Технология возведения зданий в Арктике



В статье рассмотрена блок-модульная технология возведения корпусов общежития в поселке Тикси Саха (Якутия), технология возведения зданий производственно-логистического комплекса «Архангельск», возведение несущих и ограждающих конструкций административно-бытового комплекса «Арктический трилистник». По критерию технологичности было проведено сравнение быстровозводимых зданий и предложены специальные решения по их совершенствованию в арктических условиях.

Ключевые слова: Арктика, специальные условия строительства, зона строительства, энергоэффективные здания, низкая температура, сильный ветер, суровый климат, короткий летний сезон.

В Арктике располагаются российские острова и архипелаги Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, самый большой из архипелагов Русской Арктики — Новая Земля, Северная Земля, Новосибирские острова, остров Врангеля, Соловецкие острова, остров Вайгач и др.

На этих островах крайне тяжелые климатические условия для проживания людей, но несмотря на это многие страны видят свои интересы в Арктике.

Но несмотря на суровость климата, где зимой отрицательная температура держится около минус 40–42 градусов по Цельсию, а снежный покров сходит только с августа до середины сентября, построены по быстровозводимой технологии современные энергоэффективные здания самой северной и современной базы России, расположенной на архипелаге Земля Франца-Иосифа.

Все объекты построены из металла и легких ограждающих панелей стен и покрытия. Еще в 2000 году обращалось внимание на то, что заводы железобетонных конструкций не обеспечивают высокую эффективность капиталовложений в условиях Крайнего Севера и потому необходимо развивать технологии, снижающие массу зданий с использованием легких металлических конструкций и минераловатных плит, а также слоистых панелей типа «сэндвич» [1, 2], потому что легкие строительные конструкции обладают высокой транспортабельностью, транспортировка, например сэндвич-панелей эффективна в радиусе 2,5 тыс. км. [3].

Климатические условия Крайнего Севера (сильные ветры в сочетании с низкими температурами) предъявляют особые требования к проектированию и строительству жилищ в этом районе.

При исследовании принципов обустройства мест базирования одним из авторов еще в 2002 году обращалось внимание на целесообразность внедрения быстровозводимых конструкций при обустройстве приграничных военных городков, расположенных на значительном удалении от городов особенно в условиях Крайнего Севера [4].

Пространственная организация военного городка, как и крупного города традиционно зиждется на трех основных его функциях: работе, жилище и отдыхе [5]. Этот принцип успешно реализован при проектировании комплекса сблокированных зданий «Арктический Трилистник», построенного за три года (с 2014 по 2017 год) на острове Земля Александры в архипелаге Земля Франца-Иосифа, общая площадь комплекса 1400 м ² (рис. 1).

Рис. 1. Административно-жилой комплекс «Арктический трилистник» на острове Александры Земля Франца-Иосифа

В составе комплекса построены здания котельной и электростанции (рис. 2).

Рис. 2. Здание котельной в Арктике

Кроме того, построены гаражи, склады, а также сооружения водоочистки, канализации и утилизации бытовых отходов. Между зданиями построены закрытые переходы, позволяющие не выходить в зимнее время на улицу.

Также на острове возведена насосная станция для приема с танкеров доставленного к острову топлива.

Возведение перечисленных выше зданий комплекса «Арктический Трилистник», можно рассматривать в качестве экспериментального строительства, которое является предметом настоящего исследования в части анализа примененных в суровых условиях Арктики технологий возведения зданий.

Целью исследования является уточнение рациональной области применения имеющихся технологий возведения каркасно-панельных и объемно-модульных зданий в условиях Арктики, а также поиск основных направлений совершенствования технологии возведения применяемых в Арктике быстровозводимых зданий.

Говоря о начале строительства зданий «Арктического Трилистника», отмечаем сезонность производства строительных работ. До начала строительства в теплое время года первая бригада строителей, проживающая в палатках, построила временные сборно-щитовые здания, предназначенные для приема основных бригад рабочих-строителей, прибывающих позже. Строительный городок площадью 800 кв. м. возведен за две недели. Материально-технические ресурсы (200 тонн стройматериалов и 24 единицы техники) доставлялись из Архангельска транспортными кораблями по Северному морскому пути в период навигации.

При строительстве зданий в Арктике использована сборная каркасно-панельная строительная система, состоящая из металлического несущего каркаса, собираемого из легких оцинкованных стальных профилей и панелей типа «сэндвич», применяемых для стен и покрытия (рис. 3).

Рис. 3. Монтаж каркаса здания из стальных оцинкованных профилей (работы ведет Спецстой России)

Каркасные здания из легких стальных конструкций с покрытием и стенами в виде сэндвич-панелей эффективны для строительства складских зданий производственно-логистических комплексов и пунктов морского базирования [6, 7].

Размеры секции типовой каркасно-панельной строительной системы здания складского назначения, возводимого из легких стальных конструкций и панелей типа «сэндвич» приводятся в табл. 1.

Таблица 1

Размеры секции каркасно-панельной строительной системы из легких стальных конструкций и панелей типа «сэндвич»

Наименование показателя	Значение показателя
Пролет между колоннами, м	12, 15, 18,21,24
Шаг колонн, м	6
Полезная высота помещения, м	3;3,6; 4,2;4,8; 5,4;6; 6,6;7,2; 7,8; 8,4
Ширина и высота ворот, м	3 3, 3,6 3,6; 4
Ширина и высота окон, м	4,5 ; 6,0
Вид и уклон кровли	Двускатная, уклон 25 %

В целях организации централизованного и бесперебойного снабжения северных территорий в период северного завоза в том числе объектов базирования в Арктике строится производственно-логистический комплекс «Архангельск»,

Производственно-логистический комплекс «Архангельск» расположен в Маймаксанском округе города Архангельска в районе порта «Экономия»,

Возведение зданий производственно-логистического комплекса спроектировано из легких стальных конструкций и панелей стен и покрытия типа «сэндвич». В целом создание объекта включает следующие этапы:

— проектирование;

— инженерная подготовка строительной площадки;

— земляные работы и возведение монолитного фундамента;

— изготовления конструкций в заводских условиях;

— транспортировка комплекта на строительную площадку;

— подготовка конструкций к монтажу, включая укрупнительную сборку;

— монтаж колонн, связей, ферм и прогонов;

— монтаж панелей стен и покрытия;

— установка окон, дверей и ворот;

— выполнение внутренних общестроительных работ;

— прокладка внутренних инженерных сетей и установка приборов;

— монтаж и пусконаладка технологического оборудования.

В научных трудах Асаула А. Н., Казакова Ю. Н., Быкова В. Л., Князя И. П., Ерофеева П. Ю. [8,9,10] систематизированы строительные системы и технологии возведения мобильных и быстровозводимых зданий, которые вполне применимы не только для временного обустройства поселков строителей и нефтяников, но и для создания объектов базирования в Арктике, например строительная система «Модуль» (табл. 2).

Таблица 2

Основные технико-экономические показатели общежития К 120–11–03 на 120 человек для строительных организаций на основе сборно-разборной системы «Модуль»

№ п/п	Технико-экономические показатели	Единица измерения	Значение
1	Строительный объем	м 3	2318
2	Площадь застройки	м 2	472,9
3	Полезная площадь	2 м	706,6
4	Высота помещения	м	3
5	Трудоемкость монтажа	чел.-дн	200
8	Масса наземных конструкций	т	112
10	Срок службы	лет	20
11	Степень огнестойкости	-	IV
12	Ширина секций, модуль по ширине	м	2,4
13	Пролет, модуль по длине	м	4,8
14	Наибольший вес монтируемого элемента	кг	500
17	Этаажность	этаж	1 или 2

В одной из публикаций Ю. Н. Казакова и соавторов [9] о строительной системе «Модуль» сказано: «Учитывая полученные результаты, еще 1981 году система «Модуль» была представлена на специализированной строительной выставке ВДНХ СССР, посвященной проблемам оперативного обустройства строительно-монтажных организаций, по итогам которой была удостоена диплома I степени, а коллективы разработчиков, включая ВИТУ, награждены медалями ВДНХ. Эти обстоятельства во многом предопределили то, что система была признана Госстроем СССР одной из лучших в стране и включена в государственный руководящий документ — «Перечень проектов инвентарных зданий, обязательных для заводского производства в 1981–1985 гг.».

На основании вышесказанного система «Модуль» принята авторами в качестве аналога при оценке современных быстровозводимых строительных систем. На рис. 4 показан монтаж строительной системы «Модуль» [10].

Рис. 4. Монтаж панелей перекрытия строительной системы «Модуль»

В современных условиях показала свою эффективность при возведении зданий медицинских центров каркасно-панельная строительная система с каркасом из легких стальных конструкций, стенами и покрытием из панелей типа «сэндвич». Предполагаемая капитальность таких зданий, по мнению авторов, выше 4-го класса, и срок эксплуатации ориентировочно составляет 60–70 лет [11,12].

Кроме каркасно-панельной технологии применяется для возведения жилых зданий блок-модульная технология возведения зданий.

На побережье бухты Тикси моря Лаптевых в республике Саха (Якутия) по блок-модульной технологии построены два здания общежития на 150 человек (рис. 5) на территории уже существующего гарнизона в поселке городского типа Тикси (рис. 6).

Рис. 5. Жилые корпуса общежития для военнослужащих из объемных блок-модулей в гарнизоне поселка Тикси Саха (Якутия)

Рис. 6. Поселок городского типа Тикси Саха (Якутия) на побережье одноименной бухты моря Лаптевых

Блок-модульные технологии особенно целесообразны при строительстве в суровом климате, когда за короткий летний сезон надо успеть доставить материалы, оборудование и построить достаточно крупный объект с инженерной инфраструктурой.

Блок-модульные здания представляют собой строительные системы, возводимые путем монтажа блок-модулей полной заводской готовности [13].

Обычно монтаж блок-модулей осуществляется «с колес» стреловым краном с использованием траверсы. Технологическая схема монтажа [14] автомобильным краном блок-контейнера (модуля) показана на рис. 7.

Рис. 7. Технологическая схема монтажа блок-контейнера «с колес».

Работы выполняют два звена:

Первое звено выполняет общестроительные работы нулевого и надземного цикла, а второе выполняет монтаж и подключение инженерных сетей, молниезащиту и заземление и т. п.

Перевозка блок-контейнеров осуществляется специализированной низкорамной платформой с оформлением разрешения на перевозку негабаритного груза. Стандартные размеры блок-контейнеров приводятся в табл.3.

Таблица 3

Стандартные размеры блок-контейнеров (модулей)

Ширина, мм	Ширина, мм	Высота, мм
6 000	2 430	2 590
9 000	2 430	2 590
12 000	2 430	2 590
6 000	3 000	2 590
9 000	3 000	2 590
12 000	3 000	2 590
6 000	3 000	3 000
9 000	3 000	3 000
12 000	3 000	3 000

Блок-модули можно соединять между собой торцевой стороной, боковой стороной, ставить друг на друга до трех этажей. Приобретают все большую популярность сборно-разборные блок-модули (рис.10), доставляемые на строительную площадку в разобранном виде в специальном компактном пакете, что существенно снижает транспортные расходы по доставке с завода-изготовителя к месту строительства. На строительной площадке вначале выполняется сборка блок-модулей, а потом из них монтируется здание.

Затраты труда рабочих строителей и машинистов на нулевой цикл и монтаж быстровозводимых зданий различных строительных систем приводятся в табл.4

Таблица 4

Усредненная выработка — строительный объем возведенного здания на одного человека в день без учета нулевого цикла и отделки быстровозводимых зданий различных строительных систем

Наименование затрат	Ед. измер	Блок-модульная система из сборных контейнеров	Система «Модуль»	Каркасно-панельная система (стальной каркас и сэндвич-панели
Выработка	м3/чел.-дн	22,73	11,59	17,48

При расчете показателя технологичности (Кт), представляющего собой отношение выработки при монтаже (t _i ) каркасно-панельной или объемно-модульной строительной системы к выработке при монтаже строительной системы «Модуль», применяют формулу: 𝐾𝑇 = 𝑡𝑖 ⁄ 𝑡б.

Превышение или снижение коэффициента технологичности ∆К _т каркасно-панельной или блок-модульной строительной системы по отношению к показателям системы «Модуль» определяют по формуле: ∆К _т = К _т — 1.

Аналогичный подход применяется и к другим показателям технологичности (табл. 5 и 6).

Таблица 5

Оценка коэффициента технологичности блок-модульной строительной системы в сравнении с системой «Модуль»

Показатель	Блок-модульная система из сборных контейнеров	Система «Модуль»	Коэффициент технологичности, отношение гр. 2 к гр. 3	Отклонение показателя технологичности (показатель гр. 4 минус единица)
Выработка, м3/чел.-дн	22,73	11,59	1,96	0,96
Превышение технологичности строительной системы из блок-модулей по сравнению с системой «Модуль», %				96

Таблица 6

Оценка коэффициента технологичности каркасно-панельной строительной системы в сравнении с системой «Модуль»

Показатель	Каркасно-панельная система (стальной каркас и сэндвич-панели	Система «Модуль»	Коэффициент технологичности, отношение гр. 2 к гр. 3	Отклонение показателя технологичности (показатель гр. 4 минус единица)
1	2	3	4	5
Выработка, м3/чел.-дн	17,48	11,59	1,51	0,51
Превышение технологичности каркасно-панельной строительной системы по сравнению с системой «Модуль», %				51

Сравнив современные быстровозводимые строительные технологии с технологией строительной системы «Модуль», можно сделать вывод о превосходстве рассмотренных технологий по отношению к технологии строительной системы «Модуль».

В дальнейших исследованиях актуально рассмотреть переход от сборных модулей, доставляемых к месту строительства в разобранном виде, к трансформируемым модулям с гидравлическим приводом, применяемым в строительных машинах. В связи с чем интересны принципиальные идеи, требующие научно-экспериментального исследования, о создании складывающихся и раздвижных блок-модулей (рис. 8), предложенные в 2004 году в монографии Казакова Ю. Н. и соавторов [10].

Рис. 8. Схемы а) раздвижных блок-модулей и б) складывающихся и раскладывающихся блок-модулей на колесном ходу

Такие блок-модули представляют собой перевозимые прицепные мобильные малые здания на околесном ходу и применимы для пионерных бригад строителей в Арктике.

Опираясь на рассмотренный опыт и изложенные идеи, авторы пришли к выводу о том, что использование блок-модульной технологии ограничивается пока возведением зданий жилого и административного назначения, где не требуется больших пролетов. Складские здания для хранения имущества и техники следует возводить с пролетами 12–24 м по каркасно-панельной технологии. Для строительства комплексных зданий с зальным пространством и отдельными помещениями целесообразно совмещать металлический каркас, блок-модуль и сэндвич-панель.

Одиночные блок-модули эффективны для модульных газовых котельных, дизельных электростанций, водоочистных станций и других инженерных модулей. В связи с ограниченностью объема публикации нами не рассмотрены технологии создания тентовых и надувных быстровозводимых зданий.

Литература:

1. Тилинин Ю. И., Бакарадзе Г. А., Тилинин В. Ю. Оценка эффективности технологии оперативного строительства // Сб. ст. по материалам межвузовской науч.-практ. конф. «Современные направления развития технологии, организации и экономики строительства». СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2021. № S3 (15). С. 246–254.
2. Быняева Н. А., Тилинин Ю. И., Фролов А. В. К вопросу повышения организационно-технического уровня экспедиционных жилищ // Градостроительные проблемы на современном этапе. Сборник докладов между народной научно-практической конференции 24–25 мая 2000. Санкт-Петербург. С. 179–180.
3. Тилинин Ю. И. Необходимость развития производства легких конструкций для обустройства войск // Градостроительные проблемы на современном этапе. Сборник докладов между народной научно-практической конференции 24–25 мая 2000. Санкт-Петербург. С. 194–195.
4. Тилинин Ю. И., Федоренко П. Г. Формирования планировки и застройки военных городков в Сибири и на Дальнем Востоке // Градостроительные проблемы на современном этапе. Сборник докладов между народной научно-практической конференции 24–25 мая 2000. Санкт-Петербург. С.178–179.
5. Выбор технологии оперативного строительства объектов инфраструктуры с учетом долговечности зданий // Ю. И. Тилинин, Ч. О. Бахтинова, Е. В. Хорошенькая, В. Ю. Тилинин // Вестник гражданских инженеров. 2021 № 1 (84) — С. 95–96. СПб.: СПБГАСУ, 2021
6. Тилинин Ю. И., Животов Д. A. Совершенствование рассредоточенного монолитного строительства на прибрежной территории // Строительные материалы. 2021. № 7 С.10–17 DOI: https://doi.org/10.31659/0585–430X-2021–793–7-10–17
7. Тилинин Ю. И. Строительные системы и технологии возведения зданий и сооружения новороссийской морской базы. В сборнике: Актуальные проблемы естественных и технических наук. Сборник статей межвузовской научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 2021. С. 226–232.
8. Казаков Ю. Н. Высокоскоростное строительство зданий из легких сэндвич-панельных систем: моногр. / Ю. Н. Казаков, Е. В. Хорошенькая, Ф.-М. Адам. — СПб.: СПбГАСУ, 2018. — 176 с.
9. Казаков Ю. Н., Гусева О. В. Способы возведения мобильных и трансформирующихся конструкций // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 4 (63). С. 158–163.
10. Асаул А. Н., Казаков Ю. Н., Быков В. Л., Князь И. П., Ерофеев П. Ю. Теория и практика использования быстровозводимых зданий в обычных условиях и чрезвычайных ситуациях в России и зарубежом / Под ред. д.т.н., проф. Ю. Н. Казакова — СПб.: «Гуманистика», 2004. -472 с
11. Тилинин Ю. И. Выбор технологии оперативного строительства объектов инфраструктуры с учетом долговечности зданий // Ю. И. Тилинин, Ч. О. Бахтинова, Е. В. Хорошенькая, В. Ю. Тилинин // Вестник гражданских инженеров. 2021 № 1 (84) — С. 95–96. СПб.: СПБГАСУ, 2021
12. Тилинин Ю. И., Животов Д. А., Тилинин В. Ю. Повышение технологичности монтажа каркасно-панельных быстровозводимых зданий // «Инженерно-строительный вестник Прикаспия» 2021 № 1 (35). С. 34–37. Астрахань.: АГАСУ, 2021
13. Gaido A. N. Construction system for the erection of prefabricated buildings out of factory-made modules // Architecture and Engineering. — Vol. 2. — № 2. — 2020. — Р. 32–37. DOI: 10.23968/2500–0055 -2020–5-2 -32–37
14. Проект организации работ, проект производства работ на обустройство мобильного служебно-бытового центра. Разработка и оформление. МДС 12–51.2009 М.: ЗАО «ЦНИИОМТП». 2009