< Обратно

Автор: Дубко Михаил - разработчик PromCore

 

Аннотация

                 В статье представлено уникальное параметрическое исследование влияния толщины плиты перекрытия и целевого шага пилонов на конструктивные и экономические показатели железобетонного каркаса жилого здания. Расчеты выполнены в программе PromCore, а расстановка пилонов осуществлялась нейросетью SmartPylon по фиксированному архитектурному плану. Рассмотрено 80 комбинаций параметров: толщина плиты h = 140-320 мм и целевой шаг пилонов s = 3.0-6.5 м. Сравнение выполнено по прогибам, коэффициенту использования по прогибам, расходу бетона, расходу арматуры (общему, в плитах и в пилонах), а также стоимости каркаса.

 

1. Введение

                 На ранних стадиях проектирования жилых зданий один из ключевых вопросов - выбор рациональной сетки несущих элементов и толщины перекрытий. Увеличение шага пилонов может уменьшать количество вертикальных элементов и улучшать архитектурную гибкость, однако сопровождается ростом пролетов и, как следствие, увеличением прогибов и армирования. В противоположность этому уменьшение шага пилонов снижает деформативность перекрытий, но увеличивает число пилонов и может приводить к росту стоимости каркаса.

Целью исследования является выявление закономерностей влияния двух параметров - толщины плиты и шага пилонов - на технические и экономические показатели каркаса одного и того же жилого здания, а также определение рациональной области решений по совокупности критериев.

 

2. Материалы и методика исследования

2.1. Исходные данные и схема эксперимента

                 Исследование выполнено для фиксированного архитектурного плана жилого здания:

                Зеленые стены - архитектурные стены в которых разрешена расстановка пилонов нейросети SmartPylon программы PromCore. 

                Параметры исследования:

• Толщина исследуемых плит: 140, 160 ... 320 мм, всего 10 вариантов по толщине. 
• Целевой шаг пилонов: 3.0, 3.5 ... 6.5 м., всего 8 вариантов. Шаг пилонов средний по секции, так как нейросеть SmartPylon не везде может его соблюдать. Например для шага 6.5 метров, в некоторых точках плиты, реальный пролет составляет 8.1 метра.
• Итоговая матрица результатов: 10 х 8 = 80 вариантов несуших каркасов зданий.
•  Нейросеть SmartPylon: для каждого варианта расположения пилонов не менее 500 итераций по нахождению наиболее рационального положения пилонов. 
• Нейросеть SmartCity: не менее двух итераций расчета и конструирования на каждый вариант положения пилонов при конкретной толщине плит. На 1 итерации уточняется усилия в пилонах, выполняется подбор сечений и армирования пилонов, далее выполняется 2 итерация расчета и конструирования арматуры в плитах перекрытий. 
• Программная среда: PromCore.

 

2.2. Оцениваемые показатели

• Прогибы плит перекрытия (мм).
• Коэффициент использования по прогибам.
• Общий расход арматуры (кг/м3).
• Расход арматуры в плитах (кг/м3).
• Расход арматуры в пилонах (кг/м3).
• Общий расход бетона (м3/м2).
• Стоимость каркаса (млн руб.).

               Для визуального анализа использованы тепловые карты (матрицы параметров), где по строкам отложена толщина плиты, а по столбцам - целевой шаг пилонов.

 

3. Результаты

3.1. Геометрия и общий вид матрицы результатов

                  На рисунке 1 приведены примеры схем расстановки пилонов, полученных SmartPylon для одной и той же архитектуры.

а) шаг 3 метра

 

б) шаг 3,5 метра

 

с) шаг 4 метра

 

д) шаг 4,5 метра

 

е) шаг 5 метров

 

ж) шаг 5.5 метра

 

з) шаг 6 метров

 

и) шаг 6,5 метров

             Рисунок 1 - Примеры схем расстановки пилонов, сформированных SmartPylon

 

                   На рисунке 2 показаны характерные деформации в плитах перекрытия при разных шагах пилонов.

а) шаг 3 метра

 

б) шаг 3,5 метра

 

с) шаг 4 метра

 

д) шаг 4,5 метра

 

е) шаг 5 метров

 

ж) шаг 5.5 метра

 

з) шаг 6 метров

 

и) шаг 6,5 метров

 Рисунок 2 - Примеры деформаций для разных шагов пилонов, сформированных SmartCity

 

                   На рисунке 3 показана сводная матрица результатов (тепловые карты) по всем исследованным метрикам.

Рисунок 3 - Сводная матрица результатов (тепловые карты по основным метрикам)

               Все данные из которых сформированы данные матрицы результатов можно найти в конце статьи, в приложении. 

 

3.2. Прогибы и коэффициент использования

               Наиболее выраженная зависимость наблюдается для прогибов: при увеличении целевого шага пилонов прогибы растут резко, в то время как увеличение толщины плиты снижает прогибы более плавно. Например, для h = 140 мм прогиб увеличивается примерно с -12.25 мм при шаге 3.0 м до -77.24 мм при шаге 6.5 м.

              Анализ коэффициента использования по прогибам показывает, что для исследованной геометрии шаг 6.5 м является критическим: при h = 140-240 мм коэффициент превышает 1.0 (варианты не удовлетворяют условию по прогибам). Прохождение достигается только начиная примерно с h = 260 мм (коэффициент около 0.99).

               Начиная с шага 5,5 метров, нейросети SmartPylon уже сложно расставлять пилоны с сохранением среднего шага 5,5 метров, начинают встречаться участки с шагом 7 метров. Это связано с тем, что архитектурные стены стоят на расстоянии не 1 метр, а их положение диктуется средней площадью квартир и размером комнат.

 

3.3. Расход материалов: бетон и арматура

                 Расход бетона на 1 м2 в первую очередь определяется толщиной плиты и растет почти линейно с увеличением h. В пределах рассматриваемой серии значение изменяется примерно от 0.21-0.23 м3/м2 (тонкие плиты) до 0.40-0.42 м3/м2 (толстые плиты). Влияние шага пилонов на расход бетона существует, но выражено заметно слабее.

                Общий расход арматуры в кг/м3 демонстрирует рост с увеличением шага пилонов, особенно в области 6.0-6.5 м. При этом уменьшение удельного расхода арматуры с ростом толщины плиты не означает обязательного уменьшения общего тоннажа, так как одновременно растет объем бетона. Поэтому для дальнейших анализов в будущем, необходимо дополнить программу PromCore, показателем кг/м2, для большей объективности сравниваемых схем зданий. 

               Раздельный анализ арматуры в плитах и пилонах показывает, что наиболее чувствительным элементом к росту пролета является именно плита. Армирование пилонов также увеличивается с ростом шага и нагрузки, однако зависимость выглядит менее гладкой, что связано с неоднородностью реальных пролетов и локальной геометрией плана.

 

3.4. Стоимость каркаса и область рациональных решений

                  Тепловая карта стоимости каркаса показывает наличие области минимума, которая для большинства значений толщины плиты лежит в диапазоне целевого шага пилонов около 4.5-5.5 м. При меньших шагах стоимость повышается за счет увеличения количества пилонов и связанных с ними элементов, а при больших шагах (6.0-6.5 м) стоимость растет вследствие усиления перекрытия и пилонов, а также ограничений по прогибам.

                  В рамках рассмотренной матрицы глобальный минимум по стоимости наблюдается в одной из комбинаций с малой толщиной плиты и средним шагом пилонов (примерно h = 140 мм, s = 4.5 м, около 227 млн руб.). Однако при практическом выборе схемы целесообразно ориентироваться не только на абсолютный минимум, но и на устойчивую область экономичных решений с запасом по деформативности. Поэтому, по нашему мнению, наиболее рациональный вариант - h = 180 мм, s = 4.5 м.

 

4. Выводы

1.  Выполнено параметрическое исследование 80 комбинаций толщины плиты и целевого шага пилонов для одного жилого здания на базе связки нейросетей  SmartPylon + SmartCity.
2. Полученные результаты подтверждают общую инженерную закономерность: укрупнение сетки вертикальных элементов снижает их количество, но увеличивает пролеты плит и перераспределяет нагрузку в пользу более массивного и более армированного перекрытия. Для рассматриваемой архитектурной схемы доминирующим ограничением является прогиб плиты, а не только материалоемкость. Это означает, что экономический анализ без проверки эксплуатационной пригодности может приводить к выбору формально дешевых, но непроходных решений.
3.  Отдельно следует подчеркнуть роль неоднородности фактических пролетов. Поскольку SmartPylon формирует расстановку по реальному плану, локальные участки с увеличенными пролетами (относительно целевого шага) создают пики усилий и прогибов. Именно поэтому некоторые строки/столбцы тепловых карт имеют нелинейный характер и локальные отклонения от плавного тренда.

4. Расход бетона определяется преимущественно толщиной плиты и растет почти линейно в исследованном диапазоне.

5. Экономически рациональная область решений по стоимости каркаса для рассматриваемой архитектуры находится в диапазоне шага пилонов примерно 4.5-5.5 м при обязательной проверке по прогибам.

6. В случае невозможности располагать пилоны в центральной части здания с минимальными пролетами между  пилонами от 6 метров, наиболее рациональная толщина плиты составляет 260 мм. Данная схема наиболее распространена в премиальном классе жилых зданий. 

7. При шаге пилонов меньше 6 метров и толщине плит выше 240 мм, армирование плит сводится к фоновому армированию, именно поэтому в таких схемах зданий такой низкий расход арматуры в плитах.

 

Источник данных

                 Все таблицы, тепловые карты и визуализации в статье получены автором на основе расчетов в PromCore. Внешние литературные источники в настоящей версии статьи не использовались.

 

Приложения: