В монографии автора из ЧССР излагается системный подход к проектированию многоэтажных зданий, исследуется взаимосвязь их объемно-планировочной компоновки и рациональных конструктивных решений. Рассмотрены конструкции основных элементов высотных зданий: каркаса, перекрытия, наружных стен, лестниц и др. Исследована важнейшая проблема проектирования высотных сооружений - обеспечение пространственной жесткости. Рассмотрены новейшие инженерно-технические системы, с подвесными, этажами, тубусные и др. Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

Предисловие к русскому изданию
Введение

1. Общие проблемы строительства высотных зданий
Высотные здания во всем мире и в ЧССР, современное состояние, тенденции развития
Причины возникновения трудностей при строительстве зданий
Основные проблемы строительства несущих конструкций высотных зданий
Достижения в области возведения высотных зданий

2. Проектирование и планирование высотных зданий
Планирование в системе капитального строительства
Проектирование как процесс и творчество
Типы задач в системе проектирования
Этапы проектирования
Проект с точки зрения моделирования процесса
Принятие решений в процессе проектирования
Информация как элемент управления в процессе проектирования

3. Высотное здание, его подсистемы и окружающая среда
Высотное здание как большая и сложная система
Архитектурное сооружение, состоящее из подсистем: функциональное назначение + архитектурное решение + конструктивное решение
Функциональное назначение здания
Архитектура и градостроительство
Конструкции как материальная подсистема строительного сооружения
Внешние факторы надсистемы "строительное сооружение”
Тенденции развития и их влияние на конструктивные решения

4. Несущие конструкции. конструктивно-статическое и материально-технологическое решения
Классификация и разделение на системы конструкций
Конструктивные системы
Статические системы
Несущие конструкции, определяемые конструктивно-статическим и материально-технологическим решениями
Типы конструктивно-статических систем
Материал и технология возведения

5. Критерии, нагрузки, воздействия при проектировании несущих конструкций
Процесс проектирования несущих конструкций
Критерии для проектирования
Общие сведения о нагрузках и влияниях
Нагрузка от собственного веса
Ветровая нагрузка
Температурные воздействия
Усадка и ползучесть бетона
Влияния осадок опор и подработки территории
Сейсмические воздействия

6. Горизонтальные конструкции
Функции и особенности перекрытий высотных зданий
Типы комплексных перекрытий
Конструктивные системы перекрытий
Влияние дополнительных конструкций на несущие конструкции и перекрытия
Влияние технического оборудования на конструкции перекрытия
Плита перекрытия в балочных перекрытиях
Конструкции перекрытия как горизонтальные диски жесткости здания
Второстепенные и главные балки перекрытия
Горизонтальные связи жесткости и ростверки

7. Вертикальные конструкции
Функция, распределение, воздействия
Прямолинейные элементы - колонны и подвески
Плоскостные вертикальные связи

8. Примеры проектирования и возведения
Общие положения из опыта строительства в ЧССР
Здания со стальным каркасом
Здания с внутренним ядром

9. Экономика стальных конструкций
Экономические аспекты при выборе решения
Несущие и дополнительные конструкции
Расход стали на несущие конструкции
Расход стали на дополнительные конструкции

Список литературы

Предисловие к русскому изданию

Монография видного чешского инженера и ученого Ю. Козака посвящена проблемам многоэтажного строительства, многие из которых в отечественных изданиях не освещались. К таким вопросам в первую очередь относятся проектирование как системный процесс и творчество от концепции здания до концепции несущих конструкций; типы задач в системе проектных решений; проект с точки зрения моделирования; окружающая среда подсистемы "строительный объект”; тенденции развития и факторы, влияющие на конструктивное решение; философия и идеология выбора несущих конструкций и ряд других.

В монографии в четком, систематизированном виде приведен обширный материал, обобщающий практику высотного строительства последних лет за рубежом и, прежде всего, в ЧССР. При этом автору удалось охватить широкий круг проблем, связанных со специфическими особенностями проектирования высотный зданий, определить некоторые тенденции развития этого вида строительства.

На страницах книги рассматриваются наиболее распространенные в практике высотного строительства конструктивные системы и элементы зданий, способы и технологии производства работ.

Изложены также вопросы расчета конструкций высотных зданий, начиная от определения расчетных нагрузок, особенности и характер статической работы основных несущих конструкций, принципы проектирования, включая вопросы компоновки объемно-планировочных и конструктивных решений, выбора эффективной формы зданий и рациональных конструктивных схем, описание конструктивных решений отдельных элементов зданий - каркаса, перекрытий, наружных стен и т.п.

В пределах относительно небольшой по объему монографии автор сумел показать многообразие систем высотных зданий. В книге показаны особенности и закономерности работы различных систем, картина распределения усилий в конструкциях, взаимосвязь объемно-планировочных и конструктивных решений, видоизменение конструктивных систем в зависимости от высоты зданий и характера объемно-планировочных решений. При этом автор приводит наиболее современные решения высотных зданий, в том числе принципиально новые, появившиеся в последнее время.

При рассмотрении принципиальных схем несущих конструкций автор подробно анализирует существующие конструктивные системы высотных зданий с позиций надежности, экономичности, технологичности возведения. Вместе с тем, некоторые из выдвигаемых им положений отражают субъективную точку зрения и являются, на наш взгляд спорными. Это относится, в частности, к суждениям о преимуществах достаточно сложных конструктивных систем высотных зданий - с консольными перекрытиями, подвешенными этажами и т.п., которые вряд ли получат распространение в практике отечественного строительства.

Автор прослеживает реализацию принципов индустриализации в различных видах строительства, приемах строительного производства, в методах и технологиях производства работ, справедливо отдавая предпочтение индустриальным решениям конструкций, что отвечает основным направлениям развития строительной техники в нашей стране.

Материал дает возможность архитектору и конструктору подсадить к проектированию здания как единому целому, единой системе с учетом рационального выбора конструкций, эксплуатационных требований, условий противопожарной безопасности, санитарных норм, т.е. учит комплексному подходу к решению проблемы.

Учитывая тенденции развития многоэтажного городского строительства у нас в стране и необходимость всестороннего изучения всех факторов, влияющих на процесс проектирования, философию и идеологию выбора конструктивных схем, тенденции повышения уровня индустриальности строительства многоэтажных зданий. 

их экономической эффективности, предлагаемая монография безусловно поможет широкому кругу специалистов, занятых проектированием и организацией строительного производства, в решении практических задач многоэтажного строительства. Книга явится полезным пособием для студентов, аспирантов и преподавателей строительных и архитектурных вузов.

Книга носит конкретный деловой характер, много места отведено описанию рабочих деталей, что чрезвычайно важно для инженера-конструктора и производственника-строителя; сложные вопросы строительной техники изложены в достаточно простой форме, доступной широкому кругу специалистов.

Изучение передового опыта высотного строительства братской социалистической страны несомненно будет способствовать ускорению развития строительной науки и техники в СССР.

В связи с тем, что отдельные разделы книги носят сугубо национальный характер, отражают часто личную позицию автора по ряду инженерных проблем или о свешают технические решения, не соответствующие основным направлениям развития строительной отрасли в СССР (например, раздел по металлическим каркасам), представляется целесообразным дать некоторые комментарии в части технических решений и тенденций развития многоэтажного строительства в СССР.

Основной особенностью отечественной школы проектирования в области многоэтажных (высотных) зданий в последние годы является применение в качестве конструктивной основы сборных железобетонных конструкций. Выбор этого направления продиктован требованиями экономии стали, снижения трудоемкости и стоимости, которым в наибольшей мере отвечает сборный железобетон.

Примером такого подхода к проектированию многоэтажных каркасных зданий является сборный железобетонный унифицированный каркас, созданный в Москве, на основе которого осуществляется все строительство многоэтажных (высотой до 30 этажей) гражданских и производственных зданий в Москве и ряде других городов страны. Эта система вытесняет другие конструктивные решения и, прежде всего, стальные конструкции каркасов.

Другой особенностью многоэтажного строительства является высокая степень типизации и унификации конструкций, основанная на принципиально новом методе индустриального строительства - системе Единого каталога унифицированных изделий.

Сущность системы каталога состоит в создании определенного научно обоснованного набора унифицированных строительных изделий и деталей, из которых могут собираться здания и сооружения с различными объемно-планировочными решениями разного назначения, этажности и архитектуры.

В основу каталога положены две конструктивные схемы многоэтажных зданий, показавшие себя наиболее рациональными в практике индустриального строительства:

панельные с поперечными несущими стендами для зданий высотой в 9-16-25 этажей, имеющих мелкоячеистую планировочную структуру (жилые дома, общежития, гостиницы и т.п.);
каркасно-панельные для общественных зданий, жилых домов большой этажности и производственных зданий с применением унифицированного сборного железобетонного каркаса.

Внедрение каталога дает возможность по-новому организовать заводское производство, снизить заводскую себестоимость индустриальных изделий за счет увеличения тиражности изготовления однотипных изданий, стабильности их выпуска. Это открывает путь для дальнейшей специализации поточных линий, а следовательно, автоматизации и совершенствования технологии производства строительных изделий, для эффективного использования заводского оборудования.

Панельные конструкции в многоэтажном строительстве применяются в основном для жилых домов, зданий гостиниц и общежитий, где эта конструктивная система является оптимальной.

Основным решением внутренних несущих панельных стен зданий являются плоские железобетонные панели толщиной 140, 160, 180 мм. По своим конструктивным, технологическим и технико-экономическим качествам эти конструктивные формы обладают преимуществами по сравнению с ребристыми, тонкостенными или пустотелыми элементами.

Одним из наиболее серьезных вопросов, во многом определяющих надежность панельных зданий повышенной этажности, является конструкция узла опирания перекрытий на несущие стены. Анализ особенностей работы различных типов узлов, технологических качеств конструкций позволил рекомендовать для применения в многоэтажном строительстве платформенный стык.

Наружные ограждения приняты в двух конструктивных разновидностях - в виде однослойных керамзитобетонных панелей и трехслойных железобетонных с эффективным утеплителем и гибкими связями. Новым является переход в домах высотой более 9 этажей на навесную систему наружных ограждений. Это позволяет не только улучшить условия статической работы наружных стен, но и значительно снизить в них расход стали (на 20-25%), уменьшить стоимость на 10-15% по сравнению с несущими стенами.

Создание Единого каталога унифицированных изделий потребовало провести четкую унификацию основных параметров всего широкого набора зданий с тем, чтобы получить наименьшую номенклатуру новых заводских изделий.

Назначение конструктивно-планировочных параметров жилых и гражданских зданий осуществлено по единой системе модульной координации, базирующейся на принятом во многих странах, в том числе в Советском Союзе, модуле в 30 см. При этом в целях сокращения типоразмеров изделий устанавливается единый модульный ряд с градацией 60 см.

Для каркасных зданий принят следующий модульный ряд - 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 540, 600, 660, 720, 780 и 900 см. Высота этажей 3; 3,3; 3,6; 4,2; 6 м.

При разработке Каталога важнейшее внимание было уделено определению состава и набора возможных объемно-планировочных и конструктивных ситуаций, определяющих ту или иную архитектурную и конструктивно-планировочную структуру дома, а в итоге - содержание и характер номенклатуры изделий. Таких ситуаций в домах большое число - это внутренние и наружные углы, лоджии и балконы в различных модулях, пилястры или выступы стен и т.п.

Рассматривая вопросы унификации параметров и конструкций многоэтажных зданий следует отметить, что предлагаемая система унификации позволила в значительной мере разрешить противоречия между индустриальным способом изготовления конструкции и архитектурным воплощением. (Первый требует максимального единообразия изделий, второму необходимо разнообразие.)

Разработка и внедрение в практику строительства унифицированного каркаса позволило на высоком индустриальном уровне возводить высотные (высотой до 30-35 этажей) гражданские и производственные здания различного назначения на единых конструкциях по единой конструктивной схеме.

Следует подчеркнуть, что по своей идее этот каркас отвечает принципам самой высокой унификации - из ограниченною набора стандартных изделий создается возможность проектировать самые разнообразные по назначению и объемно-планировочным решениям типы зданий.

В основу конструктивного решения каркаса, принятого в Каталоге, заложены следующие принципы.

Статическая схема каркаса принята связевой. Проведенные исследования показали, что при одинаковом объемно-планировочном решении здания каркас связевой системы требует на 20-30% меньше расхода стали, чем рамной, обладая при этом значительно более высокой жесткостью.

Оптимальным решением является пространственная компоновка связей. При невозможности по архитектурно-планировочным соображениям такой компоновки, связевые диафрагмы могут быть выполнены плоскими при обязательном условии проектирования их сквозными на всю ширину здания.

Благодаря высокой жесткости таких систем расстояние между связевыми стенами может быть принято 24-36 м, что обеспечивает необходимую гибкость планировки (особенно ценную в общественных зданиях).

Параметры основных элементов каркаса выбраны следующие: колонны о дно-двух и трехэтажные сечением 40x40 см, ригели каркаса - таврового сечения с нижними полками для опирания настилов; перекрытия из многопустотных предварительно напряженных настилов высотой 22 см.

Колонны выполняются из бетона марки 300, 500, 600. Проблемой является выполнение колонн для нижних этажей, нагрузки на которые в зданиях высотой 25- 30 этажей достигают 15 МН. Перспективным является увеличение несущей способности колонн путем применения стальных сердечников, что позволит при колонне сечением 40x40 см получить расчетную несущую способность до 15 МН (вместо 6-9 МН при обычной железобетонной колонне такого сечения).

Узел сопряжения ригеля с колонной является серьезной проблемой конструирования сборных железобетонных каркасов. В унифицированном каркасе узел решен ”со скрытой консолью”, т.е. консолью, которая не выступает ниже плоскости ригеля, что в наибольшей мере отвечает архитектурным требованиям, предъявляемым к интерьерам общественных зданий. В узле осуществляется частичное защемление ригеля в колонне; это по сравнению с шарнирным опиранием облетает его конструкцию.

Связевая система каркаса исключает необходимость устройства рамных узлов в сопряжении ригелей с колоннами для обеспечения прочности и устойчивости здания в целом в стадии эксплуатации. Поэтому степень защемления ригеля в колонне может варьироваться в любых пределах — от шарнирного до полной заделки и назначена по соображениям экономии материалов в ригеле и колонне, возможного уменьшения объема заводской и монтажной сварки, обоснованной необходимости работы системы как рамной в процессе монтажа, в случае отставания на 3—4 этажа замоноличивания каркаса и образования связевой системы, лучшего конструктивного решения узла соединения ригеля с колонной.

Стены (диафрагмы) жесткости являются одним из наиболее ответственных элементов каркаса. Диафрагмы жесткости представляют собой единую систему, состоящую из колонн и жестко связанных с ними сборных железобетонных стенок. Такая диафрагма жесткости работает на восприятие как вертикальных, так и горизонтальных ветровых нагрузок по схеме консольной составной балки, защемленной в фундаменте.

Наружные ограждения приняты для каркасных зданий в виде навесных керамзитобетонных панелей. Номенклатура наружных панелей открывает широкие возможности для архитектурных решений фасадов. В частности, в ее состав входят элементы лоджий, балконов различной конструкции и конфигурации, эркеров и т.п. Находят применение также стеклянные фасады”, алюминиевые панели и др.

На основании опыта применения сборного железобетонного каркаса был проведен технико-экономический анализ этой конструкции в сопоставлении с традиционными решениями стальных каркасов. Исследования подтвердили, что при строительстве зданий высотой до 30-35 этажей применение сборного железобетонного каркаса является наиболее целесообразным как по показателям стоимости, так и по расходу стали, трудовым затратам и продолжительности строительства. Так, расход стали на сборный железобетонный каркас оказывается более чем в 2 раза меньше при почти одинаковом расходе бетона, трудовые затраты ниже также в 2 раза и более, стоимость - на 15%.

Новые возможности в получении еще большего разнообразия в объемно-планировочных решениях открывает применение сборно-монолитных конструкций в виде сочетания сборного железобетонного каркаса с монолитными ядрами жесткости, выполняемыми в индустриальной скользящей или переставной опалубке.

Этапом в развитии каркасного многоэтажного строительства явилась отработка принципов проектирования крупных уникальных сооружений, в основу которых был положен унифицированный сборный железобетонный каркас для несущей основы здания и панельные индивидуальные наружные ограждения. Этот принцип позволил на высокой индустриальной основе осуществить строительство уникальных сооружений и, одновременно, создавать индивидуальный, присущий только данному сооружению архитектурно-художественный образ.

Предложенный принцип был впервые осуществлен при проектировании и строительстве здания Совета Министров РСФСР на Краснопресненской набережной в Москве. Это уникальное здание высотой 25 этажей выполнено в индустриальных конструкциях в виде унифицированного сборного железобетонного каркаса с монолитными пространственными ядрами жесткости и навесными индивидуальными керамзитобетонными панелями, облицованными в заводских условиях мрамором. Это решение не является отходом от принципа Единого каталога, а, напротив, его развитием.

Распространение этого принципа на строительство подобных сооружений в г. Москве позволило по сравнению с традиционными решениями в виде стального каркаса и кирпичного заполнения наружных стен (так были построены все высотные здания 50-х годов) получить значительную экономию стали, затрат труда, стоимости, поднять на новый качественный и технический уровень высотное строительство.

Ю.А. Дыховичный канд. техн. наук, Заслуженный строитель PCКР