Category Archives: АРХИТЕКТУРА

5,1. Несущие конструкции

В главе 3, при рассмотрении силовых и не силовых воздействий на здания и со­оружения отмечалось деление конструкции на несущие и ненесущие. Были также отме­чены случаи совмещения несущих и ограждающих функций одной конструкцией, на­пример, междуэтажным перекрытием. Но в целях последовательного усвоения специ­фики проектирования конструкций и их элементов начнем с раздельного рассмотрения несущих и ограждающих систем.

Основные типы несущих конструкций формируются на стержневых, плоскост­ных, висячих и объемно-пространственных элементов. Последние применяют как для перекрытий (своды, оболочки, купола), так и в качестве основных вертикальных несу­щих конструкций многоэтажных зданий в виде стволов жесткости или оболочковых (ко­робчатых) систем.

Для несущих конструкций применяют две группы материалов: жесткие и неже­сткие. К жестким относят камень, бетон, железобетон, армоцемент, металлические стержни с сечениями различной конфигурации, дерево. Нежесткие материалы разделя­ют на две подгруппы: гибкие и мягкие. Гибкие материалы — металлические тросы и ли­сты, мягкие — ткани и синтетические пленки.

Жесткие материалы чаще используют в конструкциях, работающих на сжатие и изгиб, нежесткие — в конструкциях, работающих на растяжение. Для обеспечения несу­щей способности и стабилизации геометрической формы конструкции из нежестких ма­териалов выполняют с предварительным натяжением.

По характеру статической работы все несущие конструкции подразделяют на плоскостные и пространственные. В плоскостных — все элементы работают под на­грузкой автономно, как правило, в одном направлении и не участвуют в работе конст­рукций, к которым они примыкают. В пространственных — все или большинство элемен­тов работают в двух направлениях и участвуют в работе сопрягаемых с ними конструк­ций. Благодаря этому повышаются жесткость и несущая способность сооружения и сни­жается расход материалов на его возведение.

Пространственные конструкции получили широкое развитие после изобретения стального проката и железобетона.

Выбор типа и материала несущих конструкций при проектировании определяет­ся величинами перекрываемых пролетов и высот сооружений. При малых пролетах при­меняют простые плоскостные и стержневые конструкции, при больших более сложные пространственные, экономическая эффективность которых возрастает с увеличением пролетов и высот.

Стоечно-балочная конструкция (рис. 5.1) является наиболее простой и распрост­раненной среди плоскостных. Она состоит из вертикальных и горизонтальных стержне­вых несущих элементов. Вертикальный элемент — стойка (колонна, столб) — представля­ет собой прямолинейный стержень, который воспринимает все вертикальные нагрузки от горизонтального элемента (балки), горизонтальные нагрузки, приходящиеся на стойку, и передает усилия от этих воздействий на фундамент. При этом стойка работает на внецен — тренное сжатие, продольный (редко и поперечный) изгиб. Горизонтальный элемент сто — ечно-балочной системы-балка (брус) — прямолинейный стержень, работающий на попе­речный изгиб под действием вертикальной нагрузки. Он имеет сплошные (прямоуголь­ное, тавровое, швеллерное, двутавровое или др.) сечение при пролетах до 12-! 8 м. При 50

Больших пролетах экономически ций сквозного сечения — ферм.

Оправдан переход к применению балочных конструк-

1……………… тттттл

Рис.5.1. Стоечно — балочные несущие конструкции: а — стойка, б — балка, в — стоечно — балочная конструкция с шарнирным сопряжением элементов, г — то же, с рамным, д — рамно — связевая схе­ма каркаса со связями в виде рам (I); стен жесткости (2); раскосов (3); е — схема пространствен­ного рамного каркаса, ж — сборные железобетонные элементы стоечно — балочной системы; 4 — двухэтажная колонна; 5 — колонна безбалочного перекрытия; 6.7 — V — и Т — образные колонны; 8 — совмещенный стоечно — ригельный фрагмент рамы; 9 — совмещенная конструкция ригеля и стенки жесткости; 10 — ригель; 11 — двускатная балка покрытия; 12 — ферма

Сопряжения вертикальных и горизонтальных элементов могут иметь различную жесткость, что отражается на характере их совместной работы. При шарнирном опира — нии балки обладают свободой горизонтальных перемещений и поворота на опоре. В связи с этим они передают на стойки только вертикальные усилия. При жестком сопря­жении балки со стойкой обеспечиваются совместность их деформаций и перемещений и возможность передачи изгибающего момента от балки на стойку. Такой вариант сто — ечно-балочной системы носит название рамы или рамной конструкции, а жесткий узел сопряжения бал к и со стойкой — рамного узла. Стоечно-балочные конструкции выполня­ют с различным числом пролетов и ярусов (этажей). Система несущих конструкций в виде многопролетной многоэтажной стоечно-балочной конструкции называется Каркас­ной конструктивной системой.

Каркас, состоящий из продольных и поперечных рам (рамный каркас), обладает пространственной жесткостью: его деформации под влиянием силовых воздействий ми­нимальны и не нарушают эксплуатационных качеств здания.

Современные конструкции каркаса выполняют из одного материала или из их со­четания, например колонна из железобетона, а ферма — из стали.

Наряду с древнейшими стержневыми плоскостными стоечно-балочными с сере­дины XX века внедрены пространственные перекрестные стержневые системы.

Перекрестные стержневые системы образуются из линейных взаимно пересека­ющихся под углом 90° или 60° элементов формирующими прямоугольную, диагональ­ную или треугольную сетку (рис. 5.2.) Совместная пространственная работа пересека­ющихся линейных элементов существенно повышает жесткость конструкции перекры­тия: по сравнению с обычными перекрытиями из отдельных плоскостных элементов (ферм или балок). Конструктивная высота перекрытия при этом уменьшается более, чем вдвое. Применение перекрестно-стержневой системы наиболее целесообразно для пе­рекрытия квадратных, круглых и многоугольных в плане помещений, с пропорциями в пределах 1:1 до 1:1,25. Пространственный фактор работы конструкции проявляется в этом случае наиболее эффективно. Для разгрузки основных пролетов целесообразно ус­тройство консольных свесов перекрестного покрытия в 0,20-0,25 величины основного пролета.

А

,1-1,5*/.

Деталь А

77777777777777777777777777777′

(ГФ

Т;

Я

Рис.5,2. Перекрестно-реб­ристые и перекрестно — стержневые перекрытия: А — из вертикальных пере­крестных ферм, а, б — при расположении ферм в двух направлениях; в, г — при расположении ферм в трех направлениях; Б — из стерж­невых дисков (поясных се­ток) и пространственной решетки между ними, а — разрез и план квадрат­ного перекрытия с консоля­ми; б — схема узлов

Различают две разновидности перекрестных систем: перекрестно-ребристые и пе­рекрестно-стержневые. Первые (рис. 5.2. А) выполняют из металла (из балок или ферм), железобетона (из сборных коробчатых элементов) и дерева (из дощатых элементов).

Перекрестно-стержневую конструкцию (структуру) выполняют главным образом из металла. Обычно она представляет собой систему из двух (четырех) плоских решет­чатых дисков, раскрепленных в двух направлениях наклонными стержнями, которые образуют серию одинаковых пирамид с обращенными вниз вершинами, раскрепленны­ми стержнями нижнего решетчатого диска (рис. 5.2, Б).

Плоскостные несущие конструкции зданий — стены, различно размещенные в здании и жестко связанные между собой: в деревянном срубе — врубками, в каменном доме взаимной перевязкой кладочных камней, в панельном здании — сваркой и замоно — личиванием стыков панелей, в монолитном — арматурой и бетоном.

Необходимую жесткость системе зданий с плоскостными несущими конструкци­ями, превращающими ее в пространственную сотовую этажерку придают горизонталь­ные диафрагмы жесткости — междуэтажные перекрытия, которые в зданиях выше двух этажей выполняют из железобетона. Изобретение железобетона позволило в зданиях стеновой (бескаркасной) системы выполнять и перекрытия из плоскостных элементов — железобетонных плит. Хотя бескаркасная система является древнейшей (начиная с де­ревянных изб и глинобитных лачуг) подлинный расцвет в капитальном многоэтажном (30-35 этажей) строительстве она получила в конце XX — начале XXI вв. с применени­ем железобетона в полносборных и сборно-монолитных конструкциях несущих стен и перекрытий (рис. 5.3). Технологическими и экономическими преимуществами бескар­касных конструкций являются совмещения их элементами несущих и ограждающих функций. Однако совмещение несущих и ограждающих функции в одном конструктив­ном элементе позволяет применять бескаркасную систему только в зданиях со стабиль­ной планировочной структурой при ограниченных размерах помещений. Поэтому она применяется преимущественно в жилищном строительстве из кирпича, сборного и мо­нолитного железобетона.

Арочные конструкции. Арка представляет собой брус криволинейного (цир­кульного, параболического или др.) очертания. Кривизна арки обеспечивается возмож­ность ее статической работы преимущественно на осевые (сжимающие) усилия, но вы­зывает (в отличие от балочных конструкций) не только вертикальные, но и горизонталь­ные реакции опор, так называемый распор (рис. 5.4). Это обстоятельство требует соот­ветствующего усиления опор или применения затяжки-связи, стягивающей пяты арки и работающей на растяжение. В последнем случае в опорах арки возникают только верти­кальные реакции. Работа арок преимущественно на осевые усилия позволяет перекры­вать ими значительно большие пролеты, чем балками.

Шшшшдшш

Б

Рис. 5.4. Арочно — сводчатые конструкции: а — арка; б — арка с затяжкой; в — цилиндрический свод; г — цилиндрический свод на стоечно — подкосных опорах; д — крестовый свод; е — сомкну­тый (монастырский) свод; ж — зеркальный свод; ЯАиКв — вертикальные реакции опор; Н — рас­пор; f — стрела подъема арки; 1 — распалубка; 2 — лоток 54

Замок

КИИЙН

ИИ НИН

При увеличении ширины арки в направлении, перпендикулярном ее пролету, об­разуется конструкция пространственной формы, называемая цилиндрическим сводом, В этой конструкции арочная кривая служит направляющей, а горизонтальная прямая — образующей поверхности свода. Поверхность цилиндрического свода относится к чис­лу линейчатых поверхностей, т. е. поверхностей, образованных перемещением по на­правляющим одной или группы прямых линий. Линейчатые криволинейные поверхно­сти наиболее широко применяются в строительстве, так как наличие прямолинейных образующих облегчает возведение конструкций, устройство опалубки и пр.

Конструкция цилиндрического свода при пространственной геометрической форме в статическом отношении является плоскостной. Если конструкцию свода мыс­ленно рассечь на ряд параллельных друг другу арок, то все они (при равномерно рас­пределенной нагрузке) будут иметь идентичное напряженное состояние и не окажут су­щественного воздействия на смежные арки,

В соответствии с функциональными и эстетическими задачами цилиндрический свод получил в архитектуре много модификаций. На базе пересечения двух цилиндриче­ских сводов с одинаковой стрелой подъема построен крестовый свод, состоящий из че­тырех фрагментов цилиндрической поверхности — распалубок и опертый на четыре точ­ки; при компоновке конструкции из четырех других фрагментов пересекающихся сводов — лотков образуется сомкнутый свод, опертый по контуру; при срезе вершины сомкну­того свода горизонтальной плоскостью образуется зеркальный свод и т. п. Все перечис­ленные модификации в отличие от цилиндрического свода являются пространственны­ми конструкциями не только по геометрической форме, но и по статической работе.

Конструкции сводов совмещают несущие и ограждающие функции. Применение арочных несущих конструкций требует дополнения их специальными ограждениями.

Разнообразные модификации цилиндрических арок и сводов были разработаны и широко применялись в эпоху Древнего Рима (I в. до н. э. — IV в. н. э.). Возводились эти конструкции из кирпича, тесаного камня и бетона. Дальнейшее развитие каменные сводчатые конструкции получили в эпоху романики и готики (X! — XV вв.) на базе ци­линдрических, а затем более сложных по форме стрельчатых сводов (рис. 5.5), возник­ших в зодчестве Арабского халифата (VIF — IX вв. н. э.) и занесенных в Европу в эпоху крестовых походов.

В современной строительной практике сводчатые конструкции выполняются преимущественно из железобетона, а арочные — из дерева, стали или железобетона.

Оболочки представляют собой тонкостенные жесткие конструкции с криволи­нейной поверхностью. Толщина оболочек весьма мала по сравнению с другими ее раз­мерами, Тонкостенность конструкции исключает возможность работы оболочки на по­перечный изгиб и обеспечивает ее работу на осевые усилия. Геометрические и статиче­ские свойства оболочек зависят от их кривизны и ее непрерывности. Геометрию поверх­ности оболочек характеризует их кривизна относительно двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостей, пересекающих оболочку по нормали к ней. В общем случае поверхно­сти оболочек имеют кривизну в двух направлениях. Такие конструкции называют обо­лочками двоякой кривизны. Полной характеристикой кривизны поверхностей является гауссовая кривизна К — величина, обратная произведению радиусов кривых, образуе­мых пересечением оболочки двумя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходя­щими через нормаль к ее поверхности;

K = \/RrR1.

Рис. 5.5. Стрельчатые арки и сво­ды: а, б — двухцентровая и четы — рехцентровая арки; в — стрельча­тый крестовый свод (построе­ние); 1′ — ребристый стрельчатый крестовый свод

Знак кривизны зависит от расположения центров радиусов кривизны по отноше­нию к поверхности. При расположении центров по одну ее сторону К имеет положи­тельное значение, по обе стороны — отрицательное (рис. 5,6). К поверхностям положи­тельной гауссовой кривизны относятся все купольные оболочки (сфероид или эллипсо­ид вращения и т. п.), оболочки переноса, бочарные своды и т. п. характерным примером поверхности отрицательной кривизны является гиперболический параболоид, форми­руемый перемещением параболы с ветвями вверх по параболе с ветвями вниз (рис. 5.7).

Рис. 5.6, Поверхности двоякой положительной (а, б) и отрицательной (в) кривизны

Если поверхность оболочки в одном из направлений имеет конечную величину кривизны, а в перпендикулярном ему — нулевую, то ее называют поверхностью нулевой кривизны (цилиндрическая и коническая поверхности). Такие поверхности относятся к линейчатым, имеющим прямолинейную образующую.

Оболочки являются пространственными конструкциями как по форме, так и по существу статической работы, Их большая по сравнению с плоскостными конструкци­ями несущая способность определяется не дополнительным расходом материалов, а только изменением формы конструкции, способствующей повышению ее жесткости.

Рис. 5.7. Гиперболический параболоид: 1 — парабола с вершиной вверх; 2 — то же, с вершиной вниз; 3 — прямолинейные образующие; 4 — пространственный четырехугольник — гипар

Рис. 5.8. Схемы конструкций: а — плоской плиты; б — цилиндрического свода — оболочки; в — ци­линдрического свода; I — оболочка; 2 — бортовой элемент оболочки; 3 — диафрагма жесткости

Это становится очевидным при сопоставлении конструкций плоской плиты с простран­ственной конструкцией длинного цилиндрического свода — оболочки нулевой кривиз­ны, примененных в условиях равенства пролетов и нагрузок (рис. 5.8). Стабильность формы цилиндрической оболочки обеспечивается торцовыми диафрагмами жесткости. Статическая работа, геометрическая форма и размещение в пространстве цилиндричес­кого свода-оболочки существенно отличаются от работы свода. Цилиндрический свод — оболочка-безраспорная конструкция, работающая на поперечный изгиб как балка про­странственной формы, свод — распорная конструкция, работающая преимущественно на осевые усилия. Для обеспечения последнего условия кривая свода принимается по­логой, в то время как для повышения жесткости свода-оболочки целесообразна большая кривизна формы, наконец, продольная ось длинного цилиндрического свода-оболочки размещается параллельно перекрываемому пролету, а продольная ось свода — перпенди­кулярно ему.

Цилиндрические и коноидальные своды-оболочки используются по большей ча­сти в многоволновых одно — и многопролетных сочетаниях; применяют консольные и бесконсольные, параллельные и веерные оболочки, разнообразные формы жесткостных элементов (рис. 5.9).

Складки — пространственная конструкция, образуемая сочетанием под углом от­дельных плоскостей (складок) и диафрагм жесткости. Эта конструкция, как и цилинд­рические с воды-оболочки, изобретена в XX в. и имеет аналогичную схему статической работы. Геометрические формы складчатых конструкций различны: отдельные складки могут иметь треугольное и трапециевидное сечение и иметь друг с другом параллель­ные, веерные или встречные сочетания (рис.5.10). Складки применяются в покрытиях

57

Рис. 5.9. Многоволновые оболочки: а — консолированные; б — веерные; в — с серповидными диафрагмами жесткости; г — на отдельных опорах

Пролетом до 40 м и в высоких стенах при необходимости повышения их жесткости. По­лучило распространение сочетание складчатых стен и покрытий с жесткими сопряже­ниями между ними в виде пространственной рамной конструкции. Складки используют в арочных и шатровых покрытиях для помещений с прямоугольным, трапециевидным, многоугольным или криволинейным планом.

Конструкции покрытий из многоволновых оболочек и складок осуществляются в монолитном или сборном железобетоне. В последнем случае сборные элементы покры­тия представляют собой предварительно напряженный одноволновой (или односклад — чатый) элемент. Значительно реже конструкции складок и оболочек выполняют из стержневых металлических или деревянных элементов.

Оболочки двоякой крнвизны являются распорными конструкциями. В связи с разнообразием геометрических форм оболочек горизонтальная составляющая опорной реакции (распор) может иметь различную направленность: наружу — в куполах и волни­стых сводах, внутрь — в гипарах и лотковых сводах. Тонкостенные конструкции оболо­чек нулевой и двоякой кривизны в целом являются изобретением XX в. (инж. Дишингер и Бауэрсфельд). Исключение составляют лишь конструкции куполов, имеющие древ­нейшее происхождение. Однако в связи с тем, что до XX в. купола возводились только из камня, современные купольные конструкции из железобетона, армоцемента, метал­лических стержней существенно отличаются от каменных. Технические возможности применения камня в купольных сооружениях были исчерпаны в! тысячелетии н. э. при перекрытии здания Пантеона в Риме куполом диаметром 43,2 м., опертым на кольцевую стену, толщина которой для погашения распор достигала 8 м (рис. 5.11, см. вклейку в конце книги) и храма св. Софии в Константинополе куполом диаметром 31,5 м, опертым через систему из четырех сферических парусов только на 4 опоры (рис. 5.12, см. вклей­ку в кот(е книги). В отличие от массивности опорных конструкций Пантеона в храме св. Софии распор купола передан на арочные усты и полукупола смежных пролетов. 58

V

/мук

\М/

АДА

| 2-Зи____________________ [

Рис. 5.10 Складчатые конструкции: а — формы и габариты сечений монолитных и сборных складок; б — схемы размещения устройств верхнего света; формы покрытий; в — парал­лельными складками; г — то же, веерными; д — то же, встречными; е — складчатые рамы; при­меры фрагментов покрытий: ж — встречными складками; и — сочетанием веерных и встреч­ных складок

В XX в. при возведении куполов из железобетона и металла наступил новый этап развития купольных конструкций. Изменились геометрические параметры куполов: толщина оболочки, пролет, стрела подъема. Устойчивость каменной конструкции купо­ла требовала стрелы подъема около половины его диаметра. Железобетон позволил уменьшить стрелу подъема купола до 1/5-1/60 и одновременно достичь такой тонко — стенности его конструкции, которая превосходит тонкостенность биологических струк­тур (табл. 5.1.)

Тонкостенные железобетонные купольные оболочки проектируют гладкими, а также волнистыми или складчатыми. Стальные купола проектируют ребристыми, реб­ристо-кольцевыми или сетчатыми (рис. 5.13).

В XX в. получило распространение применение сферических или эллиптических оболочек не только в виде отдельного сегмента сфероида или эллипсоида (купола), но и в виде так называемых парусных оболочек, образованных сечением сферического (эл­липсоидного, торового) сегмента вертикальными плоскостями. Это позволило приме­нять парусные оболочки для покрытия помещений с треугольным, квадратным или мно­гоугольным планом. Контур среза оболочки вертикальными плоскостями усиливают ди­афрагмами или криволинейными балками. Для перекрытия круглых в плане помещений наряду с гладкими применяют ребристые, складчатые или волнистые своды и купола (рис. 5.14).

Геометрические характеристики куполов

Таблица 5.1.

Характеристики

Объекты

Римский Пантеон, 125 г.

Собор св. Софии, 537 г.

Большой олимпийский Дворец спорта в Риме 1959 г.

Куриное яйцо

Пролет 0, м

43,2

31,5

122

0,04

Толщина 5, см

120-180

60-80

8

0,04

5/0

1/30

1/45

1/1525

1/100

Отношение высоты к диаметру купола

1/2

1/2

1/6

1/2

Волнистые своды и купола представляют собой варианты оболочек, гладкая по­верхность которых заменена волнистой. Применение волнистой поверхности может быть вызвано статическими (повышение жесткости), функциональными (устройство светопрозрачных включений по боковой поверхности волн или в их торцах) или компо­зиционными требованиями. Чаще всего волнистые купола и своды применяются в по­крытиях большепролетных общественных зданий — крытых рынков, цирков, выставоч­ных павильонов и т. п.

Из оболочек отрицательной кривизны наибольшее применение получили гипары благодаря выразительности и вариантности формы, а также относительной простоте возведения. В строительстве и проектировании используют одиночные гипары и их раз­нообразные сочетания — шатры и купола из нескольких гипаров (рис. 5.15). 60

Рис. 5.13. Современные купольные конструкции: а, б — тонкостенные гладкие; в — волнистый купол из железобетона; г — ребристый; д — ребристо — кольцевой, е — сетчатый купол из стальных стержней

Рис, 5.14. Тонкостенные оболочки положительной Гауссовой кривизны: а, б — оболочки переноса на прямоугольном и квадратном плане; в — сферическая парусная оболочка покрытия на треугольном плане; 1 и 2 — образующая и направляющая оболочки переноса; 3 — диафрагма жесткости; 4 — оболочка

Комбинированные оболочки. Начиная с последней трети XX в. получили ши­рокое применение для покрытий большепролетных зданий конструкции, скомбиниро­ванные из фрагментов оболочек с одинаковыми или разными знаками кривизны. Такие комбинации позволяют не только добиться выгодных технических параметров (умень­шение конструктивной высоты покрытия и пр.), но получить индивидуальную вырази­тельную форму для покрытий залов с различной формой плана. Комбинированные обо­лочки выполняют сборными или монолитными. Наряду с покрытиями залов тонкостен­ные оболочки эффективны в применении для инженерных сооружениях — башен, резер­вуаров и пр. (рис. 5.16).

Висячие конструкции изобретены выдающимся ученым и инженером В. Г. Шу­ховым в 1896 г,, но стали широко использоваться только с середины XX в. Основными несущими элементами висячих конструкций являются гибкие тросы, ванты, цепи или кабели. Они работают только на растяжение и несут подвешенные к ним ограждающие горизонтальные, а иногда и вертикальные конструкции. Висячие конструкции проекти­руют плоскостными или пространственными. В плоскостных системах опорные реак-

61

Рис. 5.16. Примеры комбинированных тонкостенных оболочек для: а — покрытий; б — башен; в — резервуаров (по проектным предложениям МНИИТЭГ1)

Ции параллельных рабочих тросов передают на опорные пилоны, способные воспринять вертикальные реакции и распор, иногда последний передают на перекрытия обстраива­ющих зал помещений, либо на оттяжки, заанкерованные в фундаментах (рис. 5.17).

В пространственных системах обязательным конструктивным элементом помимо рабочих тросов является жесткий плоский или пространственный опорный контур (же­лезобетонный или стальной), воспринимающий распор от системы тросов, которые об­разуют криволинейную поверхность для укладки покрытия. Вертикальные реакции по­крытия передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или другие верти­кальные конструкции (рис. 5.18).

Работа основных элементов висячей системы только на осевое растяжение позво­ляет наиболее полноценно использовать несущие свойства материалов, применять са­мые эффективные из них (например, высокопрочную сталь) и обеспечивать минималь­ную массу конструкции. Однако такая легкая конструкция обладает повышенной дефор — мативностью при переменных кратковременных нагрузках (порыва ветра и т. п.). Для обеспечения геометрической неизменяемости висячей системы применяют различные способы ее стабилизации. В плоскостных системах для этого чаще всего прибегают к предварительному натяжению тросов путем укладки по ним сборных железобетонных плит с пригрузкой и замоноличиванием швов между плитами. После удаления пригруза тросы, стремясь сократиться до первоначальной длины, обжимают замоноличенное же­лезобетонное покрытие, превращая его в висячую опрокинутую жесткую оболочку.

Для стабилизации пространственных висячих конструкций часто применяют две системы тросов — рабочих и стабилизирующих (двухпоясная конструкция). Тросы обе­их систем располагаются попарно в плоскостях, перпендикулярных поверхности по-

Рис. 5,17. Однопоясные висячие покрытия: А — схема конструкции, Б — варианты передачи распора: а — на оттяжки, б — на конструкции трибун, в — на устои, г — на конструкции обстраивающих помещений; В — пример применения системы: общий вид и разрез спортивного зала а Берлине: 1 — ванты, 2 — поперечные рамы трибун

Рис. 5.18. Двухпоясные висячие покрытия на круглом плане: А — схема конструкций: а — с раздель­ными опорными контурами для рабочих и стабилизирующих тросов, б — то же, с общим опорным контуром, в — со стабилизирующими тросовыми фермами; В — пример применения варианта сис­темы "а": общий вид и разрез по залу здания Дворца спорта "Юбилейный" в С.-Петербурге

Крытия, и соединяются друг с другом жесткими распорками, создающими предвари­тельное натяжение тросов. В статической работе такой системы конструкция покрытия не участвует и может быть устроена по несущим (провисающим) или стабилизирую­щим (выпуклым) тросам.

Наиболее легкими и экономичными типами висячих конструкций являются мем­бранные и тентовые покрытия, совмещающие ограждающие и несущие функции.

Мембранные покрытия чаще всего имеют в качестве основного несущего элемен­та тонкий металлический лист, работающий на растяжение и закрепленный в опорном контуре. Конструкция мембраны может быть различной — плетенка из алюминиевых лент, сварная из отдельных стальных лепестков и т. п. Мембранные покрытия использу­ют в большепролетных общественных и промышленных зданиях. Максимальный про­лет (224×183) перекрыт металлическим мембранным покрытием, очерченным по эллип­соидной поверхности над Олимпийским дворцом спорта в Москве.

Материалом тентовых покрытий служат ткани или синтетические пленки, натяну­тые с помощью системы тросов-подборов или системы рабочих и стабилизирующих тро­сов. Основная область использования тентовых покрытий — временные сооружения боль­ших пролетов — цирки шапито, выставочные залы или спортивные павильоны, склады.

3 — 10507

Тентовые или висячие конструкции из мягких оболочек изобретены в середине XX века и получили применение наряду с временными сооружениями (склады, ангары, цирки шапито) в уникальных, но также ориентированных на недолгий срок эксплуатации объектах, например в Олимпийских спортивных сооружениях в Мюнхене (рис. 5.19) или выставочном павильоне «Миллениум» в Лондоне.

Рис. 5.19. Мюнхен. Олимпийский дворец спорта, Висячие покрытие мягкой оболочкой. Разрез и план: 1 — рабочий трос; 2 — трос — подбор; 3 — стойка

Пневматические конструкции изобретены в XX в. и применяются в строитель­стве с 40-х годов. Конструкция выполняется из воздухонепроницаемой прорезиненной ткани, синтетической пленки или другого мягкого материала. Конструкция занимает проектное положение благодаря избыточному давлению заполняющего ее воздуха. Раз­личают два типа пневматических конструкций — воздухоопорные и пневмокаркасные (рис. 5.20). Воздухоопорные конструкции используются в виде оболочек, полностью пе­рекрывающих запроектированное помещение. Проектное положение воздухоопорной пленки обеспечивается избыточным давлением крайне незначительной величины (0,002 -0,001 ат), которое не ощущается людьми, находящимися в помещении. Для сохране­ния постоянного уровня избыточного давления входы в помещения осуществляют через специальные шлюзы, оборудованные герметически закрывающимися дверьми, а в сис­тему инженерного оборудования здания включены вентиляторы, подкачивающие воз­дух в эти помещения. Характерные величины пролетов воздухоопорных оболочек — 18­24 м, но в уникальных сооружениях они могут быть значительно больше. 66

Рис. 5.20. Пневматические конструкции. Принцип действия и схемы: а — воздухоопорная; б — пневмокаркасная; 1 — воздухоопорная оболочка; 2 — шлюз; 3 — компрессор; 4 — анкер для крепления к земле; 5 — окно — иллюминатор из свегопрозрачного пластика; 6 — пневматическая арка; 7 — продольные связи — растяжки

Пневматические каркасы выполняют из длинных узких баллонов, в которых под­держивают избыточное давление в 0,3-1,0 атм. Конструктивная форма такого каркаса — арочная. Арки устанавливают вплотную друг к другу (образуя сплошной свод или ку­пол) либо на расстоянии. При устройстве сплошного купола или свода смежность бал­лонов обеспечивается устройством их из двух сплошных полотнищ, прошитых парал­лельными швами по ширине баллонов с образованием пневмопанели. При раздельной установке арок их устойчивость из плоскости обеспечивают растяжками, которые так­же служат промежуточными опорами для водо — и воздухонепроницаемости ткани по­крытия, натягиваемой по аркам. Шаг арок принимают 3-4 м., пролеты — от 12 до 18 м. Пневматические конструкции применяют преимущественно для временных сооруже­ний, требующих быстрого монтажа и демонтажа. Разнообразные пневматические кон­струкции активно используются в рекламных целях при возведении временных выста­вочных павильонов. Широко применяют пневматические конструкции в качестве опа­лубки при возведении монолитных железобетонных оболочек.

При проектировании зданий выбор типа несущих конструкций осуществляют с учетом назначения здания, его капитальности, величины перекрываемого пролета и тех­нико-экономических показателей вариантов. При относительно малых величинах про­летов (до 9-12 м) преимущественное применение получают стоечно-балочные и стено­вые конструкции. С ростом величины пролета (свыше 24 м) возрастает экономическая эффективность применения пространственных криволинейных, складчатых, висячих и других конструкций. В уникальных по назначению сооружениях при выборе несущих конструкций помимо технических большое значение приобретают художественные за­дачи — возможность использования в архитектурной композиции выразительности кон­структивной формы. Из числа основных материалов несущих конструкций предпочте­ние отдается железобетону, позволяющему обеспечить сокращение расхода металла, а также долговечность и огнестойкость сооружения. Металлические конструкции приме­няют при особо значительных величинах пролетов, либо при больших динамических нагрузках.

З*

5.2. Ограждающие конструкции

Согласно их наименованию конструкции несут в здании только ограждающие функции и в зависимости от их расположения могут быть наружными или внутренни­ми, вертикальными, горизонтальными или наклонными. Они, как правило, не участву­ют в пространственной работе конструктивной системы здания в целом, поэтому их ча­сто называют ненесущими. В то же время такие конструкции должны обладать необхо­димой несущей способностью в рамках своей ограждающей функции. Так навесные панели наружных стен должны обладать необходимой прочностью для восприятия на­грузки от собственной массы, ветра и других горизонтальных воздействий приходя­щихся на панель.

Вертикальными наружными ограждающими конструкциями служат фасадные стены, витражи, витрины. Особой композиционной особенностью ненесущих наруж­ных стен (в отличие от несущих стен) является возможность в соответствии с архитек­турным замыслом выполнять их с различным отклонением от вертикали.

Своеобразными наружными ограждающими конструкциями служат стационар­ные солнцезащитные элементы перпендикулярные наружной стене внешние стенки — солнцеломы, параллельные фасадной плоскости солнцезащитные ажурные решетки, го­ризонтальные козырьки сплошные или решетчатые. Материал стационарных солнцеза­щитных элементов — железобетон. Основная функция солнцезащитных ограждающих конструкций — защита внутреннего пространства помещений от избыточной солнечной радиации. Дополнительная (очень существенная) служить активным выразительным средством в общей архитектурной композиции здания. Выбор типа солнцезащитного устройства связан с ориентацией фасадов. Для южных — эффективно применение гори­зонтальных, для западных — вертикальных.

Вертикальными внутренними ограждающими конструкциями служат перегород­ки всех видов (стационарные, складные, раздвижные), а также конструктивные элемен­ты, совмещенные с инженерными системами — вентиляционные шахты и блоки, шахты лифтов, стенки санитарно-технических кабин.

К горизонтальным (и наклонным) наружным ограждающим конструкциям отно­сят светопрозрачные ограждения крытых атриумов, световых фонарей, к внутренним — элементы подвесных потолков и покрытий.

Основная ограждающая функция конструкции определяется ее местоположением в здании. Для наружной конструкции — теплозащитная, для внутренней — акустическая (в зависимости от типа здания — звукоизоляция, звукопоглощение или звукоотражение).

Дополнительные функции наружных ограждающих конструкций — долговечность, огнестойкость, эстетичность, технические качества (в зависимости от типа здания — све — топрозрачность, светопоглощение, светоотражение). Дополнительными функциями внут­ренних ограждающих конструкций являются огнестойкость и эстетические качества. Об­щими для ограждающих, как и для любых конструкций зданий являются требования эко­номичности (по единовременным и эксплуатационным затратам) и индустриальное™.

Следует иметь в виду, что возможность применения конструкций, выполняющих только ограждающие функции зависит от типа проектируемого здания. Так, например, в большинстве промышленных зданий и в большепролетных общественных, наружные стены, как правило, проектируют ненесущими. В то же время в мелкоячеистой объем­но-планировочной структуре жилых зданий наиболее общим принципом является про­ектирование конструкций, совмещающих несущие и ограждающие функции: конструк — 68 ции наружных стен выполняют функции прочности и теплоизоляции, междуэтажные перекрытия — несущие и звукоизоляционные функции, чердачные и цокольные пере­крытия — несущие и теплоизоляционные.

5.3. Конструктивные системы

Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость. Горизонтальные конструкции — перекрытия и покрытия здания воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая их поэтажно на вертикальные несу­щие конструкции. Последние в свою очередь передают эти нагрузки и воздействия че­рез фундаменты основанию.

Горизонтальные несущие конструкции массовых капитальных гражданских зда­ний, как правило, однотипны и обычно представляют собой железобетонный диск (сборный, монолитный или сборно-монолитный).

Вертикальные несущие конструкции разнообразны. Различают стержневые (стойки каркаса) несущие конструкции, плоскостные (стены, диафрагмы), внутренние объемно-пространственные стержни полого сечения на высоту здания (стволы жестко­сти), объемно-пространственные наружные конструкции на высоту здания в виде тон­костенной оболочки замкнутого сечения. Соответственно примененному виду верти­кальных несущих конструкций различают четыре основные конструктивные системы гражданских зданий — каркасную (рамную), стеновую (бескаркасную), ствольную и оболочковую (рис. 5.21). Наряду с основными широко применяют и комбинированные конструктивные системы (рис. 5.22). В этих системах вертикальные несущие конструк­ции компонуют, сочетая разные виды несущих элементов. К их числу относятся систе­мы: каркасно-связевая со связями в виде стен — диафрагм жесткости (каркасно-диафраг — мовая), с неполным каркасом (несущие наружные стены и внутренний каркас), каркас — но-ствольная, ствольно-стеновая, ствольно-оболочковая и др.

ЎIII!

I Iff т т 1 щ III

¦¦¦ t ¦ т

J i i i

—t———————————————— f—

——Ф——————————————- ^—-¦

I I

I

I i * *

I

II

Гггггг Несущие наружные стены *** Внутренние стены

^^ Нснссущне наружные стены = Консоли стеши

Рис. 5.21. Основные конструктивные системы зданий: I — каркасная; И — бескаркасная (стеновая); III — ствольная; IV— оболочковая

1 + П + 1П

4-4—Ы— » * ! ¦ +

Рис. 5.22. Комбинированные конструктивные системы: I — наружные несущие стены4 2 — то же, несущие; 3 — несущие внутренние стены

»Н!

Ы-М-4

Г + га

11 +IV

1-Ш

±1

Тт

Области применения основных и комбинированных систем различны.

Бескаркасная система является основной в массовом жилищном строительстве домов различной этажности, каркасная и каркасно-диафрагмовая — в строительстве жи­лых и массовых общественных зданий, ствольную, ствольно-стеновую, каркасно — ствольную применяют для жилых и общественных зданий высотой более 20 этажей, оболочковую, ствольно-оболочковую, оболочково-дафрагмовую — для многофункцио­нальных зданий выше 40 этажей.

Конструкции семейств ствольных и ствольно-оболочковых систем применяют преимущественно в уникальных высотных зданиях. Массовые объекты строительства проектируют преимущественно на базе разнообразных вариантов каркасных и бескар­касных систем. Варианты бескаркасных систем различают по признаку размещения вертикальных несущих конструкций в здании и расстояния между ними. Так, например, в зависимости от расположения несущих стен в бескаркасном здании различают пере — кресно-стеновой, поперечно-стеновой и продольно-стеновой варианты конструктивной системы (рис. 5.23). Конструкции перекрытий, применяемые в массовом строительстве, в зависимости от величины перекрываемого пролета условно делят на перекрытия ма­лого (2,4 — 4,5 м) и большого (6,0 — 7,2м) пролета.

Соответственно для перекрестно — и поперечно-стенового вариантов бескаркас­ной системы в технической литературе получили широкое распространение термины — бескаркасная система с малым, смешанным и большим шагом поперечных стен, кото­рые будут использованы в дальнейшем изложении.

Системы малого и смешанного шага получили массовое применение в жилищ­ном строительстве, системы продольно-стеновая и поперечно-стеновая большого шага — в массовых общественных зданиях школ, поликлиник и т. п.

Каркасные здания различают в первую очередь по расчетной схеме каркаса — рамной или связевой (см. рис. 5.1)

Несмотря на то, что рамный каркас (благодаря отсутствию вертикальных связе — вых конструкций) обеспечивает максимальную свободу планировочных решений, пре­имущественное применение в практике массового строительства получил связевый кар­кас. Здесь решающую роль сыграли его производственные преимущества (максималь­ная унификация конструкций и простота узловых сопряжений). 70

Рис. 5.23. Варианты бескаркасной системы

В семействе каркасных конструктивных систем в зависимости от расположения и наличия ригелей различают варианты системы с поперечным, продольным расположе­нием ригелей, неполным и безригельным каркасом (рис. 5.24). Основная область приме­нения каркасных систем — проектирование общественных и промышленных зданий. При выборе варианта конструктивной системы каркасных зданий учитывают объемно — планировочные требования: она не должна связывать планировочные решения, ригели каркаса не должны пересекать плоскость потолков помещений, а проходить по их грани­цам и т. п. Поэтому каркас с поперечным расположением ригелей применяют преимуще­ственно в зданиях с регулярной планировочной структурой (гостиниц, общежития, пан­сионаты и т. п.), совмещая шаг поперечных перегородок с шагом ригелей. Каркас с про­дольным расположением ригелей применяют, проектируя общественные здания слож­ной планировочной структуры (школы, лечебно-профилактические учреждения и др.).

71

Рис. 5.24. Варианты каркасной конструктивной системы: а — с продольным расположением риге­лей; б — то же, с поперечным; в — безригельный каркас

Неполный каркас применяют в зависимости от местных условий строительства, диктующих, например, применение несущих наружных стен.

Безригельный каркас в течение длительного времени применялся, главным обра­зом, в проектировании многоэтажных промышленных зданий. С конца 1980-х гг. в об­легченном конструктивном варианте он получил распространение в строительстве жи­лых и общественных зданий.

В промышленном строительстве основной является каркасная система. При этом в многоэтажных промышленных зданиях применяют как полный каркас (с ригелями), так и безригельный,

5.4. Строительные системы

Понятие — строительная система — является комплексной характеристикой конст­руктивного решения здания по признакам материала и технологии возведения его несу­щих конструкций[‡]. Различают четыре группы конструкционных материалов — камень (включая кирпич), бетон, металл и дерево, и два основных технологических метода воз­ведения — традиционный и индивидуальный. Например, для кирпичных зданий тради — ционна технология ручной кладки несущих стен, а для деревянных — применение руб­ленных бревенчатых стен. Наиболее распространенным является использование одной строительной системы при возведении здания. Такие строительные системы называют основными. Схема их классификации дана на рис. 5.25.

Однако часто функциональные особенности проектируемого здания или эконо­мические соображения приводят к необходимости сочетать по высоте (или протяженно­сти) здания различные системы, а в последних в свою очередь сочетать различные кон­струкционные материалы и технологии возведения. В таких случаях формируют комби­нированную строительную систему здания. Примеры комбинированных конструктив­ной, строительной и систем для многоэтажных домов с нежилыми первыми этажами даны на рис. 5.26.

За годы формирования в России многоукладной экономики объем применения и вариантность комбинированных строительных систем, особенно в индивидуальном проектировании, так называемых, многоэтажных элитных домов и в коттеджных мало-

Этажных, существенно возросли. Однако их конструктивная система преимущественно остается единой — бескаркасной, иногда комбинированной — каркасной в цокольных и подземных гаражных этажах и бескаркасной — в надземных жилых.

Строительная система зданий с несущими стенами из кирпича и мелких блоков являлась исторически одной из основных и за последнее время ее доля даже возросла в возведении жилых зданий различной этажности.

Известное повышение трудозатрат и стоимости при применении рассматривае­мой строительной системы внесли резкое изменение нормативных требований (увели­чение в 2-3 раза) к сопротивлению теплопередаче наружных стен. Практически для большинства районов России это привело к необходимости перехода от традиционных стен сплошной кладки к слоистым — трехслойным с эффективным утеплителем, несу­щая способность которых ограничена пятью этажами. Из большинства традиционных решений удается сохранить сплошную кладку из пустотелых керамических блоков и блоков из автоклавного ячеистого бетона, только в немногочисленных южных районах.

Полносборные каменные системы со стенами из заранее отформованных крупных кирпичных (керамических, каменных) блоков или панелей, изобретены и широко приме­нялись в б. СССР в 50-е — 60-е гг., но затем постепенно ушли из практики. С 1990-х гг. высокий энергоэкономическнй эффект и индустриальность слоистых кирпичных пане­лей стимулировали рост их производства в США и Канаде.

Полносборные здания из бетона возводят в крупноблочной, панельной, каркасно — панельной и объемно-блочной системах.

Крупноблочная строительная система применяется для возведения жилых и мас­совых общественных зданий (школ, поликлиник и т. п.). Предельная высота зданий — 16 этажей, масса блоков 3-5 т. Традиционно для наружных стен блоки формуют однослой­ными из легкого (или ячеистого) бетона, для внутренних — из тяжелого бетона. Разрез­ка стен на блоки (по высоте этажа) преимущественно двухрядная — на простеночные и

73

Рис. 5.26. Пример комбинированной панельной и каркасной системы по высоте жилого дома с встроенным магазином: а — поперечный; б продольный разрез: I — колонна; 2 — ригель каркаса нижнего яруса здания; 3,4 — несущие балки-стенки технического этажа; 5 — несущие стены жилых этажей

Перемычечные элементы. Установку крупных блоков ведут по принципу каменной кладки: на цементно-песчаный раствор и с перевязкой вертикальных швов. Создание крупноблочной строительной системы было первым этапом индустриализации строи­тельства зданий с бетонными несущими стенами. Внедрение панельной системы с бо­лее высоким уровнем индустриальности привело к сокращению объемов крупноблоч­ного строительства. Повышение нормативных теплотехнических требований к наруж­ным стенам способствует дальнейшему вытеснению крупноблочной строительной сис­темы, поскольку она ориентирована на однослойные конструкции стен, сопротивление теплопередаче которых в 2-3 раза ниже ныне требуемых. Поэтому крупноблочную сис­тему вытесняет из практики строительства комбинированная-блочно-панельная с круп­ноблочными внутренними стенами и панельными (многослойными) наружными.

Панельная система применяется в проектировании гражданских зданий высо­той до 30 этажей в обычных условиях строительства и до 14 в сейсмических. Несущие стены панельных зданий состоят из панелей высотой в этаж, протяженностью до 7,2 м, массой до 10 т. В отличие от крупных блоков стеновые панели не самоустойчивы: при возведении их устойчивость обеспечивают монтажные приспособления, в эксплуатации — специальные конструкции стыков и связей. Панели несущих стен устанавливают на цементно-песчаный раствор без перевязки вертикальных стыков.

С конца 1950-х гг. железобетонное панельное домостроение в СССР (как и в ря­де европейских стран) стало основой массового жилищного строительства, как его на­иболее экономически эффективная форма. К концу 1980-х гг. в стране функционирова­ло 600 домостроительных предприятий, обеспечивающих свыше 60% жилищного стро­ительства в стране в целом, а в крупнейших городах — 90%. В 1990-е гг. панельное до­мостроение в России, как и большинство передовых в технологическом отношении от­раслей промышленности переживало резкий спад. Он был связан с рядом организаци­онных просчетов в приватизации и резкого сокращения государственных инвестиций в социальную сферу — строительство жилья, школ и детских учреждений, поликлиник, являвшихся главными потребителями продукции домостроительных предприятий. К объективным причинам спада объемов производства в домостроительной промышлен­ности было отнесено и однообразие ее продукции. Руководителей предприятий устраи­вала политика в течение десятилетий «гнать план» типовой продукции с морально ста­реющими типовыми решениями домов и квартир. Героические усилия архитекторов и конструкторов по совершенствованию проектных решений массовых объектов удава­лось реализовать в ничтожных объектах.

В условиях рыночной экономики и поиска негосударственных инвестиций домо­строительная промышленность с 2000-х гг. вступила в период организационной перест­ройки. Сегодня она возрождается и базируется на учете требований рынка к разнообра­зию домов и квартир, внедрению элементов гибкой планировки и энергоэкономичных объемно-планировочных и конструктивных решений. Организационно это диктует рас­ширение производства преднапряженных длинномерных настилов перекрытий (для обеспечения гибкой планировки квартир), панелей наружных стен с высоким сопротив­лением теплопередаче, доборных изделий для зданий с комбинированными конструк­тивными системами (например, каркасно-стеновыми) или комбинированными строи­тельными системами (сборно-монолитными, кирпично-панельными и др.)

Четкая организационная структура домостроительной промышленности позво­ляет решать такие задачи оперативно. Так, в очень сжатые сроки домостроительные предприятия перешли с производства однослойных на трехслойные панели наружных стен с повышением почти втрое сопротивления теплопередаче. Домостроительная про­мышленность возрождается и в 2002 г. например, в Москве обеспечивает до 70% объе­мов городского жилищного строительства домов различной этажности, с квартирами различных уровней комфортности — коммерческого, муниципального и социального на­значения.

Неизменными остаются преимущества панельного домостроения перед традици­онным в меньшей массе конструкций (на 30-40%), суммарных затрат труда и сроков строительства более, чем на 30% и стоимости на 3-5%.

Ведущим техническим преимуществом панельного домостроения по сравнению с традиционным является его высокая пространственная жесткость, позволившая прак­тически без дополнительного увеличения затрат конструкционных материалов перейти

75

От 5-этажной к! 6-25 — этажной застройке и обеспечивающая сейсмостойкость сооруже­ний при разрушительных землетрясениях.

Каркасно-панельная строительная система

Каркасная система является основной в проектировании одноэтажных и много­этажных промышленных зданий и реализуется чаще всего из сборных железобетонных, реже металлических конструкций.

Каркасно-панельная система является также основной в проектировании общест­венных зданий высотой от I до 30 этажей. Внедрена в СССР в экспериментальное стро­ительство наряду с панельной во второй половине 1940-х гг., а в 1960-е стала основной в процессе индустриализации строительства массовых общественных зданий. В жи­лищном строительстве применяется редко (только при наличии соответствующей про­изводственной базы), так как уступает панельной по показателям затрат труда, сроков строительства и расхода стали.

Однако в проектировании массовых общественных зданий она лидирует, так как ее экономические недостатки искупаются компоновочными преимуществами. Каркас­ная система обеспечивает гибкость планировочных решений при проектировании и от­носительно недорогие мероприятия по модернизации и даже перепрофилированию зда­ний в процессе их эксплуатации. Такой относительно незначительный компоновочный недостаток каркасно-панельной системы, как наличие выступающих в интерьер риге­лей преодолим при использовании безригельных каркасов или подвесных потолков.

Естественно каркасно-панельное строительство (аналогично панельному) испы­тало те же затруднения, связанные с перестройкой экономики.

Наряду с этим каркасная система с середины 1990-х гг. получает развитие в мо­нолитном и сборно-монолитном вариантах многоэтажного коммерческого жилища, в котором колонны (или пилоны) служат обеспечению свободы планировочных решений квартир и встроенных в нижней ярусы здания паркингов.

Объемно-блочная строительная система

Система и конструкции бетонных объемных блоков (несущих и ненесущих) были разработаны и внедрены в экспериментальное строительство в СССР в конце 1950-х гг. В 1970-е гг. были отработаны технологические схемы производства объемных блоков различных конструктивных модификаций, методы их монтажа и завершен отбор более целесообразных монтажных механизмов, заводы объемно-блочного домостроения вы­шли на проектную мощность и новые конструкции получили внедрение в массовое жилищное строительство как в обычных, так и в сложных инженерно-геологических условиях.

Объемно-блочные здания возводят из крупных объемно-пространственных бе­тонных элементов весом до 25 т, заключающих в себе жилую комнату или другой фраг­мент здания. Объемные блоки устанавливают друг на друга как правило «столбами» — без перевязки швов.

Объемно-блочное домостроение обеспечивает существенное снижение суммар­ных трудозатрат (на 12-15% по сравнению с панельным) и прогрессивную структуру этих затрат. Объемно-блочную систему применяли при проектировании жилых зданий, гостиниц, общежитий, пансионатов различной этажности — от одного до 16 этажей.

Наибольший экономический эффект объемно-блочное домостроение обеспечи­вает при большой концентрации строительства, необходимости его осуществления в сжатые сроки и дефиците рабочей силы. В связи с тем, что такой мощной концентрации строительства в настоящее время не возникает, эта строительная система стала временно невостребованной. 76

Монолитная и сборно-монолитная строительные системы

Эти системы применяют преимущественно при возведении жилых зданий сред­ней и повышенной этажности со стеновой или каркасно-стеновой конструктивными си­стемами. К системам монолитного домостроения относят случаи возведения всех несу­щих конструкций из монолитного бетона, к сборно-монолитным — выполнения несущих конструкций частично из монолитного бетона, частично — из сборных железобетонных изделий. Монолитные здания, как правило, проектируют бескаркасными, сборно-моно­литные — и каркасными и бескаркасными. Применяют также монолитную каркасную или стеновую систему с наружными слоистыми стенами из кирпича (кирпично-моно — литную). Первые примеры эпизодического применения монолитного бетона для возве­дения стен и перекрытий гражданских зданий в нашей стране относятся к 1880-м гг. В!930-х гг. вновь возник интерес к этой системе, но она получила преимущественное применение при строительстве специальных сооружений — бункеров, силосов, силос­ных батарей и т. п. Качественно новый этап применения монолитного бетона в нашей стране начался в 1960-е гг. в известной мере под влиянием успешного опыта монолит­ного домостроения в Англии, Франции и некоторых других западных странах.

В 1970-х гг. проведены работы по созданию индустриальных опалубок, освое­нию технологии, возведению домов — представителей и всесторонней проверке эксплу­атационных качеств таких зданий в отечественных природно-климатических условиях. С 1980-х гг. монолитное домостроение составляет существенную и интенсивно разви­вающуюся отрасль жилищного строительства. С 1990-х гг. монолитное домостроение в России получает дополнительный стимул к развитию в связи с активизацией деятельно­сти совместных и зарубежных фирм, импортирующих разнообразное технологическое оборудование, что обеспечивает широкий диапазон технических решений и отбор наи­более совершенных.

На архитектурно-планировочные и конструктивные решения зданий существен­но влияет избранный метод бетонирования несущих конструкций зданий. При возведе­нии бескаркасных зданий преимущественно применяют скользящую, объемно-пере­ставную, щитовую (крупно-и мелкощитовую) и блочную опалубки, при возведении кар­касных — методы щитовой опалубки, подъема этажей (МПЭ) и подъема перекрытий (МПП). Своеобразной разновидностью сборно-монолитного домостроения в последнее десятилетие стала конструктивно-технологическая система зданий, возводимых в ос­тавленной опалубке из полимерных материалов.

Строительные системы зданий с несущими и ограждающими металличес­кими конструкциями получили распространение в малоэтажном строительстве легко­металлических производственных, а затем и общественных зданий комплектной по­ставки и в мобильных одноэтажных зданиях из блок — контейнеров различного типа.

Система легкометаллических зданий получила распространение в строительстве одно-, двухэтажных зданий микрорайонного и районного значения. Наиболее широко она внедряется в строительство предприятий торговли, общественного транспорта, свя­зи, питания и досуга. Легкометаллические конструкции зданий комплектной поставки освоены отечественной промышленностью в 1970-е гг., в 1980-е оно приняло массовый характер; были построены тысячи объектов, в 1990-е возник определенный «строитель­ный бум» в возведении наиболее легких типов таких зданий (преимущественно торго­вых и складских) с широким участием отечественных, совместных и зарубежных фирм.

В полный комплект конструкций зданий комплектной поставки входят стальные колонны, легкие пространственные конструкции, покрытия (чаще всего типа структу-

77

Ра), трехслойные панели наружных стен и покрытий с металлическими обшивками и эффективным утеплителем, специальные профили-нащельники стыков, витражи, окон­ные блоки, комплектующие изделия. Основные экономические преимущества системы заключаются в минимальных сроках строительства (быстровозводимые здания), сниже­нии массы конструкций и трудоемкости строительства. Соответственно применение та­ких конструкций особенно целесообразно в холодном и умеренном климате.

Строительные системы с несущими и ограждающими конструкциями из де­рева и пластмасс как в традиционном так и в полносборном вариантах имеют основ­ной областью внедрения малоэтажное массовое жилищное строительство. По противо­пожарным требованиям в зданиях выше двух этажей имеет место только выборочное использование деревянных конструкций, например для внутриквартирных перекрытий и лестниц в домах с квартирами в двух уровнях и т. п.

Наряду с этим расширяется объем применения строительной системы древесно — клееных конструкций комплектной поставки для большепролетных малоэтажных об­щественных зданий — спортивных залов, крытых рынков, выставочных павильонов, а также для промышленных зданий (преимущественно складских).

Возможность применения таких конструкций (рам, арок, каркасов, оболочек и др.) связана с внедрением прогрессивных технологий склейки древесины водостойкими синтетическими клеями, надежных методов их защиты от возгорания и гниения.

Глава 6. Композиционные основы проектирования зданий

6.1. Виды архитектурных композиций

Архитектурная композиция — целостная система архитектурных форм, отвечаю­щая художественным, функциональным и конструктивно-технологическим требовани­ям. Художественное единство должно быть присуще как композиции отдельных объек­тов, так и их комплексов. При архитектурном проектировании художественные средст­ва избирают с учетом назначения здания, эстетических закономерностей и психологии восприятия,

Основными компонентами архитектурной композиции здания служат его внеш­ний объем и внутреннее пространство. Построение композиции базируется на гармо­ничном, т. е. соразмерном единстве внешнего объема здания с пространством интерье­ров и окружающей среды, которое способствует созданию художественно завершенно­го целого.

Единство внешнего объема и внутреннего пространства зданий соблюдается, ес­ли архитектурная композиция обеспечивает соответствие размеров и форм объема фа­садов и интерьеров. Так, на приведенных на рис. 3.1, примерах жилого и общественно­го здания объем и пространство согласованы: мелкоячеистому дробному внутреннему пространству современного многоэтажного жилого дома отвечает его внешний мелко — члененный объем, а общественному зданию с зальным помещением — монолитный объ­ем с крупными членениями формы. Однако в отдельных случаях несоответствие внеш­ней формы и внутреннего пространства может быть специально предусмотрено и ком­позиционно оправдано.

Иногда к нему прибегают при создании композиций с большой идеологической программой в зданиях-памятниках, монументах. Таков, например, Покровский собор (храм Василия Блаженного) в Москве, воздвигнутый в память «Казанского взятия» в XVI в. зодчими Бармой и Посником (рис. 6.1). Храм представляет собой комплекс из де­сяти башенных объемов: девяти столпов храмов, посвященных святым, дни памяти ко­торых приходились на дни удачных сражений в походе на Казань, и десятого — колоколь­ни. Башни возведены на одном общем основании и объединены галереями*. При всем разнообразии форм башен и их декора зодчие достигли удивительного единства, торже­ственности и монументальности композиции. Внутреннее пространство храма, играю­щее подчиненную роль, мелко расчленено и лишено монументальности.

Если в зданиях взаимосвязь объемной формы и внутреннего пространства, как правило, обязательна, то в инженерных сооружениях она зачастую отсутствует. Так, в подземных станциях метрополитена имеется лишь внутреннее пространство, а в мос­тах, эстакадах, телевизионных и водонапорных башнях преобладает внешний объем. Однако композиционные задачи при проектировании инженерных сооружений не менее ответственны. При проектировании станций метрополитена помимо решения функцио­нальных задач — обеспечения нормальных условий движения непрерывных людских по­токов — архитектор с помощью эмоционального воздействия композиционных средств

* Первоначальный облик здания был еше лаконичнее и торжественнее. Храм состоял только из девяти кирпичных башен с белокаменными архитектурными деталями и светлыми главами из "луженого железа". Многоцветная окраска храма, пристройка колокольни и галерей относятся к XVII в.

79

Исключает возможность возникновения неприятных ощущений от пребывания подзем — лей и отсутствия естественной освещенности. При размещении в городской застройке или в природном ландшафте мостов, башен и других инженерных сооружений архитек­тор находит для них такие формы и пропорции, которые гармонируют с окружающей средой и способствуют ее обогащению.

Рис. 6.1. Покровский собор в Москве. Арх. Барма и Посник Яковлев. 1561 г. Общий вид и план на уровЕ1е крыльца

Внутреннее пространство является той основной функциональной средой, для создания которой возводится здание.

А | б

Композиции внутреннего пространства исходит из соответствия форм, разме­ров и взаиморасположения помещений функциональному процессу и требованиям ху­дожественного единства. В соответствии с назначением здания его внутреннее прост­ранство может быть: единым (крытый рынок), частично расчлененным не доходящими до потолка барьерами, светопрозрачными перегородками, решетчатыми ограждениями, которые выделяют отдельные функциональные зоны, но сохраняют целостность всего внутреннего пространства (операционный зал почтамта, банка); расчлененным преры­вистыми ограждениями (в виде колонн или пилонов), способствующими организации движения людей в интерьере и одновременно решению конструкций перекрытий (под­земный зал станции метрополитена); разграниченным глухими вертикальными (стены, 80 перегородки) и горизонтальными (перекрытия) преградами на отдельные замкнутые пространства (жилые, учебные, административные, лечебные и другие здания). Особен­ностью зрительного восприятия внутреннего пространства в отличие от восприятия внешних объемов является его развитие во времени. Композиция интерьеров и выбор художественных средств служат раскрытию взаимосвязи и соподчинения помещений.

Восприятие композиции интерьеров во времени в процессе движения в глубь зда­ния требует выявления его основной глубинной координаты. Средства выявления глу­бинности зависят от объемно-планировочной структуры здания. В анфиладной системе выявлению глубинности способствует размещение всех помещений и связывающих их проемов на одной оси. В нерасчлененном пространстве его глубинность выявляет со­кращение в воздушной перспективе расстояний между регулярно расположенными эле­ментами композиции интерьера — внутренними опорами, проемами, конструктивными членениями покрытия или перекрытия, рисунка пола и т. п.

Современная строительная техника значительно расширила возможности реше­ния интерьеров, причем важнейшими для композиции новыми техническими средства­ми стали использование большепролетных перекрытий, мобильных внутренних ограж­дений и больших светопрозрачных поверхностей наружных ограждений.

Непрерывно возрастает число типов зданий, внутреннее пространство которых должно вмещать одновременно большое количество людей и не иметь внутренних опор, препятствующих движению или зрительному восприятию (вокзалы, аэропорты, выста­вочные залы, крытые рынки, крытые зрелищные и зрелищно-спортивные здания и т. п.). Пространственные конструкции позволяют перекрыть пролеты любой функционально необходимой величины в таких зданиях, а своеобразные геометрические формы пере­крытий активно включаются архитектором в композиции интерьеров. Новые конструк­тивные системы освобождают наружные стены зданий от нагрузки и позволяют заме­нить их полностью или частично светопрозрачными ограждениями. Это дает возмож­ность связать внутреннее пространство с ландшафтом или городской средой. Однако прием полного раскрытия внутреннего пространства в наружную среду должен исполь­зоваться в строгом соответствии с функциональным назначением здания. Он уместен в здании вокзала, аэропорта, гостиной санатория, но вступает в противоречие с функция­ми в зданиях, где протекают интимные процессы или занятия, требующие сосредото­ченного внимания (жилые здания, парикмахерские, учебные аудитории).

Композиция внешних объемов подчинена цели создания художественного узна­ваемого образа здания, отражающего его функциональное назначение и условиям гра­достроительной среды. Для достижения этой цели применяют различные методы и средства. Различают два метода — функциональный и универсальный. Первый и базиру­ется на выявлении внутренней функциональной структуры здания соответствующими членениями его внешнего объема, второй — на создании обобщенной (как правило эле­ментарный) объемной формы (рис. 6.2).

Оба метода сложились в 20-е гг. Первый связан с творчеством ведущих мастеров функционализма (бр. Веснины, В. Гропиус), второй — с творчеством Мае ван дер Роэ, за­ключавшим в лаконичный объем стеклянной прямоугольной призмы здания любого на­значения (многоквартирный жилой дом, театр, офис, учебные аудитории вуза или вы­ставочный зал).

Массовая практика архитектурной композиции ближе к первому методу, но избе­гает буквального воспроизводства в членениях внешнего объема функциональной структуры, которое может нарушить художественное единство формы.

Рис. 6.2. Функциональная и универсальная композиция объемов зданий: а — Дессау. Учебный кор­пус института Баухаус. Аксонометрия и перспектива. Арх. В, Гропиус. 1926 г;, б — Чикаго. Кро — ун — холл. Учебный корпус архитектурного факультета. Общий вид и план. Арх. Мис ван дер Роз. 1955 г.

Требования композиционного единства диктуют необходимость ограничения членений объема зданий на небольшое число элементов или групп элементов. Эта необ­ходимость определяется психофизиологическими закономерностями человеческого восприятия. Установлено, что существует определенное ограниченное количество (7±2) одновременно наблюдаемых объектов, число которых непосредственно фиксируется со­знанием (правило Мюллера). Большее число объектов воспринимается лишь как некая совокупность, неопределенное множество. Применительно к восприятию архитектуры многочисленность относительно самостоятельных фрагментов композиции лишает ее единства, производит впечатление случайности, хаотичности.

Не менее важным для обеспечения единства композиции является соподчинение составляющих ее форм. Соподчинение возможно только при неравнозначности состав­ных элементов композиции: равнозначность элементов зрительно разрушает компози­цию, разлагая ее на единичные объемы. Следует иметь в виду, что неравнозначными в композиционном отношении могут быть элементы, геометрические размеры которых одинаковы, но различно их положение относительно оси симметрии, различна их мас­сивность или другие признаки. Так на рис. 6.3, а, средняя из трех равных частей преоб­ладает благодаря ее размещению на оси симметрии, а на рис. 6.3, б — верхняя из двух равных, воспринимается резко отличной из-за различной массивности.

Виды композиций. Проектируя, помимо учета функционального назначения здания и его влияния на выбор объемной формы, учитывают и с размещение здания в застройке. При этом любая простая или сложная композиция сводима к одной из четы­рех основных — объемной, фронтальной, высотной, глубинной — или их сочетаниям. 82

Объемная композиция имеет относительно равные размеры по всем трем коор­динатам. Она присуща большинству зданий цирков, крытых рынков, крытых спортив­ных сооружений или выставочных павильонов. Размещение объектов объемной компо­зиции в застройке должно обеспечивать возможность всестороннего обзора и в свою очередь требует согласование форм всех фасадов. Визуальному выявлению объемной формы способствует применение вертикальных членений фасадов благодаря их рит­мичным сокращениям в перспективе (рис. 6.4).

С А

СВ-

Рис. 6.4. Объемная композиция. Париж. Собор дома инвалидов. (Пантеон). Общий вид и план. Арх. А. Мансар. 1693 — 1706 гг.

Фронтальная композиция отличается преобладанием размеров по протяженно­сти здания над размерами по глубинной координате. В связи с этим построение компо­зиции внешних объемов осуществляется преимущественно в фасадных плоскостях. Фронтальные композиции присущи большинству дворцовых и учебных зданий. При размещении таких зданий в застройке учитывается, что для обеспечения целостного восприятия их фронтальности необходимо свободное пространство перед ними (пло­щадь, парадный двор и др.) — рис.6.5. Плоскостность фронтальной композиции обога­щают включением отдельных объемных или глубинных элементов, В качестве послед­них используют такие функциональные элементы зданий, как сквозные проезды, гале­реи, лоджии или «зеленые комнаты» (в южном жилище), эркеры, выступающие объемы групп входных помещений и т. п.

Высотная композиция отличается преобладанием размера высоты сооружения над его размерами в плане. Высотные композиции присущи древним культовым и обо-

20м

11:1! 11

; ¦УТУГ ЕВЕЕ

Рис. 6.3. Соподчинение равных объе­мов при их различном размещении (а) и массивности (б)

83

Рис. 6.5. Фронтальная композиция Версаль. Садовый фасад, дворца. Арх. А. Мансар

Решительным зданиям и сооружениям (храмы, колокольни, минареты, крепостные баш­ни) и современным высотным офисам, гостиницам, а также инженерным сооружениям — телевизионным, водонапорным, радиобашням. В высотных сооружениях композици­онно выявляется ведущая роль вертикальной координаты с помощью соответствующей системы членений и их пропорциональной согласованности. В архитектуре прошедших веков ведущим приемом гармонизации высотного объема служило его членение на яру­сы, массивность которых убывала по высоте, а высоты ярусов пропорционально согла­совывались с учетом перспективных искажений их действительных размеров при вос­приятии композиции с основных точек зрения. В современной архитектуре поярусное членение применяется сравнительно редко. Высотность башен чаще подчеркивают вер­тикальными членениями простых прямоугольных объемов или применением объемов пирамидной формы (рис.6.6). Последний прием усугубляет перспективное сближение граней высотного объема, создавая оптическую иллюзию увеличения высотности зда­ния. Эта и другие оптические иллюзии сознательно используются в архитектурных ком­позициях.

Глубинная или глубинно-пространственная композиция отличается развитием преимущественно по глубинной координате (рис. 6.7) Ее применяют в целях организа­ции продольно-осевых пространств в градостроительстве или интерьеров анфиладного типа. В градостроительстве характерно ее применение для обеспечения архитектурного единства относительно узких продольно-осевых уличных пространств, ориентирован­ных на расположенный в глубине этого пространства главный объект. Для усиления единства композиции фасады зданий обстраивающих улицу проектируют одинаковыми. Так решена ул. Уфицци во Флоренции, ориентированная на башню палаццо Синьории, ул. Росси в Санкт-Петербурге, ориентированная на здание Александрийского театра, или улица офисов в комплексе ЭУР в Риме, ориентированная на Дворец конгрессов (рис.6.7).

6.2. Композиционные средства-арсенал разработанных веками архитектур­ной деятельности приемов гармонизации архитектурных форм зданий, придания им ху­дожественного единства и выразительности. Ведущими композиционными средствами являются симметрия и асимметрия, контраст и нюанс, метр и ритм, пропорциональ­ность, масштаб и масштабность. 84

Рис. 6.6. Высотные композиции с поярусным членением: а — Москва. Колокольня Ивана Великого (XVI — XVII вв.); б — Колокольня Новодевичьего монастыря (XVII в); в — г. Гавр, Собор Св. Жозефа (XX в.)

Рис. 6.7. Глубинная композиция. Рим. ЭУР. Дворец конгрессов 1550 — е гт.

Симметрия — одинаковое расположение равных частей композиции относитель­но оси или плоскости, проходящей через ее центр, является одним из действенных средств организации объемов и пространства, так как имеет психофизиологическую ба­зу в симметричности органов восприятия. Процесс восприятия человеком пространст­ва определяется бинокулярностью органов зрения и парной работой больших полуша­рий головного мозга. Ориентация человека в пространстве связывается им с осью сим­метрии тела. Принцип симметричности собственного организма и системы восприятия человек переносит на построение создаваемых им структур, а симметричность создан­ных структур, в свою очередь, воспринимает как проявление завершенности, устойчи­вости и законченности формы.

Построению симметричной объемно-пространственной формы в архитектуре способствует также применение ряда конструкций, статическая работа которых строит­ся по законам симметрии (своды, купола и пр.).

Симметрия используется в построении композиций отдельных сооружений и це­лых ансамблей, способствуя подчеркнутому выявлению главного сооружения ансамбля (см. рис. 6.7). Использование симметрии возможно не всегда, а только в случаях, когда этот прием не входит в противоречие с функциональным решением здания. В зданиях со сложной функциональной схемой симметричное построение композиции трудно осу­ществимо. В этих случаях чаще всего используют асимметричные композиции. В отли­чие от математики асимметрия в архитектуре означает не просто отсутствие симметрии. При несимметричном расположении элементов такой композиции в пространстве ее ча­сти связаны между собой гармонией художественного единства и зрительного равнове­сия. Классическим примером симметричной композиции является Парфенон — храм бо­гини Афины на Афинском акрополе (рис.6.8), а расположенный там же храм Эрехтей — он, посвященный двум божествам — Афине и Посейдону, является столь же совершен­ным примером асимметричной композиции (рис.6.9, см вклейку в конце книги). В совре­менной архитектуре асимметричные композиции чаще всего применяются в проектах зданий, сочетающих разнородные функциональные элементы, — небольшие рабочие по­мещения с крупными залами.

Ритм и метр являются средствами гармонизации и обеспечения единства архи­тектурной композиции за счет повторяемости ее элементов. Ритм — закономерное чере­дование одинаковых или однохарактерных элементов композиции и интервалов между ними, динамично развивающееся по вертикали и горизонтали либо по обоим направле­ниям (рис. 6.10, а, б). Метр — простейшая и наиболее распространенная форма ритма — точное повторение форм и интервалов между ними. Распространенность метрических членений часто обусловлена функционально (одинаковый шаг равных проемов и про­стенков в одинаковых помещениях и пр.), конструктивно (из условий унификации и ти­пизации изделий) и композиционно, как наиболее простой метод придания сооружению единства. Метр может быть простым при одинаковом чередовании одной формы или сложным при чередовании двух или группы форм (рис. 6.10, в, г, д). Хотя метрические членения придают единство композиции, их простота и повторяемость иногда создают нежелательное впечатление монотонности. Во избежании этого применяют различные средства активизации метрических членений — сочетание нескольких простых или слож­ных метрических рядов, разрывы в метрических членениях по протяженности или высо­те здания, размещение здания по отношению к основной точке зрения К (рис. 6.10, е) та­ким образом, что метрические членения его фасада ОА воспринимаются в ракурсе (на плоскости восприятия ОВ) уже в виде ритмических. 86

Рис. 6.8, Афины. Парфенон. Арх. Иткин и Калликрат (447 — 432 гг. до н. э.). Фасад, продольный разрез, план и общий вид (современное состояние)

Пропорциональность — закономерные соотношения геометрических размеров здания (длины, ширины, высоты), его отдельных элементов (проемов, простенков и пр.) — имеют существенное значение в построении архитектурной композиции. Функцио­нально обусловленные размеры помещений и здания гармонизируют приведением их к пропорциональным соотношениям. Применяют целочисленные пропорции — нюансные (4:5; 7:8; 9:10 и т. п.) и контрастные (1:5; 2:7 и т. п.), либо иррациональные, получаемые из геометрических построений (соотношение диагонали квадрата к его стороне или др.). Наиболее известна пропорциональная система «золотого сечения», основанная на делении отрезка в среднем и крайнем отношении а! х = х/(а-х), численное выражение которого приблизительно равно 1: 0.618 (рис. 6.11).

Распространена гармонизация пропорций формы по методу геометрического по­добия ее частей. Подобие наиболее распространенных прямоугольных форм обеспечи­вается при параллельности или перпендикулярности диагоналей, составляющих форму элементарных прямоугольников.

Масштабность и масштаб также являются активными композиционными сред­ствами. Под масштабностью понимают взаимосвязь членений архитектурной формы с габаритами человека как основным мерилом ее величины, а также с элементами город­ской застройки и ландшафта. Наиболее действенными средствами выявления масштаб­ности сооружения являются элементы и детали, соразмерные человеку (ступень, окно).

I 11||||||| I I

Д

Отрезок

Масштаб характеризует крупность членений архитектурной формы по отноше­нию к размерам самого здания и окружающей застройки. Крупный масштаб членений придает монументальность композиции и позволяет при небольших размерах здания придать ему значительность. В то же время мелкий масштаб членения зрительно умень — 88 шает крупную форму. Средствами усиления монументальности крупных членений фор­мы являются введением контрастных соотношений больших плоскостей с малыми про­емами, преднамеренное усиление перспективных сокращений размеров и пр. Как отме­чалось выше, крупный масштаб присущ в большей степени архитектурным композици­ям общественных зданий, мелкий — жилым, хотя в конкретных градостроительных си­туациях возможны и другие решения (рис. 6.12).

Ь,=Ь<,.с

Нг

1,=1,-с

1^1, с

Рис. 6.11. Иррациональные соотношения и подобие геометрических фигур: а — отношение стороны и диагонали квадрата; б — деление отрезка в среднем и крайнем отношении; в — ряд "золотого сечения"; г — подобие прямоугольников; д — взаимосвязь подобных прямоугольников на основе арифметической прогрессии; е — то же, на основе геометрической прогрессии, примеры гармонизации пропорций фасадов на основе подобия прямоугольников: ж — фрагмент фасада палаццо Канчелярия в Риме (XV в.); и — анализ пропорций восточного фасада Эрехтейона в Афинах (V в. до н. э.) по Тиршу

Рис. 6.12. Крупный и мелкий масштаб членений архитектурной композиции: а — г. Кофу (Япония), Здание центра коммуникаций; б — Владивосток. 16 — этажный панельный жилой дом

6.3. Тектоника

Тектоникой называют художественную интерпретацию конструкции, образное отражение работы под нагрузкой конструкции и ее материала. Тектонической называет­ся такая модификация конструкции, которая приобретает художественную выразитель­ность, становясь одновременно и архитектурной формой. Сложение тектонической ар­хитектурной формы происходит значительно позже, чем возникает конструкция.

Так, например, древнейшая стоечно-балочная конструктивная система достигла художественного совершенствования лишь в середине первого тысячелетия до нашей эры в зодчестве античной Греции при формировании системы ордеров[§]. Ордерная сис­тема четко разделила все части системы по их конструктивной функции, придав им со­ответствующую художественную форму. Композиционное единство ордера достигалось пропорционированием его элементов в соответствии с единой величиной — модулем. Модуль принят равным радиусу колонны в ее основании. В античной Греции сложились три ордера: дорический — наиболее строгий и монументальный, ионический — с более утонченными членениями и нарядными формами и коринфский, отличающийся наи­большей утонченностью пропорций и пышностью форм. (рис. 6.13). В древнем Риме состав ордеров дополнен тосканским и композитным, а пропорции ордеров канонизи­рованы (рис. 6.14).

Основными элементами ордера являются вертикальный — колонна и горизонталь­ный — антаблемент. Колонна увенчана декоративной главой — капителью и имеет профи-

Римско-иоиический Римско-коринфский

Римскодлричеекие Зубчатый Модульным

Тосканский

Рис. 6.14. Древнеримские ордера и их модульное пропорционирование (модуль равен диаметру нижней трети по высоте колонны)

Лированное основание — базу[**]. Антаблемент состоит из трех основных горизонтальных элементов — собственно несущей каменной балки — архитрава, декоративного пояса над ней — фриза и верхнего, вынесенного за плоскость фасада водоотводящего элемента — карниза.

Ордерные композиции являются классическим примером превращения каменной стоечно-балочной конструкции в законченную систему художественных форм, образно отражающих прочность, устойчивость и характер внутренних усилий в конструкции: постепенное нарастание нагрузки к основанию колонны выявлено ее утолщением (эн­тазисом), вертикальная направленность внутренних усилий подчеркнута каннелюрами (бороздками) на теле колонны, а основной конструктивный узел — стык балки со стой­кой — пластически акцентирован капителью колонны.

Стоечно-балочные конструкции из камня, дерева и железобетона отличаются друг от друга по техническим параметрам. Художественная трактовка этих конструкций во­плотила специфику их материала. Малое сопротивление растяжению при изгибе камен­ных балок (архитрава) определило в системе ордера частый шаг каменных колонн, а так­же небольшой горизонтальный вынос капителей колонн и карниза антаблемента. Боль­шое сопротивление дерева растяжению при изгибе определило в формах деревянного ор­дера, сложившегося в средние века в странах Центральной и Восточной Азии, большой шаг колонн и большой горизонтальный вынос консолей, поддерживающих свесы крыши (рис. 6.15). В средние века развитие стоечно-балочной системы вылилось в тектоничес­кую систему фахверковых наружных стен — деревянного каркаса с ненесущим оштукату­ренным заполнением. Архитектурные формы фахверковых зданий отличаются легкостью, графичностью благодаря контрастной по отношению к заполнению окраске элементов каркаса, откровенным показом основных конструктивных элементов — стоек, подкосов и акцентированием опорных узлов резным деревянным декором. Хорошая работа дерева на изгиб позволила создать в средневековой архитектуре многоэтажных фахверковых домов консольные свесы верхних этажей над нижними (рис. 6.16, а, см вклейку в конце книги).

В современных несущих конструкциях в связи с переходом от шарнирных к же­стким (рамным) узлам ригеля со стойкой при шарнирном сопряжении с фундаментом создаются характерные признаки текноники стоечно-балочной системы — вертикальная опора, сужающаяся книзу, слитность ригеля и стойки в узле сопряжения и т. п.

Изобретение стального проката и железобетона и применение этих материалов в каркасных конструкциях позволили с конца XIX в. перейти к резкому увеличению этаж­ности зданий. В современных многоэтажных каркасных домах в тектонических целях прибегают к обнажению колонн на отдельных участках здания, но чаще всего в нижнем ярусе (рис. 6.16,6 см вклейку в конце книги), либо к его отражению на фасадной поверх­ности членением его лопатками и тягами.

Тектоника стеновых конструкции (рис. 6.17, см вклейку в конце книги). Художе­ственная трактовка стеновых конструкций сложилась применительно к каменным стенам ручной кладки. Элементы тектонической системы каменной стены, возникшие в антич­ной Греции, приобрели законченное выражение в эпоху Возрождения в Италии. Техника последовательной укладки камней горизонтальными рядами получила отражение в чле­нении стен горизонтальными профильными элементами — тягами, вычленяющими осно­вание стены (цоколь) и отдельные пространственные слои здания — этажи. Наиболее пла­стически развитая горизонтальная тяга — карниз — архитектурно завершает стену вверху.

Рис. 6.15. Конструкция итекгоничное решение стоечио-балочной системы: а — деревянная конст­рукция; б — каменная конструкция; в — античный каменный портик; г — средневековый деревян­ный портик (Китай); д — дорический каменный ордер; е — деревянный ордер в архитектуре Сред­ней Азии (по В. Л. Ворониной); ж — то же, архитектуре Монголии (по Б. Даажаву)

Снизу вверх нагрузка на стены убывает, что позволяет постепенно уменьшать их толщину. Тектонически эта особенность конструкции выявляется изменением отески облицовочных камней: от грубой объемной в нижнем ярусе стены к тонкой плоскостной в вернем.

Характерной особенностью каменной стены является ограничение ширины про­емов для сохранения необходимой несущей способности простенков. В связи с этим требуемая освещенность помещений достигается развитием проемов по высоте, а не по ширине. Только в малонагруженных верхних ярусах стены возможно уменьшение ши­рины несущих простенков и увеличение проемов. Тектонически это подчеркивается бо­лее сложной формой и декоративным обрамлением крупных проемов верхних этажей. В современной архитектуре фасадные стены часто теряют несущую функцию (нагруз­ки воспринимает каркас), что послужило основанием для формирования «атектонич — ных» композиций фасадов, подчеркнутых ленточными окнами, либо полностью стек­лянной витражной стеной (см. рис, 6.16, б и 6.18).

Рис. 6.18. Милан. Офисы фирм Пирелли и Гальфа с атектоничной композицией фасадов 1950-е гг.

Тектоннка арочных н сводчатых конструкций (рис. 6.19). В эпоху Древнего Рима арочные и сводчатые конструкции из камня и бетона получают не только техниче­скую, но и тектоническую разработку. В инженерных сооружениях тектоника арочных систем проявляется в ритмическом сочетании различных арочных ярусов и кратности их пролетов, а в гражданских зданиях дополняется завершенной системой профилиров­ки импостов и архивольтов — идентичным профильным венчанием опорных пилонов и обрамления арки. При одинаковых пролетах, нагрузках и высоте смежных полуцир­кульных арок их распор взаимно погашается, что позволяет заменить массивные опоры арок колоннами, несущими только вертикальную нагрузку. Соответствующая этой кон­струкции тектоничная система аркады на колоннах получает широкое распространение в архитектуре начиная с раннего средневековья. Аркада на столетия утверждается в ар­хитектуре как функционально целесообразное средство организации полуоткрытых (обходные галереи на площадях и улицах, в дворцовых, монастырских и храмовых дво­риках-клуатрах) и закрытых пространств (объединение пространства смежных конст­руктивных пролетов в дворцах и храмах) с заменой глухой стены отдельными опорами.

Применение аркады позволяет заменить плоскую преграду отдельными столба­ми. Использование крестовых сводов позволяет заменить опорный периметр стен че­тырьмя столбами. Применение системы крестовых сводов, изобретенных в Древнем Ри­ме в IV в. н. э., позволило перекрывать и объединять внутренние пространства площа­дью в сотни квадратных метров.

. ¦ — -:¦ I —

В Средние века сводчатые покрытия получили завершенную конструктивную и тектоническую форму в составе каменной сводчато-каркасной системы при строитель­стве храмов в эпоху романики и готики (ХП-ХУвв.). Для перекрытия храмов, содержав­ших три — пять продольных пролетов (нефов), применялась повторяющаяся связанная система из пяти-девяти цилиндрических крестовых сводов (романская травея) или трех — пяти стрельчатых (готическая травея).

Рис. 6.19. Тектоника арочных и сводчатых конструкций: А — в античном зодчестве; Б — то же, в средние века; В — в современном зодчестве; а — Гардский мост на юге Франции (II в. н. э.); б — ар­када на пилонах; в — то же на колоннах; г — детали импоста и архивольта; д — фрагмент плана не­сущей сводчатой конструкции (травеи) в романском зодчестве, е — готическая травея, ж — попе­речный разрез готической травеи; з — железобетонный арочный мост в Висбадене; и — железобе­тонный свод покрытия выставочного зала в Турине; 1 — крестовый стрельчатый свод центрально­го нефа; 2 — то же, бокового, 3 — аркбутан; 4 — контрфорс

Меньшая величина распора в каркасно-ребристых стрельчатых крестовых сводах по сравнению с применявшимися в романике цилиндрическими сплошного сечения позволила существенно уменьшить нагрузку на несущие конструкции и увеличить вы­соту внутреннего пространства готических храмов до 30-40 м.

Готические стрельчатые крестовые своды имеют каркасную конструкцию из ка­менных ребер — нервюр, расположенных вдоль стыков и по краю распалубок. Верти­кальные и горизонтальные усилия от покрытия передаются в отдельных точках пересе­чения нервюр на внутренние столбы, наружные наклонные арочные ребра (аркбутаны) и наружные столбы — контрфорсы, образующие каменный каркас в плоскости и из пло­скости наружных стен. В связи с этим свободное пространство между столбами оказа­лось возможным заполнить колоссальными окнами из цветного стекла — витражами, Тектоническая выразительность каркасного расчленения конструкций готического хра­ма (свода — на ребра и распалубки, стены — на отдельные столбы и витражи заполнения между ними) подчеркнута контрастом цвета и материала этих элементов.

Внедрение железобетонных арочных и сводчатых конструкций в XX в., благода­ря высокой несущей способности материала, позволило резко уменьшить стрелу подъ­ема и изменить тектонику сооружений (рис. 6.19, з, и).

Тектоника купольных покрытий, сложившаяся в каменном зодчестве антично­сти, практически сохранилась до ХХв. Ей присуще высокая стрела подъема, доходящая до величины радиуса купола. Такой подъем позволяет сократить величину распора мас­сивной каменной конструкции, который передают на кольцо несущих стен (при круглом плане подкупольного пространства) или на паруса и устои (при квадратном плане см. рис.5.11 и 5.12). Характерно, что во второй половине XIX в. и в начале XX в. несмотря на внедрение стали и затем железобетона архитектурные формы новых купольных со­оружений остаются традиционными. Но к середине XX века происходит своеобразный бум купольных форм: возникают тонкостенные гладкие, граненые, волнистые, складча­тые железобетонные купола, ребристые и сетчатые из стали и клееной древесины. Окончательно современная тектоника тонкостенных железобетонных куполов с низкой стрелой подъема складывается к середине 50-х гг. в творчестве П. Л. Нерви и Ф. Торро — хи (рис. 6.20). Таким образом, как и на протяжении всей истории зодчества эстетичес­кое освоение новых конструктивных форм существенно запоздывает.

Тектоника висячих систем новое явление в современной архитектуре. Изобре­тенные С. Шуховым в конце XIX в. висячие системы получили относительно широкое внедрение после Второй мировой войны, когда возникла необходимость строительства и применения экономичных большепролетных перекрытий при возведении аэровокза­лов, крытых спортивных залов и рынков, выставочных павильонов и др.

Внедрены многочисленные варианты висячих систем. Среди них далеко не все получили тектоническую трактовку. Так например, мембранные и двухпоясные систе­мы покрытий с плоским опорным контуром, примененные в Олимпийских Дворцах спорта Москвы и С.-Петербурга, в Бауманском рынке в Москве (рис. 6.21, а), не отраже­ны в объемных композиции этих зданий.

В то же время тектоничный характер могут получить здания как с покрытиями пло­скостной висячей системы за счет выразительной формы несущих устоев (рис. 6.21, б), так особенно, с пространственным покрытием на несущем контуре пространственной формы (рис. 6.21, в). Применение висячих покрытий способствует формированию не только новаторской объемной формы, но и необычной (и наиболее экономичной) ком­позиции интерьера (рис. 6.22). 96

Рис. 6.22. Тектоника висячих систем. Токио. Олимпийский плавательный бассейн: общий вид и

Интерьер. Арх К. Танге, инж. Е. Цубои

«-.?аМм

Рис, 6.20. Тектоника железо­бетонной купольной конст­рукции. Рим. Малый Олим­пийский дворец спорта. Инж. П. Л. Нерви. 1959 г. Общий вид и интерьер

4 — 10507

]

Обе< ное. Это1 по н

Ющ(

Ния. ход! ВОЗЛ стат фор’ тре>

Ж

Рис.6.21. Тектоника сооружений с висячими покрытиями: а — Москва. Крытый Бауманский рынок; б — Вашингтон. Аэропорт; в — г. Такамацу. Крытая спортивная арена: общий вид, разрез и аксонометрия несущих конструкций: 1 — несущие тросы, 2 — то же, стабилизирующие, 3 — опорный пилон, 4 — пространственный опорный железобетонный контур 98

Стив ганг

Щен тоть шш стрс ния, раж,

Лов!

СН^ (см.

Тель

0бМ1

Ривг юте: духе

Ские с с л г с с с

Ли>йЛПи! Ш/#Ш

УЩИИИИИНИИНЙ

4 —

?/ ‘/-/. ? * // //-7 ? ©й ЙЙИ — Ь Н—1 Н’ Г Т

4*

Глава 7. Физико-технические основы проектирования зданий и их ограждающих конструкций

Проектирование зданий как искусственной среды жизнедеятельности должно обеспечивать такое состояние среды, которое воспринимается человеком как комфорт­ное. Забота о создании комфортной среды проявляется на всех этапах проектирования. Этому способствуют правильное решение рассмотренных выше архитектурных задач по назначению размеров помещений, их пропорций, размеров проемов, связи с окружа­ющей средой, а также целесообразный выбор конструкций и инженерного оборудова­ния, Только при правильном решении технических задач могут быть обеспечены необ­ходимый уровень тепло-, звуко-, гидроизоляции помещений, оптимальные параметры воздушной среды, световой комфорт и пр. Значимость этих факторов различна, но до­статочно несоблюдения хотя бы одного из них (например, звукоизоляции), чтобы ком­фортное состояние среды превратилось в дискомфортное. В связи с этим комфорт вну­тренней среды определяется как совокупность оптимальных уровней всех ее характери­стик, не вызывающих чрезмерного напряжения высших регуляторных механизмов ор­ганизма человека.

7.1. Элементы строительной теплотехники

Оптимальный микроклимат, т. е. оптимальное состояние воздушной среды поме­щений по параметрам температуры, влажности, скорости движения воздуха и его чис­тоты, обеспечивается комплексом мер: расположением здания в застройке, его объемно — планировочным решением в соответствии с природно-климатическими условиями строительства, избранной системой искусственной климатизации помещений (отопле­ния, вентиляции, кондиционирования внутреннего воздуха) и выбором наружных ог­раждающих конструкций, обеспечивающихся необходимую теплозащиту помещений.

Взаимосвязь объемно-планировочных решений с природно-климатическими ус­ловиями строительства в типовом проектировании базируется на рекомендованном СНиП 11-23-01-99 «Строительная климатология» климатологическом районировании (см. гл.1)

Задача выбора наружных ограждающих конструкций решается методами строи­тельной теплотехники, которая базируется на общей теории теплообменных и массо — обменных процессов. При этом наружные ограждающие конструкции зданий рассмат­риваются в термодинамическом процессе как открытые системы, которые обменива­ются с внешней средой энергией путем теплообмена и веществами путем влаго — и воз­духообмена.

При проектировании зданий в первую очередь решают следующие теплотехниче­ские задачи:

Обеспечение необходимой теплозащитной способности наружных ограждений; обеспечение на внутренней поверхности ограждения температур, незначительно от­личающихся от температуры воздуха в помещении, во избежание выпадения на этой поверхности конденсата; обеспечение теплоустойчивости ограждения;

Создание осушающего влажностного режима наружных ограждений в эксплуатации; ограничение воздухопроницаемости наружных ограждений.

Теплотехнический расчет наружного ограждения в большинстве случаев осуще­ствляется для условий установившегося во времени (стационарного) процесса тепло — и массообмена. Эти условия в целях упрощения расчетов идеализируют природные процессы, в которых вследствие изменчивости параметров наружной среды (температу­ры и влажности воздуха) обменные процессы нестационарны. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций производится для отапливаемых помещений на зимние ус­ловия, когда тепловой поток направлен из помещений в наружную среду. Наружное ог­раждение рассчитывается как плоская стенка, разделяющая воздушные среды с различ­ной температурой и влажностью, ограниченная параллельными поверхностями, и пер­пендикулярная тепловому потоку. Ограждение считается однородным, если оно выпол­нено из одного материала, и слоистым, если состоит из нескольких материалов, распо­ложенных параллельно внешним плоскостям ограждения.

В стационарных условиях теплопередачи количество теплоты в Дж — 0, проходя­щего через ограждение, составляет

= (7.1.)

Где гн и т„ — температуры внутренней и наружной (теплой и холодной) поверх­ности ограждения в °С; Я — коэффициент теплопроводности материала ограждения, Вт/ (м°С); 5 — толщина ограждения, м; Р— площадь ограждения, м2; Z— время пе­редачи тепла, ч.

Из уравнения (7.1)

Л — ^ тг.-хиу

При значениях <5, Р, 7 и (г„ — г„), равных единице, А = т. е. коэффициент тепло­проводности материала ограждения равен количеству тепла в Дж, проходящего за 1ч че­рез 1м2 стенки толщиной в 1м, выполненной из рассматриваемого материала, при разни­це температур на ее поверхностях в 1°С. Значения коэффициентов теплопроводности ма­териалов колеблются в очень широких пределах от 407Вт/(м°С) у меди до 0,04 Вт/(м°С) у пенопластов. Различия величин коэффициентов теплопроводности являются следст­вием различий в структуре материалов и, в первую очередь, их плотности у (кг/м3). Чем она больше, тем выше теплопроводность материала. Чем меньше плотность материала, тем больший объем занимают поры, заполненные малотеплопроводным воздухом, и тем меньше теплопроводность. Помимо пористости на величину теплопроводности матери­ала влияет и его влажность. Чем больше воздуха в порах материала вытесняется водой, имеющей в 25 раз большую теплопроводность, тем выше становится теплопроводность материала. Влагосодержание материалов характеризуется весовой влажностью со и из­меряется отношением (в %) количества влаги, содержащейся в увлажненном пористом материале, к массе сухого, высушенного до постоянного веса материала:

Со=Р^Рсух 100 > (7.2.)

Р

Сух

Где Рт и Рсух — соответственно массы влажного и сухого материала.

На величину весовой влажности влияют климатические условия, расположение материала в различных слоях ограждения, и влажностный режим эксплуатируемого по­мещения. Из опыта строительства и исследований известны средние значения весовой влажности материала в сухих и нормальных условиях эксплуатации и значения X для 100 соответствующих значений со. В связи с тем, что начальное влаго соде ржание материа­лов и конструкций оказывает большое влияние на эксплуатационные качества огражде­ний, ГОСТы на материалы и конструкции регламентируют предельно допустимые его величины, проектное решение предусматривает взаимное расположение слоев конст­рукций, исключающее накопление в их толще конденсата, а нормативы изготовления изделий предусматривают способы сокращения их технологического переувлажнения при формовании.

Определение сопротивления теплопередаче ограждения. При определении теплозащитной способности наружных ограждений практический интерес представля­ет не теплопроводность составляющих ее слоев, а обратная ей величина Я — термиче­ское сопротивление, которое соответственно для однослойных и слоистных конструк­ций составляет:

П 51

(7.3, а)

; (7.3)

К—

К

Л К


Рис. 7.1. Распределение температур в однослойном наружном ограждении при стационарном тепловом потоке

При переходе тепла через наружное ограждение изменяется температура в мате­риале ограждения и на его поверхностях и одновременно понижается температура воз­духа в прилежащих к ограждению зонах (рис. 7.1). Такое падение температуры свиде­тельствует о наличии дополнительных термических сопротивлений переходу тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения и от наружной поверхности ограждения к наружному воздуху. Эти сопротивления теплоотдаче обозначают Ка и /?„.

Иногда в теплотехнических расчетах используют обратные величины — коэф­фициенты теплоотдачи внутренних и наружных поверхностей конструкции — а„ и сг„, равные:

А, = ¦

А., =-

(7.4.)

(7.5.)

_1_

Я

_1_ /г..

При теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкциях отапли­ваемых зданий. Их величины принимают: а„ = 8,7 Вт/(м°С) и ан = 23 Вт/(м°С), соответ­ственно общие величины сопротивления теплопередаче одно-и многослойного ограж­дений составят:

Р 1 5 1

Ло = —+7 + —.

1 <5| 8г 8„ ‘ Я0 = — Н—-Н——-I—— 1—— Н

(7.6.) (7.7.)

Ав \ \ К а„


В ряде случаев для повышения сопротивления теплопередаче в конструкциях пре­дусматривают воздушные прослойки. Экспериментально установленное термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек Rgn при их толщине от 10 до 150 мм со­ставляет 0,13 — 0,18 м2 °С/Вт для вертикальных и горизонтальных (при потоке тепла снизу вверх), а для горизонтальных прослоек при потоке тепла сверху вниз — 0,14 — 0,24 м2 °С/Вт, В связи с тем что теплопередача в прослойках осуществляется преиму­щественно за счет конвекции и излучения, термическое сопротивление прослоек во мно­го раз ниже термического сопротивления неподвижного воздуха. Влияние воздушных прослоек учитывается при определении общего сопротивления ограждения теплопере­даче R0 введением слагаемого Re „ Для повышения эффективности прослойки вдвое при­меняют облицовку более теплой ограждающей поверхности отражающими материалами (например, алюминиевой фольгой), которая уменьшает передачу тепла излучением.

Определение требуемого сопротивления теплопередаче ограждения. Величина сопротивления теплопередаче запроектированной конструкции должна быть не менее величины требуемого по климатическим и гигиеническим условиям сопротивления R™p. Величина R’"p определяется из следующего условия. При установившемся потоке тепла величина входящего в ограждение потока равна величине выходящего. Поток тепла, проходящий через единицу площади внутренней поверхности за единицу време­ни, составляет

(7.8)

Где tB — температура внутреннего воздуха; а г, — температура внутренней по­верхности ограждения,

И равен потоку тепла через ограждение в целом

-т. _ t, — t„ К к

Где tH — температура наружного воздуха.

Из этого равенства следует, что

R=LLZ±R (79)

Минимальная величина требуемого сопротивления теплопередаче также зависит от расположения наружной поверхности ограждения по отношению к внешней среде,

Что учитывается коэффициентом и в формуле (7.9), которая принимает вид

= (710)

Дг а.

Коэффициенты и имеют следующие значения: п = 1 для наружных стен, чердач­ных перекрытий (с кровлей из штучных материалов) и совмещенных крыш; 0,9 — для чердачных (с кровлей из рулонных материалов) перекрытий; 0,75 «для перекрытий над холодным и подвалами со свтовыми проемами.

В формулу (7.10) входит величина нормируемого температурного перепада у вну­тренней поверхности ограждения At" =?„ — г„, определяющая тепловой комфорт поме­щения. В наиболее холодные зимние дни она должна составлять для наружных стен жи­лых домов, школ, больниц не болеет 4 °С, административных — 4,5 производственных — от 7 до 12°С, для покрытий соответственно 3; 4 и 6-12°С, а для перекрытий над проез­дами -2-2,5°С. 102

Расчетные параметры внутреннего воздуха Г„ зданиях и помещениях определя­ются нормами проектирования и составляют для жилых комнат 18 — 20°С в зависимо­сти от климатического района строительства, для рабочих помещений административ­ных зданий 18°, больничных палат, библиотек 20°, основных помещений детских са­дов и яслей 21 — 23°, спортивных залов 15°, торговых залов продовольственных мага­зинов 12°С и т. д.

Расчетная зимняя температура наружного воздуха /,, принимается в зависимости от характеристики тепловой инерции ограждения:

Для наружных стен и покрытий большой инерционности, а также для перекры­тий над подвалами и подпольями — в качестве расчетной принимают среднюю для наи­более холодной пятидневки 1н5;

Для ограждений малой инерционности — среднюю наиболее холодных суток

Для ограждений средней инерционности — среднюю из этих величин "’ + ; для безынерционных — абсолютную минимальную. ~

Температуры наружного воздуха для различных географических пунктов, уста­новленные по многолетним метеорологическим наблюдениям, приведены в СНиП 23­01-99 «Строительная климатология».

Тепловая инерция — способность конструкции к сохранению или медленному из­менению температур в ее толще. Характеристика тепловой инерции О определяется по формуле

= + , (7.11)

Где Л,, /?2 — сопротивление теплопередаче слоев ограждения (по 7.3), а з2 — ко­эффициенты теплоусвоения материалов отдельных слоев за период в 24 ч принимают по прил. 3 СНиП 11-3-79* «Строительная теплотехника».

Конструкция ограждения соответственно расчетным значениям ?> считается бе­зынерционной при ?> < 1,5, малой инерционности при ?>> 1,5, но меньше 4, средней-при 4 < О < 7 и большой при И > 7.

Величина сопротивления теплопередаче проектируемого ограждения должна быть равной или превышать требуемую по (7.10) Я"р > 11"’р

Значения представляют собой минимально необходимые по гигиеническим требованиям величины, а именно — исключение выпадения конденсата на внутренней поверхности стены или покрытия.

Однако современная практика проектирования наружных ограждающих конст­рукций подчиняется не толко гигиеническим но и более жестким требованиям энерго­сбережения. Необходимость экономии энергоресурсов на отопление зданий в течение многих десятилетий его эксплуатации требует существенного повышения стоимости наружных ограждающих конструкций за счет радикального повышения их сопротивле­ния теплопередаче (в три и более раз по сравнению с гигиенически необходимым).

Учет этого обстоятельства, продиктован принятым в 1996 г. Законом РФ «Об энергосбережениях» и отражен в СНиП ?1-3-79* где определение приведенного сопро­тивления наружных ограждающих конструкций (Я"р) ставится в зависимость от эмпе — рической характеристики ГОСП — градусо-сутки отопительного периода, которую опре­деляют по формуле 7.12:

Госп=«.-и^г^, (7.12)

Где — то же, что в формуле (7.10);

?от. пер" средняя температура, °С, отопительного периода;

X пт тр — продолжительность, сут., периода со средней температурой воздуха I

Ниже или равной 8°С.

Величины 1от пер и 2от тр — принимают по табл. 1 СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

В соответствии с местом строительства, назначением зданий и помещений для каждого из видов наружных ограждающих конструкций (стен, окон, покрытий и пр.) и в соответствии с рассчитанной величиной ГОСП величина Л"71 (м2 оС/Вт) принимаются по табл. 7.1.

I

Таблица 7,1.

Требования к минимальным величинам приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций капитальных здании

Различного назначения

Здания и помеще­ния

Градусо — сутки ото­пительного периода, °Ссут

Приведенное сопротивление теплопередаче ограяадающих конст­рукций не менее R, м2 сС/Вт

Стен

Покрытий и перекрытий над проездами

Перекрытий чер­дачных, над холод­ными подпольями и подвалами

Окон и бал­конных две­рей

Фонарей

Жилые, лечебно — профнлактнче — ские, и детские учреждения, шко­лы, интернаты

2000

2,1

3,2

2,8

0,30

0,30

4000

2,8

4,2

3.7

0,45

0,35

6000

3,5

5,2

4,6

0,60

0,40

8000

4,2

6,2

5,5

0,70

0,45

Юооо

4,9

7,2

6,4

0,75

0,50

12000

5,6

8,2

7,3

0,80

0,55

Общественные, кроме указанных выше, админист­ративные и быто­вые, за исключе­нием помещений с влажным или мокрым режимом

2000

1,6

2,4

2,0

0,30

0,30

4000

2,4

3,2

2,7

0,40

0,35

6000

3,0

4,0

3,4

0,50

0,40

8000

3,6

4,8

4,1

0,60

0,45

10000

4,2

5,6

4,8

0,70

0,50

12000

4,8

6,4

5,5

0,80

0,55

Производственные

С сухим и нор­мальным режима­ми

2000

1,4

2,0

1,4

0,25

0,20

4000

1,8

2,5

1.8

0.30

0,25

6000

2,2

3,0

2,2

0,35

0.30

8000

2,6

3,5

2,6

0,40

0,35

10000

3,0

4,0

3,0

0,45

0,40

12000

3,4

4,5

3,4

0,50

0,45

Для малоэтажных (до 3-х этажей включительно) зданий со стенами из мелко­штучных материалов, а также для реконструируемых и капитально ремонтируемых зда­ний независимо от их этажности R"p при проектировании принимают по табл. 7.2.

Соответственно данным табл. 7.1 и 7.2 становится очевидным, что нормируемые ими величины приведенного сопротивления теплопередаче в подавляющем большинст­ве районов РФ делают экономически и технически приемлимыми только многослойные конструкции наружных ограждений, включающие прослойки с очень малой теплопро­водностью в пределах от 0,04 до 0,10 Вт/м аС.

Для многослойных конструкций в зависимости от их решения (с теплопроводны­ми включениями или без них) проектная величина сопротивления теплопередаче (для стационарных условий) определяется различно. Для конструкции с последовательно расположенными однородными слоями как сумму термически сопротивлений отдель­ных слоев плюс сопротивления теплоотдаче по формуле 7.7. Для конструкций термиче­ски неоднородных (с теплопроводными включениями) предварительно определяют Яа и Я6 — приведенное термическое сопротивление участков неоднородных и однородных.

Для определения Яц плоскостями, параллельными направлению теплового пото­ка, конструкцию условно рассекают на участки однородные (однослойные) и неодно­родные и определяют Яа по формуле 7.13:

Р. + Р, +— + РП

————————————————— ~Б——— тт. м2 °С/Вт, (7.13)

Л + Л. + …+?*. Л, Я2 д

Где /•",, Р2, Рп — площади отдельных участков конструкции, м2;

Л,, Я2, /?„ — термическое сопротивление этих участков определяемое для однород­ных по формуле 7.3, а для неоднородных — по формуле 7.3, а.

Требования к минимальным величинам сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкции 1-3-х этажных зданий со стенамн из мелкоштучных материалов, рсконструемых и капитально ремонтируемых зданий различного

Назначения

Таблица 7.2.

Здания и поме­щения

Градусосут-

Ки отопи­тельного пе­риода, °Ссут

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций не менее Я "р, м2 "С/Вт

Стен

Покрытий и перекрытий над проез­дами

Перекрытий чердачных, над холодными подпольями и подвалами

Окон и балконных дверей

Фонарей

Жилые, лечебно — профилактиче­ские и детские учреждения, шко­лы, интернаты

2000

1,2

1.8

1,6

0,30

0,30

4000

1,6

2,5

2,2

0,45

0,35

6000

2,0

3,2

2,8

0,60

0,40

8000

2,4

3,9

3,4

0.70

0,45

10000

2,8

4,6

4,0

0,75

0,50

12000

3,2

5,3

4,6

0,80

0,55

Общественные, кроме указанных выше, админист­ративные и быто­вые, за исключе­нием помещений с влажным или мокрым режимом

2000

1,0

1,6

1,4

0,30

0,30

4000

1,4

2,3

2,0

0,40

0,35

6000

1,8

3,0

2,6

0,50

0,40

8000

2,2

3,7

3,2

0,60

0,45

10000

2,6

4,4

3,8

0,70

0,50

12000

3,0

5,1

4,4

0.80

0,55

Производствен­ные с сухим и нормальным ре­жимами

2000

0,8

1,4

1,2

0,25

0,20

4000

1,1

1,8

1,5

0,30

0,25

6000

1,4

2,2

1,8

0,35

0,30

8000

1,7

2,6

2,1

0,40

0,35

10000

2,0

3,0

2,4

0,45

0,40

12000

2,3

3,6

2,7

0,50

0,45

Затем плоскостями, перпендикулярным направлению теплового потока конст­рукция условно разрезается на слои, из которых одни могут быть однородными, дру­гие — неоднородными. Термическое сопротивление однородных определяется по фор­муле 7.3, а, неоднородных — по формуле 7.13, а термическое сопротивление конструк­ции — как их сумма.

Приведенное термическое сопротивление такой конструкции в целом определя­ют по формуле 7.14.

Rm,, _K+2Rr, (7.14)

3

Все приведенные выше формулы относятся к определению сопротивления тепло­передаче глухой части наружных стен. В то же время 25-30% теплового потока в зимнее время уходит через светопрозрачные ограждения (окна, витражи и пр.), сопротивление теплопередаче конструкций которых меньше в 7-10 раз, чем сопротивление глухой час­ти стены. Наряду с этим возникают дополнительные теплопотери за счет инфильтрации холодного воздуха через неплотности притворов и балконных дверей.

Поэтому в таблицах 7.1 и 7.2 приведены повышенные требования к сопротивле­нию теплопередаче не только глухой части наружных ограждающих конструкций, но и светопрозрачных конструкций (окон, балконных дверей, световых фонарей). В практи­ке проектирования и строительной индустрии осуществляется широкий переход на при­менение окон с раздельными или раздельно-спаренными переплетами с двойным или тройным остеклением (стеклопакетами и листовым стеклом) в деревянных, ПВХ или алюминиевых переплетах.

Широко применявшиеся в течение последних десятилетий конструкции окон с двухрядным остеклением в спаренных переплетах могут быть применены только в рай­онах с характеристикой ГСОП не более 2000. Новые конструкции окон (см. гл. 17) обес­печивают повышение сопротивление теплопередаче на 50-100% по сравнению с окнами с двойным остеклением в спаренных переплетах.

Распределение температур в толще ограждения. Помимо определения общего, требуемого и экономически целесообразного сопротивления теплопередаче при проек­тировании ограждения необходимо установить распределение температур по сечению ограждения. При стационарном потоке тепла температуру в любой точке сечения ог­раждения находят по аналогии с определением температуры на внутренней поверхнос­ти ограждения г„, которую вычисляют, преобразуя уравнение (7.9):

(7.9)

К

Исходя из равенства потоков тепла, проходящего через слой ограждения любой толщины х, граничащий с помещением, и через все ограждение,

; К — К

RYR R ‘

В Ї. о

Х-\

Откуда

^С-^ТГ^+Е*)’ (7-15)

Ко х-1

Где ^ R — термическое сопротивление слоев толщиной х, примыкающих к помещению.

I-i

Изменение температуры в каждом слое ограждения происходит по линейному за­кону, но с различным углом наклона, соответствующим термическому сопротивлению слоя. Таким образом, график распределения температуры в слоистом ограждении полу­чает характер ломаной линии, отрезки которой, проходящие через слои с более высоким термическим сопротивлением, имеют больший угол наклона к горизонту (рис.7.2).

Рис.7.2. Примеры распределения температур в трех — (а) и двухслойной (б) наружных стен

0

Температура внутренней поверхности в местах более теплопроводных включе­ний определяется по формуле;

КГ

(7.16)

1+4

-1

I *

Где Я о’ — сопротивление теплопередаче участка ограждения с теплопроводным включением; Я ц" — то же, без теплопроводного включения; г/ — коэффициент, принима­емый по табл. 7.3 в зависимости от отношения ширины включения а к полной толщине ограждения 5.

Значения коэффициентов т] для различных схем расположения теплопроводных

Включений

Таблица 7.3.

Коэффициент г[ при а 18 равном

0.2 0,4 0,6 О,

,0

1,5

Схема теплопроводности включения

±и

0,65

0,79

0,86

0.90

0,93

0,95



В юридической компании купить строительную лицензию можно за 1 день..