Сборные стальные конструкции по сравнению с традиционными монолитными железобетонными конструкциями обладают рядом преимуществ благодаря своим уникальным природным свойствам: экономия ресурсов, снижение уровня загрязнения, высокая скорость строительства, хорошая сейсмостойкость и возможность вторичной переработки. Это экологически чистое здание на весь срок службы. На государственном и местном уровнях с 13-й пятилетки был принят ряд инструкций и политики, направленных на активное развитие и продвижение системы сборных стальных конструкций. К 2025 году доля сборных стальных конструкций должна составить более 50%.
Развитие системы сборных стальных конструкций
В Китае сборные стальные конструкции развиваются не так давно, но при поддержке государства предприятия, научно-исследовательские институты и университеты уже проводят исследования и внедряют новые системы различной степени.
(1) Модель сборного сталежелезобетонного каркаса
В основе этой системы лежит сталежелезобетонный каркас, в котором используются традиционные элементы противодействия боковым нагрузкам, такие как стальные подпорки, железобетонные стены, центральные колонны или новые элементы противодействия боковым нагрузкам (например, стальные стенки, противопрогибные стальные стенки и т. д.), а также легкие внутренние и наружные стены в качестве ограждающих конструкций, частично сборные плиты перекрытия в сочетании с другими вспомогательными компонентами, образующими форму стального жилого здания.
Сталежелезобетонная конструкция характеризуется высокой несущей способностью, хорошей пластичностью, превосходными сейсмостойкими свойствами, хорошими огнестойкими и противопожарными свойствами. Она подходит для высотных жилых зданий. По сравнению со стальными колоннами сталежелезобетонная конструкция экономит сталь и снижает стоимость; по сравнению с традиционными железобетонными конструкциями она строится быстрее и имеет короткий срок строительства.
В настоящее время в этой системе обычно используются следующие виды плит перекрытия: сборные железобетонные плиты, комбинированные плиты из профилированного металла, плиты перекрытия на стальных фермах и двунаправленные плотноребристые комбинированные плиты. Все виды плит перекрытия частично сборные, что устраняет необходимость в опалубке, однако трубопроводы и оборудование в основном должны прокладываться в монолитном слое, что не соответствует принципу разделения несущих конструкций и инженерных коммуникаций, пропагандируемому сборными конструкциями.
Сборные стеновые панели подразделяются на встраиваемые, навесные и комбинированные встраиваемые и навесные. Поскольку в конструкции часто необходимо устанавливать стальные подпорки, монтаж встраиваемых стеновых панелей затруднен, поэтому навесные и комбинированные встраиваемые и навесные панели лучше подходят для сталежелезобетонных конструкций. Навесные стеновые панели включают в себя композитные панели из стекловолокна, космические панели, панели из керамзитобетона и т. д., которые могут быть установлены за один раз, но внутренние балки и колонны видны, и необходимо сочетать с дизайном интерьера. Комбинированные встраиваемые и навесные панели включают панели ALC и DK. Преимуществами являются скрытые балки и колонны, наружная отделка выполняется только с помощью подвесных люлек, хорошая защита от дождя.
Сборная сталежелезобетонная конструкция усовершенствована по сравнению с традиционной конструкцией, степень заводской готовности составляет около 70%, но это в основном относится к сборке несущих конструкций, без полной отделки и единого строительства системы конструкций, ограждающих конструкций и инженерных коммуникаций.
(2) Новая строительная система на основе модульной конструкции
Модульные стальные конструкции можно разделить на модели, строительные элементы которых являются модульными, и модульные конструкции (конструкции типа «ящик»). Модульные здания — это индустриальные сборные конструкции с высокой степенью сборки, степень заводской готовности которых может превышать 90%. Компания Hunan Yuanda Kejian предложила модель, в которой строительные элементы являются модульными, используя стальной каркас с раскосами и сборные основные плиты. Основные плиты состоят из предварительно изготовленных на заводе комбинированных плит из железобетона и профилированного металла, стальных ферм и совместно с раскосами и стойками образуют пространственную несущую систему. Внутри предварительно изготовленных на заводе основных плит интегрированы все трубопроводы водоснабжения, электроснабжения, противопожарной защиты и кондиционирования воздуха, а также плитка уложена на заводе. На месте требуется только сборка и монтаж.
Эта модель обладает такими преимуществами, как высокая скорость строительства, высокая степень использования материалов, отсутствие мусора на строительной площадке, низкий уровень шума, свободное расположение комнат и возможность изменения положения стен и окон, но в этой конструкции также имеются такие недостатки, как оголенные стойки и раскосы и плохая звукоизоляция.
Модульная модель (конструкции типа «ящик») заключается в том, что традиционные помещения здания делятся по функциональным зонам, а модули с колоннами, потолками, плитами перекрытия, стенами, трубопроводами и отделкой предварительно изготавливаются на заводе, а затем ящичные модули транспортируются на строительную площадку для монтажа. Степень сборки высока, сроки строительства короткие, а собственный вес здания небольшой.
Конструкции типа «ящик» в настоящее время находятся на стадии исследования и мало используются в Китае. Производство ящичных элементов предъявляет высокие требования к заводу. Из-за своих особенностей внешний вид здания и планировка могут быть ограничены, размеры элементов велики, транспортировка и монтаж требуют усовершенствования, а также проблема стоимости является одним из факторов, сдерживающих развитие конструкций типа «ящик».
(3) Система рамно-подкосной конструкции из комбинированных сталежелезобетонных колонн нестандартной формы
Чэнь Чжихуа и Чжоу Тинтин из Тяньцзиньского университета разработали систему рамно-подкосной конструкции из комбинированных сталежелезобетонных колонн нестандартной формы, которая подходит для многоэтажных и высотных жилых зданий. Комбинированные колонны нестандартной формы состоят из отдельных прямоугольных сталежелезобетонных колонн, вертикально соединенных друг с другом и со сварными поперечными ребрами жесткости через определенные промежутки. Многочисленные исследования показали, что отдельные колонны эффективно работают совместно через соединительные пластины, образуя решетчатую пространственную конструкцию, которая повышает несущую способность колонн нестандартной формы. Стальные трубы колонн нестандартной формы имеют небольшой поперечный размер, гибкое расположение и могут быть скрыты внутри стен здания, что удобно для планировки помещений. Эта система уже применена в проектах высотой до 80 метров.
(4) Интегральная пространственная решетчатая ящичная конструкция
Ма Кэцзянь из Гуйчжоуского университета и др. предложили новую систему сборных интегральных пространственных решетчатых ящичных конструкций, которые могут использоваться в многоэтажных, высотных и сверхвысотных жилых зданиях. В высотных жилых зданиях эта система в основном использует стальной каркас и центральную колонну, а в качестве системы перекрытий жилых зданий используется «сборная интегральная стальная пустотелая многослойная решетчатая конструкция». На строительной площадке фосфогипс или отработанный гипс заливаются в «сборный интегральный стальной решетчатый каркас», образуя несущие наружные и межквартирные стены жилого здания. Поперечные стальные решетчатые перекрытия и вертикальные стальные решетчатые стены имеют небольшие размеры ячеек и обладают несущими свойствами плиты. После соединения они образуют трехмерную ящичную конструкцию. При использовании стальной решетчатой пустотелой многослойной плиты межквартирные стены могут свободно разделяться, и нет необходимости в соблюдении условия наличия балки под стеной, что позволяет гибко делить помещения. Но у нее есть и очевидные недостатки, например, для стальной пустотелой многослойной плиты требуется подвесной потолок, высота которого может достигать 500 мм, что серьезно влияет на высоту потолков, в настоящее время ее применение в строительстве ограничено.
(5) Система конструкций из комбинированных стальных пучков и стен
Комбинированные стальные пучки и стены, коробчатые балки или Н-образные балки служат несущими элементами в сочетании с новыми сборными плитами перекрытия на стальных фермах. Навесные стеновые панели CCA и другие ограждающие элементы. Комбинированная стена из стальных пучков состоит из нескольких U-образных стальных труб, соединенных вместе, внутри которых заливается бетон, образующий стену. Стальные трубы могут быть расположены в соответствии с потребностями в виде линии, креста, буквы L, буквы T и т. д., чтобы избежать появления балок и колонн внутри помещения, но комбинированные стены из стальных пучков имеют высокое потребление стали, большой объем обработки и большие объемы монтажных работ. В настоящее время эта система успешно применена в научно-исследовательском здании Hangxiao Steel Structure и в доме № 11 для специалистов в районе Цяньцзян Шицзичэн в районе Сяошань, Ханчжоу.
(6) Система конструкций из коробчатых стальных стенок
Многокамерная стальная панельная диафрагма жесткости, комбинированная строительная система, призванная решить проблему видимых балок и колонн в традиционных стальных жилых домах. Многокамерная стальная панельная диафрагма жесткости включает в себя многокамерный короб, образованный несколькими стальными листами, внутри которого расположены уголковые компоненты, а внутренняя полость заполнена бетоном.
В качестве перекрытий используются железобетонные решетчатые плиты или сборные железобетонные композитные плиты, внутренние стены изготавливаются из легких композитных панелей или автоклавного газобетона, наружные стены представляют собой сборные теплоизоляционные и отделочные панели, композитные панели из фиброцемента, сборные теплоизоляционные стены из автоклавного газобетона и легкой стали или стены из легкого стального каркаса с заливкой.
Проблемы сборных стальных жилых домов
(1) Необходимо развитие системы ограждающих конструкций
Характеристики внутренних и наружных стен влияют на комфорт проживания. В настоящее время многие отечественные производители выпускают стеновые панели, отвечающие определенным требованиям звукоизоляции, теплоизоляции и пожаробезопасности, но все еще существует проблема неравномерного качества продукции, несоответствия стандартам, а также несовершенства конструктивных решений соединения стеновых панелей с балками и колоннами из стали, что может приводить к плохой звукоизоляции, протечкам и т. д. Кроме того, в последние годы все чаще проявляется проблема долговечности стыков ограждающих стен. Стыки стеновых панелей обычно герметизируются с помощью герметиков, клеев, замазок, но под воздействием ветра, дождя, солнца, перепадов температур и колебаний здания под действием ветра на некоторых объектах через несколько лет появляются трещины, протечки и другие дефекты в наружных и внутренних стенах.
(2) Отставание развития систем инженерных коммуникаций
Сборное строительство предполагает «интегрированный проект и строительство» конструкций, ограждающих конструкций и инженерных коммуникаций, однако в современных исследованиях недостаточно внимания уделяется системам инженерного обеспечения зданий, что создает много неудобств при строительстве стальных жилых домов. При проектировании не были учтены отношения между электропроводкой, водопроводом и стенами, на некоторых объектах после завершения строительства наблюдались трещины и протечки в местах прокладки коммуникаций. Кроме того, в процессе строительства часто возникают работы, требующие штробления и проделывания отверстий, что снижает эффективность строительства. В сборных зданиях плиты перекрытия часто являются полусборными, полумонолитными элементами, поэтому, если в сборных элементах предусмотрена прокладка электропроводки, то на заводе устанавливаются сроки прокладки на строительной площадке, но из-за высоких требований к точности расположения коммуникаций трудно адаптироваться к условиям на месте, гибкость низкая. Поэтому в настоящее время на строительных площадках коммуникации прокладываются в основном в монолитных слоях.
(3) Открытость стальных конструкций
В высотных стальных конструкциях, особенно в зданиях с большими пролетами и большими размерами проемов, часто используются стальные балки и колонны больших размеров, которые трудно скрыть. Противосейсмические элементы стальной конструкции, в частности, раскосы, также сильно влияют на эстетику внутреннего пространства. Необходимо совместное проектирование инженеров-конструкторов и архитекторов, чтобы обеспечить соответствие стальных конструкций планировке и функциям помещений, рациональное расположение и максимально возможное скрытие стальных элементов.
(4) Необходима разработка простой и экономичной технологии противопожарной и антикоррозийной защиты
Стальные конструкции зданий в силу своих особенностей требуют противопожарной и антикоррозийной обработки, а высокоэффективные технологии противопожарной и антикоррозийной защиты часто являются дорогостоящими. Для жилых домов застройщики очень чувствительны к удельной стоимости строительства, и увеличение затрат на противопожарную и антикоррозийную обработку может отрицательно повлиять на распространение сборных стальных жилых домов.
Из особенностей некоторых строительных систем сборных стальных жилых домов, их применения и существующих проблем видно, что сборные стальные строительные системы развиваются в сторону диверсификации, но степень разработки и применения различных систем сильно различается. В настоящее время в Китае основным применением стальных жилых домов является система сталебетонных конструкций, а система сборных модульных конструкций компании Far East уже достигла определенного масштаба, в то время как другие системы все еще находятся на экспериментальной стадии. Ограждающие конструкции и перекрытия стальных жилых домов являются важной составляющей здания, но в настоящее время, как сами стеновые панели, так и соединения стеновых конструкций, все еще развиты недостаточно хорошо и являются слабым местом стальных жилых домов. Совместимость инженерных коммуникаций и конструкций также вызывает определенные проблемы, такие как низкая степень сборки, затруднения ремонта и т. д.
Для развития сборного стального строительства необходимо рассматривать здание в целом, понимать разницу между «сборной конструкцией» и «сборным зданием», сосредоточив внимание на развитии «здания», то есть при относительно зрелой системе стальных конструкций уделять особое внимание развитию сборных ограждающих конструкций, систем инженерных коммуникаций и внутренних систем, изменяя традиционную ситуацию в области стального строительства, когда чрезмерное внимание уделяется конструкции, а ограждающие конструкции и внутренние системы игнорируются, что позволит не только повысить качество проживания потребителей, но и значительно повысить степень сборки стальных конструкций.