Современное мостостроение в России
Мостостроение является одним из важнейших направлений инфраструктурного развития нашей страны. России нужны как дороги, так и современные надежные мосты, способные обеспечить безопасное и комфортное движение транспорта.
Сегодня отечественные архитекторы при строительстве мостов применяют новейшие инженерные решения, технологии и материалы. Их проекты становятся не просто функциональными элементами инфраструктуры, но и выглядят как настоящие произведения архитектурного искусства, украшающие облики российских городов.
Современные технологии возведения мостов
В сравнении с другими строительными отраслями мостостроение и по сей день остается одним из самых консервативных направлений. Это вызвано не столько отсутствием новшеств (они, безусловно, есть), сколько долгим согласованием, внедрением и проверкой любых новых решений. Безопасность по-прежнему стоит в приоритете.
Материалы
И все же положительные изменения есть. И в первую очередь они заметны в области используемых материалов.
Бетон
Еще 20 лет назад базовым стройматериалом являлся бетон. Он имел два неоспоримых преимущества: прочность и долговечность. Дополнительным бонусом шли универсальность, относительная дешевизна и низкие затраты на техническое обслуживание
Бетон может принимать различные формы, что позволяет реализовать любые архитектурные решения. Он до сих пор является одним из наиболее доступных строительных материалов в плане цены, особенно при наличии близлежащих источников сырья. И наконец, бетонные мосты требуют меньших затрат на ремонт и содержание, в сравнении с конструкциями из других материалов.
Главным недостатком материала является его тяжеловесность. Массивные бетонные мосты оказывают значительную нагрузку на грунт, что при определенных условиях усложняет их возведение. Например, при строительстве бетонного моста через реку для повышения судоходности нередко требуется увеличить длину пролетов между опорами. Именно вес конструкции становится основным препятствием для реализации этой идеи.
Сверхлегкий бетон
Сверхлегкий бетон — это специальный вид бетона, который обладает более низкой плотностью по сравнению с обычным бетоном. Благодаря этому существенно снижается нагрузка на фундаменты и опоры мостов.
Несмотря на низкую плотность, за счет применения специальных добавок и армирования сверхлегкий бетон обладает достаточно высокой прочностью на сжатие (до 60 МПа). То есть снижение общего веса конструкции происходит не за счет ущерба ее прочности.
Также стоит отметить устойчивость к воздействию агрессивных факторов окружающей среды. Легкий бетон коррозиестоек. К тому же малый вес материала значительно облегчает транспортировку и монтаж.
Нанокомпозиты
Нанокомпозитные материалы привлекают своими отличными эксплуатационными характеристиками. В чистом виде это добавки вроде молибдена и ванадия. При введении их в состав стальной арматуры они усиливают ее прочность, повышают стойкость к воздействию внешних температур.
Как известно, низкие температуры воздействуют на микроструктуру этого материала, делая его более хрупким. Добавление в состав нанокомпозитов решает эту проблему. Из такой стали изготавливается арматура, отдельные элементы моста, сварные конструкции.
Нанокомпозиты могут вводиться в состав бетона или использоваться в процессе сварки. Например, присадки, содержащие кальций и магний, уменьшают размер ферритных и цементитных фаз стали, делая соединение более прочным и долговечным
Стеклопластик
Стеклопластиковые конструкции значительно легче традиционных железобетонных или металлических аналогов. Это позволяет снижать нагрузки на мостовые опоры и фундаменты. К тому же стеклопластик устойчив к коррозии, старению, истиранию и внешним воздействиям.
Благодаря малому весу (менее 20% от веса железобетона) и модульной конструкции, стеклопластиковые элементы мостов легче транспортировать и собирать на объекте. Первый автомобильный мост из стеклопластика был возведен в России еще в 2014 году. С тех пор материал все чаще применяют в российском мостостроении в качестве альтернативы ряда железобетонных элементов.
Однако инновационными решениями изобилует не только материалы.
Префабрикация
Современные мостостроение все чаще использует метод префабрикации. Его суть заключается в переносе части строительных процессов на завод, где заранее изготавливаются конструкции или их отдельные части, которые затем доставляются на строительный объект.
Такой подход позволяет:
- сократить сроки строительства;
- повысить качество изготовления за счет использования сверхлегких материалов;
- снизить затраты;
- уменьшить зависимость от погодных условий (на сборку в заводских условиях не влияет погодный фактор);
- повысить безопасность (снижаются риски, связанные с работой строителей на высоте).
Именно использование новых композитных материалов предоставило возможность чаще использовать метод префабрикации. Уменьшение веса конструкций, узлов и отдельных мостовых элементов позволило обеспечить их последующую транспортировку к объекту, что в случае с железобетоном не представлялось возможным.
Чаще всего на заводах, собирают следующие виды префабрикатов:
- пролетные строения мостов;
- опоры и фундаменты;
- подпорные стены;
- парапеты и ограждения;
- дорожные плиты.
Использование метода префабрикации позволяет значительно повысить эффективность строительства мостовых сооружений.
Новейшая техника
Инновационные технологии мостостроения сложно представить без использования новейшей прогрессивной техники. Одним из таких примеров является гигантский мостоукладчик SLJ900/32.
Это уникальная китайская разработка, предназначенная для быстрого возведения больших мостовых пролетов. Мостоукладчик был создан компанией Wowjoint Machinery специально для проекта возведения группы мостов при строительстве дороге из Пекина в Монголию.
Вес машины — 580 тонн. Длина — 90 метров, высота — 9, а ширина — более 7. Мостоукладчик может осуществлять работу с бетонными блоками массой до 9 тысяч тонн. Его конструкция состоит из огромной самоходной стрелы, установленной на специальном шасси с 48 колесами. Стрела способна поворачиваться на 360 градусов.
Интересен и принцип работы мостоукладчика SLJ900/32:
- Предварительно на разных концах будущего моста устанавливаются опоры.
- Мостоукладчик подъезжает к началу пролета и поднимает с помощью стрелы огромные сборные секции моста весом до 1800 тонн.
- Аккуратно перемещая стрелу, мостоукладчик устанавливает эти секции на опоры, формируя пролет.
Таким образом, SLJ900/32 может сооружать мостовые пролеты длиной до 300 м.
Использование мостоукладчиков значительно сокращает время строительства моста, позволяет сэкономить на трудоресурсах, дает возможность возводить мостовые сооружения в труднодоступных районах. В России только присматриваются к использованию мостоукладчиков, производя все работы, связанные с возведением мостов традиционным методом с помощью кранов.
Новые методы мониторинга
Ключевым фактором, обеспечивающими безопасность и надежность мостов, является мониторинг процесса их возведения.
Для этого устанавливаются датчики для отслеживания деформаций, напряжений, нагрузок и вибрации, проводятся регулярные инспекции по оценке состояния ключевых элементов, контролируется воздействие внешних факторов.
В последние годы все чаще применяются БПЛА, которые позволяют получать визуальную информацию с труднодоступных или опасных для человека участков конструкции. Аппараты также используются для регулярной высокочастотной съемки, позволяющей отслеживать ход строительных работ и изменения в состоянии конструкций. На основе материала создаются 3D-модели и ортофотопланы, которые помогают строителям точно оценить геометрические параметры моста.
Применение БПЛА существенно повышает эффективность контроля за ходом строительства, обеспечивая высокую точность, безопасность и оперативность обследований.
Инновационные конструктивные решения
Если говорить о конструктивных решениях, то первое, что приходит на ум – это участившееся строительство висячих и вантовых мостов для больших пролетов.
Первые представляют собой конструкцию с основным несущим элементом в виде гибких железобетонных кабелей, подвешенных между опорами. Они образуют параболическую или каскадную форму, поддерживая проезжую часть моста. Главными преимуществами таких сооружений является минимальный расход материалов, эстетичность и возможность преодоления очень больших пролетов (до 2000 м).
Вантовый мост состоит из высоких пилонов, от которых к проезжей части отходят наклонные стальные тросы-ванты. Они воспринимают нагрузку и передают ее на пилоны, обеспечивая жесткость конструкции. Русский мост во Владивостоке является примером удачного возведения подобной инженерной конструкции.
Инновации заметны и в сфере традиционного мостостроения. Здесь инженеры активно работают над эффективными конструкциями опор, способными противостоять сейсмическим нагрузкам и экстремальным воздействиям.
Отдельно стоит упомянуть применение шок-трансмиттеров. После решения строить Крымский мост, возник резонный вопрос о возможной сейсмической и динамической нагрузке на конструкции сооружения. Трансмиттеры, установленные между опорами и пролетами моста, обеспечивают небольшое смещение последних при воздействии высоких температур и равномерно распределяют нагрузку между опорами при землетрясении.
Основные этапы строительства
Процесс возведения моста требует тщательного планирования. Поэтому любая стройка начинается с предпроектных исследований. Как правило, они включают инженерно-геологические изыскания, оценку гидрологических условий и предварительные расчеты нагрузок и прочности.
Специалисты изучают топографические карты района, геологические отчеты, оценивают рельеф, гидрогеологические условия, строение грунтов. Также возможно проведение геофизических исследований и испытание грунтов (статическое и динамическое зондирование, пробные нагрузки).
Проектирование
При создании проекта сначала разрабатывается конструктивная схема моста. Определяется тип мостового сооружения (балочный, арочный, висячий, вантовый), его высота, длина моста и пролетов, тип и конструкции опор.
На этапе проектирования подбираются материалы, производится расчет и проектирование фундаментов и опор. Обязательно разрабатывается проектная и рабочая документация.
Начало работ
Подготовительный этап начинается с расчистки и планировки строительной площадки, устройства подъездных путей и временных сооружений. Дополнительно организуются складские и бытовые помещения.
Тип фундамента определяется еще на этапе проекта. В зависимости от условий грунта это может быть ленточный, свайный, плитный или буронабивной фундамент. Далее следуют работы по возведению опор (бетонных, металлических или комбинированных) или установка анкерных систем для висячих и вантовых мостов. Все зависит от того какая конструкция возводится.
Монтаж пролетных строений или установка вант
Сборка металлических или железобетонных ферм может осуществляться как на месте стройки объекта, так и непосредственно на заводе-изготовителе. После их закрепления начинается этап монтажа пролетов (чаще всего методом надвижки). По окончании настилается дорожное полотно, устанавливаются перила и ограждения.
При возведении вантовых конструкций монтируются высокопрочные тросы, натягиваются и закрепляются на опорах кабели, а вантовые элементы присоединяются к пролетным строениям.
Завершающие работы
На заключительном этапе строятся подходы к мосту, организуется освещение, наносится дорожная разметка, устанавливаются знаки.
Обязательно проводятся пусконаладочные работы, статические и динамические нагрузочные испытания.
Проблемы современного мостостроения
Одной из базовых проблем мостостроения в России всегда были сложные геологические и климатические условия. На внушительной части нашей страны присутствуют вечномерзлые, заболоченные, заторфованные и другие виды неустойчивых грунтов.
Ряд регионов характеризуется сейсмической активностью. Погоду определяет континентальный климат с перепадами температур, заморозками и оттепелями. Кроме того, большинство рек зимой замерзает, а, как известно, ледообразование требует дополнительной защиты мостовых конструкций. Возведение мостов в таких условиях существенно усложняет работу инженеров и увеличивает стоимость строительства.
Вторая проблема, связана с возведением вантовых мостов. В России отсутствует национальный стандарт по их проектированию. В связи с этим возникают вопросы, связанные с безопасностью эксплуатации самих мостов, долговечности используемых материалов. Отсутствие единых принципов и методов проектирования вантовых мостов усложняет их строительство и эксплуатацию и мешает оптимизировать затраты, связанные с организацией строительства.
Также в России нет стандарта по использованию несъемной сталефибробетонной опалубки при возведении пролетов монолитного типа. Сталефибробетон известен своей повышенной трещиностойкостью. К тому жен он позволяет сократить сроки работ и трудозатраты на проект. Бетон этого вида применяется в мостостроении для увеличения несущей способности и повышения устойчивости к деформациям.
Недостаток производства полимерных композиционных материалов – тоже является одной из проблем современного мостостроения. Их дефицит ограничивает возможность использования новейших конструкций и форм мостовых сооружений, увеличивает сроки строительных работ в сравнении с другими странами.
Импортозамещение в строительстве мостов
Международные санкции достаточно сильно повлияли на сферу российского мостостроения. Рынок покинула американская компания «Maurer», производившая деформационные швы, норвежские и немецкие производители антикоррозийных системы защиты. Однако им на место пришли российские компании с менее известными именами, но качественной продукцией, которая почти не уступает импортным аналогам.
У ряда строительных организаций возникли проблемы с обслуживанием уже имеющейся спецтехники «New Holland», «JCB», «Liebherr», «Bauer». Решением стали поставки деталей и техники через ОАЭ, Казахстан и Армению. Конечно, цена закупок и сроки поставок увеличились, но не то, чтобы очень критично.
Большой выбор мостостроительной техники предлагает Китай. При этом в плане качества и надежности спецтехника из Поднебесной мало в чем уступает европейцам и американцам. Российские производители также увеличили выпуск буровых установок, гидроподъемников и автовышек.
Оснащение для вантовых мостов долгие годы закупалось в Швейцарии и Франции. Например, ванты для знаменитого Русского моста во Владивостоке поставляла французская компания Freyssinet. В настоящее время мостовые канаты закрытого типа производятся на российском предприятии «Северсталь», а системы преднапряжения выпускаются компанией «СТС» (Современные Технологии Строительства).
Выпуск шпунтовых свай налажен на предприятиях концерна «Северсталь». Холодногнутые шпунты позволяют снизить стоимость строительства почти на 30%, а многогранные можно использовать даже в Арктической зоне.
Инновационные проекты
Одним из самых амбициозных и обсуждаемых проектов является массовое возведение алюминиевых мостов. В Европе подобные искусственные сооружения возводятся с 1990 года, в России первый алюминиевый мост был построен еще в 1969 году в Ленинграде. При этом последние его исследования показали, что даже спустя более чем полвека, ни его несущая способность, ни отдельные элементы не пострадали.
С 2017 года в России было возведено несколько пешеходных мостов, однако к строительству автодорожных видов еще не приступили. Их возведение требует модернизации нормативной базы. Так, в 2019 году Минстрой РФ принял по алюминиевым мостам свод правил СП 443.1325800.2019, теперь же изменений ждут своды и нормативы, регулирующие процессы монтажа и обследования.
Строительство алюминиевых мостов в России активно поддерживается на государственном уровне как эффективный способ развития инфраструктуры в труднодоступных районах и на территориях Арктической зоны.
Что нужно сделать перед началом реставрации
Современные технологии обследования исторических объектов помогают более качественно оценить их текущее состояние и подготовить к реставрации.
Многие исторические объекты Санкт-Петербурга находятся в неудовлетворительном состоянии. Об этом неоднократно заявляли и в КГИОП. По данным ведомства, на проведение одномоментных восстановительных работ на объектах наследия городу требуется около 100 млрд рублей. Таких средств у Смольного нет. Реставрационные работы проводятся в плановом порядке. Ряд объектов восстанавливается на федеральные деньги, но тоже в порядке очереди.
Некоторым историческим зданиям везет больше остальных. Их реставрацией, не откладывая на потом, занимаются собственники или меценаты. Перед восстановительными работами обязательно проводится обследование. На основе полученных данных определяются первоочередные задачи по реставрации и сохранению объекта.
На основе стандартов
Техническое обследование и реконструкция объектов наследия регулируются Законом № 73-ФЗ «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов РФ», а также ГОСТ 55528-2013, ГОСТ Р 56198-2014 и др. Существуют различные методики изучения состояния зданий. Они согласовываются, как и сама дальнейшая реставрация, с надзорным ведомством.
Заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов» Сергей Лазарев обращает внимание на правовой казус. По его словам, главная работа на объектах реставрации – это обследование конструкций зданий и сооружений. Несколько лет назад Минстрой РФ признал эти работы относящимися к архитектурно-строительному проектированию, то есть не входящими в изыскательскую сферу. Однако, добавляет Сергей Лазарев, на основании обследований проектировщиков зачастую проводится геотехнический мониторинг уже силами изыскательских организаций. Как правило, это вибрационный контроль в процессе строительства, контроль уровня грунтовых вод, а также геодезический мониторинг деформаций зданий и сооружений.
Эксперты отмечают, что реставрация и эксплуатация объектов наследия повышают требования и к методам диагностики состояния такого объекта. По словам генерального директора компании «КБК Проект» Василия Костина, схематично весь процесс технического обследования объектов реставрации можно свести к проведению следующих видов работ. Первый из них – это историко-архивные изыскания. Они обязательны. Далее, как и при обследовании обычных объектов, проводятся конструктивные обмеры с последующими проверочными расчетами грунтов основания, фундаментов, стен, сводов и балок. Также определяется прочность кладки, фасадов, покрытий и т. д. Затем подготавливаются технические рекомендации и решения, которые будут задействованы в реставрации объекта.
В щадящем режиме
По мнению игроков рынка, в настоящее время появилось достаточно много видов обследования и мониторинга. Часть из них относится к щадящим технологиям, т. е. проводится без проникновения в конструктив. Специалисты рассказывают, что не во всех компаниях внедрены новшества из-за их относительной дороговизны. Тем не менее, новые технологии все более востребованы на рынке, ввиду их большей эффективности, и исследовательские организации будут их задействовать все активнее.
Для исследования объектов наследия, как рассказывает руководитель направления капитального строительства ИТ-компании КРОК Анна Фейнберг, сейчас используется лазерное сканирование – одна из современных технологий, которая позволяет оперативно и точно получить данные о состоянии здания и его конструктивных элементов. «Этот метод сверхточный и бесконтактный, поэтому его можно использовать и для хрупких конструкций. Принцип технологии заключается в измерении расстояний от сканера до поверхности объекта и формировании на основе этого наборов (облаков) точек с пространственными координатами. Съемка ведется со скоростью более миллиона точек в секунду и высокой точностью – до 5 мм. За счет этого объединение облаков точек позволяет создать цифровую модель объекта и зафиксировать, например, увеличение нагрузки на несущие элементы и трещины в материалах», – отмечает она.
Кроме того, по словам эксперта, обследовать состояние фундамента реставрируемого здания позволяет технология шурфования. Также могут потребоваться послойная механическая расчистка поверхностей, лабораторный анализ проб материалов, проверка прочностных показателей несущих конструкций ультразвуком или неразрушаюшим методом. Ультразвук, например, позволяет оценить прочность глубинных слоев материала, при этом стоимость исследования относительно невысока.
Наиболее перспективный метод техобследования, по мнению Василия Костина, – это создание единой цифровой модели реставрируемого объекта на основе объединения данных, полученных путем ультразвукового и лазерного сканирования. «Это значительно уменьшает количество ошибок при обмерах и последующем расчете конструктива. Например, при реставрации арок и сводов из кладочного материала, где даже небольшие ошибки в определении геометрии несущих конструкций могут привести к обрушению», – подчеркнул он.
Мнение
Сергей Лазарев, заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов», эксперт «Деловой России»:
– Очень интересный вид изыскательских работ, который не востребован на данный момент в полной мере в области реставрации зданий культурного наследия, – это лазерное 3D-сканирование объекта, для сохранения цифровой модели со всей архитектурой на компьютере. Технологии лазерного сканирования не внедряются в этот сегмент, в связи с тем, что реставраторы – это люди «старой школы» и они далеки от компьютерных программ, которые используются в работе при 3D-сканировании. Вторая причина задержек, о которой я недавно услышал от реставраторов, – это то, что сметная стоимость реставрационных работ не подразумевает лазерного сканирования вследствие дороговизны и поэтому до сих пор используются классические технологии фиксации архитектуры на основе кальки. Третья причина – то, что не внедряется BIM-проектирование, несмотря на большой информационный шум вокруг этой технологии.
Светопрозрачные конструкции становятся более технологичными
По оценке экспертов, в настоящее время продолжает развитие тренд увеличения площади остекления зданий. При этом сами светопрозрачные конструкции становятся более технологичными и мультифункциональными.
Оконная индустрия за последнее десятилетие технологически существенно вырвалась вперед. Игроки рынка выпускают продукты, все более сложные конструктивно. Это касается и самого стекла, и оконного профиля. Благодаря новым возможностям архитектурно изменилось и само фасадное остекление. Его стало больше как в коммерческих объектах, так и в жилых зданиях.
Руководитель технического центра стратегического направления «Строительство» компании REHAU по Восточной Европе Антон Карявкин отмечает, что фасадное остекление зависит от объекта недвижимости, его архитектуры и т. д. Так, например, здания на территории МДЦ «Москва-Сити» оснащены по преимуществу витражными системами. Ультрасовременные дома, у которых стены полностью состоят из стекла (для наблюдателя с улицы), в основном собраны из алюминиевых, реже стальных профилей, которые видны только изнутри помещения. В объектах, находящихся в отдалении от центра, система будет проще. Как правило, в них нет структурного остекления. При этом они все равно оснащены большеразмерными алюминиевыми витражными конструкциями, однако алюминиевые накладки в них видны снаружи. Нечто подобное встречается и в современных премиальных жилых комплексах.
«Если говорить о более простых жилых и общественных объектах, в них чаще встречаются окна обычного формата, которые тоже можно назвать витражами. Но все равно тенденция такова, что широкоформатные оконные блоки, витражи, пользуются большей популярностью. В большинстве объектов массовой застройки такие блоки занимают примерно половину стены», – добавляет Антон Карявкин.
Игроки рынка также отмечают, что за последние несколько лет оконные профили стали более функциональными, удовлетворяющими запросам потребителей. Это касается как энергосбережения, звукоизоляции, так и других характеристик.
По словам руководителя отдела строительного консалтинга profine RUS Александра Артюшина, о существующих возможностях продуктов десять лет назад можно было только мечтать. Подавляющее большинство зданий имели стандартные оконные проемы и стандартные одно-, двух-, трехстворчатые оконные блоки, которые сейчас уже редко встречаются. Сегодня разработка новых технических решений, применение новых материалов, увеличение жесткости светопрозрачных конструкций из ПВХ позволяют не только расширить видение архитекторов, но и реализовать эти проекты, как в области массового строительства, так и при строительстве индивидуального жилья.
«Сейчас разработаны и применяются профильные системы с более широкими возможностями, например, при ширине порядка 1 м высота нормально функционирующих оконных створок может достигать 2,5 м. Новые профильные системы из ПВХ можно комбинировать и использовать совместно с фасадными системами из алюминия – путем установки специальных алюминиевых накладок. Это сохраняет неоспоримое преимущество по теплосбережению при меньшей стоимости по сравнению с алюминиевыми конструкциями», – отметил эксперт.
Мнение
Александр Круглов, продакт-менеджер департамента маркетинга Pilkington Glass Russia:
– За последние 10–15 лет фасадное остекление значительно трансформировалось. Если раньше оно было технологически более простым, то со временем ситуация изменилась. Во-первых, стекло – прекрасный архитектурный инструмент, позволяющий украсить фасад любого здания: проектировщики уходят от стандартного остекления, превращая фасады зданий в настоящие произведения искусства. Посмотрите, например, на торговый дом Publicis Drugstore в Париже или аэропорт «Платов» в Ростове-на-Дону – к слову, в обоих объектах стоит стекло Pilkington. А во-вторых, стеклянный фасад сегодня не просто защита от внешних факторов, это суперпрочный материал, способствующий энергосбережению. Специальное покрытие, которое наносится на стекло, позволяет решать множество задач: защищать от солнечного жара, сокращать расходы на кондиционирование и обогрев помещений. Энергоэффективные светопрозрачные конструкции обеспечивают максимальную степень комфорта для людей. Добавлю, что в настоящее время стекло Pilkington Glass Russia в плане энергоэффективности является одним из самых технологичных и востребовано как на отечественном, так и на международном рынке.