Введение
Купольные покрытия широко применяются при строительстве объектов культурного, религиозного, спортивного и промышленного назначения и представляют собой один из наиболее сложных классов большепролётных конструкций [1, 2]. Многообразие геометрических и конструктивных систем металлических куполов определяет специфику методов их возведения [1]. В мировой практике для монтажа крупногабаритных купольных покрытий разработан ряд бескрановых технологий: метод гидравлического подъёма с наземной сборкой (Lift-Up) [3], системы пучковых домкратов на стренговых тросах (Strand Jack) [4] и методы интегрального подъёма с синхронизацией усилий в реальном времени [5].
Однако применение традиционных методов навесной сборки или укрупнительного монтажа с помощью грузоподъёмных механизмов сопряжено с рядом критических ограничений [6]. При возведении уникальных объектов, в условиях плотной застройки или при реконструкции разместить сверхтяжёлые гусеничные краны с необходимым вылетом стрелы технически невозможно или экономически нерентабельно [7].
Традиционный монтаж кранами неизбежно тянет за собой устройство временных сплошных лесов либо раскрепляющих башен в пролёте. При этом до замыкания опорного кольца незамкнутый купол находится в неустойчивом состоянии, что раздувает бюджет и затягивает стройку [8].
Альтернативой стали технологии подъёма собранных на нулевой отметке конструкций. Метод Lift-Up обеспечивает заводское качество сварных швов прямо на земле, однако предъявляет строгие требования к точности подготовки монтажной площадки [9, 10]. Если же строить приходится на слабых основаниях, технологически предпочтительнее выглядят пучковые домкраты Strand Jack [11].
При подъеме протяженных и гибких куполов главную опасность представляет ветровой резонанс. Для защиты от ветровых колебаний инженеры синхронизируют скорость движения поршней с собственной частотой опорных башен - данный подход получил название изопериодного подъема [12]. В свою очередь, электрогидравлические схемы Push-Pull на объектах средних пролетов применяются редко: затраты на эксплуатацию силовых маслостанций, прокладку магистралей высокого давления и постоянное присутствие специализированных наладчиков делают их экономически невыгодными [13, 14].
Бескрановое возведение невозможно без непрерывного контроля напряженно-деформированного состояния металлокаркаса [15]. Любая неравномерность натяжения тросов или штоков грозит локальной потерей устойчивости сжатых стержней. Для долговременного мониторинга оптимальны датчики на брэгговских решетках (FBG): оптоволокно не боится электромагнитных наводок от сварочных аппаратов и надежно компенсирует температурные удлинения стали [16, 17]. Высшим уровнем автоматизации стало внедрение монтажных цифровых двойников, в которых данные реальной тензометрии прямо во время подъема сопоставляются с расчетной моделью и мгновенно корректируют давление в домкратных группах [18].
Материалы и методы
Интенсивный рост строительного комплекса неизбежно сопровождается возрастанием доли объектов с большепролётными перекрытиями. Общий строительный объём зданий в период с 2000 по 2024 год увеличился в 4,3 раза: с 366,4 до 734,2 млн м³ [19].
Рис.1. Общий строительный объем зданий в период 2000-2024 гг.
Специфика крупногабаритных металлических куполов и большепролетных ферм исключает универсальность монтажных схем. Типовая несущая система такого купола (Рис. 2) представляет собой вантово-стержневую структуру, в которой внутреннее жёсткое кольцо воспринимает сжимающие усилия, а система диагональных и кольцевых тросов при помощи распорок формирует жёсткую форму покрытия.
Рис. 2. Троссовый купол из стальной рейки: 1.Стальная рейка в форме полосы;2. Диагональный трос, 3. Кольцевой тросс, 4. Распорка, 5. Внутреннее жесткое кольцо, 6. Наружняя сжимающая балка
Именно пространственная сложность и масса таких систем диктуют выбор специализированных технологий бескранового монтажа.
Мировой опыт строительства выработал три фундаментальных технологических подхода к подъёму крупногабаритных покрытий [20, 3, 4]:
- Метод гидравлического подъёма (Lift-Up) - полная наземная сборка конструктивного блока с последующим синхронным вертикальным подъёмом группой гидравлических домкратов на временных опорных башнях.
- Метод пучковых тросовых домкратов (Strand Jack / ATHC) - подъём конструкции с помощью гибких стальных пучковых тросов (стренг), перемещаемых гидравлическими цилиндрами с клиновыми захватами по принципу накопительной тяги.
- Интегральный метод с синхронизированными электрогидравлическими домкратами - управление несколькими домкратами с единого ПЛК с точностью позиционирования ±1-5 мм и алгоритмами ПИД-регулирования.
В условиях нового строительства на свободных площадках все три метода реализуются в полном объёме, поскольку площадка не накладывает ограничений на размещение временных подъёмных конструкций, насосных станций и вспомогательного оборудования.
Сравнительная характеристика всех трёх методов по ключевым технологическим параметрам, ограничениям и типам применяемых систем мониторинга, полученная на основе анализа литературы, приведена в Таблице 1.
Таблица 1
Сравнительная характеристика методов бескранового монтажа металлических пространственных конструкций
|
Объект / Тип конструкции |
Технология монтажа (Метод) |
Основное подъемное оборудование |
Характеристика конструкции / Параметры |
Преимущества и ключевые особенности метода |
|
Однослойный решетчатый стальной купол (Nagoya Dome, Япония)[3] |
Метод Lift-Up (Гидравлический подъем целиком) |
72 гидравлических домкрата VSL (непрерывного действия, по 240 тс) |
Масса кровли: 10 300 т. |
Укрупнительная сборка на уровне земли обеспечивает высочайшее качество сварки узлов. Достигается значительное сокращение сроков возведения (до 6 месяцев). |
|
Кровля большепролетного ангара (China Eastern Airline, Китай)[5] |
Асинхронный многоточечный подъем с применением КЭ-модели |
Интегральные гидравлические домкратные системы |
Массивная металлическая кровля единым блоком Стальная пространственная решётка |
Метод «одиночных и перемежающихся точек» для компенсации разницы высот; расчет и компенсация временных усилений. Повышенная надежность (коэффициент прочности 0.95). |
|
Шанхайский Гранд-театр (Китай)[13] |
Интегральный синхронный подъем |
Многоточечная система с программными логическими контроллерами (PLC) |
Тяжеловесная кровельная конструкция массой более 6000 т. |
Впервые применена архитектура «эталонная станция – следящие станции» для обеспечения синхронизированного подъема огромной массы. Высочайшая точность (допуск 4 мм). |
|
Универсальная большепролетная система (Система безостановочного подъема, Китай, патент)[4] |
Безостановочный (непрерывный) тягово-подъемный метод |
Пучковые цилиндры с функцией плавного перехвата нагрузок |
Полужесткие или жесткие крупногабаритные блоки. |
Реализация алгоритма двухкритериальной оптимизации для плавности хода. Минимизация инерционных и динамических перегрузок при передаче веса с одного цилиндра на другой. |
Метод гидравлического подъёма (Lift-Up)
Принцип работы
Метод гидравлического подъёма (Lift-Up) основан на полной наземной сборке конструктивного блока с последующим синхронным вертикальным подъёмом с применением группы гидравлических домкратов, расставленных по периметру или в узловых точках передачи нагрузки [3]. Домкраты, как правило, устанавливаются на временных опорных башнях (lifting trestles), высота которых определяется проектной отметкой монтируемой конструкции [3].
Главный плюс технологии — перенос 90% сварки и сборки на землю, что гарантирует контроль качества швов и убирает опасные высотные операции. Подъём ведется пошагово (шаг 10–50 мм) при постоянной выверке усилий контроллером ПЛК [5].
Мировой опыт
Яркий пример — возведение стадиона Nagoya Dome (Япония, 1996 г.). Решётчатую стальную оболочку (диаметр 187 м, вес 3600 т) подняли на рабочую высоту при помощи 48 синхронизированных гидродомкратов [3]. Контроль велся по 24 точкам с жесткими допусками: перекос по горизонтали не более 80 мм, разброс усилий до 35 кН [3].
Аналогичный метод применялся при строительстве ангара China Eastern Airline (Китай). Особенностью данного объекта стала необходимость контроля нагрузки в процессе подъёма с применением датчиков давления в гидросистеме, инклинометров, датчиков перемещения и управляющей системы на базе PLC. Предельный перепад высот между опорными точками не превышал 15 мм [5].
Российский опыт
Метод гидравлического подъёма нашёл применение при строительстве ряда крупных объектов в России.
Стадион «Фишт» (Сочи, 2013–2014 гг.) — олимпийский стадион вместимостью 40 000 мест, возведённый к Олимпийским играм 2014 г. Металлическая кровля стадиона представляет собой двускатную пространственную конструкцию массой около 8 000 т с пролётом 210 м. Подъём каждой из двух симметричных половин кровли осуществлялся системой гидравлических домкратов с временных стапельных конструкций, установленных на трибунах стадиона. Суммарное усилие подъёма составляло порядка 80 МН; синхронизация обеспечивалась единой системой управления с допустимым отклонением уровня между опорными точками не более 20 мм [21,22].
Многофункциональный комплекс «Крокус Сити Холл» (Москва, расширение 2014–2016 гг.) - при монтаже большепролётных ферм покрытия над зрительным залом применялся метод гидравлического подъёма в условиях ограниченного пространства существующей застройки. Особенностью явилось использование самоподъёмных опорных конструкций, исключавших установку тяжёлых башенных кранов в зоне монтажа [22].
В России при строительстве олимпийских сооружений инженеры фактически адаптировали импортные технологии подъёма под отечественные нормативные требования СНиП и СП [21].
Системы мониторинга
Инструментальный контроль при Lift-Up включает [3,5]:
- давление в гидросистеме и фактические усилия на штоках (динамометры);
- отметки вертикального перемещения узлов (энкодеры);
- смещения опорного контура по горизонтали (GNSS и тахеометрия);
- деформации металла (тензорезисторы, FBG-датчики);
В исследовании Fan Bo et al. [23] подобный комплекс применили на пролёте 250×133 м (14 точек подъёма), удержав горизонтальный сдвиг в пределах ±5 мм.
Технология пучковых домкратов (Strand Jack / ATHC)
Особенности технологии
Конструкцию поднимают на гибких стальных тросах (стренгах), протягиваемых сквозь гидроцилиндры с клиновыми зажимами [4,20]. Процесс состоит из рабочих тактов (вытягивание на 150–300 мм) и перехватов нагрузки. На высотах от 25–30 м пучковые домкраты полностью вытеснили жесткие штоковые системы, так как длина каната практически не ограничена. Мощность одного узла Strand Jack достигает 3000 т при точности до ±4–15 мм [4]
Рис. 3. Монтаж с помощью пучковых домкратов
Мировой опыт
Пример монтажа вантового купола 144 м описан Ding et al. [4]. Схема с 48 домкратами обеспечила точность синхронизации ±4 мм под управлением ПЛК. Zhang et al. [5] смоделировали работу группы домкратов на многопролётных строениях, определив главную опасность: рассинхронизацию тяговых усилий и последующую потерю устойчивости стержней. Развивая тему мониторинга, Liu and Wang [18] предложили алгоритм управления подъёмом через единую цифровую модель (цифровой двойник). Системы управления на основе концепции цифрового двойника. Система интегрирует данные от физических датчиков, численные модели конструкции и алгоритмы прогнозирования НДС для управления процессом подъёма в реальном времени. Архитектура системы, включающая блоки подключения физических объектов, управления данными (модель данных, PLM-платформа, хранилище, аналитика) и визуализации, представлена на рисунке 1.
Рис. 4. Архитектура системы цифрового двойника для мониторинга монтажа пространственных конструкций (по [18]: Liu Y., Wang C. Digital twin-based real-time monitoring and control system for integral lifting of multi-span steel roof // Automation in Construction. — 2021. — Vol. 122. — P. 103487.)
Принципиально новый подход к мониторингу положения при подъёме предложен в работе [24], где разработана система на основе машинного зрения. Промышленные монохромные камеры (5 МП, 30 кадр/с) отслеживают светоотражающие маркеры на узловых точках конструкции, реконструируя их 3D-положение в реальном времени с точностью ±2 мм при дальности до 50 м. Система охватывает до 20 точек подъёма одновременно при задержке обработки менее 100 мс.
Российский опыт
Стадион «Волгоград Арена» (Волгоград, 2016–2017 гг.) - наиболее масштабный российский пример применения технологии пучкового подъёма. Вантовая кровля типа «велосипедное колесо» диаметром 255 м и массой около 3 100 т была смонтирована и поднята с уровня земли методом Strand Jack [25]. Конструкция кровли представляла собой систему из 96 верхних и 96 нижних вантов, соединённых через центральное сжатое кольцо диаметром 30 м и наружное опорное кольцо. Подъём осуществлялся 24 пучковыми домкратами (по 12 с каждой стороны), установленными на верхних опорных колоннах. Монтаж производился в несколько циклов; синхронность подъёма контролировалась единой системой управления, допустимое отклонение уровня между точками подъёма составляло не более 25 мм [25, 26].
В процессе подъёма проводился непрерывный мониторинг: контроль усилий в домкратах (датчики давления в гидросистеме), нивелирование контрольных точек по периметру кровли геодезическими инструментами, контроль деформаций опорных колонн стрежневыми тензометрами. Общее время подъёма конструкции с нулевой отметки на проектную высоту +39 м составило около 30 часов [26].
Стадион «Самара Арена» (Самара, 2017–2018 гг.) — купольная кровля диаметром 240 м с куполообразным покрытием, возведённая с применением комбинации метода надвижки и пучкового подъёма центрального светового фонаря. Для безопасного перевода купола в самонесущее состояние выполнялась процедура многоточечного синхронного раскружаливания на временных опорах с помощью домкратных систем, а контроль осадок и деформаций консолей проводился методом высокоточного геодезического мониторинга [27].
Системы мониторинга
При применении метода Strand Jack контролируются [4, 16, 18, 24]:
- усилия в стренгах каждого домкрата (датчики давления, динамометры);
- вертикальные и горизонтальные перемещения узловых точек (лазерные тахеометры, GNSS, машинное зрение);
- напряжения в несущих элементах (тензометры, FBG-датчики);
- синхронность хода домкратов (энкодеры, PLC);
- температурные деформации (термопары, FBG с температурной компенсацией).
Главным критерием безопасности подъема с помощью пучковых домкратов выступает строгий контроль перепада высот между смежными точками подвеса: допуск не должен превышать 15–25 мм [4, 5]. При большем расхождении усилий стержни каркаса перегружаются, что нарушает проектную схему.
Рис. 5.Топология размещения инструментальных датчиков и принцип оценки НДС продольных элементов металлического каркаса
Сводные данные по контролируемым параметрам на крупнейших объектах систематизированы в Таблице 2.
Таблица 2
Системы аппаратурного мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) при монтаже
|
Объект / Тип конструкции |
Контролируемые параметры монтажа |
Применяемые типы датчиков инструментального контроля |
Алгоритмы анализа и контроля в реальном времени |
Допуски, ограничения и пределы безопасности |
|
Однослойный решетчатый стальной купол (Nagoya Dome, Япония)[3] |
Ход (перемещения) штоков домкратов; давление гидравлики; пространственные геометрические отклонения |
Энкодеры хода штока (48 шт.); датчики давления масла (24 шт.); ультразвуковые дальномеры (8 шт.) |
Синхронизация данных от 24 гидроузлов через единый вычислительный центр на базе ПК-системы (Windows). |
Макс. перепад высот соседних точек < 35 мм. |
|
Кровля большепролетного ангара (China Eastern Airline, Китай)[5] |
Нагрузка на каждой точке подъема; перепад высот между точками; напряжения напряженно-деформированного состояния; деформации опор |
Лазерные дальномеры; прецизионные датчики давления масла; тензометры для контроля НДС металла |
Интеграция с расчетной КЭ-моделью; использование системы с жесткой обратной связью, мгновенно останавливающей процесс при отклонениях. |
Предельно допустимый перепад высот между точками жестко ограничен 15 мм. |
|
Шанхайский Гранд-театр (Китай) [13] |
Высотные отметки подъема (ошибка синхронизации); углы отклонения от горизонтали; флуктуации давления |
Датчики угла поворота на станциях; датчики точного положения поршня; датчики состояния анкеров (on/off |
Применение связки PLC и микропроцессорных ЦСПД-регуляторов. Моделирование и компенсация ветровых ветровых возмущений программными алгоритмами. |
Максимальная погрешность синхронизации хода не превышает 4мм. |
|
Универсальная большепролетная система (Система безостановочного подъема, Китай, патент)[4] |
Положение поршней пары смежных цилиндров (для вычисления точки перехвата); состояние силовых анкеров |
4-позиционные датчики положения поршня; датчики блокировки/разблокировки анкеров |
Система управления на основе оптимизированных параметров скорости схождения и хода перехвата цилиндров (двухкритериальный алгоритм). |
Строгий контроль динамических рывков; обеспечение плавности перехода без перегрузок в тросовой системе. |
Интегральный метод с электрогидравлическими домкратами (применение в новом строительстве)
Принцип работы
Интегральный подъем отличается от схемы Lift-Up цифровой автоматизацией: промышленный ПЛК координирует работу десятков гидродомкратов, удерживая точность перемещения в пределах ±1-5 мм [20]. В узлах подъема монтируют датчики давления, линейные преобразователи LVDT и контроллеры с алгоритмами перекрестной связи (Cross-Coupling Control, CCC), компенсирующие рассинхронизацию штоков.
Chen et al. [13] описали электрогидравлическую пропорциональную систему управления для синхронного подъёма кровли с 4 цилиндрами грузоподъёмностью 500 кН каждый. Система на базе Siemens S7-300 с пропорциональными клапанами Bosch Rexroth обеспечивала максимальную погрешность синхронизации не более ±2 мм при частоте опроса датчиков 100 Гц. Для новых объектов большого пролёта данный метод применяется в сочетании с традиционными временными опорными конструкциями и обеспечивает высокую производительность при минимальных требованиях к квалификации оперативного персонала.
Мировой опыт
Технически детально описана система синхронного подъёма стального надземного перехода между двумя высотными башнями в работе [12]. Авторы применили систему со сдвоенной синхронизацией нагрузки и перемещения. Мониторинг на базе FBG-датчиков и акселерометров позволил в реальном времени отслеживать деформации ключевых узлов, углы наклона и динамические характеристики.
Smith and Dornan [14] провели экономический анализ последовательных гидравлических систем подъёма применительно к объектам класса «мегаструктура». Установлено, что последовательные системы на 35-45% экономичнее полностью синхронных, а оптимальное число точек подъёма для пролётов 100-200 м составляет 8-16. Вместе с тем авторы однозначно констатируют: последовательные системы не рекомендуются для условий реконструкции при наличии ветхих существующих конструкций.
Бескрановые методы монтажа в условиях реконструкции
Специфика реконструкции и её ограничения для бескранового монтажа
Реконструкция в понимании ст. 1, п. 14 Градостроительного кодекса РФ [28] охватывает в том числе замену несущих строительных конструкций объекта. Применительно к монтажу крупных пространственных покрытий это означает, что работы производятся:
- с опиранием на существующие несущие конструкции здания (стены, колонны, трибуны), несущая способность которых может быть исчерпана или снижена вследствие длительной эксплуатации;
- в ограниченном рабочем пространстве, исключающем размещение крупных временных монтажных башен;
- при жёстких ограничениях на динамическое воздействие: резкие изменения нагрузки недопустимы из-за хрупкости старых конструкций;
- при обязательном требовании механической «мёртвой фиксации» конструкции при любом отказе в подъёмной системе.
Как показывают Smith and Dornan [14], высокопроизводительные методы нового строительства (последовательный подъём, Strand Jack) принципиально не рекомендованы для условий с ветхими существующими конструкциями. Требования реконструкции формируют собственную методологию монтажа.
Метод синхронного локального подъёма при замене несущих элементов
Для реконструкции объектов, где требуется замена отдельных несущих элементов существующей кровли без полного демонтажа, разработан метод синхронного локального подъёма. Luo et al. [29] предложили метод замены сжатых стержней в большепролетных стальных пространственных решётчатых конструкциях с применением 4-6 гидравлических домкратов на зону замены.
Интегральный метод с электрогидравлическими домкратами (применение при реконструкции)
При реконструкции данный метод применяется в адаптированном исполнении: уменьшается число точек подъёма, снижается скорость подъёма, и вводятся дополнительные ограничения по допустимым отклонениям, определяемые несущей способностью существующих опорных конструкций [12].
Дополнительно к стандартному мониторингу вводится контроль существующих несущих конструкций здания [15]:
- деформации существующих колонн и стен (тензометры, инклинометры);
- несущая способность опорных узлов (динамометры в шарнирных опорах);
- трещинообразование в железобетонных конструкциях (трещиномеры, акустическая эмиссия);
- осадки фундаментов (нивелирование, осадочные марки по ГОСТ [15]).
Результаты
Обобщение данных по 12 реализованным объектам позволило разграничить области рационального применения подъемных технологий:
По параметрам эффективности подъемные методы распределяются следующим образом:
1. Метод Lift-Up экономически оправдан при подъеме сверхтяжелых жестких блоков массой 3600-10 300 т на высоты 22-48 м (как на стадионе Nagoya Dome). Технология требует просторной площадки для наземной сборки; допуск по перекосу горизонтали составляет 80 мм при шаге подъема 10-50 мм за цикл.
2. Пучковые комплексы Strand Jack незаменимы при монтаже на высотах свыше 25-30 м и на площадках со слабыми грунтами основания. Длина гибких стренг не ограничена; каждый домкратный узел развивает тяговое усилие до 3000 т при ходе поршня 150-300 мм и позиционировании с точностью ±4-15 мм
3. Интегральный электрогидравлический метод с ПИД-регулированием оптимален для геометрически асимметричных куполов. Внедрение замкнутого цикла управления с частотой опроса датчиков 100 Гц обеспечивает минимальный перекос конструкции - не более ±2-4 мм.
В части аппаратурного мониторинга напряжённо-деформированного состояния (НДС) установлено дифференцирование допусков в зависимости от технологии:
- Для метода Lift-Up предельный перепад высот опорных точек не должен превышать ≤ 35 мм;
- При интегральном подъёме с КЭ-моделью критический порог снижается до ≤15 мм;
- Для технологии ATHC определяющим является не абсолютный сдвиг, а угловое наклонение (αmax≤0,7×10−3рад) и асинхронность смежных узлов (βmax≤50).
При выполнении работ в условиях реконструкции выявлена неизбежность перехода от традиционных крановых схем к локальному подъёму гидродомкратами (по 4-6 единиц на локальный узел замены стержней). Инструментальный контроль при этом дополняется обязательным мониторингом осадок существующих фундаментов по ГОСТ [15], а также фиксацией акустической эмиссии в железобетонных опорах.
Использование цифровых двойников с FBG-тензометрией снижает расхождение реальных напряжений с расчетными до уровня менее 5%, обеспечивая коэффициент запаса прочности 0,95 и удерживая рабочие напряжения в металле не выше 84 МПа.
Заключение
На основе выполненного сравнительного анализа сформулированы следующие выводы:
1. Выбор технологии монтажа куполов определяется массогабаритными параметрами конструкций (270-10 300 т) и стесненностью стройплощадки. На свободных площадках нового строительства максимальный эффект дает метод Lift-Up, исключающий до 90% верховых сварочных работ. В условиях плотной городской застройки и реконструкции наибольшую надежность обеспечивают пучковые домкраты Strand Jack.
2. Безопасность работ достигается сквозным мониторингом на стадиях сборки на земле, монтажа оснастки, непосредственного подъема и проектного раскрепления. Состав приборов строго ориентирован на способ подъема: линейные энкодеры - для Lift-Up; контроль углового наклона и асинхронности - для систем Strand Jack.
3. При реконструкции эксплуатируемых зданий замена несущих элементов требует перехода к локальному подъему малыми домкратными группами с параллельным наблюдением за деформациями существующих конструкций и осадками фундаментов.
4. Перспективным направлением бескранового монтажа является внедрение систем реального времени на базе цифровых двойников и FBG-датчиков, позволяющих корректировать усилия домкратов без прерывания подъема.
