Воробьев В. С., Сидоренко И. Л. Крупнопанельное домостроение: историческая необходимость и перспективная технология строительной отрасли // Вестник Сибирского государственного
Крупнопанельные конструкции являются одним из наиболее прогрессивных индустриальных типов конструктивных элементов. В современном строительстве они применяются при возведении жилых домов, общественных и промышленных зданий, дорог, аэродромов, плотин, каналов. Наибольшее распространение они получили в крупном жилищном и гражданском строительстве, где возведение зданий из крупных панелей, изготавливаемых на домостроительных комбинатах и заводах, позволяет сократить сроки строительства в 1,5–2,0 раза по сравнению с возведением зданий из кирпича или других традиционных материалов, а также снизить трудозатраты на строительной площадке на 30–40 %. Сметная стоимость квадратного метра жилой площади при использовании данной технологии на 12–15 % ниже, чем в кирпичных зданиях [1].
Крупнопанельное домостроение получило широкое распространение в 50-х гг. ХХ в. и сыграло важную роль в ликвидации острого дефицита жилья во многих странах послевоенной Европы. После масштабного строительства в начале 1960-х гг. в Восточной Европе типовых пятиэтажных крупнопанельных жилых домов с 1965 г. существенное распространение получил блочный принцип, в том числе блочно-ячеистый метод, который позволял обеспечивать сопоставимую вариативность планировочных и композиционных решений для помещений. Сегодня более 170 млн человек проживают в более чем 70 млн панельных зданий по всей Центральной и Восточной Европе.
Системы считаются сборными крупнопанельными (PLP), если вертикальными несущими элементами являются стены, построенные и собранные из крупных панелей, как правило, не менее размера комнаты [2]. Система PLP включает в себя различные сборные элементы, такие как стены, балки, перекрытия, колонны, лестницы, площадки и некоторые специализированные элементы, которые стандартизированы и разработаны для обеспечения стабильности, долговечности и структурной целостности здания. Строительство сборных жилых зданий включает в себя проектирование, стратегическое планирование двора, подъем, перемещение и транспортировку сборных элементов. Эта технология подходит для строительства высотных зданий, выдерживающих сейсмические и ветровые боковые нагрузки наряду с гравитационными нагрузками. Каркас здания планируется таким образом, чтобы получить максимальное количество повторений форм. Эти элементы отливаются в контролируемых заводских условиях. Завод строится на месте строительства или рядом с ним, что обеспечивает экономичное решение с точки зрения хранения и транспортировки.
Сегодня крупнопанельное строительство получило второе дыхание, поскольку преимущества сборного железобетона перед сталью или монолитным бетоном делают его особенно привлекательным для проектов, где график и экономическая эффективность имеют решающее значение. В дополнение к стоимости, долговечности и скорости выхода на рынок сборный железобетон обеспечивает гибкость в планировании пространства и повышенную рентабельность инвестиций. Для генерального подрядчика сборный железобетон позволяет достигнуть общей устойчивости здания, а также обеспечить комплексную реализацию проекта, что сокращает сроки и стоимость возводимого объекта.
Принимая во внимание вышеизложенное, особую актуальность на сегодняшний день приобретает задача анализа особенностей развития технологии крупнопанельного строительства в разных странах мира, что обуславливает выбор темы данной статьи, а также подтверждает ее практическую и теоретическую значимость.
Изучению проблем крупнопанельного строительства в России посвящено множество научных работ, большинство из которых были опубликованы до 1991 г. в условиях социалистической плановой экономики и государственной монополии на массовое жилищное строительство. Соответственно, тематика этих публикаций очерчивала архитектурно-типологические (номенклатуру и планировку квартир, блок-секции, строительные приемы), конструкторско-технологические (стандартизацию, унификацию планировочных и строительных решений) вопросы, а также затрагивала ключевые аспекты архитектурно-композиционных процедур.
Учитывая ужесточение требований к экологичности, ряд зарубежных авторов уделяют внимание возведению энергоэффективных зданий по каркасно-панельной сип-технологии.
Прогрессирующие технологии в области сборных конструкций и меняющиеся экономические условия оживили рынок крупнопанельного строительства из сборного железобетона. Поэтому в настоящее время с учетом уже имеющегося опыта и накопленной практики необходимы дальнейшие углубленные исследования в данной предметной плоскости.
С учетом обозначенных фактов целью статьи является рассмотрение исторической ретроспективы крупнопанельного домостроения в разных странах мира, а также анализ его текущего состояния и возможностей развития в будущем.
Методологической основой проводимого исследования является системный подход, основанный на использовании общих методов научного познания; методов, отражающих как эмпирический, так и теоретический уровни рассматриваемой проблематики. Для решения поставленных задач также использовалась конкретно-научная методология. Среди применяемых методов – метод системно-структурного анализа, графический метод, метод алгоритмизации, метод сравнения, систематизации, группировки, классификации, обобщения.
Рассмотрим опыт крупнопанельного домостроения в Польше. Процесс развития технологий крупнопанельного домостроения в этой стране можно разделить на три этапа.
1950-е гг.
В это время в Польше начали заменять трудоемкие технологии кладки кирпича более эффективными промышленными методами. Они включали использование крупных сборных стеновых и межэтажных перекрытий. Кроме того, были разработаны системы сборных элементов среднего размера (так называемые крупные блоки). Основные принципы среднего сборного строительства заключались в индустриализации сборных строительных элементов, их легкой транспортировке и использовании на строительной площадке без необходимости применения специальной строительной техники и с относительно небольшими затратами человеческого труда (рис. 1).
1970–1980 гг.
В это время на окраинах городов были построены жилые комплексы огромного масштаба. Такие комплексы в Польше сейчас называют «городскими спальнями». Количественные потребности в жилье и вызванная ими необходимость «строить быстрее и больше» послужили основой для внедрения крупнопанельных сборных систем, которые доминировали в технологии строительства более 20 лет. Главной особенностью этих систем была так называемая открытая типизация, которая базировалась на возможности проектирования зданий с разнообразной функциональной и пространственной компоновкой на основе использования модульных, типовых сборных элементов, составляющих структуру, наполнение, отделку и часто меблировку здания [3]. Большие стеновые и напольные перекрытия позволяли закрывать иногда целые комнаты (рис. 2).
Элементы производились на так называемых домостроительных комбинатах, а для их транспортировки и монтажа на строительной площадке необходимо было использовать специализированное оборудование. При разработке крупнопанельных систем учитывались такие факторы, как простота конструктивного устройства, уменьшение количества конструктивных пролетов и типов сборных элементов, а также обеспечение адекватного обустройства жилья.
Однако сложная технология производства элементов, их транспортировки, монтажа, а также эксплуатации готовых зданий оказалась намного дороже, чем предполагалось изначально. Более того, качество и стандарт такого жилья быстро перестали соответствовать социальным ожиданиям.
2000-е гг.
Сегодня в крупнопанельном домостроении Польши для возведения жилых домов используются сборные железобетонные элементы. Среди преимуществ использования технологий сборного производства можно отметить простоту и скорость сборки элементов, кроме того, они позволяют свести к минимуму ошибки на строительной площадке, а также дают свободу проектирования любых типов зданий и их внутренних помещений. Сборные плиты обладают высокими теплоизоляционными свойствами и конструктивной прочностью, что повышает способность зданий аккумулировать тепло зимой и поддерживать прохладную температуру летом. Одним из самых известных проектов крупнопанельного домостроения в Польше является многофункциональное здание на улице Спшечна, 4 в Варшаве, спроектированное в 2015 г. компанией BBGK Architekci и построенное в 2017 г. (рис. 3).
Этот проект стал испытательным полигоном и демонстрацией потенциала, предлагаемого современным сборным строительством. В данном случае нетипичные условия участка, ориентированного под углом 45 градусов по отношению к улице и расположенного среди компактной застройки центра города, между таунхаусами XIX в., оказались сложной задачей. В этом демонстрационном проекте использовалось до 250 типов сборных элементов, что сделало его архитектурно оригинальным, но в то же время и дорогостоящим по сравнению с тем, что ожидается от сборного жилья [4]. Однако целью проекта было продемонстрировать весь потенциал этой технологии и показать различия в качестве такой архитектуры по сравнению с тем, что было известно со времен второй половины прошлого века.
Кроме того, польские проектировщики и строители сегодня используют инновационные, умные сборные соединения, которые предполагают простоту сборки элементов без использования сварки и бетонирования. Это также позволяет разбирать их, что особенно ценно в случае сноса, перестройки или адаптации. Примером таких современных стеновых соединений являются стальные соединители (рис. 4).
Система состоит из так называемых женских и мужских соединителей, которые устанавливаются непосредственно на сборные плиты и помещаются в опалубку во время производства сборных стен. Элемент стены с женским соединителем вставляется в элемент с мужским соединителем, образуя плотную стыковку, которая не требует опалубки или бетонирования. Эта система позволяет демонтировать элементы без их повреждения, что очень важно, так как сборные плиты могут быть использованы повторно.
На следующем этапе исследования рассмотрим опыт строительства крупнопанельных домов в Корее.
В Корее чаще всего используется система Koncz System, которая была разработана в 1964 г. и попыталась устранить ограничения и ошибки других систем. Она была внедрена в 1990 г. строительной компанией Samsung и имела большой успех (рис. 5).
Рис. 5. Проект большого многоквартирного дома в Корее, который возведен с использованием системы Koncz для высотных крупнопанельных зданий [4]
Конструктивные решения крупнопанельных зданий, которые были построены по системе Koncz, характеризуются ориентацией несущих стен и способом опирания плиты перекрытия – односторонним или двусторонним. В соответствии с этими характеристиками использовалось три основных конструктивных решения для многоэтажных крупнопанельных зданий.
Несущая система с поперечными стенами. Эта система имеет односторонние перекрытия (рис. 6).
Только наружные стены в поперечном направлении являются несущими. Продольные наружные стены, как правило, представляют собой ненесущие навесные стены. Односторонние плиты перекрытия имеют пролет 6,0–7,0 м. Для таких пролетов можно использовать ненапрягаемые плиты перекрытия с пустотелыми сердечниками. Ширина плит составляет от 2,4 до 3,6 м, что приводит к уменьшению количества элементов. Плиты перекрытия соединяются между собой, образуя диафрагмы, которые передают горизонтальные силы на стены.
Жесткость в продольном направлении развивают продольные внутренние и наружные стены, а также стены лестничной клетки. Поскольку наружные стены не являются несущими, архитектор имеет свободу в создании привлекательных дизайнерских решений для наружных стен.
Система несущих продольных стен. Эта система имеет конструктивные характеристики, аналогичные системе поперечных стен (рис. 7). Внешние стены поддерживают односторонние плиты перекрытия. Из-за архитектурной планировки эти плиты перекрытия имеют более длинный пролет – от 9,0 до 12,0 м. Для таких пролетов используются предварительно напряженные пустотные плиты. Архитектурное проектирование стен несколько сложнее из-за их несущей функции. Жесткость здания в поперечном направлении может быть достигнута за счет двускатных стен (торцевая фасадная стена в поперечном направлении) и лестничных стен. Пустотелые плиты должны быть соединены вместе, чтобы образовать диафрагму.
Полностенная несущая система. Эта система имеет двухсторонние плиты перекрытия (рис. 8).
Плиты перекрытия обычно имеют размер комнаты и толщину 150 мм. Этого достаточно для пролетов 4,0–4,2 м.
В Германии крупнопанельное домостроение сегодня набирает популярность по ряду причин. Немецкий рынок, как и большинство европейских рынков, в настоящее время сталкивается с проблемой нехватки доступного жилья и отсутствия квалифицированной рабочей силы, необходимой для возведения строительных конструктивных систем и отделки зданий по мокрым технологиям. Именно поэтому инновационные концепции системной архитектуры рассматриваются как новый способ строительства доступных квартир за короткий промежуток времени без ущерба для их качества.
Особенности крупнопанельного строительства в Германии заключаются в том, что на заводах производятся не сборные железобетонные элементы, а модули, из которых собирается квартира. Блоки создаются из модулей определенного размера: длина 6,36 м или 7,15 м, ширина 3,18 м и высота 3,15 м, при этом высота блока дневного света составляет 2,5 м [5]. Такие модули, как гостиная, ванная и кухня, спальня с туалетом и кладовая, соединяются друг с другом, создавая, в зависимости от необходимости и типа здания, варианты блоков от одной до пяти комнат (рис. 9).
Система предусматривает один тип ванной комнаты, расположенной непосредственно рядом с кухней таким образом, чтобы создать общую хозяйственную шахту для обоих помещений.
Модули изготавливаются полностью на заводе. Готовые элементы, оснащенные всем необходимым оборудованием, транспортируются на строительные площадки, где с помощью кранов собираются целые здания. Эта система позволяет возводить один этаж в течение недели, что значительно сокращает общее время строительства и сводит к минимуму любые неудобства, связанные со строительными работами.
Ярким примером проекта строительства модульного многоквартирного жилья является комплекс из трех жилых зданий, возведение которых было завершено в декабре 2018 г. в Вестринге во Франкфурте-на-Майне компанией Firmengruppe Max Bögl. Проект был разработан по заказу компании Vonovia, которая является одним из крупнейших операторов по развитию недвижимости на немецком рынке. Здания включают в себя в общей сложности 36 квартир, построенных из 201 модуля. Целью проекта было создание доступного жилья, что нашло отражение в функционалистской композиции комплекса и скромных фасадах, которые только подчеркиваются самонесущими балконами.
Также в Германии широко используется технология, разработанная компанией GOLDBECK GmbH. Система GOLDBECK предполагает перпендикулярное расположение конструктивных осей, при этом каждая ось представляет собой кратный модуль длиной 0,625 м, с минимальным пролетом 3,125 м и максимальным пролетом 6,25 м. Поперечные и лестничные стены имеют толщину 21 см, а продольные стены – 14 см.
Стандартные жилые блоки на основе системы состоят из дневной секции, включающей гостиную и кухню, и примыкающей к ней ванной комнаты, модуль пролета которой составляет 6,25 м. Модуль с ночной зоной располагается рядом с модулем с дневной секцией, а ширина ночного модуля зависит от количества запланированных спален [6]. Например, двухкомнатный блок может быть построен с использованием модуля дневной зоны с пролетом 6,25 м и модуля ночной зоны (с одной спальней и кладовой) с пролетом 3,75 м. Трехкомнатный блок может иметь модуль дневной зоны с пролетом 6,25 м и модуль ночной зоны с пролетом 5,00 м с двумя спальнями и кладовой (рис. 10).
В своих проектах компания использует сборные элементы, формирующие структуру здания, такие как стены, потолки, модульные лифтовые шахты, лестничные клетки и готовые санитарные модули со всеми необходимыми коммуникациями и полным набором мебели, собранные на собственных заводах. Готовые санитарные модули значительно ускоряют строительство благодаря быстрому и простому монтажу и производственному процессу, не зависящему от строительных работ.
В настоящее время в разных странах мира существует устойчивый спрос на строительство нескольких десятков тысяч относительно доступных жилых единиц в год, который успешно достигается и будет достигаться с помощью технологии сборного железобетона [7]. Ключом к использованию сборных железобетонных элементов в жилищном строительстве является их постоянное совершенствование с помощью новых технологий, материалов и патентов, в том числе благодаря использованию технологии BIM.
Существует естественная предрасположенность технологии сборных конструкций к внедрению про-экологических решений (которые снижают углеродный след и давление на окружающую среду), что может способствовать их преференциальному статусу в будущем, при условии, что жилищный сектор будет поддерживаться через субсидии так же, как это делается для зеленых общественных и коммерческих зданий [8, 9].
Наиболее важным преимуществом крупнопанельного строительства является возможность достижения стабильно высокого качества конечной продукции. При строительстве крупнопанельных конструкций контролируемые на заводе условия и использование самых современных технологий производства позволяют легче добиться желаемых размеров, форм, цвета и фактуры сборного бетона. Сборный железобетон также позволяет проверять качество поверхности перед установкой. С момента своего появления в середине прошлого века крупнопанельное строительство прошло несколько этапов эволюции, изменяя и совершенствуя технологии. В результате сегодня используемые методы позволили обеспечить энергоэффективность и экологичность домов, построенных из крупных панелей.
Вопреки распространенному мнению, крупнопанельная структура не обязательно ограничивает свободу дизайна. Многообразие выражения и уникальные здания являются результатом индивидуальных решений и разумного использования индустриальных технологий производства. Архитекторы также могут выбирать различные цвета, фактуры и размеры, чтобы соответствовать своим эстетическим представлениям. Кроме того, сборный бетон гармонично сочетается с другими строительными материалами.
Список источников
- Baghdadi Abtin. Connections placement optimization approach toward new prefabricated building systems // Engineering structures. 2021. Vol. 233.
- Bi Wenzhen. Research on The Way of Prefabricated Building Information Sharing Based on Computer Software BIM // Journal of physics. Conference series. 2021. Vol. 1744, is. 2.
- Krentowski J. R., Knyziak P., Mackiewicz M. Durability of interlayer connections in external walls in precast residential buildings // Engineering failure analysis. 2021. Vol. 121.
- Nowak-Dzieszko Katarzyna, Rojewska-Warchał Małgorzata. Influence of the Balcony Glazing Construction on Thermal Comfort of Apartments in Retrofitted Large Panel Buildings // Procedia engineering. 2015. Vol. 108. P. 481–487.
- Duan Yadi. Analysis on the Quality Problems and Preventive Measures of Prefabricated Building Construction // Journal of physics. Conference series. 2020. Vol. 1648, Is. 3.
- Blaauwendraad Johan. Stringer-panel models in structural concrete: applied to D-region design / Cham: Springer, 2018. 99 p.
- Drexler H., Dömer K., Schultz-Granberg J. Bezahlbar. Gut. Wohnen. Strategien für Erschwinglichen Wohnraum // Jovis Verlag GmbH. Berlin, 2016. 291 p.
- Alkhalidi Ammar. Is it a possibility to achieve energy plus prefabricated building worldwide? // International journal of low carbon technologies. 2021. Vol. 16, № 1. P. 220–228.
- Niemelä Tuomo, Kosonen Risto, Jokisalo Juha. Energy performance and environmental impact analysis of cost-optimal renovation solutions of large panel apartment buildings in Finland // Sustainable cities and society. 2017. Vol. 32. P. 9–30.