Технологии быстрого и недорогого монтажа индивидуальных жилых домов на основе сэндвич-панелей
Технологии быстрого и недорогого монтажа индивидуальных жилых домов на основе сэндвич-панелей
Предложен новый алгоритм разработки оптимальной модели управления монтажом быстровозводимых коттеджей, разработаны рациональные конструктивно-технологические решения монтажа индивидуального жилого дома из инновационных сэндвич-панелей, предложены рациональные технологии возведения индивидуального жилого дома из сэндвич-панелей (рис. 1).
Для оптимизации процесса монтажа коттеджей на основе сэндвич-панелей была разработана теоретическая модель повышения технологичности строительных операций. Эта модель предлагается как системное множество высокотехнологических решений, принимаемых не только на этапах возведения, но и в процессах эксплуатации, ремонта, разборки и утилизации, т. е. стремящееся к максимуму на всех этапах жизненного цикла.
Такие основные технологические параметры возведения коттеджей, как затраты труда и машинного времени, стоимость и продолжительность работ предлагается оценивать интегральным суммированием системных затрат не только на стадиях подготовки и обеспечения, проектирования (Зпр) и строительства (Зстр), но на всех остальных этапах жизненного цикла — содер-жания (Зсод), ремонта (Зрем), реконструкции (Зрек), демонтажа (Здем) и утили-зации (Зутил) с помощью следующей модели:
М (ЗЖЦ) = ЗКТР подг.пр.стр. + ЗКТР сод.рем.рек. + ЗКТР дем.утил. → min, (1)
где ЗЖЦ — затраты жизненного цикла, ЗКТР подг.пр.стр — затраты на стадиях подготовки, проектирования и строительства, ЗКТР сод.рем.рек. — затраты на этапах эксплуатации, ремонта и реконструкции, ЗКТР дем.утил. — затраты на этапах демонтажа, транспортировки и утилизации дома.
На этой основе были разработаны модель проектирования, структура и последовательность операций в технологии комплексного процесса монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей. Это позволило осуществить постановку научных задач, решить их и разработать усовершенствованную технологию монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей [1].
Постановка научных задач
1. Обосновать оптимальные размеры в плане панелей, исходя из двух критериев оптимальности — минимума трудоемкости их монтажа между собой вручную малым звеном из 2–4 рабочих невысокой квалификации 2–3 разряда и максимума рациональности, удобства объемно-планировочных решений домов.
2. Обосновать оптимальный вид узлов соединения панелей между собой, исходя из двух критериев оптимальности — минимума трудоемкости их монтажа и максимума простоты, удобства их соединения между собой вручную малым звеном из 2–4 рабочих невысокой квалификации 2–3 разряда.
3. Обосновать оптимальную последовательность строительных операций монтажа оптимизированных панелей с помощью оптимизированных узлов, исходя из двух критериев оптимальности — минимума трудоемкости их монтажа и максимума простоты, удобства их соединения между собой вручную малым звеном из 2–4 рабочих невысокой квалификации 2–3 разряда.
Для решения этих задач методами системного анализа, моделирования и синтеза были выявлены и исследованы новые зависимости (рис. 3).
1. Снижение удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния № 1 — увеличения площади применяемых индустриальных сэндвич-панелей.
2. Снижение удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния № 2 — повышения степени быстроты соединений сэндвич-панелей между собой.
3. Снижение трудоемкости возведения индивидуальных жилых домов от фактора влияния № 3 — использования оптимальных по размеру (1,2 х3,6 м) индустриальных сэндвич-панелей и оптимальных по степени быстроты соединения узлов «гибкие разрезные гильза и муфта» [2,3].
Таким образом, была решена первая поставленная научная задача: методами экспертных оценок и математической статистики, исходя из двух критериев оптимальности — минимума трудоемкости их монтажа между собой вручную малым звеном из 2–4 рабочих невысокой квалификации 2–3 разряда и максимума рациональности, удобства объемно-планировочных решений домов, — обоснован оптимальный размер панелей, равный 1,2 х3,6 мв плане.
|
Анализ исходных данных |
|
Выбор и принятие критериев оптимальности |
|
К1-минимума стоимости монтажа |
|
К2-минимума трудоемкости монтажа |
|
Удовлетворяет ли критерий заказчика, проектировщика и подрядчика? |
|
Разработка области применения технологии |
|
Расчет оптимальной номенклатуры и количества потребных строительных материалов и изделий — сэндвич-панелей и др. |
|
Расчет трудоемкости и машиноемкости: чел.-см, маш.-см, сменность |
|
Расчет оптимального состава звена (бригады): количество чел., квалификация, разряд рабочих |
|
Выбор оптимального набора машин и механизмов: количество, марка, мощность, стоимость |
|
Разработка оптимального варианта календарного плана: срок строительства, совмещенность операций, сменность |
|
Разработка оптимального варианта стройгенплана: площадь, расположение объектов, временные здания, сети |
|
Разработка оптимальных вариантов монтажных схем, указаний по производству работ, охране труда, ТЭП |
|
Конец |
|
Часть 1 |
|
Да |
|
8 частей модели |
|
Удовлетворяет? |
|
Да |
|
Нет |
|
Часть 2
|
|
Часть 3
|
|
Часть 4
|
|
Часть 5
|
|
Часть 6
|
|
Часть 7
|
|
Часть 8
|
|
Удовлетворяет? |
|
Да |
|
Нет |
|
Да |
|
Да |
|
Да |
|
Да |
|
Да |
|
Удовлетворяет? |
|
Удовлетворяет? |
|
Удовлетворяет? |
|
Удовлетворяет? |
|
Удовлетворяет? |
|
с о с т а в
р а б о т |
|
Нет |
|
Нет |
|
Нет |
|
Нет |
|
Нет |
|
Нет |
|
Нет |
Рис.1. Алгоритм разработки оптимального варианта технологии монтажа коттеджей методом многокритериальной оптимизации
Выполненный теплотехнический расчет показал, что для 2 В климатического района РФ толщина панели, как вариант, должна составлять30 см, включая25 смжесткую минераловатную плиту марки «Роквул» (3 типовых слоя по 10, 10 и5 см), уложенную в металло-деревянный балочный каркас панели, и5 см— обшивка с двух сторон из цементо-стружечных плит по2,5 см. Возможны варианты других минераловатных утеплителей и обшивок, например, марок «Урса», «Парок», водостойкой толстой фанеры, фиброцементных плит и других материалов с соответствующим теплотехническим расчетом для определения толщин слоев. Это позволило выдвинуть следующую научную гипотезу: для дальнейшей оптимизации снижения трудоемкости и стоимости монтажа индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей необходимо заменить традиционные трудоемкие строительные операции по многодельному соединению панелей между собой на более простые и менее трудоемкие приемы. С этой целью было разработано следующее новое технологическое решение. Узел соединения включает муфту, закрепленную на горизонтальном несущем элементе сваркой на заводе, и, по крайней мере, одну гильзу — шип, прикрепленный на вертикальном несущем элементе сваркой на заводе и установленный в муфте с его соосным или несоосным закреплением. Муфты выполнены бочкообразной формы из стали высотой10 см, толщиной1 сми диаметром7 см. Шип выполнен из стали в виде бочкообразной гильзы высотой10 см, толщиной1 сми диаметром5 см. Муфта и шип имеют вертикальные прорези на всю их высоту. Часть наружной поверхности шипа взаимодействует с частью внутренней поверхности муфты.
Сутью технологии является сборка оптимизированных по размеру панелей вручную методом наведения и опирания стальных гильз на стальные муфты на углах панелей. Омоноличивание и сварка стыков не требуется. Узлы остаются подвижными шарнирами на весь период эксплуатации объекта.
Таким образом, была решена вторая поставленная научная задача — обоснован оптимальный вид узлов соединения панелей между собой, исходя из двух критериев оптимальности — минимума трудоемкости их монтажа и максимума простоты, удобства их соединения между собой вручную малым звеном из 2–4 рабочих невысокой квалификации 2–3 разряда.
Рис. 2. Последовательность операций в строительном технологическом процессе монтажа индивидуальных жилых домов способом «сухой» сборки сэндвич-панелей оптимизированных размеров 1,2 х 3,6 м и 95% степени заводской готовности на основе быстросборных узлов «муфта-гильза»: а) основные виды унифицированных модульных сэндвич-панелей и элементов; б) установка деревянных термопакетов с гильзами на ростверк фундамента с шагами 1,2 х 3,6 м вручную; в) монтаж панелей перекрытий наведением их муфт на гильзы термопакетов вручную; г) монтаж панелей стен 1-го этажа наведением их гильз на муфты перекрытий и временное закрепление вручную; д) монтаж панелей перекрытий автокраном; е) монтаж панелей стен 2-го этажа автокраном и временное закрепление; ж) монтаж панелей перекрытий 2-го этажа с последующей «сухой» сборкой стеновых панелей и стропильной системы мансарды, кровли, монтаж инженерных систем, отделка и др.
|
Удельная трудоемкость монтажа коттеджа, y |
Степень рациональности планировочных решений, % |
Площадь одной сэндвич-панели, м2, x
чел.– ч
м2 100
75
50
25
0
Рис. 3. Зависимость снижения удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния — увеличения площади применяемых инновационных индустриальных сэндвич-панелей: А — зависимость снижения рациональности объемно-планировочных решений домов от увеличения площади сэндвич-панелей; A1 — точка перегиба (оптимальности); В — зависимость снижения трудоемкости монтажа от увеличения площади сэндвич-панелей; B1 — точка оптимальной площади; 1–5 — мелкие панели; 6–8 — средние панели; 9–12 — крупные панели; С — оптимальная площадь панели 4,3 м2 (1,2 х 3,6 м); ● — экспериментальные значения; экспертные оценки
Далее методами математической статистики и теории вероятности были рассчитаны адекватные выявленным на рис. 3 зависимостям модели:
ya = 1/tgx (–1,57 < x < 1,57) (2)
yb = (2х +3)/10х х>0 (3)
С учетом придуманного изобретения Н. Н. Карасева, С. М. Якуненкова и Ю. Н. Казакова [4] предлагаются муфты, выполненные бочкообразной формы из стали высотой10 см, толщиной1 сми диаметром7 см. Шип выполнен из стали в виде бочкообразной гильзы высотой10 см, толщиной1 сми диаметром5 см. Муфта и шип имеют вертикальные прорези на всю их высоту. Часть наружной поверхности шипа взаимодействует с частью внутренней поверхности муфты (рис.7).
На рис. 4–10 изображен возводимый по предложенной технологии двухэтажный индивидуальный жилой дом. Сутью технологии является сборка оптимизированных по размеру панелей вручную методом наведения и опирания стальных гильз на стальные муфты на углах панелей. Омоноличивание и сварка стыков не требуется. Узлы остаются подвижными шарнирами на весь период эксплуатации объекта.
Таким образом, разработанная технология монтажа несущих элементов индивидуального жилого дома включает горизонтальные несущие элементы, вертикальные несущие элементы в виде стоек и панелей, фундаментные подушки с пластинами (рис. 4, 7). На вертикальные элементы прикреплен, по крайней мере, один шип, а на горизонтальных несущих элементах закреплены муфты. Шип установлен в муфте или с его соосными или несоосными закреплениями. В панелях перекрытия и пола имеются муфты, рассчитанные на монтаж шипов как сверху, так и снизу муфты. Муфты выполнены бочкообразной формы и с вертикальной прорезью на всю высоту муфты, которая образует два упругих лепестка. В стенках муфт выполнены отверстия для фиксаторов, чтобы осуществлять монтаж панелей грузоподъ-емными средствами. Шип выполнен в виде бочкообразной гильзы. При этом муфты выполнены с вертикальными прорезями на всю свою высоту с образованием упругих лепестков. Уплотнение стыков между горизонталь-ными и вертикальными панелями происходит автоматически за счет закрепленного до монтажа на торцах панелей в два слоя уплотнителя (например, вилатерма-с). Восприятие узлов соединения знакопеременных нагрузок в процессе эксплуатации индивидуального жилого дома осуществляются за счет взаимодействия части наружной бочкообразной поверхности шипа с частью внутренней бочкообразной поверхности муфты. Плотное прижатие обеспечивается тем, что в результате наличия вертикальных прорезей на всю высоту в муфте в ней образуются два упругих лепестка, которые, распрямляясь под действием бочкообразной гильзы шипа при монтаже горизонтального несущего элемента на вертикальный несущий элемент, после соединения узла стремятся вернуть себе исходную форму. В результате лепестки муфты складываются и плотно прижимаются к лепесткам, по крайней мере, одного шипа при действии нагрузки, направленной вверх, т. е. создается надежное соединение сэндвич-панелей в индивидуальном жилом доме.
Рис. 4. Предлагаемая технология монтажа 2-этажного индивидуального жилого дома из сэндвич-панелей с использованием быстросборного гибкого узла типа «муфта-гильза» в целях минимизации трудоемкости и стоимости монтажа: 1 — монтаж горизонтальных несущих элементов; 2 — установка стоек; 3 — установка панели; 4 — укладка фундаментных подушек; 5 — пластины; 6 — шип; 7, 8 — муфты; 9 — прорезь; 10 — лепестки; 11 — отверстия; 12 — вертикальные прорези; 13 — лепестки; 14 — уплотнитель.
|
Рис. 5. Предлагаемая строительная операция монтажа сэндвич-панелей на разрезной «шип-гнездо» |
Рис. 6. Предлагаемая строительная операция монтажа муфты сэндвич-панелей на разрезной шип |
|
Рис. 7. Предлагаемая строительная операция монтажа разрезной муфты на разрезной шип |
Рис. 8. Строительная операция №1: наведение муфты; монтаж сэндвич-панелей на шип |
|
Рис. 9. Строительная операция №2: соединение шипа и гнезда |
Рис. 10. Строительная операция №3: опирание гнезда на шип |
Трудоемкость
монтажа,
чел.-см/м2 0, 9 2
0, 8
0, 7
0, 6
0, 5 1
0, 4
0, 4
0, 3
0, 2 3
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Степень заводской готовности панелей, %
Рис. 11. Зависимость снижения трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов от фактора влияния — повышения степени заводской готовности сэндвич-панелей: 1 — теоретические (расчетные) значения; 2 — экспериментальные (натурные) значения; 3 — аппроксимация
На основе изложенного далее был разработан, согласован с руководством СПб ГАСУ, утвержден президентом ЗАО «СЗНК» новый руководящий документ — Технологический регламент, внедренный в практику строительства в ЗАО «СЗНК». С его использованием в 2009–2010 гг. в п. Сиверский Ленинградской обл. под руководством автора в зимнее, летнее и осеннее времена было возведено 3 коттеджа с использованием вышеизложенной технологии. В процессе монтажа авторами проводились замеры основных технологических параметров: трудоемкости (чел.-см), машиноемкости (маш.-см), выработки (м2/чел.-см.), стоимости (руб./м2), допусков (мм) и показателей качества. Их анализ подтвердил снижение трудоемкости и стоимости метода по сравнению с аналогами. Была выявлена новая зависимость снижения удельной трудоемкости монтажа индивидуальных жилых домов из сэндвич-панелей высокой степени заводской готовности (90–95%) от повышения площади домов. Полученные результаты позволили далее выполнить оценку технико-экономической эффективности и технологичности разработанного метода возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей. Для этого на основе предложенного алгоритма (рис. 1) с учетом выявленных (рис. 3) новых важных зависимостей и смоделированной технологии монтажа панелей оптимального размера 1,2 х3,6 м с разработанными новыми узлами типа «муфта-гильза» далее был выполнен сравнительный анализ инновационных технологических преимуществ разработанных решений монтажа индивидуальных жилых домов и существующих технологий (см. табл.).
Сравнительный анализ технологических преимуществ разработанного метода монтажа индивидуальных жилых домов и существующих технологий
|
№ п/п |
Показатели технологи-ческих преимуществ |
Ед. изм. |
Виды строительных технологий |
||||||
|
Традиционные |
Быстровозводимые |
||||||||
|
Моно-литный бетон |
Кир-пичная кладка |
Монтаж панелей из бетона |
Устрой-ство каркаса и обшивка его утеп-лителем |
Монтаж мелких сэндвич-пане-лей на болтах |
Монтаж средних сэндвич-панелей на наклад-ках |
Монтаж крупных сэндвич- панелей (усовершенствован-ная техно- логия) |
|||
|
1 |
Трудоемкость монтажа |
чел.-ч м2 |
20 |
10 |
5 |
3 |
1 |
0,4 |
0,2 |
|
2 |
Степень заводской готовности |
% |
50 |
60 |
70 |
75 |
80 |
85 |
95 |
|
3 |
Трудоемкость демонтажа |
чел.-ч м2 |
не предусм. |
не предусм. |
не предусм. |
не предусм. |
1 |
0,5 |
0,2 |
|
4 |
Стоимость монтажа |
руб./м2 |
4 000 |
2 000 |
1 000 |
600 |
200 |
80 |
40 |
|
5 |
Масса панели |
кг |
3 000 |
3 000 |
3 000 |
200 |
150 |
200 |
100 |
|
6 |
Разряд рабочих |
- |
5–6 |
5–6 |
4–5 |
3–4 |
3–4 |
3–4 |
1–2 |
|
7 |
Уход за конструкциями |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
- |
|
8 |
Каркас панели |
- |
ЖБК |
ЖБК |
ЖБК |
дерево |
дерево |
дерево |
сталь |
|
9 |
Теплоизоляция |
- |
газо-бетон, кера-мика |
кера-мика, газо-бетон |
газо-бетон, кера-мика |
пено-пласт |
стекло-вата |
мин-вата |
базальт, 3-слойная вата |
|
10 |
Обшивка
|
- |
штука-турка |
штука-турка |
навес-ной фасад |
проф-настил |
фанера,ЦСП |
ЦСП, фанера |
сайдинг, гипрок |
|
11 |
Узлы соединения |
- |
бетон, сварка |
раствор,сварка |
сварка, раствор |
гвозди, само-резы |
болты, само-резы |
наклад-ки, болты |
«гильзы-муфты» |
Анализ преимуществ предложенной в таблице технологии доказывает, что технология монтажа индивидуальных жилых домов из крупных индустриальных сэндвич-панелей (1,2 х 3,6 м) позволяет существенно снизить трудоемкость и стоимость монтажа по сравнению с традиционными технологиями возведения малоэтажных домов из кирпича и железобетона. Основными ведущими строительными процесссами в предложенной технологии являются процессы «сухой» сборки крупных сэндвич-панелей полной заводской готовности с применением типовых узлов соединений на основе гибкого узла типа «муфта-гильза», уплотнителя, силиконовых прокладок и нащельников. Вспомогательными строительными процессами в разработанной технологии являются подготовительные, изоляционные, отделочные и контролирующие качество операции. Монтаж домов возможно осуществлять малым звеном всего из трех монтажников 2–3 разряда. Отсутствие необходимости применения «мокрых» процессов, сварки, замоноличивания узлов и стыков позволяет эффективно вести монтаж в любое время года и с высокой выработкой. Выработка (м2/чел.-см) и стоимость (руб./м2) при этом высокие. Практика строительства подтвердила высокие уровни технологичности всех строительных процессов. Разработанная технология применения оптимизированных по размеру и новым узлам соединения конструкций сэндвич-панелей имеет достаточно высокий уровень технологичности: интегральный критерий технологичности NI равен 0,665.
Основные выводы
Усовершенствованы технологические решения монтажа оптимизированных по размерам сэндвич-панелей, состоящих из каркаса, минераловатных теплоизоляционных плит и облицовочных обшивок, которые соединяются между собой с помощью новых быстросборных шарнирных узлов типа «муфта-гильза» и герметизируются укладкой упругих теплозащитных шнуров в пазы панелей до их монтажа с учетом наиболее важных критериев оптимальности: минимума затрат труда и машинного времени и минимума стоимости.
Выявлены основные факторы и закономерности, влияющие на оптимизацию технологических режимов возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей: снижение трудоемкости и стоимости монтажа от увеличения размеров и степени заводской готовности и массы панелей; снижение трудоемкости устройства узлов соединений; сокращение продолжительности строительства от повышения: количества и квалификации рабочих в звене, сменности и степени механизации работ.
Установлены оптимальные технологические параметры предложенного метода: трудоемкость работ — 0,2–0,3 чел.-ч. на1 кв. мплощади панелей, стоимость монтажа — 40–50 руб. на1 кв. мплощади панелей, количество монтажников в звене — 3–4, квалификация — 2–3 разряд, сменность работ — 1–2, степень заводской готовности панелей — 90–95%, этажность возводимых объектов — 1–2.
Показано, что строительный процесс возведения типового двухэтажного дома общей площадью150 кв. мпо предложенному методу характеризуется следующими технологическими параметрами: трудоемкость работ — 108 чел.-см., продолжительность строительства — 1–1,5 месяца (36 рабочих дней при звене из 3-х монтажников, одной смене и 18 рабочих дней при звене из 3-х монтажников и двух сменах), стоимость монтажа дома — 1,13 млн руб при удельной стоимости 7,53 тыс. руб. на1 кв. мплощади дома. Полученные параметры к2012 г. в РФ являются достаточно прогрессивными и конкурентоспособными по сравнению с рыночными аналогами технологий, что позволяет более быстро и более дешево вести всесезонное и всепогодное строительство малоэтажного жилья силами самих застройщиков, в основном, вручную и без привлечения подрядных организаций и средств механизации.
Доказана технологическая и экономическая целесообразность применения разработанных рациональных технологических решений возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей на основе нового узла типа «муфта-гильза» на объектах экспериментального строительства в п. Сиверский Ленинградской обл. в 2009–2010 гг. как более конкурентной строительной технологии по сравнению с известными способами строительства на основе традиционных мелкоэлементных и недостаточно индустриальных каменных и бетонных изделий.
Доказаны высокие технико-экономическая эффективность и технологичность применения усовершенствованных решений возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей. Стоимость монтажа снижена до 40 руб. на1 кв. мплощади панелей, а трудоемкость работ — до 0,2 чел.-ч. на1 кв. мплощади, что значительно эффективнее по сравнению с существующими методами.
М. С. НИКОЛЬСКИЙ, к. т. н., ЗАО «ОМЕГА»,
Ф. А. НИКОЛАЕВ, аспирант СПб ГАСУ,
Ю. Н. КАЗАКОВ, д. т. н., профессор ФГБОУ СПб ГАСУ,
заместитель начальника Управления
негосударственной экспертизы проектной
документации и результатов инженерных
изысканий ФГБУ «С-З РО РААСН»
Литература
1. Никольский М. С. Рациональные конструктивно-технологические решения быстровозводимых коттеджей для загородного домостроения на основе деревянных панелей. Соавтор Казаков Ю. Н. // СПб ГАСУ: (из списка ВАК) «Вестник гражданских инженеров», № 4,2009 г.
2. Никольский М. С. Технология возведения индивидуальных жилых домов из индустриальных сэндвич-панелей. Соавтор Казаков Ю. Н. // СПб ГАСУ: (из списка ВАК) «Вестник гражданских инженеров», № 2,2011 г.
3. Никольский М. С. Рациональные технологические решения быс-тровозводимых коттеджей на основе деревянных панелей. Cборник докладов 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. — СПб.: Изд. СПбГАСУ.2009 г.
4. Карасев Н. Н., Якуненков С. М., Казаков Ю. Н. Узел соединения сборно-разборного здания. А. С. на изобретение. — М.: МКИ Е 143.
| Автор: М. С. НИКОЛЬСКИЙ Дата: 10.04.2012 Журнал Стройпрофиль 96 Рубрика: фасадные системы. фасады Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |