ГлавнаяПоставим цель, которая последовательно достигалась десятилетиями - распространить область применения каркаса на жилищное строительство. Для этого сначала проведем сравнительный анализ межвидового каркаса и типовых жилых домов, возводимых в период массового жилищного строительства в 60-90-х гг.
Каркас с.1.020-1/87. Сборный железобетонный каркас запроектирован по связевой схеме с шарнирной стыковкой ригелей и колонн. Пространственная устойчивость обеспечивается вертикальными диафрагмами жесткости, размещенными симметрично относительно координационных осей здания в обоих направлениях и соединенных сваркой с колоннами и между собою по высоте; количество диафрагм в одном температурном блоке - не менее трех. Жесткость перекрытий обеспечивается сваркой связевых плит с ригелями, заделкой швов и стыков раствором между всеми плитами.
Конструктивные элементы: колонны - многопролетные неразрезные балки, опертые на жесткие диски перекрытий, нагруженные продольно сжимающей силой и поперечными силами на опорах и в стыках колонн; ригели — однопролетные балки с шарнирными опорами, нагруженные статической вертикальной равномерно распределенной нагрузкой; плиты перекрытий - разрезные однопролетные балочного типа, нагруженные равномерно распределенной нагрузкой; диафрагмы - консольная жесткая балка-стенка, нагруженная продольной статической и поперечной динамической (ветровой) нагрузками.
Для перекрытий применены: многопустотные укороченные плиты с номинальными размерами (в модульных координационных осях) длины 3,0; 6,0; 7,2; 9,0 м для общественных и производственных зданий с обычной нагрузкой на перекрытия; ребристые сантехнические плиты пролетами 3,0; 6,0; 7,2; 9,0 м для зданий производственного назначения с повышенными значениями нагрузок на перекрытия; ребристые укороченные плиты пролетом 6,0 м; плиты T и TT пролетов 9,0 и 12,0 м укороченные для устройства зальных помещений.
Вариантность объемно-планировочных схем, обеспечиваемая номенклатурой изделий, позволяет проектировать здания, параметры габаритных схем которых по модульной координационной сетке колонн и по высоте этажей приведены в зависимости от типа плит перекрытий в табл. 5.3.1-5.3.2.
В состав номенклатуры изделий включены одноэтажные колонны-вставки и другие с дополнительными типоразмерами для зданий с нерегулярными по высоте габаритными схемами. Возможные в таких случаях габаритные схемы приведены в табл. 5.3.3.
Диапазон проектных нагрузок на каркас принят, исходя из расчетных равномерно распределенных нагрузок на перекрытия для общественных зданий и вспомогательных зданий промышленных предприятий согласно унифицированному ряду: 400, 600, 800, 1000, 1250, 1600 кгс/м2. Максимальные нагрузки на перекрытия для разных сеток колон в модульных координационных осях приведены в табл. 5.3.4. нагрузки соответствуют предельной несущей способности ригелей принятых пролетов с округлением до значений приведенного выше ряда. Расчетные нагрузки на ригели даны в табл. 5.3.5.
Номенклатура сборных строительных конструкций предусматривает три группы колонн: бесстыковые на всю высоту здания, стыковые многоэтажной и одноэтажной разрезки. В составе стыковых колонн многоэтажной разрезки имеются нижние, средние и верхние для зданий с этажами в 3,3; 3,6; 3,6 (4,8); 4,2; 4,8 (6,0); 6,0; 6,0 (7,2) м, в скобках - возможная высота первого этажа.
Для зданий с увеличенной высотой первого этажа предусмотрены нижние двухэтажные колоны для зданий:
• с рядовыми этажами высотой 3,6 м, высота первого этажа - 4,8 м;
• с этажами 4,8 м - первого 6,0 м;
• с высотой 6,0 м - 7,2 м.
Колонны с многоэтажной разрезкой обеспечивают количество этажей в здании от 1 до 12 высотой 3,6 м и до 10 этажей высотой 4,2 м (без верхнего технического этажа) с комбинациями высот, приведенных выше.
Конструктивные решения изделий. Колонны одно- и двухконсольные (соответственно крайние и средние) с типоразмерами по несущей способности консолей: 21; 33; 52,5 (60) тс, в скобках - для этажей 4,8; 6,0; 7,2 м; рассчитаны на невыгоднейшие сочетания нагрузок; квадратного сечения 40х40 см на всех этажах; одно-, двух- и трехэтажной разрезки. Стыковка на высоте 0,7 м над перекрытием через стальную центрирующую прокладку со сваркой выпусков продольной арматуры и обетонированием.
Ригели таврового сечения с пололкой снизу двух типов: для двух- и одностороннего опирания плит (по торцам и деформационным швам здания); пролетами 3,0; 6,0 и 7,2 м в разрезе высотой 450 мм, а также пролетами 6,0 и 9,0 м - 600 мм.
Диафрагмы жесткости толщиной 180 мм выполнены как несущие перегородки; имеют полки, заменяющие ригель или выполнены без них. При пролетах 12 м предусмотрены фахверковые колонны с опиранием на них обвязочных ригелей.
Стены - самонесущие из панелей с.1.030-1 для общественных зданий и вспомогательных производственных зданий. Применение навесных стен согласно проекту должно обосновываться. Привязка колонн - осевая.
В итоге номенклатура типов элементов каркаса: колон - 7, ригелей - 4, диафрагм - 4; всего - 15. Марок: колон одноэтажной разрезки - 320, двухэтажной - 481, трехэтажной - 273; всего - 1074, из них бес-консольных колон - 221; ригелей - 88, диафрагм - 62. Таким образом, в каркасе 1224 марки (без элементов, которые не влияют на вариантность каркаса: лестничных клеток, элементов фундаментов и других, т.е. которые во множественном анализе элементов каркаса принимаем за пустые множества).
Предусмотренные по проекту каркаса плиты перекрытий типовых серий имеют 3 типа 33 типоразмеров. Дополним, что при инновационных решениях могут применяться плиты, предназначенные для жилых зданий согласно ГОСТ 9581-91, содержащего 4 типа плит (однослойные толщиной 120 и 160 мм, многопустотные - 220 мм с диаметром пустот 159 и 140 мм). Размеры плит пролетом 2,4; 3,0; 3,6; 4,8; 5,4; 6,0; 6,3; 6,6; 7,2 м шириной 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,4; 3,0; 3,6 м. Всего: 4 типа 178 типоразмеров.
Стеновые панели с.1.030-1, предусмотренные проектом для каркаса, в жилых зданиях применяться не могут из-за их несоответствия габаритным размерам, характеру разрезки, обработки поверхности; а панели жилых зданий не согласовываются с геометрическими параметрами межвидового каркаса. Необходимо также иметь в виду, что с каркасом вместо панелей могли бы использоваться мелкоштучные материалы (кирпич, мелкие блоки), но проектом с. 1020-1/87 оговорено, что такой вариант не предусмотрен (допускается при обосновании).
Итак, множество элементов каркаса с.1.020-1/87, влияющая на вариантность зданий как ИСС имеет такой логико-семантический вид:
т.е. общая номенклатура элементов
Предположим, что из номенклатуры несущих элементов сборного каркаса N/с.1.020-1/87 как определенного множества можно применить для жилых зданий некоторое подмножество элементов. Для выявления последнего проанализируем действовавшие принципы типового проектирования, а также объемно-планировочные и грузовые параметры жилых типовых зданий и сравним с современными принципами и нормами проектирования, учитывая критерии комфортности жилища.
Типовые жилые дома. Решение жилищной проблемы осуществлялось с обеспечением санитарно-гигиенического минимума, достаточного для восстановления физических и духовных сил человека. Жилая ячейка с конца 50-х годов прошлого столетия рассматривалась в виде отдельной благоустроенной квартиры или индивидуального дома для каждой семьи, а для каждого человека - отдельной комнаты. Это было заданием жилищной политики к 2000 г., которое в полном объеме не было выполнено.
Основным видом жилища (до 90%) были квартирные дома для посемейного заселения. Квартира рассматривалась как место удовлетворения бытовых процессов. Социальные требования усложняют и расширяют функции квартиры, одновременно с этим растет значение квартиры.
В практике жилищного строительства восстановительного периода отмечается существенное изменение стандарта массового жилища в направлении упрощения архитектурно-планировочных и усовершенствования инженерно-технических решений зданий. Co временем учитывалось, что при длительных сроках эксплуатации жилых зданий квартиры должны быть удобными не только для текущего времени, но и в перспективе. Поэтому постепенно увеличивались модульные размеры стеновых панелей и плит перекрытий (шага, пролета), что обеспечивало более свободную планировку. Однако при этом за счет частого размещения перегородок помещения выполняли небольших размеров.
Основной ИСС, применяемой для массовых домов, была диафрагмово-стеновая, а основным композиционным решением многоэтажных домов был секционный (около 80% жилого фонда). Допускались на первых этажах некоторые встроенные общественные помещения -магазины промышленных товаров, детские кухни, аптеки и т.п. Гаражи и стоянки для автомобилей устраивались отдельно с соблюдением расстояний по градостроительным нормам.
Архитектурной наукой в период разработки принципов типового проектирования на основании анализа объемно-планировочных схем, архитектурно-конструктивных парам жилых зданий, их инженерного и санитарно-техничного оборудования более чем за 100-летний период с учетом факторов городской среды были классифицированы уровни комфортности жилища. Наивысший уровень имел такой перечень характеристик жилища (без учета городской среды): секционное с посемейным заселением, норма площади — по прогнозируемым требованиям на 1990 г., кухня-столовая или отдельная кухня, раздельная ванна и уборная (возможен малый дополнительный санузел), отопление центральное, горячее водоснабжение от бойлерной, кухонная плита газовая или электрическая.
В реальном проектировании объемно-планировочные параметры определялись нормами, отражающими социальное развитие и экономические возможности удовлетворения возрастающих потребностей населения в благоустроенных жилищах. Считалось, что большая обеспеченность чем минимальный предел 5 м2/чел жилой площади снижает заболеваемость. Обеспеченность в 7-9 м2/чел позволяет дать каждой семье изолированную квартиру. Достижение этой нормы представлялось как важная ступень в повышении комфортности, поскольку более высокую ценность для семьи представляет не столько размер площади, сколько изолированность квартиры. Качественный социально-демографический скачок обеспечивает норма в 12-13 м2/чел, а при 16-18 м2/чел становится возможным развитие любительской или профессиональной работы. Это - граница, за которой рост благосостояния не влияет на потребность в жилище. Дальнейшее увеличение нормы до 20-25 м2/чел считалось далекой перспективой.
В оценке квартиры существенной была не только норма жилой площади, но и верхний предел общей площади. Согласно СНиП верхние пределы общей площади квартир типа Б (с повышенной нормой) в зависимости от количества в них жилых комнат составляли от 36 м2 (для однокомнатных) до 108 м2 (для 6-ти комнатных); для квартир типа А (с обычной нормой) верхние пределы составляли соответственно 28—96 м2. За период существования СНиП до 1991 г. вспомогательная площадь увеличилась на 12-14%.
Качество жилища характеризуется также составом помещений. Нормами учитывался минимальный по санитарно-гигиеническим и хозяйственно-бытовым представлениям набор помещений в зависимости от типа поселения (городского или сельского). Помещения иного функционального назначения (для творчества, досуга и т.п.) в типовых проектах не предусматривались. Из-за экономии функционально специализированные помещения (уборная, ванная, кухня) имели минимальные размеры. По этой же причине определялся упрощенный состав помещений (совмещенные санузлы, отсутствие холлов и т.п.) и их неудобные пропорции.
Принятые нормы площади относятся к квартирам с высотой помещений в 2,5 м, что было принято и в странах социалистического содружества. Высоту помещений в полносборных домах в Италии, Великобритании и других странах принимали меньшей - 2,4 м. Норма жилой площади в 16-18 м2/чел, как оптимальная, считалась научно обоснованной во Франции, Швеции и других странах.
Данные параметры определяли санитарно-гигиеническую норму объема воздуха в квартире, приходящегося на человека. Этот показатель зависит от высоты этажа, однако при ее ограничении он мог компенсироваться большей нормой площади квартир.
При проектировании до 90-х годов социальная значимость жилища, его функциональное назначение и зонирование, параметры комфортности, демографический состав регионов и социальное положение членов семьи, архитектурная типология, градостроительный аспект учитывались комплексно. Жилище проектировалось дифференцированно (для разных слоев населения предусматривались квартиры группы А и Б и др.).
Существенным в оценке типового жилища являются эксплуатационные характеристики зданий, в частности, теплотехнические свойства ограждающих конструкций (сопротивление теплопередаче, тепловая инерция и др.) и материалоемкость, определяющие при традиционных строительных материалах (кирпиче, бетоне, железобетоне) высокий класс капитальности зданий. Теплотехнические свойства ограждающих конструкций полносборных (особенно крупнопанельных) зданий были весьма низкими. В расчете оптимальной толщины ограждений исходили из стоимости дешевых в те годы энергоносителей, что снижало материалоемкость и соответственно стоимость зданий. Материалоемкость снижалась также за счет малой величины нормативной нагрузки на перекрытия и в связи с инженерными расчетами по методике предельных состояний. Это что ухудшало эксплуатационные качества жилых зданий (в частности, большие прогибы перекрытий, зыбкость остова, низкая звукоизоляция стен и др.).
На комфортность (как благоприятное психофизиологическое самочувствие) жилища влияет также архитектурно-эстетическая среда. В этой связи однообразие застройки микрорайонов являлось признаком неудовлетворительного качества типового жилища.
В советский период типового проектирования жилище производилось высокоразвитой строительной индустрией. Этот период характеризуется плановой экономикой, государственным финансированием жилищного строительства, бесплатным предоставлением квартир и др. Жилищная политика была связана с необходимостью скорейшего восстановления разрушенного войной народного хозяйства. Поэтому строительство было массовым (серийным), преимущественно сборным, т.е. дешевым и быстрым, а потому получалось весьма низкого качества.
В современном представлении типовые дома не отвечают возросшим требованиям по объемно-планировочным параметрам, эксплуатационным качествам, уровню комфортности. В жилых зданиях, возводимых в настоящее время в комплексе с общественными зданиями и помещениями, используются услуги в значительно большем объеме, чем предполагалось ранее. Если планировалось в будущем учитывать около 10 видов обслуживания, рассредоточенных по жилому району, то сейчас в одном здании их может быть более 20. Хотя это относится в разной степени к социальным и коммерческим жилым домам (I и II категории).
Квартиры коммерческих жилых домов, возводимых сейчас по «именным» проектам, например, в жилом комплексе «Павлово поле» в Харькове (фирмы «Макрокап Девелопмент Украина») квартиры имеют такие площади: 2-х комнатной - 85,00; 3-х комнатной - 116,50; 4-х комнатной - 156,10 м2. Высота этажей - 3,0 м. Предусмотрены подземная парковка, торговое обслуживание, охрана, спортивно-оздоровительный комплекс, новейшее инженерное оборудование и др.
Итак, проведенный анализ показывает, что каркас с.1.020-1/87 по своим укрупненным модульным геометрическим и грузовым параметрам не соответствовал нормам типового проектирования жилых зданий, для последних они были большими; предусматривает применение стеновых панелей и плит перекрытий, предназначенных для общественных и вспомогательных производственных зданий, которые не применялись для жилых зданий.
В жилых сборных зданиях типовых серий наиболее распространенными были многоквартирные дома средней, а позднее повышенной этажности (в 5, 9, 16 этажей) много- и односекционного типа; не применялась каркасная ИСС, являющаяся для зданий повышенной этажности принципиально целесообразнее; объемно-планировочные и грузовые параметры, размеры и состав помещений принимались минимально допустимые, что не соответствовало каркасной системе с крупноразмерными геометрическими, грузовыми и силовыми параметрами с.1.020-1/83,87.
Решение проблемы. Теоретическим обоснованием взаимной адаптации каркаса с.1.020-1/87 и жилых зданий является проведенный анализ графоаналитической модели каркасной ИСС с вариантными геометрическими, грузовыми и силовыми (по несущей способности) параметрами.
Обозначим подсистему жилых зданий, образуемых из элементов каркаса с.1.020-1/87, как дополнение к каталогу возможных систем КТ/с.1.020-1/87, а номенклатуру элементов этого каркаса, возможных для ее образования - HM/с.1.020-1/87. В обеих подсистемах при поиске новых АКТ-решений руководствуемся обобщенными принципами заменяемости и модульности.
Решение проблемы по расширению области применения с.1.020-1/87 на жилищное строительство является процессом на векторе НТП (см. выражение 4.3.4):
Из возможных путей решения проблемы примем (как гипотезу) возможность и допустимость встречной адаптации вариантных схем и вариабельных парам каркаса и жилых зданий:
где {L, В, Н; q, G} - множество геометрических и грузовых парам элементов межвидового каркаса; {АХ, КТ, TX, ...} - множество парам жилых зданий: архитектурных, конструктивных, технологических и других (экономических, социальных и т.п.), характеризующих комфортность.
Взаимную адаптацию проведем путем использования:
• высот типовых колон каркаса разных разрезок по количеству этажей к новым возможностям в жилищном строительстве;
• величин нагрузки на перекрытия из унифицированного ряда в соответствии с нормативной нагрузкой на перекрытия жилых зданий;
• типовых плит перекрытий для жилых зданий;
• кирпичных стен (без увеличения номенклатуры каркаса).
Применим к элементам каркаса метод кратности геометрических и грузовых парам. Обобщенная модель каркасной ИСС в данном случае будет отличаться от рассмотренной ранее модели, принятой для теоретических исследований, следующим:
• в аналитическую часть модели введем дополнительно объемные параметры: высоту колонны для каждого яруса (между типовыми консолями) в 2 этажа Нкол;
• высоту этажа жилых зданий hэт;
• количество образуемых этажей в неразрезной колонне nэт и
• величину нагрузки на консоль колонны Nконс от дополнительного перекрытия.
Согласно введенным изменениям в графической части модели парам Hкол var, hэт var и nэт var получаем выражения ее вариантности по объемным параметрам:
где var, эт, кол - индексы соответственно: вариантный, этаж, колонна (сплошной разрезки, одно-, двухэтажной), при этом любой этаж этой колонны имеет высоту, из которой получается nэт var этажей в жилом здании одинаковой или разной высоты, а именно:
где i - порядковый номер этажа в неразрезной колонне.
При конструктивном выполнении совокупность АКТ-признаков представляет остовы многоэтажных зданий (с отношением парам 1:1) или многоярусных зданий (с конструктивно реальном отношением парам 1:2), характеризующиеся кратностью:
• унифицированной высоты типовых колонн (между консолями), к современной высоте этажа жилых зданий;
• нормативных нагрузок на типовые ригели с плитами перекрытий к нормативной нагрузке на перекрытия жилых зданий;
• несущей способности типовых колонн (с перекрытиями) к нормативной нагрузке на перекрытия жилых зданий;
• несущей способности плит перекрытий, применяемых для каркаса, к несущей способности плит перекрытий для жилых зданий.
Конструктивно деление колонны на два этажа возможно:
• устройством на дополнительных консолях в колоннах промежуточных перекрытий по дополнительным ригелям, предусмотренным для каркаса, и укладкой по ним типовых плит (АКТ-схема 1), т.е. применяя для колонн метод модификации (см. далее рис. 5.3.1);
• выполнением по перекрытиям, предусмотренным проектом каркаса (как в общественных и других зданиях с соответствующими им колоннами по высоте и несущей способности), навесных наружных и внутренних стен высотой, равной промежуточному этажу, на котором устраивается промежуточное перекрытие из типовых плит настилов для жилых зданий (АКТ-схема II). То есть устаиваются встроенные этажи методом базовой системы (см. рис. 5.3.2).
При промежуточном перекрытии, выполняемом на дополнительных консолях в типовой колонне с установкой на них дополнительных типовых ригелей и укладкой по ним типовых плит настила, по новому (H) решению под основной консолью типовой (T) колонны должно выполняться условие
Удовлетворение условия (5.3.7) вообще необходимо для обеих АКТ-схем, но в АКТ-схеме II правая часть этого выражения отождествляется с левой и равняется NконсТ. Величина сосредоточенной нагрузки на консоль при равномерно распределенной нагрузке на перекрытие qп определяется количеством грузовых четвертей перекрытий (этажей) nэт, приходящихся на типовую колонну по выражению 3.5.7.
Дополнительные параметры модели находятся во взаимосвязи, выраженной в модульной форме, и соответствуют свойству аддитивности по выражению 3.5.10. Последнее обеспечивается благодаря тому, что гибкость типовой колонны в случаях ее модификации или в типовом применении не увеличивается. Тогда гибкость при новом решении
Недостатком предложенных решений является излишек армирования: по АКТ-схеме I - в модифицированной колонне выше дополнительной консоли, а по АКТ-схеме II - кроме того, на ригель из-за двойной нагрузки на него от 2-х этажей одного яруса. Однако перерасход материалов является объективным следствием унификации, а в данных решениях он невелик.
По типовому решению каркаса нагрузка qn на перекрытие пролетом L и шагом В передается на колону высотой Н. Несущая способность колонны соответствует количеству перекрытий (этажей) nэт и четвертей грузовых площадей nq перекрытий в зависимости от места колонны в плане. Исчерпание несущей способности колонны Nt при вариантных параметрах Bvar, Lvar, qvar и постоянной нагрузке Nconst определяется из выражения
где Nconst - вертикальная нагрузка на консоль колонны, кН;
nэт - количество этажей, опирающихся на консоль колонны qvar - нагрузка на перекрытие, МПа;
bvar, lvar - соответственно шаг и пролет колонн (значащие числа), м;
M - основной геометрический модуль, 0,1 м;
nq - количество четвертей грузовой площади, приходящихся на колонну.
По выражению (5.3.9) проводим подсчет нагрузок на ригели от плит перекрытия и на колонны от ригелей для выявления в номенклатуре соответствующих элементов, пригодных для жилых зданий (с модификацией элементов каркаса или без нее). При этом вариабельные габаритные параметры каркаса можно определять по укрупненно-дробным параметрам:
где h - высота этажа (значащие числа) габаритной схемы каркаса;
N - натуральные числа укрупненной составляющей парам;
n - то же, дробной; при этом N ≫ n.
Выражение (5.3.10) соответствует укрупненно-дробным модульным размерам в соответствии с ОМКС, а при n = 0 - укрупненным в соответствии с МКРС. Вариабельность парам сопровождается архитектурно-композиционной и конструктивно-технологической взаимосвязанной вариантностью АКТ-схем I, II. Например, возможны варианты АКТ-схем I, II с квартирами в двух уровнях, а для АКТ-схемы II дополнительно с залом высотой в ярус (в два этажа - 2hэт), соответствующий высоте колонны между консолями Нкол. То есть при колоннах высотой Hкл с.1.020-1/87 и этаже жилых зданий высотой получаем вариант с кратно большим количеством этажей в одной типовой колонне:
Относительно отхода от признаков взаимозаменяемости в основах типового проектирования надо отметить, что свойство, методы и принцип (взаимо-, разно-, амби-) заменяемости соответствуют атрибутивным признакам, составляющим формальную заменяемость элементов в ИСС с применением только сборных элементов - Зфр по выражению (4.2.18). При определенных отступлениях от них, соответствующих неформальной заменяемости, применяют дополнительно мелкоштучные и монолитные изделия - Знф по выражению (4.2.19). Тогда в данном случае:
где Зв, Зр, 3а - соответственно взаимо-, разно- и амбизаменяемость.
Выражение (5.3.13) описывает теоретическое отступление от полносборности, соответствующей выражению (5.3.12), и отходу AKT-схем жилых зданий от формальной разнозаменяемости сборных элементов к неформальной с применением штучными и/или монолитных элементов. Привлечение сборных плит перекрытий жилых зданий согласно формальной и неформальной (с доработкой этих плит) разнозаменяемостью для функционирования в АКТ-схеме II обеспечивает дополнительный технический эффект:
где Δk→жл - дополнительный технический эффект от применения каркаса с. 1/020-1/87 в жилых зданиях.
Для возмещения отсутствующих стеновых панелей (хотя их производство в новом исполнении можно возобновить), в подмножество сборных элементов необходимо ввести мелкоштучные элементы для наружных подвесных и внутренних стен:
Модификации АКТ-схем I,II каркаса должны соответствовать параметрам жилых зданий разного уровня комфортности:
где {L, В, H; Q, G, ...} - множество парам, соответствующих множеству требований комфортности {АХ, КТ, ТХ,...} по выражению (5.3.4).
Одновременное применение элементов разной номенклатуры как заменяемых между собой в одной ИСС может обеспечиваться удовлетворением условий совместимости и, в частности, сопряженности стыкуемых CT поверхностей этих элементов по выражению 2.2.7 при достаточной их несущей способности. Условия совместимости элементов разной номенклатуры (доработка дополнительных консолей на колоннах, омоноличивание стыков и др.) могут обеспечиваться на разных стадиях существования жилой ИСС: на стройплощадке при монтаже каркаса или на заводе при производстве сборных конструкций. При доработке (Др) конструкций на заводе (индекс - З), т.е. при производстве в новом исполнении они становятся формально (индекс - ф) взаимо- Зв, разно- Зр заменяемыми:
Технологические операции, проводимые по выражению (5.3.17), приводят к новым типам, типоразмерам и маркам в номенклатуре элементов каркаса, что является частью двуединой основной проблемы.
Однако сначала решим поставленную здесь задачу по применению каркаса с.1.020-1/87 без увеличения типовой номенклатуры для жилых ИСС. Проведенное логико-семантическое описание взаимной адаптации жилых ИСС и с.1.020-1/87 обеспечено АКТ-схемами I,II, приведенными ниже. Модификации типового каркаса получены фрагментарно-матричным методом разнозаменяемости.
АКТ-схема I имеет одинаковую или разную высоту двух этажей, в сумме равную расстоянию между консолями колонн, за счет изготовления дополнительных консолей (рис. 5.3.1). Номенклатура каркаса имеет типоразмеры, которые в сравнении с нормативной нагрузкой на перекрытие жилых зданий кратно больше нагрузок на колоны, ригели и плиты. Поэтому каркас для адаптации к жилым зданиям нагружается так же, как для общественных и других зданий.
Расчет сосредоточенной нагрузки на консоль колон по АКТ-схеме I с типовыми укороченными плитами приведен в табл. 5.3.6, 5.3.7. Из табл. 5.3.7 следует, что при соблюдении соответствия по нагрузке на консоль межвидовой каркас можно применить для жилых зданий с сетками колонн (7,2+7,2)x7,2; (9,0+9,0)x6,0 и (9,0+9,0)x9,0 м, как ближайших, соответствующих унифицированным нагрузкам на консоль в 21 и 33 тс. Возможно также применение сетки (9,0+9,0)x12,0 м, но с уменьшением армирования в колоннах относительно типового (при их модификации).
Расчет сосредоточенной нагрузки на консоль колонн по AKT-схеме I каркаса со стандартными плитами перекрытий приведен в табл. 5.3.8, 5.3.9. Из табл. 5.3.9 следует, что в случае применения стандартных плит перекрытий с опиранием по координационным осям (т.е. не укороченных, с ригелем между плитами как разделяющим элементом) для жилых зданий на базе межвидового каркаса:
• сетки колонн с малыми шагами 3,6; 4,2; 4,8; 5,4 м даже с укрупненными пролетами 6,0; 7,2 м являются нецелесообразными, поскольку они существенно не приближаются к наименьшей унифицированной нагрузке на консоль 21т;
• сетки колонн с укрупненно-дробными модульными размерами больше исчерпывают унифицированную несущую способность типовых колонн. Например, при шаге 12,4 м со стандартными плитами по ГОСТ 9581-91 и пролете 7,2 м имеем NконсР = 31,50 → NконсТ = 33 тс, а при шаге 12,0 м с типовыми укороченными плитами с.1.041.1-3 и том же пролете 7,2 м имеем NконсР = 30,52 → NконсТ = 33 тс, где 31,50 тс ≥30,52 тс;
• наибольшее приближение к нагрузкам на консоль имеют сетки, м:
При варианте АКТ-схемы I в сечении колонн по стволу под дополнительными консолями расчетные усилия соответствуют предельным усилиям, а над консолями часть колонны недогружена. Перерасхода арматуры можно избежать методом «адаптации» колонны к новым условиям работы двумя путями:
• принять марку колонны соответственно нагрузке на консоль нижнего этажа и при изготовлении колонны уменьшить армирование ее верхней части, т.е. будет теоретически модульное соотношение фактического армирования к типовому 2 (внизу) : 1 (вверху);
• наоборот, принять марку колонны по нагрузке на консоль верхнего этажа и увеличить армирование нижней части, указанное соотношение будет 1 (вверху) : 2 (внизу).
Однако таким перерасходом арматуры колонн при их унификации можно пренебречь.
АКТ-схема II отличается от АКТ-схемы I тем, что доработка типовых колонн с.1.020-1/87 консолями не производится, а вместо этого по типовым перекрытиям возводятся наружные навесные и внутренние стены из облегченного кирпича, которые несут между типовыми консолями второй этаж в каждом ярусе. На эти стены могут укладываться обычные (не укороченные) плиты перекрытий, предназначенные для жилых зданий (рис. 5.3.2).
Проведем расчет нагрузки на консоль колонн по АКТ-схеме II со стандартными плитами перекрытий. Собственный вес внутренней стены gст при толщине в один кирпич (250 мм) наибольшей высоты hэт = 3,3 м и плотности облегченного кирпича γо = 800 кг/м3 составляет 0,66 тс/м.
Полная нагрузка от верхнего перекрытия с плитами из легкого бетона q2эт на один ригель берется по табл. 5.3.10; то же от нижнего перекрытия (из укороченных плит) с учетом собственного веса ригелей q1эт - по табл. 5.3.6 как gп. Величины расчетной нагрузки на консоль колонны NконсР приведены в табл. 5.3.11.
По данным табл. 5.3.11 отбираем варианты координационных сеток, приемлемые для жилых зданий по АКТ-схеме II (без шага 3,0), м:
Особенностью варианта по АКТ-схеме II является выбор колонн, соответствующих не только двойной высоте помещений жилых зданий, но и двойной нагрузке по несущей способности на консоль.
Относительно наружных стен из кирпича добавим, что они могут быть навесными из облегченного кирпича, принимая колонны следующего типоразмера колонн по несущей способности (это - формальная разнозаменяемость), если не придерживаться предельной экономии, свойственной советскому периоду типового строительства. Moжно для армирования колонн применить более развитый модульный ряд арматурных каркасов, обеспечивающих большее соответствие данного варианта по несущей способности колонн (это - неформальная разнозаменяемость, при заводском изготовлении становящаяся формальной). При этом не следует считаться с увеличением номенклатуры по количеству марок (главное - сохранять тип), поскольку функциональная «гибкость» колонн обеспечена сборными элементами — арматурными каркасами, закладными деталями и металлоформами, а преимущества от «перехода» межвидового каркаса в «межотраслевой» значительны. Арматурными каркасами целесообразнее приближаться к расчетной несущей способности конструкций за счет количества стержней и изменения диаметра арматуры, принимаемого по предпочтительным рядам чисел как в машиностроении.
Капитальность зданий. Классические основы архитектурного проектирования содержат различные концепции о соизмеримости частей зданий, сооружений и человека в поисках их гармонии. Такие концепции, в частности, о модуле в проектировании начала индустриализации, как отмечалось ранее, не отвечали потребностям массового строительства. Поэтому в основах типового проектирования было дано научное развитие концепции модуля на иных принципах, сформировавшихся в нормативные, а затем стандартные положения МКРС.
С другой стороны, достижения прошлого столетия в области инженерных дисциплин в результате сформировались в проектировании строительных конструкций как метод расчета по предельным состояниям, актуальный для тех социально-экономических условий. Однако предельная экономия материалов на несущих конструкциях (равно, как и на ограждающих, но по другой причине), привела к ухудшению качества жилых зданий, связанных с уменьшением их массы.
Жилые типовые здания (особенно крупнопанельные первого поколения) получили низкий класс капитальности с меньшей долговечностью. Уменьшение массивности привело к появлению зыбкости зданий, плохой звукоизоляции и теплозащите, что существенно в оценке комфортности жилища.
Низкое качество жилья в новых социально-экономических условиях несовместимо с высокими требованиями к современному жилищу, особенно, коммерческому. При этом показатель материалоемкости, определяющий стоимость жилых зданий, сейчас не является решающим фактором.
Поэтому применительно к жилым зданиям классическая архитектурная концепция о геометрических критериях гармонии зданий, сооружений с человеком может быть расширена учетом их масс.
Введем показатель соизмеримости массы здания и человека (далее: относительная массивность здания). Такое предложение является последовательным в отношении принципа обобщенной модульности и целесообразным для обоснования применимости каркаса с. 1.020-1/87 в жилищном строительстве. Относительную массивность kG определим отношением материалоемкости здания (на 1 м2 этажа) к нормативному весу человека:
где Gзд/м2 - масса 1 м2 одного этажа здания, т;
gчел - нормативная масса человека, равная 100 кг. Материалоемкость жилых зданий при прочих равных условиях определяется высотой этажа, которая на протяжении рассматриваемого исторического периода была существенно уменьшена. При унифицированной высоте 2,8 м (в климатическом районе Украины IVA - 3,0 м) этот параметр перестал быть влияющим на материалоемкость здания. Однако для сравнения зданий разных периодов строительства высоту этажа необходимо учитывать.
Известно, что масса стен кирпичных жилых зданий составляет около 53% от массы строительных материалов всего здания. При сопоставимых условиях масса крупнопанельных стен составляет 40%. То есть относительная массивность зданий kG по массе стен соответственно уменьшилась приблизительно на 30%:
Стены из силикатного кирпича тяжелее стен из глиняного обожженного кирпича на 10—12%; крупноблочные стены легче кирпичных на 29%, а крупнопанельные скорлупные - на 76,2%. Таким образом, искомый показатель изменялся в весьма большом диапазоне соответственно росту уровня индустриализированного строительства в сторону существенного облегчения жилых зданий.
Для разных конструктивных решений удельный вес перекрытий (с учетом веса полов, подвесных потолков) жилых зданий составляет 200-470 кг/м2. Тогда показатель относительной массивности зданий по массе перекрытий при известной нормативной массе человека составляет:
Удельный вес перекрытий кирпичных зданий равен 19,2%, крупноблочных - 19,0%, крупнопанельных - 23,7%. То есть массивность зданий по перекрытию возрастала, но как величина, отнесенная к массе всего здания; в физическом выражении она также уменьшалась (например, при плитах размерами «на комнату» толщиной 140, потом из-за больших деформаций увеличили до 160 мм).
В табл. 5.3.12, 5.3.13 даны сведения о диапазоне изменения массы отдельных структурных частей жилых зданий.
На основании данных, приведенных в табл. 5.3.12, 5.3.13, можно получить значения коэффициента относительной массивности kG для жилых зданий разных периодов строительства; значения искомого коэффициента приведены в табл. 5.3.14.
Как видно из таблиц жилые здания дореволюционной постройки имеют коэффициент kG больший по величине, чем жилые здания пред- или послевоенной застройки (так называемые «сталинки»). При практически одинаковых конструктивных решениях зданий это объясняется влиянием на показатель kG уменьшения высоты этажа, которая составляла до полносборного строительства (до 60-х годов) 3,3 м и уменьшения толщины стен из-за усовершенствования методов расчета каменных конструкций и конструктивных схем зданий. Вместе это уменьшило массу зданий и, соответственно, относительную массивность, хотя существенного ухудшения комфорта жилища по общепризнанным экспертным оценкам не произошло.
В настоящее время на массу наружных стен влияет теплотехнический расчет в соответствии с директивной величиной требуемого сопротивления теплопередаче Rmp. С увеличением Rmp масса стен жилых зданий увеличивается за счет дополнительного слоя эффективного утеплителя. Это увеличение составляет около 0,5—1,0%, от массы стен, чем можно пренебречь, тем более, что из-за применения навесной конструкции стен их массу снижают за счет уменьшения толщины основного материала, например, вместо стены в 2 обычных кирпича (510 мм) принимают в 1,5 и кроме того, облегченный (380 мм).
При относительно одинаковой плотности кирпичных стен зданий в довоенный и послевоенный периоды, последние имеют большую массивность, чем крупноблочные здания. В начале полносборного строительства эффективных решений стеновых блоков еще не было, и они изготовлялись на ДСК из того же кирпича что и кирпичные дома. Поэтому уменьшение массивности вызвано уменьшением высоты этажа типовых зданий, поскольку междуэтажные перекрытия из сборного железобетона тяжелее деревянных, применяемых в зданиях старой застройки.
Наихудший показатель относительной массивности имеют типовые крупнопанельные дома начала массового строительства (первого поколения). Их панели и плиты были из вафельных скорлуп, в чем в реализовались достижения сборного направления по снижению материалоемкости (эффективные утеплители, высокие марки бетонов, расчет по предельным состояниям и др.). В следующих поколениях «пятиэтажек» были улучшены конструктивные решения, и показатель массивности зданий несколько увеличился, хотя остался значительно меньшим в сравнении со зданиями послевоенного строительства.
Сравниваемые данные получены для зданий, существенно отличающихся по массе (из-за разных типов фундаментов, размеров лестничных клеток, «плотности» размещения перегородок на перекрытиях, более тяжелых чердачных крыш относительно совмещенных покрытий и др.). Поэтому показатель kG по выражению (5.3.20) определен для зданий разных по возрасту и конструктивным решениям по унифицированной методике в сопоставимых условиях и приведен в табл. 5.3.15 как индекс массивности IG. В таблице приведены показатели, относящиеся к современным «именным» жилым зданиям (с монолитным безригельным каркасом, сеткой колон 5x5 м, навесными облегченными кирпичными стенами, фасадными системами) и к рассмотренным выше вариантным жилым зданиям на базе каркаса с.1.020-1/87 с кирпичными навесными стенами.
Расчетные данные, приведенные в табл. 5.3.15, соответствуют усредненным объемно-планировочным параметрам одного этажа зданий представительных конструктивных решений. Как видно из таблицы, индекс массивности коммерческих жилых зданий больше, чем у «пятиэтажек», но существенно ниже, чем у зданий пред- и послевоенной застройки. Вариантные здания на базе каркаса с.1.020-1/87 с типовыми или модифицированными несущими конструкциями приближены к показателям последних, что дает повышение комфортности жилища в отношении относительной массивности.
Технико-экономический аспект. Строительство жилых зданий рассмотренных АКТ-схем в сравнении с типовыми и «именными» проектами может иметь смысл в современных условиях для людей со средним уровнем материального обеспечения, которые могут оплатить повышенные требования к жилищу. Для них уже неприемлемы жилые дома прошлых типовых серий (группы А), а квартиры в коммерческих «именных» зданиях большинству населения недоступно. Жилая вариантная система на базе каркаса с.1.020-1/87 является альтернативой и тем и другим жилым зданиям, разрешающее данное противоречие.
Так, например, при модульной ячейке в каркасе размерами 6x6 м и двухпролетной трехшаговой секции 12x18 м одна квартира имеет общую площадь (в осях и с лестнично-лифтовым узлом) 216 м2, а в двух уровнях - 432 м2; при размещении в секции 2-х квартир соответственно 108 и 216 м2; 4-х - 54 и 108 м2. Секция такой же габаритной схемы с редкоопорным каркасом при размерах ячейки 9x12 м дает общую площадь для одной квартиры в одном уровне 648 м2, для 2-х квартир - 324 м2, 4-х - 81 м2. Такие квартиры с большей площадью могут иметь залы высотой в два этажа - 6 м. В этих примерах объем помещений за счет высоты этажа увеличивается относительно типовых норм примерно на 18%.
Таким образом, вариантность габаритных и других парам каркаса обеспечивает возможность получать квартиры в большем диапазоне изменения общей площади и объема в сравнении с типовыми и современными (тоже типовыми, хотя они и «именные») жилыми домами. Рассмотренные здесь решения являются многовариантными по объемно-композиционным и АКТ-схемам, что увеличивает диапазон стоимости квартир соответственно уровням платежеспособности разных слоев населения.
Проведенный ранее анализ показывает преимущества и недостатки полносборного строительства. Стоимость 1 м2 жилой площади здания из серийно изготовленных изделий с учетом коротких сроков строительства объективно меньше стоимости несборных зданий. Предложенные АКТ-решения на базе каркаса с.1.020-1/87 с навесными стенами из облегченного кирпича устраняют недостаток жилых полносборных зданий за счет применения комбинированной ИСС.
Экономическая целесообразность рассмотренных вариантов жилых зданий прогнозируется опытом массового строительства предшествующего периода типового проектирования. Безусловное подорожание в современных условиях жилища относительно типового, которое было, определяется нецивилизованными рыночными условиями, отсутствием государственного финансирования жилищного строительства и т.п.
Удельная физическая масса жилых зданий рассмотренных вариантов выше, чем крупнопанельных домов из-за большей высоты этажа и применения ригельного каркаса. Однако она уменьшается с сокращением удельных затрат на внутренние конструкции из-за больших планировочных сеток и меньшего количества перегородок. Очевидно, что массовое строительство жилых многовариантных зданий (включающее доступное жилье) может быть целесообразным при условии расширенной демографии в стране и соответствующей прогрессивной социальной политики, особенно в период исчерпания долговечности жилого фонда, построенного в 60-х годах прошлого столетия.