Инновационные методы в строительстве высотных зданий

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Инновационные методы в строительстве высотных зданий

Хаков Е.А. 1Кривощеков Д.П. 1Клех Г.А. 1Кукулеско С.М. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Попова Е.Е. 1Хакова О.И. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Сегодня наиболее острые проблемы градостроительной адаптации высотных зданий в существующих поселениях связаны отнюдь не с технической или экологической, а с их имиджевой стороной: очевидное смещение приоритетов развития высотного строительства в сторону функционально-экономических и конструктивно-технологических аспектов- явно идет в ущерб его художественно-эстетической стороне. [1] Не случайно многие города и страны ведут многолетнее негласное соревнование - чьи небоскребы выше и оригинальнее по архитектуре: высотные здания, будучи символами технического прогресса и экономического процветания, являются важными компонентами национального престижа и стимулируют развитие бизнеса и туризма. Высотное зодчество, несмотря на жесткую всестороннюю критику, пессимистические прогнозы многочисленных противников и вопреки кризисным явлениям в мировой экономике, продолжает свое независимое поступательное развитие. [2] В России также стремятся удивить мир новыми высотками. Так, например, здания Москва-сити: Деловой комплекс "Империя", Комплекс "Башня на Набережной", Меркурий Сити Тауэр и т.д. В Тюмени тоже есть высотные здания, но максимальная высота зданий в нашем городе 25 этажей ЖК «Паруса».

Также стоит отметить, что в Тюмени, да и во всем мире есть стереотип строить только прямоугольные дома. Вместе с тем, цилиндрическая форма дома становится все более востребованной и не исключено, что «круглые дома» станут «модными». Ведь основные преимущества круглых зданий, такие, как прочность и экономия площади под застройку, актуальны везде.

Именно поэтому мы выбрали этот проект.

Далее мы задались вопросом: как же можно строить такие дома и при этом сэкономить время и средства. Почти всегда на стройке задействован башенный кран. Его высота растет вместе с высотой здания. А если высота здания 200 этажей, то кран устанавливают на краю здания. Задача современного строительства заключается именно в усовершенствовании способов строительства с целью увеличении скорости возведения зданий.

Цели проектной работы:

Предложить способ возведения высотных зданий цилиндрической формы с помощью железобетонных элементов, которые будет поднимать кран-балка на кольце жесткости, установленная на верху здания по центру.

Задачи проектной работы:

Узнать про высотные здания во всём миру и в Тюмени

Подробно изучить преимущества зданий цилиндричекой формы в сравнении со зданиями прямоугольной формы:

- рассчитать геометрию зданий;

- рассчитать энергопотери;

- рассчитать ветровую нагрузку;

- рассмотреть варианты планировок.

Рассмотреть современные методы строительства высотных зданий и предложить свой способ;

Сходить на завод ЖБИ-3 и узнать у экспертов, возможно ли строить такие здания в Тюмени с помощью железобетонных панелей.

Создать и запустить демонстрационную модель «Строительство высотного здания цилиндрической формы при помощи крана-балки на кольце жесткости».

Перед началом работы с нашим проектом мы выдвинули следующие гипотезы:

1. Дома цилиндрической формы можно строить практически без использования арматуры.

2. При строительстве зданий цилиндрической формы потребуется меньше строительного материала, чем при строительстве здания прямоугольной формы той же площади;

3. Здание необычной цилиндрической формы более интересны в современном мире.

4. Здания цилиндрической формы более энергоэффективны

5. Здания цилиндрической формы более сейсмоустойчивы.

6. Здания цилиндрической формы более устойчивы к ветровой нагрузке.

7. Здания цилиндрической формы можно построить из железно-бетонных блоков полукруглой формы в Тюмени и в Мире.

8. Для строительства высотных зданий цилиндрической формы можно установить кран по центру здания сверху и поднимать вверх с ростом здания.

Мы изучили информацию о способах строительства на нескольких сайтах, при расчете ветровой нагрузки мы опирались на документ «Свод правил нагрузки и воздействия», перед походом на экскурсию ЖБИ-3 мы заранее познакомились с изготавливаемыми изделиями на сайте завода и подготовили ряд вопросов, при создании макета мы использовали конструктор Lego Mindstorms EV3, нам также помогла Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3.

Глава 1. Современные здания прямоугольной и цилиндрической формы.

1.1 Высотные здания в мире и в России

Самое высокое здание в мире - Бурдж-Халифа (Burj Khalifa). Расположено в красивейшем городе Дубай, ОАЭ. Высота здания составляет - 828 метров, высота крыши - 636 м., этажность - 163. Небоскрёб был открыт в 2010 году. Форма здания напоминает сталагмит. известный во всем мире под названием «Бурдж Дубай» («Дубайская башня»), переименовал его, посвятив здание президенту ОАЭ шейху Халифе ибн Заиду ан-Нахайяну (Рисунок 1.1.2 Приложения). [3] "Башня Федерация": башня "Восток" - 374 метра, башня "Запад" - 242 метра; Главное здание МГУ добрую половину века было самым высоким зданием Москвы: построенное в 1949-1953 годах, оно держалось на этом почётном месте до 2003 года, когда был построен "Триумф-Палас" - ровно 50 лет. Здание университета имеет внушительную высоту - 240 метров, но выглядит невероятно лёгким; и не мудрено - над его проектом трудились выдающиеся архитекторы тех времён: Б.М. Иофан, П.В. Абросимов, С.Е. Чернышёв, Л.В. Руднев, В.Н. Насонов, А.Ф. Хряков. И не только архитекторы - сам Сталин приложил руку к сооружению университета, утвердив количество этажей и высоту шпиля. Шпиль венчает огромная звезда (Рисунок 1.1.3 Приложения). [4]

Привычные прямоугольные формы жилых и нежилых зданий отходят в прошлое. В то же время на Дальнем Востоке страны строится все больше жилых зданий нестандартной цилиндрической формы. Как в Центральной России, так и в дальневосточном Хабаровске "круглых домов" становится все больше. Популярность таких зданий обусловлена, в основном, тем, что строители считают цилиндрическую форму домов одной из лучших по своим прочностным характеристикам. Еще в городе Абу-Даби есть 2 здания цилиндрической формы под названием Альбахар (Рисунок 1.1.1 Приложения). И в Мюнхене есть офис BMW тоже цилиндрической формы.

1.2 Расчет геометрии зданий

Для проведения расчетов по двум зданиям цилиндрической и прямоугольной формы мы взяли две фигуры круг и квадрат с одинаковой площадью- 400 м.кв. (Рисунок 1.2.1 Приложения). Длина стен одного этажа в квадратном здании составит 80 м, в круглом здании – 70,89 м. С помощью расчётов выяснили, что длина стены одного этажа у круглого в плане здания на 9 м меньше, чем у квадратного и это при одинаковой полезной площади этажа. Таким образом, при строительстве здания цилиндрической формы мы будем экономить материалы для строительства и каждый 8 этаж будет бесплатным.

1.3 Энергоэффективность

Сегодня все больше застройщиков выбирает круглые дома или здания с закругленными элементами (например, прямоугольные в плане, но с крышей и стенами в форме купола или цилиндра). [5] Действительно, такое решение позволяет получить теплое и энерговыгодное жилье, недаром исторически это - древнейший тип жилища, особенно распространенный среди северных народов. Собственно, все полезные качества здания на основе купольной или цилиндрической формы обеспечивает именно геометрия. На строительство дома круглого в плане или увенчанного куполом, будет затрачено меньше материалов. При эксплуатации вы довольно быстро сможете убедиться в том, что цилиндр – лучшая форма ограждения с точки зрения сохранения тепла. В таком доме нет углов, которые обычно являются наиболее холодными точками каждой постройки. (Рисунок 1.3.1. Приложения).

Итак, у цилиндрического здания меньше площадь стен, меньше теплопотери – выше энергоэффективность. Следовательно, меньше затраты на отопление здания.

1.4 Сейсмоустойчивость

Сейсмоустойчивость ‑ способность построек и конструкций выдерживать землетрясения с минимальными повреждениями, Сейсмоустойчивость объекта, прежде всего, зависит от его высоты, его веса в целом, конструктивной системы, которая принимает на себя сейсмическое воздействие, сейсмических регионов, где строится объект, включая и микросейсмическую регионализацию, так как в зонах малой сейсмической активности могут существовать геологические разломы, которые могут представлять повышенную геодинамическую опасность отдельных объектов, особенно высотных зданий.Одно из сильнейших землетрясений за последние годы произошло 11 марта 2011 года на севере Японии (Рисунок 1.4.1 Приложения). [6]

Круглые дома в плане здания более сейсмоустойчивые, по сравнению с квадратными или прямоугольными. Технология возведения таких зданий допускает их строительство даже в регионах с суровыми климатическими условиями.

1.5 Планировка помещений в зданиях цилиндрической формы

Мы привыкли жить в квадратных и прямоугольных зданиях, но есть множество дизайнерских решений для круглых в плане зданий. Готовых планировок с индивидуальным дизайном большое множество, поэтому проблем с дизайном такого интерьера не возникает (Рисунок 1.5.1 Приложения).

1.6 Мнение эксперта. Расчет ветровой нагрузки

Для подтверждения гипотез №№ 1-6 мы пригласили эксперта из проектного института ОАО «Тюменьгипротрубопровод» Матигорова Михаила Владимировича (Рисунок 1.6.1 Приложения). Он высоко оценил наши исследования и выполненные нами расчеты по зданиям цилиндрической формы. Так же он помог нам выполнить расчеты по ветровой нагрузке на цилиндрическое и квадратное в плане здание при одинаковой высоте, чтобы сравнить значения нагрузок (Рисунок 1.6.2 Приложения). В итоге оказалось, что на цилиндрическое здание ветровая нагрузка на 35 % меньше, чем на квадратное. Это в свою очередь ведет к снижению нагрузки от здания на фундаменты. А это опять экономия на материалах каркаса и на фундаментах здания. [7]

Глава 2 Строительство высотных зданий

2.1 Современные методы

Существуют различные технологии современного строительства. Мы рассмотрели некоторые из них.

ТИСЭ- технология индивидуального строительства и экология. Основа дома, построенного с использованием ТИСЭ-это заливной, свайный или свайно-ростверковый фундаменты. [8]

Технология каркасного возведения зданий достаточно часто применяется в строительстве. Прочный каркас дома - основа технологии.

3D-панели- это усовершенствованная сборка каркасно-щитовых домов. Здания и сооружения возводятся при помощи больших кранов, которые монтируются непосредственно в рабочей зоне возводимого здания. Обычно, краны своим ростом следуют за ростом здания, используя только свои собственные силы.

В целом, для строительства небоскребов используются следующие способы их восхождения на самый верх:

• внешний метод восхождения, в котором башня с «руками» поднимается вверх по внешней стороне здания (Рисунок 2.1.1 Приложения) или кран установлен рядом со зданием и растет вверх вместе с ростом здания (до 20-30 этажей);

• внутренний метод восхождения, в котором кран строит вокруг себя несколько этажей, находясь внутри, а затем перемещается на более высокое место;

2.2 Экскурсия на завод ЖБИ-3

Мы побывали на экскурсии на заводе ЖБИ – 3, где узнали и увидели, как изготавливаются типовые конструкции для жилых зданий (Рисунок 2.2.1 Приложения). [9] Где нам технолог сказал, что идея классная, и применима для любого типа материалов. Будь то кирпич или крупнопанельные блоки. Единственно, полукруглые бетонные плиты создать на заводе ЖБИ-3 оборудование не позволяет, есть формы только для прямоугольных плит. Кроме этого, если работать с полукруглой формой, то заливать бетон нужно с двух сторон, однако, у бетона быстро засыхают края и итоговый блок будет слоистым, что делает его менее прочным. Мы обсудили идею строить в Тюмени здания цилиндрической формы с помощью небольших прямоугольных железобетонных блоков. Это тоже возможно. В плане здание получится не круглой формы, а в виде многогранника, приближенного к кругу.

2.3 Наша идея: кран-балка на кольце жесткости

Один человек из нашей команды, Егор Хаков, был в Дубае. Там он увидел, как строятся высотные здания «небоскрёбы». Башенные краны для их строительства располагаются либо рядом со зданием, либо крепятся к боковой его стороне. Так же он заметил, что на уже построенных зданиях на крышах устанавливаются мини-краны с люльками, которые используются для мытья фасадов. И родилась инновационная идея объединить кран для строительства здания и для мытья фасадов. Мы решили строить здания с помощью кран-балки, которая будет размещена на внутреннем кольце жесткости здания. Конструкция крана получилась легкой и дешевой, т.к. отсутствует опорная нога, как у стандартного башенного крана. Наша кран-балка вращается по кольцу жесткости на 360º и может поднимать грузы с любой стороны здания, что сокращает время строительства. По мере возведения стен и перекрытий здания кольцо жесткости наращивается по высоте (Рисунок 2.3.1 Приложения) с помощью сборных сегментов (2 шт. или более в зависимости от масштаба здания), которые так же поднимает кран-балка.

В итоге получается, что здание строит само себя!

Эксперт из проектного института ОАО «Тюменьгипротрубопровод» Матигоров Михаил Владимирович рассказал нам, что статья затрат по аренде башенного крана для строительства здания занимает значительную часть бюджета заказчика, т.к. далеко не у всех подрядных строительных организаций есть свои башенные краны для возведения высотных зданий.

В нашем случае мы получаем большую экономию, т.к. нет необходимости арендовать большой башенный кран для строительства.

Наша инновационная кран-балка по окончанию строительства здания может быть укрупненно разобрана, спущена внутри кольца жесткости лебедками и использована для строительства другого такого же здания.

Глава 3. Создание демонстрационной модели: «Строительство высотного здания цилиндрической формы при помощи крана-балки на кольце жесткости»

В нашем мире есть круглые в плане здания, но очень мало. А в Тюмени их совсем нет. Мы подумали, что можно строить круглые дома в Тюмени. Например, жилые панельные дома могли бы возводить предложенным нами способом с применением дешевой и легкой кран-балки, опирающейся на внутреннее кольцо жесткости здания. При этом после окончания стройки кран-балку можно разобрать и перенести на строительство другого дома, либо оставить для мытья фасадов, если это офисное здание.

Для создания макета нам понадобилось (Рисунок 3.1, Рисунок 3.2 Приложения):

- пластиковый воздуховод, диаметром 150 мм и высотой 500 мм;

- труба сантехническая, диаметром 40 мм;

- конструктор «LEGO MINDSTORMS EV3» [10];

- зеленый коврик для имитации газона;

- кусок пластика, размерами 800 х 600 мм;

- термопистолет.

Иновационность нашего проекта заключается в том, что кран-балка закрепленная на кольце жесткости, может построить здание цилиндрической формы любой высоты со значительной экономией бюджета, и для этого не нужен башенный кран. С помощью такого крана в будущем можно легко и быстро возводить «круглые дома» по всему миру.

Мы успешно продемонстрировали наш проект на соревнованиях:

23 января 2020 состоялся Региональный робототехнический фестиваль «Робофест Тюмень-2020», и наша команда стала призёром 3 степени (Рисунок 3.3 Приложения);

13-15 февраля 2020 мы участвовали во Всероссийском чемпионате First Russa Robotics Chempionship, в г. Красноярск, торжественно взяли 2 место (Рисунок 3.4 Приложения).

Заключение

В процессе нашей работы мы узнали про высотные здания во всём миру, в Тюмени максимальная высота здания 25 этажей.

Мы подробно изучили преимущества зданий цилиндрической формы в сравнении со зданиями квадратной, прямоугольной формы и подтвердили ряд гипотез:

- длина стены одного этажа у круглого в плане здания на 9 м меньше, чем у квадратного и это при одинаковой полезной площади этажа в 400м² (при большей площади этажа растет и экономия в материалах для возведения стен);

- цилиндрические здания более энергоэффективны, более сейсмоустойчивы;

- на цилиндрическое здание ветровая нагрузка на 35 % меньше, чем на квадратное, а значит они более устойчивы к ветровой нагрузке.

Кроме этого, здания необычной цилиндрической формы более интересны в современном мире.

Мы рассмотрели современные методы строительства высотных зданий и предложили свой инновационный способ: возведение высотного здания цилиндрической формы при помощи кран-балки на внутреннем кольце жесткости, установленного сверху по центру строящегося здания. В итоге получается, что здание строит само себя!

Мы сходили на завод ЖБИ-3 и узнали у экспертов, возможно ли строить такие здания в Тюмени с помощью железобетонных панелей. Таким образом мы подтвердили следующие гипотезы: дома цилиндрической формы можно возводить не только с использованием укрупненных железобетонных элементов, а так же из кирпича и любых строительных блоков. Однако, в Тюмени на заводе ЖБИ-3 можно создать железобетонные блоки только прямоугольной формы, в мире уже существуют технологии создания полукруглых железобетонных элементов.

Мы создали и успешно запустили демонстрационную модель «Строительство высотного здания цилиндрической формы при помощи крана-балки на кольце жесткости».

Наша работа может быть рассмотрена как инновационный способ при строительстве современных высоток.

Список литературы и интернет источников:

https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1387;

https://cyberleninka.ru/article/n/faktory-razvitiya-arhitektury-vysotnyh-zdaniy;

http://www.mirkrasiv.ru/articles/top-10-samyh-vysokih-zdanii-mira.html;

http://mosprogulka.ru/info/samye-vysokie-zdanija-moskvy;

https://plasportal.com/osobennosti-kruglyx-domov-vysokaya-energoeffektivnost/;

https://ria.ru/20110311/344900842.html;

СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»;

http://chrome-effect.ru/;

http://www.jbi-3.ru/;

Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.

Приложение

Рисунок 1.1.1 Высотные здания цилиндрической формы в Мире

Рисунок 1.2.1 Расчет геометрии проекции 1 этажа зданий цилидрической и прямоугольной форм.

Рисунок 1.4.1 Сильнейшее землетрясение в Японии, 2011 год.

Рисунок 1.5.1 Варианты планировки квартир в зданиях цилиндрической формы

Рисунок 1.6.1 Встреча с экспертом из проектного института ОАО «Тюменьгипротрубопровод» Матигоровым Михаилом Владимировичем

Рисунок 1.6.2 Расчеты по ветровой нагрузке

Рисунок 2.1.1 Расположение крана при строительстве высотных зданий

Рисунок 2.2.1 Экскурсия на завод ЖБИ 3

Рисунок 2.3.1 Расположение крана-балки на кольце жесткости сверху на строящемся здании по центру

Рисунок 3.1 Материалы для создания макета цилиндрического здания

Рисунок 3.2 Этапы создания демонстрационной модели: «Строительство высотного здания цилиндрической формы при помощи крана-балки на кольце жесткости»

Рисунок 4.4.3 Защита проекта на региональном этапе конкурса «Робофест-Тюмень 2020»

Рисунок 4.4.4 Защита проекта на Всероссийском чемпионате
FirstRussaRoboticsChempionship

8

Просмотров работы: 13