INFLUENCE OF GEOMETRYCAL CHARACTERISTICS OF COLD-FORMED STEEL PROFILES AT THE ARCHITECTURE OF PRE-FABRICATED BUILDINGS

Прохожев Н. О.

ORCID: 0000-0001-8480-7415, Бакалавр архитектуры, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОСТЕННЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ НА АРХИТЕКТУРУ БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ ЗДАНИЙ

Аннотация

В статье рассматривается роль формообразования в оптимизации архитектурного проектирования быстровозводимых зданий на основе лёгких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК). Дальнейшая индустриализация строительства быстровозводимых зданий зависит от технологичности и комплексности конструктивных элементов, в связи с чем, область поиска оптимального проектного решения лежит за пределами архитектурной комбинаторики. Разработка новых форм сечения тонкостенных холодногнутых профилей и синкретизм с  технологией возведения экспозиционных систем являются возможным решением проблемы формообразования быстровозводимых зданий.

Ключевые слова: тонкостенный холодногнутый профиль, поперечное сечение профиля, архитектура, оптимизация, экспозиционная система, быстровозводимое здание.

Prokhozhev N. O.

ORCID: 0000-0001-8480-7415, Bachelor of Architecture, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering

INFLUENCE OF GEOMETRYCAL CHARACTERISTICS OF COLD-FORMED STEEL PROFILES AT THE ARCHITECTURE OF PRE-FABRICATED BUILDINGS

Abstract

The article considers the role of forming construction elements to optimize the architectural design of pre-fabricated buildings, based on light steel thin-walled constructions. Further industrialization of the construction of pre-fabricated buildings depends on the technology and the complexity of construction elements, in this connection, the scope of the search of optimal design solution is carried out beyond the sphere of the architectural combinatorics. Using new shapes of cold-formed steel profiles and a syncretism with technology of exhibition systems can be a possible solution for architectural design of pre-fabricated buildings.

Keywords: cold-formed steel profile, profile cross-section, architecture, optimization, exhibition system, pre-fabricated building.

Строительная система на основе лёгких стальных металлических конструкций (ЛСТК) относится к “сухому” методу строительных работ. Неоспоримыми достоинствами данной технологии являются сокращение сроков строительства, уменьшение собственного веса быстровозводимых зданий, высокая точность сборки каркаса из унифицированных элементов. Стоит обратить внимание на высокие архитектурно-художественные качества возводимых объектов, определяемые объёмно-планировочными свойствами ЛСТК и всевозможными решениями навесной фасадной системы. Доступность подобной строительной технологии сдерживается отсутствием отечественной нормативной базы и конструктивных методов организации материально-пространственной среды.

Как правило, для укрупнённой сборки каркаса, выполненного на основе стальных холодногнутых профилей, используют конструктивные элементы, работающие в одной плоскости, такие как, внешние и внутренние стеновые панели, балки, рамы, фермы.  Устоявшиеся методы конструирования из ЛСТК позволяют решить лишь часть задач, связанных с формообразованием быстровозводимых зданий, которые, в свою очередь, зависят от геометрических характеристик тонкостенных холодногнутых профилей.

К лёгким стальным тонкостенным конструкциям принято относить  холодногнутые профили толщиной до 2 мм, выполненные из рулонной оцинкованной стали с цинковым покрытием по ГОСТ 14918-80*, а также профили толщиной до 4 мм, выполненные из листовой горячеоцинкованной  стали по ГОСТ 52246-2004 [1]. Широко распространённые в отечественном производстве профили  швеллерного (рис.1а), С-образного (рис.1б, в), Z-образного (рис.1г) и Ω-образного (рис.1з) сечений являются необходимой основой для формирования несущего остова быстровозводимых зданий. Высота профилей варьируется в пределах 45-300 мм. Толщина элементов, изготовленных на профилегибочных станках методом холодного формообразования, составляет 0,7-2,5 мм. В свою очередь, процессы дальнейшей стандартизации и расширения сортамента изделий проводятся на уровне внутризаводского стандарта и официально не регламентируются. Значительное количество подобной продукции импортируется из-за рубежа такими известными производителями, как KNAUF (Германия), RUKKI (Финляндия), ASTRON BUILDING (Люксембург), METSEC PLC (Великобритания). Существующий отечественный рынок строительных материалов предлагает следующие типы стальных холодногнутых профилей:

Рис. 1 – Базовые типы стальных холодногнутых профилей

Принято, что при вариантном архитектурном проектировании и оптимизации стальных конструкций рассматриваются следующие категории задач:

• выбор материалов и форм сечения профилей;
• выбор типа узлов и соединения деталей;
• компоновка конструкций;
• компоновка сооружений [2].

Проблема формообразования относится к направлению оптимизации в архитектурном проектировании, где область поиска возможного решения задачи, связанной с формообразованием быстровозводимых зданий на основе ЛСТК, лежит за пределами архитектурной комбинаторики.

Многие проектно-конструкторские организации, работающие с лёгкими стальными тонкостенными конструкциями, ставят в качестве целевой функции показатель веса каркаса, выраженный в общей металлоёмкости. Поскольку вес – интегральная характеристика конструкции, то в число переменных проектирования входят такие параметры конструкции, как геометрические характеристики поперечных сечений стержневых элементов и способ распределения стальных  холодногнутых профилей по их толщине. Ориентируясь на минимизацию размера общей металлоёмкости, задача, связанная с формообразованием  и компоновкой конструкций имеет низкий приоритет.

В условиях производства строительно-монтажных работ, напротив, особое место занимают факторы, влияющие на технологичность проектного решения. В данном случае, следует пересмотреть критерии выбора оптимального архитектурного решения. Используя в роли целевой функции прямые затраты на изготовление и монтаж каркаса, задача оптимизации проектирования становится многоцелевой и нелинейной. В связи с чем, решение задач формообразования быстровозводимых зданий на основе ЛСТК улучшает технологические качества конструкций и способствует линеаризации целевой функции при оптимизации проектирования.

Для комплексной оценки использования стальных холодногнутых профилей в строительстве требуется обширная методологическая база проектирования быстровозводимых зданий из ЛСТК. Но ввиду её отсутствия, очевидными особенностями формообразования быстровозводимых зданий на основе элементов из холодногнутых стальных профилей являются:

• широкие возможности для унификации всех элементов каркаса;
• необходимость использования составных сечений стержневых элементов (рис. 1д, е, ж);
• ортогональное размещение укрупнённых элементов ЛСТК между собой при решении объёмно-пространственной задачи (рис. 2), использование ортогональной метрической сетки;
• гибкость при формировании узловых соединений тонкостенных холодногнутых профилей, находящихся в одной или двух ортогональных плоскостях;
• сохранение единого установленного шага тонкостенных холодногнутых профилей при любом формальном решении быстровозводимого здания.

При всей простоте изготовления и монтажа панелей ограждающих конструкций, на существующем этапе развития отечественной индустриальной технологии производства ЛСТК, ограничения условий и способов компоновки укрупнённых элементов каркаса значительно влияют на общую металлоёмкость и размер прямых затрат на монтажно-строительные работы.

Рис. 2 – Существующий типовой метод компоновки конструкций и изделий

Возможным решением проблемы формообразования быстровозводимых зданий на основе ЛСТК, может стать разработка новых форм сечения профилей. Быстровозводимые здания на основе ЛСТК, несомненно, потребуют дальнейшей индустриализации строительства и внедрения сортамента на более сложные и специализированные профили (рис. 3), в связи с чем, внедряя на уровне архитектурного проекта новые типы тонкостенных холодногнутых профилей, решается следующий комплекс задач:

• повышение общей технологичности строительных деталей и изделий в процессе укрупнённой сборки и заводского изготовления;
• сокращение количества закладных деталей и метизов в узловых соединениях сопрягаемых конструкций;
• улучшение эстетических качеств быстровозводимых зданий на основе ЛСТК;
• минимизация общей металлоёмкости конструкций, повышая комплексность деталей и изделий;
• сочетаемость технологии ЛСТК с другими строительными системами.

 

Рис. 3 – Возможный перспективный метод компоновки конструкций и изделий

Каркасное строительство на основе ЛСТК имеет много общего с технологией возведения экспозиционных систем. В практике современной экспозиции встречаются решения многоэтажных конструкций и пространственных структур. Наиболее известными профессиональными экспозиционными системами являются такие бренды-производители, как “OCTANORM”, “SYMA”, “ARTHEMA”, “SODEM”. Гибкость процесса проектирования среды выставочных экспозиций основана на использовании растровых метрических сеток и развитой номенклатуры конструктивных элементов, где вариативность при формообразовании ограждающих конструкций определяется высокой технологичностью конструктивных элементов. Структурные и ферменные конструктивные элементы, без усиления, способны перекрывать пролёты длиной до 12 м. При решении объёмно-пространственных задач организации экспозиционного пространства, получили наибольшее распространение ортогональная и октагональная метрические сетки, в которые вписываются элементы с единым осевым кратным размером [3,4]. Для оптимизации проектных работ каталоги фирм-производителей экспозиционных систем делятся на базовые и специальные. Технология лёгких стальных тонкостенных конструкций имеет схожие с экспозиционными системами методы формообразования и перспективы развития. Основным отличием этих двух технологий является способ производства конструктивных элементов, где производство элементов экспозиционных систем направлено, прежде всего, на достижение эксклюзивности продукции, а производство лёгких стальных тонкостенных конструкций направлено на снижение себестоимости изделий и подчинено идее жёсткой стандартизации. Таким образом, именно синкретизм подобных технологий способен решить широкий комплекс задач, связанных с формообразованием и оптимизацией архитектурного проектирования быстровозводимых зданий.

Литература

1. Павлов А. Б., Айрумян Э. Л., Камынин С. В., Каменщиков Н. И. Быстровозводимые малоэтажные жилые здания с применением легких стальных тонкостенных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. – 2006. - №9. – С. 51-53.
2. Лихтарников Я. М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций. - М.: Стройиздат, 1979. – C. 8-9.
3. Литвинов В. В. Практика современной экспозиции: Монография. - М.:РУДИЗАЙН, 2005. – C. 22-23.
4. Кликс Р. Р. Художественное проектирование экспозиций. – М.:Высшая школа, 1978. – 369 с., ил.
5. М. С. Андерсон, Ж.-Л. Арман, Дж. С. Арора и др.; Под ред. Э. Атрека и др.; Пер. с англ. К. Г. Бомштейна. Новые направления оптимизации в строительном проектировании – М.:Стройиздат, 1989. – 592 с., ил.
6. Hancock G.J., Murray Th.M., Ellifritt D.S. Cold-Formed Steel Structures to the AISI Specification. - Marcel Dekker Inc., 2001. - 398 pages.

References

1. Pavlov A. B., Ajrumjan Je. L., Kamynin S. V., Kamenshhikov N. I. Bystrovozvodimye malojetazhnye zhilye zdanija s primeneniem legkih stal'nyh tonkostennyh konstrukcij // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. – 2006. - №9. – S. 51-53.
2. Lihtarnikov Ja. M. Variantnoe proektirovanie i optimizacija stal'nyh konstrukcij. - M.: Strojizdat, 1979. – S. 8-9.
3. Litvinov V. V. Praktika sovremennoj jekspozicii: Monografija. - M.:RUDIZAJN, 2005. – S. 22-23.
4. Kliks R. R. Hudozhestvennoe proektirovanie jekspozicij. – M.:Vysshaja shkola, 1978. – 369 s., il.
5. E. Atrek, R. H. Gallagher, K. M. Ragsdell, O. C. Zienkiewicz, John Wiley and Sons. New Directions in Optimum Structural Design. - Singapore, 1984.
6. Hancock G.J., Murray Th.M., Ellifritt D.S. Cold-Formed Steel Structures to the AISI Specification. - Marcel Dekker Inc., 2001. - 398 pages.