Джеймс М. Трейси (James М. Tracy)
Строительные теплоизоляционные панели, обычно обозначаемые аббревиатурой SIP, выстояли в борьбе со стихиями, властвующими в районах с экстремальными климатическими условиями, и вышли из неё победителями. Теперь им предстоит выдержать напор стихий человеческого свойства – сопротивления переменам и самодовольства деятелей строительной индустрии. Тем не менее, по темпам роста последних лет можно констатировать, что новые изделия переломили ситуацию в свою пользу и в этой области. SIP – это композитная конструкция из необычной комбинации материалов – дерева и пластика. Менее совместимое сочетание можно встретить не часто, однако уникальные свойства этих компонентов дали конструкторам возможность создать чрезвычайно прочный и надежный конечный строительный материал. SIP применяются там, где в традиционном строительстве используются строительный брус, стропила и балки, однако эта строительная система применения технической древесины серьезно отличается от традиционных.
Первенство в широком внедрении SIP принадлежит северным районам США, однако на сегодняшний день технология закрепилась практически на всем североамериканском континенте. Большинство производителей публикуют данные о значительных объемах экспорта. Основными экспортными направлениями являются страны тихоокеанского бассейна, Канада и Мексика, однако североамериканские SIP уже проторили дорогу в страны восточного блока, многие страны Западной Европы, а также в Центральную и Южную Америку.
Наиболее активно SIP используются в строительстве легких коммерческих и жилых зданий. Наиболее типичным заказчиком на рынке жилья является домовладелец, строящий по индивидуальному проекту и желающий сдержать растущие затраты на оплату наемного труда. Все большее количество застройщиков, ориентированных на производство, уже обратили свое внимание на данную технологию, а некоторые начали её использование в строительстве жилых массивов. В середине 1990-х второй по темпам продаж жилой массив в Калифорнии был построен исключительно с использованием стеновых панелей из SIP.
Рынок строительства жилья для престарелых также имеет положительную динамику для SIP. Возможность создания контролируемого климата и отсутствие сквозняков внутри помещений – хорошие коммерческие аргументы для краткосрочных и долгосрочных проектов сферы здравоохранения. SIP привлекательны для инвесторов в жилье для престарелых, благодаря положительному влиянию на энергозатратную часть, которая является третьей по величине статьей расходов в стоимости владения после обслуживания задолженности и оплаты труда
Применение SIP в строительстве зданий нежилого назначения переживает подъем. Скорость, с которой возводится защищающая от внешних воздействий оболочка здания, позволяет подрядчикам других специальностей раньше начать и окончить свою часть работы. SIP применяются для строительства ресторанов, школ, церквей, мотелей, офисов и других зданий смешанного назначения (рис. 2).
К широкому использованию SIP переходят и другие отрасли, технология которых нуждается в тщательном контроле климатических параметров и стабильной температуре внутри помещений. Хороший пример – цеха ферментации винодельческих хозяйств, где точный контроль температуры является жизненно важным для успеха предприятия. Складские здания, собранные из панелей, требуют менее мощных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), кроме этого, сокращается процент порчи товара за счет поддержания оптимальной температуры.
Почему люди выбирают SIP?
Существует множество доводов в пользу SIP и самый важный из них всегда зависит от человека, принимающего решение. Профессионалам-проектировщикам импонируют предсказуемые характеристики SIP. Проводимые испытания материала до разрушения образцов в сочетании с технической поддержкой, которую предлагают большинство производителей, обеспечивают надежность, в основе которой лежат системный инженерный подход и хорошо задокументированный производственный процесс. Кроме этого, проектировщик заинтересован в том, чтобы заказчики были довольны своим домом. Низкие расходы на оплату энергии, быть может, не являются решающим фактором при общей оценке строительства, однако это будет постоянно напоминать о правильности решения, избранного проектировщиком. Работа такого архитектора или инженера получит отличную устную рекламу.
Единственной крупной проблемой в современном строительстве являются трудозатраты. Сегодняшний низкий уровень безработицы привел к кризису строительных специальностей. Низкое предложение на рынке труда вызвало увеличение затрат на качественную работу по возведению деревянных домов и удлинение цикла реализации проектов. С повышением среднего возраста современного плотника становится очевидно, что все меньше молодых людей выбирает эту профессию. К тому же те, кто только начинают свою карьеру в строительных специальностях, имеют меньше возможностей учиться у квалифицированных коллег, количество которых сократилось. Таким образом, с уменьшением количества опытных специалистов при рекордных уровнях спроса складывается кризисная ситуация. Поэтому SIP – находка для строительного подрядчика, так как все компоновочные решения принимаются на этапе компьютерного проектирования и реализуются на заводе. Простая сборка, в отличие от работы с чертежами, означает, что на стройплощадке будет допущено меньше ошибок. Сборка SIP по плечу менее квалифицированному персоналу; для осуществления руководства необходим только один опытный специалист.
Плоские поверхности прочных панелей с ориентированными волокнами, образующих облицовку панелей, также облегчают работу строителя. Плоские стены устраняют необходимость в подклинивании гипсокартонной обшивки и упрощают её монтаж за счет отсутствия брусьев каркаса и возможности промахнуться мимо стойки при креплении панели. Поскольку SIP не требуют каркаса, уходит в прошлое проблема попавших в пустоту гвоздей и усадки бруса, а значит, снижается количество претензий к строительному подрядчику. Шкафы и кухонные столешницы также легко монтируются к стенам из SIP без обязательной подгонки стыков к поверхности неправильной формы, образовавшейся за счет скручивания и коробления брусьев каркаса. Облицовка стен также облегчается, так как отпадает необходимость следовать криволинейной форме стен традиционной конструкции. Как и проектировщик, подрядчик также не в убытке от того, что заказчик доволен результатом. Когда клиенты довольны, строительный бизнес расцветает. Устная реклама делает свое дело и пользу строителя, который предлагает на рынке готовые изделия отличного качества.
Темпы распространения интереса заказчиков к методике строительства на основе SIP чрезвычайно высоки. Массовый интерес к данной технологии переживает огромный подъем, делая реальным "сквозной" маркетинг через дилеров, проектировщиков и строителей. Производители SIP привлекают клиентов в свою региональную сеть специалистов по спецификациям и застройщиков. В значительной мере это происходит за счет сильного рекламного эффекта от строительства индивидуально спроектированных частных домов, которые изначально являлись крупной рыночной нишей для производителей строительных панелей. Высокая энергоэффективность технологии является еще одним серьезным фактором привлечения потребителей, которые, согласно недавним демографическим исследованиям, все больше времени проводят в своих домах. Многие владельцы домов из SIP также говорят о более совершенных параметрах шумоизоляции по сравнению с аналогичными домами, построенными без использования SIP. Эти выводы не поддерживаются результатами испытаний на звукопроводимость, однако могут являться следствием большей герметичности конструкции и использования дополнительных опций повышения энергоэффективности здания, предлагаемых архитекторами, например более совершенных окон. Федеральные программы, проводимые Министерством энергетики США, в частности "Energy Star Homes", также стимулируют возобновление интереса к энергоэффективным строительным технологиям. Программа PATH (Partnership for Advancing Technology in Housing - Партнерство по применению передовых технологий в жилищном строительстве) поддерживает SIP как одну из передовых технологий. Подобные программы играют свою роль в укреплении желания домовладельца являться собственником более совершенного жилья.
Какова картина работы SIP с точки зрения конструкции?
Конструкции, собранные из SIP, доказали свою надежность перед лицом стихии и превзошли ожидания конструкторов. Дома из SIP, перенесшие землетрясения в Нортридже, штат Калифорния, и японском городе Кобе, продемонстрировали превосходные характеристики сопротивляемости сейсмическим разрушениям. Здания, находившиеся в районах, попавших под удар ураганов «Эндрю» и «Иники», показали высокую устойчивость к ветровым нагрузкам. Недавние рекордные снегопады в Каскадных и Скалистых горах помогли установить, что конструкции из SIP способны справиться с нагрузкой, втрое превышающей расчетную, без растрескивания гипсокартонных элементов внутри помещений. Существует множество невероятных историй, подтверждающих качество инженерно-технической проработки и реализации SIP, но этот удивительный успех не стал бы реальностью без всесторонних конструктивных испытаний.
Для того чтобы получить типовую классификацию любого уровня, SIP должны пройти серьезный набор конструктивных испытаний до разрушения образцов. Большинство испытаний проводятся в соответствии с требованиями стандарта ASTM D-1803 "Методика испытаний для определения конструктивных характеристик теплоизолированных панелей". Среди базовых методов – испытания на устойчивость к поперечной нагрузке, выполняемые в соответствии с требованиями стандарта ASTM E-72, предусматривающие равномерную загрузку панели, установленной горизонтально, с измерением величины прогиба. При этом верхняя оболочка панели испытывает нагрузку сжатия, а нижняя – растяжения. Доминирующим характером отказа панелей является прогиб, поэтому в местах, где величина пролета превышает устойчивость SIP к прогибу, в качестве соединительных звеньев применяются деревянные стропила или балки I-образного профиля. Жесткость соединительных звеньев дает возможность перекрыть пролеты гораздо большей величины, чем SIP могли бы обеспечить без эффекта усталостного разрушения и остаточной деформации сжатия (рис. 3).
Осевые нагрузки, обычно, превышают значение 2000 plf при использовании одиночного 2-дюймового верхнего деревянного бруса, который располагается в пазу между двумя оболочками. Однако устойчивость к нагрузке почти удваивается при установке верхней пластины, которая подключает к работе две наружные оболочки панели. Верхняя пластина шире по сравнению со стандартным брусом на ширину двух наружных оболочек (рис. 4).
Некоторые производители применяют комбинированное тестирование на устойчивость к осевым и изгибающим (поперечным) нагрузкам, в то время как другие используют единичные уравнения при проектировании специальных систем. Производители представляют классификационные отчеты и/или расчетные таблицы нагрузок по каждому отдельному проекту.
Испытания прочности на сдвиг обычно показывают, что SIP способны выдерживать 300 plf, однако этот показатель может быть улучшен за счет использования большего количества крепежных элементов по периметру панели. Испытания мембранных свойств панелей дают результат 750 plf, благодаря длинным винтовым креплениям, соединяющими SIP с несущими конструкциями. В случае с кровлей, этой цели может служить коньковая балка либо система прогонов. Уменьшение шага креплений также может привести к увеличению мембранного сопротивления.
Каковы характеристики огнестойкости SIP?
Мой личный опыт убедил меня, что SIP чрезвычайно устойчивы к воздействию огня. Я был свидетелем пожара, случившегося вблизи г. Омаха, Небраска, видел последствия взрыва пропана в г. Портленд, Орегон, где также возник пожар, и могу сказать, что конструкции из SIP показали себя с очень хорошей стороны. Североамериканские производители доказали противопожарную эффективность систем на основе SIP, проведя комплексные пожарные испытания, объем которых имеет мало аналогов в строительной отрасли. Результаты испытаний до разрушения образцов позволяют задокументировать характеристики SIP в соответствии с жесткими стандартами. Соответствие требованиям национальных стандартов, в частности ASTM-E119 и ASTM-E84, обеспечивается благодаря применению защиты панелей, которая аналогична той, которая используется для защиты других деревянных конструкций.
Для жилых зданий, предусмотренный обычными требованиями предел огнестойкости составляет 15 минут, который достигается при установке поверх SIP обычной гипсокартонной панели толщиной 1/2 дюйма (рис. 5).
Для легких зданий коммерческого назначения и многосемейных домов требования могут предусматривать более жесткий предел огнестойкости – 1 час. Некоторые из предусмотренных для этого нормативами конструкций перечислены в Руководстве по огнестойким конструкциям UL®. Резюмировать указанный перечень можно следующим образом:
Два слоя гипсокартонной панели "типа Х" толщиной 5/8", закрепленные согласно классификационному отчету производителя к SIP, собранным с использованием различных типов соединительных звеньев.
Один слой гипсокартонной панели "типа С" толщиной 5/8", закрепленный согласно классификационному отчету производителя к SIP, собранным с использованием соединительных звеньев из стандартного пиломатериала или элементов из технической древесины, с межцентровым расстоянием 48 дюймов и менее.
Как и в любых других вопросах, связанных с характеристиками огнестойкости, требования местных нормативных документов будут различаться в зависимости от региона, классификации здания и наполняемости помещений. Разработчик обязан связаться с местными регулирующими и пожарными органами для установления объема местных требований с тем, чтобы обеспечить соответствие местным и национальным стандартам.
Рисунок 5. Гипсокартон поверх SIP.
Какова энергоэффективность SIP?
Впечатляющий пример энергоэффективности SIP представляет собой "Energy Diet Home", построенный муниципальным оператором коммунальных сетей в г. Бригем Сити, штат Юта, в 1998 году. Для постройки этого дома были применены 8-дюймовые стеновые и 4-дюймовые потолочные SIP с размещенной в полости балок минераловатной изоляцией. Дом площадью 1200 квадратных футов был спроектирован с целью продемонстрировать возможность снижения затрат на электрическое отопление до 100 долларов в год. Стоимость отопления дома в первый год эксплуатации составила $54,80.
Окриджской национальной лабораторией (Oak Ridge National Laboratory - ORNL) недавно были завершены испытания, проведенные по заказу Ассоциации производителей строительных теплоизоляционных панелей (SIPA), которые доказали, что 4-дюймовая стена из SIP имеет более высокое значение сопротивления теплопередаче для цельной стены и "живой" стены по сравнению с 6-дюймовой стеной с традиционным деревянным каркасом (рис. 6). Поскольку SIP сами по себе являются несущими конструкциями, отпадает необходимость в стойках и креплениях, нарушающих теплоизоляционные свойства стены. Результат – более комфортная для человека и энергоэффективная конструкция здания, демонстрирующая соответствие заявленным характеристикам в условиях реальной эксплуатации. В отличие от стены, собранной по схеме «каркас-теплоизоляционная панель» (stick-and-batt), теплоизоляция которой может быть неправильно установлена или попросту отсутствовать, в SIP теплоизоляция является конструктивной частью материала. Она не может остаться вне стены или быть удаленной другим субподрядчиком.

Более того, результаты современного технического анализа характеристик цельной стены указывают на то, что теплопотери стены на деревянном каркасе много больше, чем можно было предположить: в среднем стандартные компоненты традиционной стены, не имеющие отношения к теплоизоляции, способны ухудшить значение сопротивления теплопередаче для 30 процентов площади стены. К счастью, для SIP это не представляет проблем. Исследование, проведенное ORNL, показало, что SIP демонстрируют значение сопротивления теплопередаче, приблизительно равное 97% от заявленной величины, теряя в сумме лишь 3% за счет отверстий для гвоздей, швов, соединительных элементов и т.п. Кабельные каналы прорезаются заранее либо встраиваются в сердцевину из пеноматериала, не нарушая теплоизоляционный слой. Стены из SIP выиграли сравнение со стенами, выполненными по схеме «каркас-теплоизоляционная панель», и в испытаниях на поддержание постоянной температуры в помещении, что равноценно повышенному комфорту обитателей дома. Как показано на рисунке 7, температура внутренней поверхности каркасной стены резко падает в местах расположения стоек каркаса, в то время как стена SIP имеет одинаковую температуру по всей поверхности. Отсутствие температурных ям означает более высокий уровень комфорта, в каком бы месте помещения вы не находились. Это в значительной мере объясняет тот эффект, который пытаются выразить те, кто впервые оказался в доме из SIP, говоря о том, что немедленно "почувствовали разницу".
Какова стоимость SIP?
На это вопрос непросто дать четкий ответ. Некоторые из застройщиков продают дома из SIP по той же цене, что и дома традиционной каркасной конструкции. Другие продают их по более высокой цене. Сравнить стоимость SIP и обычных домов если и возможно, то очень непросто по причине неустойчивой конъюнктуры на рынке строительной древесины.
Некоторые застройщики понимают, что долгосрочные материально-производственные запасы, которые поддерживаются производителями SIP, дают им возможность покупки материалов непосредственно с завода, и хеджируют расценки в небольших пределах, при этом усредняя затраты, вместо уступок в цене клиентам.
Рестораны McDonald's серии 2000 являются классическим примером того, как строительство по технологии SIP может приносить прибыль. Если проект будет завершен всего на 1 неделю раньше за счет SIP, получатель франшизы McDonald's имеет в запасе дополнительную неделю, на всем протяжении которой кассовый аппарат будет отбивать чеки. Дополнительная недельная прибыль способна облегчить общее бремя расходов на SIP.
Какова технология изготовления SIP?
Обычно SIP состоят из трех компонентов: теплоизоляционная панель из жесткого пеноматериала, покрытая с обеих сторон строительным клеем, располагается между двумя панелями с ориентированными волокнами (OSB). Наиболее распространенным является метод непрерывного холодного прессования, при котором под действием давления, клей проникает в мельчайшие пространства между ячейками теплоизоляционной панели из пенополистирола (EPS). Проникший внутрь пены клей образует надежную механическую связь между теплоизоляцией и панелью с ориентированными волокнами. Панели выдерживаются под давлением в течение 1 часа, в течение которого происходит схватывание клея на водяной основе. Двухкомпонентный клей – эмульсионный полимер изоцианат – превращается в инертный пластик, отличающийся замечательной стойкостью к влаге, температуре и разложению под действием факторов окружающей среды. Другим распространенным видом клея является уретановый клей с отверждением под действием влаги, для работы с которым применяются прижимные валы или холодный пресс.
Еще одним методом является заполнение пространства между оболочками из панелей с ориентированными волокнами жидкой уретановой пеной (полиуретан либо полиизоцианурат). Уретановая пена быстро затвердевает на выходе из производственной линии, при этом процесс её расширения контролируется при помощи жестко зафиксированных выравнивающих панелей. Адгезивные свойства самой пены обеспечивают прочное соединение между пеной и OSB.
По популярности с большим отрывом лидирует метод холодного прессования с использованием пенополистирола и панелей с ориентированными волокнами в качестве оболочек готовой панели. Тем не менее, иногда вместо стружечных панелей используется фанера, а несколько большее значение сопротивления теплопередаче уретанового наполнителя закрепило верных приверженцев и за этим материалом.
В чем состоят сложности, связанные с применением SIP?
Индустрия SIP имеет несколько фрагментированную структуру, внутри которой региональные производители участвуют в региональных баталиях. Поскольку это обычно небольшие компании, они действуют во многом аналогично региональным производителям стропильных ферм или балок I-образного сечения. Промышленность нуждается в выработке согласованных национальных стандартов на данный вид продукции, способных облегчить бремя проведения индивидуальных испытаний каждым производителем с получением индивидуальной типовой классификации.
Перемена отношения к данной технологии внутри строительного сообщества может представлять определенную трудность, однако, по мере того, как сообразительные строители начнут изучение общих затрат на весь проект целиком вместо прейскурантов на отдельные материалы, процент успеха возрастет. Этот процесс будет происходить еще быстрее с углублением кризиса на рынке труда. Возможно, лучший адвокат SIP - это строитель, делающий деньги за счет применения этой технологии. Успех есть наилучшая мотивация к смене старых способов мышления, и сегодня многие строительные фирмы уже заявляют об улучшении своего финансового положения за счет применения технологии SIP.
Аналогично любой высокоэффективной строительной системе, дома из SIP нуждаются в механической вентиляции. Вентиляторы-теплоутилизаторы и воздухо-воздушные теплообменники являются блестящим решением для оборудования любого дома и быстро становятся предметом регулирования по мере того, как качество воздуха в помещениях привлекает все больше внимание как общества в целом, так и отдельных частных потребителей. Для решения проблем, связанных с насекомыми, в частности термитами или муравьями-древоточцами, сердцевина из пеноматериала может обрабатываться отпугивающим средством, например, боратом, плюс к этому, в верхней части фундамента устанавливается металлическая ловушка для насекомых. Другой подход предусматривает использование обработанных боратом панелей с ориентированными волокнами в качестве наружных оболочек панелей. Как и пенополистирол, обработанные панели легко поддаются ламинированию. Подобная обработка рекомендуется при строительстве домов в местах, где возможно появление вредных насекомых. Поскольку производственный процесс предусматривает инкапсулирование бората при обработке как оболочек, так и сердцевины, обеспечивается эффективная защита конструкций здания на долгие годы.
Несмотря на то, что определение истинной стоимости строительства на основе SIP представляет немалую трудность, даже для строителей, использующих обе технологии, общий консенсус склоняется к тому, что SIP обходится несколько дороже, чем традиционное каркасное строительство. Производители SIP должны предпринять маркетинговое усилие для того, чтобы генерировать рост объемов, что позволит получить прибыль от масштабной экономии и более конкурентоспособной себестоимости продукции, в сравнении с традиционными системами.
Индустрия SIP является индустрией роста, с успехом пережившей несколько циклов развития. Она прошла через трудный период эмбрионального развития, погубивший очень многие строительные технологии. SIP способны очень эффективно противостоять стихиям природным, а теперь близки к покорению и человеческой стихии: сопротивления переменам. SIP пришли надолго!
Для получения дополнительной информации по SIP, посетите Интернет-сайт SIPA:
www.sips.org.
Автор статьи является Исполнительным директором и Главным операционным менеджером SIPA - Ассоциации производителей строительных теплоизоляционных панелей, Гиг Харбор, Вашингтон.
Печатные копии этой статьи можно получить по адресу:
Structural Insulated Panel Association
(Ассоциация производителей теплоизоляционных панелей)
SIPA
3413 A 56th street NW
Gig Harbor, WA 98335
Телефон: (253) 858-SIPA (7472)
Факс: (253) 858-0272
Адрес электронной почты: staff@sips.org