Ажермачев Г.А. Особенности проектирования многоэтажных

8
.
11, 2005 .
УДК 69.032
Ажермачев Г.А., к.т.н., профессор
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
А
Особенности ж
А
р
м
еГ
.ч
в
а е
проектирования многоэтажных зданий
Рассматриваются особенности проектирования многоэтажных зданий из различных материалов. Показана
эффективность многоэтажных зданий каркасного типа. Дается оценка применения металлических каркасов
для зданий средней и большой этажности.
здание, каркас, материалы, эффективность, трудоемкость, скорость монтажа.
Начиная со второй половины XIX столетия прежние размеры общественных и жилых зданий в
больших городах все меньше отвечают требованиям растущих потребностей развивающего финансового капитала. Банковские объединения, концерны и тресты требуют для размещения своего обширного аппарата единого помещения. Для этого необходимо иметь большое здание. Известно, что цены
на землю, особенно в больших городах, огромны, поэтому заказчики всё чаще стремятся возвести
большие здания, которые не занимают большой земельной площади. Этому требованию отвечают
высокие многоэтажные здания.
Если здание с массивными стенами было экономично при небольшом количестве этажей, то с
увеличением высоты здания слишком возрастали расходы вследствие непомерной толщины стен, уменьшения полезной площади, увеличения веса сооружения и нагрузки на фундамент, увеличения стоимости транспортирования материалов и резкого удлинения срока строительства.
Наиболее экономичным решением при строительстве многоэтажных зданий оказалось применение в качестве несущих конструкций железобетонных или стальных каркасов. Применение каркаса
явилось переворотом в технике возведения многоэтажных зданий, позволив сократить до минимума
период строительства. В следствие этого приспособлено наилучшим образом само сооружение для
различных производственных назначений, являясь в то же время наиболее экономичным решением.
Подавляющее большинство многоэтажных зданий в США, Европейских странах и других регионах строят по каркасной схеме, большая часть которых имеет стальной каркас. По данным Американского института стальных конструкций в 85% зданий высотой более 10 этажей применяется стальной каркас. Этому способствовало развитие мощной производственной базы. В начале XX века в
США уже работало пять станов, производящих широкополочные двутавровые профили, которые
широко применяли в каркасах высотных зданий без большой дополнительной обработки.
Следует отметить, что экономичность каркасных зданий дополняется еще одним положительным показателем, а именно – наилучшим использованием объема здания. Оптимальным для данного
здания будет такое решение, при котором при заданной полезной площади помещений А получается
наименьший объем зданий V, т.е. отношение переменной величины V, зависящей от архитектора и
инженера, к постоянной заданной величине А должно быть наименьшим. Это отношение в зданиях со
стальным каркасом получается наименьшим по сравнению со зданиями других типов.
Опыт эксплуатации многоэтажных зданий в сейсмоопасных районах показывает, что здания со
стальным каркасом обладают более высокой сейсмостойкостью. Поэтому в сейсмоопасных районах
экономически целесообразным может оказаться применение металлического каркаса и для относительно невысоких зданий.
Современные здания с металлическим каркасом состоят из ряда стандартных элементов, что обеспечивает наивысшую стандартизацию строительства. Установив определенные шаги колонн каркаса
и приняв определенные высоты этажей, можно создать несколько типов колонн, ригелей и связей, из
которых легко собрать каркас здания, придавая ему произвольные размеры в плане и по высоте. Так,
например, стандартный каркас пятнадцатиэтажного здания позволит практически строить стандартные каркасные здания высотой от трех до пятнадцати этажей. Для изменения высоты здания нужно
лишь отбросить каркас нижних этажей, оперев колонны на специальные башмаки. При этом стальной
каркас нисколько не стесняет творческую мысль архитектора, его легко приспосабливать к любым
архитектурным формам.
.
11, 2005 .
9
Опыт проектирования многоэтажных зданий отечественными и зарубежными специалистами
показывает, что одним из важнейших вопросов, который должен быть решен в первую очередь, является вопрос о плане здания.
Обычно после того, как разработаны первые эскизы здания, когда контуры его более или менее
определились, последовательно составляют три плана.
Первый план содержит первоначальную наметку конструктивной сетки и решение вертикального транспорта в соответствии с выбранной архитектурной концепцией. Этот план определяет принцип пространственной конструкции и позволяет установить экономические показатели сооружения.
Во втором плане тщательно разрабатывается расположение технического оборудования здания
со всеми проводками. Наибольшее внимание уделяется вентиляционному оборудованию, ибо в нижних этажах из-за уличного шума и пыли естественная вентиляция допустима лишь отчасти. Поэтому
вентиляционное оборудование весьма сложно, вентиляционные каналы в многоэтажных зданиях получаются большими и требуют особых помещений.
Третий план включает планировку помещений и их оборудование.
Наиболее рациональной формой плана многоэтажного здания считается прямоугольник, ибо чем
проще план здания, тем проще и дешевле металлические конструкции. Назначая конфигурацию плана
здания следует иметь в виду, что всякого рода отступы, изломы и открытые дворы должны иметь
размеры, соответствующие принятому шагу колонн, а сами колонны по возможности, должны размещаться в обоих направлениях в совпадающих рядах, что способствует стандартизации каркаса.
Часто план здания зависит от формы застраиваемого участка, площадь которого должна быть
максимально использована, отчего конфигурация зданий в плане, подчиняясь форме участка, может
быть весьма неправильной. Каркас здания в этом случае будет сложным. Ряды колонн оказываются
смещенными, а наличие изломов в плане ведет к косым прикреплениям элементов и к нестандартным
конструкциям. Однако, даже и в таком случае необходимо стремиться к упрощению плана в нижней
части здания и во всяком случае придавать ему прямоугольную форму в верхней высокой части.
Вопрос общей стоимости здания и его отдельных частей специфичен для каждой страны. В общем случае для различных стран получаются несоизмеримые величины. Однако, если речь идет об
изменении стоимости здания в зависимости от количества этажей, то можно получить вполне сравнимые данные – для отдельных элементов и для всего здания в целом.
С увеличением количества этажей увеличивается стоимость следующих элементов здания, отнесенная к 1 м3: стальной каркас, подъемники, ограждающие конструкции, внутренние стены и перегородки, водоснабжение, отопление и вентиляция, электрическое освещение, полное механическое оборудование, окна и облицовка. Следующие элементы дают уменьшение стоимости при увеличении
количества этажей: крыша, фундамент и наконец элементы, показывающие постоянную стоимость:
отделка (внутренняя и наружная), полы и перекрытия.
К факторам стоимости следует отнести: поглощение рентабельной площади подъемниками и
другими подсобными устройствами, изменение стоимости производства работ на различных высотах
и влияние местных условий на стоимость.
Анализ показывает, что стоимость стального каркаса для зданий 15-100 этажей составляет 1020% от общей суммы расходов.
Наибольшие расходы падают на: подъемники, отопление и вентиляцию, систему кондиционирования, водопровод и канализацию, освещение, внутреннюю отделку и др. Фундамент обходится относительно дешево. С увеличением количества этажей объем и полезная площадь увеличивается непропорционально высоте; полезная площадь увеличивается пропорционально объему.
При сравнении стоимости стального и железобетонного каркасов следует идти по пути сравнения вариантов. Сравнение стального и железобетонного каркасов затрагивает целый ряд вопросов,
которые все тесно связаны между собой. Рассмотрение отдельных вопросов вне связи их со всем
комплексом вопросов может привести к однобокому решению.
Весь круг вопросов можно разбить на две различные, однако тесно связанные, группы.
К первой группе относятся: собственный вес конструкций, размеры конструкций, скорость возведения, долговечность, простота процессов сборки и др.
10
.
11, 2005 .
Ко второй группе относятся: конфигурация здания, его плана, сетка колонн, высота этажей, нагрузки, конструктивная схема каркаса, имеющиеся в наличии конструкции, применение обычной и
высокопрочной стали, цемента, применение жесткой и обычной арматуры, соотношение цен железобетона, стали и стоимости рабочей силы, противопожарные мероприятия и др.
И первая и вторая группы вопросов очень тесно переплетены между собой, и разбор их не может
быть произведен раздельно. Например, если мы говорим о габаритности, то не можем пройти мимо
вопроса применения жесткой арматуры, уменьшающей габариты железобетонных сечений, можно
однако без преувеличения сказать, что по всем вопросам первой группы сталь дает лучшие показатели, чем железобетон. В условиях большого города особую остроту приобретают вопросы производства работ и стандартизации отдельных частей каркаса и всего здания. Стальной каркас наилучшим
образом приспособлен для этих целей. Железобетон требует многочисленных дополнительных процессов, которые занимают много места на строительной площадке и требуют дополнительного времени на их выполнение. Сроки твердения, сроки распалубки, уход за бетоном в разное время года, контроль за схватыванием старого и нового бетона и т.п., все это удорожает строительство.
Стальной каркас монтируется в рекордно короткие сроки, и что особенно важно, после постановки последнего болта, или наложения сварного шва, можно производить все дальнейшие работы.
Классическим примером строительства многоэтажных зданий может служить здание Empira State
Bld в Нью-Йорке. Здание высотой 102 этажа (382 м) было построено за 15 месяцев, а стальной каркас
в 60000т смонтирован за 6 месяцев 130 рабочими, работающими в одну смену (пятидневная неделя).
ВЫВОДЫ
1. Каркасные здания при многоэтажном строительстве более экономичны по сравнению с другими
системами
2. Стоимость зданий высотой 10 этажей и более со стальным каркасом (особенно в сейсмоопасных
районах) ниже, чем стоимость зданий из других материалов при учете не только стоимости самого
каркаса, но и габаритности и стоимости перевозки конструкций и материалов, производства работ и т.д. особенно это относится к сравнительно высоким и узким зданиям, в которых применены
новейшие легкие заполнители. Местные условия могут изменить соотношение стоимости тех и
других зданий.
3. При компоновке стального каркаса многоэтажного здания необходимо стремиться к простому плану (прямоугольному или другой формы, образуемой из квадратов или прямоугольников), а колонны по высоте не прерывать.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ажермачев Г.А., Остриков Г.М., Новиков В.В. Рациональность применения стальных каркасов для
многоэтажных сейсмостойких зданий. Многоэтажные здания. 1 международный симпозиум.
Москва. 1972. С.155-159
2. Ажермачев Г.А. Выбор материалов для конструкций сейсмостойких зданий и сооружений. Сб.
научных трудов «Современные конструкции из металла и древесины», ОГАСА. Одесса. 2001. С.48
3. Ажермачев Г.А. Ветер и многоэтажные здания. Будiвельнi спорудi: материали, конструкцiї, технологiї.
Вып. 2003-2 (39). Т.2.ДДАГА, Донецк, 2003, с.53-54
4. Ажермачев Г.А. О некоторых особенностях проектирования стальных многоэтажных сейсмостойких связевых каркасов. Строительство и техногенная безопасность. Сб. научных трудов. КАПКС,
Вып. 7. Симферополь, 2002, с. 8-10.
5. Ажермачев Г.А., Морозова Е.В., Бершадский С.А. Применение легких металлических конструкций
в каркасах сейсмостойких зданий средней этажности. Новейшие технологии диагностики ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта. Днепропетровск. 2002. С. 95-99.