Технология реконструкции зданий с использованием безбалочной каркасной системы

Система универсального безбалочного каркаса (КУБ) отличается от традиционных сборно-монолитных каркасных систем отсутствием ригелей, роль которых выполняют плиты перекрытий, и применением многоярусных колонн без выступающих частей. Пространственная жесткость и устойчивость встроенного каркаса обеспечиваются замоноличиванием стыков между элементами и использованием связей. Каркас работает по рамной или рамно-связевой схеме. Эффективность системы апробирована в жилищном и промышленном строительстве. Она имеет достаточно высокие технико-экономические показатели. В частности, удельный расход материалов на 1 м² перекрытия составляет: сталь - 12,2-13,2 кг, сборный железобетон - 0,15-0,17 м³, монолитный бетон - 0,021 м³. Нагрузка на перекрытие может составлять от 800 до 2000 кг/м². Удельные трудозатраты для различных модификаций систем составляют 0,7-1,1 чел.-ч на 1 м² перекрытия.

Основное преимущество системы заключается в возможности за счет изменения размеров рядовых или надколонных плит создавать пространственные ячейки широких типоразмеров. Такое решение весьма важно при выполнении реконструктивных работ, где плановые размеры помещений даже в одном многоэтажном здании могут существенно отличаться. Отсутствие внутренних часто расположенных стен позволяет получать объемы с гибкой планировкой помещений.

Применение конструктивной системы безбалочного универсального каркаса приемлемо при реконструкции жилых зданий прямоугольной формы плана. К таким зданиям следует отнести прежде всего жилые дома заводских районов первых массовых серий.

Принципиальные схемы встроенных систем приведены На рис. 9.16, где представлены два варианта технических решений: для зданий без надстройки и с надстройкой этажей.

В зависимости от количества надстраиваемых этажей фундаменты под колонны могут выполняться отдельно стоящими стаканного типа или в виде монолитной плиты с подколонниками.

Система включает обязательное использование 2-3-ярусных колонн, надколонных и рядовых плит.

На рис. 9.16, А приведен вариант встроенной системы, когда технологические нагрузки мало отличаются от ранее существующих. В то же время применение отдельно стоящих фундаментов способствует перераспределению нагрузок и снижению их воздействия на стеновое ограждение. Это обстоятельство позволяет исключить работы по усилению наружных стен и их фундаментов. Размещение встроенного каркаса производится таким образом, чтобы расположение колонн находилось в простеночной части, а их высотные отметки соответствовали существующей высоте этажа.

Рис. 9. 16. Принципиальные схемы встроенной системы КУБ при реконструкции зданий
а - без надстройки этажей с превращением чердачной части в мансардный этаж; б - с надстройкой трех полных этажей и двухэтажной мансардной части; 1 - фундаменты стаканного типа; 2 - монолитная фундаментная плита; 3 - подколенник; 4 - многоярусная колонна; 5 - надколонные плиты; 6 - рядовые и межколонные плиты; 7 - наружная стена надстраиваемых этажей; 8 - то же, мансардных

При надстройке зданий (рис. 9.16, Б) используется монолитная фундаментная плита, которая воспринимает нагрузки от здания, включая надстройку. При этом возможны изменение высотных отметок надстраиваемых этажей и расширение корпусов за счет применения консольных надколонных плит. Применение 3-ярусных колонн позволяет существенно сократить количество стыковых соединений, способствует не только снижению трудозатрат, но и повышению надежности зданий.

Для обеспечения пространственной жесткости используются различные связевые системы, в том числе диафрагмы жесткости, элементы лифтово-лестничных блоков и др.

При выполнении работ по устройству встроенного каркаса предусматривается обеспечение связей плит перекрытия со стеновым ограждением путем устройства штраб и омоноличивания стыков, а также установки анкерных элементов, соединяемых с закладными деталями надколонных плит. Предусматривается обязательное омоноличивание плит с колоннами и между собой.

Наличие 5-7 типоразмеров плит позволяет вписать систему практически в любую планировочную схему жилого здания прямоугольной формы.

Принципиальная схема размещения безбалочного каркаса в секции жилого дома приведена на рис. 9.17. Она включает колонны с шагом расположения, соответствующим размещению оконных проемов, надколонные плиты прямоугольного и консольного типов, межколонные трех типоразмеров и рядовые плиты.

Рис. 9. 17. Размещение встроенного безбалочного каркаса в секцию реконструируемого здания
а - план типового этажа до реконструкции; б - монтажный план секции; в - разрез реконструируемого здания с надстройкой трех этажей; А - расстояние от оси крана до наружной стены; Б - ¹/₂ширины рельсового пути крана; 1 - многоярусные колонны; 2 - нааколонные плиты; 3 - межколонные; 4, 5 - рядовые плиты

Стыки колонн с надколонными плитами, а также плит между собой омоноличиваются бетоном не ниже класса В25. Соединение плит со стеновым ограждением выполняется с устройством штраб по периметру стен, армированием этого пространства и омоноличиванием. Используются колонны высотой на 2-3 этажа с открытой арматурой в зоне стыка надколонных плит. Наращивание колонн по высоте осуществляется с использованием штепсельных соединений.

Технология устройства фундаментов

Как отмечалось, фундаменты под колонны системы КУБ выполняются из отдельно стоящих сборных или монолитных фундаментов стаканного типа при выполнении работ без надстройки зданий и в виде монолитной плиты, когда требуется надстройка несколькими этажами.

Технология возведения фундаментов под отдельно стоящие колонны состоит в отрывке котлованов, устройстве основания, установке инвентарной опалубки монолитного фундамента, армировании и укладке бетонной смеси. Как правило, весь цикл работ, кроме подачи бетонной смеси, выполняется вручную и требует больших трудозатрат.

При использовании сборных фундаментов процесс возведения осуществляется с применением башенных кранов. На подготовленное основание монтируются сборные фундаменты в соответствии с разбивочными осями. При этом особое внимание уделяется геодезическому контролю положения фундаментов в плане и по вертикали. Создание монтажного горизонта низа стаканов осуществляется путем подливки раствором или использованием системы прокладок.

Технологические особенности возведения встроенной системы КУБ Устройство монолитной плиты фундамента

Монолитная плита фундамента выполняется по заранее подготовленному основанию (после удаления пола подвала и внутренних стен) в виде уплотненной песчано-гравийной подсыпки толщиной 10-15 см.

Возможны два конструктивных варианта: монолитная плита изолирована от фундамента наружных и внутренних стен; плита объединена с фундаментами стен.

Изолированная фундаментная плита выполняется из монолитного железобетона толщиной 300-500 мм с армированием. Процесс устройства плиты состоит в армировании и бетонировании. При этом армирование плиты может выполняться как из отдельных стержней с ручной вязкой, так и с помощью сварных сеток.

Подача, укладка и уплотнение бетонной смеси осуществляются по схеме «кран-бадья» и с помощью автобетононасосов. Наиболее эффективной является технология, основанная на использовании бетононасосного транспорта, который обеспечивает непрерывную подачу бетонной смеси через проемы 1-2-го этажей. Это позволяет существенно снизить трудоемкость и продолжительность работ.

Особое место в процессе бетонирования отводится обеспечению требуемого защитного слоя арматуры, соблюдению единой вертикальной отметки, обработке бетона с целью получения ровных поверхностей (затирка бетона машинами СО-132), фиксированному положению закладных деталей для последующей установки подколонников или стаканов фундаментов колонн.

При устройстве монолитной плиты производят установку закладных деталей в местах расположения подколонников. Это позволяет с высокой степенью точности произвести их монтаж. Наиболее технологичным является использование подколонников, так как не требует технологических перерывов на процесс набора прочности бетоном.

Более трудоемкой является технология устройства фундаментной плиты, объединенной с фундаментами стен. В этом случае требуются пробивка сквозных отверстий в теле фундамента стен, установка распределительных анкеров, обвязочных балок с последующим омоноличиванием и объединением с плитой фундамента.

После приобретения бетоном более 50 % прочности осуществляют монтаж подколонников. Их проектное положение фиксируется путем сварки закладных деталей в соответствии с разбивочными осями.

Монтаж колонн

Наиболее трудоемкой и ответственной технологической операцией является монтаж колонн. Точность их установки является определяющей в собираемости элементов перекрытия. Она зависит от точности разбивки осей, положения монтажного горизонта. Применение 2-3-ярусных колонн требует использования специальных средств подъема, выверки и временного крепления: самобалансирующих траверс, одиночных кондукторов, фиксаторов, подкосов (рис. 9.18, а). Использование самобалансирующих траверс позволяет уменьшить высоту подъема крюка крана, а система кондукторов и подкосов - увеличить степень точности выверки колонн в проектное положение. Пространство между колонной и стаканом фундамента заполняется мелкозернистой бетонной смесью, а при использовании подколонников закладные детали стыка свариваются. Монтаж надколонных панелей производят при достижении прочности бетона стыка не менее 70 % R₆.

Рис. 9. 18. Технологические схемы монтажа элементов встроенной системы и узлы сопряжения элементов
а - монтаж колонн; б - надколонных плит; в - рядовых плит; г - наращивание колонн; д - общий вид трехъярусной колонны; е - узел сопряжения надколонной плиты с колонной; ж - варианты временного крепления колонны с фундаментом; з - узел сопряжения плит перекрытия; 1 - стеновые ограждения; 2 - фундаментная плита; 3 - подколенник; 4 - двухъярусная колонна; 5 - траверса; 6 - телескопические подкосы; 7 - надколонная плита; 8 - опорный хомут; 9 - стойки для выверки плиты; 10 - межколонная плита; 11 - кондуктор для монтажа колонн; 12, 13 - клинья и механические домкраты для выверки и крепления колонн в фундаментах

Монтаж панелей перекрытия

Панели перекрытия по номенклатуре разделяются на надколонные, которые, в свою очередь, могут быть симметричными для внутреннего ряда колонн и асимметричными (консольного типа) - для наружных рядов и торцевых элементов зданий. Несмотря на это различие, каждая надколонная плита имеет квадратное отверстие с достаточно мощным металлическим «воротником», при замоноличивании которого с телом колонны образуется равнопрочный стык. При монтаже надколонных плит достигается главная цель - обеспечить единый монтажный горизонт для каждого уровня перекрытий. Это достигается путем использования хомутов и специальных струбцин, закрепляемых ниже стыка колонн с плитой и имеющих механические домкратные стойки, которые позволяют обеспечить проектную выверку конструкции (рис. 9.18, б, в).

После установки надколонных плит производят монтаж рядовых плит. При достаточно высокой точности монтажа надколонных плит установка рядовых носит чисто механический характер. Их точность определяется соответствующими допусками на изготовление и использование системы временных опор с устройством для регулирования монтажного горизонта.

При устройстве встроенного каркаса допускается монтаж двух ярусов с последующим обязательным омоноличиванием стыков. Омоноличивание стыков колонн с плитами и их арматурных выпусков осуществляется бетонной смесью на класс выше, чем бетон основных конструкций. При этом используются различные средства ускоренного твердения: смеси на быстротвердеющих цементах, на вяжущем с низкой водопотребностью, с применением суперпластификаторов и комбинированных добавок, методом обогрева и другими приемами и технологиями.

Возведение отдельно стоящих фундаментов производится по захваткам. Отдельным потоком осуществляется цикл земляных работ по устройству котлованов и основания под фундаменты. Затем выполняются арматурные и опалубочные работы. Заключительным этапом являются подача, укладка и уплотнение бетонной смеси в готовую опалубку фундаментов.

Применение сборных фундаментов существенно снижает продолжительность работ, не требует технологических перерывов на набор прочности бетоном, исключает трудоемкие процессы устройства опалубки и армирования, распалубки, переноса на очередную захватку и т.п.

При реконструкции зданий без надстройки этажей применение сборных фундаментов является предпочтительным и более экономичным.

Организационно-технологические принципы реконструкции зданий

Реконструкция зданий с использованием безбалочного встроенного каркаса предусматривает следующие циклы производства работ.

Подготовительные работы включают освоение и обустройство площадки, перекладку сетей, устройство временных дорог и площадок, демонтаж и разборку конструкций кровли, перекрытий, перегородок, внутренних стен. Особое внимание уделяется производству работ по обеспечению устойчивости конструкций стен и при необходимости их временного усиления.

Цикл строительно-монтажных работ состоит в устройстве фундаментов под колонны каркаса и монтаже сборных конструкций.

Кроме конструкций безбалочного каркаса осуществляется монтаж лестничных маршей, площадок, межсекционных перегородок, объемных элементов сантехкабин и лифтовых шахт. Этот процесс является ведущим и в целом определяет основную продолжительность работ.

Параллельно с монтажом несущих конструкций осуществляется цикл работ по внутренней планировке помещений, а с отставанием на 1-2 этажа производится устройство ограждающих конструкций надстраиваемой части.

Отдельными строительными потоками выполняются санитарно-технические, электромонтажные и отделочные работы. Их взаимосвязь с основными технологическими процессами осуществляется путем максимального совмещения во времени и разделения в пространстве. Выполнение перечисленных видов работ осуществляется на захватках, свободных от монтажных процессов.

На рис. 9.19 приведен фрагмент стройгенплана с привязкой башенного крана, выделением зон складирования, площадок для приема бетонной смеси, размещением бытовых помещений, ограждения и навесов для безопасного передвижения людских потоков, временных дорог, сетей и т.п. Здесь же дана технологическая последовательность монтажа различных элементов системы КУБ по захваткам. На 1-й захватке условно показана очередность монтажа колонн, на 2-й захватке - плит перекрытия и т.д. Стрелками показан переход специализированных звеньев по захваткам. Принята дифференцированная схема монтажа элементов.

Рис. 9. 19. Организация строительной площадки при реконструкции 4-секционного жилого дома с использованием встроенного безбалочного каркаса и технологическая последовательность монтажа элементов встроенного каркаса на захватках

Технологическая последовательность производства монтажных работ встроенного каркаса состоит в постоянной установке многоярусных колонн, монтаже надколонных и рядовых плит, элементов лифтово-лестничного узла. По вертикально восходящей схеме осуществляется поэтажное возведение элементов перекрытия.

Для монтажа конструктивных элементов используются башенные краны, грузоподъемность которых обеспечивает подъем и установку наиболее массивных конструкций. Вылет стрелы и высота подъема крана должны обеспечивать производство монтажных работ с учетом высоты надстраиваемых этажей и габаритов монтируемых элементов со строповочными устройствами.

Монтаж элементов перекрытия начинается с установки надколонных плит. Их выверка и временное крепление осуществляются с помощью механических домкратов, устанавливаемых на колоннах, и временных опорных стоек. После выполнения сварочных работ и омоноличивания стыков осуществляется установка рядовых плит.

Монтаж элементов перекрытия производится поярусно. Перед началом монтажа плит осуществляются геодезическая разбивка монтажного горизонта и установка приспособлений для выверки плит. Затем производятся монтаж надколонных и консольных плит, сварка закладных деталей, последовательная установка рядовых плит, армирование и бетонирование стыков.

Надстройка этажей ведется в той же технологической последовательности, что и встройка каркаса.

По окончании монтажных работ на первой захватке осуществляется цикл работ по устройству стенового ограждения, внутренних межкомнатных и межквартирных перегородок. Достаточно большой фронт работ позволяет организовать поточное производство строительно-монтажных, специальных, а также отделочных работ.

Работа по захваткам в горизонтальной плоскости здания позволяет создать систему ритмичных потоков. Ведущим процессом является монтажный цикл возведения каркаса, который определяет взаимосвязь других видов работ в пространстве и времени.

Для обеспечения ритмичного монтажного цикла требуются адресная поставка сборных железобетонных элементов, наличие средств выверки, временного и окончательного крепления, обеспеченность рабочей силой соответствующей квалификации.

Отличительной особенностью безбалочных систем является наличие большого числа стыков, требующих омоноличивания. Это обстоятельство снижает технологичность конструктивных элементов и требует специальных мер и технологий по обеспечению ускоренного набора прочности бетона.

Другим недостатком встроенной безбалочной системы является наличие геометрических отклонений плоскости потолочных поверхностей из-за неравномерного перепада высот монтируемых элементов перекрытия. Это обстоятельство приводит к дополнительным затратам по отделочным работам и возникновению трудноликвидируемых дефектов.

Для исключения этого недостатка используется сборно-монолитная система перекрытий, когда в качестве сборных элементов используются только надколонные плиты, а остальное пространство выполняется в монолитном железобетоне. Конструктивно-технологическая схема сборно-монолитного перекрытия приведена на рис. 9.20.

Рис. 9. 20. Сборно-монолитная безбалочная система
1 - многоярусные колонны; 2 - надколонные плиты; 3 - монолитные участки перекрытия; 4 - опалубка перекрытия; 5 - штраба; 6 - омоноличивание стыка плиты со стеновым ограждением

После установки надколонных плит и производства сварочных работ по устройству стыков осуществляются процесс установки опалубки, армирование и бетонирование монолитных участков перекрытия. При выполнении арматурных работ производится связь арматурного заполнения плиты с выпусками арматурных плит, чем достигаются монолитность соединений и равнопрочность стыковых соединений.

Используется опалубочная система перекрытий, состоящая из опорных стоек, балок, прогонов и фанерной палубы. При этом осуществляется перепуск опалубки по периметру плит на ширину не менее 500 мм.

Технологический процесс укладки и уплотнения бетонной смеси осуществляется с крановой подачей и уплотнением с использованием виброреек. Ориентиром для их перемещения служат наружные поверхности надколонных плит.

Технология устройства стыков и монолитных участков перекрытий

Интенсивность возведения встроенного каркаса существенно зависит от технологии устройства стыковых соединений и монолитных участков перекрытий. В частности, продолжительность набора прочности монолитного бетона непосредственно влияет на ритм ведения монтажных работ, так как возведение очередного перекрытия возможно при достижении прочности стыкуемых элементов не менее 70 %.

Современные технологии ускоренных методов твердения бетона позволяют достаточно индустриально решить данную проблему в построечных условиях. В частности, применением технологии прогрева греющими проводами, гибкими графитовыми лентами, термоактивными подвесными опалубками и другими средствами достигается требуемый набор прочности за цикл 24-36 ч. Применение тепловой обработки целесообразно и при летних условиях производства работ, так как резко снижается продолжительность выдерживания бетона и, соответственно, сокращаются технологические перерывы.

Процесс устройства стыковых соединений состоит в устройстве подвесной или специализированной опалубки, укладке бетонной смеси, вибрационном уплотнении и тепловой обработке. Опалубка стыков должна легко устанавливаться и демонтироваться. В качестве нагревательных элементов используются графитовые ткани в стеклопластиковой оболочке или греющие провода. Нижняя поверхность опалубки теплоизолируется слоем минеральной ваты или пенополистирола. Это позволяет до минимума снизить теплопотери в окружающую среду. Опалубка выполняется таким образом, чтобы ее греющий элемент захватывал зону сборной конструкции плиты на расстоянии 200-300 мм по периметру. Такое решение позволяет одновременно с прогревом бетонной смеси осуществлять разогрев стыкуемых элементов. Для повышения технологической эффективности процесс отогрева стыкуемых элементов должен производиться за 1,5-2 ч до укладки бетонной смеси. Это особенно важно при производстве бетонных работ при пониженных температурах. Удельная мощность греющей опалубки должна составлять не менее 300 Вт/м² при летнем производстве работ и 500-700 Вт/м² при отрицательных температурах. При предварительном разогреве периферийной зоны стыка повышается температура бетона и арматурного заполнения. Она должна составлять не менее 30 °С. Предварительный разогрев обеспечивает интенсивный набор прочности бетонируемых участков.

Распалубку конструкций производят при достижении прочности не менее 70 %. Получение указанной прочности достигается расчетом технологического режима прогрева, который включает кроме периода разогрева периферийной зоны время разогрева бетонной смеси стыкуемых элементов, период изотермического или термосного выдерживания, а также период остывания. При важности соблюдения каждого из периодов технологического режима следует особое внимание уделять остыванию конструкции стыка. При достаточно высокой скорости и перепаде температур возможно возникновение температурных напряжений и деформаций, которые могут привести к образованию трещин и снижению несущей способности перекрытия.

При возведении сборно-монолитных перекрытий используются термоактивные опалубочные щиты. Конструктивное решение состоит из рамных поддерживающих элементов, на поверхности которых располагают термоактивные щиты. Использование механических винтовых домкратов позволяет создать требуемый горизонт потолочной поверхности перекрытия, а также плотный контакт палубы со сборными элементами. Для разогрева периферийной зоны стыкуемых конструкций размер палубы принимается на 500-600 мм больше, чем геометрические параметры монолитного участка. После предварительного разогрева осуществляется укладка бетонной смеси с тепловой обработкой по расчетным режимам. Для обеспечения ритмичной работы строительных процессов площадь опалубочных щитов подбирается исходя из заданного ритма монтажного процесса. Время тепловой обработки до получения проектной прочности может составлять для летних условий производства работ 24-26 ч, для зимних условий - 32-48 ч. При этом цикл разогрева стыковых соединений может достигать 8-12 ч.

Примерный график производства работ по устройству сборно-монолитного перекрытия приведен в таблице 9.2. Работа по захваткам позволяет осуществить наибольшее во времени совмещение работ без снижения фронта и условий производства работ. Использование интенсивных режимов тепловой обработки бетона в течение двух смен обеспечивает получение распалубочной прочности и дальнейшее производство работ по монтажу сборных элементов лестничных маршей, площадок, а также объемных блоков сантехкабин и др. Продолжительность возведения перекрытия на этаже в составе четырех захваток составляет 12 рабочих дней при двухсменной работе основного состава бригады и трехсменной работе по тепловой обработке бетона, удельная трудоемкость составляет 0,94 чел.-ч/м².

Таблица 9.2