Введение
В 2015 г. авторами в СПбГАСУ предложен новый подход к разработке инновационной технологии в строительном процессе возведения быстровозводимых индивидуальных жилых домов упрощенным способом «сухой» сборки индустриальных сэндвич-панелей. Объектом исследования является строительный технологический процесс возведения индивидуальных жилых домов способом монтажа индустриальных сэндвич-панелей. При этом под такими домами понимаются коттеджи как особый тип строительных объектов повышенной степени заводской готовности, позволяющих осуществить более быстрый монтаж, чем традиционные капитальные конструкции на основе каменных строительных материалов - кирпича, бетона, железобетона и др. Предметом исследования являются параметры технологических процессов возведения индивидуальных жилых домов способом монтажа индустриальных сэндвич-панелей. Цель – сокращение трудоемкости и стоимости строительства в России.
Методика исследования
Сравнительное вариантное технологическое проектирование, технико-экономический системный анализ технологических решений, натурные эксперименты, теоретическое моделирование, исследования и замеры технологических параметров процессов возведения индивидуальных жилых домов, математическая статистика и теория вероятности при решении оптимизационных задач.
Основная часть
На первом этапе для оптимизации процесса монтажа коттеджей на основе сэндвич-панелей авторами была разработана теоретическая модель повышения технологичности строительных операций. Эта модель предлагается как системное множество высокотехнологических решений, принимаемых не только на этапах возведения, но и в процессах эксплуатации, ремонта, разборки и передислокации с последующей сборкой, сноса, т.е. стремящееся к максимуму на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ):
М = f (ЭЖЦ) + {ЭКТР} → max, (1)
где М – модель повышения технологичности строительных процессов, ЭЖЦ – этапы жизненного цикла дома, ЭКТР – этапы разработки и внедрения новых конструктивно-технологических решений.
Такие основные технологические параметры возведения коттеджей, как затраты труда и машинного времени, стоимость и продолжительность работ предлагается оценивать интегральным суммированием системных затрат не только на стадиях подготовки и обеспечения, проектирования (Зпр) и строительства (Зстр), но на всех остальных этапах жизненного цикла – содержания (Зсод), ремонта (Зрем), реконструкции (Зрек), демонтажа (Здем) и утилизации (Зутил) с помощью следующей модели:
М (ЗЖЦ) = ЗКТР подг.пр.стр. + ЗКТР сод.рем.рек.
ЗКТР дем.утил. → min, (2)
где ЗЖЦ – затраты жизненного цикла, ЗКТР подг.пр.стр – затраты на стадиях подготовки и обеспечения, проектирования и строительства, ЗКТР сод.рем.рек – затраты на этапах эксплуатации, ремонта и реконструкции, ЗКТР дем.утил – затраты на этапах демонтажа, транспортировки, последующего монтажа и утилизации дома.
Разработаны теоретические основы рациональных технологических решений возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей. Предложен новый алгоритм разработки оптимальной модели монтажа быстровозводимых коттеджей, разработаны рациональные конструктивно-технологические решения монтажа индивидуального жилого дома из индустриальных сэндвич-панелей, предложены рациональные технологии возведения индивидуального жилого дома из сэндвич-панелей (рис. 1, 2). На этой основе были разработаны модель проектирования и структура и последовательность операций в технологии комплексного процесса монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей (рис. 2-3) [1-7].
Далее, на втором этапе были выявлены и исследованы 3 новые зависимости. Первая - снижение удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния № 1 – увеличения площади применяемых инновационных индустриальных сэндвич-панелей. Вторая – снижение удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния № 2 – повышения инновационности узлов соединений сэндвич-панелей между собой по степе- ни быстроты. Третья – снижение трудоемкости возведения индивидуальных жилых домов от фактора влияния № 3 – использования оптимальных по размеру (1,2 х 3,6 м) индустриальных сэндвич-панелей и оптимальных по степени быстроты соединения новых инновационных узлов «гибкие разрезные гильза и муфта» (рис. 4-6).
Далее авторами была выдвинута новая научная гипотеза, что для рационального технологического решения монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей необходимо заменить традиционные трудоемкие строительные операции по многодельному соединению панелей между собой на более простые и менее трудоемкие приемы [2-4]. С этой целью было разработано следующее новое технологическое решение. Узел соединения включает муфту, закреплённую на горизонтальном несущем элементе, и по крайней мере одну гильзу – шип, прикрепленный на вертикальном несущем элементе и установленный в муфте с его соосными или не соосными закреплением (рис. 7).
Муфты выполнены бочкообразной формы из стали. Шип выполнен также из стали в виде бочкообразной гильзы. Муфта и шип имеют верти-кальные прорези на всю их высоту. Часть наружной поверхности шипа взаимодействует с частью внутренней поверхности муфты (рис. 7).
На рис. 7 изображен двухэтажный индивидуальный жилой дом, фрагмент разреза; на рис. 8 – шип и муфта, закреплённая на углу горизонтальной панели в аксонометрии, до монтажа (муфта с вертикальной прорезью); на рис. 9 – то же, шип с вертикальными прорезями [3].
Таким образом, разработанная технология монтажа несущих элементов индивидуального жилого дома включает горизонтальные несущие элементы, вертикальные несущие элементы в виде стоек и панелей, фундаментные подушки с пластинами (рис. 4,7). На вертикальные элементы прикреплен по крайней мере один шип, а на горизонтальных несущих элементах закреплены муфты. Шип установлен в муфте или с его соосными или несоосными закреплениями. В панелях перекрытия и пола имеются муфты, рассчитанные на монтаж шипов как сверху, так и снизу муфты. Муфты и выполнены бочкообразной формы и с вертикальной прорезью на всю высоту муфты, которая образует два упругих лепестка. В стенках муфт и выполнены отверстия для фиксаторов, чтобы осуществлять монтаж панелей грузоподъемными средствами. Шип выполнен в виде бочкообразной гильзы. При этом муфты выполнены с вертикальными прорезями на всю свою высоту с образованием упругих лепестков. Уплотнение стыков между горизонтальными и вертикальными панелями происходит автоматически за счёт закреплённого до монтажа на торцах панелей в два слоя уплотнителя (например, вилатерма-с). Восприятие узлов соединения знакопеременных нагрузок в процессе эксплуатации индивидуального жилого дома осуществляются за счёт взаимодействия части наружной бочкообразной поверхности шипа с частью внутренней бочкообразной поверхности муфты. Плотное прижатие обеспечивается тем, что в результате наличия вертикальных прорезей на всю высоту в муфте, в ней образуется два упругих лепестка, которые распрямляясь под действием бочкообразной гильзы шипа при монтаже горизонтального несущего элемента на вертикальный несущий элемент после соединения узла стремятся вернуть себе исходную форму. В результате лепестки муфты складываются и плотно прижимаются к лепесткам по крайней мере одного шипа при действии нагрузки, направленной вверх, т.е. создаётся надежное соединение сэндвич-панелей в индивидуальном жилом доме [4].
Рис. 1. Алгоритм разработки оптимального варианта технологии монтажа коттеджей методом многокритериальной оптимизации
Рис. 2. Структура и последовательность операций в технологии комплексного процесса монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей
Рис. 3. Модель проектирования технологии процесса монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей
Рис. 4. Последовательность операций в строительном технологическом процессе монтажа индивидуальных жилых домов способом «сухой» сборки сэндвич-панелей размером 1,2х3,6 м 95 % степени заводской готовности на основе гибких узлов «муфта-гильза» вручную: а) основные виды унифицированных модульных сэндвич-панелей и элементов; б) установка деревянных термопакетов с гильзами на ростверк фундамента с шагами 1,2х3,6 м; в) монтаж панелей перекрытий совмещением их муфт на гильзы термопакетов; г) монтаж панелей стен 1-го этажа совмещением их гильз на муфты перекрытий; д) монтаж панелей перекрытий; е) монтаж панелей стен 2-го этажа; ж) монтаж панелей перекрытий 2-го этажа с последующей «сухой» сборкой стеновых панелей и стропильной системы мансарды, кровли, монтаж инженерных систем, отделка и др.
Рис. 5. Зависимость снижения удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния – увеличения площади применяемых инновационных индустриальных сэндвич-панелей: А – зависимость снижения рациональности объемно-планировочных решений домов от увеличения площади сэндвич-панелей; A1 – точка перегиба (оптимальности); В – зависимость снижения трудоемкости монтажа от увеличения площади сэндвич-панелей; B1- точка оптимальной площади; 1-5 – мелкие панели; 6-8 – средние панели; 9-12 – крупные панели; С – оптимальная площадь панели 4,3 м2 (1,2 х 3,6 м); ● – экспериментальные значения; Δ – экспертные оценки
Рис. 6. Зависимость снижения удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния №2 – повышения инновационности узлов соединений сэндвич-панелей между собой по степени быстроты: 1 – дополнительные соединительные элементы; 2 – сварка; 3 – замоноличивание; 4 – накладные пластины; 5 – болты; 6 – саморезы; 7 – паз-гребень; 8 – болты и саморезы; 9 – винты; 10 – разработанная технология соединения «гибкие разрезные гильза и муфта»; А – максимум трудоемкости; Б – минимум трудоемкости
Таким образом, предложенное технологическое решение отличается от известных тем, что, с целью снижения трудоемкости и стоимости монтажа индивидуального жилого дома за счет восприятия знакопеременных динамических нагрузок, муфты выполнены бочкообразной формы с вертикальной прорезью на всю высоту муфты, а шип в виде бочкообразной гильзы. При этом муфта и гильзы выполнены с вертикальными прорезями на всю свою высоту, причём часть наружной поверхности шипа взаимодействует с частью внутренней поверхности шипа взаимодействует с частью внутренней поверхности муфты.
На основе предложенных на рис. 1-2 алгоритмов, с учетом выявленных новых важных зависимостей и смоделированной технологии монтажа панелей оптимального размера 1,2 х 3,6 м с разработанным новыми узлами типа «муфта-гильза» далее был выполнен сравнительный анализ инновационных технологических преимуществ разработанных рациональных решений монтажа индивидуальных жилых домов и существующих технологий (табл. 1) с учетом зарубежных аналогов [5-12].
Рис. 7. Предлагаемая технология монтажа 2-х этажного индивидуального жилого дома из сэндвич-панелей с использованием инновационного гибкого узла типа «муфта-гильза» в целях минимизации трудоемкости и стоимости монтажа: 1 – монтаж горизонтальных несущих элементов; 2 – установка стоек; 3 – панели; 4 – укладка фундаментных подушек; 5 – пластины; 6 – шип; 7,8 – муфты; 9 – прорезь; 10 – лепестки; 11 – отверстия; 12 – вертикальные прорези; 13 – лепестки; 14 – уплотнитель
Рис. 8. Предлагаемая строительная операция монтажа сэндвич-панелей на разрезной «шип-гнездо»
Рис. 9. Предлагаемая строительная операция монтажа муфты сэндвич-панелей на разрезной шип
Рис. 10. Зависимость снижения трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния повышения степени заводской готовности сэндвич-панелей: 1 – теоретические (расчетные) значения; 2 – экспериментальные (натурные) значения; 3 – аппроксимация
Рис. 11. Зависимость снижения трудоемкости возведения индивидуальных жилых домов от фактора влияния №3 – совместного использования оптимальных по размеру (1,2 х 3,6 м) индустриальных сэндвич-панелей и оптимальных по степени быстроты соединения новых инновационных узлов «гибкие разрезные гильза и муфта»; 1 – монолитные технологии; 2 – кирпичные технологии; 3 – крупнопанельные железобетонные технологии; 4 – каркасно-обшивные технологии; 5 – мелкие сэндвич-панели; 6 – средние сэндвич-панели; 7 – разработанная технология из крупных сэндвич-панелей, соединяемых гильзами и муфтами
На основе изложенного авторами разработан новый технологический регламент, внедренный в практику строительства в ЗАО «СЗНК». С его использованием в 2014г. в п. Сиверская Ленинградской области авторами в зимнее, летнее и осеннее время были возведены 3 коттеджа с использованием данной технологии [10]. Основные строительные процессы и операции последовательно представлены на рис. 12-13. В процессе монтажа автором проводились замеры основных технологических параметров: трудоемкости (чел.-см), машиноемкости (маш.- см), выработки (м2/чел.-см.), стоимости (руб/м2), допусков (мм) и показателей качества. Их анализ подтвердил высокие уровни технологичности, безопасности и качества всех строительных процессов.
Таблица 1
Сравнительный анализ инновационных технологических преимуществ разработанных решений монтажа индивидуальных жилых домов и существующих технологий
|
№ п/п |
Показатели технологических преимуществ |
Ед. изм. |
Виды строительных технологий |
||||||
|
Традиционные |
Быстровозводимые |
||||||||
|
Моно-литный бетон |
Кир-пичная кладка |
Монтаж панелей из пемзо-бетона |
Устройство каркаса и обшивка его утеплителем |
Монтаж мелких сэндвич-панелей на болтах |
Монтаж средних сэндвич-панелей на накладках |
Монтаж крупных сэндвич- панелей (разработанная новая техно- логия) |
|||
|
1 |
Трудоемкость монтажа |
чел.ч м2 |
20 |
10 |
5 |
3 |
1 |
0,4 |
0,2 |
|
2 |
Степень заводской готовности |
% |
50 |
60 |
70 |
75 |
80 |
85 |
95 |
|
3 |
Оборачиваемость |
раз |
0 |
0 |
0 |
2 |
5 |
7 |
10 |
|
4 |
Трудоемкость демонтажа |
чел.-ч м2 |
не предусм. |
не предусм. |
не предусм. |
не предусм. |
1 |
0,5 |
0,2 |
|
5 |
Стоимость монтажа |
руб м2 |
4000 |
2000 |
1000 |
600 |
200 |
80 |
40 |
|
6 |
Масса панели |
кг |
3000 |
3000 |
3000 |
200 |
150 |
200 |
100 |
|
7 |
Разряд рабочих |
- |
5-6 |
5-6 |
4-5 |
3-4 |
3-4 |
3-4 |
1-2 |
|
8 |
Уход за конструкциями |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
- |
|
9 |
Каркас панели |
- |
ЖБК |
ЖБК |
ЖБК |
дерево |
дерево |
дерево |
сталь |
|
10 |
Теплоизоляция |
- |
газобетон, керамика |
керамика, газобетон |
газобетон, керамика |
пено-пласт |
стекло- вата |
мин- вата |
базальт. 3-х слойн. вата |
|
11 |
Обшивка |
- |
штука-турка |
штука-турка |
навесной фасад |
проф- настил |
фанера, ЦСП |
ЦСП, фанера |
сайдинг, гипрок |
|
12 |
Узлы Соединения |
- |
бетон, сварка |
раствор, сварка |
сварка, раствор |
гвозди, саморезы |
болты, само-резы |
наклад-ки, болты |
«гильзы- муфты» |
Т.о. доказано, что технология монтажа индивидуальных жилых домов из крупных индустриальных сэндвич-панелей (1,2×3,6 м) позволяет существенно снизить трудоемкость и стоимость монтажа по сравнению с традиционными технологиями возведения малоэтажных домов из кирпича и железобетона. Установлено, что основными ведущими строительными процессами в предложенной технологии являются процессы «сухой» сборки крупных сэндвич-панелей полной заводской готовности с применением типовых узлов соединений на основе гибкого узла типа «муфта-гильза», уплотнителя, силиконовых прокладок и нащельников. Выявлено, что вспомогательными строительными процессами в разработанной технологии являются подготовительные, изоляционные, отделочные и контролирующие качество операции. Доказано, что в процессе реального возведения трех коттеджей в п. Сиверский Ленинградской области по предложенной технологии все ее теоретические основы получали практическое подтверждение. Монтаж домов возможно осуществлять малым звеном всего из трех монтажников 2-3 разряда. Отсутствие необходимости применения «мокрых» процессов, сварки, замоноличивания узлов и стыков позволяет эффективно вести монтаж в любое время года и с высокой выработкой. Выработка (м2 / чел.-см.) и стоимость (руб/м2) при этом высокие [2-5]. Их анализ подтвердил высокие уровни технологичности всех строительных процессов.
Рис. 12. Экспериментальная установка наружных стеновых панелей из сэндвич-панелей размером 1,2 х 3,6 м в индивидуальном жилом доме
Рис. 13. Монтаж индивидуального жилого дома по экспериментальной технологии из сэндвич-панелей повышенной степени заводской готовности, соединенных инновационными гибкими узлами типа «муфта-гильза»
Основные выводы
1. Предложен новый подход к разработке технологии возведения быстровозводимых индивидуальных жилых домов упрощенным способом «сухой» сборки индустриальных сэндвич-панелей методом моделирования и последующей многокритериальной оптимизации технологических решений.
2. Разработаны технологические решения монтажа оптимизированных по размеру 1,2 х 3,6 м крупных сэндвич-панелей повышенной до 95 % степени заводской готовности, состоящих из каркаса, минераловатных теплоизоляционных плит и облицовочных обшивок. Соединение панелей между собой выполняется с помощью быстросборных инновационных гибких узлов типа «муфта-гильза», отвечающих критериям оптимальности: минимума затрат труда и машинного времени и минимума стоимости.
3. Выявлены закономерности, влияющие на оптимизацию технологических режимов возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей: снижение трудоёмкости от повышения массы и размеров сэндвич-панелей, степени заводской готовности панелей.
4. Установлены влияния основных факторов и закономерностей на оптимизацию технологических режимов возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей, позволяющие обеспечить такое инновационное свойство домов, как не только быстрота их монтажа, но и возможность простого демонтажа при необходимости, транспортирования на новое место строительства и повторного монтажа – с оборачиваемостью до 5 раз.
5. Доказана на объектах экспериментального строительства в п. Сиверский Ленинградской области технологическая и экономическая целесообразность применения разработанных рациональных технологических решений возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей на основе нового узла типа «муфта-гильза», как более конкурентной строительной технологии по сравнению с известными способами строительства на основе традиционных мелкоэлементных и недостаточно индустриальных каменных и бетонных изделий.
6. Разработан, утвержден и внедрен новый руководящий технический материал «Технологический регламент возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей», использованный в ЗАО «СЗНК» в 2014 г. при строительстве 3 экспери-ментальных индивидуальных жилых домов в Ленинградской области.
7. Доказаны высокие технико-экономи-ческая эффективность и технологичность применения усовершенствованных рациональных решений возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей, стоимость монтажа которых снижена до 40 руб на 1 кв. м площади панелей, а трудоемкость работ - до 0,2 чел.-ч. на 1 кв. м площади что значительно эффективнее по сравнению с существующими и сопоставимыми традиционными методами возведения жилых домов в России и за рубежом.