Применение стальных труб в модульных и сборных стальных конструкциях

Модульное и сборное стальное строительство перешло от пилотных проектов к поточному возведению, и в центре этого перехода — стальные трубы. Лёгкие, прочные и эффективные по сечению, трубчатые элементы уже несут целые пространственные блоки, а не только каркас. Та же точность требуется в каждом болтовом соединении — от стыков модулей до технологических присоединений, где герметичность задают фланцевые прокладки.

Три технических решения для трубчатых модулей

Данные более чем 40 демонстрационных проектов, завершённых в 2020–2025 годах, и испытания Тяньцзиньского университета и Сианьского университета архитектуры и технологий указывают на три решения. Разница между ними — в доле здания, которая покидает завод готовым блоком.

Уровень элемента: колонны из бетонированных квадратных труб

Группа Тяньцзиньского университета разработала рамно-связевую систему с композитными колоннами специальной формы из бетонированных квадратных труб. Две квадратные трубы 150 мм × 150 мм × 8 мм соединены по высоте накладками в решётчатую колонну. Момент сопротивления сечения возрастает на 38 %, что позволяет строить 80-метровые жилые башни без внутренних колонн.

Уровень модуля: коробчатые блоки

Компания Broad в провинции Хунань применяет схему «основная плита + диагональные связи». Каждая основная плита 3 м × 6 м — это перекрытие на стальной ферме с композитной плитой, куда на заводе встроены инженерные системы, противопожарная защита и отделка (доля заводской готовности выше 90 %). На площадке монтаж идёт со скоростью около одного этажа в день.

Уровень системы: встроенные модули из лёгкой стали

В проекте социального жилья при Хунаньском аграрном университете использованы 388 лёгких стальных коробок из гнутых квадратных труб 210 мм × 150 мм × 4 мм, вставленных в основной стальной каркас. Высота здания — 34.2 м, общий срок работ сокращён на 40 %.

• Решение на уровне элемента даёт наибольшие пролёты без внутренних колонн и подходит для жилых башен.
• Решение на уровне модуля даёт максимальную заводскую готовность: инженерные системы и отделка уже смонтированы.
• Решение на уровне системы встраивается в существующий стальной каркас и подходит для жилья средней этажности при жёстких сроках.

Узлы соединений и перекрытия

Стыки модулей определяют, будет ли сборный каркас работать как монолитный, поэтому преобладают болтовые решения, исключающие сварку на площадке. Два варианта покрывают большинство случаев; та же логика действует, когда модуль подключают к технологическому трубопроводу через трубные фланцы и болтовой крепёж.

Соединения с гильзой и боковыми пластинами

• Полностью болтовое соединение с гильзой: квазистатические испытания Сианьского университета архитектуры и технологий в 2023 году показали, что увеличение толщины гильзы с 10 мм до 14 мм повышает предельную несущую способность на 23 %. Пластичность μ = 4.7 покрывает смещение 1/50 при редком землетрясении интенсивностью 8 баллов.
• Соединение на боковых пластинах стеновой трубобетонной колонны: колонна 200 мм × 200 мм с толщиной стенки 6 мм соединяется боковыми пластинами толщиной 12 мм с высокопрочными болтами 10.9S M20. Петли гистерезиса полные, а разрушение переносится с разрушения сварного шва на пластические шарниры в концах балок.

Композитные перекрытия и связи

• Многоразовая плита: плита W-образного профиля с защёлкиванием, толщина 120 мм, на 25 % легче традиционных ферменных плит и пригодна минимум для 50 циклов; применена на объекте площадью 340 000 м² в провинции Юньнань.
• Система связей: стеновая колонна со стальными пластинчатыми сдвиговыми стенами показала межэтажное смещение 1/85 при испытании трёхэтажного полномасштабного макета на сейсмической платформе при пиковом ускорении грунта 0.4 g, что сопоставимо с железобетонными сдвиговыми стенами при расходе стали всего 48 кг/м².

Стальные трубы подготовлены к отгрузке со склада.

Затраты, сроки и углеродный след

Установка коробчатых модулей занимает в среднем 15 минут на блок, а 12-этажный отель вышел на проектную отметку за семь дней — примерно на 70 % быстрее монолитного строительства. На проекте социального жилья в Хунане трудозатраты на площадке снизились с 2.5 до 0.6 человеко-дня на квадратный метр.

Примечание: средние рыночные значения 2024 года в CNY за квадратный метр общей площади; это сравнительные ориентиры.

По GB/T 51366-2019 выбросы CO₂ за полный жизненный цикл модульной стали составляют 350 кг на квадратный метр, что на 28 % ниже, чем у обычного железобетонного каркаса. Модульный вариант по-прежнему дороже на 8–15 % на старте, но сдача на 3–6 месяцев раньше даёт окупаемость 2.6 года с учётом временной стоимости денег.

Ограничения на площадке и перспективы

Три ограничения определяют организацию площадки, и для каждого есть практическое решение.

• Транспортировка и подъём: модули шириной более 6 м требуют прицепов с гидроопорами и мобильных подъёмных платформ, радиус поворота — не менее 15 м. Решение — сегментированные модули с болтовыми стыками по схеме «2+1».
• Жёсткость стыков: балки верхнего и нижнего модулей не работают совместно. Сквозное соединение «двойная балка — двойная колонна» повышает жёсткость примерно на 35 %.
• Огнестойкость и коррозия: открытые трубы требуют предела огнестойкости 1.5 часа. Аэрогелевое полотно толщиной 20 мм с огнестойким гипсокартоном 9 мм соответствует GB/T 9978-2008 и добавляет менее 8 кг на квадратный метр.

Дальше — трубы из стали Q690 со сверхвысокопрочным бетоном, которые должны уменьшить сечение колонн примерно на 20 % в жилых башнях высотой 100 м, и цифровое планирование производства, уже доведённое до 30 минут на модуль. С 2025 года Пекин и Шанхай требуют не менее 60 % заводской готовности в проектах государственного финансирования, поэтому модульные системы из квадратных труб займут быстровозводимое жильё, отели и больницы.

Частые вопросы

Какое сечение труб выбирают для каркаса модуля?

По умолчанию — замкнутые квадратные и прямоугольные профили: плоские грани упрощают болтовые стыки и крепление обшивки. Толщину стенки задают местная устойчивость и группа болтов в стыке; в приведённых примерах она составляет от 4 мм в гнутых профилях до 8 мм в сварных квадратных трубах.

Какие стали применяют в трубчатых модулях?

Сталь Q460 используют там, где нужно уменьшить сечение колонны, а Q690 испытывают в модулях повышенной этажности. Бетонное заполнение в самых высоких примерах достигает C80.

Как соединяют модули на площадке?

Только болтами. Типовой узел на боковых пластинах — колонна 200 мм × 200 мм с толщиной стенки 6 мм, боковые пластины 12 мм и высокопрочные болты 10.9S M20, что исключает сварку на площадке и её контроль.

Как обеспечивают огнестойкость открытых труб?

Аэрогелевое полотно толщиной 20 мм с огнестойким гипсокартоном 9 мм даёт предел 1.5 часа по GB/T 9978-2008 и добавляет менее 8 кг на квадратный метр, поэтому размеры элементов обычно не меняются.