Способ совмещенного строительства зданий и сооружений посредством опускающегося бетона

Способ совмещенного строительства зданий и сооружений посредством опускающегося бетона / Т.М. Хафизов, А.Х. Байбурин, С.Е. Денисов, А.Д. Овчинников // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2023. Т. 23, № 1. С. 37–47. DOI: 10.14529/build230105

Введение

В рамках нового технологического уклада развиваются малолюдные или безлюдные технологии строительства [1]. Все большее развитие получают процессы автоматизации и роботизации способов и методов выполнения строительных работ. Программный или искусственный интеллект по техническому заданию человека разрабатывает эскиз, проектно-сметную документацию, технологические схемы организации строительства и общую программу работы, а роботизированные мобильные комплексы выполняют определенные виды работ [2–4].

Однако большинство традиционных технологий, рассмотренных далее, слабо адаптированы к инновациям, создающим безлюдный строительный процесс. Поэтому создание способов строительства, подходящих под автоматизированный либо роботизированный процесс, представляется актуальной практической и теоретической задачей.

Строительство жилых домов из объемных блок-комнат

Суть метода заключается в сборке зданий из изготовленных на заводе железобетонных изделий – готового объемного элемента (обычно в размер комнаты) [5, 6]. Блок-комната доставляется трейлерами на строительную площадку и прямо с колес устанавливается на проектное место в здании [6]. Данный способ технологически и экономически эффективен, но имеет недостатки: нужны капитальные вложения около 0,6–1,0 млрд руб. на модернизацию производства, по мере расширения объемов строительства увеличиваются транспортные затраты [7].

Метод скользящей опалубки

По внешним и внутренним основным стенам устанавливаются щиты опалубки, соединенные домкратными рамами, к которым крепятся электрические или гидравлические домкраты, работающие на подъем. Внутри опалубочных щитов производится армирование и укладывается бетонная смесь [8, 9]. Включаются домкраты, поднимая вверх с определенной скоростью опалубочную систему. Таким образом формуются вертикальные стены и колонны, создавая каркас сооружения. Метод эффективен для сооружений с малым периметром или диаметром и с уменьшенным количеством проемов малого размера, таких как башни, силосы, трубы, опоры путепроводов. Метод не доработан в части обеспечения качества, что сказывается на количестве внутренних и внешних дефектов монолитного бетона [9].

Монтаж зданий методом подъема этажей и перекрытий

Сущность метода заключается в том, что тяжелые и крупногабаритные конструкции массой до нескольких тысяч тонн при площади до тысячи квадратных метров монтируют и укрупняют на уровне земли [10, 11]. Затем поднимают по вертикальным опорным конструкциям с помощью подъемного оборудования, установленного на них. В качестве опорных конструкций используют несущие элементы самого возводимого сооружения либо инвентарные монтажные элементы, которые демонтируют после возведения сооружения.

Практика строительства показывает, что метод подъема этажей эффективен при возведении зданий высотой до 20 этажей, а подъема перекрытий – до 30 этажей [11]. Достоинства метода: возможность возводить объекты без больших капитальных вложений. Метод удобен в стесненных условиях, при строительстве новых объектов на застроенных территориях. Недостатки метода заключаются в его сложности и необходимости синхронной работы дорогостоящего подъемного оборудования [12].

Метод Top-Down

Использование метода предусматривает поярусное возведение конструкций сверху вниз. Принцип технологии «сверху вниз» состоит в возведении ограждения котлована, как правило, из буросекущихся свай или методом «стены в грунте» с поверхности земли и поуровневым бетонированием перекрытий [13].

Достоинства метода: позволяет возводить здания в условиях плотной застройки, не оказывая значительного влияния на соседние здания и сооружения; возможно одновременное возведение подземной и надземной частей здания. Недостатки метода: при глубине более 25 м доставка оснастки в большом количестве затрудняет работу и уменьшает рабочее пространство.

Описание способа опускающегося бетона

Последовательность процессов нового способа: подготовка строительной площадки; разбивка свайного поля; ограждение котлована, в том числе с помощью промежуточных инвентарных свай-колонн, служащих временными опорами будущих конструкций верхнего строения; установка и монтаж инвентарной оснастки; возведение железобетонного каркаса; демонтаж инвентарной оснастки.

На подготовительном этапе строительства производится разбивка рабочих осей, выноска отметок для бурения скважин. Затем в основании бурятся скважины с применением обсадных труб на глубину 31 м, производится устройство свай для сдерживания грунта, которые состоят из 3 типов свай: 1 – буронабивные сваи длиной 31 м; 2 – совмещенные сваи (буронабивная свая длиной 15 м, инвентарная свая оснастки длиной 15 м); 3 – инвентарные сваи оснастки 15 м (рис. 1).

На оголовки устроенных свай согласно расчету крепятся инвентарные затяжки длиной 5 и 18 м.

Затяжка длиной 18 м рассчитана на восприятие растяжения 4500 кН. Затяжка длиной 5 м согласно расчету воспринимает нагрузку на растяжение 1500 кН. На установленные затяжки для их защиты укладываются кожухи и производится их засыпка несжимаемым грунтом.

Следующий этап – монтаж надземных инвентарных колонн оснастки с установкой горизонтальных инвентарных связей для обеспечения пространственной жесткости колонн. На уровне земли производится сборка рабочей монтажной площадки с подъемным оборудованием. Монтажная площадка служит для размещения гидродомкратов, используемых в дальнейшем для опускания горизонтальной палубы при бетонировании стен, и полиспастов – для опускания и подъема плит перекрытий(рис. 2).

Важно, чтобы закрепление самоподъемного механизма осуществлялось на вертикальные подготовленные поверхности наземных инвентарных колонн. Это обеспечивает возможность дальнейшего перемещения рабочей площадки в вертикальном направлении.

Собранная монтажная площадка с помощью самоподъемных механизмов поднимается на отметку +6,000 по нижней кромке вертикальных опалубочных щитов. По мере самоподъема монтажной площадки под площадкой устанавливаются инвентарные связи для обеспечения устойчивости инвентарных колонн. Далее начинается возведение монолитных железобетонных стен (внутренних и наружных) из бетонной композитной смеси методом «опускаемого бетона». После набора заданной прочности первого слоя в пределах 0,05–0,1 МПа горизонтальная палуба опускается и начинается укладка следующего слоя. Монолитная железобетонная стена по мере изготовления слоями опускается с отметки +6,000 на отметку 0,000.

Стены, находящиеся на отметке 0,000, образуют по периметру замкнутый тепловой контур, работающий совместно с горизонтальной монтажной площадкой (рис. 3). В тепловом контуре на подготовленной поверхности производится бетонирование пяти монолитных плит перекрытия сверху вниз: 15ппв, 14ппв, 13ппв, 4ппн, 5ппн (ппв – плита перекрытия верхняя, ппн – плита перекрытия нижняя). В качестве подготовленной поверхности используется поверхность грунта, на которую уложена фанера и изоляционная пленка.

После набора заданной прочности бетона плит перекрытия под ними осуществляется поэтапная выемка грунта подземной части на глубину до 5 м. Для устойчивости грунта стен котлована на стенки буронабивных свай с металлической обделкой крепится система из гидроизоляционной пленки, металлической сетки, инвентарных вертикальных и горизонтальных ребер жесткости.

По мере выемки грунта устанавливаются инвентарные связи для обеспечения устойчивости колонн, а также производится изготовление и опускание внутренних и наружных монолитных железобетонных стен методом опускаемого бетона.

Далее вышеописанным методом производят бетонирование наружных, внутренних стен и стен ядра жесткости с отм. –5,000 до отм. –10,000 (введем для этой части стен обозначение «Захватка 2»). Изготовленные конструкции стен временно закрепляются на трубобетонных сваях-колоннах для выемки грунта следующей захватки. Аналогичным образом выполняется устройство остальных подземных этажей («Захватка 3», «Захватка 4», «Захватка 5»).

Одновременно с устройством подземных этажей выполняется надземная «Захватка 6». После устройства «Захватки 6», с отм. –26,000 бетонируют монолитную фундаментную плиту на отм. – 25,000, жестко закрепляя в ней наружные и внутренние стены, образующие замкнутый монолитный контур (рис. 4).

Для устройства и продолжения возведения надземной части наращиваются инвентарные колонны оснастки с отм. +9,000 до отм. +15,000. Оголовки колонн временно закрепляются горизонтальными связями. Производится самоподъем монтажной площадки до отм. +15,000. Отметим, что при изготовлении «Захватка 6» верхняя часть высотой 50 см временно отделена изоляционной формовочной прослойкой. Во время подъѐма монтажной площадки с опалубкой верхняя часть отделяется от захватки и перемещается вверх вместе с опалубкой на требуемую отметку. Данная верхняя часть будет выполнять роль горизонтальной опалубки для «Захватки 7» и после еѐ изготовления опустится на свое место на «Захватку 6». Верхние части наземных захваток служат горизонтальными опалубками для выше изготовляемых захваток.

В процессе самоподъема монтажной площадки устанавливаются временные инвентарные монтажные связи, служащие для обеспечения устойчивости колонн. После бетонируются внутренние и наружные стены методом опускаемого на проектную отметку бетона. В качестве грузоподъемного оборудования при наращивании колонн используется башенный кран. Параллельно выполняются работы по установке инвентарных горизонтальных связей. Возведение стен с 7-й по 13-ю захватку ведется аналогично (рис. 5).

Предпоследним этапом совмещенного устройства подземной и надземной части является подъем и опускание плит перекрытия. Для одновременного поднятия трех плит вверх и опускания одной вниз применяются полиспастовые устройства. Движущей силой подъема является сила тяжести плиты, опускаемой вниз, то есть используется метод противовеса (рис. 6).

Плиты, изготовленные и набравшие необходимую прочность еще до начала выемки грунта, на данный момент располагаются на отметке 0,000 в последовательности 5ппн, 4 ппн, 13ппв, 14ппв, 15ппв (снизу вверх). Все плиты временно закреплены на колоннах.

Производятся одновременное опускание плиты 5ппн на отм. –26,000 и подъем плит 15ппв, 14ппв и 13ппв на отм. +45,000, +42,000 и +39,000 соответственно. На проектных отметках выполняется постоянное крепление узла «плита-стена». По завершении операции плита 4ппн опускается до отм. 0,000.

Далее бетонируем плиты 3ппн, 10ппв, 11ппв, 12ппв (снизу-вверх). В качестве основания используется плита 4ппн. Для разграничения плит и пре- дотвращения адгезии используется изоляционная пленка и набрызг эмульсии [14]. Бетон конструкций выдерживается до заданной прочности, после чего выполняется одновременный подъем плит 12ппв, 11ппв и 10ппв до отм. +36,000, +33,000 и +30,000 соответственно, опускание плиты 4ппн до отм. – 20,000. На проектных отметках выполняется постоянное закрепление плит к стенам. По завершении операции плита 3ппн опускается до отм. 0,000.

Дальнейшие бетонирование конструкций плит перекрытий и размещение их в проектных положениях производятся по аналогии с вышеописанными процессами. Приводится последовательный список пакетов плит перекрытий для подъема и опускания: 9ппв, 8ппв, 7ппв, 3ппн; 6ппв, 5ппв, 4ппв, 2ппн; 3ппв, 2ппв, 1ппв, 1ппн; 0пп [15].

Завершающий этап строительства – это демонтаж инвентарных наземных колонн, подземных инвентарных свай-колонн оснастки, ранее служивших опорами для возведения каркаса, опускания и подъема плит перекрытий.

Проанализируем и сравним известные методы строительства с новым способом. В табл. 1 приведено сравнение нового способа с методом подъема этажей и перекрытий. Выявлены значительные недостатки применения метода подъема этажей в надземном строительстве в связи с недостаточно подробной проработкой и приостановкой применения данного метода.

В табл. 2 приведено сравнение способа опускающегося бетона с методом опускного колодца в тиксотропной рубашке.

В результате сведений сравнения выявлен перечень недостатков при эксплуатации метода опускного колодца, характеристика недостатков обусловлена большой трудоемкостью и продолжительностью возведения зданий методом опускного колодца.

В табл. 3 приведено сравнение нового способа с методом возведения в скользящей опалубке.

В табл. 4 приведено сравнение способа опускающегося бетона с методом возведения TopDown.

Сравнительный анализ рассматриваемого способа и метода Top-Down показывает преимущество способа опускающегося бетона в отношении снижения трудозатрат. У метода Top-Down с глубины 25 м значительно повышаются трудозатраты и появляются нежелательные эффекты.

Описанные преимущества метода обуславливают возможные области применения новой технологии:

• подземные хранилища для отходов (госкорпорация «Росатом»);
• объекты противокосмической защиты (Министерство обороны);
• жилые и служебные помещения при экстремальных условиях (Роскосмос);
• заглубленные гражданские здания и сооружения: многоэтажные парковки; многофункциональные центры, транспортные узлы и т. д. [16].

Заключение

Представленная технология строительства зданий и сооружений показывает направление развития технологии подземного и совмещенного строительства «вверх и вниз» [15–17]. Новый способ позволяет возводить подземные сооружения в сложных инженерно-геологических условиях [18–20], объекты многоярусного типа и большой площади в стесненных городских условиях [21–24], а также спецсооружения типа подземных АЭС [25, 26].

Прогнозируемый способ строительства решает проблему возведения зданий и сооружений в холодных или экстремальных условиях, так как процесс ведется в закрытом тепловом контуре. Это позволяет сокращать сроки строительства, применяя методы интенсивного набора прочности бетонной композитной смеси. Предложенная технология востребована для строительства в крупных мегаполисах, в освоении подземного и наземного пространства в стесненных условиях в быстрые сроки с минимальными нарушениями инфраструктуры города.

Экономическая эффективность данного способа обусловлена тем, что практически все строительные изделия производятся на площадке во время технологического процесса, что снижает транспортные издержки и зависимость от заводского производства. При сравнении новой технологии с известными аналогами выявлен ряд существенных преимуществ как по превышению основных параметров сооружения, так и по показателям эффективности технологии.

Список литературы

1. Головнев С.Г. Современные строительные технологии. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010. 268 с.
2. Патент № RU2566540. Способ формования железобетонных конструкций посредством опускающегося бетона / Т.М. Хафизов, С.Г. Головнев, С.Д. Денисов; заявл. 30.09.14; опубл. 27.10.2015, Бюл. № 30.
3. Патент № RU2604098. Способ строительства подземного многоэтажного сооружения / Т.М. Хафизов, А.Х. Байбурин, С.Е. Денисов, Г.Т. Хафизов; заявл. 02.11.2015; опубл. 10.12.2016, Бюл. № 34.
4. Патент № RU2510088. Подземный ядерно-энергетический комплекс / Т.М. Хафизов, С.Е. Денисов, Г.Т. Хафизов; заявл. 08.10.2012; опубл. 20.03.2014, Бюл. № 8.
5. Building. Construction methods: modular [Электронный ресурс]. URL: https://www.building.co.uk/data/ construction-methods-modular/5094760.article (дата обращения: 06.10.2022).
6. Сауков Д.А., Гинзбург Д.А. Современное модульное строительство // IV Междунар. конф. «Проблемы безопасности строительных критичных инфраструктур» Safety-2018: сб. ст., Екатеринбург, 2018. C. 69–82.
7. Тешев И.Д., Коростылева Г.К., Попова М.А. Объемно-блочное домостроение // Жилищное строительство. 2016. № 3. С. 26–33.
8. Мацкевич А.Ф. Проектирование и применение скользящей опалубки: учебное пособие. Горький: ГИСИ им. В.П. Чкалова, 1984. 72 с.
9. ГОСТ 52085-2003. Опалубка. Общие технические условия. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2003. 32 с.
10. Байбурин А.Х. Обеспечение качества и безопасности возводимых гражданских зданий. М.: Изд-во АСВ. 2015. 336 с.
11. Саакян А.О., Саакян Р.А., Шахназарян С.Х. Возведение зданий и сооружений методом подъема: исследование, проектирование, строительство. М.: Стройиздат, 1982. 552 с.
12. Рекомендации по возведению многоэтажных зданий методом подъема этажей и перекрытий / ЦНИИОМТП. М.: Стройиздат, 1971. 60 с.
13. Хафизов Т.М., Байбурин А.Х. Строительство подземного многоэтажного сооружения методом опускающегося бетона (в порядке обсуждения) // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 6. С. 57–63. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.06.57-63
14. Соколов С.В. Монтаж зданий методом подъема этажей и конструкций. М.: Высш. шк., 1988. 64 с.
15. Патент № RU2657565. Способ совмещенного строительства подземной и надземной части каркаса сооружения / Т.М. Хафизов, А.Х. Байбурин, С.Е. Денисов, Р.М. Сулейманов, Г.Т. Хафизов; заявл. 27.04.2017; опубл. 14.06.2018; Бюл. № 17.
16. Хафизов Т.М., Байбурин А.Х. Сравнительный анализ способа опускающегося бетона и метода скользящей опалубки // IV Междунар. конф. «Проблемы безопасности строительных критичных инфраструктур» Safety-2018: сб. ст. Екатеринбург, 2018. С. 222–228. DOI: 10.14529/build220208.
17. Атаев С.С. Технология и механизация строительного производства. В 2 т. М.: Высшая школа. 315 с. (Т. 1), 359 с. (Т. 2).
18. Тетиор А.Н., Логинов В.Ф. Проектирование и строительство подземных зданий и сооружений. Киев: Будивэльник, 1990. 168 с.
19. Байцур А.И. Заглубленные сооружения промышленных предприятий. Киев: Будивэльник, 1990. 81 с.
20. Банин Л.А. Специальные методы строительства заглубленных помещений в сложных инженерногеологических условиях. М.: ЦБНТИ, 1983. 40 с.
21. Коваль В.С. Многопролетные многоярусные подземные сооружения в крупном городе в городской застройке. М.: МГЦНТИ, 1985. 23 с.
22. Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения. М.: Недра, 1974. 320 с.
23. Оглоблин В.Ф., Ильинский К.Н. Подземные этажи. Донецк: Донбасс, 1978. 143 с.
24. Лернер В.Г. Организация подземных пространств крупных городов. М.: ГОСЦНТИ, 1975. 33 с.
25. Сапачева Л.В. Подземная урбанизация – необходимое условие устойчивого развития городов (Информация) // Жилищное строительство. 2016. № 11. С. 12–13.
26. Горбулин А.Н. Подземные атомные электростанции // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2017. № 2(18). С. 37–44.

Информация об авторах

Хафизов Тагир Мавлитович, заведующий лабораторией кафедры «Строительное производство и теория сооружений», Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; khafizovtm@susu.ru.

Байбурин Альберт Халитович, доктор технических наук, советник РААСН, профессор, профессор кафедры «Строительное производство и теория сооружений», Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; baiburinak@susu.ru.

Денисов Сергей Егорович, доктор технических наук, профессор кафедры «Градостроительство, инженерные сети и системы», Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; denisovse@susu.ru.

Овчинников Андрей Дмитриевич, магистрант, Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия; ovchinnikovad@susu.ru.