Volumetric modular construction: experience and prospects of development

Введение

На сегодняшний день в России не решены задачи полного обеспечения граждан доступным и комфортным жильем эконом класса. Невысокое качество выполнения монтажных работ, недостаточный контроль за строительным процессом, немалое количество проектных ошибок приводят к тому, что современные жилые дома, нередко, не соответствуют заявленным теплотехническим характеристикам. Вместо классов энергетической эффективности А или В, для жилых зданий реально жилье соответствует классу С и ниже, которое с трудом удовлетворяет требованиям действующих стандартов ^[1].

Немаловажным фактом является и то, что большая часть территории России находится в зоне действия вечной мерзлоты, что в свою очередь приводит к значительному увеличению стоимости строительных материалов, усложнению условий труда, нехватке кадров в таких регионах. В связи с этим, правительство РФ приняло ряд мер, к которым относятся национальные проекты «Доступное и комфортное жилье — гражданам России», ФЦП «Жилище» и федеральная программа «Жилье для российской семьи» ^[2]. Высокая цена жилья в северных регионах приводит к тому, что огромные территории остаются неиспользованными, или же используются не в достаточной степени эффективно.

Критический обзор литературы

На сегодня имеется значительное количество исследований и публикаций по широкому кругу проблем объемно-блочного домостроения. Так, автор публикаций А. М. Белозерский ^{[4, 10]}, в своих работах рассматривает применение конструкций из объемных блоков при строительстве жилых и производственных зданий и сооружений, исследуя технологию объемно-блочного домостроения в России на основе анализа зарубежного и отечественного опыта. Автором затронута проблема обеспечения сохранности блоков при транспортировке, решением этой проблемы видится за счет применения трейлеров, оборудованных пневматическим амортизационном устройством. Ряд вопросов, посвященных повышению механической безопасности объемно-блочных зданий рассмотрены в работах Д. А. Зубкова, А. А. Румянцева, Г. Р. Табагуа, М. А. Тамова, М. М. Тамова, С. В. Усанова, Г. Э. Шаблинского ^{[6, 8, 26]}. Проблема индустриализации строительства была рассмотрена в работе З. А. Курбанова, А. В. Пономарева и С. Н. Овсянникова ^[11], в которой, с точки зрения авторов, наиболее перспективным и современным является объемно-блочное строительство, в котором максимум процессов перенесен в условия заводского производства. В данной работе так же рассмотрена история и современные тенденции развития объемно-блочного метода строительства. Проблеме повышения теплозащиты и энергоэффективности зданий за счет снижения теплопотерь через теплотехнические неоднородные участки ограждающей конструкции посвящена статья С. В. Корниенко ^[14]. Решение проблемы энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий совершенствованием архитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технических решений, в том числе зданий из крупноразмерных элементов индустриального изготовления, отражено в работах А. Ю. Жигулиной, Н. Н. Колокольцевой, С. А. Мизюряева, А. М. Пономаренко, В. И. Синотова ^{[16, 17, 24, 25]}. Проблема унификации блоков и современные тенденции развития объемно-блочного метода строительства затронуты в статье ^[18]. Управление технико-организационным уровнем развития производственной базы регионального строительного комплекса приведено в статьях ^{[19, 20, 22, 23]}. В своей работе И. Д. Тешев, Г. К. Коростелева и М. А. Попова ^[21], провели исследование основных преимуществ объёмно-блочной технологии строительства. Ими были рассмотрены основные конструктивные схемы и функциональное назначение блочных зданий, а также проведен анализ формирования блоков на основе работы Краснодарского завода объёмно-блочного домостроения.

Указанные работы представляют результаты широких тем исследования объемно-блочной технологии строительства. При этом на сегодняшний день не обобщен широкий исторический опыт отечественного объемно-блочного домостроения, нет однозначного видения перспектив его развития.

1. Методы

Одним из способов решения проблем видится в применении известного в истории развития строительной индустрии России, но несколько забытого объемно-блочного метода. Целью данной статьи является представление результатов исследования потенциала объемно-блочного метода строительства. Задачами исследования являются: 1) выявление основных ценностных характеристик данного метода строительства; поиск проблем, которые привели к его резкому сокращению, краткий обзор опыта строительной индустрии последних тридцати лет; изучение истоков его формования и развития; 2) сравнение теплотехнических показателей наружных ограждающих конструкций типового объемно-блочного и панельного зданий, путем математического моделирования теплопередачи, в соответствии с требованиями и рекомендациями СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» ^[3] при суровых климатических условиях; определение соответствия конструкций санитарно-гигиеническим требованиям; 3) анализ возможностей архитектурных качеств объемно-блочных зданий; 4) обоснование целесообразности применения комплектно-блочного метода, как перспективного направления развития строительной отрасли.

1.1 Объемно-блочное строительство: опыт строительной индустрии последних тридцати лет

Развитие объемно-блочного домостроения (ОБД) началось более 50 лет назад. Патентный приоритет на объемные блоки принадлежит Н. А. Ладовскому и В. П. Караулову, которые в 1931 г. получили авторское свидетельство на каркасно-блочную систему жилого дома. Первые серии объемно-блочных жилых домов были разработаны специалистами ЦНИИЭП жилища. Объемный блок представляет собой законченную структурную единицу здания в виде пространственной тонкостенной конструкции, ограничивающей определенный объем (фрагмент) здания и обладающей необходимыми значениями прочности, жёсткости, устойчивости. Объемно-блочные здания собираются из отдельных монолитных железобетонных элементов размером с комнату или группу комнат, которые изготавливаются на заводах и доставляются на строительные площадки с максимальной степенью заводской готовности. На заводах ОБД на них устанавливают все необходимое: оконные и дверные блоки; санитарно-техническое оборудование, включая отопительные приборы и запорную арматуру; электротехнические разводки с выключателями и розетками; производят отделочные работы. На строительной площадке остается смонтировать блоки в готовое положение, заделать внутренние и наружные стыки, соединить межэтажные коммуникации ^[4]. Из объемных блоков выполняют: жилые помещения, кухни, санитарно-технические пузлы, лестничные клетки, лифтовые шахты, конструкции технических этажей, элементы фундаментов.

3 февраля 1969 г. вышло специальное постановление Совета Министров СССР «О развитии объемно-блочного домостроения», ставшее толчком для проведения широко эксперимента по внедрению это метода строительства. В результате реализации этого постановления в СССР построены и действовали более 20 объемно-блочных домостроительных предприятий, важнейшие из которых располагались в Минске, Кременчуге, Краснодаре, Вологде, Хабаровске. К концу 1972 г. в СССР из объемных блоков построены жилые дома общей площадью в 150 тыс. м2 ^[5]. Из объемных блоков начали сооружать не только жилые здания, но и общественные объекты, такие как общежития, гостиницы, пансионаты и т. п. Всего на территории СССР в течение 1960–1980–х гг. построено более тысячи таких сооружений. Несмотря на большое множество конструктивных схем, в Советском Союзе наиболее часто применялся метод строительства из блоков размеров в комнату (рис. 1), более технологичных в изготовлении, монтаже и транспортировке.

Рисунок 1 – Блок-комната с размерами 3,2×5,93×2,74 (источник: http://kzhi.ru/production/block komnata/)

Исследователем Г. Э. Шаблинским, в соответствии с ГОСТ 8829-94 ^{[6, 7]}, были проведены два контрольных испытания нагружением объемных блоков новой секции, произведенных на заводе «ОБД-Выбор» в городе Воронеж. Согласно результатам этого исследования, блоки удовлетворяют требованиям к жёсткости и трещиностойкости ^[8].

Результаты исследования Г. Э. Шаблинского и М. М. Тамова дают основание делать следующие выводы:

1. разрушение объемного блока происходит при достижении нагрузки 11870 кН, вследствие раздробления бетона в опорной части узких угловых простенков;

2. при контрольной нагрузке ширина раскрытия трещин в перекрытии составляет 0,2 мм, что не превышает допустимого значения 0,3 мм;

3. нагрузки, приложенные в ходе испытания, способствуют прогибам стен в незначительной степени.

Транспортировка и монтаж блоков должны удовлетворять существующим требованиям. С целью предотвращения трещинообразований в блоках, их перевозят в трейлерах, специально оборудованных пневматическими амортизационными устройствами (рис. 2). Для защиты от воздействия атмосферных осадков в процессе хранения блоки защищают чехлами из прочной синтетической пленки. Монтаж блоков ведется непосредственно с транспортных средств по часовому графику. Для подъема блоков используются специальные самобалансирующие траверсы. Здесь недопустимо осуществлять так называемую «подгонку» конструкции на месте, из-за высоких требований к точности при изготовлении и монтаже объемно-блочных зданий.

Рисунок 2 – Транспортировка блока (источник: http://vyborstroi.ru/about/ooo-vybor divisions/vybor-obd/)

По данным экономического анализа, преимущества метода объемных блоков, по сравнению с крупнопанельным домостроением, применяемым в Северных регионах, состоят в следующем: сокращение сроков строительства за счет перенесения на завод до 80 процентов трудозатрат, уменьшение трудоемкости в 2—3 раза, уменьшение количества подъемов при монтаже в 4—5 раз, экономия расхода бетона на 25—28 % ^[9]. Заводское производство обеспечивает высокую точность всех размеров зданий, что в свою очередь упрощает процесс сборки и позволяет использовать монтажный персонал не очень высокой квалификации, а значит не дорогой. Объемные блоки можно монтировать «с колес», что дает существенное снижение накладных расходов и затрат на временные сооружения. Надо заметить, благодаря различной группировке объемных блоков относительно друг друга, можно достигнуть большого разнообразия при выборе объемно-планировочного решения здания ^[10].

На определённом этапе возникла проблема унификации. Блоки верхние и нижние по стандарту должны быть одинаковых параметров, но на деле нижние блоки испытывали большую нагрузку, чем верхние, тем самым возникала необходимость в их более качественном, а, следовательно, и дорогом армировании ^[11]. Несмотря на ряд несомненных преимуществ, ОБД не получило такого широко распространения, как панельное в 1970–1980–е гг. Среди недостатков оказались следующие: 1) отсутствие больших закрытых промышленных площадок для производства и складирования объемных блоков; 2) сложность, дороговизна и несовершенство, на тот момент, оборудования для производства блоков; сложность при их формировании; нехватка мощных механизмов с большой грузоподъемностью для транспортировки и монтажа; сложность при перевозке негабаритных грузов. Все это в итоге дало отрицательный экономический эффект, и минимизировало явные достоинства объемно-блочного строительства.

1.2 Математическое моделирование теплопередачи в наружных стенах

В одном из регионов России, Краснодарском крае, в строительстве жилья накоплен значительный опыт. Так, Краснодарский завод ОБД при производстве констпрукций в качестве наружного слоя вместо тяжелого железобетона стал использовать керамзитобетон высокой прочности, благодаря чему на заводе достигли снижения массы конструкций и добились более высоких теплотехнических показателей. Высокие требования, предъявляемые к качеству наружных и внутренних ограждающих элементов, распространяются и на качественные показатели теплозащитного слоя ^[12]. Не достаточно выбрать дешевый утеплитель, обеспечивающий лишь необходимый микроклимат помещения - он так же должен сохранить свои исходные свойства на протяжении длительного времени, не расслаиваясь и скатываясь. Материалы должны быть не токсичными и не легковоспламеняющимися. Здание должно быть прочным, надежным, с минимальным количеством номенклатуры использованных материалов, небольшими сроками строительства, обладать достаточным уровнем тепловой защиты, быть не сложным в монтаже. По всем этим показателям блочные здания не чуть не уступают своим аналогам, панельным железобетонным.

В качестве наглядного примера сравним теплотехнические показатели трехслойной наружной стены современного жилого многоэтажного панельного дома в другом регионе - Красноярском крае, со стеной объемно-блочного дома (рис 3). В данном исследовании поставлена задача в сравнении с конструкцией объемно-блочного типа проанализировать трехслойные наружные стены панельного здания, наиболее популярного и доступного конструктивного типа жилья в современной России.

Рисунок 3 – Структура наружных стен современного жилого многоэтажного дома: а)панельное толщиной 350 мм; б) панельное толщиной 300 мм; в) объемно-блочное толщиной 350 мм.

Наиболее часто подобные панели состоят из наружного и внутреннего железобетонных слоев, а также, в качестве утеплителя, пенополистирольных плит между ними, используемых в качестве утеплителя. Толщина панелей применяется на основании теплотехнического расчета и расчета на прочность и раскрытие трещин, но не менее значений, данных в источнике ^[13-14]. Стандартная толщина такой стены колеблется в диапазоне 300—350 мм. Минимальная толщина внутреннего железобетонного слоя составляет 80—120 мм (ненесущий и несущий). Наружный железобетонный слой – не менее 60-80 мм (тяжелый и легкий бетон). При комплектно-блочном строительстве стандартная трехслойная стена, выпускаемая заводами ОБД включает следующее: наружный керамзитобетонный слой (70 мм), слой утеплителя из пенополистирола (190 мм), внутренний железобетонный слой (70 мм) ^[14].

В качестве города на территории Красноярского края, в климатических условиях которого поставлена задача сравнить данные объекты, согласно источнику ^[15], выбран – поселок Тура, с самой низкой в крае расчетной температурой наружного воздуха. Климатические условия и расчетные показатели материалов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Климатические условия

Таблица 2 – Расчетные показатели материалов наружных стен

Согласно СП 50.13330.2012 проведем теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций рассматриваемых зданий, определим, соответствуют ли они санитарно-гигиеническим требованиям; результаты представлены в таблице 3

Базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен Rтрст., м2·оС/Вт, определяем по табл. 3 ^[2]:

Rтрст = a ∙ Dd + b. (1)

Нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, Rнорм0, м2·оС/Вт, определяем по формуле

R0норм = Rтр ∙ mр. (2)

Условное сопротивление теплопередаче однородной части фрагмента теплозащитной оболочки здания i-го вида Rоусл, м2·оС/Вт, определяем по формуле

Rоусл = 1/αв + Rs + 1/αн. (3)

Термическое сопротивление слоя однородной части фрагмента Rs, м2·оС/Вт, определяем по формуле

Rs = ∑δi/ λi. (4)

Приведенное сопротивление телепередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания Rопр, м2·оС/Вт, определяем согласно формуле (Е.1) ^[1]:

Rопр = 1/(∑ai ∙Ui + ∑lj∙ψi + ∑nk∙χk. (5)

Расчетный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции Δtо, оС, определяется по формуле

Δtо = (tв – tн)/(Rпрст · αв). (6)

Таблица 3 – Результаты теплотехнического расчета

Результаты расчетов, приведенных в данной работе, показали следующее.

1) Приведенное сопротивление теплопередачи для наружных стен панельного здания, в первом случае - выше нормируемого, что удовлетворяет требованиям СП 50.13330.2012. Во втором случае оно ниже нормируемого — данная ограждающая конструкция обеспечивает недостаточный уровень тепловой защиты здания. Объемно-блочные здания обеспечивают достаточный уровень сопротивления теплопередачи и удовлетворяют требованиям СП 50.13330.2012 предъявляемым к зданиям, проектируемым на территории Красноярского края ^[3]. В результате анализа расчетов, произведенных на основе проектных данных для указанной краевой зоны, видим, что наибольшее движение тепловых потоков наблюдается в зоне примыкания стыка стеновых панелей (рис. 4).

2) Расчетный температурный перепад ниже нормируемого — все объекты соответствуют санитарно-гигиеническому требованию, предъявляемому к жилым зданиям ^[3].

Рисунок 4 – Движение тепловых потоков в зоне вертикального стыка панелей наружных стен объемно-блочного здания: 1 – наружный слой из керамзитобетона; 2 – слой утеплителя; 3 – уплотняющая прокладка; 4 – воздушный вентилируемый зазор; 5 – внутренний слой из железобетона; 6 – плита перекрытия.

1.3 Архитектурные особенности объемно-блочных зданий

Блочные здания обладают рядом положительных архитектурных качеств. Одной из главных архитектурных особенностей объемно-блочных зданий является относительная свобода ориентации блоков в пространстве ^[15-18]. Продольный сдвиг блоков позволяет увеличить количество сочетаний типов квартир в секции дома благодаря сдвигу одного ряда блоков относительного другого вдоль продольной оси. Образование лоджий и эркеров производится благодаря сдвигу поперек продольной оси одного или нескольких рядов блоков. Образование коридоров, галерей, эклеров и лоджий - благодаря выдвижению ряда блоков из плоскости фасада.

Рисунок 5 — Компоновка блоков в здании: а — сдвижка по продольной оси; б — сдвижка по поперечной оси; в — сдвижка по продольной и поперечной оси; г, д — выдвижка из плоскости фасада (источник: https://rosexpertpravo.ru/law/Index2/1/4293785/4293785573.htm)

Объемно-блочным зданиям свойственны современные пространственные композиции, включающие разнообразие свето-теневых возможностей за счет использования глубинно-пространственных, т.н. «пиксельных», приемов при формировании фасадов здания. Они хорошо сочетаются с другими конструктивными типами зданий и друг с другом, образуя сдержанную, но профессионально выверенную и запоминающуюся жилую городскую среду (рис. 6)

Рисунок 6 – Жилой комплекс «Дельфин», г. Воронеж (источник: http:// vyborstroi.ru/catalog/residential-buildings-and-complexes/dolphin/#description)

1.4 Объемно-блочное строительство как перспективное направление развития строительной отрасли

Проблемы, описанные выше (раздел 1.1 Объемно-блочное строительство: опыт строительной индустрии последних тридцати лет), сегодня, в связи с развитием современной техники и технологий, практически решаемы. Развиваются современные строительные организации с новыми производственными возможностями, обширными производственными и складскими площадями. Появилось новое эффективное оборудование, благодаря которому стало возможным производство объемных блоков с минимальным капиталовложением. Появились современные монтажные краны и транспортные средства, позволяющие перевозить и монтировать тяжелые и негабаритные блоки, обладая при этом высокой производительностью. Все это дает возможность на сегодняшний день взглянуть по-другому на объемно-блочное строительство. Примерами, являются Воронежский завод «Выбор ОБД», Краснодарский ЗАО «ОБД», Московский экспериментальный завод объемных инженерных сооружений «ЭЗОИС».

В Краснодарском крае, и сегодня с успехом продолжается строительство таких домов. Действующая мощность ЗАО «ОБД» по выпуску блоков на сегодняшний день составляет 230 тыс. кв. м общей площади квартир в год. Высота строящихся зданий - от 3 до 16 этажей. Завод введен в эксплуатацию в 1974 году как головное предприятие Краснодарского края по выпуску объемно-блочных элементов для возведения жилых домов. Разработанные проектные решения включают в себя широкий диапазон квартир среднего и эконом классов: трёхкомнатные — 75—95 м2, двухкомнатные — 55—70 м2, однокомнатные — 35—47 м2. Подземные и подвальные этажи также проектируются из объемных блоков, что позволяет их использовать в качестве встроенных помещений общественного назначения. Благодаря качественной унификации количество монтажных элементов не превышает 30 при монтаже 16-этажной блок секции ^[19-23]. По конструктивно-технологическому типу различают несколько типов объемных блоков, таких как: «колпак», «стакан», «лежачий стакан», «труба», «стол» и «кольцо». Вся номенклатура блок-секций выпускаемых в ЗАО «ОБД» проектируется на базе объемного блока типа «лежащий стакан», дополненного наружной стеновой панелью с утеплителем ПСБ-25, применяемы при проектировании энегоэффективных домов. Немаловажным преимуществом объемных блоков, производимых ЗАО ОБД является то, что они формируются из конструктивного керамзитобетона повышенной прочности, который обладает высокими показателями теплопроводности, значительно превышающими показатели железобетона.

В Воронежском крае так же успешно функционирует и увеличивает производственные мощности завод «Выбор-ОБД», производящий конструкции для домов высотой до 17 этажей на базе объемного блока типа «колпак», дополненного наружной стеновой панелью утепленной минеральной ватой и вентилируемыми фасадами.

Успешный опыт при проектировании и строительстве жилых домов объемно-блочной структуры в таких городах, как Краснодар и Воронеж, свидетельствует о том, что этот «забытый» метод строительства может являться одним из наиболее перспективных в условия нынешней экономической ситуации в стране. Применение данного метода строительства, по сравнению со всеми имеющимися на сегодняшний день, позволяет получить максимальное эффективное и качественное жилье, при вложении минимальных средств с высоким гарантом качества.

Выводы

Результаты исследования дают основания утверждать о целесообразности применения объемно-блочного метода, как перспективного направления развития строительной отрасли комплектно-блочного домостроения.

Преимуществами объемно-блочного метода в современном строительстве являются следующие характеристики.

1. В настоящее время сохраняются исходные (заложенные 30 лет назад) основные ценностные характеристики объемно-блочного метода строительства – сокращение сроков строительства, по сравнению с другими методами, путем перенесения в заводские условия до 80% трудозатрат; уменьшение в 4—5 раз количества подъемов при монтаже; экономия строительного материала, бетона на 25—28 % ^[9]. Объекты строительства, возведенные таким методом, характеризуются высокой прочностью, устойчивостью к высоким сейсмическим нагрузкам.

2. Объемно-блочные здания обладают высокими теплозащитными свойствами – обеспечивают достаточный уровень тепловой защиты здания, соответствуют санитарно-эпидемиологическим и требованиям СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» ^[3] (на примере зданий, проектируемых на территории Красноярского края).

3. Благодаря относительной свободе компоновки элементов (объемных блоков) в единой структуре здания блочные дома обладают широким набором объемных и планировочных архитектурных решений. Архитектура зданий, возведенных объемно-блочным методом, характеризуется особым пространственно-композиционным образом, своеобразным «цифровым» «пиксельным» приемом формирования фасадов. Архитектурное многообразие позволяет им хорошо сочетаться с другими конструктивными типами зданий и друг с другом.

4. Успешный опыт Краснодарского края и Воронежской области свидетельствует о том, что этот «забытый» метод строительства характеризуется доказанной в современных условиях эффективностью и может стать одним из наиболее перспективных в условиях современной экономической ситуации в регионах.