СПОСОБ СБОРКИ СФЕРИЧЕСКОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ
METHOD OF ASSEMBLY OF SPHERICAL SPATIAL STRUCTURE

:
Изобретение относится к области строительства, а именно к строительству архитектурных сооружений криволинейной формы, и может быть использовано для возведения зданий различного назначения в виде сферы и зданий с купольным покрытием.
Сфéра (греч.  - мяч) - замкнутая поверхность, геометрическое место точек в пространстве, равноудаленных от данной точки, называемой центром сферы. Сфера также является телом вращения, образованным при вращении полуокружности вокруг своего диаметра (ВИКИПЕДИЯ, Интернет).
Купол - выпуклое покрытие зданий и сооружений, имеющее форму сегмента шара, параболоида или иной поверхности вращения (Новый энциклопедический словарь, изд. Большая Российская энциклопедия, М., 2005, стр.597).
Наиболее близким к предлагаемому является способ возведения сферических куполов, в соответствии с которым монтируют армокаркас сферы и заполняют его бетоном методом съемной опалубки. При этом каркас сферы собирают следующим образом. Изготавливают внутреннюю металлическую поверхность сферы, на которой закрепляют армокаркас, который выполняют в виде парных параллельных дуг, проходящих от основания через вершину купола по меридианам сферы на равном расстоянии друг от друга по ее параллелям. Дуги закрепляют на расстоянии друг от друга стержнями, приваренными к их поверхности враспор и соединенными между собой с образованием пилообразной формы (СССР авт.свид. №1636552, E04G 11/04, 23.03.1991 г.).
Основной недостаток известного способа сборки сферической пространственной конструкции заключается в сложности выполнения каркаса, что не позволяет добиться правильной шаровидной поверхности купола и минимизировать риск монтажа «кривых» (с ошибкой) сфер. Кроме того, в известном способе жесткость сферической пространственной конструкции, а следовательно, несущая способность сферы, обеспечивается только за счет жесткости каркаса, что увеличивает вес каркаса. Большой вес каркаса и его конструкция не позволяют вести сборку каркаса сферы сверху вниз, что позволило бы не только упростить монтаж сферической поверхности, но и максимально снизить погрешность при монтаже сферической поверхности. Статистика показывает, что при стандартном монтаже сферической поверхности снизу около 20% возведенных куполов имеют дефекты формы (нешарообразные купола). Кроме того, известный способ сборки сферической пространственной конструкции по окончании ее монтажа требует дополнительного утепления и дизайнерской отделки внутренней поверхности, что также усложняет ее сборку.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа сборки сферической пространственной конструкции, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в снижении веса размерного (сборочного) каркаса сферы до веса, позволяющего вести монтаж сверху вниз без снижения общей жесткости и несущей способности конструкции, в упрощении конструкции и сборки каркаса, в возможности минимизировать ошибку при получении шаровидной поверхности купола и повысить точность выполнения сферической поверхности.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе сборки сферической пространственной конструкции, включающем сборку каркаса сферы и бетонирование, новым является то, что каркас собирают из отрезков тонкостенных профилей с образованием полых ячеек, причем каркас сферы монтируют сверху вниз, при этом площадь сечения профиля выбирают исходя из условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, затем снизу вверх выполняют монтаж внутреннего отделочного материала, при этом используют жесткий отделочный материал в виде листов или плит, форма которых конгруэнтна форме ячеек, который крепят к отрезкам профиля соответствующих ячеек каркаса с образованием дна ячейки, после чего ячейки каркаса заполняют твердым утеплительным материалом, форма которого также конгруэнтна форме ячеек, затем канавки, образованные между соседними плитами утеплителя, на часть их глубины заполняют твердеющим или твердым утеплительным материалом, оставшееся свободное пространство заполняют арматурным каркасом и бетоном, при этом в процессе заполнения канавок бетоном выводят арматурные «усы», после чего поверхность каркаса сферы покрывают объемной ячеистой структурой, которую покрывают бетоном, обеспечивающим гидронепроницаемость поверхности. Кроме того, каркас собирают из отрезков тонкостенных профилей с Т-образной формой сечения, плоскость горизонтального элемента которых обращена внутрь сферы; канавки между соседними плитами утеплителя на часть глубины заполняют монтажной пеной или рейками из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки; в качестве объемной ячеистой структуры используют сетку «рабица»; для обеспечения гидронепроницаемости объемную ячеистую структуру покрывают гидробетоном или используют добавки в бетон.
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Существенные признаки формулы изобретения: «Способ сборки сферической пространственной конструкции, включающей сборку каркаса сферы и бетонирование, …» являются неотъемлемой частью заявленного способа и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
В заявленном способе каркас сферы собирают из отрезков профилей, соединенных с образованием полых ячеек, что позволяет равномерно распределить ребра жесткости каркаса по всей сфере, а следовательно, распределить равномерно жесткость и несущую поверхность конструкции. При этом, поскольку площадь сечения профиля обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, то это обуславливает возможность снижения веса каркаса и позволяет облегчить размерный (сборочный) вес каркаса до веса, позволяющего вести монтаж методом подъема сферы, т.е. сверху вниз.
При монтаже каркаса сферы сверху вниз каждый отрезок профиля самостоятельно под тяжестью земного притяжения занимает оптимальное положение, что обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по всем отрезкам профилей. В результате, при монтаже сверху исключаются концентрированные нагрузки и возможность кривизны конечного купола. В результате все вышеизложенное позволяет минимизировать ошибки при сборке каркаса. Как уже упоминалось выше, статистика показывает, что при стандартном монтаже снизу около 20% возведенных куполов имеют дефекты формы (нешарообразные купола). Кроме того, монтаж каркаса упрощается, поскольку ведется с земли.
Монтаж отделочного материала выполняют снизу вверх, что также упрощает способ сборки заявленной пространственной сферической конструкции. В заявленном устройстве к отрезкам профилей ячеек каркаса крепят жесткий отделочный материал в виде листов или плит, с образованием дна ячеек. При этом выполнение каркаса сферы из отрезков профилей с Т-образной формой сечения, у которых плоскость горизонтального элемента обращена внутрь сферы, формирует внутри ячеек полки, что обеспечивает возможность закрепления в них отделочного материала. При этом выполнение формы отделочных материалов конгруэнтной форме ячеек каркаса обеспечивает плотный контакт боковых поверхностей отделочного материала с профилем, усиливая механическую связь отделочного материала с профилем каркаса.
Использование жесткого отделочного материала в виде листов или плит обеспечивает возможность его крепления к профилю каркаса, т.е. механического соединения с профилем каркаса, образуя с ним единое целое, что позволяет использовать прочностные характеристики отделочного материала для увеличения прочности каркаса.
Крепление отделочного материала к отрезкам профилей с образованием дна ячеек обеспечивает возможность заполнения каркаса утеплителем, а именно: на отделочный материал уложен твердый утеплительный материал. Причем выполнение формы утеплительного материала конгруэнтной форме соответствующих ячеек обеспечивает возможность плотного заполнения ячейки утеплителем, с усилием, что обеспечивает плотный контакт боковой поверхности утеплителя с соответствующими отрезками профилей каркаса. Поскольку канавки, образованные между соседними плитами утеплителя, на часть их глубины заполняют твердеющим или твердым утеплительным материалом (монтажная пена или клинообразные рейки из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки), все утеплительное покрытие в заявленной конструкции представляет собой единое целое. В результате повышается несущая способность каркаса сферы на сжатие. Это обусловлено тем, что стержни каркаса работают как стойки центрально сжатые и растянутые, а следовательно, они избыточны по прочности на расширение и недостаточны по сопротивлению сжатию. Утеплитель компенсирует данный недостаток, так как имеет обратную характеристику, а именно: лучше работает на сжатие, чем на растяжение. Возможность снижения веса каркаса позволяет использовать тонкостенные профили, что, свою очередь, позволяет минимизировать ширину канавок между утеплительным материалом и способствует более прочному соединению профиля каркаса и утеплителя в одно целое. Кроме того, заполнение канавок между плитами утеплителя устраняет мостики холода, повышая эффективность использования утеплителя.
Таким образом, использование твердых отделочного и утеплительного материалов, возможность механического крепления отделочного материала к профилю каркаса, возможность обеспечения плотного контакта боковой поверхности утеплителя с профилем каркаса, заполнение канавок между плитами утеплителя твердеющим или твердым утеплительным материалом обеспечивают прочное механическое соединение отделочного и утеплительного материала с отрезками профилей каркаса, образуя с ним единую конструкцию, что позволяет использовать прочностные характеристики материалов заполнения каркаса для повышения жесткости каркаса и повышения несущей способности сферы. В свою очередь, последнее позволяет снизить вес каркаса, используя профиль, площадь сечения которого обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, а также использовать тонкостенный профиль.
Заполнение арматурным каркасом и бетоном свободного от утеплителя пространства в канавках, образованных между соседними плитами утеплителя, обеспечивает достижение расчетной несущей нагрузки каркаса сферы. Кроме того, заполнение канавок арматурным каркасом позволяет выполнить окончательное формирование каркаса сферы из армированного бетона методом несъемной опалубки, в качестве которой используют канавки, образованные между соседними плитами утеплителя.
Ранее при сборке сферических пространственных конструкций метод несъемной опалубки для формирования несущего каркаса сферы не применялся и использован впервые автором изобретения.
В результате в заявленном способе сборки сферической пространственной конструкции каркас представляет собой монолитную конструкцию, жесткость и несущая способность которой являются результатом суммирования соответствующих характеристик материалов, заполняющих каркас.
Поверхность каркаса сферы покрывают объемной ячеистой структурой, которую покрывают бетоном. В результате, объемная ячеистая структура, в качестве которой может быть использована сетка «рабица», уложенная на всю поверхность сферы на утеплительный материал, на которую нанесен бетон, образует внешнюю оболочку сферы. Причем, благодаря тому, что в процессе заполнения канавок между плитами утеплительного материала бетоном выводят арматурные «усы», обеспечивается прочное соединение сетки «рабица» с каркасом через арматуру, забетонированную в канавки между плитами утеплителя. В результате массив оболочки сферы включается в несущую способность каркаса, что позволяет использовать прочностные свойства материала оболочки сферы и повышает как прочность, так и несущую способность всей конструкции.
Для обеспечения гидронепроницаемости, если слой дополнительной гидроизоляции не предусмотрен, для выполнения оболочки используют гидробетон или добавки, обеспечивающие достижение гидронепроницаемости.
В заявленном способе внешняя оболочка сферической поверхности представляет собой объемную ячеистую структуру, уложенную на всю поверхность сферы на утеплительный материал, на которую нанесен бетон, т.е. в заявленном способе сборки сферической пространственной конструкции внешнюю оболочку сферы выполняют из армированного бетона методом открытой несъемной опалубки.
Ранее для сборки сферических пространственных конструкций метод открытой несъемной опалубки для формирования несущей оболочки поверхности сферы не применялся и использован впервые автором изобретения.
Из вышеизложенного следует, что в заявленном способе сборки сферической пространственной конструкции в процессе ее сборки происходит ступенчатое наращивание прочности и несущей способности будущей сферической поверхности, за счет прибавления на каждом этапе жесткостных и несущих свойств заполняющих каркас материалов. В результате заявленный способ сборки сферической пространственной конструкции позволяет использовать несущую способность заполняющих каркас материалов для повышения прочности и несущей способности каркаса сферической поверхности. Это позволяет снизить вес каркаса, выполняя его из условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок, без снижения общей жесткости и несущей способности конструкции, и выполнять сборку каркаса сверху вниз. В результате упрощается конструкция и сборка каркаса, минимизируется ошибка при получении шаровидной поверхности купола и повышается точность выполнения сферической поверхности. Одновременно, использование жесткостных и несущих свойств заполняющих каркас материалов значительно снижает общий вес конструкции. Как показал опыт, вес готовой 16-метровой полусферы составляет менее 150 кг, что в 60-100 раз меньше веса куполов классической конструкции.
Таким образом, заявленный способ сборки сферической пространственной конструкции при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении веса размерного (сборочного) каркаса сферы до веса, позволяющего вести монтаж сверху вниз без снижения общей жесткости и несущей способности конструкции, в упрощении конструкции и сборки каркаса, в возможности минимизировать ошибку при получении шаровидной поверхности купола и повысить точность выполнения сферической поверхности.
На фиг.1 изображен (утрированно) фрагмент сферической пространственной конструкции, выполненной заявленным способом сборки сферической пространственной конструкции, вертикальный разрез; на фиг.2 - каркас сферической пространственной конструкции, выполненный в соответствии с заявленным способом, с примером заполнения утеплительным материалом.
Заявленная сферическая пространственная конструкция содержит каркас 1 (фиг.2), который выполнен из отрезков тонкостенных профилей 2, соединенных с образованием полых ячеек 3. Площадь сечения профиля 2 обеспечивает выполнение условия создания самонесущего каркаса без учета внешних нагрузок. К отрезкам профилей 2 ячеек 3 прикреплен жесткий отделочный материал 4 в виде листов или плит, форма которых конгруэнтна форме ячеек 3, на который уложен твердый утеплительный материал 5, форма которого также конгруэнтна форме соответствующих ячеек (фиг.2). Канавки 6, образованные между соседними плитами утеплителя 5, на часть их глубины заполнены твердеющим или твердым утеплительным материалом 7, например, монтажной пеной или рейками из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки. Глубина заполнения канавки утеплительным материалом (толщина пены или рейки) соответствует требованиям по теплозащите. Оставшееся свободное пространство заполнено арматурным каркасом 8 и бетоном 9. Из бетона 9 выведены арматурные «усы» 10, взаимодействующие с объемной ячеистой структурой 11, уложенной на всю поверхность сферы на утеплительный материал 5, на которую нанесен бетон 12. Бетонное покрытие 12 объемной ячеистой структуры 11 выполнено гидронепроницаемым, например объемная ячеистая структура покрыта гидробетоном или бетоном с добавками, обеспечивающими гидронепроницаемость.
При сборке каркаса используют профили с расчетной площадью сечения. Форма сечения определяется дизайнером. В узлах каркаса используют простые плоскостные соединения, не имеющие уникальных размерностей. В примере выполнения каркас 1 выполнен из отрезков тонкостенных профилей 2 с Т-образной формой сечения, плоскость горизонтального элемента 13 которых обращена внутрь сферы.
Канавки 6 между соседними плитами утеплителя 5 на часть глубины заполнены монтажной пеной или рейками из пенопласта, форма которых конгруэнтна форме заполняемой канавки.
Сборку каркаса выполняют с земли от верхней точки и далее - путем постепенного подъема собранной конструкции либо раздвижными стойками, либо на стойках с блочным (тросовым) подъемом, либо на воздушном подъемнике (надувается подушка, скроенная по форме купола).
Монтаж отделочного материала выполняют снизу вверх, что также упрощает способ сборки заявленной пространственной сферической конструкции.
Заполнение бетоном канавок 6 между плитами утеплителя 5 и покрытие сетки «рабица» 11 бетоном 9, 12 выполняют путем набрасывания, набрызгивания, торкретирования или иного способа заполнения бетоном.
При заполнении канавок 6 бетоном 9 выводят арматурные «усы» 10, например, путем размещения в канавке 6 вязальной арматурной проволоки в процессе заполнения канавки 6 бетоном, которую затем крепят к сетке «рабица» 11.
Толщину сетки «рабица» 11 выбирают, исходя из требуемой толщины внешней оболочки сферы, например, сетка «рабица» толщиной 20 мм.
При собранной сфере профиль 2 каркаса 1 меняет функцию: с конструктивной на декоративную, а именно: в виде облицовочных нащельников 14 или держателей облицовочных планок.
Таким образом, заявленный способ сборки сферической пространственной конструкции позволяет:
- снизить размерный (сборочный) вес каркас до веса, позволяющего вести монтаж минимальному количеству монтажников без применения грузоподъемных механизмов методом подъема сферы, что минимизирует риск монтажа «кривых» (с ошибкой) сфер;
- упростить узлы соединения отрезков профилей до простого, например, болтового, за счет возможности сборки каркаса сверху вниз и минимизации линейной ошибки, возникающей при наложении толщин креплений каждого отрезка профиля в узловом соединении 5 и более отрезков; добиться правильной шаровидной поверхности купола;
- использовать для повышения прочности и несущей способности конструкции в целом полезные свойства (прочность и несущую способность) всех элементов массива сферы, начиная от нащельников, отделочных панелей и утеплителя до гидрозащитной оболочки.