CC BY
2УДК 69 Максутова Д.Ж., Бесимбаев Е.Т.
Максутова Д.Ж.
студент (магистрант) Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева (г. Алматы, Казахстан)
Научный руководитель: Бесимбаев Е.Т.
доктор технических наук Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева (г. Алматы, Казахстан)
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ ИЗ МОДУЛЬНЫХ БЛОКОВ
Аннотация: в данной статье представлено исследование, направленное на оценку теоретической и технико-экономической эффективности строительства многоэтажных зданий с использованием модульных блоков.
Модульное строительство рассматривается как инновационная технология, которая меняет устоявшиеся подходы благодаря более высокой скорости возведения, повышенной безопасности, улучшенному контролю качества и снижению экологического воздействия по сравнению с традиционным строительством на месте. Эти преимущества особенно выражены в многоэтажных зданиях, где модульная топология и повторяемость модулей играют ключевую роль.
Однако в настоящее время использование модульных конструкций для высотных зданий остаётся ограниченным. Это связано с нехваткой надёжных конструктивных систем и методов соединения, обеспечивающих целостность, стабильность и надёжность полностью модульной конструкции. Дополнительно, отсутствие чётких проектных рекомендаций также замедляет внедрение этой технологии в строительную отрасль.
Тем не менее, благодаря современным достижениям в области конструктивных систем и материалов, существует значительный потенциал для успешного применения модульных технологий в высотных зданиях.
Ключевые слова: модульное строительство, многоэтажные здания, эффективность, устойчивость, конструктивные схемы.
Сборное строительство относится к строительному процессу, при котором строительные компоненты изготавливаются на заводе и транспортируются на строительную площадку для установки [1]. Это дает значительные преимущества по сравнению с традиционным строительством на месте, такие как более быстрое и безопасное производство, лучший контроль качества и меньшее воздействие на окружающую среду [2-5], что приводит к устойчивому развитию преимущества с точки зрения эффективности использования материалов, сокращения отходов на месте (до 90% [6]) и улучшения условий труда [7, 8]. Использование модульных строительных технологий может сократить время строительства на 50% и сэкономить затраты на 20% на примере недавних проектов [9]. Концепция сборного строительства не нова, но ее технология, экономические требования и меняющиеся умонастроения вызвали беспрецедентную волну интереса и инвестиций [9]. Ожидается, что это обеспечит решение кризиса доступного жилья путем обеспечения быстрого предложения жилья за меньшее количество долларов [10]. Исходя из степени готовности, существует три класса сборных конструкций: одноэлементные, двухмерные панельные системы и трехмерные объемные системы [11, 12]. Панельные и объемные конструкции, также известные как модульная конструкция, являются наиболее эффективным классом быстровозводимых конструкций, поскольку позволяют от 70% до 95% здания [13] изготавливать на заводе перед транспортировкой для сборки на месте. Следовательно, считается, что этот метод определяет будущее строительной отрасли [14].
Сравнение конструктивных схем для многоэтажных зданий из модульных блоков. Существует и иная классификация подходов к установке и монтажу модульных блоков, с конструктивной точки зрения:
Группирование вокруг ядра. Ядро жесткости может быть как возведенным на месте монолитным, так и сборным или состоять из специальных плоских или объемных стальных модулей, заполняемых бетоном [15]. Этот метод обычно используется для обеспечения устойчивости высотных модульных зданий к разнонаправленным нагрузкам. В таком случае большая часть горизонтальной нагрузки приходится на ядро, а модульные блоки в основном несут свою собственную вертикальную нагрузку [16].
Пьедестал (подиум) в качестве фундамента. Как правило, пьедестал комбинируется с ядром для увеличения высоты здания. Подиум проектируется как традиционная стальная, бетонная или гибридная сталебетонная конструкция. Этот метод особенно подходит для зданий смешанного функционального назначения, где подиумная конструкция может обеспечить открытое пространство для розничной торговли, коммерческого использования или использоваться в качестве подземной автостоянки [15].
Метод заполненного каркаса. При данном методе модули являются самонесущими и располагаются между балками и колоннами первичной каркасной конструкции, возводимой традиционными методами [15], [17].
Таблица 1. Сравнение конструктивных схем.
Критерий Группирование вокруг ядра Пьедестал (подиум) в качестве фундамента Метод заполненного каркаса
Конструктивные особенности Модули группируются вокруг центрального ядра, которое обеспечивает устойчивость к боковым нагрузкам. Модули устанавливаются на платформу (подиум), служащую основанием. Модули размещаются между элементами основной каркасной конструкции.
Высота здания Подходит для высоких зданий (до 30 этажей и более при дополнительном усилении). Ограниченная высота без усиления, обычно до 15-20 этажей. Возможность реализации зданий средней и высокой этажности.
Скорость строительства Высокая скорость монтажа после возведения ядра. Средняя скорость из-за необходимости создания подиума перед установкой модулей. Низкая скорость из-за длительного строительства каркаса.
Гибкость планировки Ограничена из-за фиксированного положения ядра. Высокая гибкость в планировке коммерческих и жилых зон. Высокая гибкость в планировке за счет модульности и каркасной схемы.
Устойчивость к нагрузкам Высокая устойчивость к боковым нагрузкам (ветер, землетрясение). Средняя устойчивость, зависит от характеристик подиума. Высокая устойчивость за счет жесткости каркасной конструкции.
Экономичность конструкции Высокая стоимость ядра из стали или железобетона. Умеренная стоимость за счет использования традиционных технологий. Высокая стоимость из-за большого объема материалов для каркаса.
Критерий Группирование вокруг ядра Пьедестал (подиум) в качестве фундамента Метод заполненного каркаса
Назначение Жилые или офисные Подходит для Универсальное
здания здания с фиксированным смешанного назначения (жилые, применение, включая
расположением коммуникаций. офисные, торговые зоны). промышленные и общественные здания.
Трудозатраты Умеренные, основное Умеренные, связаны с Высокие
внимание уделяется возведением подиума трудозатраты из-за
монтажу ядра и и установкой модулей. сложности монтажа
соединений модулей. каркаса и интеграции модулей.
Срок службы Высокий (более 50 лет Высокий, зависит от Очень высокий, так
при качественном строительстве). качества подиумной конструкции. как каркас обеспечивает долговечность.
Выбор подхода к установке и монтажу модульных блоков зависит от назначения здания, его высоты, условий строительства и экономических факторов. На основе проведенного анализа можно сделать следующие рекомендации:
Группирование вокруг ядра.
Лучший выбор для высотных зданий (более 20 этажей), особенно в регионах с высокими ветровыми и сейсмическими нагрузками. Обеспечивает наибольшую устойчивость и долговечность, но ограничивает гибкость планировки и требует значительных затрат на возведение центрального ядра.
Пьедестал (подиум) в качестве фундамента.
Оптимально для смешанного назначения зданий средней высоты (до 1520 этажей), особенно когда необходимы торговые площади, офисные зоны или
парковки. Это экономически эффективное решение для городских центров с высокой плотностью застройки.
Метод заполненного каркаса.
Рекомендуется для универсальных зданий (жилых, общественных, промышленных), где требуется высокая гибкость планировки. Подходит для средне- и высокоэтажных зданий, но требует больших затрат и времени из-за сложности строительства каркаса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Deluxe Modular. Различия между сборным и модульным строительством [https://w.deluxemodular.com/learning-center/modular-vs-prefab], 2019;
2. Лоусон Р.М., Грабб П.Дж., Превер Дж., Требилкок П.Дж. Модульная конструкция с использованием легкой стали каркас: руководство архитектора Институт стальных конструкций 1999: 1-105;
3. Ю И, Чен З. Жесткость боковых стенок из гофрированного листа и ее влияние на модульную конструкцию конструкции. Инженерные сооружения 2018, 175: 191-200;
4. Стерн Д. Модульные конструкции со стальным каркасом для высотных отелей, из книги [https://w.hotelonlme.com/press_releases/release/steel-framed-modular-construction-for-high-rise-hotels-что-вам-нужно-знать], 2017. стр. 1-12;
5. Джин Р., Хонг Дж., Цзо Дж. Экологические показатели объектов, построенных за пределами площадки: критический обзор. Энергетика и здания 2020, 207: 109567;
6. WRAP. Потенциал сокращения отходов объемного строительства за пределами площадки. WAS 003-003: Тематическое исследование строительства за пределами площадки, 2018. стр. 1-11;
7. Цзян У, Чжао Д., Ван Д., Син Ю. Устойчивые эксплуатационные характеристики зданий за счет модульности заводское изготовление на этапе строительства: сравнительное исследование. Устойчивость 2019,11:5658;
8. Камали М., Хьюдж К. Характеристики жизненного цикла модульных зданий: критический обзор. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии, 2016, 62: 1171-1183;
9. McKinsey. Модульная конструкция: От проекты для продукты, От [https://w.mckinsey.com/industries/capital-projects-and-infrastructure/our-аналитические материалы/модульная конструкция-от-проектов-к-продуктам], 2019;
10. Томсон Дж. Модульное строительство: решение проблем доступного жилья. Корнелл Обзор недвижимости за 2019 год, 17:90-97;
11. Смит Р. Сборная архитектура: руководство по модульному проектированию и строительству: Джон Уайли и сыновья, 2011;
12. Боафо ФЕ, Ким Дж.-Х., Ким Дж.-Т. Эффективность модульной сборно-разборной архитектуры: пример из практики обзор на основе исследования и пути развития на будущее. Устойчивое развитие 2016, 8: 558;
13. Мортис З. Может ли чикагская фабрика квартир сделать новые дома доступными? От [Ы^:/М.сйу1аЬ./дизайн/2019/07/чикаго-новостройка-квартира-доступная аренда-skender/592444/], 2019;
14. Всемирный экономический форум. Формирование будущего строительства: прорыв в мышлении и технологиях, 2016;
15. Дох Дж.Х., Хо Н.М., Миллер Д., Питерс Т., Карлсон Д., Лай П. Соединение стальных кронштейнов в модульных зданиях. J Steel Struct Constr. 2017, 2:121. doi: 10.4172/2472-0437.1000121;
16. Дюрр Д. Положения о конструкции штыревых соединений ASME BTH-1. Практический период Struct Des Constr. 2008,13:53-8. doi: 10.1061/(ASCE))1084-0680(2008)13:2(53);
17. Дэвид Д. Конструктивные особенности изготовленных стальных подъемных устройств под крюком. Практическая структура периода Des Constr. 2008, 13:48-52. doi: 10.1061/(ASCE)1084-0680(2008)13:2(48)
Maksutova D.Zh., Besimbayev E. T.
Maksutova D.Zh.
Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpayev
(Almaty, Kazakhstan)
Scientific advisor:
Besimbayev E.T.
Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpayev
(Almaty, Kazakhstan)
RESEARCH OF THEORETICAL AND TECHNICAL-ECONOMIC EFFICIENCY OF CONSTRUCTION
OF MULTI-STORY BUILDINGS FROM MODULAR BLOCKS
Abstract: this article presents a study aimed at assessing the theoretical and technical-economic efficiency of construction of multi-story buildings using modular blocks.
Modular construction is considered an innovative technology that changes established approaches due to higher construction speed, increased safety, improved quality control and reduced environmental impact compared to traditional on-site construction. These advantages are especially pronounced in multi-story buildings, where modular topology and repeatability of modules play a key role.
However, the use of modular construction for high-rise buildings remains limited at present. This is due to the lack of reliable structural systems and connection methods that ensure the integrity, stability and reliability of a fully modular structure. In addition, the lack of clear design guidelines also slows down the adoption of this technology in the construction industry.
However, due to modern advances in structural systems and materials, there is significant potential for the successful application of modular technologies in high-rise buildings.
Keywords: modular construction, multi-story buildings, efficiency, sustainability, structural schemes.
