Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Развитие индустриального малоэтажного строительства может быть успешно осуществлено путем применения полносборных зданий высокой заводской готовности модульного типа с улучшенными теплотехническими и эксплуатационными характеристиками.

Быстровозводимые модульные здания (БМЗ) – это сооружения, монтируемые из объемных унифицированных элементов – блок-модулей заводского изготовления, включая системы внутреннего инженерного оборудования, обеспечивающих заданные физико-механические свойства конструкций, устойчивость, жесткость, прочность, неизменяемость геометрических размеров модулей при их транспортировании и монтаже.

Система БМЗ – это качественно новая концепция модульного быстровозводимого полносборного строительства малоэтажных жилых домов высотой до 3-х этажей, а также зданий производственного назначения из объемно-пространственных блок-модулей. Основой исследования явилось осуществление непрерывного мониторинга БМЗ на различных стадиях их строительства.

Объёмно-пространственный блок-модуль – это комплексно проработанная технологами, архитекторами, конструкторами, монтажниками и другими специалистами комбинированная система, в которой оптимальным образом учитываются факторы экономичности, технологичности изготовления, транспортирования, монтажа и демонтажа, удобства и безопасности эксплуатации. Конструкции БМЗ из объёмно- пространственных модулей различных типов и модификаций изготовляются индустриальным методом, в том числе типа «сэндвич» или из комбинированных конструкций, что диктуется вариантностью проектов строительства и нормативными требованиями по конструктивным и технологическим решениям, а также по теплотехническим показателям. Стационарные БМЗ полносборного строительства должны иметь гарантированный срок службы 55-60 лет.

К исходным показателям относятся: масса, габариты, объем модулей, количество типоразмеров, расход материалов. Основные показатели включают: продолжительность транспортирования и монтажа, объемы и трудоемкость работ, приведенные затраты. Сравнение вариантов производства работ на этапах технологического цикла производилось на основе удельных приведенных затрат, себестоимости, продолжительности работ. Дополнительные показатели (уровень механизации, коэффициент сменности, уровень технологичности конструкций и процессов, степень совмещения работ, время простоев, уровень квалификации рабочих и др.) учитывались для конкретных условий строительства на рис.1.

Рис.1. Технолого-логистическая модель монтажа быстровозводимых зданий (БЗ) из укрупненных блок-секций заводского изготовления

Многофакторная математическая модель системы технико-экономических показателей БМЗ построена из условия минимизации обобщенного показателя, учитывающего приведенные затраты, трудоемкость изготовления, транспортирования и монтажа зданий[1-4].

Методы мониторинга возведения и эксплуатации объектов БМЗ

Дается сравнительный анализ транспортных схем доставки и монтажа блок-модулей и приводится методика и алгоритм выбора параметров стрелового крана при монтаже БМЗ. Сравнительный анализ вариантов транспортных схем, используемых при доставке блок-модулей от завода – изготовителя до места монтажа. При этом рассмотрены варианты транспортных схем, сочетающие различные виды транспорта (автомобильный, железнодорожный, водный – паром, воздушный вертолет и дирижабль). Выбор средств транспортирования определяется дальностью перевозки и оценивается удельными значениями трудозатрат, стоимости и продолжительности транспортирования блок-модулей.

На основе анализа транспортных схем доставки блок-модулей установлены предпочтительные варианты и разработана диаграмма для выбора оптимальных решений [5-12]. При этом для особых условий строительства БМЗ предложено и обосновано транспортирование блок-модулей дирижаблем типа «летающий кран». Исследовался также вопрос выбора рациональных грузоподъемных средств для выполнения погрузо-разгрузочных работ при транспортных операциях. Выявлены основные критерии оптимизации производственных процессов и построены графики, позволяющие выбирать рациональный вариант выполнения работ при различных схемах транспортирования блок-модулей: завод изготовитель – склад завода – промежуточные склады – склад объекта – объект. Выполнен анализ транспортных схем. 1 – автомобиль (авто); 2 – авто - железная дорога; 3 – авто - железная дорога - паром - авто; 4 – авто - паром - авто; 5 – авто - воздух (вертолет) - авто; 6 – воздух (дирижабль) по следующим показателям: удельные трудозатраты транспортировки одного модуля; стоимость и продолжительность транспортировки одного модуля. Наиболее рациональной схемой является 1 при перевозках до 10 тыс. км, более 10 тыс. км схемы 5,6 (в экстремальных и особых условиях быстрого строительства).

На основе анализа показателей реализованных на практике транспортных схем установлено, что в значительном количестве случаев имело место сверхнормативное время нахождения блок-модулей и других комплектующих БМЗ в пути, а также на складах того или иного уровня. Это явилось следствием отсутствия четкой увязки сроков поставки конструкций и изделий с началом производства монтажных работ, сбоев в выполнении транспортных операций. На некоторых объектах отмечались достаточно длительные периоды остановки строительства или его недостаточная интенсивность (см. таблицу 1).

Анализ показал, что БМЗ, возведенные из блок-модулей и других элементов, имеющих значительный временный период с момента вывоза с завода до момента завершения сборки здания, несут в себе значительную долю риска в части наступления тех или иных отказов в работе конструкций, которые, как правило, проявляются в периоды приработки или нормальной эксплуатации домов.

Изучение этого вопроса показало, что основными причинами возникновения дефектов являются: чрезмерное увлажнение конструкций (плесень на стенах, в зимних условиях лед), появление механических повреждений (трещин, деформаций), изменение геометрических параметров конструктивных элементов (как по периметру, так и по плоскости). Показано, что для обеспечения необходимого качества строительства БМЗ и недопущения лишних затрат на устранение дефектов в процессе их строительства и эксплуатации транспортная система завод-объект и организация строительного процесса не должны допускать неоправданного «запаса-залеживания» конструкций и прерывания монтажных работ.

Таблица 1

Организация строительного процесса

В разделе разработана методика и алгоритм выбора параметров стрелового крана для монтажа БМЗ из блок-модулей по техническим параметрам крана (длина стрелы, высота подъема груза, вылет стрелы крана). В зависимости от условий строительной площадки рассматривается односторонняя и двухсторонняя схемы монтажа.

Обобщенные эксплуатационные характеристики надежности модульных зданий можно оценить с помощью обобщенного (интегрального) коэффициента Кн, который определяется по формуле:

, (1)

где аi– весовой коэффициент элемента БМЗ;

m – количество рассматриваемых элементов в системе (здании или комплексе зданий);

Ki – коэффициент надежности i-того элемента.

, (2)

где Тс – срок службы БМЗ,

Т_ос – остаточный срок службы здания после t-периода его эксплуатации.

Вероятность безотказной работы и функционирования объекта можно определить по формуле:

, (3)

где λ – интенсивность отказов; t – время эксплуатации.

Срок службы (долговечность) объекта:

, (4)

КД – коэффициент долговечности БМЗ.

Анализ дефектов монтажа блок-модулей БМЗ

Установлено, что при монтаже объемно-блочных зданий на трудоемкость и продолжительность работ влияют следующие факторы: масса и комплектность блоков, способы их стыковки, конструкции стыков и узлов соединений.

При известной точности изготовления деталей технологические допуски на разбивочные работы и монтаж конструкций следует рассчитывать по коэффициенту точности КСР:

, (5)

где IГ и IМ – единицы допусков соответственно на разбивочные работы и монтаж конструкций; ΔИ – известные допуски на изготовление деталей, обеспечиваемые на данном этапе эксплуатации оснастки.

Полная собираемость БМЗ с необходимой точностью монтажа блок-модулей определяется соотношением:

, (6)

где – фактическая величина допуска;

– суммарный допуск.

При этом:

, (7)

где – величина i-того допуска;

n – число технологических допусков, влияющих на точность монтажа.

Для расчета точности сборки БМЗ определялись величины погрешностей трех групп: при изготовлении блок-модулей, геодезических разбивочных работах и монтаже элементов. Фактические погрешности размеров и отклонения элементов при монтаже не должны превышать нормативных параметров точности:

, (8)

где – фактические отклонения при монтаже;

– погрешности при установке блок-модулей;

– погрешности, обусловленные деформациями конструкций здания в результате силовых воздействий при монтаже;

– нормативное отклонение при монтаже.

Опытно-производственные работы подтверждают, что при дистанционном управлении монтажным краном, оборудованным координатно-шаговым механизмом и жесткой траверсой, сокращается время монтажного цикла в 1,5 раза и увеличивается производительность крана на 40-60 %. Сравнительные технико-экономические показатели различных методов монтажа блок-модулей представлены в табл. 2, из которой видно, что в зависимости от способа наводки монтируемого блок-модуля может быть выполнен свободный, ограниченно свободный, полупринудительный и принудительный монтаж.

Таблица 2

Сравнительные технико-экономические показатели различных методов монтажа блок-модулей

В ходе исследований автор провел сравнительный анализ монтажа зданий различных конструктивных систем, результаты которого приведены в табл. 2, где рассмотрены следующие варианты: 1 вариант – тип «БУК»; 2 вариант – тип «ЦУБ», «Нева»; 3 вариант – тип «Сокол», «Модуль».

Таблица 3

Сравнительный анализ монтажа БМЗ разных систем

Из данных табл. 3 следует, что по основным показателям строительство зданий из блок-модулей «БУК» (1-ый вариант) имеет преимущества. Построен график, по которому можно определить трудозатраты возведения БМЗ разных конструктивных систем.

Здания из сборно-разборных блочных модулей из металлоконструкций целесообразно применять в регионах с суровыми климатическими условиями ввиду ряда конструктивно- технологических достоинств блочных модулей:

- простота сборки объектов из блочных модулей, где не требуются высоко квалифицированные специалисты и шеф-монтаж;

- укороченные сроки возведения и ликвидации объектов из блок-модулей полной комплектации при сокращении расходов на монтаж и демонтаж здания;

- всесезонность монтажа благодаря многофункциональности конструкций отдельных модулей позволяет возводить здания практически при любых погодных условиях, в затопленных районах, что особенно важно для сейсмических районов и регионов с суровым климатом;

- прочность, долговечность, мобильность: поскольку конструктивной основой блочных модулей служит сборно-разборный металлокаркас, изготовленные из них объекты сейсмоустойчивы, хорошо переносят ветровые и снеговые нагрузки, а при необходимости объект из блочных модулей можно быстро демонтировать и возвести в другом месте;

- технологичность и универсальность конструкций блочно-модульного типа позволяет возводить малоэтажные здания универсального назначения (жилые здания, столовые, медицинские пункты, школы, и пр.) с возможностью наращивания площадей и перепланировки помещений;

- дешевизна: стоимость блочных готовых зданий значительно ниже стоимости зданий из ЖБ и кирпича.

Каркас блок-модулей выполняется из особых металлопрофилей с антикоррозионным покрытием "Цинол" (холодное цинкование); стены трехслойные типа «сэндвич» с металлической обшивкой из оцинкованного профлиста С21, из стали толщиной 0,55 или 0,8 мм с высокопрочным покрытием в виде полиэстерлака, полистера или пластизоля. Полы в блок-контейнерах имеют многослойную структуру.

Результаты обследования состояния 85 модульных малоэтажных жилых домов (БМЗ), возведенных по технологии фирмы «БУК» приведены на рис. 1 и 2 о распределении дефектов обследованных домов, откуда видно, что наибольшая часть дефектов приходится на наружные стены, перекрытия, отделочные покрытия и систему вентиляции (до 30 % дефектов), трещины в местах сопряжения стен и перекрытий, отслоение облицовочного слоя и увлажнение конструкций (15-20 % дефектов).

Процент износа определялся в 4 периода мониторинга: через 2,5; 5; 7,5 и 10 лет после начала эксплуатации. Были рассмотрены 5 вариантов конструкций последовательного улучшения объемно-планировочных, конструктивных и технологических решений. За первый, базовый, вариант были приняты исходные решения фирмы «БУК». Последний, пятый, модернизированный вариант является результатом совершенствования домов. Результаты оценки износа приведены на рис. 2-3. Точечные значения табличных данных являются средними показателями, рассчитанными по формулам математической статистики с достоверностью 0,95. Построены зависимости типа «время эксплуатации – процент износа», практическая ценность которых заключается в возможности регрессионного анализа математических моделей и прогноза долговечности БМЗ. Усовершенствованный 5-ый вариант имеет минимальный износ и наибольший ресурс работоспособности системы БМЗ.

Рис.2. Распределение дефектов модульных быстровозводимых жилых домов в период мониторинга в 1995–2015 гг., по типу конструкций

Рис.3. Распределение дефектов модульных быстровозводимых жилых домов в период мониторинга в 1995–2015 гг., по типу дефектов

Влияние теплотехнических и конструктивных характеристик БМЗ на технологические параметры процессов возведения быстровозводимых зданий

Для изучения количественных и качественных закономерностей был использован метод математического моделирования, основанный на воспроизведении совокупности характеристик объекта математическими соотношениями. При этом многофакторная модель нормирования теплозащитных качеств БМЗ определена в виде:

, (9)

где – общее теплосопротивление конструкций БМЗ;

– параметры конструкции модуля / толщины слоев, тип утеплителя, теплоизоляционные свойства материалов; – тип здания; – уровень комфортности дома; – расчетные температуры наружного воздуха для конкретного региона; – расход тепла за отопительный сезон; – вид теплоносителя и тип тепловых установок; – качество теплоизоляции стыков, узлов примыкания модулей; – расчетный срок службы здания.

Различают два вида теплопотерь: за счет теплопередачи через наружные ограждения (стены, покрытия, перекрытия, окна, двери) и за счет фильтрации наружного холодного воздуха через неплотности и поры в наружных ограждениях и их элементах. В инженерной практике теплопотери за счет теплопередачи через наружные ограждающие конструкции определяют по формуле:

(10)

За счет фильтрации воздуха по формуле:

, (11)

где – теплопотери, Вт; – расчетные значения температуры соответственно внутреннего и наружного воздуха °С; – площадь ограждения, м2; – сопротивление теплопередаче ограждения, м2∙0С / Вт; – удельная теплоемкость фильтруемого воздуха, Вт∙ч / кг∙°С; – количество воздуха, фильтруемого через 1 м2 ограждения, кг / м2∙ч.

Для получения исходных данных математического моделирования выполнены предварительные экспериментальные исследования по изучению теплотехнических характеристик БМЗ на 10 двухквартирных жилых домах модульного типа «БУК» 10М и 10ММ для климатического района РФ 2В со следующими нормативными нагрузками: вес снегового покрова 100 кг/м2, ветровая нагрузка 23 кг/м2, температура наиболее холодной пятидневки – 29°С, грунт с удельным сопротивлением 1,5 кс/см2, нормативная глубина промерзания 1,4 м, здания V степени огнестойкости.

Двухэтажный 10 квартирный жилой дом из 28 объемных блок-модулей полной заводской готовности с размерами в плане 20,5 х 24,0 м имеет техническое подполье, два жилых этажа с высотой помещений 2,5 м в свету, чердак со скатной крышей. Фундаменты здания – ленточные бетонные с продольными и поперечными стенами, обеспечивающими опирание объемных блок-модулей нижней поверхностью по всему их периметру.

Объём дома V= 3225 м3; Площадь F = 976 м2; Высота 2 этажа; Масса 20 т.

Наружное ограждение модуля (здания): комбинированная конструкция с утеплителем. Конструкция стыка модулей – сварная.

Герметизация соединений по наружному контуру: уплотняющая резина и наклеивание. Коэффициент звукоизоляции: Rw = 45-50дБ. Пароизоляция Sd = 130м; Гидроизоляция my = 480,000.

Расчётные (заданные) коэффициенты теплопроводности: Rо(стен) = 3,11; Rо(крыш) = 4,68; Rо(пол) = 4,88; Rо(окно) = 0,625. Степень заводской готовности – 95%.

Вертикальное расположение утеплителя в наружном ограждении потребовало дополнительные мероприятия по его фиксации и устранению дефектов как: осадка утеплителя и образование воздушных пазух.

Технико-экономическая и социальная эффективность методов технической диагностики и мониторинга строительства, реконструкции и эксплуатации быстровозводимых зданий

Выполнен анализ календарного плана производства работ и приведены результаты расчетов различных методов организации работ при возведении комплекса БМЗ (табл. 4), на основании которых выбирается оптимальный вариант, обеспечивающий сокращение общей продолжительности строительства комплекса объектов БМЗ. В представленном примере продолжительность строительства уменьшена на 6 дней или на 16,2 % без привлечения дополнительных ресурсов. Сравнение вариантов различных методов организации работ осуществлялось по методике и программам расчетов, предложенным проф. Афанасьевым В.А.

Таблица 4

Сравнительный анализ методов организации работ при возведении БМЗ

Т – плановая продолжительность монтажа БМЗ, дн., К1 – коэффициент своевременности работ, К2 – коэффициент совмещения работ, К3 – коэффициент непрерывности работ, К4 – коэффициент непрерывности фронта работ, К5 – интегральный критерий качества организации работ при возведении БМЗ

Результаты выполненных автором научных разработок положены в основу подготовки шестой очереди программы «Модуль» БМЗ фирмы «БУК» – 10ММ и модернизированного типа «БУК» – 15ММ.

Выводы

1.Предложена классификация методов возведения быстровозводимых зданий из модулей полной заводской готовности с учетом способов их комплектации и транспортирования к месту строительства.

2.Обоснована методика выбора рациональной технологии монтажа БМЗ и определения оптимальных параметров монтажных кранов и технологических процессов.

Рецензенты:

Юдина А.Ф., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой ТСП, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург;

Казаков Ю. Н., д.т.н., профессор кафедры технологии строительного производства, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.