Arkhitektura_i_stroitelnye_konstruktsi1

Кандидат технических наук, доцент Корзун Станислав Иосифович

Архитектура и строительные конструкции

1. Основы архитектурно-строительного проектирования

1.1. Общие сведения о зданиях и сооружениях

Согласно древнеримскому архитектору Витрувию, архитектурный объект должен включать три элемента: прочность, пользу и красоту. В наше время требуется ещё функциональная, техническая и экономическая целесообразность, а также архитектурно-художественная выразительность. Но приоритетным требованием является функциональное соответствие решаемым задачам.

Сооружения – это искусственные строения, возведённые человеком для удовлетворения материальных и духовных потребностей общества.

Сооружения делятся на здания и инженерные сооружения.

Зданием называется надземное строение, предназначенное для проживания людей (жилые здания), обеспечения их бытовых и общественных потребностей (общественные здания), а также для создания условий, необходимых для осуществления каких-либо производственных процессов (производственные или промышленные здания).

Инженерные сооружения – это строительные объекты, не имеющие внутреннего пространства для обслуживающего персонала. Такие объекты предназначены для выполнения технических задач: 1) функционирования технологических процессов; 2) хранения материалов; 3) обеспечения коммуникаций; 4) реализации конструктивных функций и др.

К ним относятся градирни, резервуары, домны, дымовые трубы, мосты, тоннели, опоры трубопроводов и ЛЭП, эстакады, подпорные стены и т. д.

Все здания состоят из объёмно-планировочных и конструктивных элементов.

На рис. 1.1 показан ряд конструктивных элементов здания:

фундаменты, стены, колонны, перекрытия, покрытия, перегородки, лестницы, окна, двери и др. Каждый из них выполняет определённую конструктивную функцию.

Объёмно-планировочный элемент – это часть объёма здания,

имеющая габариты, равные пролёту в одном направлении, шагу в другом направлении и высоте этажа в третьем.

Высота этажа Н определяется, как расстояние от уровня пола одного помещения до уровня пола помещения, расположенного выше. Для одноэтажных зданий высота этажа характеризуется расстоянием от пола до низа конструкций покрытия. Пролет L – это расстояние между вертикальными несущими конструкциями (стенами или колоннами) в направлении ширины здания. Обычно он совпадает с пролетом основных несущих конструкций перекрытия или покрытия. Шаг В – это расстояние между вертикальными несущими конструкциями вдоль здания.

1

Независимо от назначения любое здание должно создавать комфортные и безопасные условия для находящихся в нём людей, т. е. отвечать функциональным и физиологическим потребностям.

1.2. Требования, предъявляемые к зданиям

Функциональные требования – объемно-планировочное и конструктивное решение здания должны наилучшим образом отвечать назначению здания.

Условия в здании или помещении характеризуется следующими факторами: пространством (площадь и объём здания), состоянием воздушной среды (микроклимат), звуковым (условия слышимости) и световым режимом, условиями видимости и зрительного восприятия плоских и объёмных предметов.

Вжилых зданиях должны быть комфортные условия для проживания, т. е. здание должно быть удобным. В разные времена удобство понималось по-разному. Во многом это зависит от уровня благосостояния общества и потребностей людей.

К общественным зданиям предъявляют свои требования в зависимости от их назначения. Так, в зрелищных учреждениях особое внимание уделяется вопросам видимости и акустики.

Впромышленных зданиях должны быть созданы условия для: размещения технологического оборудования, нормальной работы обслуживающего персонала и т. д.

Технические требования. Здание должно иметь прочные и долговечные конструкции, обеспечивающие надёжную эксплуатацию в течение всего срока службы. Здание должно обладать достаточной устойчивостью (жёсткостью) и отвечать противопожарным требованиям.

Уровень требований, предъявляемых к зданию, зависит от его назначения, предполагаемого срока службы, места возведения здания и других факторов. Исходя из этого, установлено 4 класса капитальности зданий:

1)крупные общественные здания (театры, музеи), правительственные учреждения, жилые дома с числом этажей свыше 9, крупные электростанции;

2)общественные здания массового строительства (школы, детские дошкольные учреждения), жилые здания высотой 6-9 этажей, крупные производственные здания;

3)жилые здания в 3-5 этажей, небольшие общественные здания;

4)малоэтажные жилые здания (1-2 этажа), временные общественные здания и т. п.

Для каждого класса капитальности нормами установлены минимальные требования по долговечности основных конструкций и огнестойкости зданий.

Долговечность здания или конструкции – это их свойство сохранять заданные качества в течение установленного срока службы без разрушений,

3

деформаций и потери внешнего вида. Деформация – изменение формы или размеров элемента.

Установлено 3 степени долговечности зданий (или конструкций): 1) более 100 лет; 2) от 50 до 100 лет; 3) от 20 до 50 лет. Объекты со сроком службы менее 20 лет называются временными.

Огнестойкость здания определяется степенью (или пределом) огнестойкости. При её определении учитывается огнестойкость основных материалов и конструкций, а также пожароопасность технологических процессов, выполняемых в здании.

Установлено 5 основных и 3 дополнительных степени огнестойкости. Каждой из них соответствуют минимальные пределы огнестойкости основных конструкций и группы горючести применяемых материалов.

Минимальный предел огнестойкости – это время в часах, в течение которого конструкция должна сопротивляться воздействию огня или высоких температур без разрушения, потери устойчивости, образования сквозных трещин или повышения температуры на поверхности конструкции со стороны, противоположной действию огня, более чем на 200оС.

Требуемые пределы огнестойкости в часах в зависимости от требуемой степени огнестойкости.

Например, предел огнестойкости 0,75 часа обеспечивает кирпичная стена толщиной 6,5 см; 2,5 часа – 12 см; 5,5 часов – 25 см.

Требования по огнестойкости здания и долговечности конструкций различны в зависимости от класса капитальности здания.

Группа горючести характеризует материал, из которого выполнена конструкция. Установлено 3 группы горючести – негорючие (несгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и горючие (сгораемые). Несгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые – под

4

воздействием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня или высокой температуры горение и тление прекращаются. Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

Например, в зданиях I и II степеней огнестойкости вертикальные несущие элементы, стены и перегородки должны быть несгораемыми. В зданиях III степени огнестойкости стены и опоры должны быть несгораемыми, а перекрытия и перегородки – трудносгораемыми (например, деревянные оштукатуренные). К IV степени огнестойкости относят деревянные оштукатуренные, а к V – деревянные неоштукатуренные (сгораемые) здания.

Исходя из противопожарных требований, этажность зданий IV и V степеней огнестойкости должна быть не более двух этажей.

Архитектурно-художественные требования. Здание должно иметь привлекательный внешний вид и интерьер. При этом средства архитектурной композиции не должны нарушать функциональную или техническую целесообразность здания.

Экономические требования. Объемно-планировочные и конструктивные решения должны быть экономичны.

Природоохранные или экологические требования. В зданиях должны соблюдаться необходимые для людей санитарно-гигиенические условия (температурно-влажностный режим, чистота воздуха, зрительный и звуковой комфорт). При строительстве зданий следует, по возможности, сохранять существующий рельеф местности, не использовать под строительную площадку участки с плодородной почвой.

Промышленные здания не должны загрязнять окружающую среду, поэтому необходимо предусматривать утилизацию отходов, очистные сооружения, производство замкнутого цикла. Расположение предприятий должно быть таким, чтобы обеспечить минимальный вред человеку или природе в случае наличия опасных выбросов или возникновения аварийных ситуаций.

1.3. Основные конструктивные элементы зданий. Несущие и ограждающие конструкции

Впроцессе возведения и эксплуатации все здания подвергаются воздействию силовых и несиловых факторов:

нагрузки от собственной массы конструкций, людей и оборудования; ветровые, снеговые, сейсмические и иные нагрузки;

температурные и биологические воздействия, солнечная радиация, влажность воздуха, агрессивные среды и др.

Взависимости от условий работы при восприятии нагрузок и воздействий все конструктивные элементы зданий подразделяются на несущие и ограждающие (рис. 1.2).

5

стены, окна, двери. Ограждающие конструкции должны обладать стойкостью против атмосферных и других физико-химических воздействий, а также быть эффективными по тепло- и звукоизоляции.

Многие конструктивные элементы выполняют как несущие, так и ограждающие функции, т. е. являются несуще-ограждающими. Примеры – стены, фундаменты в зданиях с подвалами, плиты перекрытий и покрытий и др.

Несущий остов здания – это пространственная система из вертикальных (стены, колонны, фундаменты) и горизонтальных (перекрытия и покрытия) конструкций. Несущий остов здания обеспечивает восприятие и передачу на основание всех видов нагрузок и воздействий, возникающих в процессе строительства и эксплуатации здания.

Каркасы – комплексные элементы, состоящие из вертикальных несущих конструкций (стоек в виде столбов или колонн) и горизонтальных несущих конструкций (балок, плит или ферм). Элементы каркасов воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки от других элементов (перекрытий, покрытий, ненесущих стен и др.) и от своей массы, передавая их на фундаменты. Элементы каркаса выполняют только несущие функции.

Фундаменты – подземные конструкции здания, предназначенные для восприятия всех нагрузок и передающие их на основание. Фундаменты устраивают под стенами и отдельными опорами-стойками (столбами или колоннами). Верхняя поверхность фундамента и горизонтальные площадки уступов фундамента называются обрезом. Нижняя плоскость (или поверхность) фундамента, которой он опирается на основание, называется подошвой. В зданиях без подвалов фундаменты являются несущими конструкциями, а в зданиях с подвалами выполняют несуще-ограждающие функции.

Основание – это массив грунта, находящийся под фундаментом и воспринимающий всю нагрузку от здания. Основание должно обладать достаточной прочностью, т. е. быть малосжимаемым при нагружении его до определенного предела.

Стены – вертикальные элементы, отделяющие помещения друг от друга или от внешней среды. Они бывают наружными и внутренними, продольными и поперечными, несущими, самонесущими и ненесущими (навесными), несуще-ограждающими или ограждающими. Продольные и поперечные стены образуют в плане замкнутые контуры с прочным сопряжением в местах пересечений.

Колонны или стойки – вертикальные элементы, предназначенные для восприятия нагрузок от покрытий, перекрытий, стен, технологического оборудования и др. и передающие их на фундаменты.

Перекрытия – несуще-ограждающие конструкции, разделяющие здания на ярусы-этажи, воспринимающие нагрузки от людей, оборудования и т. д. и передающие их на стены, отдельные опоры или элементы каркаса. Кроме того, перекрытия являются горизонтальными диафрагмами жёсткости

7

зданий, повышая их пространственную неизменяемость. В зависимости от местоположения в здании перекрытия бывают междуэтажными, чердачными, надподвальными и нижними.

Перегородки представляют собой тонкие ненагруженные конструкции, устанавливаемые на несущие элементы перекрытий и разделяющие внутреннее пространство этажа здания на отдельные помещения. Кроме того, перегородки снижают уровень шума, проникающего из соседних помещений.

Покрытия – это конструктивный элемент, защищающий здания от атмосферных воздействий и температурного перепада. Это комплексная конструкция, состоящая из чердачного перекрытия и крыши. Как правило, крыша защищает здание от атмосферных воздействий, а чердачное перекрытие – от температурного перепада. Верхняя водонепроницаемая оболочка крыши называется кровлей. По конструктивному исполнению покрытия бывают скатными и плоскими, чердачными и совмещёнными.

Лестницы и лифты служат для сообщения между помещениями, находящимися на разных уровнях. Помещения, в которых располагаются лестницы, называются лестничными клетками. Лестницы состоят из наклонных элементов со ступенями, называемыми лестничными маршами, и горизонтальных элементов, называемых лестничными площадками. Лифты состоят из лифтовых шахт, лифтовых кабин и машинных отделений.

Окна служат для естественного освещения помещений и их проветривания.

Двери служат для сообщения между помещениями в здании и для сообщения между зданием и прилегающей территорией.

Балконы и лоджии предназначены для отдыха на открытом воздухе. Балкон – это консольно выступающая за внешнюю поверхность наружной стены площадка, имеющая с остальных сторон лёгкие ограждения. Лоджия – это частично или полностью встроенная в габариты здания площадка, имеющая лёгкое ограждение со стороны фасада и ограждения в виде стен и перекрытий с остальных сторон.

1.4. Конструктивные системы зданий

Конструктивная система (рис. 1.3) – это совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, совместная работа которых обеспечивает его прочность, жёсткость и устойчивость. В первую очередь конструктивная система определяется видом основных вертикальных несущих элементов.

Различают пять основных конструктивных систем:

1)стеновую (бескаркасную) (рис. 1.3 а, б, в). Применяется в гражданских зданиях высотой до 30-ти этажей;

2)каркасную (рис. 1.3 г, д, е). Чаще всего применяется в промышленных

иобщественных зданиях, а также в многоэтажных жилых зданиях. Наиболее целесообразно применение в тех случаях, когда требуется большая свобода в

8

планировке либо при высоком уровне действующих нагрузок. Различают четыре основные разновидности каркасной схемы: с продольным расположением ригелей; с поперечным расположением ригелей; с перекрестным расположением ригелей; безригельная;

Рис. 1.3. Конструктивные системы (схемы) зданий.

а – с продольными несущими стенами (продольно-стеновая); б – с поперечными несущими стенами (поперечно-стеновая); в – с продольными и поперечными несущими стенами (перекрёстно-стеновая); г – с неполным продольным каркасом и с наружными несущими продольными стенами; д – с неполным поперечным каркасом и несущими наружными стенами; е – с полным пространственным каркасом; 1 – продольные несущие стены; 2 – поперечные несущие стены; 3 – элементы перекрытия.

3) ствольную. Несущий вертикальный элемент в виде ствола жёсткости (тонкостенного стержня замкнутого или открытого профиля) располагается в центре здания. Применяется в сейсмостойких зданиях высотой более 16-ти этажей.

9

4)оболочковую (периферийную). Несущий вертикальный элемент в виде тонкостенного стержня замкнутого или открытого профиля располагается по периметру здания и является наружной ограждающей конструкцией. Применяется в уникальных высотных зданиях;

5)объёмно-блочную. Основной несущий элемент – объёмный блок. Применяется в жилых зданиях высотой до 12-ти этажей.

Помимо основных систем широко применяются комбинированные конструктивные системы:

с неполным каркасом (несущие наружные стены + внутренний каркас);

ствольно-стеновая;

ствольно-оболочковая;

объёмно-блочно-стеновая и др.; Внутри каждой конструктивной системы существуют несколько

разновидностей, зависящих от размещения вертикальных несущих конструкций.

Для повышения пространственной жёсткости зданий (особенно каркасных) в их несущий остов включают внутренние ядра жёсткости в виде замкнутых контуров (шахты лифтов, вентиляционные короба, санитарнотехнические узлы и др.).

1.5.Типизация и унификация зданий и сооружений. Единая модульная система в строительстве

Для современного строительства характерно широкое применение строительных изделий и конструкций заводского изготовления. Это позволяет:

повысить производительность труда;

сократить трудоёмкость работ, выполняемых на строительной площадке;

повысить качество работ;

сократить сроки строительства.

Однако заводское производство целесообразно при массовом выпуске одних и тех же конструкций и возможности их использования в зданиях различного назначения, т. е. количество типов и размеров применяемых изделий должно выть ограничено. Это обеспечивается путем унификации.

Унификация зданий состоит в приведении их объемнопланировочных параметров и размеров конструктивных элементов к ограниченному, технически и экономически обоснованному числу. При этом унифицируются не только основные геометрические размеры и форма конструкций, изделий и деталей, но и их основные эксплуатационные характеристики (несущая способность, тепло- и звукоизоляция). Это позволяет обеспечить их взаимозаменяемость.

10