СТРОИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗДАНИЙ
CONSTRUCTION MODULE FOR CONSTRUCTION OF BUILDINGS

Область техники
Настоящее изобретение относится к строительным модулям для строительства зданий.
Уровень техники
B WO 2007080561 описаны строительный модуль, его изготовление и строительство многоэтажного здания путем установки одного модуля на другой.
Изобретение направлено на улучшение технических характеристик модулей, а именно повышение устойчивости к нежелательным воздействиям, огнестойкости, улучшение акустических свойств и экологической рациональности, особенно в отношении используемых материалов. Другая цель изобретения заключается в повышении эффективности процесса изготовления. Следующей целью является повышение устойчивости к воздействию ураганов и землетрясений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
3
3
Согласно изобретению, предложен строительный модуль, содержащий строительный пол, несущие стены и строительный потолок, для установки на него множества других строительных модулей в многоэтажном здании, причем по меньшей мере одна несущая стена содержит строительный каркас и легкий бетон между элементами строительного каркаса, имеющий плотность в пределах от 300 кг/м до 1200 кг/м.
В одном варианте осуществления изобретения бетон представляет собой ячеистый бетон с вовлеченным воздухом.
3
В одном варианте осуществления изобретения плотность бетона лежит в пределах от 400 до 600 кг/м.
В одном варианте осуществления изобретения бетон залит между элементами каркаса, полностью заполняя пустоты между ними вдоль плоскости стены.
В одном варианте осуществления изобретения стена имеет такую форму, что, когда два модуля установлены рядом, образуется составная стена, имеющая полость между модулями.
В одном варианте осуществления изобретения стена по меньшей мере с одной стороны облицована панелями, причем легкий бетон и панели обеспечивают огнестойкость по меньшей мере два часа.
В одном варианте осуществления изобретения стенные панели содержат оксид магния.
В одном варианте осуществления изобретения бетон залит с прилеганием к стальному каркасу и панелям.
В одном варианте осуществления изобретения по меньшей мере часть потолка содержит легкий ячеистый бетон между строительными элементами в фермах.
В одном варианте осуществления изобретения пол содержит расположенный по периметру строительный стальной каркас и легкий бетон со стальной арматурой.
В одном варианте осуществления изобретения на углу модуля имеется вертикальный установочный штифт для вставки в гнездо на углу другого модуля.
В одном варианте осуществления изобретения на углу модуля имеется, по существу, вертикальное гнездо для вставки в него, по существу, вертикального установочного штифта верхнего или нижнего смежного модуля.
В одном варианте осуществления изобретения модуль содержит соединительную плиту для крепления к нескольким другим модулям по их углам.
В одном варианте осуществления изобретения соединительная плита имеет сквозное отверстие для приема установочного штифта смежного модуля.
В одном варианте осуществления изобретения модуль содержит внутреннюю стену, соединенную со строительной стеной посредством разъемного соединения.
В одном варианте осуществления изобретения разъемное соединение представляет собой стыковой шов из гибкого наполнителя, проходящий в вертикальном направлении.
Согласно другому аспекту изобретения, предложен узел из множества установленных друг на друга модулей, описанных в любом из указанных выше вариантов.
В одном варианте осуществления изобретения по меньшей мере некоторые из модулей примыкают к железобетонному остову здания и упираются в него по вертикальной плоскости.
В одном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один модуль имеет соединительный элемент с головкой, входящей в вертикальный паз в остове.
В одном варианте осуществления изобретения вертикальный паз выполнен во вставке, вделанной в остов.
В одном варианте осуществления изобретения вставка имеет фланцы, параллельные плоскости наружной поверхности остова, обращенной к модулю, и боковые стенки, соединяющие фланцы с передней стенкой, имеющей указанный паз.
В одном варианте осуществления изобретения множество модулей соединены по смежным углам при помощи соединительной плиты и по меньшей мере одного установочного штифта, проходящего через соединительную плиту в гнездо верхнего или нижнего модуля.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предложен способ изготовления строительного модуля, описанного в любом из указанных выше вариантов. Способ включает изготовление строительного пола, строительных стен и строительного потолка и их соединение друг с другом, а также выбор состава бетонной смеси и/или ее плотности для каждой строительной стены в соответствии с ее местоположением и функцией в здании, которое строится с использованием указанного модуля, и заливку выбранного легкого бетона в указанную стену.
3
3
В одном варианте осуществления изобретения плотность бетона лежит в пределах от 400 кг/м до 600 кг/м.
В одном варианте осуществления изобретения бетон готовят, выбрав соотношение материалов и пенообразующего вещества в бетонной смеси, до заливки бетона в строительный каркас стены.
Согласно следующему аспекту изобретения, предложен способ строительства здания, включающий изготовление строительного модуля согласно любому из описанных выше вариантов, транспортировку модулей на строительную площадку с возведенным остовом здания, установку по меньшей мере некоторых модулей с упором в остов и соединение по меньшей мере некоторых модулей с остовом.
В одном варианте осуществления изобретения модули соединяют путем вставки соединительного элемента в вертикальный паз в остове и крепления соединительного элемента к модулю путем сварки или при помощи крепежных средств.
В одном варианте осуществления изобретения множество модулей соединяют по их смежным углам путем вставки, по существу, вертикального установочного штифта на модуле в, по существу, вертикальное гнездо в верхнем или нижнем модуле.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более понятно из описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера, и чертежей, на которых:
фиг.1 изображает в аксонометрии элементы строительного модуля согласно изобретению,
фиг.2 изображает в аксонометрии несколько модулей, установленных при строительстве здания, причем показаны только строительные каркасы модулей,
фиг.3 изображает сверху в разрезе примыкающие друг к другу строительные стены двух расположенных рядом модулей,
фиг.4 и 5 изображают в аксонометрии углы модулей и их соединение друг с другом для повышения сейсмической устойчивости здания,
фиг.6 изображает сверху соединение внутренней не несущей стены с наружной несущей стеной модуля,
фиг.7 и 8 изображают в аксонометрии соединительные элементы для крепления модуля к остову здания,
на фиг.9(а)-9(с) показано, как соединительные элементы используются для крепления модуля на уровне пола, и
на фиг.10(а)-10(с) показано, как соединительные элементы используются для крепления модуля на уровне потолка.
Описание вариантов осуществления изобретения
Строительный модуль, показанный на фиг.1, содержит пол 2, состоящий из расположенного по периметру строительного стального каркаса и железобетона. На пол 2 опираются строительные стены 3, содержащие коробчатые строительные стальные стойки 4. Потолок 5 содержит строительные стальные фермы 6, проходящие от одной стены 3 к другой. Стены выполнены достаточно прочными для удерживания множества модулей в многоэтажном здании типа гостиницы или многоквартирного дома, как показано на фиг.2. Стойки 4 представляют собой стальные полые квадратные профили 60×60×3, расположенные с расстоянием 600 мм между их центрами, и опираются на рамный элемент 7 строительного пола 2, снабженный по краям фланцами. Фермы 6 имеют опорные плиты 8 на стенах 3, лежащие непосредственно на стойках 4. Конструкции из строительных стен, пола и потолка соответствуют описанным в WO 2007080561 в части их строительных каркасов.
Модуль содержит распорки 9 между центром торцевой стены 10 и продольными стенами 3.
На фиг.2 показано, что в модуле 1 может быть пролом, в данном случае в 2,5 раза больший высоты модуля 1. Такой пролом в строительной стене 3 может произойти, например, в результате наезда транспортного средства или взрыва газа. Пол 2, строительные стены 3 и 10 и строительный потолок 5 обеспечивают достаточную конструкционную прочность, позволяющую предотвратить разрушение конструкции при несчастном случае, приводящем к выбиванию в несущей стене участка, превышающего высоту модуля в 2,5 раза.
3
3
3
Как показано на фиг.3, строительные стены 3 содержат стальные стойки 4, имеющие полое квадратное сечение или прямоугольное сечение, как правило 60×60×3, которые могут располагаться на различных расстояниях между их центрами. Когда два модуля установлены рядом друг с другом, две стены 3 и 16, стойки 4 которых расположены друг против друга, разделены полостью 15. Каждая из стен 3 и 16 содержит залитый внутрь легкий ячеистый бетон 20, полученный с использованием пены для вовлечения воздуха, вследствие чего бетон имеет очень низкую плотность. Примером может служить легкий ячеистый бетон фирмы Neopor™. Плотность бетона в данном варианте осуществления изобретения около 500 кг/м, но она может быть в пределах от 300 кг/м до 1200 кг/м.
Конструкционная прочность стен 3 и 16 модуля обеспечивается стальными стойками 4, которые поддерживаются залитым бетоном 20. Ячеистый бетон заполняет пустоты между стойками 4 и панелью 21 с облицовкой оксидом магния. Между стойками 4 и панелями 21 с оксидом магния имеются полосы 23 из такой панели.
Такое сочетание материалов и их расположение обеспечивают следующие свойства:
- Огнестойкость. Панель 21 с оксидом магния имеет превосходные огнеупорные свойства. Ячеистый бетон 20 уменьшает перенос тепла к стали и имеет намного меньшую теплопроводность, чем обычный бетон, что повышает огнестойкость. Задержка нагревания стали до критического уровня около 500°С имеет очень важное значение для пожарной безопасности многоэтажного здания. Испытания согласно EN1365-1 показали, что достигается огнестойкость более 120 мин, несмотря на то что стена была относительно тонкой, в данном примере 82 мм.
- Большое отношение прочность/вес. При использовании ячеистого бетона низкой плотности может быть достигнут такой же собственный вес конструкции, как у модуля, описанного в WO 2007080561, который может быть примерно на 15% легче модуля обычной конструкции.
- Превосходные акустические свойства. Акустические свойства модуля существенно улучшены благодаря составу материала стены, предназначенному для поглощения звука в более широком диапазоне частот. При лабораторных испытаниях составной стены, образованной двумя стенами модуля, были достигнуты значения 62 дБ Rw и Rw+Ctr 57 дБ. Это приблизительно на 9 дБ лучше по сравнению с действующими строительными нормами в Ирландии и на 12 дБ лучше по сравнению с нормами в Великобритании.
- Устойчивость к нежелательным воздействиям.
3
- Улучшенная теплоизоляция по сравнению с обычным бетоном. Легкий ячеистый бетон (CLC) с плотностью около 500 кг/м обеспечивает в среднем в 14 раз лучшую теплоизоляцию, чем обычный бетон. Это позволяет снизить требования по теплоизоляции, предъявляемые к наружным стенам.
- Экологическая рациональность. Нет необходимости в синтетических или искусственных заполнителях. Пенообразующее вещество, используемое в смеси, получено из натуральных ингредиентов; оно является биоразлагаемым и не загрязняет воду. Вместе с этим материалом может использоваться эко-цемент, который уменьшает потребность в дополнительной искусственной изоляции.
Следует заметить, что конструкция стены существенно содействует достижению требуемых свойств строительного модуля в отношении его изготовления, использования при строительстве здания и последующего использования здания для проживания или бизнеса.
Свойства стены можно изменять при ее изготовлении в соответствии с характером использования модуля 1. Это достигается путем регулирования плотности ячеистого бетона 20 в процессе изготовления модуля 1 на заводе. Процесс изготовления ячеистого бетона согласно одному варианту осуществления изобретения заключается в следующем:
- Сначала в механическом вращающемся барабанном смесителе смешивают в заданном соотношении речной песок нужного гранулометрического состава с цементом. Для уменьшения усадки в смесь дополнительно могут быть добавлены полипропиленовые волокна. Затем для получения требуемого объема и консистенции смеси добавляют воду. После этого добавляют необходимый объем пены для получения желательной плотности влажной смеси.
- В машине, куда подают воду, сжатый воздух и биологическое пенообразующее вещество, получают легкую пену, содержащую маленькие пузырьки воздуха. Это позволяет пене смешиваться со строительным раствором из песка, цемента и воды без схлопывания пузырьков и тем самым сохранять постоянную плотность смеси. После полного введения пены в смесь, последнюю подают в бункер для последующей заливки в стенные панели на горизонтальном основании и выровненной поверхности.
Такая конструкция стены имеет множество преимуществ как в отношении строительства здания из модулей, так и в отношении способа изготовления модуля. Одно из наиболее важных преимуществ заключается в том, что модуль позволяет решить проблему звукоизоляции, которая обычно возникает при модульном строительстве.
Кроме того, указанный процесс изготовления является более эффективным, так как в нем отсутствует заполнение изоляцией вручную и легкий бетон заливает машина. На заводе разливочная машина автоматически заливает, выравнивает и разглаживает бетон.
На фиг.4 и 5 показано соединение модулей, образованное соединительной плитой 30, по углам которой выполнены четыре отверстия 31, гнездом 32 и установочным штифтом 33. Эти элементы соединяют по углам восемь модулей 1 - четыре снизу и четыре сверху. Соединительная плита 30 приварена швом 37 к угловому элементу 32 модуля 1, расположенного снизу. Скошенные верхние кромки 34 соединительной плиты 30 облегчают получение требуемой величины сварного шва для крепления соединительной плиты 30 непосредственно к опорным плитам 8 потолочных ферм 6 смежных модулей 1. Благодаря этому плита крепится к четырем модулям 1, расположенным снизу, а кромки будут доступны сверху. На чертежах эти сварные швы обозначены цифровой позицией 36.
Следующий модуль 1 приваривают к соединительной плите 30 сверху швом 37 вокруг угла пола 2 верхнего модуля. Соединительная плита 30 имеет четыре отверстия 31, по одному в каждом углу. Затем устанавливают два следующих верхних модуля 1 и закрепляют их аналогичным образом. Последний верхний модуль устанавливают путем вставки установочного штифта 33 в отверстие 31 соединительной плиты 30. Он проходит в гнездо 32, расположенное непосредственно снизу и заполненное высокопрочным жидким безусадочным строительным раствором. Глубина гнезда и длина установочного штифта определяются силами, которые нужно выдержать. В некоторых обстоятельствах строительный раствор должен быстро затвердевать, чтобы как можно быстрее достичь заданной прочности соединения. Это особенно важно для высотных зданий, которые подвергаются ветровым и прочим конечным нагрузкам еще до завершения строительства. В качестве цементного раствора можно использовать высококачественный эпоксидный раствор Sikadur-42 HE. Указанное штифтовое соединение имеет такие же характеристики, как и сварные швы между верхним модулем и соединительной плитой, и выдерживает все силы, которые могут на него действовать.
Благодаря такой конструкции четвертый модуль 1 можно присоединить даже тогда, когда после установки трех верхних модулей отсутствует доступ для выполнения сварки четвертого модуля с соединительной плитой 30. Кроме того, можно на каждом углу выполнить комбинированное соединение путем сварки и с помощью установочного штифта. Благодаря наличию в плите четырех отверстий 31, можно прямо на строительной площадке выбрать, какой из верхних модулей опустить на место последним.
Эта конструкция должна выдерживать статические и динамические силы при землетрясении. Сжимающая нагрузка воспринимается в первую очередь вертикальными стойками 4. Вертикальные растягивающие нагрузки воспринимаются угловыми соединительными элементами 40, специально рассчитанными на такие нагрузки. Горизонтальные силы передаются с помощью плит перекрытий и угловых соединений на железобетонный остов здания. Чтобы соответствовать строительным требованиям, в угловых соединениях модулей используются сварка и/или залитые строительным раствором штифты.
Согласно фиг.6, не несущую внутреннюю стену 50 модуля 1 соединяют со строительным полом 2 и потолком 5 путем закрепления строительных элементов. Внутреннюю стену 50 соединяют с несущей стеной 3 при помощи балки 52, имеющей форму лотка и прикрепленной к стене 3 винтами 53. К балке 52 прикрепляют полосы 54 гипсокартона. Затем внутреннюю стену 50 устанавливают с упором в боковые кромки полос 54. Полосы 54, прикрепленные к лотку, опирают на первую стойку панели внутренней стены, но не прикрепляют к ней механически. После этого между гипсокартонными полосами 54 и гипсокартонными панелями 56 внутренней стены 50 образуют стыковой шов 55 из гибкого материала.
Благодаря свойствам этого стыкового шва, в случае большой сейсмической активности, вызывающей смещение строительной стены 3, внутренняя стена 50 не будет смещаться вместе с ней. Стыковой шов может разойтись или разрушиться, но все повреждения можно легко устранить несложным косметическим ремонтом. Основное преимущество состоит в том, что внутренняя стена 50 будет сохранять свою устойчивость и целостность и не будет подвергаться силам, которые могут привести к дальнейшему повреждению имущества в здании или к серьезным травмам находящихся в нем людей.
На фиг.7-10 показано, как осуществляется соединение модуля 1 с железобетонным остовом 61, возведенным ранее на строительной площадке. Остов 61, как правило, включает шахту лифта и шахту лестницы здания. В заданных местах остова 61, совпадающих с уровнями пола и потолка модуля, вделана ориентированная строго вертикально, снабженная пазом вставка 60. Количество вставок определяется расчетными силами. Вставка 60 имеет боковые фланцы 62 и наклонные боковые стенки 67, сходящиеся к передней стенке 63, имеющей вертикальный паз 64. Имеется соединительный элемент 65 в виде плоской плиты, на одном конце которой сделаны вырезы для образования головки 66, имеющей форму, подходящую для соединения со вставкой 60 остова. Соединительный элемент 65 соединяют со вставкой 60 путем его введения в вертикальном положении в паз вставки 60 и последующего поворота на угол около 90° в горизонтальное положение. Затем соединительный элемент 65 перемещают вертикально до тех пор, пока он не войдет в контакт с полом 2 модуля (фиг.9(а)-9(с)) или с верхней поверхностью модуля 1 (фиг.10(а)-10(с)). После этого соединительный элемент 65 приваривают к модулю, при этом сохраняется возможность свободного перемещения соединительного элемента 65 в пазу вставки 60 остова только в вертикальном направлении. Это позволяет ему противостоять срезающим и растягивающим силам, но допускает любую неравномерную осадку модулей относительно остова, особенно в многоэтажных зданиях. Соединительный элемент также передает горизонтальные силы от модулей 1 на остов 61. Эта особенность также важна для выдерживания статических и динамических сил в условиях сейсмической активности. Из-за усадки бетона в остове здания степень неравномерной осадки в 25-этажном здании может быть в пределах 8-15 мм, тогда как модули 1 не имеют заметной усадки, поскольку нагрузку несет стальная арматура.
Как показано на фиг.9 и 10, перед приваркой соединительного элемента 65 может потребоваться приварка буферной плиты (фиг.10(а)-10(с)), чтобы верхняя поверхность соединительного элемента 65 была на уровне верхней поверхности опорных плит 8. В качестве альтернативы способ может включать выем части плиты для образования пространства для соединительного элемента (фиг.9(а)-9(с)). Такое соединение выполняют между боковой стороной пола, снабженной каналом в форме перевернутой буквы U, как показано на чертежах.
Следует отметить, что ячеистый бетон в стенах 3 модуля существенно повышает их общую жесткость. В свою очередь, это повышает способность стены 3 противостоять сотрясающим силам. Это особенно важно для зон ураганов и сейсмической активности, где в противном случае могли бы потребоваться усиленные каркасы и/или стены для противодействия таким силам.
Кроме того, следует отметить, что модули позволяют избежать несоразмерных разрушений, которые могут быть вызваны несчастным случаем. Так, если в длинной стене модуля будет выломан участок длиной до 2,25h (h - высота модуля в метрах) на одном уровне, то это не приведет к потере устойчивости верхних модулей. Аналогично, могут быть полностью выломаны короткие стены модулей на одном уровне без риска обрушения модулей, расположенных сверху, как показано на фиг.2.
Изобретение не ограничивается описанными вариантами его осуществления и допускает различные конструктивные изменения. Например, заливку легкого ячеистого бетона можно применить не только для стен, но и для потолков, крыш и полов. Кроме того, очевидно, что помимо полости между стенами двух смежных модулей, может быть полость во внутренней стене одного модуля. В этом случае по обеим сторонам полости может быть расположен строительный каркас. Далее, для соединения модуля с остовом здания соединительные элементы могут находиться на остове и вставляться в пазы, выполненные в модуле.