Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БЫСТРОГО ВОЗВЕДЕНИЯ ЭКОНОМИЧНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ ИЗ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ В РОССИИ

Казаков Ю.Н. 1 Сычев С.А. 1 Никольский М.С. 1
1 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Предложен новый подход к разработке инновационной технологии в строительном процессе возведения быстровозводимых индивидуальных жилых домов упрощенным способом «сухой» сборки индустриальных сэнд-вич-панелей. Использован метод моделирования и последующей многокритериальной оптимизации технологических решений. Разработаны рациональные технологические решения монтажа оптимизированных по размеру 1,2 х 3,6 м крупных сэндвич-панелей повы-шенной до 95 % степени заводской готовности. Они состоят из каркаса, минераловатных теплоизоляционных плит и облицовочных обшивок. Соединение панелей между собой выполняется с помощью быстросборных инновационных гибких узлов типа «муфта-гильза». Это отвечает критериям оптимальности: минимума затрат труда и машинного времени и минимума стоимости. Доказаны высокие технико-экономическая эффективность и технологичность применения усовершенствованных рациональных решений возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-па-нелей. Стоимость монтажа снижена до 40 руб (0,8 $) на 1 кв. м площади панелей. Трудоемкость работ - до 0,2 чел.-ч. на 1 кв. м площади. Это значительно эффективнее по сравнению с существующими и сопоставимыми традиционными методами возведения жилых домов в России и за рубежом.
скоростное строительство
сухой монтаж
узел «муфта-гильза»
быстрая сборка
трехслойные элементы
эффективность
1. Афанасьев А.В., Афанасьев В.А. Организация строительства быстровозводимых зданий и сооружений. Быстровозводимые и мобильные здания и сооружения: перспективы использования в современных условиях. СПб., Стройиздат, 1998. С. 226-230.
2. Казаков Ю.Н. Как оборудовать загородный дом. СПб., «BKhV», 2008. 416 с.
3. Казаков Ю.Н. Как построить дом за 1 год. СПб., «BKhV», 2007. 394 с.
4. Казаков Ю.Н. Рациональные конструктивно-технологические решения быстровозводимых коттеджей для загородного домостроения на основе деревянных панелей // Вестник гражданских инженеров / соавтор Никольский М.С. СПб.: Изд. СПбГАСУ. 2009. № 4. С. 61-67.
5. Сычев С.А., Павлова Н.А. МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ ТЕМПОВ СТРОИТЕЛЬСТВА, Сборник материалов VI международной научно-практической конференции: «Современные концепции научных исследований», Россия, г. Москва, 26-27 сентября 2014 г.
6. Сычев С.А. Ускоренный монтаж мансард из унифицированных сэндвич-панелей. Жилищное строительство, № 6. Москва, 2008, С. 6-9.
7. Сычев С.А. Технология ускоренного монтажа мансард из унифицированных сэндвич-панелей, СПб, Издательство СПбГПУ, 2010. 179 с.
8. Bergmann J., Buchmeier M., Slawik H., Tinney S. Container Atlas. Handbuch der Container Architektur - Deutschland, Frankfurt-am-Main: Gestalten Verlag, 2010. 256 р.
9. Blomberg K. Distinct Ambiguity Graft - Deutschland, Frankfurt-am-Main: Gestalten Verlag, 2009. 208 р.
10. Ehmann S., Borges S., Klanten R. Learn for Life - Deutschland, Frankfurt-am-Main: Gestalten Verlag, 2012. 288 р.
11. Feireiss K., Feireiss L. Architecture of Change - Deutschland, Frankfurt-am-Main: Gestalten Verlag, 2008. 304 р.
12. Feireiss L., Klanten R. Build-On. Converted Architecture and Transformed Buildings - Deutschland, Frankfurt-am-Main: Gestalten Verlag, 2011. 240 р.

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].

2tech2.eps

Рис. 1. Алгоритм разработки оптимального варианта технологии монтажа коттеджей методом многокритериальной оптимизации

2tech3.eps

Рис. 2. Структура и последовательность операций в технологии комплексного процесса монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей

2tech4.eps

Рис. 3. Модель проектирования технологии процесса монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей

2tech.tif

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.

2tech5.eps

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

2tech6.eps

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].

2tech1.tif

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

2tech2.tif

Рис. 8. Предлагаемая строительная операция монтажа сэндвич-панелей на разрезной «шип-гнездо»

2tech3.tif

Рис. 9. Предлагаемая строительная операция монтажа муфты сэндвич-панелей на разрезной шип

2tech7.eps

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

2tech8.eps

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.

2tech4.tif

Рис. 12. Экспериментальная установка наружных стеновых панелей из сэндвич-панелей размером 1,2 х 3,6 м в индивидуальном жилом доме

2tech5.tif

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.


Библиографическая ссылка

Казаков Ю.Н., Сычев С.А., Никольский М.С. ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БЫСТРОГО ВОЗВЕДЕНИЯ ЭКОНОМИЧНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ ИЗ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ В РОССИИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 9-4. – С. 577-586;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7550 (дата обращения: 23.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074