Модульные здания с наружным vs внутренним каркасом: плюсы и минусы
В системах с наружным несущим каркасом узлы соединения панелей требуют применения болтовых соединений класса прочности не ниже 8.8, а в ряде проектов применяются элементы на высокопрочных шпильках диаметром от 16 мм. Высота стойки наружного контура при стандартной нагрузке допускается до 3,6 м без дополнительных раскосов, при этом шаг стоек чаще всего берется 1,2 м.
При большей высоте — от 4 м — устанавливаются усиливающие элементы из труб квадратного сечения 80×80×5 мм. Для наружных стоек допускается применение холодногнутых профилей толщиной от 2 мм при шаге не более 600 мм.
Внутренний несущий контур позволяет снизить требования к жесткости наружных стен. В этом случае наружные панели не испытывают значительных изгибающих нагрузок, их функции сводятся к ограждению и теплоизоляции.
Часто применяются сэндвич-панели толщиной 100–150 мм с заполнением из ППУ или минеральной ваты плотностью 100–120 кг/м³. При использовании внутренних несущих элементов перекрытия опираются на центральный каркас, собранный из двутавров или замкнутых труб 120×80×5 мм. Для таких решений характерна меньшая толщина стен — полезная площадь увеличивается примерно на 5–7%.
Если проект подразумевает частую трансформацию планировки, конструкция с внутренними стойками выигрывает за счет меньшего числа связей между модулями по периметру. Соединение осуществляется через болты М16 с шагом 500–600 мм по фланцам стоек. При этом необходим точный расчет нагрузки на узлы сопряжения — допускается не более 2 мм прогиба на 1 м пролета для перекрытий, что требует использования балок высотой не менее 240 мм при пролете до 6 м.
Сборка элементов с наружным несущим контуром предпочтительна при установке объектов на слабых грунтах. За счет равномерного распределения массы на опоры уменьшается точечная нагрузка.
Для фундамента достаточно свай диаметром 108 мм длиной от 2,5 м с шагом до 2 м. Вес модуля стандартного размера 6×3 м при наружной несущей схеме составляет около 2,7 т без внутреннего оборудования. В случае внутреннего несущего каркаса нагрузка на опоры возрастает локально до 3–4 т на точку, что обязывает применять буронабивные сваи диаметром от 300 мм.
При установке оконных блоков наружный несущий контур предъявляет более жесткие требования к узлам крепления. В зонах проемов монтируются дополнительные ригели из швеллера №20 или профильной трубы 100×50×5 мм.
Нарушение схемы усиления может привести к деформациям проемов при снеговых нагрузках свыше 150 кг/м². В случае внутреннего каркаса проемы формируются в панелях без дополнительного армирования, что ускоряет монтаж.
Сопряжение инженерных систем проще организовать при внутреннем контуре. Все стояки водоснабжения, отопления и вентиляции размещаются вдоль несущих колонн без необходимости вывода через наружные стены.
Диаметр трубопровода отопления — до 32 мм, водоснабжения — до 25 мм. При наружных стойках коммуникации выводятся сквозь утепленные панели, что требует монтажа герметичных проходок. Стандартные проходные узлы имеют гильзы диаметром 50–80 мм с обязательной заливкой монтажной пеной.
Модуль с наружной несущей схемой быстрее вводится в эксплуатацию при установке на подготовленные площадки. Все соединения выполняются снаружи и не требуют доступа к внутренним узлам. Стыковка происходит с использованием монтажных пластин толщиной 8 мм на болтах М12. Монтаж одного модуля площадью 18 м² занимает около 3 часов при работе двух монтажников.
При устройстве кровли внутренний контур позволяет использовать облегченные конструкции. Балки перекрытия формируются из профиля С-образного сечения 200×70×3 мм с шагом до 600 мм. Вес кровельного пирога снижается до 35 кг/м² при уклоне не менее 3°. Наружный каркас обязывает ставить фермы высотой 400–500 мм из труб 60×40×3 мм, что увеличивает нагрузку на стены.
При отделке фасада наружный каркас открывает возможность крепления облицовки напрямую на стойки. В этом случае устанавливаются направляющие из оцинкованного профиля 60×27 мм, шаг которых совпадает с шагом стоек. В случае с внутренним контуром монтаж подсистемы усложняется — потребуются анкеры длиной до 180 мм для крепления облицовки к основному каркасу.
При расчетах теплопотерь наружная схема требует дополнительного терморазрыва между стойками и внешней облицовкой. Обычно применяются прокладки из вспененного полиэтилена толщиной 5 мм. Это уменьшает коэффициент теплопроводности стены на 0,03 Вт/(м·К). При внутреннем каркасе таких мер не требуется — ограждающие конструкции имеют сплошной теплоизоляционный слой без мостиков холода.
Расчет стоимости металлокаркаса показывает, что наружная схема требует около 65–75 кг стали на 1 м² общей площади. При внутренней конструкции расход снижается до 50–60 кг/м² за счет меньшего количества элементов по периметру. Средняя цена материала — около 95–105 руб/кг в зависимости от региона.
Высота потолков влияет на выбор схемы. При необходимости получения свободной высоты помещения 3 м и более целесообразно использовать внутренний каркас. При высоте 2,5–2,7 м экономичнее наружная схема с меньшими затратами на вертикальные элементы. В обоих случаях важно соблюдать норматив СП 64.13330.2017 по несущей способности.
Для временных объектов на срок эксплуатации до 5 лет часто применяют наружную схему за счет упрощенного монтажа. В постоянных зданиях, рассчитанных на длительное использование, внутренний контур предпочтительнее за счет гибкости перепланировки.
При транспортировке модули с наружным каркасом устойчивее к скручиванию. При длине до 9 м коэффициент изгиба составляет не более 1/400 пролета. При внутренней схеме необходима временная жесткость при перевозке — устанавливаются подкосы из доски 150×50 мм.
В случае с сейсмоопасными районами применяют внутренние рамы с диагональными связями из стальных полос 60×6 мм или уголков 75×75×6 мм. Это обеспечивает устойчивость до 7 баллов по шкале MSK-64 при массе здания до 30 т.
При пожарной защите наружный контур требует дополнительной обработки огнезащитными составами группы I по ГОСТ Р 53295-2009. Внутренний каркас защищается за счет огнезащитной облицовки — гипсокартонные листы ГКЛО толщиной 12,5 мм в 2 слоя обеспечивают предел огнестойкости EI 60.