Гибридные конструкции – новый тренд в зарубежном строительстве
Массивные деревянные конструкции нередко называют альтернативой железобетону в XXI веке. Однако вполне возможно, что комбинация этих материалов может принести гораздо больше пользы, чем их конкуренция. Ведь самые передовые идеи часто возникают именно на стыках технологий и отраслей.
Так называемые страны DACH (аббревиатура по буквам почтовых индексов: D - Германия, A - Австрия, CH - Швейцария) - лидеры мирового деревянного строительства. Там разрабатываются, тестируются и распространяются по всему миру новые виды деревянных конструкций, технические и архитектурные решения в деревянном строительстве и, разумеется, технологии изготовления элементов из древесных материалов; пример - перекрестно-клееные панели CLT, повсеместное освоение производства которых совпало с тенденцией строительства высотных деревянных зданий и послужило стимулирующим фактором подобного строительства. Как бы то ни было, всего за один десяток лет объемы применения древесины в строительстве общественных зданий, промышленных объектов и сооружений транспортной инфраструктуры за рубежом многократно возросли. С учетом того, что деревянные конструкции полностью соответствуют современным противопожарным требованиям, сегодня они являются полноценным заменителем конструкций из стали и бетона.
Рис. 2. Интерьер квартиры в доме E3 в Берлине. Нижняя поверхность
панелей бреттштапель образует декоративный потолок. Электропроводка
спрятана внутри перекрытия
Рис. 1. Монтаж массивных деревянных панелей перекрытия при
строительстве здания Е3 в Берлине. По завершении монтажа на панели
строители крепили арматурную сетку, затем заливали бетон. В результате
получалось мощное перекрытие этажа
Одновременно получило развитие и другое направление в строительстве: создание гибридных конструкций (Holz-Hybridbauweise) - то есть конструкций из древесины в сочетании с другими материалами, прежде всего с бетоном. Преимуществом этих конструкций перед массивными деревянными во многих случаях является низкая стоимость, а также улучшенные эксплуатационные характеристики зданий, возводимых из них. Сегодня в Германии, Австрии и Швейцарии есть ряд фирм (таких как германская Brüninghoff или швейцарская ERNE), которые настолько далеко продвинулись в проектировании, изготовлении и возведении гибридных конструкций, что их невозможно отнести к какой-либо определенной отрасли: они являются одновременно плотницкой мастерской, заводом ЖБИ и металлообрабатывающим производством. Но самое главное - они накопили опыт проектирования сооружений и зданий из гибридных конструкций, который позволяет максимально использовать достоинства каждого материала.
Рис. 4. Монтаж деревянно-бетонных элементов перекрытия заводского
изготовления компании Mayr-Melnhof (Австрия)
Рис. 3. Мост, построенный фирмой Schaffitzel Holzindustrie в Нидерландах
Можно выделить две основные разновидности деревянно-гибридного строительства: создание несущих конструкций, в которых деревянная и железобетонная части одного элемента работают как целое; возведение зданий, в которых несущие конструкции выполняются из железобетона, а ограждающие - из древесины и древесных материалов.
Примеров деревянно-гибридных конструкций первого типа уже довольно много в Германии, Австрии и Швейцарии. В самом простом случае это перекрытие из деревянных балок, или массивных панелей CLT, или бреттштапель, на котором прямо на месте строительства отливают монолитную бетонную плиту (то есть деревянная часть играет роль несъемной опалубки). При этом деревянная часть работает в растянутой зоне перекрытия, а бетонная часть - в сжатой, что означает оптимальное использование свойств материалов. Такое перекрытие называют Holz-Beton-Verbunddecke. Для сцепления деревянной и бетонной частей используют специальные перфорированные пластины HBV, другой металлический крепеж, а также специальные врубки на деревянных элементах или профиль на них.
В чем же плюсы гибридизации в этом случае? Повышается несущая способность без увеличения толщины деревянного элемента. При свободном пролете более 6 м экономия от замены деревянного перекрытия гибридным становится весьма значительной, при меньших пролетах деревянные массивные панели могут быть заменены балками, что является важным фактором снижения себестоимости там, где не производятся массивные панели (например, в России). Повышаются уровень шумоизоляции и степень огнестойкости конструкции. Кроме того, перекрытие снизу (потолок нижнего этажа) смотрится декоративно. В деревянной панели можно вырезать отверстия под светильники, датчики и спринклеры системы пожаротушения, а всю проводку и трубы спрятать в бетонной части перекрытия. Таким образом, сокращается объем отделочных работ на объекте. В конечном итоге деревянно-бетонное перекрытие оказывается экономичней и деревянного, и железобетонного, отвечающих таким же требованиям по несущей способности и шумоизоляции, а качество строительства выше.
Рис. 7. Строение деревянно- бетонного элемента ERNE с минераловатным
материалом для изоляции шума. Для соединения деревянной части с
бетонной использованы перфорированные стальные пластины
Именно таким образом устроены перекрытия в знаменитом восьмиэтажном здании E3 в Берлине. На массивные деревянные панели перекрытий, изготовленные по технологии бреттштапель, была прикреплена арматура, а затем залит бетон. Деревянная часть оставлена видимой в интерьере. Высокая несущая способность полученных перекрытий позволила использовать широкие свободные пролеты, благодаря чему в квартирах большие открытые пространства и гибкая планировка, индивидуальная на каждом этаже.
Деревянно-бетонные конструкции весьма перспективны для строительства автомобильных мостов. Здесь в качестве примера можно назвать автомобильный мост, построенный в Нидерландах германской компанией Schaffitzel Holzindustrie. На пролетное строение этого моста длиной 40 м (пролеты длиной 16 и 24 м) израсходовано 112 м3 клееной древесины и 66 м3 бетона. Это гибридная конструкция, в которой клееные деревянные балки (каждая шириной 1400 мм) работают как целое с монолитной железобетонной плитой полотна проезжей части. Балки получены путем склеивания элементов обычного сечения.
Гибридизацию широко практикуют и при ремонте старых зданий с балочными деревянными перекрытиями. За счет усиления перекрытий бетоном удается сохранить старую конструкцию, повысив при этом несущую способность перекрытий, их шумоизолирующую способность и огнестойкость.
Рис. 8. Монтаж фасадных панелей полной заводской готовности при
возведении первого корпуса UBC Brock Commons
По мере распространения деревянно-бетонных перекрытий операции по их изготовлению все больше переносятся на завод; сегодня подобные элементы, поступающие на стройплощадку в виде деревянно-бетонного сэндвича, выпускаются уже в промышленных масштабах. Достаточно сказать, что у одной из ведущих компаний - изготовителей CLT, австрийской Mayr-Melnhof, есть совместное производство со строительной компанией, где на элементы CLT добавляется бетонная часть.
Многие фирмы занимаются изготовлением деревянно-бетонных элементов, основой для которых, помимо панелей CLT, служат панели бреттштапель, Lignotrend, элементы из клееных балок и т. д.
Оригинальное решение для перекрытий предлагает в рамках собственной строительной системы австрийская компания Cree: из железобетона изготавливаются не только верхняя плита, но и главные балки, которыми элемент опирается на клееные деревянные колонны, за счет чего исключается влияние усушки и разбухания древесины на конструкцию здания. Благодаря этому решению по строительной системе компании Cree можно возводить здания до 30 этажей и высотой до 100 м. Пока самое высокое строение Cree - восьмиэтажное здание Life-Cycle Tower в г. Дорбирне (Австрия).
Рис. 9. Разрезы здания Н7 в г. Мюнстер (ФРГ)
Для создания гибридных конструкций можно использовать не только цельную и клееную древесину, но и древесные материалы, прежде всего LSL (Laminated Strand Lumber) - материал нового поколения, сочетающий достоинства балок LVL и плит OSB, он может изготавливаться в виде толстых (до 180 мм), широких и длинных (до 12 м) плит. Гибридное перекрытие из панелей LSL с железобетоном было успешно протестировано в Канаде при возведении корпуса наук о земле Университета Британской Колумбии. Канадский архитектор Майкл Грин в рамках разработанной им строительной системы FFTT предусматривает возможность использования перекрытий из плит LSL толщиной 89 мм с изоляционным материалом и слоем железобетона толщиной 75 мм для пролетов до 12 метров.
Ко второму направлению в гибридном строительстве можно отнести здания и сооружения, в которых одни конструкции выполнены из древесины, остальные - из других материалов. При желании к гибридным можно отнести большую часть высотных зданий из древесины, которым была посвящена публикация в «ЛПИ» № 4, 2015 год, поскольку в их конструкции есть лифтово-лестничное ядро из железобетона. Помимо обеспечения безопасного пути эвакуации при пожаре, эта конструкция в определенной степени усиливает здание, повышает его устойчивость при ветровой нагрузке.
В 18-этажном студенческом общежитии Университета Британской Колумбии (UBC) в Ванкувере два лифтово-лестничных ядра. Основная конструкция этого первого здания из комплекса UBC Brock Commons изготовлена из клееных колонн и панелей CLT. Фасадные панели выполнены на каркасе из тонкостенных стальных профилей (ЛСТК). Высота объекта - 53 м, площадь здания - 14 040 м2. Монтаж всех конструкций был завершен в сентябре текущего года. Окончание всех работ запланировано на 2017 год.
Еще более ярким примером зданий, построенных по технологиям гибридного строительства, является семиэтажное здание H7 в германском г. Мюнстер (Северный Рейн - Вестфалия). В разных частях этого офисного здания общей площадью 4500 м2 есть несущие конструкции из железобетона (колонны и панели перекрытия) из клееной древесины, а также деревянно-бетонные панели перекрытия. Все наружные ограждающие конструкции деревянные.
Рис. 12. Монтаж фасадных панелей здания Aktiv-Stadthaus
Рис. 11. Здание Aktiv-Stadthaus до монтажа фасадных панелей
Другой интересный пример - реализованный во Франкфурте-на-Майне проект Aktiv-Stadthaus. На несущей конструкции этого восьмиэтажного здания из монолитного железобетона смонтированы фасадные деревянные каркасные панели. На панелях южного фасада на заводе были установлены солнечные батареи (фотовольтаики). Такие же батареи имеются на крыше. Вытянутая форма здания (длина 150 м при ширине всего 10 м) способствует максимальному съему солнечной энергии. Толщина деревянных панелей на северном фасаде 33 см, включая изоляцию из целлюлозной ваты и мягкой древесноволокнистой плиты и облицовку из ЦСП. В результате потребление тепла в помещениях на отопление и горячее водоснабжение составляет всего 18 кВт ч/м2, и удовлетворяется эта потребность за счет теплового насоса. Тепловую энергию извне здание не потребляет, а электрическую большей частью получает от солнечных батарей.
Каркасные панели были поставлены предприятием Gumpp & Maier. Их изготовили на обычных плотницких столах.
Общая стоимость проекта составляет 18,5 млн евро. Площадь здания, в котором 74 квартиры, 6750 м2. Строительство было начато в сентябре 2013 года, а завершено в июне 2015 года.
Рис. 13. Здания комплекса Seestadt Aspern D12 в Вене
Еще один интересный пример: комплекс зданий D12 в новом венском микрорайоне Seestadt Aspern. В рамках этого проекта построены шесть зданий высотой до семи этажей, в которых в общей сложности 213 квартир суммарной жилой площадью 14 680 м2. Квартиры предназначены для сдачи внаем как социальное жилье. На первых этажах зданий устроены офисы. Построен также двухэтажный паркинг. Как и в случае с Aktiv-Stadthaus, конструкция зданий представляет собой каркас из железобетонных колонн, перекрытий и внутренних стен, на который смонтированы деревянные панели наружных стен. Из железобетона кроме того выполнены балконы необычной формы, а также галереи, соединяющие здания. У фасадных панелей, суммарная площадь которых 8000 м2, деревянная каркасная конструкция и обшивка из лиственницы. Толщина панелей - 28,5 см, что обеспечивает коэффициент теплопередачи 0,22 Вт/м2 К и индекс изоляции воздушного шума Rw 50 дБ. Строительство комплекса стартовало в сентябре 2013 года, в июле 2015 года все корпуса были сданы.
Итак, гибридные строительные системы представляет собой полноценную альтернативу традиционным, предполагающим использование только деревянных или только бетонных конструкций. Несомненно, они получат развитие, поскольку подобная технология по сравнению с использованием массивных деревянных элементов обеспечивает снижение стоимости строительства, а также позволяет реализовывать более сложные технические и архитектурные решения, чем при использовании железобетонных конструкций.
Рис. 14. Монтаж деревянных панелей наружных стен на железобетонный
каркас здания в Вене
Есть ли перспективы строительства с использованием подобных конструкций в нашей стране? Традиционно деревянные конструкции применяются в России для возведения зданий не выше трех этажей. Однако нормативных ограничений, препятствующих строительству более высоких зданий с применением деревянных элементов, в настоящее время нет. Это подтверждается тем фактом, что компания «Гуд Вуд», изготовитель домов из клееного бруса, смогла построить в текущем году шестиэтажное офисное здание GOOD WOOD Plaza из клееных деревянных конструкций (правда, для этого компании пришлось пройти сложный и дорогостоящий процесс экспертизы и согласования). Необходимо отметить, что на совещании Правительства РФ об инновационном развитии промышленности строительных материалов 14 июня этого года министр промышленности и торговли Денис Мантуров информировал премьер-министра Дмитрия Медведева о том, что норм, ограничивающих применение древесины, в настоящее время нет. Однако он же предложил Председателю Правительства РФ «дать поручение заинтересованным ведомствам и субъектам Федерации внести в программы строительства приоритеты и определенные квоты на деревянное домостроение».1 По результатам совещания премьер дал поручение соответствующим ведомствам разработать до 1 февраля 2017 года комплекс стимулирующих мер.2
Таким образом, ситуация на текущий момент представляется довольно благоприятной для тех, кто хочет использовать в строительстве современные деревянные конструкции. В том числе может получить развитие гибридное строительство. По мнению автора, у технологии, в которой монолитный железобетонный каркас сочетается с деревянными каркасными панелями (как в рассмотренном выше проекте Aktiv-Stadthaus) были бы прекрасные перспективы в строительстве многоквартирных домов в нашей стране. Во-первых, это сочетание было бы довольно легко и быстро воспринято проектировщиками, заказчиками и надзорными органами. Во-вторых, оно было бы экономически эффективным. В России умеют довольно быстро и дешево возводить монолитный железобетонный каркас; при использовании клееных деревянных конструкций строителям будет непросто добиться такой же стоимости. Однако затем этот каркас долго заполняют газобетонными блоками, дополнительно утепляют, облицовывают кирпичом. Получается дорого и совсем не быстро. При долевом строительстве срок не имеет большого значения для застройщика - капитал дольщиков может быть заморожен на любое время. При строительстве же на заемные средства, особенно при текущих банковских процентах, и по госзаказу, т. е. по установленным для региона расценкам, крайне важно возводить здания быстро. И стеновые панели с готовой отделкой для фасада могут оказаться наиболее экономичным решением не только по расходу материалов и затратам труда, но и по срокам строительства, а значит, по стоимости капитала. Плюсом этого решения является также возможность загрузить простаивающие большей частью мощности заводов деревянного каркасно-панельного домостроения, которые в прошлом активно создавались по всей стране. При этом качество строительства значительно повысится за счет заводского изготовления фасадных элементов.
В целом все рассмотренные гибридные деревянные конструкции со временем обязательно получат распространение и в российской строительной практике, что обеспечит дополнительные объемы потребления клееной древесины и массивных и каркасных деревянных панелей.
Артем ЛУКИЧЕВ
