В ответ на растущий мировой спрос на экологичную и эстетичную архитектуру гибридные конструкции из стали и дерева стали инновационным решением. Эта конструкция сочетает в себе высокую прочность и пластичность стали с естественной текстурой и экологичностью древесины, достигая уникального баланса между эксплуатационными характеристиками и экологической безопасностью. В данной статье рассматриваются инновационный дизайн, оптимизация соединений и модульные методы строительства гибридных конструкций из стали и дерева, а также раскрывается потенциал их применения в современных жилых и общественных зданиях. 1.Проектирование структурных систем и синергетические эффекты Гибридная конструкция из стали и дерева представляет собой гибридную систему, в которой сталь служит основным несущим каркасом, а клееный брус (КЛБД) – вспомогательным компонентом и облицовочным материалом. Эта конструкция в полной мере использует взаимодополняющие свойства двух материалов: сталь обладает превосходной прочностью на растяжение и сжатие, что позволяет возводить большепролётные конструкции без промежуточных опор; КЛБД обеспечивает превосходную теплоизоляцию и обладает естественными эстетическими свойствами, снижая потребность в дополнительных отделочных материалах. На этапе проектирования для оптимизации конструкции использовался метод конечно-элементного анализа (FEA), направленный на повышение эффективности конструкции и обеспечение согласованной работы стального каркаса и клееного бруса, что позволяет выдерживать такие нагрузки, как сила тяжести, ветер и землетрясения. По сравнению с конструкциями из чистой древесины, эта гибридная конструкция обладает более высокой боковой жесткостью; по сравнению с конструкциями из чистой стали она легче, что снижает требования к фундаменту и связанные с этим затраты. Для повышения устойчивости приоритет отдавался клееному брусу, сертифицированному Лесным попечительским советом (FSC), что обеспечивает ответственное лесоуправление; конструктивные элементы изготовлены из переработанной стали для минимизации воздействия на окружающую среду. 2.Оптимизация соединения узлов Основная проблема гибридных конструкций из стали и дерева заключается в устранении деформационной несовместимости, вызванной разницей в коэффициентах теплового расширения стали и дерева. Для решения этой проблемы был разработан новый метод соединения, использующий комбинацию болтов из нержавеющей стали класса A4-80 и резиновых демпфирующих шайб. Болты из нержавеющей стали обладают высокой прочностью на сдвиг и коррозионной стойкостью, а резиновые шайбы поглощают относительную деформацию стали и дерева, снижая концентрацию напряжений в точках соединения. Для создания узлов, воспринимающих момент, в клееные деревянные элементы встраиваются стальные пластины, а болты проходят сквозь стальные пластины, образуя жёсткое соединение с клееным деревянным элементом. Такая конструкция обеспечивает передачу момента, допуская при этом небольшую вращательную деформацию для компенсации температурных изменений. Лабораторные испытания подтвердили эффективность данного узла, продемонстрировав его устойчивость к циклическим перепадам температур и нагрузкам. Оптимизированное соединение обеспечивает структурную целостность и долговечность, решая основные технические проблемы, возникающие при строительстве гибридных стально-деревянных конструкций. 3.Модульное изготовление и сборка на месте Гибридные конструкции из стали и дерева отличаются высокой модульностью и гибкостью, что повышает эффективность и качество строительства. Конструкция разделена на стандартизированные блоки, такие как модули перекрытий и модули стеновых панелей, которые изготавливаются на заводе: стальные компоненты свариваются и скрепляются болтами, клееные элементы из древесины раскраиваются и собираются, а соединительные элементы устанавливаются заранее, что обеспечивает точность изготовления и контроль качества. Процесс сборки на месте упрощен и требует лишь небольшой бригады строителей и базового подъемного оборудования. После установки на место модули соединяются с помощью готовых соединительных элементов, что значительно сокращает время строительства на площадке по сравнению с традиционными монолитными конструкциями. Модульный подход обеспечивает высокую гибкость, позволяя индивидуально настраивать планировку здания и легко расширять его, одновременно сокращая количество отходов и срывы строительства. Он идеально подходит для проектов с ограниченными строительными ресурсами или сжатыми сроками. Сочетание модульной конструкции заводского изготовления и экологичных материалов делает гибридные стально-деревянные конструкции перспективным решением для современной архитектуры. в заключение Гибридные конструкции из стали и дерева представляют собой инновационное направление развития современной архитектуры, сочетающее в себе прочность, устойчивость и эстетику. Благодаря оптимизированной конструкции, передовым технологиям соединения узлов и модульному строительству, эта конструкция представляет собой многофункциональную и экологичную альтернативу традиционным строительным системам. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на разработке высокоэффективной огнестойкой клееной древесины и интеграции интеллектуальных технологий, таких как встроенные датчики, для повышения безопасности и ремонтопригодности гибридных конструкций из стали и дерева, что еще больше расширит их потенциал применения на мировом строительном рынке.

Стальные конструкции широко используются в инфраструктурных проектах по всему миру, но их долговечность подвергается серьёзным испытаниям в экстремальных условиях, таких как морской климат, соляно-щелочные пустыни и регионы с высокими температурами. Коррозия, термические повреждения и усталость материала могут значительно сократить срок службы стальных конструкций и увеличить расходы на обслуживание. В данной статье предлагается комплексное технологическое решение для защиты от коррозии и повышения долговечности, объединяющее передовые материалы, инновационное проектирование конструкций и интеллектуальный мониторинг для решения уникальных задач, возникающих в экстремальных условиях. 1.Решения по защите от коррозии в морской среде Морская среда, в силу высокой влажности, солевого тумана и хлорид-ионов, обладает высокой коррозионной активностью и может быстро разрушать традиционные стальные конструкции. Для решения этой проблемы была разработана система двойной защиты: «горячее цинкование + фторуглеродное покрытие». Горячее цинкование образует на поверхности стали плотный слой цинка, обеспечивающий катодную защиту и предотвращающий прямой контакт стали с коррозионной средой. Фторуглеродное покрытие, нанесенное на цинковый слой, обладает превосходной химической стабильностью, стойкостью к ультрафиолетовому излучению и гидрофобностью, что дополнительно защищает сталь от коррозии, вызываемой солевым туманом и влагой. Результаты испытаний в соляном тумане показывают, что срок службы защиты от коррозии этой двойной системы может достигать более 25 лет, что значительно превышает 8–12 лет при однократном горячем цинковании. Помимо системы двойного покрытия, оптимизация конструкции снижает накопление соляного тумана, а рационализированная конструкция стальных компонентов минимизирует области, склонные к накоплению хлорид-ионов, что дополнительно повышает коррозионную стойкость. Этот комплексный подход обеспечивает долговечность стальной конструкции в суровых морских условиях. 2.Повышенная долговечность в условиях пустынь с высокими температурами Высокотемпературные пустынные регионы характеризуются значительными суточными колебаниями температуры, сильным ультрафиолетовым излучением и сухим климатом, что создаёт особые проблемы для стальных конструкций: тепловое расширение и сжатие могут легко привести к усталостным повреждениям стальных компонентов и соединений, а ультрафиолетовое излучение ускоряет старение покрытия. Для решения этих проблем предлагаются два основных технических решения. Во-первых, на стальную поверхность наносится керамическое теплоизоляционное покрытие. Теплопроводность покрытия составляет менее 0,08 Вт/(м·К), что снижает теплопоглощение и снижает температуру поверхности более чем на 30 °C. Во-вторых, применяется вентилируемая конструкция компонентов с воздушными зазорами между стальными компонентами и внешним корпусом для улучшения циркуляции воздуха и отвода тепла. Кроме того, выбрана жаропрочная сталь с пределом текучести 460 МПа, сохраняющая стабильные механические свойства при температурах ниже 300 °C. Эти меры синергетически снижают термические напряжения, предотвращают старение покрытия и обеспечивают целостность стальной конструкции в условиях высокой температуры пустыни. 3.Интеллектуальная система мониторинга долговечности Для заблаговременного выявления рисков, связанных с долговечностью, была разработана система мониторинга на основе беспроводной сенсорной сети (WSN), которая отслеживает скорость коррозии и изменения напряжений в стальных конструкциях в режиме реального времени. Система устанавливает датчики коррозии, тензодатчики и датчики температуры в ключевых местах, таких как сварные швы, соединения и легко корродирующие участки. Данные передаются на облачную платформу по технологии 5G для удалённого мониторинга и раннего оповещения. Датчик коррозии использует технологию электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС), обеспечивая точность измерения ±0,01 мм/год. Когда скорость коррозии превышает заданное пороговое значение или напряжение превышает 80% от проектного предела, система отправляет уведомление команде управления проектом. Этот проактивный метод мониторинга позволяет своевременно проводить техническое обслуживание, предотвращая потенциальные разрушения конструкции и продлевая срок службы стальных конструкций в экстремальных условиях. Интеграция интеллектуального мониторинга и передовых технологий защиты позволяет создать комплексную систему управления долговечностью. в заключение В данной статье описываются технологии защиты от коррозии и повышения долговечности, эффективно решающие проблемы, с которыми сталкиваются стальные конструкции в экстремальных условиях. Двойная система защиты от коррозии для морской среды, меры адаптации к высоким температурам в пустыне и интеллектуальная система мониторинга представляют собой комплексное решение для повышения долговечности конструкций и снижения затрат на техническое обслуживание. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на разработке самовосстанавливающихся антикоррозионных покрытий и оптимизации моделей прогнозирования долговечности для дальнейшего повышения адаптивности стальных конструкций к экстремальным условиям.

На фоне глобальной инициативы по достижению углеродной нейтральности сектор стальных конструкций в строительной отрасли сталкивается с огромным давлением, связанным с необходимостью снижения воздействия на окружающую среду и выбросов. Сборные стальные конструкции, известные своей эффективностью и пригодностью к переработке, стали основным направлением низкоуглеродной трансформации. В этой статье подробно описывается комплексная система низкоуглеродных технологий, специально разработанная для сборных стальных конструкций, которая охватывает выбор материалов, оптимизацию проектирования, совершенствование процесса строительства и управление выбросами углерода на протяжении всего жизненного цикла. Цель статьи — предоставить практическое техническое руководство для зарубежных проектов, стремящихся к получению международных сертификатов зеленого строительства, таких как LEED (Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании) и BREEAM (Методология оценки окружающей среды Исследовательского института зданий). 1.Инновации и применение низкоуглеродных материалов Выбор материала – основополагающий шаг в борьбе с выбросами углерода от стальных конструкций. Традиционное производство углеродистой стали является одним из основных источников глобальных выбросов парниковых газов, поэтому оптимизация материалов имеет решающее значение. В данной статье предлагается гибридная схема, сочетающая атмосферостойкую сталь Q355GNH с переработанной сталью, при этом переработанная сталь составляет 30–40 % от общего состава материала. Переработанная сталь, обработанная с использованием передовой технологии электродуговой печи, может снизить выбросы углерода на 20–25 % по сравнению с производством первичной стали. Кроме того, в умеренно коррозионных средах атмосферостойкая сталь Q355GNH не требует дополнительного антикоррозионного покрытия, что снижает выбросы летучих органических соединений (ЛОС) во время строительства и снижает затраты на долгосрочное обслуживание. Обеспечение эксплуатационных характеристик материалов требует строгих процедур контроля качества. Переработанная сталь должна соответствовать требованиям стандарта EN 10025-2:2004, иметь прочность на разрыв не менее 355 МПа и относительное удлинение не менее 21%. Эта гибридная конфигурация материала в полной мере использует экологические преимущества переработанной стали, сохраняя при этом коррозионную стойкость атмосферостойкой стали, достигая баланса между низким содержанием углерода и надежностью конструкции. 2.Оптимизация заводского изготовления на основе BIM Технология информационного моделирования зданий (BIM) играет решающую роль в повышении эффективности заводского изготовления и сокращении отходов материалов. В данной работе параметрический метод BIM-проектирования используется для оптимизации компоновки компонентов и траекторий раскроя. Вводя в BIM-систему такие параметры, как размеры стальных листов, спецификации компонентов и ограничения производственных мощностей, можно автоматически сгенерировать оптимальную схему раскроя, контролируя уровень отходов материалов в пределах 3%, что значительно лучше среднего показателя по отрасли, составляющего 8–10%. Кроме того, технология BIM обеспечивает точное изготовление компонентов на заводах. Благодаря технологиям 3D-лазерного сканирования и роботизированной сварки точность размеров готовых компонентов может контролироваться с точностью до ±1 миллиметра, обеспечивая бесперебойную сборку на месте. Этот высокий уровень точности не только упрощает процесс строительства, но и снижает потребность в корректировках на месте, тем самым снижая трудозатраты и связанное с ними энергопотребление. 3.Интеграция низкоуглеродного строительства и эксплуатации В данной статье рассматривается оптимизация процесса строительства на объекте для дальнейшего снижения углеродного следа за счёт внедрения модели «заводская сборка + болтовое соединение на объекте» взамен традиционной сварки на объекте. Болтовые соединения позволяют сократить выбросы выхлопных газов на объекте на 60% и исключить необходимость покраски на объекте, тем самым минимизируя выбросы вредных газов. Для большепролётных конструкций модульная технология подъёма с использованием электрических кранов, работающих на возобновляемых источниках энергии, позволяет сократить расход ископаемого топлива на этапе строительства на 50%. На этапе эксплуатации фотоэлектрические панели интегрируются в стальную конструкцию крыши. Лёгкость и высокая прочность стальной конструкции позволяют легко монтировать фотоэлектрическую систему без дополнительного усиления конструкции. Использование возобновляемых источников энергии снижает зависимость от электросети и снижает выбросы углерода во время эксплуатации. Синергия сборных конструкций и интеграции возобновляемых источников энергии создаёт комплексное низкоуглеродное решение, охватывающее как этапы строительства, так и этапы эксплуатации. 4.Учет углеродного следа на протяжении жизненного цикла Для эффективного отслеживания и управления выбросами углерода в данной работе представлена модель учёта углеродного следа на протяжении всего жизненного цикла, охватывающая четыре ключевых этапа: производство сырья, изготовление компонентов, строительство на месте, а также снос и переработка. Эта модель соответствует стандарту ISO 14067:2018 и объединяет данные производителей стали, журналы строительства и системы оперативного мониторинга для обеспечения точности расчётов выбросов. Эта модель учёта комплексно отражает воздействие стальных конструкций на выбросы углерода на протяжении всего их жизненного цикла, выявляет ключевые точки выбросов и обеспечивает поддержку целенаправленных мер по оптимизации (таких как увеличение доли переработанной стали, повышение эффективности фотоэлектрических систем и оптимизация строительных процессов). Количественная оценка выбросов углерода на каждом этапе позволяет заинтересованным сторонам принимать обоснованные решения и достигать существенных целей по их сокращению. в заключение В данной статье подробно описывается технологическая система низкоуглеродных сборных стальных конструкций, которая обеспечивает значительные экологические и экономические преимущества благодаря инновационным материалам, оптимизации на основе BIM и комплексному решению для строительства и эксплуатации. Эта технология обеспечивает воспроизводимую основу для перехода мировой отрасли стальных конструкций к низкоуглеродному развитию. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на разработке высокоэффективных низкоуглеродистых стальных материалов и интеграции BIM и искусственного интеллекта для улучшения возможностей интеллектуального управления выбросами углерода.