Тонкостенные железобетонные оболочки, построенные в 1980-2013 гг.: примеры, нормативные документы, методы возведения

Жесткие оболочки, построенные в первой половине XX в., в основном имели форму купола или свода. По виду конструкций железобетонные купола были трех типов: купола-оболочки, ребристые и ребристо-кольцевые (рис. 11.17). Купола-оболочки можно сооружать в смешанных металло-железобетонных конструкциях. Целесообразность такого решения определяется малыми напряжениями в оболочке железобетонного купола. Толщина оболочки в этом случае определяется обычно конструктивными соображениями.

Форма купола привлекает внимание архитекторов, работающих и в наше время, хотя каждый архитектор работает с куполами в своей собственной манере. Например, компания ООО «БалтТерминалСтрой» поставила строительство железобетонных оболочеккуполов на поток, создала свою технологию возведения куполов от фундамента до окончания строительства. Приведем описание этапов строительства оболочек-куполов, представленное на сайте.

а — купол-оболочка; б — ребристый купол; в — ребристо-кольцевой купол; 1 — нижнее опорное кольцо; 2 — фонарное кольцо; 3 — оболочка купола; 4 — ребро купола; 5 — кольцо этой компании^[1], так как оно полностью отражает весь процесс возведения железобетонного купола. В качестве опалубки здесь принимается пневматическая аэроформа.

Аэроформа представляет собой тент, скроенный и сваренный по размерам и форме будущего сооружения из архитектурной полиэстервиниловой армированной ткани. Фундамент под купольное сооружение проектируется, как правило, либо в виде кольцевой фундаментной ленты, либо в виде круглой сплошной плиты. По периметру кольца устраиваются специальные боковые арматурные выпуски с наружной резьбой для последующего крепежа аэроформы. Кроме боковых выпусков для крепежа аэроформы, фундамент купола имеет также по всему периметру обязательные вертикальные выпуски рабочей арматуры, к каждому из которых впоследствии будет привязан соответствующий стержень вертикальной рабочей арматуры уже непосредственно несущей железобетонной оболочки. Перед подачей аэроформы внутрь кольца эти вертикальные выпуски загибаются к полу и впоследствии, после наполнения аэроформы воздухом и нанесения пенополиуретана, отгибаются назад — в вертикальное положение. По периметру аэроформа имеет вшитый в круговую петлю трос для крепежа к фундаменту, а также рукав для подсоединения пневмошлюза, через который впоследствии будет осуществляться доступ людей в купол, а также рукав для подсоединения системы наполнения аэроформы воздухом и в дальнейшем для поддержания внутри купола избыточного давления в течение всего периода строительства. Начинается вторая стадия с подачи аэроформы краном в центр сооружения, разворачивания ее по всей площади и крепежа опорной петли с тросом по всему периметру фундаментного кольца. Затем начинается нагнетание атмосферного воздуха вовнутрь аэроформы. Если в процессе работы аэроформа будет повреждена, следствием чего станет несанкционированное падение давления внутри оболочки, система автоматически увеличит подачу воздуха и нарушение устойчивости формы будет предотвращено. Когда давление внутри достигает рабочего значения (0,5−0,8 кПа), подача воздуха уменьшается до минимального значения и начинаются работы внутри. С этого момента вторая стадия завершена и большинство работ по возведению купола будут осуществляться внутри аэроформы, поэтому климатические воздействия мало влияют на скорость возведения. Когда строительство будет завершено, аэроформа останется выполнять функцию внешнего покрытия купола, поэтому цвет и качество ткани следует выбирать с учетом в том числе и требований к внешней эстетике сооружения.

После наполнения аэроформы воздухом строительные рабочие, используя кран, изнутри оболочки наносят первый слой, как правило, двухкомпонентной полиуретановой смеси по всей внутренней поверхности аэроформы. После твердения пены на ее поверхность по всей площади устанавливаются стикеры — фиксаторы монтажной арматуры. Затем наносится второй (последний) слой пенополиуретана, который прочно фиксирует стикеры в пенополиуретане, после твердения которого третья стадия завершается. Теплоизоляционный пенополиуретановый слой является первым укрепляющим слоем и служит надежной основой для крепежа и удержания монтажной арматуры в процесс армирования оболочки. Общая толщина теплоизоляционного слоя купола определяется проектом в зависимости от назначения сооружения и климатических условий и в общем случае колеблется в пределах 5−8 см. В отдельных случаях толщина утеплителя может быть увеличена до 10−15 см.

После твердения полиуретановой иены рабочими производится отгиб арматурных выпусков в вертикальное положение по всему периметру оболочки и крепление вертикальной и горизонтальной монтажной арматуры первого яруса армирования к стикерам полиуретанового слоя. После завершения монтажного армирования производится установка рабочей арматуры первого яруса — также начиная с вертикальных стержней креплением последних к фундаментным отгибам и к кольцевой монтажной арматуре, затем круговых горизонтальных стержней снизу вверх — таким образом, чтобы вес от вышележащих стержней передавался на фундамент и как можно менее — на оболочку. Затем, после приемки первого яруса армирования, производится торкретирование яруса по всему периметру сооружения (рис. 11.18). После схватывания торкрет-смеси начинается армирование следующего яруса, затем снова — приемка, снова — торкретирование и т. д. — до конца, последовательно снизу вверх, добавляя все новые и новые слои торкрет-бетона, закрывая арматуру и увеличивая постепенно несущую способность всего сооружения в целом. Организация проемов (окна, ворота и т. п.) в оболочке требует установки дополнительного армирования по периметру проемов — все эти технические и эксплуатационные особенности сооружения определяются проектом и строго соблюдаются и контролируются в процессе возведения сооружения.

Торкретирование производится поярусно снизу вверх захватками, из «корзины», размещенной на стреле крана и (или) погрузчика. Специальная цементно-песчаная смесь особого гранулометрического состава привозится на объект миксерами с завода железобетонных изделий или дозируется на месте, загружается в приемный бункер бетононасоса, расположенного вблизи строящегося купола, и подается внутрь оболочки по шлангам иод высоким давлением. Звено, находящееся внутри оболочки, тонкими слоями наносит равномерно смесь на стальной арматурный каркас. После схватывания и твердения торкрет-бетон совместно с арматурой образует единый высокопрочный железобетонный каркас сооружения, способный воспринимать расчетные нагрузки.

Толщина железобетонного слоя сооружения переменна по высоте и назначается.

проектом. Обычно она колеблется в пределах 20−60 см — в нижней части и 10−30 см — в верхней. Когда прочность железобетонной оболочки достигает суммарно 75−80% своей проектной прочности (минимум 35−40 суток от начала торкретирования), подача воздуха в купол может быть прекращена. После прекращения подачи воздуха некоторые финишные слои торкрет-бетона продолжают наноситься до достижения проектных толщин и требуемой фактуры поверхности. После вырезаются необходимые проемы, осуществляются их заполнение, пятая последняя стадия завершена.

Компания ООО «БалтТерминалСтрой» строит железобетонные купола диаметром 40−45 м, различных объемно-планировочных решений, габаритов и конфигураций.

Архитектор Виталий Гребнев является активным представителем ноосферной архитектуры, которая пропагандирует развитие естественной творческой среды и возвращение человека к его естественному природному состоянию. Основы этого направления заложены в начале XXI в. Каждое сооружение В. Гребнева похоже на небольшой городок из легких на вид куполов (рис. 11.19). Они соединяются галереями и широкими террасами. В куполах прорезаны широкие окна, заливающие внутренность жилища естественным светом. Верхушки некоторых куполов прозрачны. Такие дома органически вписываются в природу, живут с нею в гармонии.

Существует еще одно направление в архитектуре армоцементных (ферроцементных) оболочек — архитектурная бионика, в которой искусственным сооружениям стараются придать формы различных живых организмов. В качестве иллюстрации этого направления возьмем «Дом-улитку» архитектора X. Синосиана (рис. 11.23).

Теперь перейдем к рассмотрению железобетонных оболочек, которые создаются только в единственном экземпляре ввиду их уникальности. Рассматриваемый временной период характеризуется применением расширенного диапазона аналитических поверхностей и поверхностей, не описываемых аналитически, для срединных поверхностей оболочек.

Обзор возведенных тонкостенных железобетонных оболочек за 1980−2013 гг. начнем с одного из наиболее известных и широко цитируемых в соответствующей литературе сооружений «Города искусства и науки» (Валенсия, Испания), состоящего из шести зданий (рис. В.35, В.36, 11.21, 11.22). Грандиозный комплекс аккумулировал самые последние достижения искусства, архитектуры, науки и передовых технологий XXI в. Талантливые архитекторы смогли умело использовать и канонические поверхности, и фрагменты складчатых поверхностей совместно со стержневыми структурами для выражения своего стиля (см. рис. В.36). Дворец искусств королевы Софии напоминает шлем древнеримского воина. Принят в эксплуатацию в 2005 г. Лепесток над крышей (230 м в длину и более 70 м в ширину) не соприкасается с покрытием и является отдельной конструкцией (см. рис. В.35, слева). Второе, полусферическое, здание комплекса является планетарием (см. рис. В.35, справа). Открыт 16 апреля 1998 г. Автор обоих зданий — С. Калатрава.

Океанографический парк проектировал другой известный архитектор — Ф. Кандела. Для своего сооружения он выбрал форму зонтичной поверхности (см. рис. 11.21, справа). Здесь находится самый большой аквариум в Европе. Здание длиной 320 и шириной 60 м состоит из 55 арок (см. рис. 11.22, слева). Вдоль него располагается Аллея искусств.

Шестнадцать однотипных оболочечных сегментов образуют покрытие самого большого стадиона в мире вместимостью 150 000 человек (рис. 11.23). Под железобетонным покрытием располагается восьмиэтажное сооружение с 80 выходами. Стадион высотой 60 м строился 2,5 года. Оборудование стадиона удовлетворяет всем между народным требованиям.

Нельзя не упомянуть жилую резиденцию японского архитектора Котаро Иде (Kotaro Ide) из компании ARTechnic, которую назвали «Shell residence» (рис. 11.24). Находится она в туристической зоне парка-заповедника Каруизава в префектуре Нагано в Японии. Архитектор создал оболочку из железобетона бионической формы и, учитывая, что дом находится в зоне низких температур и повышенной влажности, поднял ее над землей.

Это здание привлекло наше внимание, так как оборудовано централизованной системой контроля " умный дом" , которая позволяет управлять всеми приборами внутри дома. Архитектура здания создает эффект полного погружения в природу.

Сборное покрытие Даниловского рынка очерчено по зонтичной поверхности, которая образовывается 14 основными складками. В базовую зонтичную поверхность врезаны 14 дополнительных сборных складок (рис. 11.25). При диаметре сооружения более 70 м толщина оболочки в 3−4 см, конечно, впечатляет. В 2000;е гг. ры;

нок по всему периметру был закрыт палатками и малыми павильонами (рис. 11.26), что практически сводило к нулю идею архитектора придать легкость этому сооружению. Сама оболочка казалась вжатой в землю. Только после того как в 2012 г. практически все павильоны вокруг рынка по распоряжению мэра Москвы были убраны, здание приобрело определенную архитектурную выразительность.

Как уже отмечалось в параграфе 8.3, оболочки бывают сборные, сборно-монолитные и монолитные (рис. 11.27). Сборно-монолитные оболочки могут состоять из сборных контурных элементов и монолитной скорлупы. На начальном этапе строительства применялись только монолитные оболочки, затем пришло увлечение сборными оболочками, процесс возведения которых в СССР был доведен почти до совершенства. На Западе же в большинстве случаев строились монолитные оболочки, которые стоили там дешевле. В СССР же создавались сборные оболочки, требовавшие меньшего расхода железобетона. Например, расход железобетона на ангар из бочарных сводов пролетом 100,25 м и стрелой подъема 12,6 м в г. Мариньян (Франция) составил 0,27 м³ на квадратный метр пола. А расход сборного железобетона на бочарное покрытие 5-го ав;

тобусного парка в Санкт-Петербурге пролетом 100 м и стрелой подъема 11,4 м (рис. 11.28) составил 0,15 м³ на квадратный метр пола.

К высшим достижениям строительства сборных железобетонных пространственных покрытий до настоящего времени относят купол-шапито Днепропетровского цирка. Это уникальное здание не имеет аналогов в мире, оно — единственное в своем роде (рис. 11.29). Впервые в отечественной практике при строительстве Днепропетровского цирка применили шатровое покрытие из сборных железобетонных элементов. Оболочка сдана в эксплуатацию в 1980 г., архитектор — ?. Р. Ниринберг.

Купола системы «Бинишелл» (рис. 11.30, а) — это тонкостенные железобетонные структуры, ставшими популярными после того, как итальянский архитектор Данте Бини (Dante Bini) построил первую оболочку в 1960 г. Он запатентовал методику возведения зданий без применения тяжелой техники путем надувания пневматической опалубки (рис. 11.30, б) вместе с лежащей на ней арматурой и слоем бетона. В настоящее время возведено более 1600 оболочек этой системы в 23 странах. Сферические оболочки системы «Бинишелл» имеют радиус до 30 м.

В настоящее время производство элементов оболочек может быть организовано как на заводе железобетонных изделий, так и на полигоне при объекте (рис. 11.31^[2]). Полигонное изготовление явля;

а — общий вид; б — надувание пневматической опалубки.

(пояснения: wire — проволока; spacing — расстояние между стержнями «в свету»; welded wire fabric (WWF) — сварная сетка заводского изготовления; cover — защитный слой бетона) ется сезонным, так как с наступлением морозов многие операции существенно затрудняются. Процесс изготовления железобетонных элементов состоит из заготовки арматуры, формования со смазкой формы и установкой арматуры, из термовлажностной обработки и распалубки. Различают два основных метода изготовления: поточно-агрегатный и стендовый. При поточно-агрегатном методе бетонирующая машина стоит на месте, а форма, в которой изготавливается изделие, движется от поста к посту, проходя последовательно все операции, после чего поступает в камеру, где происходит набор прочности в процессе термообработки. После приобретения необходимой прочности опалубка снимается, а изделие поступает на склад готовой продукции.

В настоящее время основным документом в России по проектированию и строительству железобетонных пространственных покрытий и перекрытий является Свод правил по проектированию и строительству. Железобетонные пространственные конструкции покрытий и перекрытий. СП 52−117−2008. Часть I. Методы расчета и конструирование. Свод правил содержит рекомендации по проектированию железобетонных оболочек, складок и других тонкостенных пространственных конструкций покрытий и перекрытий зданий и сооружений промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства. Пространственные конструкции выполняются из тяжелого и легкого бетонов без предварительного напряжения арматуры и с преднапряжением, которые обеспечивают выполнение положений СНиП 52−01−2003. Согласно этому нормативному документу железобетонные тонкостенные пространственные конструкции покрытий и перекрытий различаются по очертанию срединной поверхности, по форме перекрываемой площади, по способу изготовления и возведения, по материалам, из которых возводятся.

Различают два основных принципа сборки сборно-монолитных оболочек: сборку на уровне земли на специальном кондукторе с последующим подъемом цельнособранной оболочки в проектное положение с помощью домкратов или крапов и сборку на проектных отметках — основной технологический метод строительства оболочек в нашей стране. Сборку на проектных отметках осуществляют двумя способами: на монтажных поддерживающих устройствах и с опиранием укрупненных элементов оболочки на несущие конструкции здания. Купольные покрытия монтируются на проектных отметках методом навесной сборки (см. рис. 8.32).

• [1] URL: wvvw.btstroy.ru.
• [2] Рисунок приводится в оригинальной версии, чтобы показать, как это делается " у них" .