Монолитное строительство

Введение   

     Моноли́тное строи́тельство — технология возведения зданий и сооружений из железобетона, которая позволяет в короткие сроки возводить здания и сооружения практически любой этажности и формы.

     Монолитные работы производятся  с созданием вентилируемого фасада. Также монолитные работы могут  осуществляться с использованием  отделки облицовочными материалами  как из натурального, так и  искусственного камня.

     В нашей стране в течение многих десятилетий принципы монолитного строительства предавались забвению: сборное домостроение, позволявшее возводить похожие между собой здания из готовых элементов, считалось предпочтительным.

     Между тем, монолитное строительство жилых домов куда менее материалоёмко, хотя и требует больших трудозатрат на метр готовой площади. В целом экономическая эффективность монолитного строительства настолько высока, что сегодня можно говорить о нём как о приоритетном направлении развития строительной индустрии.

     Остроумно разработанные опалубочные системы позволяют возводить любые элементы  конструкции здания. Из-за возможности постоянного продвижения опалубки «по телу» строящегося здания, опалубку, применяемую в монолитном строительстве, прозвали «скользящей».

     Соблюдение логистики операций позволяет рассчитывать на сокращённые (по сравнению с кирпичным строительством) сроки ведения работ. Монолитное здание изначально лишено щелей и просветов в местах соединения составных частей конструкции – что экономит время, затрачиваемого на заделку швов. Соответственно, звукопроницаемость стен и теплопотери монолитного строения оказываются низкими.

     Сравнительно невысокая стоимость квадратного метра жилой площади в монолитном здании обусловлена меньшими затратами на строительные материалы и, в силу лёгкости подобной конструкции, низкими расходами на возведение фундамента. Приемлемая себестоимость бетонных домов не в последнюю очередь стало причиной того, что монолитное строительство в России развивается всё более активными темпами.

     Однако преимущества без недостатков встречаются редко. Сейсмоустойчивость монолитных строений, из-за их крайней жёсткости, определяется возможностью конструкции выдерживать разнонаправленные колебания. В этом отношении высотные здания со стальным каркасом выглядят предпочтительнее. Есть сомнения и у экологов: по их представлениям, изоляция человека от электромагнитных полей (этому способствует арматурный каркас монолитных зданий) не желательна.

     Тем не менее, в условиях большинства городов России монолитное строительство имеет реальные и долгосрочные перспективы к развитию.

1. История развития монолитного строительства

      Железобетон как строительный материал первоначально стал применяться в монолитном варианте и получил широкое распространение во всем мире. Даже знаменитый изобретатель Т.А.Эдисон в 1908 г. запатентовал метод возведения домов из монолитного бетона в многократно оборачиваемой опалубке. За рубежом накоплен значительный опыт строительства из монолитного железобетона различных зданий, в том числе высотных.

     Альтернативой монолитному с начала 30-х годов стал сборный железобетон. За сборное строительство выступали крупнейшие авторитеты, в частности, известный французский архитектор Ле Корбюзье.

     Сборное строительство в нашей стране особенно широко стало применяться после Постановления Правительства СССР от 19 августа 1954 г. «О развитии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства». За период с 1960 по 1990 г. была создана крупнейшая в мире база индустриального (сборного) домостроения. Ежегодный ввод жилья к концу этого периода превзошел 100 млн м². Однако сборному строительству были присущи существенные недостатки.

     В условиях директивной экономики напряженный план и максимальное использование производственных мощностей было обязательным требованием. Переналадка и модернизация производственных линий была экономически невыгодна, что создавало тенденцию к длительному тиражированию одних и тех же серий сборных домов.

     С переходом строительного комплекса на рыночные отношения интерес к монолитному строительству начал значительно расти, поскольку этот метод позволяет существенно улучшить объемно-планировочные решения квартир и предложить потребителю более разнообразное и комфортное жилье.

     Многие годы монолитный способ возведения зданий не мог соперничать со сборным строительством по двум важнейшим показателям — трудозатратам и срокам возведения. Существенную проблему представляло и ведение бетонных работ на стройплощадке в зимний период.

     Теперь появились разработки, дающие возможность строить монолитные жилые дома с показателями, сопоставимыми с использованием сборного бетона.

     Ежегодное производство бетона для монолитного строительства в мире превышает полтора миллиарда кубометров. По объему производства и применения монолитный бетон намного опережает другие виды строительных материалов. В наиболее развитых странах показатель применения монолитного бетона составляет: США — 0,75, Япония — 1,2, Германия — 0,8, Франция — 0,5, Турция — 0,35, Италия — 1,1, Израиль — 2,0 и т.д. Россия, для сравнения — 0,15-0,2.

      На изготовление бетона для монолитного строительства расходуется больше половины мирового производства цемента. В монолитном исполнении возводятся промышленные и жилые здания, социально-культурные объекты, плотины, энергетические комплексы, телебашни.

      Технология монолитного строительства имеет в своем активе выдающиеся достижения. Особенно эффективно выглядят в монолитном железобетоне телевизионные башни, являющиеся достопримечательностями многих городов. Крупным успехом явилась построенная 20 лет назад по проекту Н.В. Никитина московская Останкинская телебашня, при общей высоте которой 537 м железобетонная часть составляет 380 м. Башня успешно выдержала пожар два года назад. Начавшись на отметке 430 м в стальной ее части, огонь в течение 20 часов проделал путь вниз более 300 м и был остановлен на отметке +80. Несмотря на то, что 70% напрягаемых канатов разрушились, башня устояла, что свидетельствует о высоких строительно-технических свойствах монолитного железобетона.

       Самая высокая в мире телебашня в канадском городе Торонто (555 м) построена из монолитного бетона. Самые высокие здания на всех континентах построены с монолитным железобетонным каркасом, в том числе мировые рекордсмены — два небоскреба нефтяного концерна “Петронас” в Куала-Лумпуре, Малайзия (432 м). В США построено уже более 100 небоскребов с монолитным каркасом, бетон уверенно вытесняет сталь из этой области строительства. В Москве из восьми высоток сталинского периода три имеют монолитный железобетонный каркас. В настоящее время разработана программа строительства в Москве 60 высотных зданий, в основном, в монолитном железобетоне.

       Строительство из монолитного бетона целесообразно по индивидуальным проектам для зданий и комплексов, выполняющих роль градостроительных акцентов, исторических центров городов, для зданий при комплексной застройке монолитными домами микрорайонов в городах и поселках, а также для зданий комбинированных систем, предусматривающих сочетание монолитных конструкций со сборными, кирпичными и другими.

       Годовой объем производства монолитного бетона и железобетона в России составляет, по оценке специалистов, 25–30 млн куб.м.

     Расход основных строительных материалов в зданиях повышенной этажности в монолитном железобетоне различается довольно широко в зависимости от конструктивной схемы, прочностных характеристик материалов, величины действующих нагрузок и других факторов. В среднем расход бетона на 1 м² общей площади этажей составляет от 0,4 до 0,7 куб.м, стали — от 25 до 70 кг.

    Наиболее выдающимся примером применения скользящей опалубки следует считать бетонирование кессона нефтедобывающей платформы в Норвегии, где периметр одновременно бетонируемых стен и диафрагм суммарно достигал 2 км. Скользящая опалубка одномоментно перемещалась с помощью 1000 гидравлических домкратов.

     Современные самоподъемные опалубки позволяют менять угол наклона стен. Так, при бетонировании стен здания солнечных часов в Диснейленде во Флориде угол их наклона менялся от 11 до 5 градусов. Наклон стены выставочного павильона на выставке ЭКСПО-92 в Севилье составил 15 градусов (для сравнения — наклон Пизанской башни — 6 градусов).

      Возможности реализации сложных планов зависят от конструктивных систем опалубки. Благодаря появлению разнообразных опалубочных систем здания, возводимые в монолитном железобетоне, приобретают все более сложные архитектурные очертания. Можно утверждать, что разработанные системы опалубки позволяют решать самые разнообразные задачи. При строительстве гостиницы в Гамбурге на плане первого этажа были запроектированы колонны самых различных сечений (круглая, крестообразная, трилистник и т.д.). Высота колонн составила 11 м. Арматурный каркас монтировался внутри опалубки в горизонтальном положении перед ее установкой в проектную позицию. Повышенная скорость монтажа различных систем опалубки из-за высокой стоимости рабочей силы может дать существенный экономический эффект. Так, ускорение монтажа на 6 минут на 1 м² опалубки при 200 оборотах, по подсчетам немецкой фирмы «Перн», дает экономию денежных средств в 1200 немецких марок на 1 м², что в несколько раз превышает стоимость самой опалубки.

      Примером высокоточных бетонных работ с помощью самоподъемной опалубки может служить строительство небоскреба высотой около 200 м во Франкфурте, где проемы в монолитных стенах фасада выполнялись с допуском ±5 мм. Периметр наружных стен здания в плане составлял 210 м. Темп бетонирования составлял 8 дней на один этаж. Качество поверхностей стен после смены опалубки делало возможным выполнение отделочных работ без дополнительной доводки (затирки).

      Монолитный бетон, в малоэтажном строительстве также находит достаточно широкое применение. опалубочные системы компании «Утинорд» (Франция) позволяют бригаде в 7 человек бетонировать ежедневно одну блок-секцию на две квартиры трех-, четырехэтажного типового дома.

      Монолитный железобетон обладает рядом преимуществ по сравнению с металлом при использовании в каркасах высотных зданий. Одно из основных преимуществ — более эффективная диссипация (рассеяние) энергии колебания зданий при ветровых нагрузках. Другое преимущество — поперечные сечения ядер могут иметь большие площади, что обеспечивает существенное повышение моментов сопротивления и соответственно незначительную деформативность таких зданий. При возведении высотных монолитных зданий применяются различные конструктивные системы. Наиболее распространенными являются системы с ядрами (стволами) жесткости в центре плана. Обычно в ядре жесткости находятся лифтовые шахты.

      Нередко вместо ядра жесткости по периметру плана здания бетонируется пространственный контур-оболочка, работающий совместно с дисками перекрытий и расположенными внутри колоннами, воспринимающими в основном вертикальную нагрузку.

     Например, горизонтальные отклонения верха здания относительно высоты обычно не превышают 1/1000 и, наконец, с разработкой высокоподвижных, высокопрочных бетонов подача материала на высоту может осуществляться бетононасосами, что намного эффективнее крановых операций, неизбежных при монтаже стальных конструкций. Для таких высотных зданий применяют бетон высокой прочности.

      В Далласе (США) при строительстве 58-этажного административного здания «Ту Юнион Сквер» в колоннах использовался бетон (цилиндрический) прочностью 133 МПа, т.е. в пересчете на кубиковую прочность это примерно 160 МПа. Применение сверхпрочного бетона позволило уменьшить расход стали более чем в два раза и на 30% снизить стоимость. Обычной же практикой является использование для этих целей бетона прочностью 60 МПа и выше.

      Для зарубежного строительства характерна высокая культура работы с бетоном. Так, при строительстве небоскреба «Уотер Тауэр» в Чикаго (74 этажа) были применены 24 состава бетонной смеси, различных по высоте здания. Для ствола жесткости и колонн каркаса наружных стен с 1 по 25 этаж использовали бетон прочностью 62 МПа, с 25 по 74 этаж прочность снижалась последовательно до 52, далее 41, 34 и 28 МПа. В междуэтажных перекрытиях применяли легкий бетон прочностью 45, 38 и 34 МПа. Это позволило на 26% снизить нагрузку от собственного веса, уменьшить глубину заложения фундамента, получить существенный экономический эффект.

       Здание нефтяной компании «Петронас» в Куала-Лумпуре на сегодня мировой рекордсмен среди небоскребов. Американский небоскреб «Сиерс», державший пальму первенства более 20 лет, в настоящее время второй. Небоскреб «Петронас» выполнен в виде двух рядом стоящих башен, соединенных примерно посередине стальным мостиком. Каждая башня круглого очертания в плане имеет по периметру 16 железобетонных колонн диаметром 2,4 м каждая, связанных в уровне каждого этажа кольцевыми балками, образуя внешний несущий каркас. Перекрытия выполнены монолитными по стальному профилированному настилу и опираются на кольцевые балки и ствол жесткости по центру сечения. Полная высота сооружения от основания свайного фундамента до верхней точки телеантенны на крыше — 582 м. Бетонирование велось в переставной опалубке с помощью бетононасосов.

      В США самый высокий небоскреб с железобетонным каркасом «Сауф Вакер» в Чикаго (296 м, что всего на 4 м ниже Эйфелевой башни в Париже). Общий объем уложенного бетона при его возведении составил 84 тыс. куб.м при средней прочности 84 МПа. Ежедневный объем укладки составлял 535 куб.м. Строительство обслуживалось всего одним насосом (фирмы Shwing), с вылетом стрелы с бетоноводом на месте укладки в 32 м.