Монолитная операционная система. Сборно-монолитные системы перекрытий

В странах бывшего Советского Союза в гражданском и промышленном строительстве отдавалось предпочтение возведению сборных архитектурных сооружений из железобетона. Хотя еще в 30-х годах двадцатого века были попытки освоить монолитные технологии строительства. Но низкое на то время качество строительной опалубки и отсутствие технологических решений по работе с бетоном в холодное время года существенно затормозили развитие монолитного строительства.

Первым успешным отечественным опытом можно считать возведение в г. Сочи пятнадцатиэтажной гостиницы, при строительстве которой использовалась скользящая строительная опалубка, а подъем жидкого бетона осуществлялся по схеме «кран-бадья». Монолитные работы были окончены всего через 15 дней после начала заливки опалубки для фундамента . При этом калькуляция затрат показала, что расход строительной смеси снижен на 30,7%, а армирующего каркаса - на 24,5%. Общая экономия возведения здания с применением съемной опалубки составила 20%.

Возведение монолитных зданий и архитектурных сооружений особенно широкое развитие получило в начале 21 столетия, когда на отечественном рынке появились качественные и надежные опалубочные системы, а также модифицирующие добавки для бетона, изменяющие его технологические и эксплуатационные свойства.

Преимущества монолитных технологий

Монолитное строительство вряд ли получило бы такое распространение, если бы не обладало существенными преимуществами в сравнении с традиционными технологиями возведения зданий и архитектурных сооружений.

1. Одним из главных достоинств монолитной архитектуры с применением съемной опалубки является независимость от, так называемого, шага конструкции.

В классическом сборном железобетонном строительстве все элементы должны иметь размеры, кратные определенному шагу (или модулю). Все заводы, специализирующиеся на производстве ж/б-изделий, изготавливают ограниченный ряд типоразмеров элементов для сборного строительства и не имеют возможности гибкой переналадки производства под выпуск индивидуального или несерийного продукта.

Такая вынужденная унификация соответствующим образом сказывается и на архитектурных решениях. Проектировщик просто не в силах перешагнуть за рамки унификации и стандартизации. Монолитное строительство зданий с помощью съемной строительной опалубки стерло эти границы, открыв новые горизонты для проектных и дизайнерских решений.

2. Монолитные технологии позволяют увеличить длину пролетов со стандартных 12 метров до 15-16, а иногда и до 20 метров без ущерба жесткости, устойчивости и прочности перекрытий .

3. Монолитные дома не имеют монтажных швов, что положительно сказывается на их звукоизоляционных и теплосберегающих характеристиках. В жилых зданиях, возведенных с помощью съемной опалубки, затраты на отопление в среднем ниже на 20% в сравнении с обычными сборными из ж/б-элементов, кирпичной или блочной кладки, а в монолитных домах, построенных с применением несъемной опалубки, - на 50-70% (в зависимости от материала, из которого она произведена).

4. За счет более рационального расхода материалов (в частности строительных смесей и армирующего металлокаркаса) общий вес здания легче на 15-20%, что в свою очередь дает возможность сэкономить на фундаменте.

5. Скорость возведения монолитных зданий и сооружений существенно выше, чем при классическом сборном строительстве. «Львиную» долю работ составляет монтаж строительной опалубки. После того, как съемная опалубка установлена, выверена и закреплена, в межпалубное пространство подается строительная смесь (обычно из бункера или с помощью бетоноподающих насосов).

6. Все работы сконцентрированы на строительной площадке (кроме подготовки бетонных смесей и производства опалубки). Нет необходимости в аренде тяжелой грузоподъемной техники, организации рельсовых путей для ее хода, не требуется выделение площадей для складирования ж/б-изделий перед их монтажом и пр.

7. Высокое качество бетонных поверхностей. При использовании качественной строительной опалубки и соблюдении технологий монолитного строительства бетонные перекрытия получаются ровными и гладкими, что существенно упрощает их последующую чистовую отделку.

8. Монолитное строительство позволяет возводить более прочные, надежные и долговечные здания. Расчетный срок эксплуатации обычных панельных зданий составляет 50 лет, тогда как для монолитных - более 200! Кроме того, монолитные сооружения обладают большей сейсмической устойчивостью.

Будущее монолитных технологий

Первые монолитные сооружения имели более высокую себестоимость в сравнении со зданиями, возведенными по классической сборной технологии. Монолитное строительство стало экономически выгодным благодаря развитию съемных опалубочных систем. В настоящее время монолитные дома ориентировочно на 20-40% дешевле в строительстве, чем сборные из железобетонных элементов.

Качество строительной опалубки - краеугольный камень монолитного зодчества, от которого зависят все его преимущества: скорость и качество работ, надежность и долговечность здания, и др. Применение монолитной опалубки дает возможность еще на стадии проектирования планировать какой угодно интерьер будущих помещений, ограничение составляет только максимальная площадь комнаты. В зависимости от назначения монолитная опалубка делится на стеновую , для фундаментов, горизонтальных перекрытий и колонн .

Тенденция развития монолитных технологий показывает, что они уверенно набирают «обороты» и, возможно, постепенно вытеснят сборные железобетонные технологии с рынка вовсе. Статистика строительства г. Москвы говорит, что в 90-х годах прошлого столетия доля монолитных сооружений составляла всего 10%. В 1999 году соотношение монолитных зданий к панельным составило уже 30:70, а всего через два года, в 2001 - 50:50. Сейчас с каждым годом перевес усиливается в сторону монолитного зодчества.

Рост популярности возведения в Москве зданий с помощью монолитной опалубки объясняется несколькими факторами:
- более низкой себестоимостью работ;
- условиями плотной застройки, когда строительство сборных панельных домов ограничено небольшой площадью;
- запретами на строительство типовых панельных зданий в исторических регионах.

В монолитных , или макроядерных , операционных системах ядро, состоящее из множества управляющих модулей и структур данных, не разделено на центральную часть и периферийные (по отношению к этой центральной части) модули. Ядро получается монолитным, неделимым. В этом смысле макроядерные операционные системы являются прямой противоположностью микроядерным . В монолитной операционной системе, несмотря на ее возможную сильную структуризацию, очень трудно удалить один из уровней многоуровневой модульной структуры. Добавление новых функций и изменение существующих для монолитных операционных систем требует очень хорошего знания всей архитектуры операционной системы и чрезвычайно больших усилий. Очень плодотворным оказался подход, основанный на модели клиент-сервер. Эта модель предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса, или клиента, и программного компонента - поставщика этого сервиса, или сервера.

Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизируется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, возможно, разными разработчиками. При этом главным требованием является то, чтобы использовался единообразный интерфейс. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является скорее удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении операционных систем, но и на всех уровнях программного обеспечения, и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты. Микроядерные операционные системы в полной мере используют модель клиент-сервер.

При поддержке монолитных операционных систем возникает ряд проблем, связанных с тем, что все компоненты макроядра работают в едином адресном пространстве. Во-первых, это опасность возникновения конфликта между различными частями ядра, во-вторых, сложность подключения к ядру новых драйверов. Преимущество микроядерной архитектуры перед макроядерной заключается в том, что каждый компонент системы представляет собой самостоятельный процесс, запуск или остановка которого не отражается на работоспособности остальных процессов.

Микроядерные операционные системы нынче разрабатываются чаще монолитных. Однако следует заметить, что использование технологии клиент-сервер - это еще не гарантия того, что операционная система станет микроядерной. В качестве подтверждения этому можно привести пример с операционными системами класса Windows NT, которые построены на идеологии клиент-сервер, но которые тем не менее трудно назвать микроядерными. Их «микроядро» имеет уже достаточно большой размер, приставка «микро» здесь вызывает улыбку. Хотя по своей архитектуре супервизорная часть этих систем без каких-либо условностей может быть отнесена к системам, построенным на базе модели клиент-сервер. Причем для последних версий операционных систем с общим названием NT (New Technology) еще более заметным является отход от микроядерной архитектуры, но сохранение принципа клиент-сервер во взаимодействиях между модулями управляющей (супервизорной) части. Для того чтобы согласиться с таким высказыванием, достаточно сравнить операционную систему QNX и операционные системы Windows NT/2000/ХР.

Лекция 2

Тенденции в структурном построении операционных систем

Монолитные системы

В общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры. ОС написана как набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов, и каждая вольна вызвать любую другую для выполнения некоторой нужной для нее полезной работы.

Для построения монолитной системы необходимо скомпилировать все отдельные процедуры, а затем связать их вместе в единый объектный файл с помощью компоновщика (примерами могут служить ранние версии ядра UNIX или Novell NetWare). Каждая процедура видит любую другую процедуру (в отличие от структуры, содержащей модули, в которой большая часть информации является локальной для модуля, и процедуры модуля можно вызвать только через специально определенные точки входа).

Однако даже такие монолитные системы могут быть немного структурированными. При обращении к системным вызовам, поддерживаемым ОС, параметры помещаются в строго определенные места, такие, как регистры или стек, а затем выполняется специальная команда прерывания, известная как вызов ядра или вызов супервизора. Эта команда переключает машину из режима пользователя в режим ядра, называемый также режимом супервизора, и передает управление ОС. Затем ОС проверяет параметры вызова для того, чтобы определить, какой системный вызов должен быть выполнен. После этого ОС индексирует таблицу, содержащую ссылки на процедуры, и вызывает соответствующую процедуру. Такая организация ОС предполагает следующую структуру:

а) главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры;

б) набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

В) набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

Многоуровневые системы

Обобщением предыдущего подхода является организация ОС как иерархии уровней. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням.

Первой системой, построенной таким образом была простая пакетная система THE, которую построил Дейкстра и его студенты в 1968 году. Система имела 6 уровней. Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы по прерыванию или по истечении времени. Уровень 1 управлял памятью - распределял оперативную память и пространство на магнитном барабане для тех частей процессов (страниц), для которых не было места в ОП, то есть слой 1 выполнял функции виртуальной памяти. Слой 2 управлял связью между консолью оператора и процессами. С помощью этого уровня каждый процесс имел свою собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним и от них. С помощью уровня 3 каждый процесс вместо того, чтобы работать с конкретными устройствами, с их разнообразными особенностями, обращался к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающим удобными для пользователя характеристиками. На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода. Процесс системного оператора размещался на уровне 5.

В системе THE многоуровневая схема служила, в основном, целям разработки, так как все части системы компоновались затем в общий объектный модуль.

Дальнейшее обобщение многоуровневой концепции было сделано в ОС MULTICS. В системе MULTICS каждый уровень (называемый кольцом) является более привилегированным, чем вышележащий. Когда процедура верхнего уровня хочет вызвать процедуру нижележащего, она должна выполнить соответствующий системный вызов, то есть команду TRAP (прерывание), параметры которой тщательно проверяются перед тем, как выполняется вызов. Хотя ОС в MULTICS является частью адресного пространства каждого пользовательского процесса, аппаратура обеспечивает защиту данных на уровне сегментов памяти, разрешая, например, доступ к одним сегментам только для записи, а к другим - для чтения или выполнения. Преимущество подхода MULTICS заключается в том, что он может быть расширен и на структуру пользовательских подсистем. Например, профессор может написать программу для тестирования и оценки студенческих программ и запустить эту программу на уровне n, в то время как студенческие программы будут работать на уровне n+1, так что они не смогут изменить свои оценки.

Многоуровневый подход был также использован при реализации различных вариантов ОС UNIX.

ТЕНДЕНЦИИ В СТРУКТУРНОМ ПОСТРОЕНИИ ОС

Как уже отмечалось выше, для удовлетворения требований, предъявляемых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение. Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем к хорошо структурированным модульным системам, способным к развитию, расширению и легкому переносу на новые платформы.

В общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры (рисунок 38). ОС написана как набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При использовании этой техники каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс в терминах параметров и результатов, и каждая вольна вызвать любую другую для выполнения некоторой нужной для нее полезной работы.

Риcунок 38 - Монолитная структура ОС

1. Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры.

2. Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

3. Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

В этой модели для каждого системного вызова имеется одна сервисная процедура. Утилиты выполняют функции, которые нужны нескольким сервисным процедурам. Это деление процедур на три слоя показано на рисунке 39.

Рисунок 39 - Простая структуризация монолитной ОС

МНОГОУРОВНЕВЫЕ СИСТЕМЫ

Первой системой, построенной таким образом была простая пакетная система THE, которую построил Дейкстра и его студенты в 1968 году.

Система имела 6 уровней. Уровень 0 занимался распределением времени процессора, переключая процессы по прерыванию или по истечении времени. Уровень 1 управлял памятью - распределял оперативную память и пространство на магнитном барабане для тех частей процессов (страниц), для которых не было места в ОП, то есть слой 1 выполнял функции виртуальной памяти. Слой 2 управлял связью между консолью оператора и процессами. С помощью этого уровня каждый процесс имел свою собственную консоль оператора. Уровень 3 управлял устройствами ввода-вывода и буферизовал потоки информации к ним и от них. С помощью уровня 3 каждый процесс вместо того, чтобы работать с конкретными устройствами, с их разнообразными особенностями, обращался к абстрактным устройствам ввода-вывода, обладающим удобными для пользователя характеристиками. На уровне 4 работали пользовательские программы, которым не надо было заботиться ни о процессах, ни о памяти, ни о консоли, ни об управлении устройствами ввода-вывода. Процесс системного оператора размещался на уровне 5.

Многоуровневый подход был также использован при реализации различных вариантов ОС UNIX.

Хотя такой структурный подход на практике обычно работал неплохо, сегодня он все больше воспринимается монолитным. В системах, имеющих многоуровневую структуру было нелегко удалить один слой и заменить его другим в силу множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требовало хорошего знания операционной системы и массы времени. Когда стало ясно, что операционные системы живут долго и должны иметь возможности развития и расширения, монолитный подход стал давать трещину, и на смену ему пришла модель клиент-сервер и тесно связанная с ней концепция микроядра.

Чтобы уменьшить расходы на монтаж разделяющих конструкций между этажами, современные технологии предлагают частному застройщику использовать сборно-монолитные перекрытия. В процессе их установки кран применяется лишь для подъема и кладки блоков на стену или ригель, а последующие операции выполняются в ручном режиме. Блочные изделия играют роль несъемной опалубки, в которую заливают бетонную смесь, получая прочную монолитную плиту.

Система представляет собой комплекс из облегченных железобетонных балок (они служат каркасом) и пустотелых керамических блоков, заполняющих пространство между соседними балками. При бетонировании смесью заливают нижнюю часть каркаса, после ее застывания сборные перекрытия становятся монолитными. Их положительные свойства таковы:

герметичность;
высокий уровень защиты помещений от шума;
низкая теплопроводность;
готовность к облицовке без изготовления второго слоя стяжки – прямо на перекрытия настилают линолеум, клеят кафель и плитку, монтируют ламинат, паркет;
уменьшение удельного веса по сравнению с обычной железобетонной монолитной плитой в среднем на 35 % (230-350 кг/м2);
возможность установки на малодоступных участках – это важно, если реконструируется здание без демонтажа кровли;
удобство состыковки со стенами сложной формы (имеющими колонны, выступы) – можно купить блоки с выемками или доработать элементы перекрытия прямо на стройплощадке;
в пустоты легко укладываются сантехнические и электрические коммуникации.

Хотя монтаж сборно-монолитных конструкций трудоемок, экономический эффект от применения новой технологии довольно значителен за счет, того что снижается стоимость легких балок и блоков, затраты на их транспортировку и установку.

Монтаж сборно-монолитного часторебристого перекрытия можно выполнить с помощью стандартных элементов, выпускаемых промышленностью.

Железобетонные балки сечением 20х20 см, длиной от 3 до 6 м.
Несущие прогоны — облегченные фермы с нижним бетонированным поясом (его сечение 5,5 х 12). В зависимости от несущей способности стержней нижнего пояса, фермы делятся на 2 типа — под суммарную расчетную нагрузку 1300 кг/м2 и 900 кг/м2. Выпускаются прогоны в трех размерных вариантах: длиной 2,86 м (вес 50 кг); 4,36 м (74 кг); 5,86 м (100 кг). Нужное изделие выбирают по размеру пролета и перекрытия (3, 4,5 или 6 м).
Блоки. Их чаще всего производят из керамзитобетона или из полистиролбетона.

Монтаж сборных перекрывающих конструкций по шагам

Для работы понадобится минимальный комплект инструментов и вспомогательных материалов: молоток, кувалда, перфоратор, строительный уровень, рулетка, вязальная проволока, вибратор. Чтобы соорудить сборно монолитные перекрытия своими руками, нужно выполнить ряд последовательных операций.

1. Стены очищают от мусора, укладывают на них с помощью цементного раствора каркасную основу из железобетонных балок, размещая под них временные опоры. Если длина перекрытия 4,5 м, под балку ставят одну подпорку, для 6-метровой балки их нужно не менее двух. Допускается укладка блоков прямо на каменную кладку стены.

2. На каркасе размещают полые бетонные блоки (опалубку), а между ними — продольные прогоны. При этом блочные элементы располагают поперечными рядами, не допуская односторонней перегрузки прогонов и соблюдая минимальные интервалы между соседними блоками.

3. Поверх опалубки настилают армирующую сетку. В блоках имеются Т-образные пазы, которые можно дополнительно армировать стекловолоконными хлыстами.

4. Полосы сетки укладывают с нахлестом не менее 15 см (согласно регламенту СНиП для индивидуального строительства), крепят их вязальной проволокой к верхней части прогонов.

5. Верх конструкции заливают тяжелым бетоном классом не ниже М250 (марка от В154), приготовленным с добавлением мелкозернистого песка. Состав бетонной смеси должен соответствовать ГОСТ 27006-86.

6. В период застывания монолитную плиту регулярно увлажняют во избежание пересыхания и растрескивания. Когда бетон полностью затвердеет (примерно через 72 часа), балочные подпорки убирают.

Самостоятельно изготавливая сборные конструкции, следует обязательно уплотнять бетон (вручную или с помощью виброинструмента), чтобы добиться максимального сцепления раствора с балками и прогонами. Для заливки можно использовать пенобетон: он быстро застывает и набирает прочность, обладает низкой влагопроницаемостью.

Наименьший вес имеют сборные конструкции из полистирольных блоков, имеющих в нижней части пустоты, остающиеся и после заполнения бетоном. Верхняя монолитная часть вместе с армпоясом работает на сжатие и принимает на себя рабочую нагрузку.

Стоимость сборно монолитных перекрытий

При выборе варианта перекрытия учитывают его несущую способность, размеры перекрываемой площади и конфигурацию стен. Чтобы покупка была выгодной, изучают систему скидок от поставщика и стоимость доставки. В таблице приведены цены на системы популярных марок и комплектующие для их сборки в Москве и столичном регионе.