Этапы развития металлических конструкций в России

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Этапы развития металлических конструкций в России

Понятие «металлические конструкции» объединяет в себе их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется потребностями в них народного хозяйства, и возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений, история развития металлических конструкций в нашей стране может быть разделена на пять этапов.

Первый этап (от XII в. до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и соединяли через проушины на штырях.

Второй этап (от начала XVII в. до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой.

Третий этап (от начала XVIII в. до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах.

Четвертый этап (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени и, в частности, в металлургии и металлообработке.

В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным - пудлингованием, а в конце 80-х годов - выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конверторных цехах. В 30-х годах XIX в. появились заклепочные соединения; в 40-х годах был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа.

Во второй половине XIX в. значительное развитие получило металлическое мостостроение в связи с ростом сети железных дорог. На строительстве мостов развивалась конструктивная форма металлических конструкций, совершенствовалась теория компоновки и расчета, технология изготовления и монтажа.

Пятый этап (с конца 20-х годов XX в.) связан с переходом от заклепочных соединений к сварным как более легким, технологичным и экономичным. Развитие металлургии уже в 30-х годах позволило применять в металлических конструкциях в место обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь, что позволило существенно облегчить вес конструкций и создавать сооружения больших размеров. Кроме стали в металлических конструкциях начали использоваться алюминиевые сплавы, плотность которых почти втрое меньше.

2 Актуальность, новизна и перспективность легких металлоконструкций комплектной поставки

Широкое применение легких конструкций – важнейший резерв повышения эффективности промышленного строительства и одно из главных направлений его технического прогресса.

Легкими несущими и ограждающими конструкциями называют такие, у которых суммарная масса в расчете на 1 м2 ограждающей поверхности здания (включая защитные покрытия) не превышает 100-150 кг.

Суммарный результат большого внедрения легких конструкций состоит:

1. в уменьшении массы здания и сооружений производственного значения на 10-15%;
2. в сокращении трудоемкости изготовления конструкций для них в 1,3-1,5 раза;
3. в сокращении стоимости  на 8-10 %;
4. легкие здания и сооружения проектируют с учетом снижения материалоемкости, трудоемкости и сметной стоимости строительства и эксплуатационных расходов, а также экономии энергетических ресурсов;
5. применения эффективных строительных материалов и конструкций;
6. снижения массы несущих и ограждающих конструкций;
7. наиболее полного использования физико-механических свойств материалов, а также прочностных и деформационных характеристик грунтов основания;
8. применения местных строительных материалов преимущественно в виде изготовляемых из них индустриальных конструкций.

Производство легких ограждающих и несущих конструкций имеет своей целью максимально сократить сроки строительства и повысить эффективность капитальных вложений. В настоящее время наметились три основных направления, по которым идет внедрение производственных зданий из легких конструкций.

Первым направлением является использование этих конструкций для зданий крупнейших строек страны. Например, при строительстве Волжского автомобильного завода впервые в покрытиях главного корпуса был применен стальной профилированный настил с эффективным утеплителем. В дальнейшем легкие ограждающие конструкции применили на Камском автомобильном заводе и на ряде других крупных объектов.

Вторым направлением является строительство объектов с легкими конструкциями в районах Севера, Сибири, Дальнего Востока, в зонах пустынь и полупустынь, в высокогорных и других отдаленных и труднодоступных районах, не имеющих развитой базы стройиндустрии.

Третье направление – это применение легких конструкций комплектной поставки при строительстве относительно небольших по площади, но достаточно массовых зданий для предприятий:

1. машиностроения;
2. приборостроения;
3. легкой промышленности;
4. пищевой промышленности;
5. деревообрабатывающей промышленности;
6. предприятия технического обслуживания автотранспорта и сельскохозяйственных машин;
7. складских объектов, а также объектов других отраслей промышленности, где от использования этих конструкций, в основном за счет значительного сокращения сроков строительства, может быть получен наибольший экономический эффект.

Для первых двух направлений внедрения легких конструкций для промышленных зданий система типовой проектной документации, созданная в нашей стране на основе унифицированных параметров зданий и разработанных для них типовых конструкций, не требует существенных изменений. В то же время производство несущих и ограждающих конструкций на специализированных заводах с их комплектной поставкой на строительную площадку позволяет по-новому организовать разработку и уточнить состав проектной документации для строительства части здания.

В условиях налаженного поточного производства конструкций можно ориентироваться на то, что типовые рабочие чертежи должны быть разработаны в окончательной стадии (КМД). Промежуточная стадия рабочих чертежей (КМ), на которой обычно заканчивалась разработка конструкции в проектной организации, может быть исключена, так как уже в процессе проектирования индустриальных конструкций известны технологические особенности линий по их производству.

В качестве исходной единицы при разработке проектной документации для зданий комплектной поставки было выбрано унифицированное здание (секция), содержащее все характерные элементы, которые могут встретиться в том или ином конкретном объекте. Проектная документация для здания (секции) разбита на три группы материалов в зависимости от их назначения.

В первую группу входят материалы для проектирования (МДП). Они содержат справочные данные по конструкциям для разработки проектов конкретных зданий, архитектурно-планировочные решения здания, схемы маркировки конструкций и узлов их сопряжений.

Вторая группа материалов содержит архитектурные (ТДА) и монтажные (ТДМ) детали элементов зданий.

Третья группа материалов содержит чертежи элементов конструкций. Завод-изготовитель, комплектовочная база или иная организация, комплектующая конструкции, имея эту документацию и получая от проектной организации только ведомости отправочных марок, может укомплектовать поставку необходимых конструктивных элементов.

3 Характеристика  видов покрытий промышленных зданий

3.1 Покрытия решетчатой структуры  из труб типа «Кисловодск»

Конструкции могут применяться в I-IV ветровых районах, а также в районах с температурой минус 400С и выше. Высота до низа стропильных конструкций может колебаться в пределах 4,8-8,4 м. В покрытии можно устраивать зенитные фонари. К пространственно-решетчатым конструкциям покрытия допускают подвески кранового оборудования грузоподъемностью до 2 т. При расчетной сейсмичности 8 и 9 баллов высота до низа стропильных конструкций, оборудованных подвесными кранами, составляет 6 - 8,4 м.

Покрытия состоят из секций размером в плане 30х30 или 36х36 м для сетки колонн 18х18 или 24х24 м соответственно. При сейсмичности 8 и 9 баллов применяют только секции размером 30х30 м. Высота обеих секций 2,12 м. Для покрытия характерно наличие консольных участков пролетом 6 м, вследствие чего сетка колонн в здании не регулярная – основные размеры сеток колонн 18х18 и 24х24 м сочетаются с промежуточными ячейками размером 12х12 м, а крайние ряды колонн отстоят от стен по всему периметру здания на 6 м. Таким образом, по периметру расположены только стойки фахверка, шаг которых принят равным 6 м.

Стержневая пространственно-решетчатая конструкция имеет ортогональную сетку верхнего и нижнего поясов с ячейкой 3х3 м. Узлы верхнего и нижнего поясов соединены раскосами. Все стержни одной стержневой системы запроектированы одной номинальной длины. Стержень состоит из горячекатаных или электросварных труб диаметром 76, 102 и 114 или 127 мм с вваренными в торцы шайбами. Толщина труб от 3 до 7 мм. В отверстия шайб пропущены стержни высокопрочных болтов диаметром 22 или 30 мм с навернутыми на них гайками увеличенной до 52-72 мм высоты. В процессе сборки блока покрытия на земле соответствующие стержни соединяются болтами посредством так называемых «коннекторов» - своего рода пространственных фасонок в виде разрезанных пополам или целых многогранников, в которых имеются отверстия с резьбой. При этом гайки играют роль стопорных элементов, которые передают сжимающие усилия от узла к стержню. Для обеспечения работоспособности конструкций необходимо плотное касание узловых элементов (коннекторов) и гаек во всех узлах системы.

Конструкцию узла и стержня см. на рисунке 1.

Рисунок 1 – Узловой (а) и стержневой (б) элементы структурной конструкции

1-труба; 2-муфта из шестигранника; 3-высокопрочный болт; 4-штифт d=4 мм; 5-шайба; 6-коннектор.

Для крепления стального профилированного настила по верхним узлам пространственной решетчатой стержневой системы устанавливают прогоны из швеллеров.

Секция опирается на колонны с помощью капителей, выполненных в виде пирамид, основанием которых служат ячейки нижнего пояса пространственно-решетчатой секции.

3.2 Покрытия решетчатой структуры из труб типа «Берлин»

Конструкции могут применятся в I-IV ветровых районах, а также в районах с температурой минус 400С и выше. Высота до низа стропильных конструкций может колебаться в пределах 4,8-8,4 м – без мостовых кранов, 8,4-10,8 м. – с мостовыми кранами. В покрытии можно устраивать зенитные фонари.

Покрытия состоят из секций размером в плане 24х12 или 18х12 м для сетки колонн 24 м или 18 м соответственно. Высота обеих секций 1,8 м.

Стержневая пространственно-решетчатая конструкция имеет ортогональную сетку верхнего и нижнего поясов с ячейкой 3х3 м. Узлы верхнего и нижнего поясов соединены раскосами. Все стержни одной стержневой системы запроектированы одной номинальной длины.

Рисунок 2 – Узловой (а) элементы структурной конструкции типа “Берлин”

1. прогон из гнутого швеллера
2. гайка М20 низкая индивидуального изготовления высотой 9мм под ключ 32 мм
3. крышка
4. элемент верхнего пояса
5. гайка М20 низкая индивидуального изготовления высотой 9мм под ключ 32 мм
6. шпилька М20
7. шайбы индивидуального изготовления толщиной 4мм, наружным диаметром 39 мм с отв. D=21 мм

Для крепления стального профилированного настила по верхним узлам пространственной решетчатой стержневой системы устанавливают прогоны из швеллеров.

Секция опирается на колонны верхним поясом.

3.3 Структурное покрытие из прокатных  профилей типа «ЦНИИСК»

Конструкции покрытия со структурами из прокатных профилей одобрены Госстроем для применения, разработаны для отапливаемых одноэтажных производственных зданий, возводимых в I-IV ветровых и I-IV снеговых районах, в районах с расчётной температурой наружного воздуха -400С и выше, а также при расчётной сейсмичности 9 баллов и ниже.

Конструкции разработаны для одно- или многопролётных зданий с пролётами 18 и24 м при аге колонн по крайним и средним рядам 12 м. Опирание стоек торцевого и продольного фахверка на конструкции покрытия предусматривается в уровне верхнего пояса, структуры с шагом 6м.

Покрытие каждого пролета – двускатное с уклоном кровли 1,5%. В зданиях не допускается перепад высот и устройство светоаэрационных П-образных фонарей. Высота здания до низа конструкции покрытия может колебаться в пределах 5,2 - 11,2 м.

Покрытия со структурными конструкциями из прокатных профилей можно устраивать в бескрановых зданиях и в зданиях с мостовыми кранами легкого и среднего режимов работы грузоподъёмностью 10 и 20 т, а также в зданиях с подвесными двухопорными кранами (пролётом крана 15 м) грузоподъёмностью 2 т (один кран в пролёте, два крана на колее) и 3,2 т (один кран в пролёте, один – на колее) при пролёте здания 18 м.

Рисунок 3 – Структурное покрытие типа «ЦНИИСК»

3.4 Покрытие по металлическим фермам

В качестве основных стальных несущих конструкций покрытия чаще всего применяют прокатные или составные балки и фермы.

Стальные фермы могут быть различной формы и очертания, выбор типа ферм зависит от назначения и объемно-планировочного решения промышленного здания. В практике строительства применяются фермы с параллельными поясами, полигональные, треугольные, с параллельными поясами с затяжкой, параболические и др.

Фермы с параллельными поясами применяют для зданий с плоским покрытием, а также для устройства подстропильных конструкций. Их пролет может достигать 60 м и более. Полигональные фермы рекомендуются для покрытий с рулонной кровлей при пролетах до 36 м. Треугольные фермы дают возможность осуществить покрытия с крутыми кровлями с применением листовых материалов, вследствие чего высота ферм в середине пролета достигает значительных размеров, а это ограничивает их пролеты величиной 36 – 48 м.

При 12-метровом шаге колонн стропильные конструкции покрытия могут быть расположены как с шагом 12 м, так и с шагом 6 м; в последнем случае в состав каркаса вводят подстропильные конструкции. Первая схема характерна для зданий с мостовыми кранами, вторая - для зданий с подвесным транспортом или подвесным потолком.

3.5 Покрытия из металлических  ферм типа «Молодечно»

Конструкции разработаны для применения в отапливаемых одноэтажных производственных зданиях, возводимых в I-VI снеговых и ветровых районах при шаге ферм 4 м и  I-III и I-IV соответственно при шаге 6 м, для расчетных температур -400С и выше, при расчетной сейсмичности до 9 баллов.

Конструкции покрытий могут применяться при следующих схемах и параметрах здания:

• пролеты зданий 18, 24 и 30 м;
• здания однопролетные и многопролетные без перепадов и с перепадами высот (в сейсмических районах здания с перепадами высот не рекомендуется);
• здания бесфонарные, с зенитными фонарями и с треугольными светоаэрационными фонарями;
• шаг стропильных ферм 4 м;
• шаг колонн по средним рядам 12 м, по крайним 6 и 12 м, в отдельных случаях возможно применение шага 6 м и по средним рядам;
• шаг стоек фахверка – 6 и 12 м;
• колонны железобетонные и стальные;
• стены зданий из панелей типа «Сэндвич» или из керамзитобетонных панелей;
• высота зданий до низа ферм не более 18 м;
• здания бескрановые и с мостовыми кранами легкого, среднего и тяжелого режима работы грузоподъемностью до 50 т, а также с подвесными кранами грузоподъемностью до 5 т;
• водосток с покрытий внутренний.

Конструкции покрытии допускают устанавливать на них крышных вентиляторов, вентиляционных шахт и дефлекторов, подвеску трубопроводов и других коммуникаций.

Монтаж конструкций покрытия предусмотрен поэлементный, крупноблочный, а также с применением конвейерного способа сборки и блочного монтажа.

4 Стадии и этапы проектирования промышленных зданий

Автоматизация архитектурно-строительного проектирования возможна при наличии однозначного описания последовательности и содержания отдельных проектных процедур и проектных операций. При этом определяются основные понятия процесса проектирования, цели, исходные данные и результаты всех этапов, составляющих этот процесс, а также их взаимодействие. С этой точки зрения проектно-строительное проектирование - это процесс разработки комплексной технической документации (проекта), которая включает технико-экономические обоснования, расчеты, чертежи, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для строительства зданий и сооружений.

Архитектурно-строительное проектирование может осуществляться в одну или две стадии.

При одностадийном проектировании разрабатывается рабочий проект со сводным сметным расчетом стоимости. Предусматривается такое проектирование для технически несложных объектов или для тех предприятий, которые проектируются по типовым или повторно применяемым проектам.

При двух стадийном проектировании на первой стадии разрабатывается проект со сводным расчетом стоимости, а на второй стадии - рабочая документация со сметами. Проектирование в две стадии предусматривается для крупных и сложных объектов.

Независимо от количества стадий проектирования можно выделить следующие основные этапы:

1. анализ проектной ситуации;
2. формирование проектного решения;
3. детальная разработка проекта;
4. сметно-экономические расчеты.

Первый этап - анализ проектной ситуации включает изучение исходных условий проектирования: социальных, экономических и технических требований, которые определяются типом объекта проектирования, градостроительного и природного окружения, природно-климатических условий, топографических и гидрогеологических условий участка; проектных решений объектов-аналогов, конструктивных требований, определяющих возможный набор вариантов конструктивных решений.

Технические требования для промышленных предприятий:

• программа выпуска изделий;
• мощность предприятия;
• район строительства;
• возможности снабжения электроэнергией, материалами и т.п.

Природно-климатические условия:

• температурно-влажностный режим;
• инсоляция;
• ветровой режим.

Градостроительное и природное окружение:

• местоположение и размеры участка;
• условия зрительного восприятия объемов и пространств;
• функциональная структура городской среды;
• взаимоувязка процесса строительства с решениями, принятыми на генплане и др.

Топографические и гидрогеологические условия:

• рельеф местности;
• типы грунтов, их влажность;
• наличие грунтовых вод и т.п.

Конструктивные требования - конструктивные решения:

• фундаментов;
• стен;
• перекрытий, покрытий;
• крановых конструкций;
• крыш, кровли;
• перегородок и т.д.

Результатом изучения перечисленных данных является задание на проектирование, содержащее основные характеристики будущего объекта и служащее основой для формирования проектного решения.

Второй этап - формирование проектного решения предусматривает:

• поиск основной композиции объекта;
• разработку и выбор вариантов пространственного размещения отдельных элементов и их взаимоувязка.
• определение основных конструктивных схем зданий,
• разработку архитектурно - планировочных решений;
• определение параметров технологического оборудования и инженерных коммуникаций.

Результат этого этапа - варианты объекта, которые затем оцениваются, производится выбор одного из них и выполняется его детальная разработка.

Третий этап - детальная разработка проектных решений - предусматривает:

• выбор материала конструктивных элементов;
• предварительное определение геометрических характеристик этих элементов (по типовым проектам и каталогам);
• проверка принятых характеристик (расчет) и выбор оптимального варианта.

Четвертый этап - сметно-экономические расчеты - заключительный этап разработки проекта. Эта часть включает сметы на строительство и технико-экономические показатели по объекту. Таким образом, проект промышленного здания включает:

• разработку задания на проектирование;
• предварительные технико-экономические расчеты:
• технологическую часть;
• архитектурно - строительную часть;
• генплан и транспорт;
• отопление и вентиляцию;
• водопровод и канализацию;
• горячее водоснабжение;
• теплое водоснабжение;
• холодоснабжение;
• энергоснабжение;
• контрольно-измерительные приборы и автоматику;
• связь и сигнализацию;
• сметы и экономические расчеты.

Таким образом, объёмно-планировочные решения промышленных зданий должны соответствовать следующим основным требованиям:

1. наилучшим образом способствовать организации данного производства;
2. обеспечивать необходимые санитарно-гигиенические условия для работающих в них людей, а так же противопожарные требования;
3. способствовать экономичности строительства (что достигается индустриальными методами изготовления конструкций, доставки на стройплощадку и сборки (монтажа);
4. быть максимально простыми по компоновке (иметь минимальный набор типоразмеров и видов конструкций);
5. предусматривать в процессе эксплуатации возможность изменения технологической схемы производства (а значит и изменение расположения  и размеров оборудования, внутреннего транспорта и пр.);
6. предусматривать в процессе эксплуатации возможность изменения (в основном увеличение) размеров внутреннего пространства здания;
7. обеспечить требования эстетичности, гармоничности размеров и местоположения здания во всём архитектурном комплексе зданий и промышленных сооружений предприятия.

5 Этапы проектирования промышленного здания в курсовом проекте

Проектный процесс при разработке курсового проекта включает  в себя следующие этапы:

1. разработка задания на проектирование;
2. разработка технологической части;
3. разработка архитектурно- строительной части.

Выполнение курсового проекта "Промышленное здание" по курсу "Архитектура Гражданских и Промышленных Зданий и Сооружений" можно разбить на этапы.

Первый этап - подготовка исходных данных для разработки проекта, в которые входят конструктивные и планировочные требования.

Конструктивные требования:

• данные об участке строительства (рельеф участка строительства, грунты на площадке);
• фундаменты здания;
• стены здания;
• внутренние опоры;
• наличие кранового оборудования и его параметры;
• покрытие кровли;
• материал кровли.

Планировочные требования:

• исходные данные по цеху;
• укрупненная технологическая схема;
• краткая характеристика технологии;
• состав и размеры помещений;
• количество рабочих;
• особенности производственного процесса;
• исходные данные по генплану;
• состав предприятия;
• структура предприятия.

Второй этап - подготовка составляющих частей проекта. К составляющим частям проекта относится графическая часть, пояснительная записка, литература.

Объем графической части проекта - 8 листов формата А2:

1. Генплан промышленного предприятия с вертикальной  планировкой М 1-2000, 1:1000;
2. План производственного корпуса М 1:400, 1:200;
3. Разрезы производственного корпуса (в целом или в виде фрагментов) М 1:100, 1:200;
4. План покрытия производственного корпуса М 1:400, 1:200;
5. План кровли М 1.400;
6. Фасад производственного корпуса (отдельно или вместе с административно-бытовым зданием) М 1:200, 1.100;
7. Конструктивные детали и узлы (3 штуки или 1 детальный разрез по наружной стене производственного корпуса) М 1:10, 1:20, 1:50.

В пояснительной записке должна содержаться характеристика объемно-планировочного и архитектурно - конструктивного решения производственного корпуса.

В разделе список использованных источников указывается литература, используемая при выполнении курсового проекта.

6 САПР для проектирования промышленных зданий в рамках профессиональных систем

На сегодняшний день существует множество  профессиональных систем ориентированных на архитектурно-строительное проектирование, такие как AutoCAD Architecture ранее известный как AutoCAD Architectural Desktop, ArchiCAD, Arcon, Allplan. Во всех этих системах есть возможность построения различных конструктивных элементов здания.

6.1 AutoCAD Architecture 2011

AutoCAD Architecture 2011 — это AutoCAD для проектирования зданий и сооружений, объектов промышленного и гражданского строительства. Обладает инструментами для построения трехмерных моделей и получения всей необходимой рабочей документации. Специализированные функции для архитектурного проектирования, а также привычная рабочая среда делают выпуск проектов более эффективным.

При создании модели здания используются архитектурные объекты — стены, двери и окна, которые ведут себя на экране подобно своим реальным прототипам. Программа позволяет автоматически вставлять и размещать двери и окна, управляя их расположением с максимальной точностью. При перемещении стены автоматически обновляются все примыкания. При этом используются знакомые команды AutoCAD, например, «Сопряжение» и «Фаска». Кроме того, архитектурные объекты распознают взаимные пересечения (например, стена и колонна), позволяя вовремя обнаруживать проектные ошибки.

Двумерные разрезы и фасады генерируются непосредственно из проработанных планов. При изменении проекта разрезы и фасады полностью обновляются. Соответствующие изменения затрагивают слои, цвета, типы линий и прочие свойства.

В AutoCAD Architecture реализованы возможности по созданию стилей спецификаций согласно стандартам предприятия. В спецификации можно заносить результаты расчетов, проведенных с моделью. Данные из спецификаций динамически связаны с объектами чертежей. Возможна настройка ручного или автоматического обновления спецификаций при изменении элементов конструкции.