Николай Дементьев, к.т.н., доцент кафедры промышленного и гражданского строительства Вологодского государственного университета
Рассмотрим мировую практику строительства зданий и элементов заводской готовности – прошлое и настоящее, потенциал технологии, проблемы дальнейшего развития.
Идее производить конструкции зданий и сооружений в заводских условиях уже довольно много лет. Первые шаги применения технологии отправляют нас в Великобританию XIX века, когда лондонским плотником Маннингом (H. John Manning) к продаже были предложены (рисунок 1) портативные дома Маннинга (Manning Portable Cottage). Основными покупателями этих домов являлись эмигранты, заселяющие колонии Новой Зеландии и Южной Африки .
Классическим примером здания из элементов, заранее изготовленных в заводских условиях, является здание Хрустального дворца (Crystal Palace) Джозефа Пэкстона (рисунок 2), построенного в Лондоне к всемирной выставке 1851 года. Здание было возведено всего лишь за 8 месяцев благодаря использованию большого количества типовых элементов (колонн и балок), отлитых из чугуна.
В начале XX века в США в ходу были так называемые дома из каталога, предлагаемые различными фирмами. Наиболее распространенными были дома из легких деревянных рам, элементы которых были предварительно изготовлены в заводских условиях (рисунок 3). Одной из фирм, производящих такие дома, была фирма Alladin Homes, основанная в 1906 году. Концепция производства таких домов предполагала возможность возведения на месте при помощи простейшего инструмента. Уже тогда отмечались такие преимущества рассматриваемого подхода, как отсутствие отходов на строительной площадке, точность изготовления и быстрота возведения.
С изобретением Генри Фордом конвейера идеи индустриального производства стали проникать и в сферу производства зданий и сооружений. Так, в начале XX века зародилось движение Фордизма. За счет внедрения стандартизации и сокращения типоразмеров появилась возможность использовать эффект масштаба производства, что позволило снизить стоимость и увеличить качество строительства. При этом несмотря на то, что дома состояли из стандартизированных элементов, у архитектора была возможность разрабатывать здания с различными внешним видом и объемно-планировочными решениями.
В Германии в 30-х годах XX века архитектором Эрнстом Маем (Ernst May) была разработана технология массового строительства индустриального сборного жилья на основе пемзобетонных панелей (рисунок 3). Панели размером 3×1,10×0,20 м и весом 726 кг предлагалось устанавливать с помощью крана небольшой грузоподъемности. Монтаж 2-этажного дома выполнялся приблизительно за 17 дней, однако при увеличении количества занятых рабочих на стройке и оборудования это время могло быть сокращено до 1,5–2 дней.
Немецкий опыт вызвал интерес в Советском Союзе, и в 1940 году в НИИ строительной техники Академии архитектуры СССР под руководством Г. Ф. Кузнецова началась разработка проектов панельно-каркасных жилых домов. Однако ввиду начала Великой Отечественной войны строительство первого каркасно-панельного дома было реализовано только в 1948 году. Авторами проекта являлись архитекторы В.И. Богомолов, Н.М. Фукин, инженеры Г.Ф. Кузнецов, Б.Н. Смирнов, Н.В. Морозов, В.А. Вольнов, под общим руководством инженера В.Ф. Промыслова. В дальнейшем в СССР и России получила развитие практика строительства как каркасно-панельных зданий, так и зданий с несущими панелями и зданий из объемных блоков заводского изготовления.
Применительно к каркасным зданиям промышленного и гражданского назначения прогресс в области развития современных средств автоматизированного проектирования, расчетных комплексов привел к появлению так называемых «предварительно-спроектированных зданий» (Pre-engineered buildings). За счет использования типовых элементов, ограничения конфигураций пролетов, шагов колонн и высотных отметок появилась возможность значительно ускорить изготовление и строительство таких зданий. При этом архитектор имеет относительную свободу в выборе объемно-планировочных и визуальных решений здания (рисунок 4).
В настоящее время технология конструкций заводского изготовления эволюционирует в сторону технологии DfMA (Design for Manufacture and Assembly – проектирование для производства и сборки), а также более широкого понятия Offsite Construction (внеплощадочное изготовление). Технология подразумевает использование приемов проектирования, в результате применения которых минимизируются количество компонентов и упрощается сборка изделия. Одной из характерных черт применения вышеуказанной технологии является разработка модульных компонентов зданий, в которые интегрированы не только несущие и ограждающие конструкции, но и элементы систем жизнеобеспечения. Эти компоненты могут быть реализованы как в виде каких-то плоских двумерных элементов (панелей стен, перекрытий), так и объемных модулей.
В качестве примера использования двумерного модульного компонента можно привести конструкцию здания отеля Т30, возведенного в г. Чанша (КНР) корпорацией BROAD GROUP, а именно ее подразделением BROAD Sustainable Building Co в 2012 году. Основными несущими элементами здания являются стальные колонны с диагональными подкосами и плиты перекрытия, выполненные в виде пространственного металлического каркаса на основе системы перекрестных ферм размером 3,9 на 15,6 м в плане. В пространстве между поясами ферм на стадии изготовления на заводе размещаются элементы инженерных систем (рисунок 5). Напольное покрытие также выполняется в заводских условиях. Основные конструкции здания были возведены менее чем за 15 суток.
Объемные модульные элементы на рынке представлены в виде так называемых PPVC - блоков (Prefabricated Prefinished Volumetric Construction – объемная конструкция заводского изготовления с отделкой). Идея данного решения также заключается в том, чтобы на стадии изготовления на производственной площадке такой модуль сразу бы оснащался не только несущими и ограждающими конструкциями, но и инженерными системами, сантехникой, отделкой, а также при необходимости – мебелью. В качестве конструкционных материалов для несущих конструкций в таком модуле используются железобе-тон, сталь и древесина. Этажность зданий, построенных по рассматриваемой технологии, может составлять до 40 этажей для модулей из железобетона, до 20 для модулей на основе стальных несущих конструкций и до 3–4 этажей для модулей из древесины (рисунок 6).
Конструктивное решение модуля при исполнении в металле, как правило, представляет собой каркас из прокатных или ГС-профилей с заполнением из ЛСТК. Сам модуль может быть выполнен как с несущими вертикальными элементами, так и в самонесущем варианте. Так, в проекте MoHo, реализованном фирмой Shedkm Architects в Манчестере (Великобритания) в 2005 году, модули устанавливались в несущую раму здания (рисунок 7). В случае же железобетона – это объемная монолитная железобетонная конструкция с несущими стенами (рисунок 8). Деревянные модули конструктивно похожи на стальные, с той лишь разницей, что ввиду прочностных характеристик древесины этажность зданий из таких модулей значительно меньше (рисунок 9).
На практике размеры таких модулей, как правило, имеют 4–5 м в ширину, 3–6 м высоту и длину 16–18 м. Очевидно, что размеры модуля могут назначаться из множества условий, начиная от замысла архитектора, наличия подходящего подъемно-транспортного оборудования и заканчивая требованиями властей, предъявляемыми к транспортировке, и не являются какими-то жестко зафиксированными значениями. Так, группа компаний «МонАрх» выпускает модули размерами 18х6,5 м и высотой 3,474 м. Площадь такого модуля составила 117 кв. м (рисунок 10).
Применение рассматриваемой технологии, по оценкам экспертов, позволяет достичь значительного экономического и социального эффекта. Так, перенос в заводские условия таких работ, как устройство инженерных сетей и отделочных работ, позволяет сократить время строительства таких зданий на 50 % по сравнению с традиционными методами строительства, а также снизить на 30 % объем внутриплощадочных работ, что значительно уменьшает количество несчастных случаев на строительной площадке и нагрузку на окружающую среду. Учитывая вышесказанное, ожидается значительный рост числа зданий, построенных по этой технологии. Так, в Австралии предполагается, что к 2030 году каждое десятое здание будет выполнено из модульных компонентов.
Вместе с тем многие специалисты отмечают, что применение технологии модульного строительства сопряжено с некоторыми трудностями. Среди них в первую очередь специалисты выделяют проблему отсутствия нормативной базы для проектирования таких зданий. Также вызывают затруднения отсутствие специалистов и неосведомленность потенциальных инвесторов, отсутствие координации и коммуникации между заинтересованными сторонами, более высокая начальная стоимость, отсутствие государственной поддержки, трудности транспортировки и значительные начальные капитальные затраты на развертывание производства модулей. Существует также и ложное восприятие технологии как средства строительства дешевого социального жилья, однако в мировой практике существует множество примеров применения технологии и для строительства жилья повышенной комфортности. Одним из таких примеров и является упомянутый выше проект MoHo.
Следует отметить, что применительно к развитию нормативной базы в России исследования ведутся, разработан СП 501.1325800.2021 «Здания из крупногабаритных модулей. Правила проектирования и строительства. Основные положения», однако его применение ограничено зданиями, выполненными из железобетонных модулей. Другие же аспекты применения технологии фактически не рассмотрены, и в этом направлении предстоит еще очень много работы.
В плане государственной поддержки имеет смысл изучить опыт Сингапура и Китайской Народной Республики, где подрядчики, выполняющие строительство по государственному заказу, обязаны предоставить оценку проекта с точки зрения доли стандартизированных элементов здания, выполненных в заводских условиях. Эта оценка влияет на вероятность получения разрешения на строительство и предоставление участка для строительства. В Сингапуре такая оценка выполняется согласно требованиям Buildable Design Appraisal System (Система оценки строительных конструкций). В КНР же вычисляется так называемый коэффициент сборности здания, учитывающий количество элементов и работ, выполненных в заводских условиях. При этом оценка производится по всем системам здания, включая отделку.
В заключение хочется отметить, что, по мнению автора, технология модульного строительства, положенная на опыт советских и российских архитекторов и инженеров в области сборного строительства, позволит значительно нарастить производительность труда и повысить качество в строительстве, решать амбициозные задачи, стоящие перед страной.
Все материалы рубрики «Строительство»
16.04.2023
