Организация и технология строительства высотных и большепролетных зданий. Учебное пособие

В соответствии с размерами ячеек типовых секций панели могут быть двух размеров по ширине (вдоль здания) – 3,2–3,6 м и иметь длину от 5,2 до 6,4 м с градацией 40 см.

Для предварительного напряжения панелей арматура запроектирована в виде непрерывной обмотки из высокопрочной проволоки диаметром 2,5–3 мм с пределом прочности не ниже 18 000 кг/см2; при этом расход металла не превышает 1,42 кг на 1 м2 панели.

Для изготовления панелей применяется бетон марки не ниже 500; приведенная толщина бетона – 6,5 см. Вес панелей – от 2,67 до

3,67 т.

Чистый пол поверх панелей настилают по лагам со звукоизолирующими прокладками. Предложена также конструкция пола в виде тонкой ребристой железобетонной плиты размером с комнату с заранее наклеенным на нее паркетом.

Марши лестниц, формуемые совместно со ступенями, запроектированы с полностью обработанной (под окраску) нижней поверхностью и с тягами по периметру косоуров и поперечных ребер. После установки марша на место проступи облицовывают готовыми накладными плитами (мозаичными или мраморными).

Марши армируют сварными сетками и каркасами; при этом каркасы косоуров сваривают в виде плоской сетки, а затем сгибают по форме сечения косоура. Площадки лестниц запроектированы также в виде полностью законченного конструктивного элемента с нижней поверхностью, подготовленной под окраску, и чистым полом из плиток или мозаичного слоя.

Ниже приведен расход основных материалов (стали и бетона) на железобетонные изделия здания с кирпичными стенами.

Запроектированная стеновая панель представляет собой законченный конструктивный элемент в виде ребристой железобетонной плиты (ребрами внутрь) с утеплением из пеноуретана или других пористых полимеров.

Наружную поверхность панели облицовывают при изготовлении плитками или офактуривают; внутреннюю поверхность панели подготавливают под окраску. По конструкции и способу изготовления железобетонной основы стеновые панели не отличаются от панелей перекрытий.

Применение унифицированных деталей значительно упрощает процесс проектирования жилых домов: при проектировании конкретного объекта после определения расчетных нагрузок выбирают по

41

сортаменту типоразмеры стоек, ригелей и панелей той или иной несущей способности. Наличие сортамента деталей строго ограничивает число типоразмеров элементов домов.

Технологический процесс производства деталей на новых заводах запроектирован на основе поточно-конвейерного метода с использованием ряда новых специализированных механизмов с полной механизацией всех трудоемких процессов.

Вглавном корпусе каждого из строящихся заводов с большими пролетами цехов размещается четыре конвейера: два широких – для панелей перекрытий и стен и два узких – для стоек, ригелей, лестничных маршей и площадок. Детали будут изготавливаться в металлических формах-вагонетках, перемещаемых вдоль линии конвейера по рельсам. Форма для изготовления панелей имеет гладкий поддон из стального листа, усиленного жесткой рамой, и съемные литые борта. Поддон и борта снабжены выдвигающимися штырями, на которые навивается арматура. В поддоне формы для панелей перекрытий имеется 464 штыря, расположенных по осям ребер. Расположение штырей дает возможность, выдвигая те или иные из них, получать 25 различных схем армирования для разных типоразмеров панелей.

Формы, находящиеся на конвейере, перемещаются вдоль него (периодически) специальным толкателем. Длительность нахождения формы на отдельных позициях (постах) конвейера принята одинаковой и равной 15 мин., исходя из продолжительности выполнения наиболее сложных операций.

Отформованные изделия поступают в камеры обогрева непрерывного действия с рециркуляцией подогретого воздуха. Камеры запроектированы трехъярусными. Для заталкивания вагонеток с изделием в камеру на тот или другой ярус служит самоходный портальный кран с подъемником и толкателем, перемещающийся по рельсам вдоль фронта камер.

Вкачестве примера рассмотрим технологический процесс изготовления панелей перекрытий.

Очищенную и смазанную форму устанавливают на поворотный

стол для навивки на штыри поддона нижней арматуры панели с определенным, наперед заданным напряжением (до 12 000 кг/см2). Затем на поддон устанавливают борта и на штыри бортов навивают, также с напряжением, верхнюю (монтажную) арматуру панели. Для панелей среднего размера продолжительность навивки арматуры составляет 12 мин.

42

Формовка панели производится в два приема: сначала бетоноукладчик подает в форму весь объем бетонной смеси, необходимый для изготовления панели, и укладывает его ровным слоем по всей площади поддона. Далее вступает в работу виброштамп, имеющий на нижней поверхности ряд коробов, которые по форме, размерам и расположению соответствуют кессонам формуемой панели. Под влиянием вибрации подвижность бетонной смеси резко повышается, и часть смеси, выдавливаемая штампом кверху между коробами, образует ребра панели.

Способ формовки вибропрессованием дает возможность применять очень жесткие бетонные смеси – с водоцементным отношением порядка 0,3. При этом ребра свежеотформованной панели даже при немедленном подъеме виброштампа хорошо сохраняют свою форму; кроме того, обеспечивается большая экономия цемента.

Отформованная панель на поддоне поступает в камеру твердения и после выхода из нее передается на склад.

12.1. Комбинированный сталебетонный каркас высоких зданий

В сооружениях со стальным каркасом наружные ограждающие конструкции обычно не бывают несущими, и поэтому необходимы дополнительные денежные расходы. В стальных зданиях навесные стены или панели крепятся к каркасу и служат для защиты от атмосферных воздействий, огнезащиты и теплоизоляции, но не влияют на прочность или жесткость самого каркаса.

Одно из новшеств, снижающих вес несущих конструкций в зданиях со стальным каркасом, состоит в применении «связанной обшивки».

Стальная наружная обшивка, связанная с бетонной основой, не только служит декоративной отделкой здания и рамой для остекления, но и способствует восприятию ветровых нагрузок, так как работает совместно со стальным кар-касом. Поэтому жесткость балок перекрытия может быть меньшей (с точки зрения передачи ветровых нагрузок), и они могут быть выполнены с меньшим сечением и весом. Но так как стальная обшивка не имеет снаружи огнезащитного покрытия, ее нельзя учитывать при расчете на действие вертикальных нагрузок.

43

Лучшие из построенных зданий со стальным каркасом характеризуются большими свободными площадями, создание которых стало возможным благодаря высокой прочности стальных конструкций и способности их перекрывать большие пролеты. Все механическое оборудование и проводки могут быть размещены в компактных сердечниках, тогда как в железобетонных зданиях свободное пространство часто прерывается массивными стенами и колоннами. Совершенно очевидны также преимущества ускорения строительства, менее жестких требований к основанию (поскольку все сооружение получается более легким) и свойственных этому материалу более широких возможностей, которые позволяют проектировщикам создавать открытый четкий фасад, характерный для современной архитектуры. Например, в здании «Уан-Шелл-Сквер-Тауэр» (Новый Орлеан) предусмотрены большие пролеты и свободная планировка помещений, что стало возможным в результате применения стального каркаса; такое решение повышает процентное соотношение полезной площади.

Однако все эти положительные качества стальных каркасов оцениваются в зависимости от стоимости дополнительных материалов и работ, необходимых для придания высотным зданиям с таким каркасом требуемой устойчивости или жесткости для восприятия ветровых нагрузок. Параллельно со стальными высотными конструкциями совершенствовались и несущие конструкции железобетонных зданий: от систем, образованных плитами и колоннами, до каркасов, усиленных диафрагмами, и далее – до сооружений с трубчатым сердечником. В современных железобетонных каркасах высотных зданий используется в различных сочетаниях взаимодействие такого сердечника с каркасом, имеющим диафрагмы, – так называемая система «труба в трубе». Такое направление развития железобетонного каркаса связано с необходимостью строительства высотного здания. В результате расход материалов и сечение элементов с увеличением высоты здания возрастают, но не настолько, чтобы уменьшение полезной площади сделало строительство железобетонных зданий практически нецелесообразным. Относительно медленные темпы строительства железобетонных зданий являются их основным недостатком, особенно если учесть, что никогда еще стоимость рабочей силы на стройплощадке не была такой высокой, как в настоящее время.

Хотя при строительстве отдельных высотных железобетонных зданий удается возводить один этаж за три дня, все же трудоемкость работ, связанных с подачей различных материалов, остается высокой.

44

Преимущества железобетонного каркаса состоят в низкой стоимости материалов, в жесткости конструкций, их огнестойкости и определенных теплоизоляционных свойствах, а также в сиособности бетона принимать форму опалубки. Все эти свойства дают инженерам и архитекторам широкие возможности создавать совершенные современные здания.

Идея создания сооружения с несущими конструкциями в виде трубы может служить примером возможностей осуществления новых принципов, заложенных в железобетонном каркасе. Эта идея состоит в том, что наружный несущий каркас, образованный близко расположенными стойками и ригелями, работает как ажурная утенка и воспринимает поперечные нагрузки подобно тому, как это происходит с консольной балкой коробчатого сечения. Благодаря формуемости бетона близко расположенные стойки и ригели работают совместно как жесткая решетчатая консольная труба. Тот же эффект может быть получен и у стальных конструкций, но при этом значительно усложняется их изготовление. Отверстия, оставляемые в железобетонном каркасе, используются в качестве оконных проемов с встроенными коробками; после остекления проемов получается полностью готовый фасад, тогда как при стальном каркасе нужно использовать отдельные ограждающие конструкции.

Однако стены центрального сердечника на верхних этажах этого здания отделяют внутренние помещения от всей остальной площади, ограничивая тем самым возможность гибкого использования пространства. По мере развития двух основных типов зданий становилась очевидной необходимость совместного применения обоих материалов, при котором исключались бы их недостатки и использовались их преимущества: прочность, скорость монтажа и возможность гибкой планировки внутренних объемов (присущие стальным конструкциям) и огнестойкость, формуемость и способность образовывать наружные стены с готовыми для остекления проемами (свойственные железобетону) – т. е. объединить оба эти материала таким образом, чтобы они дополняли друг друга. В этом и состоит сущность комбинированной системы. Комбинированное здание представляет собой стальной каркас, усиленный железобетонными конструкциями, причем обе системы сооружаются одновременно. Принята следующая последовательность строительства комбинированного каркаса:

45

а) по периметру здания устанавливают стальные колонны небольшого сечения, которые служат временной опорой для нескольких нижних этажей. Эти опоры должны быть достаточно прочны, чтобы выдержать только временные строительные нагрузки от 8 или 10 этажей;

б) поперечная устойчивость стального каркаса, еще не усиленного железобетоном и поэтому не обладающего достаточной жесткостью, может быть обеспечена путем применения временных связей из тросов, устройства жестких стыков в узлах каркаса, воспринимающих изгибающие моменты, или любым сочетанием этих двух методов. Интересным примером может служить ранее упомянутое 50-этажное здание «Уан-Шелл-Сквер-Тауэр» в Новом Орлеане. Система временных связей в этом здании представляет собой комбинацию сварных жестких узлов каркаса, работающих как рама (что само по себе уже снижает вес каркаса), связей из тросов (для выравнивания элементов каркаса в любом случае требовались оттяжки) и дополнительных К-образных стальных связей, имеющих в запасе для установки на случай воздействия урагана.

Укладку настила перекрытия и бетонирование перекрытия производят непосредственно после монтажа стальных конструкций каркаса. Применение стального настила с монолитным бетонным заполнением позволяет строителям пользоваться перекрытием вскоре после его возведения и создает хорошую диафрагму, повышающую жесткость свободно стоящего стального каркаса.

Бетонирование наружных колонн и ригелей

Бетонирование данных конструкций осуществляется следующими методами:

а) монтажные стальные колонны небольшого сечения бетонируются и включаются в конструкцию наружных железобетонных колонн, что приводит к перераспределению нагрузок;

б) объединение конструкций завершается путем устройства монолитной связи между железобетонным ригелем и настилом перекрытия. При наличии соответствующих материалов, оборудования, рабочей силы и календарного плана работ (что в любом случае является необходимым для всех строительных объектов) все эти операции должны производиться одновременно в определенной увязке с

46

монтажом стальных конструкций. При правильном ведении строительных работ такой метод позволяет смонтировать и закончить строительство здания в те же сроки, в которые сооружаются и обычные здания со стальным каркасом. Экономическая эффективность строительства зданий с комбинированными несущими конструкциями непосредственно связана с эффективным использованием материалов.

12.2.Архитектурные возможности

Вкомбинированных конструкциях зданий полезная площадь и полезный объем получаются даже большими, чем в зданиях со стальным каркасом. Это объясняется тем, что нет необходимости в устройстве внутренних ветровых связей, а также в усилении элементов и ограничении пролетов, связанных с обычными требованиями к допускаемым смещениям узлов жесткой рамы. Применительно к высотным зданиям, когда часть шахт оканчивается на промежуточных этапах, освобождаемую на верхних этажах площадь можно не загромождать стенами, связями или диафрагмами.

Внешний вид здания может отражать любую конструкторскую мысль и допускать любое архитектурное решение, логически связанное с конструктивной схемой.

Втрех указанных примерах практического осуществления этого принципа наружные колонны располагались через 3 м, отражая идею несущей стены, имеющей форму трубы. Но эта система работает так же хорошо и при более широком диапазоне пролетов и высот ригелей при условии, что удовлетворяется основное условие жесткости и устойчивости при воздействии ветровой нагрузки.

12.3.Конструктивные возможности

Комбинированные конструкции предоставляют проектировщику и подрядчику полную свободу действий, если только при этом обеспечивается устойчивость сооружения в процессе строительства.

Стальной каркас проектируется как система, состоящая из колонн с осевым приложением нагрузки, а также балок и прогонов, нагруженных собственным весом конструкций. Может быть выбран любой тип каркаса – с болтовыми соединениями в узлах, с полужесткими или жесткими сварными узлами; балки могут быть комбинированными и «скомбинированными».

47

Ввиду того, что устойчивость здания в горизонтальном направлении полностью обеспечивается наружными стенами, стальной каркас служебного сердечника может быть выполнен очень легким, так как его расчет осуществляется на пластической стадии работы, в том случае, если сварные соединения и более короткие пролеты оказываются приемлемыми. Методика оптимизации стального каркаса в такой системе более проста, чем в других стальных конструкциях.

В зависимости от формы наружный железобетонный каркас может быть рассчитан как жесткая рама, как ажурная стенка или как пространственный каркас. Он может быть сооружен с применением обычной опалубки, постоянной (оставляемой) опалубки или скользящей опалубки. Наружные стены в зданиях фирмы «Скидмор, Оуингз энд Мерилл» (США) до последнего времени рассчитывались как пространственный каркас путем моделирования квадрантов эквивалентных каркасов с элементами высотой 3 этажа.

Другая интересная проблема возникла в связи с относительными перемещениями наружных колонн (сталебетонных) и внутренних (стальных) колони. Пожалуй, самым спорным вопросом, вызывающим наибольшие возражения подрядчиков, является руководство новым методом строительства. Многие строители (подрядчики и предприниматели) чувствуют себя неуверенно, если им приходится отступать от традиционных методов ведения строительных работ. Возводя комплексную систему, подрядчик должен тесно координировать монтаж стальных конструкций с укладкой монолитного бетона.

Монтаж стальных конструкций не должен намного опережать бетонные работы (например, не более чем на 10–15 этажей), так как одиночно стоящие по периметру колонны не рассчитаны на большую нагрузку. С другой стороны, необходим разрыв между этими работами, по крайней мере, в два этажа, иначе бригады монтажников стальных конструкций и бетонщиков будут мешать друг другу. Другими словами, комплексные конструкции требуют более точного календарного планирования, и строгое соблюдение графика работ является гарантией успеха. Способы обеспечения этого условия не так уж сложны, но они являются новшеством.

Так как объединение во времени монтажа бетонных и стальных конструкций составляет основу этого решения, ведущую роль

48

играет планирование и руководство. Это не значит, что процесс объединения конструкций настолько сложный, что не должны допускаться какие-либо отклонения, связанные с непредвиденными проблемами. Наоборот, эта система предоставляет подрядчику широкие возможности регулировать и соизмерять темпы выполнения работ так, чтобы правильно сочетать местные условия строительства со своими конкретными возможностями.

Например, при разработке проекта здания JP Morgan Chase в Хьюстоне, где такая система была применена впервые, анализ с использованием метода критического пути показал, что критическими являются проектирование, изготовление и доставка сборных железобетонных фасадных панелей.

Соответственно, детали фасада были разработаны, в первую очередь, с тем, чтобы обеспечить возможность их своевременного изготовления. Одновременно, по предварительным рабочим чертежам каркаса был оформлен заказ на металл. Затем были закончены рабочие чертежи фундаментов и разработана деталировка стальных конструкций для их изготовления. Ко времени готовности рабочих чертежей здания были подготовлены фундаменты для монтажа первой поставки металлоконструкций.

Когда стальной каркас был доведен до шестого этажа, на стройплощадку уже прибыли первые сборные железобетонные панели, готовые к использованию в качестве постоянной опалубки для наружного монолитного железобетонного каркаса.

12.4. Эффективность совместных усилий

Подобно тому как основой рассмотренной конструктивной системы служит объединение в конструкции двух основных материалов, строительство различных объектов привело к появлению многих новых идей, направленных на совершенствование общих усилий.

Подрядчик, осуществлявший строительство здания «Уан-Шелл- Оквер-Тауар» в Новом Орлеане, усовершенствовал технологию применения металлической опалубки, состоящей из нескольких стандартных элементов, и подъемников передвижных форм с электронным управлением в такой степени, что процесс бетонирования наружных стен мало чем отличался от бетонирования в скользящей опалубке. Начальная стоимость получилась довольно высокой, но она вполне оправдывалась масштабами работ и ускорением их тем-

49

пов. Временами бетонные работы буквально «подталкивали» монтаж стальных конструкций. Максимальные темпы строительства были достигнуты при возведении одного этажа за 22 дня.

Такое новшество, как использование в качестве опалубки сборных железобетонных наружных панелей, поставляемых на строительство зданий JP Morgan Chase в Хьюстоне, было предложено фирмой «Скидмор, Оуивгз энд Мерилл» и немедленно внедрено; это позволило получить выразительный в архитектурном отношении бетонный фасад без дополнительных расходов на опалубку.

Перспективы развития

Полагают, что развитие комбинированных систем зданий приведет к дальнейшему развитию и всей строительной промышленности. В настоящее время существуют две противоречивые тенденции:

а) системный подход к конструкциям зданий, которому свойственна модульная система,

б) поиски новых архитектурных решений, новых выразительных форм и новых областей использования материалов.

В комбинированных системах заложены идеи, способные использовать обе эти перспективные тенденции и сделать их жизнеспособными. Например, развивая методы работ, примененные при устройстве стальной обшивки зданий «Гейтвей I и II» в Чикаго, в сочетании с идеей постоянной опалубки, осуществленной при строительстве здания в Хьюстоне, можно значительно повысить эффективность комбинированных систем со стальной обшивкой. (Вместе с тем комбинированные системы допускают любую наружную отделку здания – от конструктивного бетона с обнаженным заполнителем до самого дорогостоящего покрытия бетонной поверхности.)

Направление, возникшее в связи с развитием комбинированных конструкций, может открыть путь для других достижений в области применения новых материалов и новых конструктивных систем.

13. Комплексные методы контроля исполнения работ на строительном предприятии при высотном домостроении

Методы и системы контроля должны создаваться с учетом особенностей тех областей, в которых они будут использоваться для оценки качества работы и выбора корректирующих действий. В большинстве случаев методика контроля предназначается для кон-

50