Необычные квартиры домов «Лотос» – альтернатива панельному домостроению. Часть 1. Архитектура

Посвящается моему дяде, одному из основоположников крупнопанельного домостроения в СССР, Лауреату Ленинской премии, кандидату технических наук Мкртумяну Армену Карапетовичу и моему отцу, Заслуженному деятелю наук Армянской ССР, доктору экономических наук Зурабяну Саркису Шарбатовичу.

Введение. Этапы развития промышленности индустриального домостроения.

Во многих странах жилищная проблема пока ещё не решена. Несмотря на то, что масштабы крупнопанельного, каркасного и объёмно-блочного строительства значительны, нужные ещё долгие годы для обеспечения каждой семьи комфортным жильём. Если стоимость земли в составе затрат массового строительства многоэтажных многоквартирных жилых домов минимальна или земля предоставляется бесплатно, то стоимость конструкции зданий может быть определяющей, особенно в сейсмических районах.

Все попытки снижения себестоимости известных наиболее экономичных сборных методов строительства, таких как многоэтажное крупнопанельное строительство, обычно сводились к совершенствованию отдельных элементов конструкций, к применению более дешёвых материалов. Эффект от новых проектных решений в лучшем случае проводит к небольшому снижению стоимости. Традиционным путём существенного экономического эффекта достичь практически невозможно. Комфортное капитальное жилье остаётся дорогостоящим предметом первой необходимости.

Надо учитывать, что во многих странах на одного жителя приходится менее двадцати пяти квадратных метров жилой площади, тогда как в западной Европе и США это порядка сорока пяти – шестидесяти пяти квадратных метров на одного жителя. Таким образом, жилой фонд для достижения приемлемого уровня должен быть удвоен и даже утроен. При этом, учитывая климатические особенности многих стран или недостаточное количество участков для строительства, отказаться от многоэтажного строительства вряд ли удастся. А если это так то, наоборот многоэтажное строительство переходит в высотное. Такая тенденция наблюдается в последнее время во многих странах.

Стоимость конструкций в наиболее не дорогих многоэтажных домах, таких как дома из крупных железобетонных панелей изготовляемых на заводах, в основном определяется расходом бетона на квадратный метр продаваемой площади квартир. В многоэтажных домах небольшой этажности толщина стен и перекрытий зависит от требований звукоизоляции и пожарной безопасности. С повышением этажности на толщину стен уже влияет их несущая способность, поэтому на нижних этажах стены или утолщают, или применяют более высокие марки бетона.

Плоская, относительно тонкая, стеновая панель под высокой нагрузкой рассчитывается с учётом её гибкости и этот фактор во многом определяет повышенный расход железобетона или цемента по сравнению с малоэтажным строительством. Обычно основными несущими стенами являются поперечные и продольные внутренние стены, а наружные стены выполняются навесными. При высотном строительстве, т.е. более двадцати пяти этажей, с большими горизонтальными нагрузками несущей способности поперечных и продольных стен часто не хватает и в работу включают наружные несущие стены. Это практикуется особенно в монолитном домостроении и при строительстве высотных сборных крупнопанельных домов.

Снижение стоимости строительства – важный фактор, поскольку не всем доступно жильё в существующих городах и особенно в их центральных районах. Даже при развитом крупнопанельном домостроении, далеко не все семьи имеют возможность приобретать квартиры, а многие дома, особенно бизнес класса такую задачу и не ставят, поскольку они строятся для обеспеченной части населения. Из- за дороговизны часто приобретаются квартиры заведомо с недостаточной для семьи площадью в надежде в последствии улучшить жилищные условия.

Значительное снижение стоимости строительства становится осуществимым, если пересмотреть концепцию многоэтажного массового крупнопанельного или объёмно-блочного домостроения реализованную в предлагаемых необычных домах «Лотос» (Патенты РФ). В первой части книги изложены архитектурные принципы компоновки домов «Лотос». Цель книги показать, что наше представление о массовых квартирах как конструкций в декартовых координатах с прямоугольными комнатами не единственное и не самое экономичное решение.

Пути снижения стоимости строительства многоэтажных домов.

Крупнопанельное домостроение признано и по факту является одним из наиболее экономичных методов массового многоэтажного домостроения. Его развитие во многих странах мира основывалось на технологии заводского кассетного производства в сочетании со стендами или с двух и многоярусными горизонтальными станами для производства трёхслойных наружных стен.

Ранее, на первых этапах развития индустриального домостроения, предпринимались попытки минимизировать расход материала и затраты, создавая дома из тонкостенных ребристых панелей на специальных станах для строительства многоквартирных домов небольшой этажности. Одной из причин ухода с арены домостроения экономичных тонкостенных и даже ребристых тонкостенных стен является их низкая устойчивость под воздействием вертикальных нагрузок и, как следствие, ограничения по высотности строительства. Кассетное производство и горизонтальное формование плоских панелей практически обеспечивало и обеспечивает возможность возведения домов повышенной этажности, высотных и вытеснило другие виды индустриального домостроения, где стены и перекрытия выполнялись тонкими, ребристыми.

Делая как бы шаг вперёд, получило развитие объёмно-блочное домостроение (ОБД), основанное на производстве сборных элементов в виде блок-комнат с попыткой выполнять отделку помещений в заводских условиях. Чаще всего оно все же не могло полностью конкурировать с крупнопанельным домостроением, поскольку необходима перевозка крупногабаритных грузов и необходимы большие площади на заводах по производству объёмных блоков. Всё же на основе объёмно-блочной системы были построены домостроительные комбинаты и в разных странах возводятся многоэтажные жилые здания. Организовать полную отделку комнат на заводе практически не удалось, так как отделка требовала защиты.

Как показала практика эксплуатации многих заводов ОБД, такой метод имеет и конструктивные недостатки. Более тонкие несущие стены объёмных блоков ограничивают их этажность, увеличение толщины стен приводит к увеличению веса сборного элемента к повышению расхода бетона и экономический эффект от меньшей материалоёмкости нивелируется. Не всегда принимались правильные технические решения, возможности метода не были полностью реализованы. Вес элементов достигает двадцати тонн, что требует для монтажа кранов большой грузоподъёмности. Выигрывая на скорости монтажа, несколько сокращая расход бетона, метод требует больших капиталовложений.

Строительство зданий из призматических объёмных элементов вносит некоторые противоречия в конструктивную структуру многоэтажного здания. Так, отдельные вертикальные столбы из объёмных блоков чаще всего соединяются в основном гибкими связями и конструкция здания лишается монолитности. Двойные тонкие стены между комнатами и квартирами, хотя и приводят к экономии бетона, но снижают трещиностойкость конструкции.

Тонкие гибкие стены объёмных элементов пригодны для строительства домов до двенадцати этажей и не позволяли повысить этажность. При строительстве семнадцатиэтажных домов минимальная толщина стены уже не менее ста миллиметров, а у двух смежных блоков это двести миллиметров, что больше толщины стен крупнопанельных зданий, где она может быть равна сто шестидесяти миллиметрам при применении высоких марок бетона даже для двадцати пятиэтажных домов. С точки зрения планировочных решений и типов фасадов, дома из них не отличались от крупнопанельных и в экономичных вариантах их конструктивное отличие внешне не выявлялось.

Надо иметь в виду, что широкое развитие альтернативного крупнопанельному и объёмно-блочному домостроению строительство многоэтажных зданий с применением монолитных или сборных железобетонных каркасов все же направлено на строительство не массовых индивидуальных более дорогих жилых домов, которые решают локальные задачи расселения, а панельное и объёмно – блочное домостроение являются более экономичными. Преодолеть конструктивные недостатки, сделать объёмно-блочное более эффективным и придать импульс панельному домостроению можно необычным путём, которому посвящена эта книга.

Значительно снизить расход бетона и стоимость строительства можно путём применения криволинейных стен в трёх лучевой системе координат. Если оптимальной структурой в декартовой системе координат является коробчатая структура, то в трёх лучевой с криволинейными несущими стенами – трилистник, т.е. существует конструктивная структура отличная от коробчатой. Сравнивая расход бетона на квадратный метр продаваемой площади, трилистник в трёхлучевой системе позволяет существенно его снизить. Процент снижения расхода железобетона зависит от множества факторов, но почти всегда он значителен.

Рис. 2.1 Оптимальная конструктивная структура многоэтажных зданиях в декартовой и в трёх лучевой системе координат.

Многоэтажные здания в трёхлучевой системе координат. Дома «Лотос».

В трёх лучевой системе координат наиболее простой и экономичной формой многоэтажного здания является уже не коробчатая структура, присущая панельному домостроению, а трилистник с криволинейными стенами и с тремя ветвями в плане, считающийся, как с конструктивной, так и с градостроительной точки зрения, одной из оптимальных структур и обеспечивающей инсоляцию помещений. В трилистнике повышается площадь секции, на один лестнично-лифтовый узел при стандартном решении приходится не четыре, а шесть и более квартир. Развитая в плане форма трилистника повышает несущую способность здания при воздействии горизонтальных ветровых и сейсмических нагрузках.

Трилистник домов «Лотос» в плане имеет свою особенность. Он состоит из трёх ветвей образованных несущими криволинейными стеновыми элементами, каждая из которых имеет центральное несущее ядро и, объединяющим лестнично-лифтовым узлом. При этом меняется устоявшееся представление о домах и квартирах панельного и объёмно-блочного домостроения, что может быть оправдано конструктивными преимуществами и особенностями таких домов, позволяющими резко снизить расход материалов и себестоимость строительства.

Отказ от плоских поперечных и продольных стен и применение при воздействии вертикальных нагрузок более устойчивых и экономичных криволинейных стен с наиболее простой круглой формой в плане создаёт новую конструктивную структуру здания. Основным сборным элементом при этом является изогнутая по кругу в плане стеновая панель или цилиндрический объёмный пространственный элемент. Такая панель или объёмный блок, могут быть расположены по кругу по внешнему контуру каждой их трёх ветвей здания и в виде круглого ядра в центре каждой из ветвей. Сами ветви объединены жёстким лестнично-лифтовым узлом в основном состоящим из таких же криволинейных элементов.

Рис. 3.1 Пример плана типового этажа жилого дома «Лотос».

Естественно, что конструкция с криволинейными стенами по контуру создаёт иной тип перекрытий в виде основной круглой плиты, которая уже может быть выполнена в виде высокоэкономичной переменной по толщине вспарушенной плиты с контурным ребром, работающей с распором. Толщина таких плит определяется только условиями звукоизоляции, поскольку несущая арматура расположена по её контуру и может быть предварительно напряжённой. Расход арматурной стали при этом минимальный, что снижает стоимость квадратного метр площади плиты.

В этой системе несущая наружная изогнутая в плане стена каждой из ветвей как бы плавно переходит во внутреннюю несущую, заменяя собой наружные и поперечные стены крупнопанельного здания. В крупнопанельном домостроении железобетонные наружные стены чаще всего выполняют только ограждающие функции, а это примерно двадцать процентов расхода бетона на квадратный метр общей площади. По сути дела, у каждой из трёх ветвей здания «Лотос» наружные стены становятся несущими в виде как – бы наружной несущей трубы с криволинейным контуром, что позволяет уменьшить количество внутренних стен и резко снизить расход железобетона. Несущие криволинейные стены обладают повышенной устойчивостью при воздействии вертикальных нагрузок и, следовательно, могут быть выполнены с меньшим расходом железобетона. Внутри внешней трубы ветви здания располагается внутреннее несущее ядро. В лестнично-лифтовым узле также применены криволинейные элементы стен, но могут быть использованы и плоские стены и типовые шахты лифтов.

Выполнив наружные стены и стены центральных ядер ветвей здания несущими, получаем экономический эффект в виде снижения расхода бетона. Между внутренним ядром ветвей и их круглыми плитами перекрытия расположены плоские трапецеидальные в плане элементы перекрытий, создающие глубину ветвей здания.

В более сложных случаях с повышением этажности, если не хватает несущей способности криволинейных стен, в конструкцию каждой ветви могут добавляться радиальные несущие стены. При необходимости, для высотных и сейсмостойких зданий, по внешнему периметру между криволинейными несущими стенами легко может быть выполнен монолитный железобетонный каркас, поскольку он не требует опалубки. Если в радиальных несущих стенах по расчёту нет необходимости, они могут быть заменены лёгкими перегородками.

По сравнению с крупнопанельным домостроением, где теперь уже достигнута возможность строить двадцати пятиэтажные здания, дома «Лотос» позволяют ещё больше повысить этажность сборных конструкций зданий до тридцати-сорока, а с монолитным каркасом и более этажей с минимальным расходом бетона. Этот факт вносит некоторые коррективы и при оценке эффективности с учётом стоимости земли. Строительство высотных зданий уменьшает затраты на землю. Ещё один фактор, влияющий на повышение эффективности при учёте стоимости земельного участка, – это большая площадь секции на этаже и большая ширина секции домов «Лотос» по сравнению с типовыми крупнопанельными секциями, что во многих случаях даёт возможность на участке разместить здание большей площади.

Наружные стены домов «Лотос» могут быть выполнены в панельном и объёмно-блочном исполнении, но все они имеют основу в виде несущих железобетонных криволинейных стен. Теплотехнические характеристики здания могут изменяться в зависимости от климатического региона строительства, поскольку внешние утепляющие стены независимы от несущих конструкций. Применим любой тип фасада – вентилируемый, «мокрый» с фактурным слоем по утеплителю, просто трёхслойный с бетонным фасадным слоем. Для домов «Лотос» предложен инновационный фасад из металлического рулонного оцинкованного листа с декоративной окраской, учитывающий особенность криволинейных стен. Периметр наружных стен может быть сокращён за счёт применения утепляющих доборных элементов установленных между криволинейными стенами ветвей. Образуется как – бы термос и, несмотря на сложный план, периметр наружных стен с доборными элементами оказывается меньшим, чем у типовых секций крупнопанельных зданий. Совокупность всех этих факторов приводит к существенному снижению расхода материалов и не считаться с возможностями такой экономии трудно.

Таким образом, конструкция здания «Лотос» в самом простом случае представляет собой объединённые между собой лестнично-лифтовым узлом три ветви, состоящие из внешнего жёсткого контура из утеплённых с внешней стороны несущих наружных стен и внутреннего круглого в плане несущего ядра. Внешний контур состоит из сопряжённых, друг с другом изогнутых по кругу в плане стен с доборными утепляющими элементами.

При применении криволинейных стен и трёх лучевой структуры плана здания возникают необычные квартиры с наружными стенами цилиндрической формы и с радиальными плоскими стенами. Это может быть оправдано только если достигается такая экономия конструктивного материала, когда из того же бетона можно создать по сравнению с крупнопанельным домостроением существенно большие площади. Естественно, это меняет представление о комнатах и квартирах в целом, но значительный прирост площади должен стимулировать потребителя при выборе жилья. Альтернатива такова, что потребитель выбирает при одинаковых затратах, например, однокомнатную квартиру в крупнопанельном здании или двухкомнатную в домах «Лотос».

При трёх лучевой системе с криволинейными стенами расход железобетона может быть снижен на двадцать и более процентов по сравнению с отработанными сериями панельных домов, где он равен семи десятым и более кубических метров бетона на квадратный метр общей (продаваемой) площади, т.е. это практически дополнительная комната в квартире. Экономия бетона может быть ещё более значительная, если применять вентилируемый фасад, а не трёхслойные наружные стены. Существуют и другие пути снижения расхода бетона. Это отказ от устройства чердака и подвала, применение вместо фундаментной плиты свайного фундамента. Но эти приёмы применимы и в крупнопанельном домостроении. При различной этажности, при различном решении фасадов и выборе различных вариантов конструкции домов «Лотос» экономия по сравнению с крупнопанельным строительством будет различная, но почти всегда существенная.

Таблица расхода бетона на один квадратный метр продаваемой площади для различных типов домов

.

По сравнению с не типовыми жилыми домами, например, с монолитным каркасом, где расход бетона ещё ниже, но большой объем возведения стен из мелкоштучного материала, снижение стоимости может быть ещё более значительным, так как все каркасные дома дороже крупнопанельных. При массовом строительстве домов «Лотос» эта экономия – эшелоны цемента, крупного и мелкого заполнителя, арматурной стали. На двадцать и более процентов уменьшается количество карьеров, способствуя охране окружающей среды.

   Наиболее эффективным методом строительства домов «Лотос» является применение объёмных блоков. Одним из ограничений при этом является необходимость транспортировки крупногабаритных элементов. В связи с этим рассматривается три схемы такого производства. Первая, когда транспортировка блоков не является препятствием, создание мини или полноценного завода для выпуска объёмных блоков. Вторая схема – членение заводских сборных объёмных элементов на стены и перекрытия. Третья – это производство основных блоков непосредственно на стройплощадке с доставкой комплектующих с производственной базы, что соответствует известной тенденции переноса мини домостроительного комбината на стройплощадку. Вторая схема осуществима практически везде.

Технологическая оснастка для сборных криволинейных элементов отличается минимальной металлоёмкостью и требует расхода металла меньшего, чем для крупнопанельного домостроения при той же производительности. Меньшая металлоёмкость оборудования (примерно в 2-3 раза) обеспечивается кривизной и, в следствии этого, пространственной жёсткостью и отсутствием необходимости обеспечить жёсткие допуски по отклонениям от плоскости форм. По сравнению с крупнопанельным строительством, ускоряется монтаж, поскольку все основные монтажные элементы устойчивы и не требуют монтажных креплений.

В каждой ветви секции домов «Лотос» может быть расположено несколько квартир, в основном две. Квартиры в таких домах образуются путём расположения комнат вокруг санузла. Размеры комнат регулируются перемещением перегородок коридоров. Во многом это жёсткая схема, но и в панельных домах, при фиксированном шаге внутренних стен, так же ограничены варианты деления. Гостиные квартир домов «Лотос» могут быть увеличены объединением стандартной комнаты с кухней или двух смежных комнат. Не составляет труда объединить две квартиры в ветвях трилистника между собой. Со стороны фасада между блоками образуются полости, которые при строительстве высотных зданий и в сейсмических зонах полностью или частично замоноличиваются и образуют каркас, а не в столь высоких домах служат как бы термосом здания и могут использоваться как внутренние шкафы для хранения.

Необычная форма квартир имеет и преимущества. Вся не освещённая зона квартир сжата и имеет относительно небольшие площади, а основная площадь находится в более освещённой зоне и выходит не на одну плоскость фасада, а на криволинейный контур.

Отход от прямоугольной системы, казалось бы, не позволяет делить площади на новые помещения, но и в панельных домах это деление происходит крайне редко. Чаще при необходимости деления меняют квартиры на большие.

Не прямоугольные площади комнат для расстановки мебели непривычны, но у наружных стен мебель редко устанавливается и в панельных зданиях. В домах «Лотос» используется свободная расстановка мебели, поскольку наружные криволинейные стены частично превращаются во внутренние стены, где расстановка мебели возможна. Все эти непривычные изменения оправдываются или наличием при той же стоимости большей площади или более низкой стоимостью квартир.

Несмотря на необычные формы комнат, мебель применяется в основном традиционная. В случае развитие такого строительства, скорее всего возникнет приспособление мебельной отрасли к таким домам, тем более при применении печати элементов меблировки на 3Д принтерах. Архитекторы и дизайнеры могут помочь потребителю в организации пространства в необычных формах и извлечь даже преимущества. Например, изогнутый фронт кухонь минимизирует движение, а расширенная зона у окон позволяет устанавливать кухонный остров даже в небольших квартирах.

Не исключено, что многие потребители будут отдавать предпочтение квартирам такого типа, благодаря возможности приобрести жилье существенно большей площади за те же средства. При социальном распределении жилья можно увеличить нормы выделяемой площади.

В целом прямоугольная система координат в строительстве возникла для упрощения деления и исторически, благодаря наличию леса и возникшей стоечно-балочной системы. В регионах где леса нет жильё строят и других форм. С появлением 3Д печати домов большинство конструкций имеют изогнутые формы. Однако такая возможность есть и при литьевой технологии, присущей бетону. Естественно много примеров в мировой практике, когда жилые дома построены не в декартовых координатах. Это уникальные знаменитые два дома «Марина Сити» в Чикаго, дома «Айо» под Парижем, но дома «Лотос» созданы преимущественно как массовые индустриальные сборные, заменяющие крупнопанельное домостроение.

Дома «Лотос» в основном башенного типа с большей этажностью, чем в крупнопанельном строительстве, но они же могут блокироваться в виде дуплексов или в сочетании с более узкими секциями, созданными для небольших участков застройки. Для узких участков застройки разработаны дома секционного типа, правда с меньшим экономическим эффектом. При малоэтажной застройке экономическая целесообразность не столь очевидна, но при наличие созданных мощностей она возможна в виде оригинальных типов домов.

При разработке планировочных и конструктивных решений многоэтажного здания трёх лучевая система координат заменяет декартовую и уже в этой системе определяются типы и формы сборных железобетонных пространственных элементов. Практически это переход к более оптимальным с конструктивной точки зрения оболочкам, которые как известно наименее материалоёмкие конструкции.

Во всех направлениях науки известно, что линейные закономерности являются частным случаем общих нелинейных законов. Поэтому замена системы координат в строительстве имеет и более глубокий философский смысл. В частности, вся трёх лучевая система построена на ограничение прокатной технологии и базируется на таких свойствах бетона, как технология литья, позволяющая придать сборным элементам криволинейные формы, в которые надо вписать сложные функциональные процессы.

Функциональная деятельность человека, семьи многогранна. Эти функции настолько сложны, что их изучение и систематизация может быть выполнена весьма условно. Поэтому они определяются для современных квартир в многоэтажных зданиях весьма простым способом по количеству комнат и площади. При этом, во всех случаях присутствуют функционально необходимые кухни и санитарные узлы. Основной принцип систематизации – большей семье больше комнат и больше площади.

Для квартир все же можно определить какой-то максимум, когда увеличение количества комнат и площади становится малопродуктивным, особенно, если учесть ещё и эксплуатационные расходы. Нижняя граница максимума по площади и количеству комнат может быть определена как количество комнат по числу членов семьи и плюс одна комната, т.е. расчёт ведётся по числу спален. Если придерживаться этих принципов по аналогии с размерами жилой площади приходящейся на человека в развитых странах, то для семьи нужные квартиры с гораздо большими площадями. Однокомнатная квартира – это две комнаты и кухня в сумме примерно шестьдесят метров, двухкомнатная – это три комнаты в сумме сто двадцать метров, трёхкомнатная – четыре комнаты – сто восемьдесят метров и т.д. Если поставить такие цели, то количество существующей жилой площади должно быть утроено.