Использование индексного подхода при выборе материала стен в малоэтажном строительстве

Введение

Малоэтажное строительство относится к одному из важных направлений строительной отрасли Российской Федерации, благодаря большим запасам территории, наличию государственных программ для повышения темпов жилого строительства и совершенствования технологии и качества работ [2] (Afanasiev A.A., Afanasiev G.A., 2018). К малоэтажными зданиям относятся жилые объекты с этажностью не более трех этажей.

Малоэтажное строительство начало интенсивное развитие в 21 веке. Жители городов увидели, что пригороды оказались неплохим вариантом для проживания в сравнении с квартирами. Этому способствует повышение числа строительства в 7-8 раз за последние 20 лет. Образовался новый продукт под названием «коттеджный поселок», главным отличием которого от дачных и сельских поселений является единый концептуальный стиль застройки, ограждённые участки и наличие центральных и общепоселковых инженерных сетей [17] (Sannikova G.A., 2018). Основными достоинствами малоэтажного строительства является экологичность, энергоэффективность и энергосбережение, что достигается путем применения теплопроводных материалов. Это позволяет малоэтажному строительству быть одним из быстроразвивающихся и важных направлений и обладать наибольшим потенциалом в будущем, так как увеличение строительства коттеджей, таунхаусов, малоэтажных многоквартирных домов позволит решить проблему обеспечения жильем граждан среднего класса.

Несмотря на бурный рост и развитие малоэтажного строительства, будущий покупатель сталкивается с проблемой выбора необходимого варианта стенового ограждения. На сегодняшний момент не существует быстрого и понятного алгоритма выбора, который смог бы учесть и сравнить большинство альтернатив, которые смогли бы удовлетворить всех клиентов [14] (Yu. I. Tolstova, R. N. Shumilov, 2014). В связи с актуальностью проблемы, множество авторов посвящали свои научные работы по данной теме, например, Комаров А.К., Филоненко Е.А. [9] (Komarov A.K., Filonenko E.A.,2015), Кузьменков А.А., Байкова А.А. [11] (Kuzmenkov A.A., Baikova A.A., 2019), Галимзянова М.И., Богданов А.Н. [3] (Galimzyanova M.I., Bogdanov A.N., 2018) и другие. Это говорит о том, что выбор вариант дома и как следствие, стенового ограждения является одной из современных и важных задач, которые необходимо решить. Одним из способов решения может быть индексный метод, который позволит найти взаимосвязь между основными параметрами стен, такие как сопротивление теплопередачи, трудозатраты и других с помощью специального индекса. Для решения данной задачи необходимо выбрать распространенные варианты стенового ограждения и их состав для будущего расчета.

На сегодняшний день в малоэтажном строительстве применяются следующие конструктивные системы: из дерева (брусовые, панельные, каркасные), кирпичные, комбинированные с стенами из газобетонных блоков и другими материалами.

С увеличением популярности малоэтажного строительства появляется необходимость разработки технологии быстровозводимых и индустриализированных элементов дома. Одной из такой технологий является каркасная технология. Главными поводами использования каркасного домостроения является то, что появилась необходимость в постройке такого дома, чтобы в нём было комфортно и тепло жить в любое время года. Особенно этот вопрос представляет большую важность для жителей северных регионов, потому что климат, в котором они проживают, в первую очередь диктует необходимость создания хорошей теплоемкости, которая была бы отличной альтернативой технологии обогрева жилья [12] (Leonovich O.G., Korob A.Yu., 2022). Дополнительной причиной повышения внимания к каркасной технологии является развитие рынка, который стал предлагать покупателям более усовершенствованные технологические строительные и отделочные материалы, характеристики которых направлены на сохранение тепла внутри деревянного жилья при сильных ветрах и морозах [12 же].

Каркасная домостроение обладает широким спектром разнообразных материалов и технологий возведения. Отличительными особенностями каркасного домостроения использование при строительстве экологических материалов, таких как древесина и отдельные виды утеплителя. Преимуществами каркасного строительства является экологичность, которое достигается не только применением экологичных материалов, но и минимальным воздействием на окружающею среду при строительстве, простота монтажа и возведения, отсутствие в период эксплуатации и строительства усадки фундамента, ненадобность применения тяжелой техники при строительстве, быстрая скорость возведения [188] (Sannikova G.A., 2018). Основными недостатками являются этажность зданий не более двух этажей, невозможность перепланировки внутреннего пространства из–за конструктивных особенностей технологии, небольшой срок эксплуатации здания, высокая пожароопасность, недолговечность за счет утеплителя снаружи, который следует менять раз в 30 лет; поражение спорами грибов при повышенной влажности, отсутствие дополнительного вентилирования; при недостаточной обработке утеплителя возможность распространения насекомых и грызунов в утеплителе.

Кирпич является древнейшим строительным материалом. Коттеджи из кирпича до сих пор пользуются популярностью, так как материал обладает множеством положительных свойств, но на сегодняшний день это технология является устаревшей по отношению затрат на материал и эффективности получаемого результата. Преимуществами кирпичных стен является прочность и огнеупорность, не подверженность гниению, несущая способность позволяет использовать железобетонные плиты перекрытия, долговечность, позволяющая эксплуатировать дом более ста лет, морозостойкость, устойчивость к вредителям [19] (Simchenko O.L., 2017). К недостаткам кирпичных стен относится их большой вес, что увеличивает затраты на изготовление прочного фундамента, необходимость внутренней отделки, которая довольно дорога по отношению к другим вариантам стен, высокая теплопроводность стен, что требует применение утеплителя, большая толщина стен, снижающая площадь для проживания и длительный срок возведения.

В настоящее время газобетон является одним из распространенных материалов для загородного малоэтажного строительства. Газобетон относится к ячеистым бетонам, с равномерно распределенными по всему объему порами диаметром. Качество газобетона определяет равномерность распределения пор по объему. Одни из достоинств газобетона является удобство возведения стен. Разнообразие размеров газоблоков позволяет строительство без использования дорогостоящих грузоподъемных механизмов. Изготовляемые в заводских условиях, газобетонные блоки имеют сертификаты качества, которые подтверждают их характеристики, геометрические размеры и экологичность. Газобетон прочный и легкий материал. Он легче кирпича, камня, лёгкого и тяжелого бетона, что создает меньшую нагрузку на фундамент. Негорючесть газобетона позволяет использовать его как для защиты металлических конструкций от воздействия огня, а его морозостойкость и паропроницаемость позволяют использовать этот материал при различных погодных условиях и в разных климатах. Главными недостатками газобетона является хрупкость материала. Газобетон обладает небольшой прочностью при изгибе. Материал также имеет низкую пластичность и обладает деформативностью на уровне керамических изделий, поэтому в процессе строительства необходимо использовать арматуру, что тоже скажется на увеличение стоимости работ [24] (Fiskind E.S. and etc., 2019).

Клееный брус — это просушенные, склеенные под прессом ламели, которым придали форму бруса. Преимуществами клееного бруса является разное направление волокон у каждой ламели, что предотвращает появление глубоких трещин. Минимальная усадка клееного бруса — 1,5-2%, что ниже, чем у древесины естественной влажности. Стройматериал имеет точную геометрию, которая облегчает и ускоряет строительство дома, при соблюдении технологии, позволяет возвести абсолютно ровные стены, не нуждающиеся во внутренней и внешней отделке [7] (Dasaev T.Sh., 2020). Прочность клееного бруса выше, чем у цельного дерева, что позволяет увеличить пролеты, размеры оконных проемов и т.д. Низкая влажность предотвращает образование микроорганизмов и других вредителей древесины. К недостаткам клееного бруса следует отнести высокую цену, ограничения форм в архитектуре (невозможность построить круглую стену), возможность очереди на заводе–изготовителе при ожидании получения комплекта.

Профилированный брус является одним из распространённых материалов среди производителей деревянных домов. Наиболее распространен брус сечением 100х100 мм, 100х150 мм и 150х150 мм, стандартная длина бруса составляет 6 м. Профилированный брус – высокотехнологичный строительный материал, изготовленный из древесины хвойных пород: сосны, ели, лиственницы или кедра. Использование искусственной сушки древесины позволяет брусу впитывать влагу из воздуха до равновесного состояния. Данное свойство требует использование специального оборудования при изготовлении материала [8]. Профилированный брус имеет приятный внешний вид, экологичный, защищает от продуваемости, есть возможность использовать элементы заводского изготовления, что повышает качества угловых соединений. Недостатками профилированного бруса является важность использования межвеноцового утеплителя, необходимость перерыва на усадку строения, обязательность обработки от насекомых, что отрицательно влияет на экологичность материала.

Брус ППУ – это строительный материал, получаемый в результате соединения двух ламель с полостью между ними, которая заполняется с помощью экструдера пенополиуретаном [23] (Titunin A.A., Zaitseva K.V., 2007). Данному изделию придается профиль с помощью строгального станка, что позволяет добиться равномерного распределения пенополиуретана над плоскостью бруса. Преимуществами бруса утепленного пенополиуретаном (ППУ) является то, что основное производство проходит в заводских условиях, что позволяет выполнять строительные работу с высокой точностью. Изготовленный в соответствии со стандартами брус ППУ является экологичным материалом, не выделяет вредных веществ при нагревании, не подвержен гниению и обладает повышенной огнестойкостью. Недостатками бруса с использованием ППУ является: низкая воздухопроницаемость утеплителя, появление мостиков холода в местах соединения панелей, низкая устойчив к ультрафиолетовому излучению, малая долговечность ППУ по сравнению с другими материалами строительных конструкций.

Анализ используемых материалов для стеновых конструкций и сложившиеся технологии малоэтажного строительства позволили нам сформулировать цель нашей работы – предложение индекса соотношения сопротивления теплопередачи и трудозатрат к цене материалов, позволяющего сделать разумный выбор материала стен в малоэтажном строительстве с учетом сопротивления теплопередачи, трудозатрат на монтаж и стоимости данных материалов.

Методика исследования

Объектами сравнения будут наружные стены из следующих материалов: каркасного домостроения, кирпичные, из газобетона, из клееного и профилированного бруса и бруса с утеплителем ППУ.

Моделью, для которой будут вычисляться характеристики, является контур стен без проемов, кровли и фундамента со следующими параметрами: длина контура – 10 м; ширина контура стен – 10 м; высота стен – 3 м; площадь внутри контура – 100 кв.м; площадь стен – 120 кв.м.

Для выбранных стен будут вычисляться следующие параметры: сопротивление теплопередаче материалов; трудозатраты на возведение (монтаж); цена материалов.

Первым расчетным параметром для сравнения будет сопротивление теплопередаче. Сопротивление теплопередачи – это величина, обратная коэффициентам тепловосприятия [15]. Для определения сопротивления необходимо будет определить плотность материалов , толщину слоев и коэффициент теплопроводности . Требуемые для расчетов исходные данные принимаются в соответствии с СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» [21] и СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» [22], районом строительств будет город Екатеринбург, Свердловской области. Требуемое сопротивление теплопередачи R_тр для рассчитываемого района составляет 3,36 (м²∙°С)/Вт [21]. Порядок расчета будет осуществляться в соответствии с [20]. При определении величины сопротивления теплопередачи будет использоваться программа LIT Thermo Engineer [16].

Вторым параметром являются трудозатраты на монтаж и возведение стенового ограждения. Трудозатраты – это количество времени, выраженное в человеко–часах, необходимое для выполнения работы, в нашем случае, для возведения или монтажа конструкций стен [13]. Нормы для трудозатрат каждого материала стен будут взяты из ГЭСН (Государственные элементные сметные нормы). Для этого необходимы следующие сборники: ГЭСН 81-02-08-2020 «Конструкции из кирпича и блоков» [4], ГЭСН 81-02-10-2020 «Деревянные конструкции» [5], ГЭСН 81-02-26-2020 «Теплоизоляционные работы» [6].

Последней сравниваемой величиной будет цена используемых в стенах материалов. Цена материала – это денежное выражение стоимости материала, по которой товар в процессе купли-продажи перейдет от продавца к покупателю [10]. Для точности сравнения используются цены на материалы, предлагаемые строительными магазинами города Екатеринбурга.

Результаты исследования

Определение сопротивления теплопередачи зависит от состава стен. Состав наружных стен возьмем у строительных компаний, специализирующихся на малоэтажном строительстве в Свердловской области. Выбранные материалы стен и их расположение приведены в таблицах Таблица 1, Таблица 2, Таблица 3, Таблица 4, Таблица 5. Нумерация слоев ведется от самого внутреннего слоя к внешнему.

Таблица 1

Конструкция стены из кирпича

Особенностью стены из кирпича является наличие облицовочного слоя из силикатного кирпича.

Таблица 2

Конструкция стены из газоблока

Стена из газоблока отличается применяемой маркой под названием «Твинблок ТБ 400-бп».

Таблица 3

Конструкция стены из профилированного бруса

Особенностью стены из профилированного бруса является наличие наружного утеплителя в виде минеральной ватты толщиной 100 мм.

Таблица 4

Конструкция стены из клееного бруса

Особенностью стены из клееного бруса является наличие наружного утеплителя в виде минеральной ватты и толщины клееного бруса в размере 200 мм.

Таблица 5

Конструкция стены из бруса, утепленного пенополиуретаном (ППУ)

Отличительной чертой стены из бруса ППУ является вид утеплителя в виде пенополиуретана. Полученные величины сопротивления теплопередачи сведены в таблице Таблица 6.

Таблица 6

Величина сопротивления теплопередаче

В результате расчета было выяснено, что все варианты стен имеют сопротивление теплопередачи выше, чем требуемое . Это значит, что все варианты конструкции можно применять для малоэтажного строительства. Самым высоким сопротивлением теплопередаче обладает стена из гаозоблока, а наименьшим стена из профилированного бруса сосны.

Для нахождения величины трудозатрат требуется использовать нормы из ГЭСН и следующие данные модели: длина – 10 м; ширина – 10 м; площадь стен – 120 кв.м.

Нормы ГЭСН, применяемые для кирпичной стены: для кирпичной кладки 380 мм – 08-02-001-01 (шифр ГЭСН для нормы); для минераловатной плиты толщиной 100 мм – 26-01-035-01; для наружного облицовочного слоя из силикатного кирпича 120 мм – 08-02-008-01. Трудоемкость для стены из кирпича, общей площадью 120 кв.м. составляет 281,88 чел.-ч.

Нормы ГЭСН, применяемые для стены из газобетонных блоков: для стен из твинблока 400 мм – 08-03-004-01; для наружного слоя из минераловатной плиты толщиной 100 мм – 26-01-035-01. Трудоемкость для стены из газоблоков, общей площадью 120 кв.м. составляет 194,61 чел.-ч.

Нормы ГЭСН, применяемые для стены из профилированного бруса: для бруса – 10-02-024-02; для минераловатной плиты – 26-01-035-01. Трудоемкость для стены из профилированного бруса, общей площадью 120 кв.м. равна 292,79 чел.-ч.

Нормы ГЭСН, применяемые для стены из клееного бруса: для бруса – 10-02-024-03; для минераловатной плиты толщиной 100 мм – 26-01-035-01. Трудоемкость для стены из клееного бруса, общей площадью 120 кв.м. равна 296,71 чел.-ч.

Для стены из бруса, утепленного пенополиуретаном, применялись норма, рассчитанная на основе ГЭСН 10-02-024-03, так как в норме толщина бруса составляет 180 мм, толщина бруса рассчитываемого варианта равна 240 мм. Трудозатраты стен из бруса с ППУ утеплителем равны 308,11 чел.-ч.

Величина трудоемкости для всех вариантов стен приведены в таблице Таблица 7.

Таблица 7

Величина трудоемкости для каждого варианта стены

Проанализировав результаты таблицы можно сделать вывод, что наименее трудоемкостью при возведении обладает стена из газоблока, а наибольшей трудоемкостью – стена из клееного бруса.

Для определения итоговой цены каждого варианта, требуется найти цены на материалы, используемые в стенах. Используемые материалы указаны в таблицах Таблица 1, Таблица 2, Таблица 3, Таблица 4, Таблица 5. Размер цены на материалы будет выражена как средняя цена, которые предлагают строительные магазины и компании Екатеринбурга, у которых материалы были в наличии или их могли изготовить под заказ.

Итоговая цена кирпичной стены равна 699 803 руб. и состоит из суммы цен на: сплошные керамические пустотные кирпичи – 439 171 руб.; плита минераловатная – 73 865 руб.; сплошные силикатные кирпичи для облицовочного слоя – 186 767 руб.

Итоговая цена стены из газоблоков равна 313 174 руб. и состоит из суммы цен на: твинблоки ТБ 400 – 239 309 руб.; плита минераловатная – 73 865 руб.

Итоговая цена стены из профилированного бруса равна 550 820 руб. и состоит из суммы цен на: профилированный брус из сосны – 476 955 руб.; плита минераловатная – 73 865 руб.

Итоговая цена стены из клееного бруса равна 1 096 366 руб. и состоит из суммы цен на: клееный брус из сосны – 1 022 501 руб.; плита минераловатная – 73 865 руб.

Цена стены из бруса, утепленного пенополиуретаном, равна 597 600 руб.

Итоговые цены материалов для каждого варианта стен приведены в таблице Таблица 8.

Таблица 8

Величина итоговой цены материалов стен

В результате анализа цены материалов, предлагаемых компаниями и магазинами Екатеринбурга, можно сделать вывод, что наиболее дорогим вариантом стены является стены из клееного бруса сосны, а самым недорогим – из газобетонных блоков.

При сравнении вариантов стен используются три параметра: сопротивление теплопередачи, трудозатраты на монтаж и итоговая цена материалов. Но для более точного сравнения, необходимо найти взаимосвязь между этими параметрами. Это можно сделать с помощью специальных индексов.

Для определения взаимосвязи между теплопроводностью и ценой материалов воспользуемся индексом цены на единицу сопротивления теплопередачи. Этот индекс показывает эффективность стеновой конструкции с точки зрения соотношения цены и сопротивления теплопередаче [20].

Индекс цены на единицу сопротивления теплопередаче для материалов можно найти по формуле (1) [18]:

– сопротивление теплопередаче конструкции, (м²∙°С)/Вт.

Чтобы найти связь между трудозатратами монтажа стеновых конструкций, введем индекс цена материалов на единицу трудоемкости. Данный индекс будет выражать эффективность по цене единицы трудоемкости, то есть человеко–часа.

Индекс цены на единицу трудозатрат определим по формуле (2)

– трудозатраты на возведения стены, чел.–час.

Чтобы соотнести между собой трудозатраты монтажа и сопротивление теплопередаче, необходимо объединить индексы на единицу сопротивления теплопередаче для материалов и цену материалов на единицу трудозатрат.

В результате полученный индекс будет называться индексом соотношения сопротивления теплопередачи и трудозатрат к цене материалов стен и будет выражать взаимосвязь всех трех критериев между собой.

Индекса соотношения сопротивление теплопередачи и трудозатрат к цене рассчитывается по формуле (3):

Таблица 9

Величина индекса соотношения сопротивления теплопередачи и трудоемкости к цене

По результатам таблицы были определены минимальная величина индекса у стены из газоблоков в размере 1565, а максимальная – у стены из клееного бруса сосны, равная 3632.

Обсуждение

Объединив результаты расчетов из таблиц Таблица 6, Таблица 7, Таблица 8, Таблица 9 получим таблицу Таблица 10, в которой варианты стен отсортированы по величине индекса от меньшего (лучшего) к большему (худшему).

Таблица 10

Результаты расчетов сопротивления теплопередаче, трудозатрат, цены и индекса

Расчеты критериев и определение индексов показали следующие результаты: стена из профилированного бруса сосны с наружным утеплителем обладает достаточным сопротивлением теплопередаче, большими трудозатратами возведения и низкой ценой материалов; стена из бруса, утепленного пенополиуретаном имеет среднее значение сопротивления теплопередаче, средними трудозатратами на возведения и ценой материалов по сравнению с другими вариантами; стена из кирпича обладает средним сопротивлением теплопередаче и трудозатратами на строительство, но имеет высокую цену материалов; стена из клееного бруса, обладает высоким сопротивлением теплопередаче, но большие трудозатраты на возведения и самая высокая цена на рынке среди вариантов снижают ее позицию на самый низ таблицы. Наиболее оптимальным вариантом стеновой конструкции является стена из газоблоков. Данный вариант стены обладает наибольшим сопротивлением теплопередачи, самыми низкими трудозатратами на возведение и цену материалов среди других вариантов конструкций. Можно сделать вывод, что предложенные варианты стеновых конструкции обладают сопротивлением теплопередачей выше требуемой, а значит могут использоваться при строительстве, но несмотря на это, выбор стенового ограждения не ограничивается только выбранными для расчета параметрами, а поэтому полученные результаты можно считать весьма условными. В дальнейших исследованиях необходимо увеличивать число различных факторов, что позволит повысить точность сравнения, в результате чего можно будет получить наиболее точную и подробную величину для оценки разных составов и вариантов стен для малоэтажного строительства.

Заключение

В результате работы были определены наиболее используемые варианты стеновых конструкций. Для каждого варианта было рассчитано: сопротивление теплопередачи, трудозатраты на строительство и цена материалов. На основании данных параметров был рассчитан индекс и составлен рейтинг стеновых ограждений. Стена из газобетонных блоков обладает наибольшей величиной индекса что позволяет определить ее как наиболее предпочтительный вариант на основании выбранных факторов. Рекомендации работы могут быть направлены на определение подходящего варианта на основе рассчитанных показателей. Эти показатели могут быть важны как для строительных компаний, так и людям, планирующим строить загородный дом. Будущим владельцам метод позволит спрогнозировать бюджет на основании наиболее важных для него факторов при выборе стеновой конструкции. Компаниям, деятельность которых основана на проектировании и изготовлении стеновых конструкций, метод поможет улучшить и оценить свои предлагаемые решения для удовлетворения запросов как можно большего числа клиентов. Организациям, занимающимся строительством и монтажом метод может помочь в прогнозировании требуемого на строительство времени и выборе стенового ограждения как по цене материалов, так и по трудозатратам на их возведение.