Содержание к диссертации
Введение
1 Современная ситуация с применением композитных материалов в строительстве, нормированием их расчета и проектирования, а также использованием передовых способов возведения зданий и сооружений 19
1.1 Консерватизм строительной отрасли и возможные направления ее инновационного развития 19
1.2 Определение типа, состава и прогнозируемых характеристик современных строительных композитных материалов 23
1.3 Инновационные и эволюционные возможности применения композитов в строительстве 27
1.4 Нормирование расчетов строительных композитных конструкций 31
1.5 Целесообразность применения композитных материалов в конструкциях зданий и сооружений 34
1.6 Актуальность использования инновационных технологий в условиях индустриализации строительства 35
2 Предложения по использованию местных материалов для производства конструкционных компози тов и разработка интегральной методики прогнози рования их физико-механических характеристик ... 38
2.1 Общая характеристика конструкционных композитных материалов и предложения по выбору наиболее целесообразных для строительства 38
2.2 Оценка возможности производства композитов с наполнителями из местных материалов Южного федерального округа (на примере Ростовской области) 43
2.3 Разработанная интегральная методика прогнозирования характеристик композитных материалов на основе дифференцированного учета свойств их составляющих 50
2.4 Рекомендации по модификации свойств строительных композитов из местных материалов путем добавления наноразмерных частиц и прогнозирование их конструкционных характеристик по предлагаемой интегральной методике 63
2.5 Выводы по главе 2 69
3 Разработка новых систем изделий и конструкций для строительства зданий и сооружений из композитных материалов 71
3.1 Оценка принципиальной возможности использования композитных материалов в основных технологиях «сухого» строительства, применяющихся в России 71
3.2 Предложения по замене элементов бревенчатых и брусчатых зданий универсальными композитными изделиями 74
3.3 Рекомендации по применению эффективных композитных изделий в качестве элементов стен и перекрытий деревянных легкокаркасных зданий и их преимущества перед традиционными конструкциями 79
3.4 Предлагаемый универсальный комплексный набор композитных элементов для возведения зданий и сооружений 85
3.4.1 Фундаментные конструкции 86
3.4.2 Элементы стен 90
3.4.3 Балки перекрытий 98
3.4.4 Конструкции покрытий 101
3.4.5 Новая система внешней отделки композитных зданий 107
3.4.6 Инженерные системы и второстепенные элементы строений из композитов 109
3.4.7 Преимущества предлагаемых композитных универсальных элементов и конструкций ПО
3.5 Разработанная система объемных элементов для возведения стен, перекрытий, внешней и внутренней отделки «Росси» 112
3.6 Рекомендации по назначению минимальных физико-механических характеристик композитных материалов для строительства 117
3.7 Выводы по главе 3 120
4 Обоснование необходимости в разработке нормативных документов по строительству зданий и сооружений из композитных материалов и предложения по составу и наполнению норм 123
4.1 Современная ситуация с разработкой нормативных документов по расчету и проектированию строительных конструкций из композитных материалов в России и за рубежом 123
4.2 Предлагаемая методика нормирования расчетных характеристик строительных композитных материалов 125
4.3 Рекомендации по нормированию расчетов композитных элементов строительных конструкций 134
4.3.1 Расчет центрально нагруженных композитных элементов... 134
4.3.2 Изгибаемые и внецентренно нагруженные композитные элементы 138
4.3.3 Рекомендации по расчету армированных композитных элементов 143
4.4 Предлагаемые аналитические зависимости для расчета нагельных соединений элементов из композитных материалов 160
4.5 Выводы по главе 4 163
5 Особенности производства зданий из композитных материалов и выпускающего их предприятия 165
5.1 Рекомендации по созданию и насыщению информационной системы предприятия по выпуску зданий и сооружений из композитных материалов 165
5.2 Реализация современных компьютерных технологий строительного проектирования на примере разработанной программы WHCAD 172
5.3 Предложения по идентификации изделий, конструкций и систем зданий и сооружений из композитных материалов 183
5.4 Выбор оптимальных способов производства композитных изделий и рекомендуемый состав выпускающего их предприятия 191
5.4.1 Рациональный состав и особенности производственной линии по выпуску изделий методом экструзии 194
5.4.2 Рекомендуемый метод литьевого производства изделий из композитных материалов 200
5.4.3 Оценка возможности использования современных отечественных технологий изготовления композитных изделий методом прессования 202
5.5 Преимущества заводской контрольной сборки объектов и предложения по разработке технологических маршрутов возведения зданий и сооружений 204
5.6 Выводы по главе 5 209
6. Инновационные скоростные технологии возведения зданий и сооружений из композитных материалов. особенности предлагаемых эффективных систем комплексной подготовки строительства объектов и логистических процессов 211
6.1 Предложения по составу и объему комплекса подготовительных работ, выполняемых на производстве и строительной площадке.. 211
6.2 Рекомендуемая эффективная система доставки материалов и строительных бригад к месту строительства 215
6.3 Предлагаемое совмещение основных строительных циклов и рекомендуемые эффективные средства механизации как предпосылки значительного сокращения сроков строительства малоэтажных зданий и сооружений из композитных материалов 224
6.4 Разработка инновационной технологии возведения зданий и сооружений с использованием промышленных роботов 235
6.5 Доказательство возможности значительного сокращения сроков строительства зданий и сооружений из композитных материалов
при возведении стен монолитно-каркасных строений 247
6.6 Выводы по главе 6 261
7. Преимущества разработанных комплексных систем для возведения зданий и сооружений и другие возможности применения композитных материа лов в строительстве 263
7.1 Экономическая целесообразность и срок окупаемости предприя тия по производству зданий и сооружений из композитных мате риалов 263
7.2 Рекомендации по определению термического сопротивления строительных изделий из композитных материалов 269
7.3 Оценка экологичности композитных материалов и строений, возводимых с их применением 275
7.4 Новые универсальные системы облицовки фасадов - средство обеспечения архитектурной выразительности зданий и сооружений 279
7.5 Предложения по использованию композитов в дорожных покрытиях 291
7.6 Выводы по главе 7 295
Заключение 297
Список литературы
- Инновационные и эволюционные возможности применения композитов в строительстве
- Оценка возможности производства композитов с наполнителями из местных материалов Южного федерального округа (на примере Ростовской области)
- Предлагаемый универсальный комплексный набор композитных элементов для возведения зданий и сооружений
- Изгибаемые и внецентренно нагруженные композитные элементы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основной задачей строительной отрасли России на современном этапе является значительное увеличение объемов вводимого в эксплуатацию жилья. Она решается возведением многоэтажных зданий и малоэтажной индивидуальной жилой застройкой. Традиционные методы не позволяют значительно уменьшить сроки строительства, а новых массовых прогрессивных технологий за последние годы не появилось. Строительная отрасль остается одной из самых консервативных во всем мире, а прирост жилой площади сейчас происходит лишь за счет ввода новых мощностей по выпуску традиционных конструкций или интенсификацией процесса возведения зданий.
В последние годы за рубежом появились строительные ЗБ-принтеры, с помощью которых «печатаются» отдельные здания или малые архитектурные формы. Недостатком подобной технологии следует считать ее зависимость от непрерывной подачи бетонной смеси, которая должна обладать рядом специфических свойств, таких как высокая подвижность и быстрая схватываемость. Кроме того, создаваемые таким способом строения имеют характерный «полосатый» вид из-за послойной укладки бетона.
Более перспективным является «сухое» строительство, при котором объекты возводятся без использования растворов или клеев. Наиболее широко такой прием применяется в деревянном домостроении, где бревенчатые и брусчатые дома известны уже не одно столетие, а также в легкокаркасных системах с использованием древесины или стальных тонкостенных профилей.
Использование в конструкциях зданий древесины неизбежно приводит к большим отходам, связанным с обрезкой и подгонкой элементов, и хотя дерево - восполняемый материал, но процесс его восполнения достаточно продолжителен во времени. Стальные тонкостенные профили требуют серьезных затрат труда на их производство и также предполагают наличие больших отходов.
«Сухие» способы строительства используются в малоэтажном домостроении. Монолитно-каркасная технология, применяемая для высотных зданий, наряду с железобетоном предполагает использование кирпича или мелких блоков для стен и перегородок. Известны лишь отдельные примеры разработки мелких штучных элементов специального вида, стены из которых могли бы возводиться «сухим» способом. Как правило, для их изготовления применяется бетон, заливаемый в формы. Такой способ создания стеновых элементов продолжителен и имеет низкую производительность, что служит тормозом в развитии этих перспективных технологий.
Узкоспециализированные научные исследования в большинстве случаев не являются коммерческим продуктом, готовым для внедрения в производство и эффективной реализации, поэтому актуальными становятся работы, в которых новации рассматриваются всесторонне. К сожалению, сегодня отсутствует социальный заказ на инновационный прорыв в жилищном строительстве и производстве строительных материалов. Нет мотивации к такому прорыву и у застройщиков - дома, построенные с использованием традиционных технологий, и так успешно продаются. Связующим звеном между застройщиками и промышленностью строительных материалов долж-
ны быть проектировщики, закладывая в проекты инновационные материалы и технологии. Однако они часто просто ждут, когда инновационный продукт станет массовым и будет узаконен нормативами.
Таким образом, возникает необходимость в разработке инновационных безотходных технологий возведения здания в целом или хотя бы его надземной части с использованием для этого эффективных строительных материалов.
Современная политическая ситуация в мире, введенные санкции в отношении России, необходимость в разработке импортозамещающих технологий и постоянная потребность в новом комфортном жилье делают комплексные исследования, направленные на разработку эффективных и конкурентоспособных инновационных материалов, конструкций и технологий весьма важными, актуальными и востребованными.
Степень разработанности проблемы. Композитные материалы давно и хорошо известны. Они отличаются разнообразием составов и свойств и применяются в различных отраслях промышленности. На протяжении ряда лет над расширением области использования композитов и разработкой соответствующих методик расчета трудились Аврамчик А.В., Аннин Б.Д., Арленинов Д.К., Асеев А.В., Блазнов А.Н., Бобрышев А.Н., Борков П.В., Ванин Г.А., Васильев В.В., Вишняков Л.Р., Воробей В.В., Герасимов В.М., Ершов Н.П., Журавлев А.А., Зиновьев П.А., Карлсен Г.Г., Карпов Я.С., Кербер М.Л., Клесов А.А., Кобелев В.В., Корнеев А.Д., Курин СВ., Мики-таев А.К., Михайлин Ю.А., Немировский Ю.В., Нестеренкова А.И., Остапенко А.В., Осяев О.Г., Панова Л.Г., Петроченков Р.Г., Плювинаж Г., Резников Б.С, Реутов А.И., Ржаницын А.Р., Савин В.Ф., Сапунов В.Т., Сироткин О.С, Смердов А.А., Соломатов В.И., Суханов А.В., Татурин Ю.А., Химлер Д., Хацринов А.И., Языев Б.М. и др. За рубежом этими вопросами занимались многочисленные исследователи, в том числе Abrate S., Altenbach Н., Berger М., Bloyaert С, Daniel I., Eder A., Ge X., Harris В., Heiden P.A., Ishai 0., Iztok S., Karian G., Kaw A., Liukko Т., Matuana L., Milton G., Ochsner A., da Silva L., Steiner P., Dai C, Zuiderduin W. и другие.
Однако, несмотря на значительные достижения в данной области, композиты с полимерной матрицей так и не получили широкого признания в качестве материалов для несущих строительных конструкций. Этому препятствует дефицит инженерных методик прогнозирования их свойств, а также отсутствие нормативных документов по их расчету и проектированию, вследствие чего инновационные и эффективные строительные материалы применяются лишь в качестве второстепенных элементов зданий и сооружений, утеплителей, всевозможных пленок, прокладок и т.п.
Внедрение новых материалов должно идти постепенно и начинаться с их апробации на небольших объектах, которыми могут стать малоэтажные строения. В России и за рубежом накоплен значительный опыт их строительства и разработки различных систем домостроения. Свой вклад в эту область внесли такие ученые, как Адам Ф.М., Асаул А.Н., Афанасьев А.А., Заренков, В.А., Казаков Ю.Н., Ковалев В.И., Ланге Б.С, Лещиков В.А., Любимова М.С., Люпаев Б.М., Потапов Ю.Б., Селяев В.П., Черешнев И.В., Шипов В.В., Яковлев Р.Н. Среди зарубежных исследователей следует отметить Eastman С, Teicholz P., Thallon R., Schultz Т., Wodall В.
Тем не менее, современное малоэтажное строительство ведется с применением традиционных материалов и технологий. Актуальным направлением исследований в этой области следует считать разработку универсальных наборов элементов для возведения зданий и сооружений различных размеров в плане, этажности и форм. Индустриальное производство подобных наборов из композитных материалов обеспечит их высокое качество, постоянство размеров и простоту сборки.
Появление новых материалов и конструкций напрямую связано с необходимостью разработки инновационных технологий возведения зданий. Проблематике повышения эффективности и скорости строительства посвящены работы многих авторов, к числу которых прежде всего следует отнести Алексееву Л.Л., Афанасьева В.А., Булгакова А.Г., Гаврилова Д.А., Дикмана Л.Г., Евтушенко СИ., Лапидус А.А., Немченко В.В., Теличенко В.И., Терентьева О.М., Чистова Д.В., Шагину Е.С., Шуре-мова Е.Л. и других. Тем не менее, всестороннее комплексное исследование возможности использования композитных материалов в малоэтажном домостроении среди прочего предполагает создание новых технологий «сухого» строительства, как с использованием средств механизации отдельных операций, так и системного применения робототехники.
Цель работы: разработка комплексной концепции высокоскоростного индустриального строительства экономически эффективных зданий и сооружений различных форм и назначения из инновационных универсальных наборов изделий, деталей и конструкций, выполненных из современных композитных материалов, с применением прогрессивных технологий возведения объектов.
Задачи исследования:
анализ современного состояния и тенденций применения композитов в строительстве у нас в стране и за рубежом;
выявление оптимальных для использования в несущих конструкциях типов экологичных композитных материалов и их составов; создание аналитической методики прогнозирования физико-механических характеристик композиций;
разработка инновационных систем индустриального домостроения из комплексных универсальных наборов элементов;
создание новых систем внешней отделки фасадов зданий и сооружений, позволяющих оформлять строения в различных архитектурных стилях, используя минимальное количество стандартных элементов;
- формулирование предложений по составу и наполнению Свода Правил, посвященного вопросам расчета и проектирования композитных строительных конструкций; разработка методики назначения расчетных характеристик материалов с учетом особенностей их работы в конструкциях;
- установление необходимых требований к домостроительному комбинату, вы
пускающему комплекты композитных изделий для строительства зданий и сооруже
ний, оценка его экономической эффективности, разработка рекомендаций по составу
основных производственных линий и по содержанию универсального программного
комплекса управления предприятием, создание необходимой технологической и транспортной оснастки;
разработка предложений по минимизации возможных ошибок при проектировании и строительстве композитных зданий за счет создания компьютерной и визуальной классификаций изделий, выпускаемых предприятием, а также осуществления контрольных сборок строений;
разработка инновационных индустриальных скоростных технологий возведения зданий и сооружений «сухим» способом с использованием робототехники и передовых методов монтажа.
Научная новизна работы:
Предложены оптимальные для применения в несущих строительных конструкциях зданий и сооружений экономически эффективные типы композитных материалов;
Разработана интегральная аналитическая методика прогнозирования характеристик строительных бинарных композитов на основе дифференцированного учета свойств их составляющих, являющаяся модификацией методики МГГУ прогнозирования свойств минеральных горных пород;
Предложены пять различных инновационных строительных систем для возведения бесконечного вариативного ряда композитных зданий и сооружений в целом или их отдельных частей из комплексных наборов универсальных элементов;
Сформулированы предложения по составу Свода Правил, помвященного расчету и проектированию композитных конструкций, включая методику определения расчетных сопротивлений композитного материала, основанную на вероятностном подходе и сроке эксплуатации объекта, а также расчетные зависимости для основных видов напряженного состояния элементов и оценки несущей способности нагельных соединений;
Приведена универсальная методика расчета армированных изделий, пригодная для композиций, как с полимерной, так и минеральной матрицами, имеющими различные модули упругости на растяжение и сжатие;
Предложены высокопроизводительные производственные линии и отдельные их части для осуществления выпуска изделий по экструзионной, литьевой и ударно-вибрационной технологиям;
Разработан классификатор универсальных элементов строений (КУЭС), основанный на принципах единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации ЕСКК ТЭСИ и цветовая идентификация изделий и деталей для оперативного определения их принадлежности к той или иной инженерной системе или конструкции здания;
Определены требования к единому программному комплексу для управления процессом проектирования зданий, промышленного производства композитных изделий и возведением объектов на строительной площадке. Составлена одна из частей такого комплекса;
Разработаны эффективные индустриальные технологии возведения «сухим» способом зданий и сооружений из композитных материалов, обеспечивающие значительное сокращение сроков строительства за счет применения универсальной техники и промышленных роботов;
Представлен способ повышения архитектурной выразительности строительных объектов за счет применения разработанной универсальной системы отделки фасадов.
Теоретическая и практическая ценность:
Разработанная инновационная концепция применения современных композитных материалов для возведения зданий и сооружений «сухим» способом обеспечивает возможность значительного роста объемов вводимого в эксплуатацию жилья при сокращении сроков строительства и снижении его стоимостных показателей.
Предложенные системы малоэтажного домостроения, а также технология устройства стен и перегородок в монолитно-каркасных зданиях из комплексных наборов универсальных элементов, чья новизна подтверждена патентами на изобретения, обеспечивает возможность наладить промышленный выпуск комплектов деталей малоэтажных домов, сборку которых сможет осуществить даже человек без соответствующего образования.
Разработанная интегральная методика определения физико-механических характеристик композитных строительных материалов на основе дифференцированного учета свойств их составляющих позволяет значительно сократить объем экспериментальных исследований при подборе состава композиции.
Представленный подход к разработке Свода Правил по расчету и проектированию композитных конструкций, разработанные методики определения расчетных сопротивлений композитного материала, а также расчета армированных изделий и соединений элементов дают возможность совместными усилиями широкого круга отечественных специалистов создать соответствующий нормативный документ.
Модернизированная информационная система управления крупным градообразующим предприятием, не только выпускающим композитные конструкции, но и проектирующим и строящим их, разработанный программный продукт и предложенные принципы классификации изделий обеспечивают промышленное производство экономически эффективных, комфортных для проживания зданий и сооружений.
Разработанные технологии возведения зданий «сухим» способом с применением, как высокопроизводительного ручного труда, так и инновационных роботизированных систем дают возможность существенно уменьшить сроки строительства и повысить его качество.
Методология и методы диссертационного исследования. Методологическая основа настоящего исследования включает в себя комплекс обще- и частнонаучных методов познания, основанных на системе строго выверенных и прошедших апробацию принципов, методов, правил и норм. В диссертации использованы такие методы, как диалектический, комбинационно-синтезирующий, системно-структурный и про-ективно-прагматический.
Нормативно-правовую базу исследования составили Конституция Российской Федерации, федеральные конституционные законы, федеральные законы, указы Президента Российской Федерации, постановления Правительства Российской Федерации, нормативно-техническая литература по строительству.
Теоретической основой исследования являются многочисленные научные труды по проблемам теории композитов, строительным конструкциям, зданиям и сооружениям, а также по вопросам технологии и организации строительного производства.
Эмпирическая база исследования содержит известные технические решения и строительные системы, традиционные и вновь разрабатываемые методы возведения зданий и сооружений, сведения о структуре и свойствах инновационных строительных материалов, а также патентно-лицензионную информацию.
На защиту выносятся:
- инновационные строительные системы для возведения зданий и сооружений
из комплексных наборов универсальных элементов, выполненных из композитных
материалов;
- интегральная методика определения физико-механических характеристик
композитных материалов на основе дифференцированного учета свойств их состав
ляющих;
порядок назначения значений расчетных сопротивлений композитов и изделий из них;
предложения по составу и особенностям производственных линий комбината по выпуску изделий и деталей для возведения композитных зданий и сооружений;
- модернизированная информационная система управления комбинатом по
проектированию, производству и строительству, а также компьютерная программа по
проектированию зданий и сооружений;
предложенные классификатор универсальных элементов строений и цветовая идентификация изделий и деталей для оперативного определения их принадлежности к той или иной системе или конструкции здания;
разработанные инновационные технологии возведения зданий «сухим» способом с применением высокопроизводительного ручного труда и роботизированных систем.
Достоверность научных положений защищаемых в работе результатов обусловлена использованием обоснованных математических моделей и методов, а также сопоставлением результатов расчета с известными решениями частных задач.
Апробация результатов работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону, 2004-2014гг.), III международной научно-практической конференции «Современные научные исследования: инновации и опыт» (Екатеринбург, 2014г.), IV и XI международных научно-практических конференциях «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия» (Новосибирск, 2014, 2015гг.), III международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки, технологии и производства»
(Санкт-Петербург, 2014г.), XI международной научно-практической конференции «Научное обозрение физико-математических и технических наук в XXI веке» (Москва, 2014г.), II международной научно-практической конференции «Вопросы технических наук: новые подходы в решении актуальных проблем» (Казань, 2015г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 7 публикациях в рецензируемых изданиях ВАК, 9 патентах на изобретение и 2 монографиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 333 страницах машинописного текста, имеет 113 иллюстраций, 32 таблицы, библиографию из 318 наименований.
Автор глубоко признателен и искренне благодарен научному консультанту -члену-корреспонденту РААСН, доктору технических наук, профессору Л.Р. Маиляну, руководству Ростовского государственного строительного университета, сотрудникам кафедры металлических, деревянных и пластмассовых конструкций РГСУ, а также другим специалистам за внимание, помощь, ценные советы и критические замечания, сделанные в процессе подготовки диссертации. Огромная признательность за терпение и оказанную помощь всем, кто принимал участие в оформлении настоящей работы.
Инновационные и эволюционные возможности применения композитов в строительстве
Практически все известные современные строительные материалы не встречаются в природе, поскольку созданы человеком и являются искусственными или композитными. Композит — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. Первое упоминание о нем приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5) [233]. Рабы Древнего Египта добавляли солому в глину при производстве кирпичей, чтобы уменьшить трещинообразование во время высыхания изделий на солнце. Таким образом, возраст композитных материалов исчисляется даже не веками, а тысячелетиями.
Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса. Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в XVIII веке, когда вместо папируса использовались куски бумаги и был популярен до середины XX века.
В большинстве композитов компоненты можно разделить на матрицу - связующее и включенные в нее армирующие элементы или наполнители. В материалах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики - прочность, жёсткость и т.п., а матрица отвечает за совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды [194, 255]. Смесь матрицы и наполнителя иногда называют композицией. Эти материалы классифицируют по типу связующего, поэтому имеют место металлические, полимерные, минеральные и другие композиты. Каждый из перечисленных типов может также очень широко варьироваться по своему составу.
При строительстве малоэтажных зданий «черный» металл применяется редко, поэтому искусственные материалы с металлической матрицей можно исключить из рассмотрения. В качестве связующего при создании полимерных композиционных материалов используются полимеры самых разных типов: термопласты - полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты и др.; реактопласты - фенопласты, аминопласты, эпоксидные, полиэфирные, крем-нийорганические и другие полимерные связующие; эластомеры - вулканизированный натуральный, бутадиен-нитрильный, бутилкаучук и другие каучуки [85]. Минеральная матрица представляет собой, как правило, цементное, известковое или гипсовое связующее [49]. Всесторонне рассмотреть все возможные материалы, используемые в качестве связующих, в рамках одной работы затруднительно, поэтому необходимо ограничить их круг.
Массовое производство изделий и деталей для строительства должно быть экономически эффективным. Снижение стоимости зданий и сооружений достигается в частности за счет минимизации отходов и возможности переработки вышедших из строя элементов строений. Такое решение возможно при использовании полимерных композитов с термопластичными матрицами. Среди разнообразных полимеров, на наш взгляд, предпочтение следует отдать полипропилену [103, 277].
Полипропилен - синтетический термопластичный неполярный полимер, принадлежащий к классу полиолефинов. Продукт полимеризации пропилена. Производится из природного газа. Изотактический полипропилен был получен в 1954 году итальянским химиком, лауреатом Нобелевской премии Джулио Натта и представляет собой твердое вещество белого цвета. Он обладает высокой стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и другим неорганическим агрессивным средам. Полипропилен имеет низкое влагопоглощение. Характеризуется хорошими электроизоляционными свойствами в широком диапазоне температур. Полипропилен иногда называют «королем» пластмасс [129]. Известно, что полипропилен не является самым популярным полимером, пропуская вперед в списке лидеров как минимум полиэтилен и поливинилхлорид. Однако на сегодняшний день по темпам роста производства полипропилен вне конкуренции. За последние десять лет потребление полипропилена в России на душу населения выросло в пять раз. Сфера его применения стремительно расширяется за счет вытеснения других полимеров. В первую очередь это касается полистирола и ПВХ. В результате длительного применения двух последних материалов и оценки их экологич-ности в ряде стран Европы они преследуются законодательствами в связи с их токсичностью и весьма сложной утилизацией отходов. Полипропилен же экологически чист, не токсичен и утилизируется гораздо легче. Готовая продукция из него может производиться пятью основными способами - экструзией, литьем под давлением, выдувом, ротоформованием и вспениванием, причем два первых метода являются преобладающими. Его научный и технический потенциал до сих пор не реализован полностью, что подтверждается, например, работами [155, 248, 261]. Что касается стоимости, то полипропилен и здесь выигрывает у других полимеров.
Наполнители композитов во многом определяют их эксплуатационные свойства [115]. Эти составляющие могут быть материалами как растительного или сельскохозяйственного, так и минерального происхождения. Подобные наполнители оказываются наиболее удобными, так как газ для производства полипропилена имеется в России повсеместно, а предлагаемые армирующие добавки могут производиться из местного сырья вблизи от производственных мощностей по выпуску строительных композитных изделий и деталей. В связи с этим в качестве примера целесообразно определить наиболее приемлемые виды наполнителей для конкретного региона страны. Поскольку настоящая работа подготовлена в Ростове-на-Дону, то таким регионом по вполне понятным причинам может стать Южный Федеральный округ.
Еще одним немаловажным моментом является тип наполнителя. Известно, что он может быть волокнистым, тканевым, порошковым и т.п. [141]. Основными параметрами, определяющими тип армирующего элемента, являются прочностные характеристики, стоимость композита, возможность производства значительных объемов материала в сжатые сроки и удобство изготовления из него изделий, деталей и конструкций экструзией или литьем. Различные части зданий и сооружений работают в разных условиях, однако все они должны быть прочными и обладать необходимой жесткостью, поэтому важным моментом является также изотропия свойств композитного материала.
Особый класс полимерных композиционных материалов представляют нанокомпозиты. В качестве добавки к полимерной матрице в них используются различные как по химическому составу, так и морфологии отдельных элементов аддитивы, отличительной особенностью которых является размер составляющих их элементов, который преимущественно должен быть менее ЮОнм [145]. Свойства композитов такого типа могут значительно изменяться при очень малых изменениях концентрации наполнителя, благодаря его большой удельной поверхности и интенсивному межмолекулярному взаимодействию с полимером. В настоящее время активно разрабатываются новые способы получения и исследуются свойства различных полимерных нанокомпозитов, например [248].
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения [185]. В результате образуется композиция с набором параметров, отражающим не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Так, например, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала [48, 288].
В связи с тем, что состав и процентное соотношение частей композитных материалов могут варьироваться весьма значительно, представляет интерес вопрос аналитического определения физико-механических характеристик композиции еще на стадии теоретического прогнозирования ее состава. Известно огромное количество работ, в которых предлагаются различные подходы к его решению. Все они являются в той или иной мере приближенными, поскольку имеет место даже различие характеристик собственно композитного материала и изделий из него [120]. Таким образом, последнее слово остается за экспериментальными исследованиями, однако, на этапе создания материала аналитические методики могут оказаться весьма полезными.
Оценка возможности производства композитов с наполнителями из местных материалов Южного федерального округа (на примере Ростовской области)
Мелкие стеновые блоки из композитных материалов, как наиболее востребованные элементы строений, экономически целесообразно производить методом экструзии. Получаемые при этом изделия должны иметь внутренние полости для размещения в них утеплителя, электрической проводки, разводки сетей «умного» дома, а также для связи блоков смежных рядов кладки. Необходимо обеспечить соединение элементов одного ряда друг с другом посредством специальных фиксаторов. К блокам должна крепиться внешняя облицовка, речь о которой пойдет далее. Следует предусмотреть несколько типоразмеров изделий, обеспечивающих безотходное возведение как гладких, так и стен с выступами и эркерами. Наконец, вес отдельных элементов должен быть таким, чтобы их установка в проектное положение могла выполняться без использования грузоподъемных механизмов. Для удовлетворения всем перечисленным выше условиям был разработан базовый стеновой блок [101], показанный на рисунке 3.18.
Т-образные прорези на передней боковой грани предназначены для навешивания внешней облицовки, вертикальные пазы на двух других боковых гранях являются посадочными местами межэлементных фиксаторов, а четвертая сторона, обращенная внутрь здания, остается гладкой. Сложное поперечное сечение блока с большим количеством полостей способствует снижению его теплопроводности и веса. Поперечное сечение элемента с указанием основных размеров представлено на рисунке 3.19.
Условимся называть элементы размерами в плане 380x380мм полными или целыми. Для возведения стен, примыкающих друг к другу под прямыми углами, понадобятся еще доборные блоки: половинные - 380x190мм и четвертные - 190x190мм, которые получаются простой разрезкой целого по центральным внутренним ребрам (см. рисунок 3.19). В зависимости от положения в стенах, половинные и четвертные блоки также могут иметь различные комбинации прорезей и пазов на боковых гранях. Добавим еще элементы непрямоугольной формы в плане, необходимые для сопряжения стен под различными углами. Примеры всех блоков даны на рисунке 3.20. Стеновые блоки верха фронтонных стен выполняются скошенными.
С учетом того, что Т-образные прорези выполняются уже после выхода изделия из экструдера, общее число типов целых и доборных блоков - 25. К ним нужно добавить еще 10 видов непрямоугольных. Такое количество типоразмеров блоков достаточно велико, однако обеспечивает возможность возведения зданий и сооружений практически любой конфигурации в плане.
Нижний ряд элементов стены устанавливается на фундамент таким образом, чтобы фиксаторы верхней детали фундамента (рисунок 3.15) оказались внутри цилиндрических выборок в стеновых блоках, обеспечивая безвыверочное проектное размещение последних. Для связи смежных элементов одного ряда используются межэлементные фиксаторы гантелеобразного поперечного сечения, которые вставляются в пазы на смежных сторонах блоков. Последующие ряды устанавливаются с перевязкой и соединяются с нижними цилиндрическими межрядовыми фиксаторами.
Надежная герметизация кладочных швов является весьма важной задачей. Для ее решения предлагается использовать уплотнители двух видов. Первый из них представляет собой ленту шириной 380мм и толщиной 4мм с цилиндрическими отверстиями для пропуска межрядовьгх фиксаторов. Она раскатывается по верху каждого ряда кладки. Второй уплотнитель - лента толщиной 2мм приклеивается к имеющим пазы боковым граням блоков наружных стен при их производстве на предприятии. Оба вида герметизирующих лент могут выполняться из вспененного полиэтилена или аналогичного материала. В процессе возведения здания под собственным весом стены будет происходить обжатие горизонтально расположенных уплотнителей, а межэлементные фиксаторы обеспечат плотный контакт смежных блоков. На рисунке 3.21 показан общий вид уплотнительной ленты, а также межрядовой и межэлементный фиксаторы.
Еще одним весьма важным условием комфортного проживания в композитных зданиях является низкая теплопроводность внешнего ограждения. Наличие большого количества разнообразных полостей в стенах, необходимое для снижения веса и стоимости блоков, требует применения определенного вида утеплителя, обеспечивающего плотное заполнение пустых пространств. Таким утеплителем может служить, например, эковата [228], представляющая собой целлюлозный теплозвукоизоляционный материал, на 80% состоящий из молотой или дробленой макулатуры, чаще всего, газетной бумаги, на 12% из антипиренов и на 8% из антисептика. Теплопроводность эковаты составляет 0,041Вт/м . Другими словами слой утеплителя в 5см по теплоизоляционным свойствам соответствуют стене толщиной в полтора кирпича, а 20см - слою керамзита толщиной 80см. Зарубежные аналоги эковаты - Termofloc, Ekovilla, Ecowool, Termex, Isofloc [268]. Технология производства теплоизоляции из переработанной бумаги была запатентована в Англии в 1893 году, но промышленное производство этого материала началось лишь спустя четверть века. В 1928 г. в Германии появился первый завод по производству целлюлозного утеплителя.
Эковата задувается в полости стен при помощи промышленного пылесоса, благодаря чему происходит заполнение и герметизация мельчайших пустот и щелей. Возможна также ее заливка. Утеплитель не требует устройства паро-изоляции, т.к. целлюлоза, впитывая влагу, выводит ее через стену наружу. Конструкция стеновых блоков обеспечивает организацию вертикальных каналов на всю высоту здания, что дает возможность выполнить качественную задувку эковаты. Отдельные каналы могут оставаться без утеплителя для пропуска электропроводки, коммуникационных сетей «умного» дома или вентиляции.
Оконные и дверные проемы в деревянных легкокаркасных зданиях из-за технологических особенностей выполняются без четвертей, что приводит к определенным проблемам. В рассматриваемой системе проемы предлагается оконтуривать специальными накладками. Низ дверного проема закрывается порогом, который может выполняться как плоским, так и рельефным. Для низа окна также предлагается накладка с четвертью или плоская. Порог и накладка снизу могут иметь цилиндрические выступы, соответствующие межрядовым фиксаторам, для точной установки детали в стене. На боковых сторонах проемов применяются гладкие и с четвертями элементы, имеющие выступы, аналогичные половине межэлементного фиксатора, благодаря которым эти детали крепятся к пазам в стене. Рисунок 3.22 показывает примеры таких накладок. Каждая из показанных на рисунке деталей выполняется в размер проема. Боковые накладки помещаются на место после возведения стены до верха окна или двери, перед установкой перемычек. Добавление в расплав композита различных цветовых добавок дает возможность получать изделия, окрашенные в тон двери или оконной рамы.
Предлагаемый универсальный комплексный набор композитных элементов для возведения зданий и сооружений
Процессно-ориентированный подход позволяет объединить отдельные действия подразделений, направленные на выполнение конкретных функций, в единую цепочку объединенных усилий компании, направленных на достижение конкретных результатов. Переход к управлению сквозными бизнес-процессами позволяет связать воедино процессы по снабжению, производству и сбыту продукции.
Единый программный комплекс, обеспечивающий тесное взаимодействие работников различных служб, дает возможность оперативно доставлять информацию о ходе конкретного процесса всем задействованным при его исполнении специалистам, оповещая их о завершении промежуточных этапов, напоминая о необходимости выполнения тех или иных действий и даже автоматически инициируя выполнение тех или иных процедур.
Основной смысл представленной схемы состоит в том, что при исполнении заказа запускается автоматизированный, контролируемый компьютерной программой процесс, а персонал лишь выполняет указания, выдаваемые ему системой. При этом все или большинство необходимых для исполнения данного этапа документов формируются компьютером на основе хранящихся в его памяти данных об условиях договора и результатах исполнения его предыдущих этапов.
Таким образом, для эффективного управления предприятием по проектированию, производству и строительству зданий и сооружений из композитных материалов нами предлагается модернизированная информационная система, базирующаяся на стандарте MRP. Одной из составных частей этой системы может стать представленная далее программа WHCAD.
Реализация современных компьютерных технологий строительного проектирования на примере разработанной программы WHCAD Процесс создания строительного объекта состоит из нескольких взаимосвязанных и происходящих в строго определенной последовательности действий. Первый этап - разработка проекта здания или сооружения и привязка его к территории, на которой предполагается строительство.
В строительстве в последнее время особенно важным становится комплексное проектирование объекта, включающее в себя не только рабочие чертежи, но и спецификации изделий и деталей, инструкции по их производству, рекомендации по срокам изготовления и способам доставки, сведения о необходимой рабочей силе и механизмах и т.п. Подобный подход оказывается наиболее целесообразным при использовании для возведения зданий и сооружений универсальных наборов изделий со строго фиксированными свойствами материала, геометрическими параметрами и способами соединения друг с другом, каковыми и являются системы композитных элементов, рассмотренные выше.
Особый интерес представляют ВГМ-технологии [35, 266], согласно которым информационная модель здания (BIM) - это структурированная, согласованная и взаимосвязанная информация, которую можно использовать как на стадии его проектирования и строительства, так и в периоды эксплуатации и сноса. Особенность модели заключается в том, что здание проектируется фактически как единое целое. И изменение какого-либо одного из его параметров влечет за собой автоматическую модификацию остальных вплоть до разрезов, спецификаций и календарного графика. По сравнению с обычными САПР это исключает внутреннюю противоречивость проектной документации, позволяет избежать ошибок и сэкономить время.
Два последних подхода представляются наиболее целесообразными для применения на современном этапе.
Известны специализированные программные продукты, реализующие многомерные подходы к проектированию, такие, например, как Allplan или Autodesk Design Suite, однако они предназначены для проектирования крупных строительных объектов. Компании-производители строительных конструкций, изделий и деталей также разрабатывают собственные специализированные программы, учитывающие особенности выпускаемой продукции. К ним можно отнести MiTek или Chief Architect Premiere Х5.
Выпуск композитных зданий и их возведение с использованием как ручного, так и автоматизированного труда также требует создания специальных компьютерных программ. Нами предлагается одно из возможных решений, которое в настоящее время продолжает развиваться и совершенствоваться. Речь идет о программе WHCAD, первоначально разрабатываемой для проектирования малоэтажных легкокаркасных строений [301].
Ее универсальность заключается в возможности выполнения расчетов и оформления рабочих чертежей строений с каркасом из древесины, легких
стальных тонкостенных профилей или композитных элементов и подключением различных сортаментов. В настоящее время программа обеспечивает возможность: - расчета и конструирования стен здания, междуэтажных перекрытий и стропильных систем; - автоматическое построение рабочих чертежей с маркировкой основных элементов; - формирование спецификаций для изготовления элементов каркаса и укрупненных модулей; - составление расчетно-пояснительной записки к проекту. Проектировщик также имеет возможность в любой момент времени увидеть трехмерную модель здания с деталировкой каркаса или рассчитать отдельный конструктивный элемент, используя встроенный инженерный калькулятор.
Для работы с программой предусмотрено несколько уровней доступа, поэтому при входе в нее пользователь должен выбрать свою компетенцию и ввести пароль (рисунок 5.1). Таблица 5.1 дает представление о возможностях работы с программой в зависимости от уровня доступа, в ней же перечислены и все основные части WHCAD.
Изгибаемые и внецентренно нагруженные композитные элементы
Экономическая целесообразность производства зданий и сооружений из композитных материалов должна рассматриваться с позиций не только потенциальных покупателей, но и производителей таких строений [140]. Выполненные экономические расчеты и составленный бизнес-план показывают, что себестоимость квадратного метра жилья в рассмотренных выше домах полной заводской готовности может составить не более 8-10 тысяч рублей. Столь низкая стоимость не может рассматриваться как рыночная, так как цена квадратного метра жилой площади в Российской Федерации в настоящее время выше в три с лишним раза. Резкое уменьшение стоимости может привести к проблемам с ФАС, поэтому необходимо ориентироваться на средние показатели по регионам или городам.
Нами доказано, что эффективным будет предприятие, производящее в год дома общей площадью около 1 миллиона квадратных метров. При этом площадь территории, занимаемой производственными мощностями, составит 4000 гектаров и еще 6000 понадобятся для выращивания сельхозпродукции, используемой в качестве наполнителя для композитов (например, соломы).
Реализация такого количества домов должна производиться на значительной территории России. Предполагается, что это будет часть страны, куда доставка продукции с завода может осуществляться автомобильным транспортом за время, не превосходящее двух суток. Для оперативной доставки строений покупателю в этом случае потребуется около тысячи единиц автомобильной техники. Будем считать, что производство располагается на территории Ростовской области.
Покажем, что при перечисленных выше условиях, предприятие сможет получать ежегодную прибыль, которая позволит окупить затраты на его строительство в короткие сроки. Для этого приведем выборочные данные Госкомстата России по объемам строительства и стоимости квадратного метра жилья в России, а также собственные расчеты (таблица 7.1).
Как следует из таблицы, при снижении цены квадратного метра жилой площади композитного дома на 20% по сравнению со средней по субъекту РФ валовый доход предприятия за год, включая НДС, составит 26324,7 миллиона рублей.
Произведем расчет налоговых отчислений в федеральный, региональный и местный органы. Из общей суммы валового дохода вычтем 6% на посреднические и прочие услуги. Остаточная выручка с НДС при этом будет 24745,2 миллиона рублей. Налог на прибыль составит 20% или 4949,0 млн. руб. Налог на добавленную стоимость в 18% от остаточной выручки окажется равным 3774,7 млн. руб. Полагая, что на предприятии будут работать 12 тысяч человек, и, учитывая размер средней зарплаты по Ростовской области на конец 2013 года 24435 рублей, фонд оплаты труда составит 3518,6 млн. руб. в год. С него необходимо заплатить страховые взносы (26% или 914,8 млн. руб.) и НДФЛ (13% или 457,4 млн. руб.). Суммарный федеральный налог составит 10095,9 миллиона рублей.
Региональные налоги складываются из транспортного и имущественного. Примем, что тысяча единиц автотранспорта имеет среднюю мощность в 350 лошадиных сил, тогда транспортный налог из расчета 250 руб/л.с. получится в размере 87,5 млн. руб.
Полагая, что стоимость основных средств предприятия составит 20000 миллионов рублей, определим налог на имущество (2,2%) 440 млн. руб. Таким образом, суммарный региональный налог окажется равным 527,5 млн. руб.
Налоги на рекламу, содержание объектов социально-культурной сферы и жилищного фонда, а также земельный относятся к местным. В настоящее время средняя рыночная стоимость гектара земли в Ростовской области составляет 40000 рублей. Предположим, что земля, на которой располагается предприятие и сельхозугодия стоит дороже - 55000рублей. Земельный налог за использование участка на производственные нужды составит 1,5%, что для площади в 4000 гектаров даст 3,3 миллиона рублей. Процент налога за земли сельскохозяйственного назначения окажется равным 0,3% или 0,99 млн. руб.
На рекламу отчисляют 3 процента от остаточной выручки с НДС, т.е. 742,4 млн. руб., а содержание фондов обойдется еще в 1,5% или 371,2 миллиона. Итоговый размер местного налога 1117,9 млн. руб.
Учитывая все отчисляемые суммы, общая бюджетная эффективность предприятия за год составит 24745,2 - 10095,9 - 527,5 - 1117,9 = 13003,9 млн. руб. Полагая, что в наихудшем случае себестоимость квадратного метра жилой площади производимых домов составит ЮОООруб, получим чистую прибыль около двух с половиной миллиардов рублей.
Выполненный расчет не учитывает снижение затрат за счет амортизации оборудования и возврата части НДС в связи с покупкой изделий и комплектующих других производителей, однако не включает и потери от возможной инфляции. Тем не менее, срок окупаемости предприятия составит 8-9 лет, что является достаточно коротким интервалом времени [154]. Проведенные вычисления в некоторой степени условны и основаны на ряде допущений, однако они доказывают привлекательность вложений в подобный бизнес.
Здания и сооружения из композитных материалов должны быть не только экономически эффективными, но и комфортными для проживания. Покажем далее, что такие строения обладают необходимыми свойствами и начнем с рассмотрения их термического сопротивления.