Архітектурне проектування вирішує комплексні задачі, в яких функція, конструкція та художня форма виступають як єдине ціле. Конструктивною схемою будівлі називають систему вертикальних (стіни, стовпи) та горизонтальних (перекриття, покриття) елементів, що надають будівлі просторову жорсткість. Конструктивні схеми залежать від типу та розташування вертикальних і горизонтальних елементів несучого остову будинку.
Рис.2.4. Традиційні конструктивні схеми:
а – стояково-балкова, б – зводчато - аркові, в – підвісна
Історично склалися три конструктивні системи, відомі з давніх часів:
· стояково-балкова (або каркасна), у якій горизонтальний елемент (балка) працює як залом;
· зводчата і арочна, в яких матеріал працює на стискання, передаючи з верхніх елементів на нижні навантаження та власну вагу;
· підвісна, у якій горизонтальні елементи працюють на розтягування.
Кожній системі відповідав найбільш зручний для неї матеріал.
У стояково-балкова системі використовували дерев’яні конструкції: дерев’яні балки, що гарно працюють на вигинання, перекривали великі прольоти до 10 м. На основі цієї системі у Давній Греції з’явилися ордери.
У зводчатих та арочних конструкціях, що виникли пізніше, основним матеріалом стало каміння, що гарно працювало на стискання, але погано на вигинання, забезпечуючи перекриття прольотів лише на 3,5 м. Арочна система, що розвилася з каркасної схеми, може працювати окремо від стіни. Спряження арки з кладкою стіни має півциркульний обрис (архівольт) чи перев’язується з кладкою. П’яти арок спираються на стовпи через антаблемент (імпост) чи на колони, створюючи арочні колонади (аркади). Кутові опори арочних систем посилені стовпами-підпорками (контрфорсами). Матеріалом для арочної системи спочатку був камінь, а потім цегла. У давнину з каменя були зведені видатні арочні та купольні споруди великих прольотів. Наприклад, діаметр куполу Пантеону у Римі дорівнює 43,5 м. Використання залізобетону полегшує зведення склепінь та куполів. Розроблені конструкції тонкостінних залізобетонних оболонок та їх різновиду – складчастих поверхонь (складок).
Після впровадження в архітектуру металевих конструкцій почали використовувати третю систему – підвісну. Вантові покриття, які розтягує чи підтримує система тросів, можуть бути різними по формі.
В сучасному масовому будівництві не потрібно перекривати великі прольоти, тому в основному використовують три схеми стояково-балкова системи:
1) безкаркасна: з несучими зовнішніми та внутрішніми стінами (з повздовжніми чи з поперечними), причому несучими можуть бути повздовжні стіни, поперечні або і повздовжні і поперечні;
2) з неповним каркасом: внутрішній каркас та несучі зовнішні стіни;
3) каркасна (з повним каркасом): тобто з несучими окремими опорами, яка складається з вертикально поставлених стойок (колон) та балок (прогонів) що на них спираються.
Рис.2.5. Конструктивні схеми будинків:
а,б – безкаркасна з несучими повздовжніми і поперечними стінами, в – з неповним каркасом, г – каркасна
З’єднання вертикальних та горизонтальних елементів конструкції може припускати обертання одного елементу відносно іншого; таке з’єднання, що припускає зміну геометричної форми спряження, називають шарнірним.
Якщо з’єднання вертикальних та горизонтальних елементів забито щільно з метою збільшення жорсткості конструкції, таке спряження називають жорстким. В такому разі із стояково-балкова система перетворюється в рамну з жорсткими вузлами рами, а балка – в ригель – горизонтальний елемент рами. Жорсткість конструкції може бути досягнута введенням жорстких площин – діафрагм жорсткості. Постановка окремих опор (колон), з’єднаних ригелями (балками перекриття), з спиранням на ригелі пліт перекриття дає змогу перекрити більші простори , всередині яких можна змінювати розміри приміщень, передвинувши перегородки, що огороджують конструкції. Так виникає поняття гнучкого планування – змоги у процесі експлуатації будівлі змінювати розташування та розміри приміщень.
Каркасні споруди найбільш повно відповідають вимогам сучасного будівництва, а безкаркасні використовують зазвичай для житлових будинків та невеликих громадських та промислових будівель. Останні надійні та прості, але мають ряд недоліків: через обмеженість довжини плит перекриття, що не перевищують 6 м., необхідно зводити стіни для спирання цих пліт, тому спроектувати вільне приміщення великого розміру за цією схемою неможливо.
Залежно від матеріалу споруди підрозділяють на цегляні, бетонні, залізобетонні, дерев’яні і т.ін. Розрізняють будівлі з штучних елементів, збірні з крупноземельних елементів (блочні та панельні), а також монолітних матеріалів. Будинки з несучими стінами матеріаломісткі. Для полегшення та здешевлення таких конструкцій використовують каркасно-панельні будинки, що складаються із збірного залізобетонного каркасу (колони, ригелі, стіни жорсткості), залізобетонних панелей перекриття, збірних сходових маршів та огороджуючих конструкцій – керамзитобетонних чи багатошарових панелей. Стінові панелі або навішують на каркас, або вони є самонесучими.
За характером роботи каркаси поділяють на три типи: рамні, зв’язкові, та рамно- зв’язкові. В рамному каркасі (рис.2.6, а) ригелі перекриття розташовані у повздовжньому та поперечному напрямках; з колонами їх з’єднують жорсткими вузлами, що потребує щільного з’єднання стиків, тому цей тип використовують рідко.
У зв’язковому каркасі (рис.2.6, б) з’єднання колон та ригелів шарнірне, тому необхідні вертикальні зв’язки жорсткості (хрестоподібні, портальні тощо) або діафрагми жорсткості (спеціальні залізобетонні перегородки). З’єднані між собою плити перекриття становлять жорсткий горизонтальний елемент будівлі.
Рис.2.6. Конструктивні схеми каркасних будинків:
а – рамні, б – зв’язкові
У рамно-зв’язковому каркасі в одному напрямку передбачені рами, а в іншому – вертикальні зв’язки жорсткості. Цей варіант виконується в збірних залізобетонних конструкціях та найбільш розповсюджений у каркасних спорудах.
Залізобетонний каркас має два різновиди: монолітний, що виконують на місці в опалубку, та збірний – з елементів заводського виготовлення. Іноді будівлі споруджують як збірно-монолітні, в такому разі ядро жорсткості (сходова клітина, ліфтові шахти) виконують в монолітних залізобетонних конструкціях. Каркас з монолітного залізобетону роблять лише за відповідного обґрунтування.
Металевий стальний каркас забезпечує жорсткість та стійкість будівлі своєю простійною системою з різного типу зв’язків: рамних, розкісних, підкісних тощо. Він значно дорожчій від залізобетонного.
Іноді, особливо у сільському малоповерховому будівництві, каркас виконують з деревини, в тому числі з клеєних конструкцій. Дерев’яні будівлі зазвичай мають рублені, брусчані, щитові стіни або дерев’яний каркас.
Новим видом індустріального будівництва е монтаж споруд з об’ємно-просторових елементів, тобто з повністю готових кімнат зі всім технічним обладнанням та обробкою.
У всіх випадках конструкції будинку повинні відповідати загальному архітектурному замислу проекту, забезпечувати міцність та стійкість будівлі та її частин, відповідати вимогам зручності, економічності за рахунок раціоналізації конструктивних схем, використання економічних матеріалів та прискорення темпів будівництва.
Індустріалізація проявляється в виготовленні крупно габаритних конструктивних елементів та деталей з максимальною заводською готовністю, у транспортуванні їх до місця будівництва та в механізованому поточному процесі збірки та монтажу будинків та споруд на будівельному майданчику. Індустріалізація будівництва можлива тільки на основі типізації конструктивних рішень і стандартизації будівельних виробів та деталей.
Типізація у будівництві полягає в відборі найкращих з технічної та економічної сторін об’ємно-планувальних рішень, конструкцій та окремих вузлів, зменшення кількості типорозмірів виробів та збільшення серійності їх випуску.
В проектуванні типізація розвивається за чотирма основними напрямками: типові завдання (житлові будинки, школи, торгові центри тощо); типові об’ємно-планові елементи будівель для багатократного використання; типові конструкції та вироби (фундаменти, колони, балки, плити), об’єднані в єдиний Будівельний каталог (БК); типові вузли та деталі (для побудови крівлі, цегляних та панельних стін тощо).
Найкращі типові конструкції та деталі, що пройшли перевірку у експлуатації, затверджують у виді стандартів. Стандартизація – це найвищий рівень типізації. Стандартні елементи регламентуються Державними стандартами.
Велика кількість різновидів типових виробів та деталей ускладнює їх вибір. Тому є потреба у введенні системи уніфікації. Уніфікація передбачає взаємозамінність (універсальність) деталей та конструкцій будівель не тільки за розміром, але й за матеріалом та конструктивним рішенням. Діють правила вибору розмірів усіх будівельних компонентів – «Єдина модульна система в будівництві». Уніфікація збірних конструкцій та деталей базується на уніфікації об’ємно-планових параметрів споруди, тобто кроку, прольоту та висоти поверху, які встановлюються кратними модулю (М) 100 мм.
При проектуванні плану споруди вказують координаційні або розбивальні вісі, що визначають положення вертикальних несучих конструкцій (стін, стовпів) зазвичай у взаємно перпендикулярному напрямку, позначаючи їх цифрами по горизонталі та літерами українського алфавіту по вертикалі. Відстань між осями повздовжніх стін чи повздовжніх рядів колон у плані, відповідне до довжини основної несучої конструкції перекриття чи покриття, називають прольотом; відстань між осями поперечних рядків колон, тобто між розбивальними осями, - кроком колон.
Система повздовжніх та поперечних осей створює в плані будівлі прямокутну сітку, яку називають сіткою колон. При запису сітки колон спочатку перелічують прольоти, а потім вказують крок. Так, якщо у споруді три прольоти 6, 3 та 6 м, а крок колон 6 м, то записують (6+3+6)·6. Рівень підлоги першого поверху приймають за помітку 0,000 (м). Рівень нижче нуля має знак мінус (-). Іноді розміри елементів приймають кратними похідному збільшеному модулю (200, 300, 600 мм та більше) або похідному дрібному модулю (50, 20, 10, 2, 1 мм). Модуль, що покладений в основу планувальних рішень, називають плановим модулем (ПМ). Так, ПМ для цегляних споруд дорівнює 300 мм (3 М), для крупно панельних – 6 М (6000 мм) чи 30 М (3000 мм).
Планувальний модуль використовують при нанесенні на план системи модульних координаційних осей – прямокутної сітки ліній, відстань між якими дорівнює плановому модулю. При проектуванні використовують номінальні модульні розміри; конструктивні
Рис.2.7 Модульна система в проектуванні і розташування осей в плані будинку
розміри, тобто розміри елементів або виробів менших за номінальні на розмір швів та зазорів між виробами; натуральні розміри (фактична відстань між координаційними осями), які відрізняються від конструктивних у межах встановлених допусків.
Розміщення конструктивних елементів у плані чи розрізі по відношенні до координаційних осей називають прив’язкою.