ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Новые технологии возведения жилых и гражданских зданий».

Рекомендуемая область пременения

Строительство гражданских зданий различного назначения – жилые здания различной этажности, школы, больницы, гостиницы, офисы и т. д. в обычных и сейсмических районах.

Назначение, цели и задачи проекта

Целью проекта является внедрение в строительную практику новых конструкций зданий различного назначения на основе стального каркаса и сборных железобетонных панелей перекрытий, наружных и внутренних стен и перегородок.

Назначение проекта – создание научно- производственного комплекса по исследованию, проектированию, изготовлению конструкций и строительству зданий различного назначения.

Основными задачами проекта являются:

-   научные и экспериментальные исследования и разработка несущих и ограждающих конструкций;

-   проектирование зданий различного назначения;

-   разработка новых конструкций и технологии их производства для различных условий строительства;

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Строительство гражданских зданий различного назначения является одной из основных задач развития общества. Сказанное особенно относится к жилым зданиям и объектам социальной сферы, составившим основу национальных проектов РФ.

Среди большого числа типов несущих систем зданий основными являются:

-   здания из кирпича и других мелкоштучных материалов;

-   панельные конструкции с различным расположением несущих стен;

-   здания из монолитного железобетона;

-   каркасные системы;

-   здания из объемных блоков;

-   системы с ядрами жесткости;

-   оболочковые системы.

Исторически наибольшее распространение получили здания из кирпича благодаря ряду его положительных свойств. Кирпич достаточно прочен и в силу наличия большого количества пор обладает хорошими тепло- и звукоизоляционными способностями. Сырье для производства кирпича есть в необходимых количествах в любом регионе и его производство относительно несложно. Из кирпича можно получать здания или отдельные конструктивные элементы самой разнообразной формы и архитектуры (вплоть до сводов и куполов). Процесс осуществления кирпичной кладки не требует высокой квалификации каменщика. Все сказанное вместе и определило то широкое распространение зданий из кирпича и др. мелкоштучных материалов, в том числе и за рубежом.

Данная система обладает и рядом недостатков. К их числу относится большая продолжительность строительства и сложность возведения многоэтажных зданий (высотой более 9 этажей). Много проблем возникает из-за ужесточения требований по теплозащите зданий и строительстве в сейсмических районах. Вот почему разрабатываются эффективные виды кирпича, облегченные типы кладок, виброкирпичные панели и т.д.

В целом, здания из кирпича обладают хорошими архитектурными возможностями, имеют большую продолжительность строительства и зависимость от погодных условий, низкую стоимость и наиболее эффективны при малоэтажной застройке (3-7 этажей).

Другой распространенной системой является крупнопанельное строительство, основная идея которого заключается в переносе изготовления всех конструкций в заводские условия и монтаже из ограниченного перечня панелей различных видов зданий (стандартизация, унификация и типизация конструкций).

Характерная особенность данной системы – применение плоских панелей перекрытий, наружных и внутренних стен размером не менее, чем на комнату. В этом случае конструкция имеет высокую степень заводской готовности (70-80 %) и малую продолжительность строительства.

Под крупнопанельное строительство  в СССР была создана мощная база в виде ДСК, заводов полносборного домостроения и т. д. Большие усилия были направлены на научные, экспериментальные и проектные исследования, что в итоге вылилось в создание Единого каталога унифицированных изделий, по которому осуществлялось строительство зданий различного назначения по всей стране. Эта система стала доминирующей и вытеснила другие конструктивные решения. Одной из двух несущих систем Единого каталога является панельная с поперечными несущими стенами. В результате была получена несущая система зданий различного назначения с высокой скоростью монтажа и низкой стоимостью (в опытном строительстве здания монтировались в  автоматизированном режиме).

Однако, крупнопанельному строительству присущ и ряд недостатков, вытекающих из самой идеи полносборного домостроительства. Наличие ограниченного выбора стандартных изделий, типизация и унификация их приводит к строительству по нескольким серийным проектам и, как следствие, к однообразной архитектуре и «жестким» планировочным решениям. Применение одного материала (железобетона), требования экономии стали привело к резкому ухудшению таких свойств, как тепло- и звукоизоляция и, соответственно, к увеличению эксплуатационных расходов. Ужесточившиеся требования по теплозащите (увеличение толщины стен) требуют замены парка форм, что практически трудноосуществимо. Все это и привело к тому, что на рынке жилья крупнопанельное строительство в конце ХХ в начале ХХI веков было практически вытеснено. Имея хорошие показатели по продолжительности строительства и по стоимости, этот вид строительства оказался неконкурентоспособным.

На смену полносборному домостроительству пришел процесс возведения зданий из монолитного железобетона, который, как считалось, станет универсальным средством на долгие годы. Все это объяснялось рядом положительных свойств монолита, отличающих его от крупнопанельного домостроения:

-   практическое отсутствие базы по изготовлению конструкций;

-   возможность создавать интересную архитектуру и гибкие планировочные решения зданий;

-   простой способ возведения, одной из основных операций которого является подача и укладка бетонной смеси в опалубку;

-   независимость от размеров стандартных изделий в планировке помещений.

Считалось, что если есть арматурный цех по производству сеток и каркасов, бетонный узел, средства транспортирования бетона и необходимое количество опалубки, то конкурентов в данной системе при избытке дешевой рабочей силы не будет. Вначале эти мнения частично оправдывались, однако достаточно скоро обнажился ряд серьезных проблем, присущих монолитному домостроению.

Использование простейшей опалубки из древесины требует ее частого обновления, что сразу заметно сказывается  на стоимости строительства. Современные виды опалубок (а их лучшее исполнение – высотой на этаж) требуют применения грузоподъемных  механизмов. Это с необходимостью создать условия для набора бетоном прочности сразу увеличило срок строительства по сравнению с панельными системами и практически сравняло его с кирпичными зданиями.

Стремление уйти от опалубки стен привело к строительству этажерок и последующему образованию стен из мелкоштучных материалов, новых видов бетонов и т.д., но все это вело к увеличению продолжительности строительства и его стоимости.

Отдельной проблемой монолитного строительства стал вопрос утепления зданий. В полностью монолитных конструкциях утепление пришлось выполнять снаружи после возведения коробки, для чего устанавливать леса по периметру и на всю высоту здания. Дальнейшим развитием этого направления стали опалубки из теплоизоляционного материала (в основном, полистирола), но и это не снизило продолжительности и стоимости строительства. В этажерках стали использовать колодцевую кладку с утеплителем внутри, но заметного эффекта это также не принесло.

Увеличение сетки колонн и большой объем бетона в итоге привели к высоким показателям по расходу арматуры и цемента, а упрощение опалубки лишило монолитные здания архитектурной выразительности. Таким образом, здания из монолитного железобетона по основным технико-экономическим показателям оказались менее привлекательными, чем кирпичные и панельные системы.

При этом отметим такой интересный факт. В 60-70-х годах ХХ века в СССР был проведен обширный эксперимент по строительству зданий из монолитного железобетона. Был возведен целый ряд зданий (жилые дома, гостиницы, санатории) высотой 9-16 этажей в разных регионах страны и результаты эксперимента были однозначными: по основным ТЭП монолитные конструкции уступают панельным и кирпичным системам и их строительство целесообразно только для зданий с уникальной архитектурой и планировкой. Однако результаты этого эксперимента не были учтены.

Достаточно широко распространены в строительстве каркасные системы из сборного железобетона. Эти конструкции являются второй разновидностью систем Единого каталога и предназначены для общественных зданий, жилых домов большой этажности и т.д. Каркас принимается по связевой схеме с колоннами 40х40 см, ригелями таврового сечения с нижними полками для описания панелей и настилов. Наружные ограждения из сборных навесных керамзитобетонных панелей. В целом этот вид конструкций практически повторяет ТЭП крупнопанельных конструкций, но проигрывает по расходу основных материалов.

Конструкции на основе стального каркаса для гражданских зданий в нашей стране практически не возводились. В свое время были построены несколько уникальных зданий  (МГУ, МИД, гостиница «Украина» и т.д.) с использованием стального каркаса, железобетонных панелей перекрытий и каменным заполнением стен. По этим объектам был сделан вывод о том, что такие конструкции неэффективны для массовой застройки и работы по использованию стальных каркасов в качестве несущих систем гражданских зданий практически свернуты (в то же время в промстроительстве они успешно использовались). Отметим, что за рубежом это направление интенсивно развивалось и сейчас мы серьезно отстаем от них, в том числе и бывших стран соцсодружества.

Другие несущие системы в нашей стране практического применения не нашли и здесь не рассматриваются. В заключение данного раздела приведем основные ТЭП по перечисленным системам (табл. 1).

Таблица 1

Анализ данных таблицы № 1 показывает, что по стоимости 1м² общей площади наиболее экономичными являются кирпичные и панельные здания, а по трудоемкости – панельные. В силу этих фактов они получили наибольшее распространение в нашей стране.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

В предлагаемых новых конструкциях гражданских зданий в качестве несущей системы используется стальной каркас, к которому крепятся сборные железобетонные панели перекрытий, наружных и внутренних стен и перегородок.

Приведенное в п. 8 описание применяемых в строительстве несущих систем зданий позволяет выделить как наиболее экономичную по стоимости и продолжительности строительства панельную схему с поперечными стенами (серия 90). При всех ее известных недостатках эта серия обеспечивает возможность индустриального изготовления, достаточные планировочные удобства и имеет самые низкие ТЭП, в том числе и по скорости монтажа. Эта серия принята за прототип и с ней производится сравнение предлагаемых конструкций.

В качестве объекта сравнения принимается типовая блок-секция высотой 9 этажей и составом квартир на этаже 1-2-3-3. Размеры блок-секции в плане 12,3х23,4 м.

Конструктивно здание представляет собой панельную схему с поперечными несущими стенами. Шаг несущих стен 3,0 и 3,6 м. Все внутренние стеновые панели и панели перекрытий сплошные, наружные панели приняты трехслойными.

В предлагаемой системе блок-секцию принимаем размерами в плане 12,0х24,5 м. в целях унификации размеров. Высота здания 9 этажей, высота этажа - 3 м.

В дальнейшем сравнении из работ исключены устройство лифта, лестниц и кровли как одинаковые для обоих вариантов. Также не рассматриваются вопросы по устройству нулевого цикла и архитектурное решение зданий в целом (балконы, лоджии, цветовое решение и т.д.).

Таким образом, в дальнейшем будет обсуждаться стоимость «коробки» здания без указанных разделов для обоих вариантов. Данные по серии 90 принимаются по Линевскому ДСК г. Новосибирск.

В качестве несущей системы здания принимаем стальной каркас, работающий по связевой схеме. Это позволяет сопряжение колонн и балок принять шарнирными и обеспечить четкое разделение функций всех элементов.

Стальной каркас включает в себя колонны и главные балки из широкополочных двутавров и связи из гнутых профилей. Сетка колонн 3,5х4 м. (шаг колонн в продольном направлении 3,5 м.).

Связи располагаются в тех шагах и пролетах, где нет оконных  и дверных проемов. Поясами связевых ферм служат колонны, решетка раскосная.

Главные балки располагаются по поперечным осям, вспомогательные балки (распорки) – по продольным осям.

На главные балки опираются сборные железобетонные панели перекрытий пролетом 3,5 м. и шириной 4 м., т.е. панель перекрытия размером на комнату. Панель перекрытия ребристая ребрами вниз. Панель имеет два торцевых ребра и 9 продольных толщиной 50 мм. Толщина полки 50 мм., высота панели 200 мм.

По продольным ребрам крепится обрешетка, к которой присоединяется отделочный лист (например, гипсокартон) будущего потолка. Толщина обрешетки и отделочного листа 50 мм.,  т.е. полная толщина панели перекрытия 250 мм. Пространство между ребрами и полкой панели заполняется изоляционным материалом на высоту ребер (150 мм.) и между низом ребер и отделочным листом потолка остается воздушный зазор в 40 мм., который используется для прокладки различных коммуникаций. Все эти работы выполняются в заводских условиях.

Панель на монтаже опирается на полки главных балок торцевыми ребрами толщиной 50 мм. и через закладные приваривается к балке. Выпуска двух сменных панелей свариваются между собой и стык замоноличивается.

Панели наружных, внутренних стен и перегородок принимаются по конструкции такими же, как и панели перекрытий, т.е. ребристыми с утеплителем, обрешеткой и отделочным листовым материалом. Панели наружных стен располагаются ребрами наружу и тогда отделочный лист панели является фасадным. В качестве фасадного слоя можно применять любые известные системы.

Панели внутренних стен и перегородок располагаются полками к главным балкам и опираются на панели перекрытий. Через закладные панели внутренних стен и перегородок привариваются к панелям перекрытий, а вверху через косынки к главным и вспомогательным балкам.

Рассматриваемая блок-секция была рассчитана на все виды силовых воздействий для условий г. Новосибирска (в т. ч. и ветер с пульсацией) и проведено конструирование всех элементов систем с выполнением требований 1 и 2 групп предельных состояний. На основе этих расчетов были определены расходы всех материалов и далее стоимость «коробки» здания в ценах 1984 г. по критерию стоимости «в деле».

Данные технико- экономического сравнения вариантов представлены в табл. № 2, 3, 4.

Таблица 2

Сравнение стоимости базового и предлагаемого вариантов

Таблица 3

Структура сметной стоимости  жилых домов.

Таблица 4

Расход основных материалов.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Приведенные в п. 9  ТЭП предлагаемых конструкций говорят о хорошей их рыночной перспективе. Для серийного их производства необходимо создание научно-производственного комплекса, в рамках которого будут решаться все задачи, начиная от научно-исследовательских до возведения зданий (по использованию новых конструкций).

Структура научно-производственного комплекса включает в себя заводы металлических конструкций, железобетонных конструкций и изделий, деревообрабатывающее производство (окна, двери и т.д.), монтажные и отделочные организации, парк строительных машин и механизмов, научно-исследовательский и проектный институты и т.д.

Структурные подразделения комплекса необходимо оснащать современными высокопроизводительными станками, оборудованием, механизмами, что позволит сократить сроки строительства и его стоимость при улучшении потребительских свойств конечного продукта.

Работа такого комплекса потребует постоянного обеспечения его рабочими кадрами высокой квалификации, для чего необходимо создавать собственные учебные комнаты по подготовке сварщиков, монтажников, отделочников и т.д.

Помимо чисто экономических видов от продвижения на рынок строительства новых конструкций зданий работа комплекса будет иметь и социальный эффект в виде создания новых рабочих мест и обеспечения занятости населения.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

При сравнении предлагаемых конструкций  с базами (серия 90) по стоимости 1 м² общей площади получается, что новые конструкции дешевле на ~ 18,4%.

Основной причиной такой экономии является существенно меньший объем применяемого в конструкции железобетона, что ведет к резкому сокращению собственной массы здания. Последнее обстоятельство особенно важно для сейсмически опасных регионов и регионов с высоким уровнем ветрового давления.

На самом деле эффект будет еще больше, т.к. в расчетах не учтен нулевой цикл.

Основным достоинством панельных систем, как отмечалось выше, является высокая скорость монтажа. В предлагаемом варианте высокая скорость монтажа сохраняется, а при тщательном исследовании и разработке конструкций может оказаться даже выше. Объясняется это тем, что монтаж металлических конструкций всегда имеет самые высокие показатели по скорости, а монтаж ЖБ панелей при их меньшей собственной массе, меньшем количестве и более простом способе крепления к стальному каркасу не увеличит время монтажа по сравнению с базовым вариантом.

В п.9 стоимость конструкций дана в ценах 1984 г. На сегодняшний день для условий Кабардино-Балкарии стоимость 1 м² общей площади жилья для предлагаемых конструкций составляет 12 500 – 13 000 рублей против 15 000 – 16 000 рублей для зданий из монолитного железобетона.

Срок возведения 9-и этажной типовой блок-секции составляет 5,5 – 6 месяцев.

Новые потребительские свойства продукции

Помимо описанных преимуществ предлагаемые конструкции обладают еще рядом достоинств перед известными решениями.
Принципиально новые возможности данная система дает в планировке зданий. Дело в том, что панели могут производиться любых размеров (их максимальные габариты определяются условиями перевозки) и не зависят от размеров форм. Кроме того, самая маленькая комната определяется размерами сетки колонн и, например, при сетке 3,5х4,5 площадь, скажем кухни, становится равной 15,75 м2. При этом площадь общей комнаты может быть в 2 или в 3 раза большей, т.е., 31,5 м2 или 47,25 м2 . В квартирах легко устроить холл с площадью в одинарный или двойной размер сетки колонн.
Другим преимуществом данной системы является улучшение санитарно-гигиенических условий пребывания людей. Каждое помещение становится изолированным, т.к. все стеновые панели и панели перегородок имеют утеплитель, звукоизоляцию и воздушную прослойку, что улучшает условия пребывания в них людей.
С этим обстоятельством связан и меньший вынос тепла в окружающую атмосферу через наружные стеновые панели, что дает определенный природоохранный эффект.
Косвенный природоохранный эффект заключается и в меньшем расходе стали и бетона на данные конструкции, что приводит к уменьшению добычи щебня, песка, цемента, стали.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Новых требований к качеству исходных материалов и сырья данная технология не выдвигает, используются обычные материалы, соответствующие ГОСТ.

Стадия и уровень разработки

Предлагаемая технология и новые конструкции прошли путь от научной идеи до промышленных испытаний и внедрения в строительную практику. Существует проектная документация на различные здания (торговый центр, санаторий, жилые дома), прошедшая госэкспертизу. В ближайшее время в г. Майкоп (Республика Адыгея) начинается монтаж конструкций 9-ти этажного жилого дома (3 блок-секции, 198 квартир, нулевой цикл завершен, стальные конструкции на площадке).

Предлагаемые инвестиции

870 млн. руб.
Пересчет сделан по курсу 1$ =29 руб. на 09. 08. 2007 г. (Сумма 30 млн. $)

Рынки сбыта

Любой регион РФ.

Возможность и эффективность импортозамещения

Аналогов нет. Т. к. в существующих и предлагаемой технологии используются, в основном, отечественные материалы.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

09.08.2007