ВЫСОТНОЕ ЗДАНИЕ Российский патент 2009 года по МПК E04B1/18 

Предлагаемое изобретение относится к строительству высотных, многоэтажных жилых и общественных зданий с повышенной эксплуатационной надежностью и устойчивостью к сейсмическим, техногенным и несанкционированным воздействиям.

Известны высотные здания, которые уже построены и строятся за рубежом, в г.Москве, других городах РФ, конструктивная часть которых возводится с применением стальных или железобетонных конструкций в виде несущих стен, колонн или монолитных оболочек [1]. Однако известные высотные здания имеют ряд недостатков. Так, стальные конструкции в каркасах высотных зданий после событий 2001 года в г.Нью-Йорке, когда обрушились 2 высотные башни Международного торгового центра, стали применяться с гораздо большей осторожностью и повышенными требованиями к защите от огневого воздействия.

Высотные здания из железобетона отличаются значительной массой, которая вызывает значительные нагрузки на грунт и удорожает строительство таких зданий. Железобетонные конструкции в виде колонн имеют более высокую огнестойкость, однако, они, как и стальные, в условиях предельных нагрузок подвержены практически мгновенному обрушению. В связи с опасениями по достаточной безопасности первые высотки в г.Москве - по программе «Новое кольцо Москвы -«Эдельвейс» (построена), «Вертикаль», «Континенталь» (строятся) - спроектированы с толстостенными монолитными железобетонными оболочками, так, что толщина многослойных наружных стен достигает почти метровой толщины, а масса зданий превышает 100 тыс.т, значительно усложняя требования к фундаментам зданий и увеличивая себестоимость строительства.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение по Евразийскому патенту №007114 «Высотное здание» [2].

По указанному решению в высотном здании, включающем фундаментную конструкцию, центральный ствол жесткости и двойную конструктивную несущую стену, первичная несущая конструкция которой в виде пространственной многоярусной рамы с крайними колоннами, частично или полностью вынесенными за пределы наружных стен здания, выполнена с ригелями, размещенными поярусно по высоте здания в пределах технических этажей, на ригели рам между техническими этажами оперты многоэтажные вторичные несущие конструкции, снабженные ограждающими конструкциями.

При этом ригели рамы первичной несущей конструкции в пределах каждого технического этажа жестко объединены в единую опорную платформу, которая жестко связана с центральным стволом жесткости здания, многоэтажные вторичные конструкции в нижнем и каждом среднем по высоте здания ярусе выполнены в виде отдельного вторичного несущего каркаса, включающего колонны, диафрагмы жесткости, перекрытия и покрытие, опертого в нижнем ярусе на фундаментную конструкцию, а в средних ярусах опертого на опорную платформу, каждый вторичный несущий каркас в пределах нижнего и средних ярусов выполнен с зазором между внутренними краями его перекрытий и центральным стволом жесткости, а также между покрытием вторичного каркаса и расположенной над ним опорной платформой с размерами, обеспечивающими свободные линейные и угловые перемещения вторичного каркаса нижнего и каждого среднего яруса относительно ствола жесткости и рам первичной несущей конструкции, а в пределах верхнего яруса здания вторичный несущий каркас, опертый на опорную платформу, жестко связан по всем перекрытиям с центральным стволом жесткости, колонны крайних рядов вторичного каркаса верхнего яруса выполнены совмещенными с колоннами рам первичной несущей конструкции и размещены в пределах объема здания.

При этом каждая опорная платформа выполнена в виде плоской монолитной железобетонной плиты коробчатого сечения, ригели которой в плане образуют перекрестную железобетонную раму, замкнутую по периметру и выполненную заодно с центральным стволом жесткости, в узлах пересечения ригелей рамы сверху жестко заделаны колонны вторичного каркаса и колонны верхнего яруса первичной конструкции, а снизу в узлах пересечения ригелей рамы по периметру с опорной платформой жестко сопряжены колонны нижнего яруса первичной конструкции.

Кроме того, выносные колонны каждого яруса первичной несущей конструкции выполнены постоянного сечения на всю высоту яруса, снабжены сквозной продольной арматурой, заанкеренной по концам в соседних верхней и нижней платформах или в фундаментной конструкции.

При этом покрытие каждого вторичного каркаса в нижнем и средних ярусах здания выполнено с тепловой защитой в виде сплошного слоя теплоизоляции, опорные платформы снизу снабжены слоем теплоизоляции, а зазоры между перекрытиями вторичного каркаса и центральным стволом жесткости на уровне каждого перекрытия снабжены упругими вкладышами из огнестойких материалов.

Известное высотное здание позволяет решить задачу обеспечения требуемой надежности и безопасности при техногенном воздействии, а также минимализации материалоемкости высотного здания.

Однако реализация известного решения имеет определенные недостатки, связанные, в первую очередь с необходимостью применения железобетонных колонн, диафрагм жесткости и плит перекрытий между этажами, выполненных в весьма трудоемком монолите и подверженных усадке и ползучести. Кроме того, несущие железобетонные колонны, в случае несанкционированных воздействий при экстремальных нагрузках теряют несущую способность практически мгновенно, что может негативно повлиять на состояние опорных платформ и устойчивость высотного здания в целом.

Применение железобетонных колонн согласно прототипу ограничивает и возможную высоту здания, не превышающую 80-90 этажей. Тем более авторы Евразийского патента 007114 рекомендуют выполнение всех несущих конструкций в монолитном железобетоне, возведение которых требует значительных трудовых и материальных затрат.

Так, в строящемся в настоящее время в г.Москве высотном здании Совета Федерации в Сити высотой в 89 этажей несущие конструкции выполнены в центральной части из длинномерных железобетонных монолитных стен с сечением до (20×4) м, а по периферии - из 23 железобетонных монолитных прямоугольных колонн сечением (4,0×1,4) м и 3-х круглых колонн диаметром около 3 м, при этом несущие конструкции весьма серьезно армированы.

Все построенные и строящиеся в Москве высотки имеют одну общую черту [3]: несущие конструктивные элементы (колонны, стены) выполнены из монолитного железобетона. Применение железобетона в качестве строительного материала сопряжено с необходимостью увеличения геометрии (сечений) элементов строительных конструкций, что сопровождается потерей полезных площадей, коэффициент «выхода» которых составляет порядка 70%. По мере роста этажности и высоты он будет снижаться, что крайне невыгодно для участков застройки с ограниченными площадями. Следует иметь в виду и прогрессирующее увеличение веса конструкций высотных зданий, что также немаловажно для проектирования и надежности конструкций «нулевого цикла», особенно на участках с изменяющейся геологической средой. Необходимость применения в современном высотном строительстве высокопрочных бетонов класса В60-В100, производство и поставка которых на строительные площадки Москвы пока проблематичны, также, по всей видимости, уже в ближайшие годы станет фактором, ограничивающим возможности применения железобетона в несущих конструкциях высотных зданий. С ростом этажности зданий этот фактор будет проявляться все в большей степени.

Целью предлагаемого технического решения является ускорение строительства, возможность повышения этажности, надежности и безопасности высотного здания при сейсмических или несанкционированных воздействиях, снижение значительных трудозатрат на возведение несущих конструкций и перекрытий, уменьшение удельной стоимости строительства.

Поставленная в предлагаемом решении цель достигается тем, что в высотном здании, включающем основание - фундаментную конструкцию, центральный несущий ствол жесткости из монолитного железобетона, трубобетона, сталебетона или их сочетания, связанную с ним конструктивную каркасную систему - многоярусные рамы с опорными платформами в виде этажных конструкций коробчатого сечения из монолитных железобетонных плит, соединенных прямоугольными простенками, опертыми на несущие колонны, расположенные на периферии вокруг центрального ствола, с узлами сопряжения с дисками перекрытий и вертикально ориентированными диафрагмами жесткости из монолитного железобетона, снабженную ограждающими конструкциями, опирающимися на перекрытия, несущие колонны выполнены из трубобетона, расположены между монолитными железобетонными плитами опорных платформ, распределены вокруг ствола жесткости и соединены узлами сопряжения друг с другом и дисками перекрытий в виде пакетов, собранных на строительной площадке из железобетонных преднапряженных плит, предпочтительней пустотных, в том числе, с усиленными по-ярусно, например, через три этажа перекрытиями из преднапряженных железобетонных плит, стянутых стальными канатами, концы которых снабжены анкерами, закрепленными по-ярусно, в стенках ствола жесткости и противоположных стальных ригелях, соединяющих трубобетонные колонны, а монолитные железобетонные плиты этажных конструкций коробчатого сечения опорных платформ выполнены с напряжением на бетон армирующих стальных канатов между внешним контуром опорных платформ и стенками центрального ствола жесткости.

При этом с целью повышения этажности, вертикальные диафрагмы жесткости выполнены в виде перекрестно-несущих монолитных, напряженных в построечных условиях железобетонных стен, располагаемых между опорными платформами и примыкающих одной боковой стороной к центральному стволу жесткости, а другой - к трубобетонным колоннам.

Кроме того, с целью облегчения наружных стен, снижения трудоемкости, обеспечения индустриализации их возведения, повышения пожаробезопасности здания за счет исключения применения горючих и недолговечных утеплителей наружных стен, экологической чистоты и интенсивного воздухообмена внутреннего объема с окружающей средой, ограждающие конструкции выполнены однослойными из легкого заполнителя, например, керамзитового гравия, капсулированного и омоноличенного цементным молоком в межпалубном пространстве, созданном несъемной опалубкой, закрепленной между перекрытиями на металлическом сетчатом каркасе: с наружной стороны - в виде тонкомерных декоративных бетонных, каменных или керамических плит, а с внутренней стороны - в виде листовых материалов - гипсоволокнистых, цементно-стружечных и других отделочных плит. Также ограждающие конструкции могут быть выполнены из ячеистого бетона, уложенного в несъемную опалубку по технологии монолита.

Существо предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг.1 показан вертикальный разрез 66 - этажного здания, прямоугольного в плане, вдоль осей передних трубобетонных колонн; на фиг.2 - выделенный пунктиром на фиг.1 фрагмент предлагаемого высотного здания (21-28 этажи), вид А (в изометрии); на фиг.3 - вертикальный разрез фрагмента здания по оси трубобетонных колонн с фасада здания, разрез А-А на фиг.2, (этажи обведены кружками, например, 21); на фиг.4 - верхняя плита опорной платформы, разрез Б-Б на фиг.3 (выделены жирной точкой узлы сопряжения трубобетонных колонн); на фиг.5 - усиленное межэтажное перекрытие с диафрагмами жесткости, разрез В-В на фиг.3; на фиг.6 - разрезы оптимальных ограждающих стен для высотных зданий:

а) 1 - декоративные крупноразмерные плиты из литого искусственного камня; 2 - монолитная стена из капсулированного керамзитового гравия; 3 - древесно-стружечная плита;

б) 1 - декоративные крупноразмерные плиты из керамогранита; 2 - монолитная стена из капсулированного керамзитового гравия; 3 - гипсоволокнистая плита.

Высотное здание (фиг.1-5) включает основание - фундаментную конструкцию 1, размещенный на ней центральный ствол жесткости 2 с периодически расположенными по высоте здания опорными платформами 3 в виде этажной конструкции коробчатого сечения с монолитными железобетонными плитами 4 и прямоугольными простенками 5; между опорными платформами 3, а также между платформой 3 и основанием здания 1 расположены межэтажные ярусы 6, разделенные перекрытиями 7 с ригелями 8; между собой ярусы 6 разделены усиленными межэтажными перекрытиями 9 и соединены трубобетонными колоннами: наружными 10 и внутренними 11, размещенными по поверхности опорных платформ 3 и основания здания 1; кроме того, опорные платформы 3 могут опираться на вертикальные диафрагмы жесткости 12 в виде монолитных напряженных железобетонных стен, а ограждающие конструкции - наружные стены 13 возведены на межэтажных перекрытиях 7 из железобетонных плит и усиленных, по-ярусно, перекрытиях 9 (фиг.3) из пакетов напряженных плит 14, стянутых стальными канатами 15, закрепленными анкерами 16 (фиг.4).

Для примера на фиг.1-6 приведено высотное здание, состоящее из 3-х частей, опирающихся: нижняя - на основание - фундаментную конструкцию 1, средняя и верхние части опираются на опорные платформы 3. Каждая часть здания состоит из семи ярусов 6, каждый - по 3 этажа, таким образом, общая высотность примера высотного здания - 66 этажей (включая три технических этажа). В основании фундаментные конструкции выполнены в виде подземного паркинга из монолитных железобетонных конструкций.

Несущие трубобетонные колонны - наружные 10 и внутренние 11 по предлагаемому решению жестко закрепляются между опорными платформами 3 и основанием 1. Прочность и несущая способность плит основания и опорных платформ 3 повышаются за счет напряжения монолитных железобетонных плит 4 в межэтажной конструкции коробчатого сечения. Плиты 4 конструктивно связаны друг с другом и с центральным стволом жесткости 2 и выполняются с напряжением армирующих стальных канатов на бетон плит таким образом, что анкеры 16 стальных канатов 15 распределены и закреплены, с одной стороны, в стенках железобетонного ствола 2, а, с другой стороны, на внешнем железобетонном контуре плит 4 опорных платформ 3 высотного здания (фиг.4, 5).

Применение трубобетонных колонн совместно с напряженными железобетонными плитами в этажной конструкции коробчатого сечения препятствует прогрессирующему обрушению, позволяет реализовать более широкий пролет между несущими колоннами, дает возможность свободной планировки при обеспечении высокой надежности каркаса высотного здания.

Опорные платформы 3 целесообразно монтировать через каждые 15-25 этажей высотного здания, ограничивая части здания по высоте, при этом через каждые 3-5 этажей, ярусы 6 (на приведенных чертежах - через 3 этажа), неразрезные (в пределах яруса) трубобетонные колонны 10 и 11 стыкуют друг с другом по вертикали, опирая на платформы 3, а по горизонтали соединяют перекрытия 7 и усиленные диски перекрытий 9 с центральным стволом жесткости 2 высотного здания, что обеспечивает прочный, устойчивый каркас части здания из нескольких (например, семи) ярусов, размещенных между опорными платформами здания (фиг.1, 2, 3).

Монолитные железобетонные плиты 4 опорных платформ 3 выполняют с напряжением на бетон после его затвердевания с помощью стальных канатов 15 и анкеров 16, соединяющих ствол жесткости 2 с узлами посадки трубобетонных колонн 10, 11 (фиг.3, 4). Монолитные железобетонные плиты 4 соединены прямоугольными простенками 5, образуя конструкцию коробчатого сечения (фиг.5).

Омоноличивание трубобетонных колонн бетоном осуществляется по мере их наращивания с учетом соединения колонн стыковочными узлами, оптимально, по-ярусно, через каждые 3 этажа, сопрягая с помощью стыковочных узлов трубобетонные колонны с дисками перекрытий из пакетов железобетонных плит 14 с напряжением на бетон пакетов стальных канатов 15, закрепленных в ригелях 8 с помощью анкеров 16. Это позволяет упростить и ускорить соединение перекрытий этажей с трубобетонными колоннами стыковочными узлами. Между ярусами диски усиленных перекрытий 9 собираются индустриально в виде пакетов из напряженных плит, стянутых стальными канатами 15, укрепленных в ригели 8 (фиг.5).

Межэтажные перекрытия 6 выставляют между опорными платформами 3 высотного здания, собирая диски перекрытий, предпочтительней с напряжением, в виде пакетов из отдельных плит или выполняя их в монолите, со съемной или несъемной опалубкой (фиг.5). Соединение дисками перекрытий каждого этажа ствола жесткости с трубобетонными колоннами повышает устойчивость и надежность каркаса высотного здания.

Для строительства высотных зданий с повышенной этажностью предлагаемое техническое решение предусматривает возможность возведения вертикальных диафрагм жесткости 12 в виде железобетонных монолитных стен, расположенных между опорными платформами, наружной частью центрального ствола жесткости 2 и периферийными колоннами из трубобетона. Такие стены целесообразно с целью снижения их массы возводить с напряженными армирующими стальными канатами, анкера которых размещают для горизонтальных канатов в стенах центрального ствола и трубобетонных колоннах, а для вертикальных канатов анкера располагают в стальных закладных элементах опорных платформ.

Таким образом, каркас высотного здания можно представить состоящим из центрального ствола с частями здания, ограниченного по вертикали опорными платформами через каждые 15-25 этажей, при этом периферийная часть опорных платформ опирается на колонны из трубобетона, образующие рамный каркас с перекрытиями, часть которых, в частности, по предлагаемому примеру через каждые 3 этажа, усилена стальными канатами, напряженными на бетон перекрытий. Такие перекрытия образуют совместно с трубобетонными колоннами устойчивые конструкции, которые дополнительно стабилизируются вертикально ориентированными диафрагмами жесткости 12. Перекрытия, располагающиеся между усиленными межэтажными перекрытиями, также опираются на трубобетонные колонны и примыкают к центральному стволу жесткости.

Опорные платформы 3 являются объемными конструкциями, жестко соединенными с центральным стволом жесткости 2, опирающимися на трубобетонные колонны, а для зданий большой этажности - на вертикально ориентированные диафрагмы 14 в виде перекрестно-несущих стен из монолитного железобетона.

Для высотных зданий серьезное значение приобретают цикличные ветровые горизонтальные нагрузки. При воздействии таких нагрузок, имеющих динамический характер, каркас по предлагаемому решению позволяет предотвратить раскачивание высотного здания. Действующие изгибающие нагрузки гасятся за счет значительной демпфирующей способности конструктивной системы: центральный ствол - опорные платформы - вертикальные диафрагмы жесткости - трубобетонные колонны.

Для высотных зданий горизонтальные (ветровые) нагрузки могут иметь превалирующее значение над вертикальными. Поэтому для железобетонных колонн и монолитных стен - обычно сжатых конструкций - могут возникнуть опасные растягивающие усилия. Трубобетонным колоннам, тем более усиленным вертикальными диафрагмами жесткости, такие растягивающие нагрузки не опасны.

Опорные платформы выполняют в заявляемом высотном здании комплекс функций: как основной конструктивный элемент каркаса, как технический этаж, на котором могут быть размещены различное инженерное оборудование, противопожарные системы и т.п., как эвакуационное помещение в экстремальных ситуациях, например, при пожаре, а в обычное время - помещение для спортивных занятий, оранжерей, кинозалов и т.п.

Сочетание опорных платформ с центральным стволом жесткости, вертикальными диафрагмами и трубобетонными колоннами с поярусными узлами сопряжения с напряженными дисками перекрытий позволяет получить единую конструктивную систему, максимально устойчивую в экстремальных условиях и сейсмичных воздействиях.

Добавление к такой системе периферийных колонн в виде одного или двух контуров из трубобетона еще больше повышает его устойчивость в связи со способностями трубобетонных колонн не подвергаться обвальному обрушению, практически при любых воздействиях, в отличие от стальных или железобетонных колонн, способных обрушаться при предельных нагрузках практически мгновенно. Предложенное сочетание конструктивных элементов существенно увеличивает безопасность высотных зданий и исключает прогрессирующее обрушение.

Даже если представить повреждение части трубобетонных колонн самолетом или вертолетом, предлагаемое высотное здание не обрушится, так как опорные платформы, закрепленные на центральном стволе жесткости, и остальные трубобетонные колонны способны выдержать значительные изгибающие и растягивающие нагрузки, а огнестойкость трубобетонных колонн диаметром более 40 см превышает 2 часа без какой-либо специальной огнезащиты [4], а с достаточно простым оштукатуриванием поверхности трубобетона по сетке огнестойкость повышается до 4-6 часов.

Кроме того, расположение трубобетонных колонн вокруг центрального ствола здания защищает здание и от каких-либо внешних воздействий при возможных террористических актах. С этим согласуется и известная высокая сейсмостойкость трубобетонных конструкций.

Председатель сейсмологов России проф. Айзенберг В.Р. отмечает [5]: «Трубобетонные несущие каркасы позволяют достичь высокой сейсмостойкости; в последнее время все более ясной для ученых становится картина разрушений сооружений при сильном землетрясении. Разрушения происходят не столько от горизонтальных сейсмических сил, как это считалось прежде и до сих пор записано в нормах проектирования, разрушения в действительности происходят от гравитационных сил, т.е. от веса сооружения плюс вертикальная составляющая землетрясения, действующих на сооружение, уже имеющее сейсмические повреждения и горизонтальные перемещения».

Достоинством трубобетонных колонн является их способность к большим сейсмическим горизонтальным и вертикальным перемещениям без разрушения, причем не только в упругой области, но и в пластическом состоянии. При землетрясении такой дом, наподобие эластичного и пластичного хлыста, может совершать весьма значительные поперечные колебания, оставаясь невредимым. Такие каркасные системы можно использовать и в качестве сейсмоизоляции, располагая их в нижних частях домов. На этом пути, после проведения необходимых исследований и при правильном проектировании, можно получить оптимальные решения, т.е. одновременно сейсмически надежные, безопасные для населения и экономически эффективные.

Учитывая, что пока еще никто в мире не умеет делать краткосрочные прогнозы сильных землетрясений, единственным способом защитить население от сейсмических бедствий - это научиться встречать их во всеоружии. Строительство зданий и сооружений с каркасами из трубобетона - один из наиболее эффективных шагов на этом пути.

Известные катастрофы городов и поселков, стертых с лица земли вследствие землетрясений и принесших огромные человеческие жертвы, должны предостеречь строителей от возведения недостаточно сейсмостойких домов.

Это подтверждается практикой строителей Японии, КНР [6, 7] и, в частности, интенсивно наблюдающимся развитием технологии трубобетона в республике Казахстан. Так, в июне 2005 года испытания в жилом комплексе «Almaty Towers» показали, что трубобетонные каркасы выдержали воздействия, соответствующие землетрясению в 8,7 баллов. В настоящее время реализуется проектирование и строительство жилья в г.Алма-Ата, район «Manhattan Kazakhstan», в объеме 2,9 млн.м² по технологии трубобетона.

При возведении наружных стен высотных зданий строителей привлекает желательная максимальная индустриальность возведения ограждающих конструкций, определяющая, во многом, стоимость и темп работ по строительству зданий.

За рубежом при строительстве высотных зданий распространение получило применение ограждающих конструкций в виде навесных (на каркасы зданий) панелей двух типов - железобетонных, многослойных и стеклянных - из вакууммированных стеклопакетов в металлических рамах.

Основная часть высотных зданий за рубежом построена в районах с более теплым климатом и предназначается для служебных и общественных целей, в связи с чем стеклянные покрытия на фасадах таких зданий преобладают.

Остекленные ограждающие конструкции высотных зданий в условиях Москвы должны иметь сопротивление теплопередаче не менее 0,56 (м². ⁰С/Вт) - для окон и 0,65 для витрин, витражей и навесных светопрозрачных конструкций, что существенно ниже нормативных требований к наружным стенам.

К сожалению, все светопрозрачные ограждающие конструкции не являются энергосберегающими. В этой связи согласно временным Московским строительным нормам «Многофункциональные высотные здания и комплексы» величина остекления фасадов зданий должна составлять не более 18%, в общественной части допускается до 25%. Тем не менее, панели из вакуумированных стеклопакетов начали широко применяться в г.Москве и других городах России и, конечно, могут применяться по предлагаемому техническому решению в зависимости от предназначения зданий.

Отечественные энергосберегающие трехслойные бетонные панели большей частью имеют значительную массу и применяются в настоящее время весьма ограниченно отдельными крупными строительными фирмами («Крост», «Донстрой», «ПИК»), что связано с индивидуальностью видов панелей и соответственно необходимостью новой оснастки для их изготовления практически для каждого нового высотного здания.

Идеология приготовления энергосберегающих панелей при возведении высоток с несущими каркасами практически едина: наружный слой изготавливается из высокопрочного архитектурного бетона с повышенной выразительностью и долговечностью, промежуточный - теплоизоляционный слой приготавливается обычно из плитного утеплителя, а внутренний слой - также из железобетона с применением гибких связей конструктивных слоев в виде прутков из нержавеющей проволоки или базальтового волокна. Масса таких панелей, производимых в Москве, составляет: несущих 700-800 кг/м², навесных 400-500 кг/м². Ограничения на применение в высотном строительстве таких панелей связано кроме веса с использованием в качестве плитного утеплителя обычно пенополистирольных плит, не обладающих достаточной долговечностью.

Кроме того, опыт применения в Москве для строительства зданий железобетонных панелей показал, что практически все изделия, подвергнутые тепловой обработке по общепринятому регламенту на ЖБК и ДСК, содержат массу дефектов в виде трещин, которые значительно снижают долговечность изделий и ставят под вопрос их применение при строительстве высотных зданий.

В развитых странах, в частности, в США в качестве ограждающих конструкций высотных зданий из железобетонных конструкций применяются исключительно крупногабаритные (30-35 м²) навесные и несущие панели только из высокопрочных бетонов, твердеющих в нормальных условиях без тепловой обработки.

Выразительность таких панелей обеспечивается отделкой лицевого слоя или под природный камень, или под кирпич, или керамическими крупноразмерными плитами, омоноличенного бетоном наружного слоя панели.

Строители Европы, США, Канады, Японии все в большей мере отказываются от недолговечных и вредных утеплителей, имеющих полимерную природу (пенополистирол, пенопласт) или включающих опасные связующие - фенолы (минеральные и базальтовые волокнистые плиты), переходя на пенокерамику в виде керамзитового гравия, зольного гравия, вспученных шлаков, пористых стекол в объемах миллионов куб. м для производства легких бетонов, утепления и облегчения зданий.

В России, однако, широкое распространение при строительстве высотных зданий получили ограждающие конструкции зданий, представляющие собой многослойные композиции, составленные из несущих стен-оболочек из монолитного железобетона и теплоизоляционных слоев, что существенно влияет на стоимость строительства. Доля затрат на возведение ограждающих конструкций в общей стоимости строительства высотных зданий весьма значительна.

Так, возведение первых высотных зданий по программе «Новое кольцо Москвы» реализовано в сугубо российском варианте: ограждающая конструкция, например, первой высотки «Эдельвейс» выполнена многослойной с несущей оболочкой из монолитного тяжелого железобетона, к такой «скорлупе» дома закреплена теплоизоляция в виде минераловолокнистых плит, затем выложена кирпичная кладка, на которой смонтирован вентилируемый фасад с закреплением на специальных кронштейнах керамогранитных плит. Такие ограждающие конструкции не индустриальны, материалоемки, тяжелы и требуют значительных затрат ручного труда, суммарная толщина ограждающей конструкции на высотке составляет более 800 мм.

При этом монтаж, например, теплоизоляционных плит типа Sturadur обычно предусматривает разбежку по швам и ступенчатые кромки для более плотной укладки плит встык. Такая (ювелирная) работа по теплоизоляции, связанная с необходимостью исключения мостиков холода, требует весьма высокой квалификации исполнителя, а также дополнительных затрат на крепежные дюбели.

Фактическая масса здания «Эдельвейс» составила около 115 тыс.т, а сроки возведения коробки превышали 3 года. Наши расчеты показали, что при возведении такого здания по предлагаемому техническому решению его массу можно снизить в 2-2,5 раза, как и сроки возведения коробки высотки.

При эксплуатации зданий с монолитными несущими оболочками из железобетона возрастают проблемы с конденсацией в зимний период паров воды на более холодных поверхностях бетона, вызывающих увлажнение стен, что обусловливает необходимость устройств пароизоляции, а также обязательного принудительного проветривания помещений для воздухообмена, при котором теряется то самое тепло, ради экономии которого делается современная теплоизоляция ограждающих конструкций.

Высокая трудоемкость, стоимость и неиндустриальность таких работ вызвали наблюдающееся в Москве падение интереса инвесторов к строительству высотных зданий.

Важным при этом является не учитываемый, в частности, строителями высоток, нормативный срок службы теплоизоляционных слоев из пенопластов, минеральной ваты, составляющий по международной практике и европейским нормам 10-15 лет, после чего необходима полная замена теплоизоляционного слоя. Существующий опыт эксплуатации зданий, построенных с такими теплоизоляционными слоями показал, что со временем происходит частичное оседание утеплителей, изменение структуры материалов и ухудшение теплоизоляционных характеристик в 1,5-2 раза. Трудно представить себе реализацию замены теплоизоляционных слоев в строящихся высотках в Москве и других городах как по трудозатратам, так и по необходимым средствам.

Радикальным путем снижения стоимости возведения ограждающих конструкций и, соответственно, стоимости строительства является возврат к однослойным конструкциям стен и отказ от всех видов дорогостоящих, горючих, экологически вредных и недолговечных полимерсодержащих теплоизоляционных материалов [8, 9].

Это особенно важно в связи с повышением требований по огнестойкости, долговечности и экологической чистоте материалов и конструкций для высотных зданий, тем более, что новый СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита» открывает путь для возведения однослойных дешевых, долговечных и экологически чистых, негорючих ограждающих конструкций с объемной массой 400-600 кг/м³, позволяет отказаться от неоправданно завышенных нормативных требований, радикально повлиявших в негативном плане на строительство ограждающих конструкций зданий.

Согласно рассматриваемому техническому решению для индустриального возведения ограждающих конструкций высотных зданий с декоративными долговечными фасадами в виде несъемной опалубки без применения «эффективных» полимерсодержащих утеплителей нами предлагаются монолитные однослойные конструкции стен из легких пористых заполнителей по новой технологии «КАПСИМЭТ» [10] за счет омоноличивания в массиве зерен керамзитового гравия цементным молоком. Такие стены могут выполняться и из ячеистых бетонов при условии получения в построечных условиях однородного монолитного массива с объемной массой 450-550 кг/м³.

На фиг.6 приведены разрезы предлагаемой в заявляемом высотном здании ограждающей стены из нового материала, полученного капсуляцией цементным молочком керамзитового гравия и его укладкой в межпалубное пространство, образованное несъемной опалубкой, закрепленной между перекрытиями на металлическом сетчатом каркасе: с наружной стороны - в виде тонкомерных декоративных бетонных, каменных или керамических плит, а с внутренней стороны - в виде листовых материалов - гипсоволокнистых, цементно-стружечных и других отделочных плит. Толщина таких стен для климатических условий Москвы составляет около 400-450 мм, при объемной массе 450-550 кг/м³ и термическом сопротивлении (R₀) в пределах 3,5-3,7 м² °С/Вт, что полностью удовлетворяет требованиям по теплозащите наружных стен высотных зданий по МГСН 4.19- 5.

В качестве несъемной опалубки на приводимом примере (фиг.6) служат: а)плиты из архитектурного бетона 1 и цементно-стружечные плиты 3, и б) плиты из керамогранита 1 и гипсоволокнистые плиты 3. Пространство между несъемной опалубкой 2 в обоих вариантах заполняется «КАПСИМЭТом» на основе керамзитового гравия, капсулированного и омоноличенного цементным молоком.

Наиболее важные достоинства «КАПСИМЭТ» - максимально эффективное использование легкого заполнителя непосредственно в ограждающей конструкции и низкая сорбционная способность (материал поглощает не более 1-1,5% влаги), хорошая паропроницаемость. Так, материал «КАПСИМЭТ» на основе керамзитового гравия имеет коэффициент паропроницаемости 0,14-0,20 мг/м·ч·Па. Значения коэффициента паропроницаемости для наиболее распространенных материалов: пенополистирол 0,03-0,05, железобетон 0,03, керамзитобетон 0,09-0,14, кирпич обыкновенный глиняный 0,11, кирпич керамический пустотелый 0,14, бетон ячеистый (М 300) 0,14-0,25 единиц.

Морозостойкость материала не менее 50 циклов, огнестойкость не менее 6 часов, он не горит и экологически абсолютно чист, с течением времени наблюдается карбонизация цементной оболочки материала стен, повышающая их прочность. Одним из главнейших свойств материала для строительства стен домов является воздухопроницаемость, определяющая комфортность жизни в помещениях. Если бетон имеет сопротивление воздухопроницанию около 20000 м·²ч·Па/кг, то «КАПСИМЭТ» по этому параметру соответствует известняку-ракушечнику с R_и˜6-10 м·²ч·Па/кг. Этим объясняется тот факт, что в домах со стенами из «КАПСИМЭТа» прекрасно дышится, сохраняется сухой микроклимат, дерево в домах не гниет, такие стены - решение проблемы недостатка кислорода в жилье. Применение «КАПСИМЭТа» исключает и проблемы паропроницаемости. Коэффициент комфортности наружных стен, построенных по технологии «КАПСИМЭТ», составляет 1,4. Следует обратить внимание на тот факт, что использование капсуляции легких заполнителей, выступающих в «КАПСИМЭТе» не пассивными, а сотообразующими, т.е. основными элементами структуры, позволяет эффективно решать не только проблему утепления, но и звукоизоляции зданий, индекс звукоизоляции «КАПСИМЭТ» R_w>60 дБ.

Ограждающие стены в заявляемом высотном здании могут быть также выполнены из ячеистого бетона, прежде всего, из неавтоклавного пенобетона, уложенного в несъемную опалубку по технологии монолита. Пенобетон сочетает хорошую механическую прочность с низкой термической проводимостью и простотой изготовления и применения. Он может иметь различную плотность (от 200 кг/м³ до 1200 кг/м³) и соответственно различные свойства (например, прочность при сжатии от 0,3 МПа до 10,0 МПа), изготавливаться в больших объемах на строительной площадке с подачей к месту укладки с помощью бетононасоса, что является большим преимуществом неавтоклавного пенобетона. Из него можно изготавливать любые объемы строительных конструкций: в процессе строительства пенобетонная смесь заливается в предварительно смонтированную опалубку, где впоследствии она затвердевает, образуя долговечную, экологически чистую и пожаробезопасную стену. Несущие конструкции стен, сделанные из пенобетона толщиной 15 см, сохраняют огнестойкость в течение более 7 часов.

Выполненная оценка строительства высотного здания по предлагаемому техническому решению позволяет считать возможной существенное облегчение массы и уменьшение сроков возведения коробок зданий, со снижением себестоимости строительства коробок зданий на 25%.

Многоэтажные здания до 30-40 этажей могут проектироваться и строиться без вертикальных диафрагм жесткости, а, начиная с 40-45 этажей, с диафрагмами жесткости, повышающими устойчивость высотных зданий и этажность до 150-200 этажей.

Оценка удельных затрат основных материалов на приведенном примере показала, что для строительства 66-этажного здания с учетом фундамента достаточно 0,35 м³ тяжелого бетона, 0,15 м³ легкого бетона («КАПСИМЭТ») и 55 кг металла на 1 м² площади здания.

Приведенные расчеты подтверждают достижение поставленной цели предлагаемого технического решения, так как материалоемкость зданий, строящихся в настоящее время, существенно выше: так, средние затраты в Москве при строительстве высотных зданий составляют: тяжелого бетона 1,0-1,2 м³, а металла 70-80 кг на 1 м² площади здания.

Значительно меньший расход соответственно определяет и снижение сроков строительства, уменьшение стоимости возведения коробки высотного здания по заявляемому решению.

Предлагаемое техническое решение может радикально упростить проектирование конструктивов зданий и сооружений, позволяя их типизировать и стать технологической основой для массового и высотного строительства в г.Москве и других городах. Оно позволяет обеспечивать не только свободную планировку помещений по горизонтали с шагом 7,2×7,2 м и больше, по вертикали - в пределах ярусов, при необходимости нестандартных высот в помещениях, но и дать возможность жителям внутренней периодической перепланировки квартир по желанию владельцев без ущерба строительно-техническим и эксплуатационным характеристикам зданий.

Архитекторы, создающие массовое жилье, получат возможность реализации самых дерзких творческих замыслов: формирование не только свободной планировки внутри зданий, но и любых фасадов, закругленных стен и т.п. Практическое освоение предлагаемого технического решения может внести существенный вклад в реализацию важнейшего национального проекта - «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».

Источники информации

1. С.В.Николаев. Безопасность и надежность высотных зданий - это комплекс высокопрофессиональных решений. - В сб. «Уникальные и специальные технологии в строительстве. Высотное домостроение. Мировой и отечественный опыт». - 2004, №1, с.8-18.

2. Евразийский патент №007114 «Высотное здание».

3. Е Мерзлякова, Конструктивные элементы МДК. - журнал Высотные здания. - 2007, №1, С.99-103.

4. Б.Н. Нурадинов. Огнестойкость сталебетонных колонн. - дисс.канд., - Москва., МГОУ, 1984, - 201 с.

5. Новости НТС. Высокоэффективные строительные технологии. - журнал Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2006 г., №7, с.56-57.

6. Cais - M. Modern Street Tube Confined Concrete Structures, China, Communication Press, 2003, - 358 p.

7. М.Я.Бикбау. Практика и перспектива применения трубобетона в строительстве высотных зданий. - II Международный симпозиум по строительным материалам КНАУФ для СНГ. «Современное высотное строительство. Эффективные технологии и материалы» (Сборник докладов). - Россия, Москва, МГСУ, 10-11 октября 2005 г.; с.45-56.

8. Б.С.Баталин, И.А. Полетаев «Исследование свойств пенополистирола как утеплителя в панелях сборных жилых домов», Известия вузов. Строительство, 2003, №4, с.58-61.

9. В.Кондратенко. Теплозащита наружных стен: излишество или необходимость - журнал Строительная инженерия. - 2006, №8, с.65-69.

10. М.Я.Бикбау «КАПСИМЭТ». - Новая технология крупнопористого бетона. II Всероссийская (Международная) конференция «Бетон и железобетон, пути развития», т.4, Легкие и ячеистые бетоны, М., 2005, с.36-43.

Изобретение относится к строительству высотных зданий с повышенной эксплуатационной надежностью. Целью изобретения является ускорение строительства, повышение этажности, надежности и безопасности здания, снижение трудозатрат, уменьшение стоимости строительства. Высотное здание включает фундаментную конструкцию, центральный несущий ствол жесткости из монолитного железобетона, трубобетона, сталебетона или их сочетания, конструктивную каркасную систему - многоярусные рамы с опорными платформами в виде этажных конструкций коробчатого сечения из монолитных железобетонных плит, соединенных прямоугольными простенками, опертыми на несущие трубобетонные колонны, расположенные на периферии вокруг центрального ствола, с узлами сопряжения с дисками перекрытий и вертикально ориентированными диафрагмами жесткости из монолитного железобетона, снабженной ограждающими конструкциями, опирающимися на перекрытия. При этом колонны соединены узлами сопряжения друг с другом и дисками перекрытий в виде пакетов, собранных на строительной площадке из железобетонных преднапряженных плит, в том числе, с усиленными по-ярусно перекрытиями из преднапряженных железобетонных плит, стянутых стальными канатами, концы которых снабжены анкерами, закрепленными по-ярусно, в стенках ствола жесткости и противоположных стальных ригелях, соединяющих колонны, а монолитные железобетонные плиты этажных конструкций коробчатого сечения опорных платформ выполнены с напряжением на бетон плит стальных канатов между внешним контуром опорных платформ и стенками центрального ствола жесткости. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Высотное здание, включающее фундаментную конструкцию, центральный несущий ствол жесткости из монолитного железобетона, трубобетона, сталебетона или их сочетания, связанную с ним конструктивную каркасную систему - многоярусные рамы с опорными платформами в виде этажных конструкций коробчатого сечения из монолитных железобетонных плит, соединенных прямоугольными простенками, опертыми на несущие колонны, расположенные на периферии вокруг центрального ствола, с узлами сопряжения с дисками перекрытий и вертикально ориентированными диафрагмами жесткости из монолитного железобетона, снабженную ограждающими конструкциями, опирающимися на перекрытия, отличающееся тем, что несущие колонны выполнены из трубобетона, расположены между монолитными железобетонными плитами опорных платформ, распределены вокруг ствола жесткости и соединены узлами сопряжения друг с другом и дисками перекрытий в виде пакетов, собранных на строительной площадке из железобетонных преднапряженных плит, предпочтительней пустотных, в том числе с усиленными по-ярусно, например, через три этажа, перекрытиями из преднапряженных железобетонных плит, стянутых стальными канатами, концы которых снабжены анкерами, закрепленными по-ярусно, в стенках ствола жесткости и противоположных стальных ригелях, соединяющих трубобетонные колонны, а монолитные железобетонные плиты этажных конструкций коробчатого сечения опорных платформ выполнены с напряжением на бетон плит стальных канатов между внешним контуром опорных платформ и стенками центрального ствола жесткости.2. Высотное здание по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения этажности, вертикальные диафрагмы жесткости выполнены в виде перекрестно-несущих монолитных, напряженных в построечных условиях железобетонных стен, располагаемых между опорными платформами и примыкающих одной боковой стороной к центральному стволу жесткости, а другой - к трубобетонным колоннам.3. Высотное здание по пп.1 и 2, отличающееся тем, что, с целью облегчения наружных стен, снижения трудоемкости, обеспечения и индустриализации их возведения, повышения пожаробезопасности здания за счет исключения применения горючих и недолговечных утеплителей наружных стен, экологической чистоты и интенсивного воздухообмена внутреннего объема помещений с окружающей средой, ограждающие конструкции выполнены однослойными из легкого заполнителя, например керамзитового гравия, капсулированного и омоноличенного цементным молоком в межпалубном пространстве, созданном несъемной опалубкой, закрепленной между перекрытиями на металлическом сетчатом каркасе: с наружной стороны - в виде тонкомерных декоративных бетонных, каменных или керамических плит, а с внутренней стороны - в виде листовых материалов - гипсоволокнистых, цементно-стружечных и других отделочных плит.4. Высотное здание по п.3, отличающееся тем, что однослойная ограждающая конструкция выполнена из ячеистого бетона, уложенного в несъемную опалубку по технологии монолита.