Производство и применение деревянных клееных конструкций (ДКК) находятся на этапе динамично устойчивого развития. Временные параметры этого этапа, условия устойчивости развития, тенденции и приоритеты в обеспечении динамики темпов – эти и другие задачи требуют системного анализа и программного решения.

 

Общая характеристика

Изготовление деревянных клееных конструкций (ДКК) – давно известный способ получения продукции деревообработки с заданными (требуемыми) потребительскими, эксплуатационными параметрами: столярных плит, мебельных щитов, щитового паркета и др.

Производство массивных, крупногабаритных ДКК (так называемых балок) строительного назначения было начато в середине прошлого века. Эти конструкции являются ответственными элементами строительных систем зданий и сооружений, могут воспринимать большие эксплуатационные нагрузки и обеспечивают устойчивость и безопасность строительных объектов. Поэтому именно этим ДКК (так называемым несущим) уделялось и уделяется наибольшее внимание, особенно в научно-технической и нормативно-методической сферах.

Другие виды ДКК (брусья стен, щиты, бруски окон и дверей и др.) относят к ненесущим конструкциям, выполняющим ограждающие и декоративные (эстетические) функции.

Деревянные клееные конструкции зачастую являются важными элементами строительных систем зданий и сооружений, могут воспринимать большие эксплуатационные нагрузки и обеспечивают устойчивость и безопасность строительных объектов.

Производство и применение деревянных клееных конструкций наиболее развито в Европе, Северной Америке, Японии. Мировой объем производства несущих ДКК в 2003 году составил около 4,5 млн. кубометров (в 2004 году – порядка 5 млн. кубометров). Россия пока производит лишь около 2% этих объемов, но за несколько последних лет объемы производства увеличились в 10 раз (с 7,4 тыс., кубометров в 1998 году до 76 тыс. кубометров в 2003 году).

Европа экспортирует, в основном в Японию, до 25% объемов несущих ДКК. Россия экспортирует (в Европу, Японию, Китай и др.) до 40% производимых ДКК, включая мебельные щиты. Япония производит около 0,5 млн. кубометров несущих ДКК, а применяет, прежде всего, в строительстве, более 1 млн. кубометров этих конструкций.

Основными отраслями – потребителями ДКК сейчас являются строительство и мебельное производство, по объемам и количеству научно-проектных разработок лидируют ДКК строительного назначения, среди которых выделяются несущие ДКК, хотя объемы их производства составляют только треть общих объемов строительных ДКК.

Сложившаяся техническая лексика в сфере производства применения ДКК не имеет четкого смыслового разделения: деревянной клееной конструкцией может быть названа часть здания, сооружения или законченная самодостаточная конструкция, являющаяся элементом строительной конструкции, которая, в свою очередь, представляет частный и тоже самодостаточный вариант общетехничёского (энциклопедического) понятия «конструкция».

В строительных нормативных документах (СНиП-10-01) определено: строительная конструкция – часть здания или другого строительного сооружения, выполняющая определенные несущие, ограждающие и/или эстетические функции; строительное изделие – изделие, предназначенное для применения в качестве элемента строительных конструкций зданий и сооружений. Таким образом, ДКК является изделием, используемым при изготовлении строительных конструкций.

Следовательно, когда из определенной совокупности деревянных клееных балок или брусьев, т.е. ДКК, создаются – с использованием стержней, болтов, накладок, поясов и др. соединительных деталей – большепролетные системы перекрытий зданий или сооружений, эти системы должны характеризоваться как строительные конструкции, а использованные для их создания ДКК – как их элементы.

На этой основе определены и предлагаются для технического лексикона в данной области следующие определения:

К основным классификационным признакам ДКК относят функциональное назначение (несущие и ненесущие ДКК) и условия эксплуатации. По критерию безопасности несущие ДКК подразделяют на несколько групп ответственности. По условиям эксплуатации (температурно-влажностный режим) ДКК подразделяют на несколько классов, в общем виде характеризующих использование ДКК внутри или снаружи зданий или помещений.

Имеющаяся отечественная нормативная база по данной продукции:

а) сориентирована преимущественно на несущие ДКК;

б) не является комплексной, т.к. не регламентирует все стадии цикла существования ДКК;

в) не обновлялась и не уточнялась последние 20–25 лет;

г) не располагает современным понятийным аппаратом;

д) должна быть приведена в соответствие с введенным с 01.07.03 г. ФЗ «О техническом регулировании», в частности гармонизирована со стандартами ведущих стран мира.

Так, основной нормативный документ – ГОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия» – действует около 20 лет, а СНиП И-25-80 «Деревянные конструкции» – более 20 лет. В этом заключается одна из причин массового производства ДКК на основе технических условий (ТУ).

В странах-производителях и потребителях ДКК (Европа, США, Япония) сложилась и с конца прошлого века активно реализуется более современная система нормативного обеспечения. Например, стандарты Евросоюза (EN) учитывают назначение конструкций, регламентируют условия их изготовления и системного контроля, определяют требования к клеям, вводят классы прочности пиломатериалов и др. Однако единого понятийного аппарата эти стандарты также не имеют.

Детальный анализ нормативной базы ДКК изложен в «Рекомендациях по изготовлению и применению деревянных клееных конструкций в строительстве», подготовленных и распространенных Ассоциацией производителей и потребителей ДКК в марте 2004 года, и в «Общих рекомендациях по организации производства ДКК», разработанных фирмой «МП «ДОМ».

 

Специфика производства

Деревянные клееные конструкции – результат взаимодействия четырех основных факторов: это древесина, клеи и защитные вещества, производственные условия (здания с определенным температурно-влажностным режимом, оборудование, инструменты, транспортные и грузоподъемные средства) и персонал, т.е. человеческий фактор. Среди параметров конструкций приоритетное значение имеют критические эксплуатационные показатели прочности и стойкости клеевых соединений, определяющих при прочих равных условиях безопасность и долговечность строительных и других конструкций на основе ДКК.

Каждый из факторов имеет свою специфику. Степень учета специфики и уровень взаимодействия факторов в процессе изготовления ДКК определяют качество этой продукции.

При общей оценке требований к древесине и их влияния на эффективность производства ДКК, особенно ненесущих, следует учитывать следующие преимущества:
– возможность использования менее качественного пиловочника (по диаметру и сортности);
– более рациональное использование древесины, в частности при раскрое бревен на ленточнопильных станках, за счет сращивания короткомерных деталей и др.;
– возможность получения изделий требуемых длин и сечений, существенно ограничиваемых диаметром, длиной и качеством пиловочника при изготовлении цельных брусьев, балок и др. деталей;
– обеспечение большей прочности клееной пилопродукции;
– возможность обеспечения параметрического многообразия клееных деталей, элементов, конструкций.

Учет преимуществ древесно-сырьевой базы ДКК и научно-практические возможности либерализации требований к древесине для ДКК различного назначения будут существенно и позитивно влиять на развитие их производства.

Расход клея – как второго основного компонента ДКК – может составлять в отдельных видах ДКК десятки килограммов на один кубометр клееной пилопродукции. При существующих уровнях цен (до 150–200 руб./кг) стоимость клеев, следовательно, может определять до половины себестоимости ДКК. Но клеи – основа прочности, надежности и долговечности ДКК. Поэтому выбор клея – это, прежде всего определение гарантии качества ДКК. Здесь в полной мере должно соблюдаться соотношение «качество – цена». Определенным образом это относится и к выбору защитных веществ для огне- и биозащиты ДКК.

С помощью деревянных клееных конструкций создаются сложные элементы зданий.

Основным критерием качества любого клея, т.е. его эксплуатационных свойств (прочность и долговечность клеевого соединения, водостойкость, эластичность и т.д.) и технологических свойств (вязкость, время отверждения и т.д.), является стабильность свойств в поставляемых партиях.

Особенностью отечественных клеев для деревянных клееных конструкций является отсутствие единой регламентированной и методически обеспеченной номенклатуры показателей их качества, гарантий стабильности основных свойств, комплексного сервиса (компоненты, оборудование для клееприготовления и клеенанесения, обучение персонала и др.). Импортные, прежде всего европейские, клеи во многом лишены этих недостатков.

Принципиальная важность качества клеев для обеспечения эксплуатационных параметров ДКК и оптимальных технико-экономических показателей производства конструкций будет постоянно стимулировать поиск новых научно-практических решений – как по линии новых и модифицированных клеев, так и по линии импортозамещения.

Защитные вещества (антипирены и антисептики) применяют для предохранения ДКК от воздействия огня (обеспечение огне- и пожаростойкости) и от негативного влияния на древесину переменных и постоянных температурно-влажностных факторов. Иными словами, защитная обработка деревянных клееных конструкций должна обеспечить их безопасность и долговечность в период эксплуатации. Глобализация нормативных требований по защите ДКК, особенно несущих, уже длительное время подвергается обоснованным сомнениям:
– био- и пожаростойкость ДКК должны, прежде всего, обеспечиваться конструктивными решениями при проектировании конкретных зданий и сооружений (если таких решений не предусмотрено, то лишь защитная обработка древесины слабоэффективна);
– исследования отечественной и мировой науки, а также практика ряда стран доказывают, что пожаростойкость ДКК в значительной степени определяется не только и не столько их защитной обработкой, а массивностью их сечения: чем она больше, тем выше пожаростойкость ДКК;
– затраты на глубокую пропитку древесины антипиренами (а поверхностная обработка малоэффективна) сопоставимы с полной себестоимостью ДКК.

Представляется очевидным, что в ближайшие годы эти сомнения с уровня дискуссионности перейдут в формат конкретных нормативных решений.

Среди общетехнических параметров технологического оборудования (производительность, точность, надежность и др.) особой перспективной актуальностью выделяется уровень автоматизации, что по ряду причин, которые рассмотрены ниже, будет служить определяющим критерием высокого качества и конкурентоспособности производства ДКК.

Машинная сортировка пиломатериалов, автоматизированные процессы их сушки, приготовление и нанесение клея без участия человека, комплексы для торцевого сращивания деталей – эти уже реально существующие примеры показывают: вектор прогресса в техническом обеспечении ДКК направлен в сторону практически полной автоматизации их производства. При этом не следует ожидать «механического симбиоза» отдельных автоматизированных операций: реальная автоматизация, производства ДКК возможна только на основе полной математической модели всего технологического процесса и ее программной реализации. «Штабным регулятором» автоматизированного комплекса должен, безусловно, стать центр контроля и испытаний (ЦКИ), показания приборов которого будут являться корректирующими сигналами. Реальным шагом к созданию ЦКИ может стать адаптация имеющихся в других отраслях приборов для оперативного контроля качества клеевого соединения ДКК.

Человеческий фактор в общем виде определяется как участие человека в выполнении, контроле, оценке операций и процессов, в подготовке и реализации решений по их регулированию. Влияние Человеческий фактор может быть негативным по нескольким причинам: непрофессиональное выполнение операции, т.е. прямой брак; контроль несвоевременный, неполный и неквалифицированный; ошибки в оценке ситуации; несвоевременное или неадекватное решение и т.д.

Процесс изготовления ДКК высокого качества обязательно должен учитывать влияние человеческого фактора на компоненты и условия производства (древесина, клеи, оборудование и др.) и предусматривать систему мер по локализации или нейтрализации этого влияния.

Локализация человеческого фактора осуществляется системными организационно-техническими и социальными мерами:
– комплексом организационно-распорядительной, технологической, инструкторской и др. документации, регламентирующей действия персонала;
– подбором квалифицированного персонала и его периодической аттестацией на основе профориентирования;
– системой морального и материального стимулирования;
– постоянным и эффективным контролем соблюдения технологической и исполнительской дисциплины и др.

Эти меры являются обязательной составной частью современных систем управления производством (менеджмента) и систем качества продукции. При четком их соблюдении обеспечивается существенная локализация человеческого фактора и относительно стабильный уровень качества продукции. Но устойчивость и долговечность эффекта локализации тоже зависят от человеческого фактора – на уровне руководящего персонала. Понимание ограниченной эффективности локализации человеческого фактора обусловливает поиск, разработку и реализацию решений по нейтрализации влияния человеческого фактора. Нейтрализация человеческого фактора заключается в максимально возможном исключении участия человека в выполнении, контроле, оценке конкретных операций изготовления ДКК, в выработке и реализации решений по регулированию этих операций. Поэтому нейтрализация человеческого фактора может быть обеспечена только техническими средствами, т.е. автоматизацией операций, выполняемых по заданной программе.

Локализацию человеческого фактора следует оценивать как обязательное тактическое условие конкурентоустойчивого развития производства ДКК в ближайшие годы, а нейтрализацию человеческого фактора необходимо рассматривать как стратегическое направление и приоритет развития производства ДКК на более длительную перспективу. Это направление требует системных и долговременных научно-технических разработок, выполнение которых должно быть осознано и инициировано профессиональным сообществом.

 

Тенденции развития

В последние 5–7 лет в мировом и отечественном производстве ДКК отмечаются и с различной динамичностью развиваются определенные тенденции, системное изложение и анализ которых имеют существенное значение для концептуальных оценок направлений развития этой отрасли деревообработки.

1. Устойчивый рост объемов промышленно-гражданского строительства, современные архитектурно-проектные решения уникальных зданий и сооружений (спортивно-зрелищных, торговых и т.п.) и реконструкции жилого фонда (за счет мансардных этажей), создание малоэтажных домов повышенной комфортности, экологические приоритеты в мебельном производстве и другие факторы, в т.ч. технико-экономические преимущества изделий из древесины, обусловили масштабное увеличение спроса на деревянные клееные конструкции.

2. Объемное увеличение спроса на ДКК сопровождается и определяется как расширением областей их применения, так и номенклатурным многообразием ДКК (брусовых, дощатых, щитовых, гнутоклееных и др.).

3. Структура сбыта ДКК явно приобретает формат двухуровневой системы: внутренний рынок и внешний рынок (экспорт). Требования последнего существенно отличаются, что обусловливает строительство и деятельность специализированных предприятий в России (как в европейской части страны – с ориентацией преимущественно на рынки Западной Европы, так и в Сибири и на Дальнем Востоке – для поставок в страны Восточно-Азиатского региона, прежде всего в Японию и Китай).

4. В среде участников цикла существования ДКК (архитекторов, проектантов, ученых, производственников, строителей) получают развитие интеграционные процессы как основа саморегулирования и решения общих задач при учете частных интересов. В 2003 году образованы:

5. Перспективно устойчивая динамика спроса на ДКК инициирует выполнение локальных исследований прикладного значения (обзоры, аналитические материалы, испытания новых типов конструкций и т.п.), не имеющих системного характера, не создающих программного обеспечения всего цикла существования ДКК и, главное, не формирующих научного задела, т.е. перспективных результатов.

Актуальность этих задач и необходимость их решения будут, возможно, осознаваться по мере развития и укрепления ассоциаций как саморегулируемых профессиональных сообществ, которые полностью (судя по зарубежной практике) формируют и реализуют направления развития своих отраслей.

6. Руководство и технический персонал предприятий-изготовителей ДКК в основном усвоили приоритетную значимость качества для обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции, что совсем не характерно для большинства рабочего персонала, квалификация которого не всегда соответствует требованиям изготовления ДКК.

7. Базирование производства экспортно-ориентированных предприятий на нормативах качества регионов-импортеров ДКК, стратегическая открытость страны для мировых рынков (при вступлении России в ВТО), хроническое старение отечественной нормативной базы обостряют проблему ее обновления на основе гармонизации с нормативными документами ведущих стран и регионов и в форматах новых документов, установленных ФЗ «О техническом регулировании».

8. С введением с 01.07.03 г. ФЗ «О техническом регулировании» производство и применение ДКК, как и другие промышленные производства, должны в течение нескольких лет получить новое нормативное обеспечение:

а) регламентирующее виды безопасности ДКК на всех стадиях цикла их существования — от создания (проекта) и изготовления до эксплуатации и утилизации;

б) нормирующее степени риска причинения вреда жизни или здоровью человека и имуществу различных форм собственности во всех стадиях цикла существования ДКК;

в) базирующееся только на параметрах потребительского (эксплуатационного) качества ДКК и не регламентирующее их конструктивные решения, способ изготовления и др.;

г) имеющее форматы технических регламентов (обязательных для исполнения) и национальных стандартов и стандартов организаций, являющихся документами добровольного применения.

9. Среди научно-практических решений, отличающихся перспективной новизной, вызывающих интерес и даже локально применяемых на ряде предприятий-изготовителей ДКК, но не имеющих достаточных научно-технических обоснований и окончательных регламентов и поэтому находящихся в дискуссионном поле, следует отметить:

а) раздельное и достаточное или последовательно-совмещенное применение машинной и визуальной оценки качества пиломатериалов для изготовления ДКК.

Машинный способ обеспечивает более точную оценку физико-механических, прежде всего прочностных, свойств древесины и степени влияния на них ряда пороков древесины (в основном сучков). Визуальный способ менее точен в оценке прочностных свойств древесины, но более объективен при оценке влияния других пороков (грибные окраски, трещины и др.);

б) использование в многослойных ДКК (балках, брусьях и т.п.) ламелей (слоев) различного качества (сортности) и различных древесных пород.

Производственная эффективность таких способов формирования слоев ДКК очевидна, но не имеет достаточных экспериментальных, в т.ч. мониторинговых, исследований;

в) критическая величина градиента (перепада) влажности древесины в смежных склеиваемых деталях не должна превышать 4% (±2%); обиходное мнение, что каждый 1% градиента снижает прочность клеевого соединения на 10%, не имеет достаточного экспериментального обоснования. Тем более с учетом появившейся в последнее время информации о новых клеях, способных обеспечивать прочность клеевого соединения деревянных деталей любой влажности;

г) использование клеев с демпфирующими добавками в производстве ДКК для условий с большими температурными колебаниями;

д) применение раздельного (сначала наносится на деревянную деталь отвердитель, затем, через короткое время, смола) или традиционного способа (смесь смолы и отвердителя) нанесения клея.

При явных производственных преимуществах раздельный способ не имеет полных и достоверных описаний физико-химических процессов при раздельном соединении смолы и отвердителя; требуются масштабные лабораторные и мониторинговые исследования;

Деревянные клееные конструкции все активнее используются в жилищном строительстве, особенно при возведении малоэтажных домов.

е) гарантированная стабильность свойств клея исключает необходимость периодического операционного контроля прочности клеевых соединений в процессе изготовления ДКК.

Практическая неоперативность влияния результатов применяемого контроля очевидна и требует более современных методов и средств (например, приборов непрерывного контроля параметров клеевой прослойки). Отказ же от операционного контроля по критерию гарантированной стабильности свойств поставляемого клея или его компонентов (смолы и отвердителя) представляется необоснованным, т.к. в обеспечении прочности клеевого соединения участвуют, кроме клея, другие факторы (оборудование, человек и др.);

ж) массивные ДКК, т.е. конструкции крупных поперечных сечений, более безопасны в пожарном отношении, чем конструкции из других материалов (металла, железобетона и др.); это подтверждается солидными справочными источниками и практикой нормирования пожарной безопасности в ряде стран, но не учитывается в отечественных нормативных документах, которые предусматривают обязательную антипиреновую обработку ДКК.

Консерватизм отечественных противопожарных нормативов, имеющий ощутимые экономические последствия для изготовителей массивных несущих ДКК (из-за количества требуемых огнезащитных материалов, их стоимости и др. затрат на защитную обработку конструкций), может и должен быть преодолен на основе учета зарубежного опыта, получения результатов сравнительных испытаний и анализа статистических данных;

з) научно-методические и в перспективе технические возможности создания и эффективной работы автоматизированных производств ДКК на основе компьютерно-программного их обеспечения. Такой уровень обеспечения уже характерен для ряда операций, например сушки пиломатериалов, изготовления и нанесения клея, машинной сортировки пиломатериалов. Реализация этой крупной и принципиально важной для перспектив ДКК научно-практической проблемы потребует масштабных инвестиций и долгосрочных работ.

10. Отмечается динамичное увеличение количества публикаций по вопросам изготовления и применения ДКК и профессиональных публичных мероприятий (семинаров, конференций, «круглых столов» и др.), что обусловлено темпами развития этой отрасли деревообработки. Одновременно идет процесс накопления практической и проблемной информации как одного из важных параметров оценки перспектив развития ДКК.

11. Формируется осознание активной и продуктивной роли профессионального сообщества в создании (на основе стандартов организаций, что предусмотрено ст. 17 ФЗ «О техническом регулировании») современной нормативно-технической базы ДКК. В наиболее полном виде это отражено в системе технического регулирования ДКК, принятой и реализуемой АПП КДК.

Такая позиция и система позволяют:

а) оперативно разрабатывать (с учетом апробированных новых решений в области ДКК), вводить и применять нормативные документы, регламентирующие все аспекты цикла существования ДКК;

б) конструктивно, на основе результатов практического применения стандартов организации, участвовать в работах по подготовке нормативных документов федерального уровня – технических регламентов и национальных стандартов;

в) существенно уменьшить затраты времени и средств на нормотворчество на уровне предприятий;

г) создать современную нормативно методическую базу сертификации ДКК;

д) определить и ввести в практику отечественного производства ДКК критерии высокой конкурентоспособности продукции и современного технического и организационно-структурного уровня предприятий.

12. Отмечаемая частота профессиональных мероприятий и динамика публикаций по проблемам ДКК не снижают, а только усиливают остроту дефицита регулярной разноплановой информации в области ДКК. Поэтому актуализируется задача организации периодического издания (журнала, бюллетеня и т.п.), которая может быть решена профсообществом участников цикла существования ДКК.

 

Прогнозы и приоритеты

Макроанализ состояния и динамики областей применения ДКК дает основания для следующих выводов:

а) ДКК – высокотехнологичный, инновационно активный, экономически эффективный, инвестиционно привлекательный вид продукции деревообработки;

б) объемные параметры производства ДКК определяются масштабами и темпами развития промышленно-гражданского строительства, сопутствующего ему развития современного мебельного производства и возможностями расширения участия России на международных рынках (особенно при вступлении в ВТО);

в) опережающими темпами в ближайшие годы будет развиваться производство несущих ДКК;

г) получит развитие применение ДКК в различных областях промышленно-гражданского строительства, прежде всего в малоэтажном строительстве, при изготовлении столярно-строительных и др. изделий;

д) вектор экспорта ДКК (в виде балок, брусьев и щитов) будет заметно усиливаться в восточно-азиатском и ближневосточном направлениях;

е) количественно ежегодные темпы производства ДКК на ближнюю перспективу могут прогнозироваться:
– по несущим ДКК – до 50%, в т.ч. на экспорт – до 30%,
– по ненесущим ДКК – до 40%, в т.ч. на экспорт – до 30%,
– для мебели – до 60%,
– для малоэтажного строительства – до 25%.

При этом степень удовлетворения внутреннего спроса не превысит 80%, если не будут введены новые мощности по производству ДКК;

ж) принципиальную важность имеет работа профессиональных сообществ и вертикально интегрированных структур для эффективной реализации перспектив развития ДКК на изложенных в п. «б» условиях, при сохранении вектора идущих в стране преобразований и при адекватном и оперативном реагировании производства на динамику рынков спроса.