Индустриальные технологии надстройки и обстройки зданий из объемных блоков

Наиболее рациональной является комплексная реконструкция зданий, включающая обстройку и надстройку из объемных элементов.

Опыт реконструкции административного здания с превращением в жилое (выполнено Мосэнергостроем) показал достаточно высокую технологическую эффективность.

Промышленная апробация технологии осуществлена на 5-этажном здании с шириной корпуса 14,6 м и длиной 60 м. Для надстройки использовались укрупненные на пролет объемные блоки шириной 3,2 и 3,6 м, массой 7,2 и 8,4 т, общим количеством 17 элементов.

Для монтажа использовался самоходный кран Liebherr LTM 1160 с телескопической стрелой грузоподъемностью на рабочем вылете 24 м - 14,6 т.

Для укрупнительной сборки объемных блоков использовался автокран грузоподъемностью 8 т.

Технология производства работ включала три цикла: транспортирование, укрупнитсяь-ную сборку и монтаж объемных блоков.

С учетом стесненности строительной площадки использовались две зоны укрупнительной сборки, что обеспечило расчетную последовательность и продолжительность монтажных работ.

По мере монтажа мансардных блоков выполнялся цикл работ по устройству торцевых стен, лестничных клеток, лифтовых шахт, внутренних планировочных работ.

Отдельным технологическим потоком осуществлялся монтаж объемных элементов лоджий.

На рис. 10.46 приведены рабочие моменты по укрупнению объемных блоков, их монтажу, возведению элементов лоджий.

Рис. 10.46. Рабочие моменты возведения мансардного этажа и пристройки эркеров из объемных блоков

1 - укрупненный рабочий блок; 2 - монтаж мансардных блоков; 3 - то же, объемных блоков эркеров; 4 - общий вид здания на период окончания монтажа объемных элементов; 5 - отделочные работы фасадных поверхностей; 6 - общий вид здания на период окончания работ; 7, 8 - общий вид здания до и после реконструкции

Опыт использования объемных элементов показал высокую технологическую эффективность: снижение сроков производства строительно-монтажных работ, возможность создания гибких планировочных решений, снижение себестоимости работ, уровня морального износа путем пристройки объемов, повышение архитектурной выразительности зданий и их разнообразия.

Метод обстройки и надстройки зданий из объемных блоков является универсальным и может быть использован для большинства массовых серий крупнопанельных и кирпичных зданий.

На рис. 10.47 приведен пример реконструкции жилых домов серии 1-510 путем пристройки объемных блоков торцевых элементов кухонь, лифтовых шахт, лоджий с дополнительной надстройкой 2-3 этажей.

Рис. 10.47. Планировочное решение жилого дома серии 1-510 с надстройкой этажей и пристройкой объемных блоков

а - план торцевой секции 1-го этажа; б - то же, типового; в, г - планы надстраиваемых этажей

При этом без значительных изменений планировочного решения достигается увеличение площади кухонь, устройство раздельного санузла, замена балконов на просторные лоджии. Надстраиваемые этажи могут быть запроектированы по гибким планировочным решениям с учетом потребностей жильцов (коммерческое или социальное жилье).

Реализация данной технологии наиболее эффективна при комплексной реконструкции квартала застройки, когда создаются долгосрочные технологические потоки по: замене внешних и внутренних сетей, устройству фундаментов под пристраиваемые объемы, комплексному монтажу объемных элементов, внутренним планировочным и отделочным работам и т.п.

Развитие технологии требует использования специальных и мобильных грузоподъемных средств, оснастки и приспособлений, обеспечивающих заданный ритм производства работ. Целесообразно использовать конвейерную схему возведения надстроек, предусматривающую укрупнительную сборку элементов и доставку под монтаж, максимальное совмещение во времени технологических процессов. Это обстоятельство позволяет снизить цикл реконструктивных работ, обеспечивает максимальную загрузку средств механизации, более рациональное использование ресурсов.

Характерным примером совмещения монтажных процессов является надвижка 2-этажных блоков с использованием специальных подъемников и транспортирующих устройств с монтажом пристраиваемых блоков мобильными грузоподъемными средствами (рис. 10.47).

При надстройке 2-этажными объемными блоками необходимо использовать специальные средства механизации в виде двухмачтовых подъемников и спецтранспортеров. Их технические характеристики приведены в таблице 10.6.

Таблица 10.6

Технические характеристики средств механизации

Технологические циклы иллюстрируются на рис. 10.48, где показаны этапы пристройки объемных блоков с применением мобильных кранов, установки выносного подъемника с устройством направляющих для перемещения, укрупнительной сборки и надвижки мансардных блоков и др.

Рис. 10.48. Технологические схемы надстройки и обстройки зданий с использованием

а, г - ленточных подъемников; б - пристраиваемых торцевых объемов; в - специальных подмостей

Взаимодействие технологических потоков при реконструкции 3-секционного жилого дома приведено на графике производства работ (таблица 10.7).

Таблица 10.7

График производства работ по реконструкции жилого дома с обстройкой и 2-этажной надстройкой

Для обеспечения максимального совмещения строительных процессов целесообразно осуществить оптимизацию, предусматривающую экономическую оценку влияния простоя монтажных и транспортных средств на общий цикл монтажа.

В частности, при рассмотрении математической модели с двумя кранами по пристройке объемов и доставке их автотранспортом постановка задачи состоит в рассмотрении системы, включающей два прибора (крана) и входной пуассоновский поток заявок (доставка блоков автотранспортом) с определенным интервалом.

Время обслуживания представляет собой монтажный цикл tM.

Моделирование технологических процессов позволяет осуществить взаимосвязь доставки блоков с интенсивностью монтажа. При этом интенсивность доставки должна превышать интенсивность монтажа. Из этих условий строятся графики работы автотранспорта, обеспечивающие непрерывность работы кранов.

Проектные разработки по реконструкции жилых домов серий 1-464, I-447, 1-510, I-515 и др. показали, что использование принятой технологии обеспечивает прирост общих площадей в следующем диапазоне: пристройка объемных эркеров - 19,4--20,6 %; пристройка объемных эркеров и надстройка мансардного этажа - 42,6-50,3 %; пристройка объемных блоков по периметру здания; с надстройкой полного и мансардного этажей - 70,5-72,8 %.

Одно- и двухэтажные объемные блоки обеспечивают настройку жилых зданий различных серий. При этом габаритные размеры блоков принимаются в соответствии с шагом внутренних несущих стен для крупнопанельных зданий, кратным размещению оконных проемов для крупноблочных и зданий с кирпичными стенами. Отличительной особенностью таких систем является возможность получения пространства зального типа, что обеспечивает гибкую планировку надстраиваемых этажей.

Сопоставительные данные по реконструкции с надстройкой мансардных этажей показали, что применение объемно-блочной надстройки снижает удельные трудозатраты в построечных условиях в 6-8 раз и себестоимость 1 м2 площади на 26-32 %.

Технологические этапы производства работ включают несколько взаимоувязанных во времени строительных потоков.

До производства работ по монтажу объемных блоков выполняется цикл нулевых работ, состоящий в устройстве фундаментов под пристраиваемые объемы в виде монолитных буронабивных свай и ростверка. Параллельно этим работам осуществляется цикл по созданию монолитного обвязочного пояса в парапетной части для последующего размещения на нем блоков мансардного этажа.

Разработаны технологии возведения надстраиваемых этажей методами монтажа полу-блоков и укрупненных на пролет объемных элементов, а также надвижки блоков.

При обстройке зданий объемными элементами и надстройке мансардным этажом наиболее рациональным является производство работ, когда формируется два строительных потока, одним из которых производится цикл надстройки, а другим - осуществляется монтаж с транспортных средств пристраиваемых объемов.

Применение индустриальных технологий производства работ позволило разработать ряд организационно-технологических моделей, обладающих многовариантностью, технологической гибкостью и организационно-технологической надежностью.

Оптимизация монтажных процессов надстройки и обстройки зданий

Использование объемных блоков заводского изготовления потребовало разработки оптимизационных моделей взаимодействия различных средств механизации по укрупнению элементов, их монтажу, доставке на приобъектные или внутриквартальные базы, подбору состава бригад, по доводке элементов и т.п. Основная цель исследования оптимизационных моделей состоит в определении условий непрерывного процесса надстройки и обстройки зданий с целью создания ритмичных потоков, близких к конвейерной схеме производства работ, при условии случайных воздействий на продолжительность составляющих процессов. В качестве критерия оптимизации в каждой из рассматриваемых моделей принимается стоимость производства работ с учетом факторов простоя монтажных кранов или образования очереди из транспортных средств по доставке объемных элементов, их времени обслуживания по укрупненной сборке и доводке. Рассмотрены варианты моделей, когда монтажные элементы подаются непосредственно под монтажный кран и модель с промежуточной площадкой-складом для укрупнительной сборки.

I. Модель с двумя кранами и доставкой блоков под монтаж автотранспортными средствами.

Используется двусторонняя схема монтажа объемных блоков пристройки и надстройки этажей из полублоков.

В математическом плане постановка задачи состоит в рассмотрении системы, включающей два прибора (крана) и входной пуассоновский поток заявок (доставка блоков автотранспортом) с интенсивностью l. Время обслуживания представляет собой цикл для установки элемента, который включает строповку, подъем, перемещение и установку в проектное положение с устройством временных и постоянных связей и креплений. Этот параметр обозначим через m.

Поступающая заявка (доставка объемного элемента) немедленно направляется на свободный прибор (кран). Если оба крана заняты на выполнении монтажных операций, то транспортные средства образуют очередь. При освобождении любого из кранов на него немедленно направляется заявка (автотранспорт с объемным блоком), стоящая в очереди. Стоимость простоя крана в единицу времени равна С1, а стоимость простоя автотранспорта (заявки) в очереди равна С2. Требуется найти значение, при котором затраты в единицу времени минимальны.

Состояние системы в момент времени t может быть описано переменными, имеющими вероятностный характер. Например: вероятность того, что оба крана работают, равна Рп и в очереди находится п ³ 0 автотранспортных средств; вероятность того, что один кран простаивает, Р-1, вероятность простоя двух кранов - Р-2.

С помощью дифференциальных уравнений Колмогорова находятся стационарные вероятности Р_-1 = (1/r)Р₀; Р_-2 = (1/2r²)Р₀, Р_кr^кР₀ при к ³ 0.

Здесь введено обозначение r = l/2m.

Используя условие, что сумма вероятностей получаем

Поскольку Р_i - это средняя доля времени, которое система проводит в состоянии i, то стоимость затрат системы в единицу времени W(C₁, С₂) в стационарном решении равна

Оптимальное значение l (C₁, С₂), при котором затраты W(C₁, С₂) минимальны

Результаты численных методов расчета показали, что при интенсивности монтажа объемных блоков m1 = 2, m2 = 1,5 и m3 = 1 шт/ч непрерывная работа двух монтажных кранов будет достигнута при интенсивности доставки, равной соответственно 3,5; 2,7 и 2,2 блока в час.

При этих значениях достигаются суммарные минимальные затраты и обеспечивается непрерывный цикл производства работ.

На рис. 10.49 приведены графические зависимости вариантов.

Рис. 10.49. Оптимизация по стоимости интенсивности доставки блоков на монтаж при продолжительности установки m1 = 2, m2 = 1,5 и m3 = 1 блок/ч

II. Организационно-технологическая модель, которая учитывает очередь автотранспортных единиц с блоками при условии, что оба крана заняты на монтажных процессах. При длине очереди т происходит возврат (отказ) автотранспортного средства с объемным блоком. Стоимость отказа составляет С3.

При количестве отказов в единицу времени (смену) С₃lР_т оптимизационный критерий может быть описан следующей зависимостью

(4.5)

Выражая критерий через r, получаем

W(C₁,C₂,C₃) = C₁A₁(r) + C₂A₂(r) + C₃A₃(r), (4.6)

где

Поскольку W(C1,C2,C3) находятся в аналитическом виде, численные методы позволяют найти оптимальное значение l.

III. Организационно-технологическая модель с промежуточным складом и площадкой для доводки объемных блоков имеет место при реконструкции зданий квартала застройки с обстройкой и надстройкой этажей из объемных блоков. При этом поступающие автотранспортом изделия складируются на внутриквартальной площади, где осуществляются их укрупнение и доводка до полной заводской готовности: установка оконных блоков, выполнение работ по тепло- и гидроизоляции узлов и др.

Модель включает заявки двух типов - заявки крана для укрупнительной сборки и заявки монтажного крана.

Заявки первого типа с интенсивностью l поступают на кран укрупнительной сборки. Он обслуживает каждую заявку экспоненциально распределенное время с параметром v. После окончания обслуживания заявка превращается в заявку второго типа - укрупнительный блок переходит в очередь на обслуживание по монтажному крану. Он обслуживает заявки экспоненциально распределенное время с параметром m. Суммарная длина очередей к крану по укрупнительной сборке и монтажному крану не должна превышать количество u. Если очередная заявка застает длину очереди, большую и, то она относится к зоне отказа (возврата).

Требуется разработать организационно-технологическую модель с минимальными затратами в результате простоя механизмов и возвращения блоков в результате отказа. Затраты за простой крана по укрупнительной сборке составляют C1, за простой монтажного крана - С2, стоимость возврата (отказа) - С3.

Состояние системы описывается двумя числами j и i - соответственных количествам заявок, стоящих в очереди к крану по укрупнению блоков и монтажному крану.

Решение дифференциальных уравнений для вероятности Р_ij нахождения системы в состоянии (i, j) в стационарном режиме имеет вид:

где

Вероятность того, что будет простаивать монтажный кран, равна

вероятность простоя крана по укрупнительной сборке составит

вероятность отказа (возврата автотранспорта с блоками на завод) составит

Критерий эффективности может быть описан следующим соотношением

На рис. 10.50 приведены результаты расчета по оценке оптимальной интенсивности укрупнительной сборки и доводки блоков с учетом стоимости эксплуатации машин, их простоя, а также возврата блоков при отсутствии на укрупнительной площадке свободных стендов и различных соотношениях (С1, С2, С3).

Рис. 10.50. Оптимальные интенсивности укрупнительной сборки и доводки блоков 1-4 при С3 = (0,1; 0,2; 0,3; 0,4)C1, где С1 - стоимость укрупнительной сборки; С2 - стоимость простоя монтажного крана; С3 - стоимость возврата блоков

Полученная методика позволяет оптимизировать и провести согласование циклов укрупнительной сборки и монтажа объемных блоков при минимальных затратах с учетом вероятностного характера продолжительности работы машин.

На рис. 10.51 приведены зависимости себестоимости производства монтажных работ от интенсивности подачи блоков. Кривая имеет минимум, который соответствует оптимальной подаче. При недогрузке кранов наблюдается более высокая себестоимость производства работ, чем при образовании очереди из автотранспортных средств.

Рис. 10.51. Зависимость себестоимости производства монтажных работ от интенсивности доставки блоков

Практическая реализация пионерного проекта показала качественное и количественное подтверждение исследуемых моделей.

Отличительной особенностью данного метода реконструкции жилых домов первых массовых серий является резкое снижение продолжительности строительно-монтажных и общего цикла восстановительных работ. Так, при надстройке мансардного этажа площадью 680 м2 продолжительность монтажных работ составила 8 раб. дней, а общий цикл - 2, 4 месяца.

Более высокая технологическая и экономическая эффективность достигается при комплексной реконструкции квартала застройки, когда кроме производства реконструктивных работ осуществляются возведение 9-12-этажных «вставок» между жилыми домами, а также освоение подземного пространства. Такое решение способствует уплотнению жилой застройки и получению дополнительных площадей различного технологического назначения.

Надстройка зданий из блок-комнат

Опыт мансардного строительства из штучных конструктивных элементов свидетельствует о достаточно высоких трудозатратах и значительной продолжительности возведения. Как правило, все виды работ выполняются вручную с минимальным оснащением средствами механизации.

Анализ трудозатрат показывает, что более 40 % расходуется на погрузо-разгрузочные работы, транспортирование материалов и полуфабрикатов к рабочим местам, около 8 % - на устройство подмостей, ограждений и временных защитных устройств для обеспечения безопасных условий работ и защиты жильцов от случайного падения материала или конструктивных элементов. Достаточно трудоемок цикл отделочных работ. Все это приводит к увеличению сроков возведения мансардных этажей, удорожанию работ и, как следствие, к повышению себестоимости жилья.

Снижение сроков строительства может быть достигнуто путем существенного повышения технологичности конструктивных элементов, их сборности и степени заводской готовности.

Для успешной реализации принципа сборности и заводской готовности необходимо переходить на легкие объемно-блочные строительные системы, обеспечивающие процесс возведения в виде монтажного цикла с минимальными затратами труда на отделочные работы и устройство стыковых соединений. Снижение массы конструктивных элементов способствует применению менее мощных и мобильных крановых средств, что весьма важно в стесненных условиях городской среды.

Аналогом объемно-блочного домостроения является технология реконструкции с надстройкой мансардных этажей из объемных блоков, разработанная академиком РААСН С.Н. Булгаковым.

Конструктивно объемные блок-комнаты представляют собой пространственную рамную конструкцию, состоящую из деревометаллического каркаса с утеплением наружных стен, наружной и внутренней изоляцией. Блок-комнаты имеют габаритные размеры, соответствующие шагу внутренних стен крупнопанельных зданий и существующей планировке реконструируемых зданий с кирпичными стенами. Они получают заводскую отделку с устройством пола, перекрытия, проемообразователей, кровельной части и т.п.

Из-за ограничения в габаритных размерах по высоте используется специальный крышевой блок, который устанавливается на элемент блок-комнаты.

Таким образом, используя объемные элементы, возможна надстройка одно- и двухуровневого мансардных этажей (рис. 10.52). Основой для их размещения является монолитный обвязочный пояс, на который устанавливаются в определенной последовательности блоки. Они различаются по своему функциональному назначению: блок-комнаты (угловые, рядовые) с лестничными маршами, кухонные и т.п. В таблице 10.8 приведены их основные характеристики для возведения одноуровневых и двухуровневых мансардных этажей. Они выполняются угловыми, рядовыми, в виде лестничных и крышевых блоков.

Рис. 10.52. Конструктивно-технологическая схема надстройки зданий из объемных блоков заводской готовности

а - одно- и б - двухэтажные надстройки; 1 - обвязочный пояс; 2 - объемный блок жилой; 3 - крышевой блок

Таблица 10.8

Основные типы объемных блоков

Тип блока	Одноуровневая мансарда	Двухуровневая мансарда
1-й уровень	2-й уровень
Рядовой блок
Угловой блок
Лестничный блок

По длине блоки изготавливаются с превышением ширины корпуса до 2,1 м, что позволяет получать дополнительные площади и размещать под ними лоджии.

Для получения больших площадей используются объемные блоки, одна из внутренних стен которых выполняется с широким проемом. При их объединении формируется планировочное решение, обеспечивающее полутора- или двукратное увеличение площади комнат.

Процесс надстройки зданий состоит в устройстве обвязочного пояса, на монтажный уровень которого устанавливаются объемные блоки. Они крепятся основанием к закладным деталям пояса, а взаимное сопряжение осуществляется с помощью болтовых соединений.

Технологическая последовательность монтажа осуществляется по нескольким схемам. Первая схема предусматривает посекционный последовательный монтаж блоков на полную ширину корпуса с направлением монтажного потока от торцевой части здания. Вторая схема базируется на порядовой установке, когда первоначально монтируется внешний, а затем внутренний ряд блоков. При ступенчатой схеме установки используется последовательный монтаж на ширину здания первоначально нескольких блоков нижнего яруса с последующей установкой второго яруса и крышевых элементов. Дальнейший монтаж производится поэлементно со смещением на один блок (рис. 10.53).

Рис. 10.53. Технологическая последовательность монтажа блоков

а - последовательная на ширину пролета; б - осевая; в - ступенчатая

Наиболее рациональной является первая схема, которая позволяет выполнять цикл санитарно-технических и другие коммутационные работы путем соединения гибких связей с существующими сетями. В этом случае установка последующего блока осуществляется после завершения работ, связанных с подключением и объединением сетей.

При возведении одноуровневых мансардных этажей по мере установки угловых и рядовых блоков осуществляется монтаж кровельных, что обеспечивает защиту от атмосферных осадков.

Монтаж считается завершенным после окончательного крепления блоков и заделки швов между ними. Для обеспечения технологической надежности соединений осуществляются теплоизоляция стыков и их защита путем установки нащельников и других приспособлений.

При возведении 2-уровневых мансард технологический цикл монтажа осуществляется по горизонтально-восходящей схеме, когда установка блоков производится поочередно для первого, затем второго уровня и оканчивается монтажом крышевых блоков.

Особое место в производстве работ отводится обеспечению геодезической точности установки блоков как по вертикали, так и по плоскости этажа. Для выверки блоков в проектное положение используются механические домкраты-вкладыши, которые позволяют перемещать блок в плане до совпадения с осевыми проектными рисками.

Монтаж объемных блоков осуществляется автокранами на пневмоколесном шасси (МТК-40, МТК-63Б Като, Либхер) с телескопическими стрелами, обеспечивающими подъем и установку элементов массой до 10 т.

Особое внимание при монтаже блоков отводится соблюдению технологических регламентов и техники безопасности. В этом плане исключительно важным является обеспечение мер безопасного производства работ при строповке конструкций, подъеме, перемещении и установке в проектное положение. Для безопасного производства работ осуществляются оснащение блоков инвентарными ограждениями и навесными площадками, создание по периметру здания высоких подмостей, которые в последующем используются для размещения приспособлений по изоляции стыковых соединений.

В связи с определенной стесненностью производства работ наиболее рациональной следует считать технологическую схему, основанную на «монтаже транспортных средств». Согласование работ по доставке и монтажу обеспечивает создание непрерывного потока, существенно снижающего простои дорогостоящих кранов и сокращающего продолжительность производственных циклов.

При надстройке зданий мансардными этажами из объемных блок-комнат в качестве положительных факторов следует выделить снижение трудоемкости в построечных условиях, сокращение продолжительности работ, а также возможность проведения реконструкции зданий без отселения жильцов.

В то же время отрицательными факторами являются ограниченные возможности гибкой планировки помещений, большой удельный расход материалов вследствие необходимости создания пространственной жесткости блоков, невысокие капитальность и огнестойкость, достаточно высокая себестоимость 1 м2 реконструируемой площади.

Ограничения широкого использования данного метода связаны прежде всего с проблемой транспортирования конструкций, складирования в стесненных условиях прилегающих территорий жилых домов, отсутствия свободных площадок для размещения подъемно-транспортных средств и другими факторами.