить все условия строительных норм, принятых для строительства в декартовых координатах.
Планировочная структуры семнадцати и двадцати пятиэтажных домов «Лотос» мало отличаются друг от друга. Двадцати пятиэтажные дома скорее всего надо рассматривать как основную продукцию домостроительных комбинатов, подобно тому, как в панельном домостроении эту роль играют семнадцатиэтажные дома. Двадцати пятиэтажные дома «Лотос» – это конструкция в которой уже в большей степени выявляются преимущества криволинейных стен. Большая вертикальная нагрузка приходится на меньшую суммарную площадь сечения стен и экономический эффект более значительный.
Рис. 2.3 Пример плана типового этажа семнадцатиэтажного жилого дома «Лотос».
Рис. 2.4 Общий вид семнадцатиэтажных жилых домов «Лотос»
Рис. 2.5 Фрагмент общего вида семнадцатиэтажного жилого дома «Лотос».
Рис. 2.6 План типового этажа многоэтажного жилого дома «Лотос» с двух маршевым лестничным маршем.
Рис. 2.7 Пример плана типового этажа двадцати пятиэтажного жилого дома «Лотос».
Рис. 2.8 Общий вид двадцати пятиэтажного жилого дома «Лотос» с защищённым металлическим фасадом.
Рис. 2.9 Фрагмент общего вида двадцати пятиэтажного жилого дома «Лотос»
Рис. 2.10 План типового этажа домов «Лотос» из двух ветвей для узких участков застройки.
Рис. 2.11 Общий жилых домов «Лотос» для узких участков застройки.
Рис. 2.12 Фрагмент жилого дома «Лотос» для узких участков застройки.
Сложившаяся городская структура часто высвобождает узкие участки для новой застройки. Хотя дома «Лотос» предназначены в основном для новых микрорайонов и городов, но имея базу для строительства таких домов, можно создать секции и дома для узких участков. Дома для узких участков проще блокируются, а дом с тремя ветвями, одна из которых укорочена, может служить угловой секцией.
В зонах стихийных бедствий таких как наводнение, землетрясение и другие случаи важны уже не требования к повышенному конфорту и интерьерам, а возможность предоставить капитальное жильё в относительно короткие сроки с минимальными затратами. Особенно это важно для строительства в сейсмически активных районах.
Для таких ситуаций дома «Лотос» могут быть предложены в варианте с уменьшением площади ячеек и расположении в кажой их ветвей трилистника дома в плане не по девять, а по двенадцать ячеек. Это позволяет уменьшить площади квартир до размеров принятых нормативными документами при расселении. Возникает как раз тот случай, когда экономическая эффективность конструкции даёт возможность не увеличивать площдь квартир, а реально увеличивать количество комнат при той же себестоимоти.
Рис. 2.13 Пример плана двадцати пятиэтажного жилого дом «Лотос» для строительства в зонах чрезвычайных ситуаций.
