быстровозводимое энергоэффективное каркасное здание

Формула изобретения

1. Быстровозводимое энергоэффективное каркасное здание, содержащее фундамент, жесткий каркас, стены, межэтажные перекрытия и листы опалубки, пространство между которыми заполнено легким бетоном, отличающееся тем, что стены содержат два не связанных между собой металлических каркаса, внутренний каркас является несущим каркасом всего здания, выполнен из опирающихся на фундамент вертикальных колонн, жестко связанных между собой на уровне перекрытия ригелями внутреннего каркаса, на расстоянии от 0,1 до 1 м от внутреннего каркаса выполнен легкий внешний каркас здания, скрепляемый с внутренним каркасом временными фиксаторами, которые убирают по мере заполнения опалубки легким бетоном, перекрытия выполнены из упомянутых ригелей внутреннего каркаса с закрепленными на них балками перекрытия, причем колонны, ригеля, балки перекрытия и внешний каркас оборудованы гнутым профилем, на котором закреплены листы опалубки, образующие единое связное опалубочное пространство стен и перекрытий.

2. Здание по п.1, отличающееся тем, что на верхнем этаже здания колонны внутреннего каркаса, балки перекрытия и внешний каркас с закрепленными на них листами опалубки образуют мансардную крышу.

3. Здание по п.1, отличающееся тем, что колонны и ригеля внутреннего каркаса выполнены из стальных труб прямоугольного сечения и заполнены тяжелым и/или легким бетоном.

4. Здание по п.1, отличающееся тем, что в качестве упомянутого фундамента использованы несущие конструкции ранее построенного и/или санируемого здания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к капитальным объектам гражданского и промышленного строительства и может быть использовано при возведении как малоэтажных, так и многоэтажных зданий высотой до 75 метров с длительным сроком эксплуатации и низкими эксплуатационными затратами при эксплуатации здания в диапазоне температур окружающего воздуха от -50°С до +50°С и относительной влажности воздуха до 100%.

Известна конструктивная система для строительства малоэтажных зданий с металлическим каркасом (Патент RU № 62128), включающая наружные несущие стены, внутренние несущие стены, перегородки, конструкции междуэтажных и чердачных перекрытий с каркасом из стальных профилей, несущие стропильные фермы или балки, кровельные и стеновые прогоны из стальных профилей, где указанные конструктивные элементы сформированы на базе рамных каркасов, изготовленных из тонкостенных стальных профилей, а теплозвукоизолирующий материал в стенах и перекрытиях располагается в пределах высоты сечения элементов каркаса и защищается изнутри пароизоляционной пленкой, а снаружи - диффузионной гидроизоляционной пленкой. Рамный каркас стен, перегородок и перекрытий изнутри обшит гипсокартонными или гипсоволокнистыми листами. На рамном каркасе наружных стен, несущих стропильных фермах и балках покрытия установлены вентилируемые стеновые или кровельные прогоны для монтажа фасадных или кровельных систем. Стальные конструктивные элементы стен, перекрытий и крыши снабжены антикоррозионным покрытием.

Недостатками известной конструктивной системы является то, что при строительстве имеются значительные ограничения по высоте здания и по длине пролетов перекрытий. Сооружения, построенные по данной системе, не могут относиться к объектам капитального строительства. Из-за ограниченной толщины стен, здание будет «холодным» в регионах с зимней температурой ниже минус 25°С. На металлических конструкциях здания будет происходить выпадение конденсата, и материал утеплителя постепенно будет намокать, теряя свои теплозащитные свойства. Внутри массива стен возможно образования плесени и грибков. При эксплуатации таких сооружений зимой их нужно избыточно отапливать, чтобы удалять влагу из слоя утеплителя. Пожар снаружи или внутри, приведет к обрушению конструкций.

Известно малоэтажное здание (Патент RU № 2295010), включающее фундамент, ограждающие стеновые конструкции, плиты перекрытий. Здание содержит несущий каркас, выполненный в виде опорных стоек из трубобетонных колонн, расположенных вдоль наружных стен здания с их внутренней стороны и на равном расстоянии от наружных стен. Колонны сопряжены с фундаментом и плитами перекрытий, плиты покрытия оперты на колонны. Ограждающие конструкции выполнены из легкого бетона, изготовленного омоноличиванием заполнителя.

Недостатками известного здания является то, что несущий каркас не рассчитан на большие нагрузки. При строительстве имеются значительные ограничения, как на высоту здания, так и на длину пролетов перекрытий. Плиты перекрытия сильно ограничивают возможности по модификациям пространственных планировок здания. Даже при строительстве 1-2 этажного здания необходимо применение крана.

Наиболее близким решением является быстровозводимое здание, содержащее крышу, перегородки, наружные стены с внешней и внутренней обшивками, образующими несъемную опалубку, внутри которой помещен металлический каркас из стальных тонкостенных профилей. Опалубка монолитно заполнена легким ячеистым бетоном с образованием несущих стен. В качестве легкого ячеистого бетона использован полистиролбетон. Внешняя обшивка-опалубка наружных стен выполнена из фиброцементной плиты. Внутренняя обшивка-опалубка стен, обшивка перегородок и перекрытий выполнена из стекломагнезитовых листов или фибролитовых плит. Крыша выполнена с обшивками, образующими несъемную опалубку, внутри которой помещен металлический каркас из стальных тонкостенных профилей. Опалубка заполнена легким ячеистым бетоном (Патент RU № 92037, принято за прототип).

Недостатками известного здания является то, что при строительстве имеются значительные ограничения по высоте здания и по длине пролетов перекрытий. Для создания несущих стен необходимо применять более тяжелые марки монолитного полистиролбетона, т.е. более теплопроводные и дорогие, чем указанные в описании полезной модели. Из-за ограниченной толщины стен здание не будет достаточно «теплым» в регионах с зимней температурой ниже минус 30°С. На армирующих металлических конструкциях здания будет происходить выпадение конденсата, что со временем может привести к обрушению.

Технической задачей изобретения является повышение энергоэффективности здания до уровня, превышающего требования действующих нормативных документов, и повышение прочности конструкции, допускающей возведение многоэтажных сооружений.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известном быстровозводимом каркасном здании, содержащем фундамент, стены, каркас, межэтажные перекрытия, листы опалубки, пространство между которыми заполнено легким бетоном, стены содержат два не связанных между собой металлических каркаса, внутренний и внешний. Внутренний каркас является несущим каркасом всего здания, выполнен из опирающихся на фундамент 1 вертикальных колонн 2 (фиг.1), которые жестко связаны между собой на уровне межэтажного перекрытия ригелями 3 внутреннего каркаса. На расстояние от 0,1 до 1 метра от внутреннего каркаса выполнен легкий внешний каркас 7 здания, скрепляемый с внутренним каркасом временными фиксаторами 9, которые убирают по мере заполнения опалубки легким бетоном 8. Межэтажные перекрытия выполнены из упомянутых ригелей внутреннего каркаса с закрепленными на них балками перекрытий 4 (фиг.2), причем колонны 2, ригеля 3, балки перекрытий 4 и внешний каркас 7 оборудованы гнутым профилем 5, на котором закреплены листы опалубки 6 таким образом, что они образуют единое связное опалубочное пространство стен и перекрытий.

Стальные элементы внутреннего каркаса могут быть скреплены между собой сваркой и/или винтовыми соединениями и/или заклепками.

Для получения максимального технического результата ряд отличительных признаков здания может быть конкретизирован.

Колонны и ригеля внутреннего каркаса могут быть выполнены из прямоугольных стальных труб и заполнены тяжелым и/или легким бетоном. На верхнем этаже здания колонны внутреннего каркаса 2, балки перекрытия 4 и внешний каркас 7 с закрепленными на них листами опалубки 6 могут быть выполнены в виде мансардной крыши (фиг.3). В качестве упомянутого фундамента могут быть использованы несущие конструкции ранее построенного и/или санируемого здания.

Кроме того, внутри опалубки до заливки стен легким бетоном могут быть размещены коммуникации технологических инженерных систем, что уменьшает трудозатраты на монтаж коммуникаций и повышает скорость строительства.

Существенные признаки изобретения, общие с прототипом:

- здание содержит сборный металлический каркас;

- каркас обшит листами опалубки, т.е. здание оборудовано внешней и внутренней обшивками;

- каркас расположен внутри опалубки;

- каркас залит легким бетоном по всей высоте стен;

- крыша выполнена с металлическим каркасом и обшивками, образующими опалубку, заполненную легким ячеистым бетоном.

Признаки, отличающие изобретение от прототипа:

- стены содержат два металлических каркаса, не связанных между собой металлическими элементами;

- внутренний каркас выполнен из колонн, связанных между собой ригелями;

- несущим элементом здания по изобретению является внутренний каркас, в отличие от прототипа, где металлический каркас является не несущим, а армирующим элементом конструкции;

- внешний каркас с временными фиксаторами позволяет варьировать толщину стен от 0,1 до 1 м и служит только для крепления наружных листов опалубки.

- листы опалубки закреплены на стенах, перекрытиях и крыше таким образом, что образуют единое связное опалубочное пространство всех ограждающих конструкций здания и перекрытий.

- внешние и внутренние листы обшивки, образующие опалубку, могут быть съемными.

Перечисленные новые признаки, в совокупности с известными, достаточны для получения заявленного технического результата.

На фиг.1 представлен вертикальный разрез здания по изобретению.

На фиг.2 представлен горизонтальный разрез здания по межэтажному перекрытию (вырез).

На фиг.3 представлен конструктивный элемент мансардной крыши.

Здание (см. фиг.1) содержит фундамент 1, колонну внутреннего каркаса 2, ригель внутреннего каркаса 3, балку перекрытия 4, гнутый профиль 5, лист опалубки 6, внешний каркас 7, легкий бетон 8, временный фиксатор 9.

Заявленное здание сооружают, преимущественно, следующим образом:

- на фундаменте 1 устанавливают вертикальные колонны 2 необходимой высоты, и скрепляют их ригелями 3, образуя несущий внутренний каркас здания;

- на ригелях закрепляют балки перекрытия 4 (см. фиг.2);

- при применении в качестве колонн, ригелей и балок перекрытия стальных труб, преимущественно прямоугольного сечения, их закрепляются между собой сваркой, а при необходимости дополнительно болтовыми и/или заклепочными соединениями;

- при необходимости пустотелые колонны, ригеля и балки перекрытия, могут быть заполнены тяжелым и/или легким бетоном требуемой марки;

- к колоннам, ригелям и балкам перекрытий на заклепки и/или саморезы крепят гнутый профиль 5, предпочтительно шляпообразного сечения;

- с наружной стороны здания на необходимом расстоянии от внутреннего каркаса устанавливают с опорой на фундамент легкий внешний каркас 7, который может быть выполнен из того же профиля, что использован для крепления опалубки; оба каркаса скрепляют между собой временными фиксаторами;

- к гнутому профилю 5 по полу, внутренним стенам и потолку и к внешнему каркасу 7 саморезами крепят листы опалубки 6;

- в пространстве опалубки прокладывают необходимые электрические, вентиляционные и другие коммуникации, например, в гибких гофрированных тоннелях;

- устанавливают оконные и балконные блоки (без стеклопакетов) с креплением четвертей;

- на верхнем этаже выполняют мансардную крышу (фиг.3), конструкция которой аналогична конструкции межэтажного перекрытия и выполнена из тех же элементов. В каркасе крыши не обязательно использовать ригеля внутреннего каркаса, которые можно заменить более легкими балками перекрытий.

- в пространство опалубки заливают твердеющий раствор легкого бетона 8, например, полистиролбетон, омоноличивая стены и межэтажные перекрытия с включением внутрь опалубки внешнего и внутреннего каркаса здания. Заливку легким бетоном производят послойно по всему контуру здания, приблизительно по 0,5-0,6 м по высоте за одну смену. Временные фиксаторы своевременно демонтируют;

- после омоноличивания стен листы опалубки могут быть заменены на декоративные плиты, сайдинг и т.п. Стены помещений внутри здания могут быть оштукатурены.

После установки несущего внутреннего и легкого внешнего каркасов здание по изобретению позволяет выполнить монтаж наружных листов опалубки по всей высоте многоэтажного здания еще до заливки опалубки легким бетоном, включая установку оконных и балконных блоков. Таким образом, уже на этой стадии работ сооружение заключено во внешнюю «скорлупу», и все дальнейшие внутренние работы практически не зависят от погодных условий.

Колонны, ригеля внутреннего каркаса и балки перекрытий могут быть выполнены квадратного или прямоугольного сечения. При необходимости, для увеличения несущей способности, пожаростойкости и сейсмостойкости они могут быть заполнены тяжелым или легким бетоном. Колонны, ригеля внутреннего каркаса и балки перекрытия здания совместно с монолитным бетоном обеспечивают повышенную жесткость, огне- и сейсмостойкость всей конструкции, в том числе многоэтажной, высотой до 75 м.

В качестве легкого бетона целесообразно использовать полистиролбетонный раствор удельным весом 200-250 кг/м³. В массиве стены из монолитного полистиролбетона рассеивание холодного воздуха происходит вокруг пенополистирольных шариков, при этом существенно увеличивается эффективное расстояние, на котором реализуется перепад температуры от атмосферной до комнатной, а также длина «пути» проникновения воздуха через стену. Паропроницаемость полистиролбетона марки D-250, в соответствии с ГОСТ Р51263-99, составляет 0,085 мг/(м×ч×Па), что сравнимо с паропроницаемостью сухого дерева. Полистиролбетон поризованной структуры с расходом цемента 200 кг/м³ и более при обычных условиях эксплуатации обеспечивает длительную защиту стального каркаса здания от коррозии. При этом обеспечено совмещение преимущества быстровозводимых зданий с повышением энергоэффективности и прочности.

При производстве монолитного полистиролбетона используют только самозатухающие марки вспенивающего пенополистирола, так что полистиролбетон с удельным весом 250 кг/м³ и выше является негорючим строительным материалам (НГ), что по пожарным нормам позволяет применять его в ограждающих конструкциях зданий выше 28 метров.

Промышленная применимость заявленного технического решения поясняется примерами:

- для зданий малой этажности (1÷3 этажа) несущие конструкции здания, колонны, ригеля внутреннего каркаса и балки перекрытия могут быть выполнены, например, из стальных труб сечения 50×100 мм со стенкой 4 мм, скрепленных между собой с помощью сварки;

- для зданий средней этажности (4÷5 этажей) несущие конструкции здания, колонны и ригеля внутреннего каркаса могут быть выполнены, например, из стальных труб сечением 100×100 мм со стенкой 4 мм, а балки перекрытия могут быть выполнены, например, из стальных труб сечением 50×100 мм со стенкой 4 мм, скреплены между собой с помощью сварки и дополнительно винтовыми соединениями и/или заклепками, а полости труб заполнены легким бетоном необходимой марки прочности;

- для многоэтажных зданий (6÷9 этажей) несущие конструкции здания, колонны и ригеля внутреннего каркаса могут быть выполнены, например, из стальных труб сечением 180×180 мм со стенкой 6 мм и заполнены монолитным тяжелым бетоном необходимой марки прочности, а балки перекрытия могут быть выполнены, например, из стальных труб сечением 50×100 мм со стенкой 4 мм, скреплены между собой с помощью сварки и дополнительно винтовыми соединениями и/или заклепками и заполнены монолитным легким бетоном необходимой марки прочности;

- для зданий повышенной этажности (10÷25 этажей) несущие конструкции здания, колонны и ригеля внутреннего каркаса могут быть выполнены, например, из стальных труб сечением 300×300 мм со стенкой 8 мм и заполнены монолитным тяжелым бетоном необходимой марки прочности, а балки перекрытия могут быть выполнены, например, из стальных труб сечением 50×100 мм со стенкой 4 мм, скреплены между собой с помощью сварки и дополнительно винтовыми соединениями и/или заклепками и заполнены монолитным легким бетоном необходимой марки прочности;

- внешний каркас устанавливают на нужном расстоянии от внутреннего каркаса, чтобы обеспечить требуемые параметры теплозащиты здания;

Гнутый профиль, для увеличения площади соприкосновения с легким бетоном, может быть выполнен из стального проката в виде П-образного профиля с отбортовкой стенок на 90° (шляпообразный профиль).

В качестве упомянутых листов опалубки могут использоваться стекломагниевые, цементномагниевые, гипсокартоновые или цементностружечные плиты.

Существенно, что в заявленном здании листы опалубки закреплены на стенах, перекрытиях и крыше таким образом, что образуют единое связное опалубочное пространство всех ограждающих конструкций здания, включая крышу. Это пространство предназначено для заполнения легким бетоном с послойным омоноличиванием. В силу связности опалубочного пространства заливка бетона в стены и перекрытия может производиться из любой точки поперечного сечения здания. Бетонная смесь подается насосом по шланговому бетонопроводу. Малая вязкость бетонной смеси обеспечивает ее растекание по типу сообщающихся сосудов по всей площади поперечного сечения здания, что позволяет равномерно наращивать монолит по вертикали.

В здании уменьшено воздействие теплопроводных включений в массиве ограждающих конструкций, так как между каркасами отсутствуют теплопроводящие связующие элементы, т.е. слой монолитного полистиролбетона не имеет «мостиков холода». При необходимости можно увеличить толщину наружных ограждающих конструкций до 1 метра и более. Это позволяет улучшить теплозащитные свойства стены примерно в 10 раз по сравнению с обычной кирпичной кладкой и обеспечить превышение требований СНиП по звукоизоляции и теплозащите, начиная с толщины стен от 0,3 м. При толщине ограждающих конструкций 0,5 м и более на поверхности несущего каркаса не происходит выпадения конденсата, и уж тем более его температура не сможет опуститься ниже 0°С.

Заявленное в соответствии с формулой изобретения энергоэффективное быстровозводимое каркасное здание выполнено неразборным, является единым целым и удовлетворяет следующим требованиям: класс пожарной опасности К0, повышенная звукоизоляция до 250 дб, высокая морозостойкость F75-F100, низкая теплопроводность стен в сухом состоянии 0,08 Вт/(м×°С).

В каркасных зданиях из металла сварной узел сопряжения колонна-ригель является самым слабым местом и при землетрясении разрушается в первые секунды, что может приводить к обрушению здания. В здании по изобретению после заливки и твердения легкого бетона ригеля внутреннего каркаса дополнительно опираются на слой бетона наружных и внутренних стен здания. Этим частично разгружаются несущие колоны внутреннего каркаса и соответственно сварные узлы колонна-ригель, что приводит к общему снижению напряжения сварных швов.

Такие факторы, как выполнение несущего внутреннего каркаса из прямоугольных стальных труб, заполненных тяжелым и/или легким бетоном, усиление сварных швов винтовыми соединениями и/или заклепками, единое связное опалубочное пространство всех конструкций здания, заполненное монолитным легким бетоном, ригеля перекрытий, опирающиеся помимо колонн на монолитные стены, малый вес здания и как следствие малое давление на грунт обеспечивают повышенную сейсмическую и пожарную устойчивость многоэтажных зданий по изобретению.

Совокупность известных и новых существенных признаков, которыми характеризуется заявленное изобретение, в доступных источниках информации не обнаружена. Это доказывает новизну заявляемого изобретения. Изобретение может быть многократно реализовано в соответствии с приведенной технологией монтажа с достижением указанного технического результата, что доказывает ее промышленную применимость.

Источники информации:

1. Патент RU № 62128 U1. Конструктивная система для строительства малоэтажных зданий с металлическим каркасом. Опубл. 27.03.2007.

2. Патент RU № 2295010 С2. Малоэтажное здание. Опубл. 10.03.2007.

3. Патент RU № 92037 U1. Быстровозводимое здание. Опубл. 10.03.2010 (прототип).