Бесплатный фрагмент - Проектирование зданий в трехлучевой системе координат

Введение

Строительство многоэтажных жилых зданий остается приоритетным в больших городах. В структуре рыночной стоимости квартир большое значение имеет локация домов и окружающая инфраструктура. Эти факторы столь значительны, что себестоимость конструкций не играет большого значения. Особенно это ощутимо в крупных городах. Чем дороже земля, тем меньшее значение имеет стоимость возводимой конструкции, поэтому в центрах городов строятся элитное жилье или дома с квартирами бизнес класса. В основном это монолитные железобетонные каркасные конструкции, доступные и инвесторам даже при относительно небольшом объеме капиталовложений.

Однако для массового жилья все же индустриальное домостроение остается приоритетным, поскольку это позволяет снизить стоимость и сделать жилье более доступным для основной катеории населения. Если земля не столь дорогая или выделяется бесплатно, то себестоимость конструкций становится более значимым фактором, влияющим на конечную стоимость. Индустриальные дома в этом случае позволяют возводить наиболее дешевое жилье. Этим объясняется то, что крупнопанельное и объемно-блочное домостроение продолжают развиваться и совершенствуются. Несмотря на ускорения темпов строительства, все же все жилые дома доступны далеко не всему населению и жилье остается самым дорогим предметом первой необходимости. Можно восхищаться новыми домами, микрорайонами, но если подвести социологический итог, то довольно большая часть жителей городов продолжает нуждаться в комфортном жилье или в увеличении жилой площади. Подсчитано, что бы обеспечить им население земли квартирами, необходимо строить город с миллионным населением каждый месяц. В мире много городов трущоб. Перестроить их дорогостоящая задача, поэтому необходимы предельно недорогие конструкции массового домостроения.

Казалось бы достигнуты предельные возможности по экономичному решению конструкций и технологии индустриального домостроения и это самый недорогой вид строительства. Однако теоретически это не так. Из одного и того же объема бетона можно создать конструкции еще более экономичные. Для этого необходимо отказаться от строительства зданий в Декартовых координатах. Это возможно если принять во внимание принцип независимости (1,2) функциональной деятельности человека, семьи от формы ограждающих конструкций. Существуют не мало построенных и длительно эксплуатируемых здания, где Декартовая система координат не применяется. Например, знаковым может служить комплекс состоящий из двух небоскребов «Марина-Сити» в Чикаго. Однако, это в основном монолитные индивидуальные дома не предназначенные для массового строительства и не ориентированные на снижение себестоимости конструкций, а скорее всего это протест архитекторов против коробчатой структуры приоритетных методов строительства.

Распространить принцип независимости на индустриальное домостроение можно путем применения трехлучевой системы координат и криволинейных в плане несущих стен, причем это наружные стены многоэтажных зданий. Такая система строительства названа «Лотос». Основная идея обоснована тем, что криволинейные стены имеют значительно большую несущую способность по сравнению с плоской панелью, но в декартовую систему координат они не вписываются. Однако трехлучевая система в сочетании с полярной позволяет создать новую структуру конструкций с криволинейными стенами для многоэтажного индустриального домостроения.

Как видно на рис.1.1, наиболее простые — оптимальные структуры конструкций в Декартовой и трехлучевой системах координат значительно отличаются друг от друга. Стоит только отказаться от Декартовых координат, то из того же объема бетона, можно получить около тридцати процентов дополнительной площади и это приводит к снижению себестоимости жилья. Если сравнивать с монолитным каркасом с мелкоштучным заполнением, то стоимость может быть меньше даже на пятьдесят процентов. Конечно на эти цифры влияют многие факторы, но эффект близок к указанному.

Трехлучевая система координат, в сочетании с полярной в ветвях зданий, и криволинейные наружные стены создают новую структуру, альтернативную сочетанию прямоугольных площадей в Декартовой системе координат. Эта структура определена как тремя осевыми лучами, так и довольно жестким требованиям к криволинейным стенам, где их радиус должен быть близок к двум метрам. Такой размер связан с ограничениями по транспортировке сборных элементов. Однако есть и другой фактор, увеличение радиуса снижает несущую способность стены. В результате, получаем достаточно жесткую структуру ветвей трилистника в полярных координатах с несущими стенами по контуру с радиусом близким к двум метрам.

Количество криволинейных стен по контуру может варьироваться, но и здесь это возможно в небольших пределах — восемь, девять, десять элементов в ветви, чтобы не было излишней удаленности площадей от освещаемых зон. Хотя это достаточно жесткая структура, но чрезвычайно экономичная и она может служить основой для многих типов сооружений начиная от многоэтажных, высотных, так и одноэтажных, малоэтажных зданий различного функционального назначения.

На рис. 2.1 представлен план типового этажа многоэтажного жилого дома. Эти необычное дома подробно описаны (3,4,5), где показано, что отход от Декартовой системы координат и отказ от прямоугольных помещений оправдан существенным приростом площади квартир, размером в дополнительную комнату. Более того, у такой планировки есть и преимущества — коммуникационная зона квартир сжата, а жилая расширена и расположена ближе к наиболее освещенной зоне квартиры.

Конструкции и технология производства сборных элементов домов «Лотос» подробно описаны в опубликованных книгах (3,4,5). Здесь же сделана попытка описать особенности проектирования и показать какие перспективы в развитии возможны при разработки зданий различного типа с точки зрения планировочных решений и конструктивных новшеств. Некоторые аспекты описанные ранее приведены вновь, что бы не отсылать читателей к более ранним публикациям. Все решения приводятся с целью показать как можно получить наибольший экономический эффект в системе, позволяющей из того же объема бетона получить примерно тридцать процентов дополнительной площади для довольно разнообразных типов зданий.

Большинство представленных ниже разработок выполнено для международных конкурсов. Часть из них оказывалось в финале. Однако критериями конкурсов практически никогда не ставилась как основная задача снижение себестоимости сооружений. Чаще всего преобладала эмоциональная оценка представленных работ. Дома «Лотос» это исключительно конструктивная оптимизация, подобно тому, как проектируют летательные аппараты, где, кроме дизайна салона, внешние формы оптимизируются из технических соображений. Практически формы конструкции «Лотос» можно сравнивать с обычным коробчатым панельным зданием без не функциональных декоративных элементов. Экономичная эффективность системы «Лотос» построена не на рыночных, организационных факторах, а на законах строительной механики, поэтому она становится фундаментальной.

Основные принципы планировочных решений системы «Лотос».

Основой структуры домов «Лотос» является трехлучевая система координат, образующая здание в плане в виде трилистника. Вторая система координат, используемая при проектировании таких зданий — это полярная, которая создает ветви здания на лучах трилистника. Далее может быть применима и третья система координат Декартовая, вписанная к плоским стенам расположенным под углом и может применяться для локальных решений, например, помещений с насыщенным традиционным оборудованием, такими как кухни.

Могут применяться и просто линейные оси привязки, когда у одной плоской стены устанавливается традиционное оборудование квартир. Такой осью могут быть проекции плоских радиальных стен, перегородок или межквартирных стен санузлов, где в помещении одна плоская стена, а вторая криволинейная.

Оси трилистника это основные оси здания, но они не обязательно расположены с одинаковыми углами между собой. Равные углы скорее всего могут быть между вертикальной осью и симметрично расположенными двумя остальными осями. Третий угол между нижними осями в большинстве случаев меньший. Это связано с тем, что при расчете инсоляции надо обеспечить ее для всех помещений по периметру здания. Во многом угол зависит и от конструкции лестнично-лифтового узла, которая в свою очередь определяется этажностью здания.

Центры полярных координат, расположены на осях трилистника, т.е. главных осей здания. Полярные координаты определяют разбивку осей трех ветвей здания.

Такие построения осей лежат в основные проектирования различных по функциональной направленности зданий и определяют новую достаточно жесткую структуру, отличную от жесткой структуры крупнопанельных и объемно-блочных зданий, построенных в Декартовой системе координат.

Конструктивные возможности, сейсмостойкость

Индустриальная конструкция домов «Лотос» предполагает их монтаж из сборных элементов заводского изготовления, но такая конструкция может быть использована и для зданий другой функциональной направленности. Система «Лотос» может быть реализована как в панельном, так и в объемно-блочном варианте, причем в панельном все сборные элементы соответствуют допустимым транспортным габаритам. Конструкция и технология изготовления сборных элементов подробно описана (5). При панельном варианте основной сборный элемент это несущая криволинейная наружная стеновая панель (Рис 3.1). Второй элемент — это высокоэффективная вспарушенная круглая плита перекрытий (Рис.3.2), третий -трапецеидальная плита перекрытия (Рис. 3.3) которая создает глубину здания. При малых объемах строительства эти две плиты могут быть заменены одной их объединяющей (Рис.3.4).

При объемно-блочном варианте основным становится объемный элемент со вспарушенной плитой (Рис.3.5). Однако он выходит за пределы транспортных габаритов. Если транспортировка возможна, то это самое эффективное решение для конструкций зданий «Лотос». Объемный элемент так же дополняется трапецеидальной плитой (Рис.3.3).

Сборные железобетонные конструкции, благодаря особым вертикальным стыкам (Рис.3.6), позволяют легко превратить здание в монолитное сейсмостойкое. Особым преимуществом таких домов является то, что конструкция образует вертикальные каналы, которые улучшают теплозащиту домов и даже могут использоваться для воздушного отопления, вентиляции и кондиционирования без специальных воздуховодов.

При проектировании сборных элементов надо учесть, что радиус криволинейных в плане стен имеет весьма ограниченный в плане диапазона изменения и близок к двум метрам, что как указывалось, связано с условиями транспортировки и с тем, что его увеличение снижает несущую способность стен.

Жилые дома

Жилые дома — основная продукция системы «Лотос». В структуре конструкций самый сложный вопрос — изменение представления о формах жилых помещений. Чем это может быть оправдано, скорее всего простым выбором потребителя. За те же средства приобретается квартира существенно большей площадью. При социальном распределении это практически дополнительная комната в квартире, а в условиях рынка это снижение стоимости жилья.

Принципы планировочных решений типовых секций (рис.4.2) достаточно подробно описаны (3,4,5). Это трехлучевая структура с лестнично-лифтовым узлом в центре и с тремя ветвями у каждой из которых в полярных координатах размещены жилые помещения с центральным санузлом и комнатами вокруг.

Камнем преткновения системы «Лотос» является непривычные формы помещений квартир (рис.4.2), поскольку все жилье строится в Декартовых системах координат и считается что прямоугольники легко сочетаются друг с другом. Это позволяет небольшие площади компактно упаковывать мебелью оборудованием, которые так же имеют прямоугольные формы. Однако если за те же средства можно получить значительно большую площадь, то смысл такой «упаковки» во многом теряется. Если потребителю дать выбор приобрести, например, трехкомнатную квартиру вместо двухкомнатной или двухкомнатную со значительно большей площади, то выбор будет не однозначный. Этому скорее препятствуют инвесторы и авторы проектов, а не потребители, поскольку, квартир такого типа на рынке просто нет. На первом этапе скорее всего государственные структуры, ответственные за расселения населения в комфортное жилье, могут начать процесс переосмысливания существующих традиционных решений.

Нет опыта эксплуатации такого жилья и нет прямых доказательств, что оно менее удобное, чем традиционное. Может оказаться, что такое жилье более комфортно, поскольку оно более просторное, коммуникационная зона квартир меньше, а жилая расширена и расположена ближе окнам. Однако основной аргументацией целесообразности такого жилья является возможность резко увеличить площадь квартир при той же себестоимости.

Дома «Лотос» могут быть различной этажности, причем чем выше здания, тем они становятся более экономичными. Без всяких дополнительных элементов и архитектурных изысков, такие дома имеют своеобразный внешний вид. Это отличает их от крупнопанельных и объемно-блочных зданий построенных в Декартовой системе координат, которые почти всегда приукрашивают дополнительными элементами, что бы уйти от коробчатой структуры.

Внешний вид многоэтажных жилых домов «Лотос» представлен на рис. 4.3 — 4.8. Это двадцати пятиэтажные, семнадцатиэтажные жилые дома, но могут быть и семи — двенадцати этажными. При меньшей этажности экономичность сохраняется, но она снижается, поскольку высокая несущая способность конструкций здесь нужна в меньшей степени. Однако и в этом случае есть возможность добиться экономического эффекта за счет применения сверхтонких конструкций наружных несущих стен и все же более толстых межквартирных радиальных. Это относится и к индивидуальным малоэтажным домам.

Структура квартир многоэтажных домов «Лотос» жесткая, но и крупнопанельные и объемно блочные дома имеют жесткую структуру. Конечно, сборный и монолитный каркас имеют более свободную планировку, однако при более высокой себестоимости. Дома «Лотос», как указывалось, почти на тридцать процентов дешевле самих недорогих панельных домов и почти в полтора раза дешевле каркасных. Это жилье предназначено для населения для которого покупка жилья это дорогостоящее приобретение.

Дома «Лотос» это преимущественно односекционные дома точечного типа. Их блокировка возможна только при наличии больших по площади квартир или, для домов относительно небольшой этажности, при проектировании узких секций, предназначенных для узких участков застройки.

Самым необычным в жилых домах «Лотос» являются интерьеры, их возможные варианты приведены на рис. 4.9. На рисунках видно, что они настолько необычны, что казалось бы созданы для элитных дизайнерских квартир. В то же время применима традиционная мебель, поскольку криволинейные стены в основном наружные, снабженными оконными проемами. У наружных стен и в панельных домах мебель устанавливается редко. Никаких особых сложностей в отделке и оборудовании квартир нет. Более того, в меньшей степени необходимо добиваться большой точности, необходимой при отделке плоских стен, что приводит так же к снижению стоимости квартир.

Основные принципы проектирования жилых домов «Лотос» практически такие же, как и при разработке домов в Декартовой системе координат, поэтому возможно применение той же нормативной базы. Однако ориентир должен быть взят на большие площади квартир и основным показателем желательно что бы была не стоимость квадратного метра продаваемой площади, а стоимость квартиры. Квартиры «Лотос» при той же цене будут иметь существенно большую площадь.

Высотные жилые дома

Дома «Лотос» могут стать прорывом в высотном жилищном строительстве. Они позволяю существенно поднять планку этажности. Если для крупнопанельных домов массовыми являются двадцати пятиэтажные дома и реже, по специальным проектам, тридцатиэтажные, то дома «Лотос» без существенного повышения себестоимости могут быть тридцати — сорокаэтажными.

Особенностью таких домов является то, что у них желательно расширить центр здания с лестнично-лифтовым узлом и разместить там дополнительные квартиры (рис. 5.1, рис. 5.2). Это позволяет увеличить устойчивость зданий при воздействии горизонтальной ветровой или сейсмической нагрузки. Кроме того, увеличивается общая площадь этажа секции и повышается эффективность лестнично лифтового узла. При проектировании таких зданий надо учитывать, то что для обеспечения инсоляции угол между осями трехлучевой структуры не одинаков, его величина определяется и уточняется в процессе проверки инсоляции.

Высокая несущая способность криволинейных несущих стен позволяет воспринимать возрастающие нагрузки, в том числе и от горизонтальных сил, при относительно их небольшой толщине. Кроме того, более развитый план здания и более мощный лестнично -лифтовый узел, снижают при таких нагрузках напряжения в стенах. У конструкций высотных зданий в системе «Лотос» всегда есть запас, позволяющий существенно ее усилить, создав монолитный каркас в пазухах у криволинейных стен. Это может оказаться важным при строительстве в сейсмоактивных районах.

Строительство высотных домов такого типа может быть поставлено на конвейер и становится эффективным даже уже на более дорогих участках застройки. Практически можно перейти на новый уровень индустриального домостроения, где массовыми будут уже не двадцати пятиэтажные, а тридцати-сорокаэтажные жилые дома.

Естественно, что такая структура высотных домов создает необычную архитектуру (рис.5.3 — рис 5.7), причем фасадные решения определяется в основном только оптимизированной конструкцией. Нет необходимости искать особые новые формы на фасадах, они и без этого достаточно выразительны. Аналогично в авиастроении внешний вид летательных аппаратов определяется технической целесообразностью.

Еще один тип высотных домов «Лотос» (Рис.5.8) возможен с максимальной площадью этажа разработан для участков, где необходима высокая плотность застройки. Такие дома обычно строят в каркасном варианте как уникальные, но каркас дороже панелей, поэтому снижение стоимости больше и может достичь пятидесяти процентов. Основным сборным элементом при этом опять же является изогнутая по кругу в плане стеновая панель или цилиндрический объёмный пространственный элемент. И в этом случае радиус кривизны стен определяется условиями транспортировки сборных элементов, а увеличение радиуса уменьшает несущую способность стен, но такие дома уникальные и радиус может быть увеличен, например до двух метров двадцати сантиметров.

Дома такого типа разработаны для квартала застройки рядом со зданиями, общественного назначения (Рис.5.9-рис. 5.14) конкурса Коммунарка в г. Москве. Три общественно-деловых центра выполнены в каркасном исполнении так же с попыткой уйти от Декартовых координат с отказом от коробчатой структуры, для более гармоничного сочетания с жилым комплексом, естественно из-за этого с большей себестоимостью. Стилобат жилого комплекса как бы связывает два из корпусов бизнес центра в единую структуру. Под всем жилым комплексом предусмотрена подземная парковка. Гостевые парковки расположены за пределами территории огражденной забором и частично стилобатом.

Дома «Лотос» разработаны как индустриальная конструкция для массового жилья с производством изделий на домостроительном комбинате, однако для домов комплекса может быть применен сборно- монолитный вариант. Несущие криволинейные, межквартирные радиальные стены и тонкие перегородки могут быть отформованы в кассетах на стройплощадке или доставляться с производственной базы, а перекрытия и вертикальные стыки монолитные, что превращает здание полностью в монолитную конструкцию. Такой вариант технологии разработан для конкурса «Революция в строительстве» в Канаде.

Особенностью домов с максимальной площадью этажа в системе «Лотос» является то, что центр трехлучевой системы координат предельно развит и в нем расположено предельно возможное количество квартир, но к этому центру по осям осей трехлучевой системы пристроены три ветви зданий «Лотос». Таким образом, центр домов близок к принципу домов «Марина Сити» в Чикаго, а ветви — это ветви жилых домов «Лотос». И в этом случая, для обеспечения инсоляции, углы между осями разные. Пример плана типового этажа такого жилого дома приведен на рис.5.8, а виды квартала на рис. 5.9—5.14.