Производство быстровозводимых домов

ИСТОРИЯ SIP панели

Краткая история SIP (Structural Insulated Panel – SIP) 

Перевод книги Майкла Морли по истории канадской технологии строительства 

Самые ранние образцы многослойных панелей можно найти в домах компании Usonian, разработанных Франком Ллойдом Райтом в 1930-е годы. Эти новаторские структуры представляли собой попытку Райта разработать красивые, простые в изготовлении и в то же время дешевые дома. Некоторые из стен этих домов состояли из трех слоев клееной фанеры и двух слоев толя в качестве конструкционных элементов. К сожалению, эти стены не обеспечивали хорошую изоляцию, вследствие чего они не производились в больших объемах. 



Альден Б. Дау, студент архитектурного факультета, учившийся и Райта, и брат основателя компании Dow Chemical Co. продолжил эксперименты с этими технологиями. Руководствуясь соображениями экономии энергии и сокращением имеющихся ресурсов, Дау обеспокоился плохой изоляцией в проектах Usonian. В 1950 году он разработал конструкционную панель с изоляционным внутренним слоем, что явилось предпосылкой производства первых конструкционных теплоизоляционных панелей. Первые свои дома он построил в Мидленде и Мичигане, использовав панели, содержащие внутренний 1,5-дюймовый слой из пенопласта и внешние слои толщиной 5/16 дюйма из клееной фанеры для несущих стен. Такие же панели устанавливались на каркасе крыши на 42-дюймовых балках. Некоторые из этих домов используются под жилье и сегодня. 



Я начал работать с SIP значительно позже этих ранних экспериментов, когда появились уже более продвинутые технологии производства строительных материалов. Первая попытка производства была предпринята в 1959 году, когда компания Koppers Company переоборудовала завод автомобильной продукции в Детройте в завод по производству SIP. Метод производства Kopper включал в себя вдувание пенопласта между двумя листами клееной фанеры и последующим соединением его при помощи пара с внешними слоями и получения цельной несущей структуры. 



Процесс компании Kopper был медленным, но ранние дома из SIP встретили неожиданное сопротивление профсоюзов плотников на Севере. Из опасения того, что дома из SIP будут возводиться так быстро, что они потеряют работу, союзы преднамеренно затягивали процесс строительства, и вместо обычных двух дней на Юге в северных штатах он занимал по меньше мере вдвое большее время. 



В этот период недорогой энергии и рабочей силы панели не были конкурентоспособными на рынке, поэтому компания Kopper перестала заниматься данным бизнесом и занялась системами охлаждения. 

В начале 1960-х годов на рынок вышла компания Alside Hoe Program со своими SIP, сделав значительные улучшения, которые сократили время производства одной панели от нескольких часов до 20 минут. Но через несколько лет производства и постройки немногим менее 100 домов из SIP эта компания также была вытеснена с рынка из-за отсутствия спроса. Это продолжалось до середины 1980-х, пока многие производители не начали производить SIP, удовлетворяющие ожидаемым потребностям заказчика. 



Почему именно теперь? 

Почему панелям из SIP понадобилось столько времени для "взросления"? В промышленных технологиях непременно имеется задержка между изобретением, началом производства продукции и ее признанием в серийной промышленности, причем эта задержка может составлять несколько лет. Вначале никто ничего не знает о новом продукте. Имеются различные причины этой задержки. Недостаток данных о продукте вызывает сомнения относительно его безопасности и надежности. Во-вторых, пользователи и потенциальные потребители не имеют легкого доступа к информации об этой новой продукции. 

Всеобщее сопротивление изменениям указывает на то, что даже самой лучшей продукции необходимо время для того, чтобы ее приняли. Этот период приемки также позволяет выявить проблемы, связанные с новыми технологиями и с производством. Надежность SIP как одного из основных строительных материалов выяснилась при широкомасштабных промышленных испытаниях и принятия новых строительных норм. Американцы стали более осведомленными относительно всеобщих экологических проблем и экологически безопасные строительные материалы и стратегии все более принимаются во внимание при проектировании рациональных зданий и жилищ. Панели SIP, являющиеся нужным материалом в нужном месте в нужное время, оказались краеугольным камнем в новом подходе к конструированию зданий, в которых мы живем и работаем. 

Почему нужно строить SIP? 

Внешняя оболочка здания создает барьер с внешней средой, что служит для обеспечения комфорта обитателей. Для формирования этой оболочки могут использоваться многие материалы, но ни один из них не может обеспечить такое энергосбережение, такую экономичность и такую конструктивную гибкость как SIP. Технология систем SIP предлагает ряд преимуществ в сравнении с обычными методами каркасного строительства. Ниже приводится обзор некоторых из этих преимуществ; более подробно они будут рассмотрены в последующих главах. 



Структуры SIP более прочные 

Структурная целостность строений из SIP существенно превышает аналогичный параметр обычных каркасных домов в отношении сопротивления сдвигу, сопротивления изгибу, сопротивления сжатию и устойчивости при воздействии порывистого ветра. SIP были подвергнуты всестороннему тестированию независимыми экспертами. Все основные производители более чем счастливы, если их продукция попадает в Национальные оценочные отчеты (National Evaluation Reports - NER), издаваемые Национальной службой оценок (National Evaluation Service Inc.) для служб стандартизации BOCA, ICBO и SBCCI. 

Очевидность преимуществ SIP можно найти в реальном окружающем мире, в тех местах, где дома из SIP подвергались землетрясениям и ураганам и остались неразрушенными, а каркасные дома из брусьев были разрушены. Например, в 1993 году землетрясение в Кобе (Япония) опустошило значительную часть этого города, но дома из панелей SIP, построенные компанией Preier Industries, остались практически неповрежденными. В последние годы производители SIP сильно увеличили объемы своих продаж в Японии, в значительной мере благодаря структурной целостности систем SIP. 

В другом случае дом из SIP оказался на пути торнадо, бушевавшем в Клермоне, Джорджия в марте 1998. Торнадо разрушил 27 домов, включая 7 домов, находящихся вблизи дома из SIP. Несмотря на то, что владелец дома потерял в этом шторме 25 взрослых деревьев и половину кровельной плитки, дом не получил повреждений структуры. Нетрудно догадаться, что соседи при восстановлении своих домов выбрали панели SIP. 



Конструкции SIP имеют лучшие термодинамические характеристики 

В течение многих лет проводились сравнения домов с каркасами из бруса с домами из SIP, при этом были получены различные результаты, которые зависели от того, как проводились испытания и от использованных методов. Например, в 1998 году компанией Oak Ridge National Laboratory, находящейся в Oak Rige, штат Теннесси были произведены испытания стен различных конфигураций. Результаты показали, что стены из SIP с внутренним слоем из EPS толщиной 3,5 дюйма имели изоляцию на 31% лучше, чем стены обычных каркасных домов из бруса 2х4 с изоляцией из стекловолокна. Стены из SIP с внутренним слоем 3,5 дюйма оказались даже лучше, чем обычные каркасные стены 2х6 со стекловолоконной изоляцией. В связи с ростом цен на энергоносители расходы на энергию в последнее время продолжают расти, а значение энергосберегающих строений из SIP продолжает увеличиваться.

 

Строения SIP возводятся быстрее 

Более быстрое возведение строений из SIP может сэкономить от одной до четырех недель в строительном цикле. Это может оказаться важным фактором в местах с затрудненным доступом, а также в тех случаях, когда плохая погода ограничивает время проведения работ. Подразделение Energy Studies строительной лаборатории (Building Laboratory) университета в Орегоне разработало широкомасштабные испытания панелей с изоляционным внутренним слоем и несущими внешними слоями (SSIC - их обозначение SIP), которые были тщательно исследованы в отношении их пригодности для возведения строений и характеристик, связанных с энергосбережением. 

Было установлено, что дома из SIP возводились на 161 час быстрее, чем предусмотрено промышленными стандартами для каркасных домов, и что для домов из SIP требуется на 34% меньше времени по сборке на строительной площадке. 

Строительные фирмы по всей стране обнаружили, что они экономят время и деньги, возводя строения из готовых для установки стен вместо того, чтобы нанимать плотников и выполнять строительство обычным способом. Кроме того, при применении систем SIP не требуются работники такой высокой квалификации, как при обычном способе строительства. Этот фактор приобретает особо важное значение в то время, как квалифицированных работников становится все меньше. 

То обстоятельство, что конструкции из SIP могут возводиться неквалифицированными работниками, привело к тому, что компания Habitant for Humanity International, некоммерческая организация, строящая экономически доступное жилье, используя главным образом добровольную рабочую силу и имеющая более 1200 филиалов в Соединенных Штатах, стала все больше использовать SIP при строительстве этих домов. Некоторые из филиалов решили применять SIP для реализации экономически доступных проектов не только из-за быстроты возведения, но и из соображений энергосбережения, имя в виду, что жильцам этих домов будет легче отапливать и охлаждать свои жилища в экономически напряженной ситуации. 



Дома SIP более комфортабельны 

Владельцы домов из SIP, а также подрядчики сообщают о высоком уровне комфортности. Тепло и холод более равномерно распределяются в домах из SIP, не образуя "горячих" и "холодных" мест, как это бывает в домах обычной конструкции. График на следующей странице показывает распределение температуры по внутренним поверхностям стен, из него также видно, что дома из SIP более комфортабельны в сравнении с домами из бруса. Одним из важных факторов при выборе материала для строительства дома являются его характеристики в отношении теплопередачи. Тепловое сопротивление (R) является мерой сопротивления тепловому потоку, выражающейся в разнице температур, необходимой для прохождения единицы количества тепла через единицу площади в течение одного часа (в США измеряется в британских тепловых единицах/час/квадратный фут (Btu/hour/sq. ft.). Полное тепловое сопротивление (Rt) представляет собой суммарное сопротивление тепловому потоку через всю площадь здания, выраженное в разнице температур в градусах Фаренгейта, необходимое для прохождения теплового потока 1 британская тепловая единица/час/квадратный фут. Эта величина изменяется при изменении окружающих температур и при изменении влажности. 

Более высокое значение R означает, что требуется больше времени для того, чтобы тепло прошло через материал. 

Организации American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conitioning Engineers (ASHRAE) и American Society for Testing an Materials (ASTM) произвели широкомасштабные испытания на соответствие техническим стандартам в отношении теплопроводности различных материалов. Результаты были опубликованы в специальных изданиях, таких как ASHRAE Hanbook of Fundamentals. Более подробная информация имеется на веб-сайтах:www.ashrae.com и www.astm.org. 



Были испытаны панели SIP из вспененного полистирола (EPS), опрессованного полистирола (XPS), уретана и изоцианурата. На нижеприведенном графике видны сравнительные характеристики значений R для пенистых изоляционных материалов. Для получения полных значений R необходимо добавить соответствующие значения для двух внешних слоев, наружного и внутреннего. 

Значения R для пенистых изоляционных материалов

Температура

EPS

XPS

Уретан

75°F

3,57

3,85

6,88

30°F

3,85

4,17

6,88

0°F

4,17

4,55

6,88


В сравнении с обычными стенами каркасных домов стены из SIP имеют более высокую температуру внутренней поверхности, обеспечивая более высокую комфортность для обитателей. Пики в графиках для домов с каркасными стенами 2х4 и 2х6 соответствуют падению температуры в местах расположения бруса вследствие образования тепловых мостиков. Однородная изоляция стен из SIP ведет к более равномерному, комфортабельному распределению внутренней температуры. Дома из SIP также более удобны внутри и имеют хорошую звукоизоляцию, защищая от шумов внешнего мира. Этот параметр строения трудно измерить, но он имеет большое значение для обитателей дома.

SIP - строительный материал будущего 



Производство SIP находится сейчас на подъеме, и многие промышленные лидеры применяют для строительства жилых домов и легких зданий делового назначения главным образом технологии SIP. В 1990 году производителями SIP была образована Ассоциация Производителей Конструкционных Теплоизоляционных Панелей (Structural Insulated Panel Association - SIPA). Задачей SIPA является увеличение использования SIP путем демонстрации профессиональным строителям и владельцам домов их технических преимуществ. 

Помимо продвижения SIP к проектировщикам, подрядчикам, властям и владельцам домов SIPA помогает также разрабатывать промышленные стандарты по производству и испытаниям SIP, а также продвигать эти стандарты ко всем заинтересованным лицам. Хотя не все производители и поставщики SIP являются членами SIPA, данная организация представляет основные силы, занятые данным производством. Последние исследования SIPA показали ежегодный промышленный рост на 24% в промежутке между 1991 и 1994 годами. Хотя на самом деле величина ежегодного роста составляла 35%, SIPA оценил рост ежегодного производства SIP в последние годы в размере 85 миллионов квадратных футов, т.е. в США строится по такой технологии приблизительно 0,5% домов. Несмотря на такое небольшое количество в процентах, это составляет приблизительно 100000 строений из SIP. 

Несмотря на постоянно растущие объемы, SIPA считает, что используемые возможности ниже, чем могли бы быть. Если бы спрос соответствовал бы уровню технических возможностей, экономические показатели были бы выше, расходы пользователя снижались бы, и SIP были бы более широко применимым строительным материалом. Поскольку стоимость строевого леса и квалифицированного труда продолжает стремительно расти, SIP становятся экономически все более конкурентоспособными.

 

 

Концепция конструкционной теплоизолированной панели появилась в 1935 в США в Лаборатории лесной промышленности (FPL) в Мэдисон, штат Висконсин. Инженеры лаборатории FPL полагали, что фанера или шпон твердых пород дерева может взять на себя часть структурных нагрузок действующих на стену. Их прототип конструкционной теплоизолированной панели (СИП) был создан с использованием существующей на тот момент фанеры в качестве внешних слоёв «сэндвича» и теплоизоляционного материала внутри.

Эти панели были использованы для строительства экспериментальных домов, которые постоянно контролировались на протяжении тридцати лет, а затем были разобраны и исследованы. За это время инженеры лаборатории FPL продолжали экспериментировать с новыми конструкционными материалами.

Архитектор Фрэнк Ллойд Райт стал знаменит, использовав конструкционную теплоизолированную панель в некоторых своих домах, построенных еще в 1930 и 1940 годах. СИП делает заметный технологический скачок, когда один из студентов Райта, Элдэн Доу (Alden B. Dow), сын основателя крупнейшей в мире химической корпорации Доу Кемикл (Dow Chemical Company), в порядке эксперимента, запрессовал между двумя листами толстой фанеры утеплитель — изолирующую пену, напоминающую современный пенополистирол. Это случилось в 1952.

В структурные теплоизолированные панели стали легкодоступным строительным материалом в результате начала их массового производства. Ассоциация производителей СИП была основана в 1990 для оказания поддержки и ознакомления промышленных и строительных отраслей с новой технологией строительства.

С 1990 года в технологии СИП начинается развитие современного компьютерного автоматизированного производства CAM-технология. Использование компьютеризированных архитектурных чертежей (CAD-чертежи) позволило начать создавать программы автоматизации, необходимые для того чтобы полностью автоматизировать крой панелей и производить из СИП панелей отдельные элементы здания в условиях производства. CAD для CAM технологии для СИП упорядочили производственный процесс, в результате чего сократились издержки у строителей и повысилась их прибыль.

Технология строительства СИП просчитана до мелочей и направлена в первую очередь на сокращение затрат при максимальном комфорте и качестве жилья.

Сегодня СИП предлагает высокотехнологичное решение для жилых и малоэтажных нежилых зданий. Технология СИП — одна из самых развитых, она имеет множество вариантов использования: коттеджи разного уровня, надстройка мансардных этажей, реконструкция старых зданий, и т. д.... Многие производители предлагают изогнутые СИП панели для изогнутых крыш. Достижения в области компьютерного автоматизированного проектирования и производства позволяют производить детали из панелей СИП с удивительной точностью, для возведения плоских, ровных, и безошибочных стен. Во всём мире панели СИП, в настоящее время, производятся с использованием различных поверхностных материалов, в том числе и ориентированных стружечных плит (OSB), фанеры, цементно-волоконных плит, а также металла. Панели СИП могут быть толщиной от 4 до 14 — дюймов, в зависимости от климатических условий.

Конструкционные возможности, исключительная прочность и энергосберегающие свойства делают технологию СИП строительным материалом двадцать первого века для быстровозводимых зданий.

 

 

Этапы развития каркасно-панельной технологии.

 

1935 год. В Лаборатории лесной промышленности (FPL) США (г. Мэдисон, штат Висконсин) впервые появилась общая концепция конструкционной теплоизолированной панели. Инженеры лаборатории FPL считали, что фанера или шпон твердых пород дерева может взять на себя часть структурных нагрузок, действующих на стену. Их прототип конструкционной теплоизолированной панели был создан с использованием существующей на тот момент фанеры в качестве внешних слоёв «сэндвича» и теплоизоляционного материала внутри.

 

1936 год. Американский архитектор-новатор Фрэнк Ллойд Райт приступил к строительствупервого дома, спроектированного в рамках его концепции U.S.O.N.A. – недорогого «североамериканского» дома для среднего класса. Для уменьшения затрат в качестве конструкционного материала для ряда стен были использованы экспериментальные сэндвич-панели, состоящих из 3-х слоёв клееной фанеры и 2-х слоёв гудронированной бумаги (общая толщина — 57мм). Данный дом был окончательно построен в 1937 году и существует до сих пор, хотя и подвергся частичной реставрации в 1983 году.

 

1937 год. В штате Висконсин был построено первое здание с применением в качестве наружных несущих стен сэндвич-панелей, разработанных FPL. Использование нового строительного материала привлекло внимание многих, в том числе и тогдашней Первой леди США — Элионоры Рузвельт. В течении долгих лет это здание эксплуатировалось как один из корпусов Университета Висконсин-Мэдисон и было разобрано лишь в 1998 году с целью перепланировки территории Университета.

 

1947 год. В этот и последующие годы было создано и протестировано большое количество вариаций сэндвич-панелей, одной из разновидностей которых были панели из фанеры и гофрированного картона. Одно из тестовых зданий, построенное с применением таких панелей было разобрано в 1978 году. В целом стены сохранили свои изначальные несущие характеристики, однако в некоторых наружных стенах «начинка» из гофрированного картона все же частично пришла в негодность.

 

1951 год. Немецкий химический концерн BASF представил свой «революционный утеплитель» — Styropor (вспененный пенополистирол, известный у нас как ПСБ — Пенополистирол Суспензионный Беспрессовый).

 

1952 год. Еще один американский архитектор, Элден Б. Доу (Alden B. Dow) (бывший учеником Фрэнка Ллойд Райта в 33 году, а так же сын Греберта Генри Доу, основателя Dow Chemical Company), будучи приверженцем идей энергоэффективности, проводит свои эксперименты по созданию конструкционного и теплоизоляционного материала. Результатом стал «кроманьонец» современных СИП-панелей — «сэндвич» из 2х листов клееной фанеры и пенополистирола. (Толщина панели Доу составляла те же 57 мм, что и панель Райта, но в данном случае 40 мм из них приходилось на утеплитель). Дома, построенные из этих панелей в городе Мидленд, штат Мичиган, считаются первыми домами из СИП, а сам Элден Б. Доу — первым специалистом по технологии СИП.

 

1959 год. Компания Koppers Company переоборудовала завод по производству автомобилей в Детройте в производственный комплекс по изготовлению СИП-панелей. Метод производства заключался в задувании предварительно вспененной стироловой пены между двумя слоями клееной фанеры и последующем склеивании всех слоев. Данная технология позволяла производить панели с хорошими несущими и теплоизоляционными характеристиками. Однако имела и свои недостатки — производственный процесс занимал очень много времени. Кроме того Koppers Company столкнулась с неожиданным сопротивлением профсоюзов плотников северных штатов, которые опасались, что если дома из СИП будут возводиться так быстро, то они потеряют работу. Бригады, собиравшие первые дома, специально затягивали процесс возведения дома почти вдвое. В ту эпоху дешевой энергии и недорогой рабочей силы СИП-панели были неконкурентными на рынке строительных материалов, поэтому фирма Koppers ушла из строительного бизнеса, чтобы заниматься холодильными модулями.

 

1960 год. Компания Alside Home Program (AHP) внесла ряд изменений в технологию производства панелей, что позволило сократить процесс с нескольких часов до 20 минут. Однако построив немногим меньше 100 домов Alside Home Program свернули производство панелей и перепрофилировали его под отделочные материалы, т.к. посчитали имеющийся спрос на свою продукцию недостаточным.

 

1965 год. Архитектурное бюро Woods Constructors (Санта Паула, Калифорния) начало применять СИП-панели в своих объектах. В течении 20 лет Джон Т. Вудс, Пол Вудс, Джон Д. Вудс и Фредерик Вудс продвигали технологию СИП в Южной Калифорнии. В апреле 1989 года Вудсы запатентовали концепцию модульных домов.

 

1982 год. На заводе Edison OSB была произведена первая партия ориентированно-стружечной плиты. Высокие физико-механические характеристики нового материала позволили заменить им клееную фанеру во многих областях, в том числе и в технологии СИП. Фактически именно в 1982 году технология СИП начала существовать в том виде, в котором мы знаем ее сейчас.

 

1990 год. Производителями СИП в США была образована Ассоциация Производителей Конструкционных Теплоизоляционных Панелей (Structural Insulated Panel Association — SIPA). Данный инструмент позволил продвинуть технологию и ее применение в строительстве на новый уровень.

Интересные вопросы

Проект месяца

7744 Общая площадь дома 120 м2.


Фотогалерея


Получатель

Расчет стоимости строительства

Общая площадь дома:
Общее количество этажей:
Кровля с покрытием:
Заполнение оконных проемов:
Электрика:
Сантехника:
Отопление:
Отделка фасада:
Внутреняя отделка:
0 руб.