Аннотация

Статья посвящена разъяснению преимуществ мембранных конструкций по сравнению с рамными, традиционно, в большом количестве, производимые, в настоящее время российскими заводами металлических конструкций. Данная статья условно разделена на пять частей:

1. Универсальная строительная продукция.
2. История вопроса.
3. Рамные каркасы.
4. Мембранные каркасы.
5. Перспективы развития.

В каждом из разделов проводится анализ обсуждаемых вопросов, рассматриваемых в данных разделах, аргументированно доказывается преимущество мембранных конструкций, по сравнению с рамными. Доказывается, что при массовом применении мембранных конструкций можно сократить расходы стоимости строительных конструкций, а также значительно сократить затраты на трудоемкость изготовления и монтажа, что позволит значительно сократить общую стоимость строительной конструкции здания или сооружения.

Для продвижения массового применения мембранных конструкций в строительном производстве авторы приглашают заинтересованные организации к сотрудничеству и к борьбе с недобросовестной конкуренцией.

Ключевые слова

свободный (безопорный) пролет, проектная индивидуальность, массовая серия, стропильно-прогонная система, опорный контур, рамное покрытие, мембранное покрытие, паразитное пространство, большепролетное сооружение, архитектурная выразительность, атмосферостойкая и нержавеющая сталь, металлургическое лобби

Универсальная строительная продукция

Как известно проектирование строительный металлических конструкций осуществляется согласно следующим нормативным документам и законам.

Создать строительный продукт, объемно-планировочные и конструктивные решения которого будут отвечать вообще любым требованиям, заведомо невозможно. Даже для объектов схожего назначения в одном районе строительства задача унификации решается весьма условно. Строительные продукты это всего лишь оболочки эксплуатационных процессов, в которых наблюдается разнообразие технологии внутри и природные условия снаружи, так и разнообразие в самих оболочках. При этом оболочкам желательно не вступать в конфликт со сложившейся или формируемой архитектурно-градостроительной средой.

Декларируемая универсальность зданий и сооружений по стальным каркасам иллюзорна. Им органически присущи, как минимум, следующие недостатки и ограничения:

• разработка, производство, монтаж и эксплуатация каркасов из стали дороже их конструкционных аналогов из сборного или монолитного железобетона, дерева или композитов;
• расчетная подвижность легких стальных конструкций выдвигает весьма специфические требования к ограждающим конструкциям и внутренним инженерным системам объектов.

Реальными же достоинствами стального строительства являются:

• механические свойства стали, позволяющие формировать из нее безопорные пролеты с длиной и несущей способностью, недостижимой другими строительными материалами;
• возможность скоростного монтажа, мало зависящую от района и сезона работ, и обеспечивающую быстрый ввод в проектную эксплуатацию самых крупных и сложных объектов;
• сравнительная легкость трансформации зданий и сооружений, возведенных по стальному каркасу, под изменяющиеся со временем эксплуатационные потребности.

Принятие решение в пользу стали следует из объективного анализа ее достоинств и недостатков в конкретных функционально-строительных условиях.

При исключении добывающих, энергетических, транспортных, коммуникационных, защитных и иных специальных объектов, сферами рационального использования стальных каркасов можно признать:

• в техническом смысле – эксплуатационную потребность для больших пролетов, высот и нагрузок;
• в финансовом смысле – готовность к большим инвестициям в расчете на малый срок окупаемости.

Применение стальных несущих конструкций в каких-либо иных архитектурных целях – дань, собираемая лукавой рекламой разработчиков, производителей и подрядчиков!

История вопроса

С конца Крымской и до начала Первой мировой войны российская школа строительства из чугуна и стали соответствовала мировому уровню, а по ряду направлений занимала лидирующие позиции. Этому способствовали объективные условия:

• ажиотажный спрос как на большие пролеты мостов, фабричных цехов и общественных зданий, так и спрос на горнодобывающие, и фортификационные сооружения с кранами большой грузоподъемности;
• высокий уровень развития математики, теоретической механики, сопротивления материалов, теории упругости и строительной механики;
• приоритеты в области электрической дуговой сварки металлов;
• дефицит качественных сталей, что побуждает к поиску оптимальных форм.

После потрясений 20÷30ых годов, строительная наука и практика сумела сохранить историческую преемственность, внесла неоценимый вклад в Победу в Великой Отечественной войне и к середине ХХ века восстановила свои мировые позиции. Годом завершения формирования именно советской школы конструкционного строительства можно, видимо, считать 1955 год – переход к расчету по методу предельных состояний, который в настоящее время является основным методом определения несущей способности для всех типов несущих конструкций, выполненных из различных строительных материалов.

К условиям плановой экономики проектно-строительная иерархия в Советском Союзе была приспособлена великолепно:

• на верхнем уровне – это общесоюзные научно-исследовательские, опытно-конструкторские и технолого-внедренческие институты, разрабатывавшие уникальные проекты для обеспечения престижа и обороноспособности страны, а, в качестве побочного продукта, серии массовых конструкций;
• посередине – проектные организации ведомств и административных единиц, профильные кафедры высших учебных заведений и конструкторские бюро предприятий-лидеров строительного комплекса, выпускавшие проекты для общего промышленного и гражданского строительства;
• наконец, потребители, не получившие фонды на конструкции индустриального производства, и изготавливавшие их своими силами по массовым сериям из наличного сырья –это, как раньше, так и сейчас называется производство «хозяйственным способом».

На верхнем и, отчасти, на среднем уровне иерархии, проектная индивидуальность строительных оболочек была аксиомой, которая обосновывала разработку и реализацию целого спектра прогрессивных конструкционных форм: ванты, мембраны, оболочки, структуры, арки, складки.

В 90-е годы государственное финансирование науки и производства прекратилось, и вся иерархия обрушилась. Инновационные проекты больше не создавались и не воплощались. Рынок диктовал свои условия – отечественное строительство захватили массовые серии и, прежде всего, здания и сооружения по рамным каркасам.

Рамные каркасы

Единственное, зато колоссальное достоинство рам – простота, точнее примитивизм их изготовления. Не только станочного парка, но даже инженерного участия для этого не нужно, поскольку все типоразмеры уже приведены в массовых сериях полувековой давности. Серии издавались для того, чтобы каркасы, сделанные ручным инструментом в условиях машинно-тракторных станций или вагоноремонтных мастерских, были утилитарными надежными и безопасными, при этом по технико-экономическим показателям рамы – наихудший способ строительного использования стали:

• стропильно-прогонная схема покрытия из множества стержней, работающих на изгиб, определяет излишнюю металлоемкость, с увеличением пролетов и шагов рам растущую в степенной прогрессии;
• перекрытие пролетов свыше 60 метров рамами затруднительно из-за весогабаритных параметров конструкций, а свыше 100 метров без внешней разгрузки, например, вантами – вообще невозможно;
• узлы, а часто и стержни индивидуального изготовления требуют титанического объема ручного труда, как при изготовлении, так и на монтаже, без всякой перспективы автоматизации процессов;
• для рамных стальных конструкций, особенно тонкостенных, необходим комплекс мер по огнезащите и защите от коррозии – а стоимость этих мер пока много опережает их эффективность;
• пространство, занимаемое в здании или сооружении конструкциями рамного покрытия, по сути, паразитное – его необходимо ограждать и отапливать как полезный объем, но нельзя использовать.

По мере восстановления российской государственности конъюнктура изменялась, теперь спрос фокусируется на качественных и легальных строительных продуктах, а труд и сырье обрели свою подлинную цену. Пена схлынула – рынок ждет перемен!

Мембранные каркасы

В 60÷70-х годах прошлого века – без преувеличения «золотой период» отечественного строительства – себя прекрасно себя зарекомендовали мембранные покрытия большепролетных сооружений. Пика своего развития они достигли при сооружении спортивно-зрелищных объектов Олимпиады-80. Мембранам присущи следующие экстраординарные качества:

• благодаря работе стали в мембранах на чистое растяжение, листом толщиной всего в 1.5…3.0 мм можно перекрывать пролеты в сотни метров, создавая огромные площади абсолютно свободной планировки без каких-либо промежуточных опор
• отсутствие в мембранах изгибающих моментов делает приведенную металлоемкость покрытий инвариантной к снеговой нагрузке, пролету и шагу опор – моменты возникают только в опорном контуре, но его доля в общей массе покрытия мала;
• мембраны огнестойки (под действием высокой температуры они просто провисают) и не склонны к прогрессирующему обрушению даже при отказе нескольких опор
• мембраны совмещают в себе несущие и ограждающие функции, поэтому для постройки объекта в заводских условиях нужно изготовить только конструкции контура, опор и связей, а лист в рулонах, как правило, поставляется прямо на строительную площадку

Мембраны не нашли широкого применения только потому, что выполнялись из малоуглеродистой, самой дешевой стали и по соображениям плохого сопротивления коррозии их толщина принималась проектировщиками и конструкторами в пределах от 4 до 8 мм.

Достижения XXI века – возможность производить тонкие листы с эффективными и долговечными защитными покрытиями, доступный атмосферостойкий и нержавеющий прокат в целом, сняли эту проблему. Толщину мембраны стало возможным принимать по прочностному расчету и использовать для перекрытия не только в уникальных зданиях с пролетами от 48 до 500 метров, но и в зданиях с самыми востребованными массовыми пролетами.

В качестве примера покажем на рис. 1, 2 экспериментальное покрытие с навесом из мембраны.

Таким образом, современные мембранные покрытия ожидаемо легче своих рамных аналогов на всех достижимых рамами пролетах.

В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко проводились исследования работы мембранных конструкций, как больших, пролетов, так и пролетов массового использования для металлических конструкций результаты которых приведены в работах.

Аналитическая зависимость представлена на графике зависимости между расходом стали и перекрываемым пролетом, показанном на рис. 3:

Из анализа, представленной выше зависимости, отметим следующее.

1. Расчеты выполнены для объектов с прямоугольными планами – перекрытие сложных планов рамами затруднительно и ведет к скачку их металлоемкости.
2. Значения металлоемкости в пролетной части здания из мембранных покрытий характерно для покрытий из вантовых систем.
3. Значения металлоемкости в пролетной части здания из мембранных покрытиях и рамных покрытий характерны для пролетной части, выполненной из легких структурных конструкций.
4. Значения металлоемкости из рамных покрытий характерно для тяжелых стальных каркасов.

Понятно, что графики металлоемкости реальных объектов не будут такими гладкими, при этом дисперсию вызовут и технологические требования, и внешние условия, и принятые проектные решения. Но общая тенденция сохранится: одноэтажные здания и сооружения с мембранными покрытиями всегда будут дешевле в производстве и быстрее в монтаже, чем самые глубоко проработанные рамные конструктивы.

Адаптивность мембраны к пространственной форме опорного контура позволяет выполнить тонкую инженерную подготовку объемно-планировочных решений к нуждам эксплуатации, исключающую паразитные пространства. Кроме того, посредством мембран можно создавать объекты исключительной архитектурно-эстетической выразительности.

Перспективы развития

Возникает естественный вопрос: «Если мембраны настолько совершенны, то почему они известны только специалистам, а отечественный рынок по-прежнему захламлен рамами?». Ответ прост: «В стране есть бенефициары перерасхода стали». Их можно условно сгруппировать:

• заводы-производители конструкций и аффилированные ими проектные и монтажные организации, прибыль которых зависит от брутто-тонн стали, вложенных в объект;
• металлургические компании и трейдеры стального проката, которые заинтересованы в росте продаж своей продукции, как в строительство, так и в любую другую отрасль.

Первая группа действует на потребителей через недостоверную, но навязчивую рекламу. Кроме того, на ее стороне огромная галерея объектов, в разные времена построенных по рамным каркасам. Способ противодействия очевиден – продвигать информацию о конструкциях следующего поколения через СМИ, проектные, подрядные, страховые и кредитные организации. И, главное, в пику рамам выпустить серии сверхэкономных мембранных каркасов на разные пролеты/высоты и строить, строить, строить. На старте принципом индивидуализации проектов можно и должно поступиться! Мембрану лучше один раз потрогать, чем сто раз посмотреть фотографии варварски уничтоженного стадиона «Олимпийский» в г. Москве, или комплекса «Петроградский» в г. Санкт Петербург.

Вторая группа действует умнее – через стагнацию профильного образования и проектно-строительных нормативов:

• темы курсовых работ по специальности «Промышленное и гражданское строительство» у восьми поколений инженеров неизменны – балочная клетка и рядовая рама;
• в Своде правил «Стальные конструкции» тонколистовым покрытиям посвящены пять благих пожеланий, но не приведено вообще никаких норм конструирования.

Хорошо, что в высшем образовании и прикладной науке есть подвижники, осознающие роль строительного комплекса в суверенной экономике: создать футуристическую продукцию на архаичных площадях невозможно! Хорошим примером ответственности и профессионализма служит Отдел металлических конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, выпустивший Свод правил «Конструкции покрытий пространственные металлические», а также рекомендации по расчету мембранных покрытий, где методика конструирования простые методы расчета и применения мембран представлены в экспертном объеме.

Металлургическое лобби могущественно и противостоять ему в одиночку не по силам ни авторитетному Институту, ни флагманскому Заводу. Поэтому авторы приглашают к сотрудничеству всех коллег, осознающих, что в агрессивной внешней среде эволюционное развитие российскому стальному строительству противопоказано – необходим революционный прорыв, и, конечно же, надеются на сотрудничество.

Данная статья размещена в Научно техническом журнале "Строительная механика и расчет сооружений"

Эксперт Штраус Павел Видвудович. Консультации по телефону: +7 499 643-53-46