В сотни этажей - это всегда поражающие воображение конструкции, которые выглядят престижно и респектабельно. Как строят небоскребы и зачем это делают? Целесообразность таких решений исходит из стремительного роста населения крупнейших мегаполисов планеты. В то же время разработать проект здания высотой более сотни метров чрезвычайно сложно. Такое строение должно быть не только функциональным, но и безопасным. Вот почему сегодня для реализации подобных проектов прибегают к применению самых инновационных технологий.
В чем заключается технология строительства небоскребов? Какие здания являются самыми высокими на сегодняшний день? Какие инновации в строительстве небоскребов используют в последнее время? На эти и другие вопросы постараемся ответить в нашем материале.
Выбор места под строительство
Как строят небоскребы? Важнейшую роль в реализации проекта играет выбор площадки под размещение конструкций. Высотки гораздо сильнее давят на грунт, чем стандартные жилые здания. Именно по этой причине небоскребы стоят лишь на плотной почве, которая не содержит полостей, неоднородных масс и залежей вод. Здания внушительной высоты содержат массивную, невидимую для глаз обывателя подземную часть. Очевидно, что закладка сложных конструкций фундамента требует тщательного анализа характера почвы.
Стены и несущие конструкции
Современные небоскребы невозможно построить из кирпича или бетонных плит. Подобного рода конструкции неминуемо ожидало бы скорое разрушение в виду нестабильности под воздействием естественных факторов.
Как правило, при сооружении небоскребов прибегают к применению несущих, составных стальных конструкций. В качестве материала для всевозможных перекрытий используют высочайшего уровня прочности.
Планировка
Внутренне устройство небоскребов кардинально отличается от городского жилья. Основной упор здесь делают на соблюдение пожарной безопасности. Ведь эвакуировать людей из здания высотой в десятки этажей при возникновении чрезвычайного происшествия оказывается крайне проблематично. Поэтому внутренне пространство небоскребов разделяют специальные противопожарные преграды. При этом один резервный лифт в здании всегда остается подключенным к бесперебойной подаче электропитания.
Новейшие небоскребы спланированы таким образом, чтобы в чрезвычайных ситуациях люди могли укрыться на технических этажах, которые обычно простаивают пустыми. В то же время все входы в помещения чаще всего оборудуются двойными дверями. Реализуют это в целях предотвращения сквозняков, что снабжают пламя кислородом при возгораниях.
Жизнеобеспечение
Небоскребы, как правило, оборудуются системами, что обеспечивают экономное потребление энергии. Во многих современных зданиях реализованы солнечные батареи. За водоснабжение отвечают продуктивные насосы, которые устанавливаются через каждые 10-15 этажей. Иным путем закачать воду на сотни метров ввысь просто невозможно. Ну и нельзя не отметить системы автономного кондиционирования воздуха.
Стоимость проектов
Сколько стоит строительство небоскреба? Не так давно японские инженеры заявили, что планируют соорудить конструкцию под названием "Фуджи", высота которой достигнет немыслимых 4-х километров. Проект здания предполагает наличие целых 800 этажей. Готовое сооружение должно вместить в себя порядка одного миллиона человек. Для обеспечения здания электроэнергией будут применяться солнечные батареи. Какова же стоимость реализации проекта? По оценкам специалистов строительство "Фуджи" обойдется Японии в сумму от 300 до 900 миллиардов долларов.
Что касается самого высокого дома из ныне существующих, таковым является башня "Бурдж-Халифа" в Объединенных Арабских Эмиратах. Ее высота достигает 828 метров. Стоимость такого небоскреба достигает порядка 20 миллиардов долларов.
Следующий по высоте небоскреб - Шанхайская башня, строительство которой завершилось в 2015 году, обошлась ее создателям всего в 1,7 миллиарда. Высота этого здания составляет 632 метров.
Самый высокий небоскреб в мире
В 2010 году в городе торжественно открыли одно из наиболее впечатляющих зданий в истории. Самый высокий небоскреб в мире (828 метра) получил название «Бурдж-Халифа». Презентация башни представляла собой помпезное событие. Вокруг громадного здания собрались тысячи зевак. Трансляция торжественной церемонии распространялась на весь мир. За действом одновременно наблюдали по телевизору рекордные 2 миллиарда зрителей.
На реализацию проекта ушло целых 5 лет. В ходе работ планы которые отвечали за финансирование, неоднократно менялись. Архитекторам регулярно приходилось вносить поправки в план сооружения, чтобы максимально увеличить его высоту.
Несмотря на все старания шейхов, «Бурдж-Халифа», предположительно, сулит недолго оставаться самым внушительным строением в мире. Ведь не так давно правительство Саудовской Аравии заявило о собственном проекте, который должен затмить своим величием знаменитую башню. По некоторым данным, высота нового гиганта под названием Kingdom Tower составит 1,1 километра.
Небоскребы в Нью-Йорке
Одним из мировых лидеров по количеству небоскребов на единицу площади по сей день остается город Нью-Йорк. Настоящей туристической Меккой является знаменитый «Эмпайр-стейт-билдинг». Располагается небоскреб в финансовом центре города на пересечении Пятой и Тридцать четвертой авеню. Строение занимает целый квартал и возвышается в небеса на 448 метров.
Еще не так давно самым высоким небоскребом Нью-Йорка являлся «Всемирный торговый центр». Монументальное сооружение состояло из двух башен-близнецов, каждая высотой в 541 метр и 110 этажей. Однако в 2011 году состоялась страшная трагедия. Не секрет, что знаменитый небоскреб был уничтожен атакой террористов и навсегда канул в историю.
В 2005 году на карте мегаполиса появился знаменитый Рофеллер-центр. Средства на строительство небоскреба были выделены успешным бизнесменом Джоном Рокфеллером, в честь которого собственно и назвали сооружение. Здание возвышается над Нью-Йорком на 259 метров. На вершине сооружения оборудована смотровая площадка, с которой открывается одна из лучших панорам на город. Примечательно, что обзорная башня на крыше здания, реализованная для туристов, не имеет защитных сеток и решеток. Это позволяет посетителям объекта наслаждаться просто-таки фантастическими видами.
Инновационные технологии
В настоящее время при строительстве небоскребов во всем мире ориентируются на реализацию в проекте возобновляемых источников энергии, применение экологически чистых, безопасных материалов, уменьшение воздействия громадной массы на грунт. Специалисты ориентируются на возможные колебания конструкции, воздействие на нее сейсмических явлений.
Как строят небоскребы? Прежде всего проектировщики прибегают к применению композитных материалов. Как правило, одни и те же схемы повторяются на всех уровнях здания. Использование композитов снижает общий вес зданий, в среднем, на 10%. Технология также дает возможность значительно ускорить реализацию проектов.
Самые передовые технологии сегодня применяются в странах Азии. Здесь особенно озабочены повышенной устойчивостью высотных конструкций, что обусловлено высокой вероятностью вступления в действие факторов природных катаклизмов. Так, небоскреб что располагается в Шанхае, по оценкам специалистов, может сохранять целостность своих конструкций при скорости ветра более 200 км/ч, а также противостоять подземным толчкам мощностью до 7 баллов. Обеспечивается это благодаря реализации подвижных соединений внутри несущих колонн из стали. Огромное влияние на поддержание стабильности конструкции оказывает наличие плавательного бассейна, расположенного на 57 этаже небоскреба. Последний дает возможность зданию балансировать в пространстве.
Не на самом последнем месте при строительстве высотных зданий остается повышенная забота об окружающей среде. Современные небоскребы все чаще играют роль воздушных фильтров, которые убирают из воздушного пространства парниковые газы, прочие вредные вещества. Ярким примером является здание Bank of America, расположенное на острове Манхэттене. Системы, размещенные в стенах конструкции сооружения способны отфильтровывать загрязненный воздух и отдавать его обратно в пространство уже в очищенном виде.
Самое в мире - «Бурдж-Халифа» концентрирует в себе конденсат, который затем уходит в виде жидкости на орошение прилегающих зеленых насаждений. Помимо прочего, при сооружении небоскреба применялись особые марки бетона, которые выдерживают воздействие высоких температур, что превышают 50 о С.
В заключение
Вот мы и выяснили, как строят небоскребы. Еще не так давно некоторые из вышеуказанных проектов казались чем-то футуристическим и недостижимым в ближайшей перспективе. Как видно, развитие технологий не стоит на месте. Инновационные решения незаметно становятся частью нашей повседневной жизни и все чаще воспринимаются как должное.
Стремление построить самое высокое здание в мире наблюдалось на протяжении всей истории архитектуры. Тысячи рабочих трудились на пирамидах древнего Египта , соборах Европы и постройке других бесчисленных башен, выполняя замыслы архитекторов, мечтающих создать нечто, внушающее благоговейный трепет.
Люди строят небоскребы , в первую очередь, потому, что они удобны — можно создать большую полезную площадь на относительно малом участке. Но и желание удовлетворить собственное величие тоже играет значительную роль в сфере строительства, как это было в более ранних цивилизациях.
Вплоть до сравнительно недавнего времени, строить высотные здания было невозможно. Конструкции теряли устойчивость после достижения определенной высоты. В конце 1800-х годов новые технологии преодолели эти ограничения. Стало возможным жить и работать в колоссальной башне, в сотнях метров над землей.
Борьба с гравитацией
Главным препятствием для стремления здания вверх – земное притяжение (гравитация ). Представьте себе, что вы несете человека на ваших плечах. Если он достаточно легок, вы можете удерживать его на себе без проблем. Но если поставить еще одного человека на плечи этому человеку (построить башню выше), то нести такой вес в одиночку будет гораздо труднее. Чтобы сделать башню, состоящую из нескольких людей в высоту, вам нужно поставить больше людей в ее основание, чтобы выдержать возросший вес.
Так работают настоящие пирамиды и другие высокие каменные сооружения. У них должно быть много материала внизу, чтобы поддерживать общий вес всех материалов, находящихся выше. С добавлением каждого нового слоя в высоту, суммарная сила на каждую точку ниже этого слоя увеличивается. Если бы пришлось продолжать наращивать основание пирамиды, то строительство могло бы затянуться на неопределенный срок. Строить высокую пирамиду становится невозможным очень скоро, поскольку ее основание занимает слишком много свободной земли.
В обычных зданиях, из кирпичей и строительного раствора , вы должны создавать утолщение в нижней части стены для строительства новых верхних этажей. После достижения определенной высоты, это очень непрактично. Если на нижних этажах почти нет места, то какой смысл в создании высотного здания?
Используя вышеописанную технологию, люди не могли построить дома более 10 этажей — это просто не представлялось возможным. Но к началу 20-го века инженеры смогли преодолеть это «высотное ограничение». Социальными обстоятельствами, которые привели к небоскребам, были растущие американские города, особенно, Чикаго. Все промышленники хотели, чтобы их офисы располагались недалеко от центра города, но там не хватало места. В этих городах у архитекторов возникла необходимость для расширения мегаполиса вверх, а не вширь.
Основными технологическими усовершенствованиями, которые дали возможность массового строительства небоскребов – были железо и сталь . Новые производственные процессы позволили получить длинные балки из литого железа. По сути, это дало архитекторам целый ряд новых строительных элементов для работы. Узкие, сравнительно легкие, металлические балки могли выдержать гораздо больше веса, чем толстые кирпичные стены в старых зданиях, занимающие часть пространства. С появлением бессемеровского процесса, первого эффективного метода для массового производства стали, архитекторы отошли от железа. Сталь, которая легче и прочнее железа, позволила построить еще более высокие здания.
Гигантская сеть из балок и колонн
Центральной структурой поддержки небоскреба является его стальной каркас . Металлические балки заклепываются друг с другом и формируют вертикальные колонны . На уровне каждого этажа эти вертикальные колонны соединены по горизонтали балками . Во многих домах имеются также диагональные балки, для дополнительной структурной поддержки.
В этой гигантской трехмерной сетке, называемой супер структурой , весь вес в здании передается непосредственно на вертикальные колонны. Колонны концентрируют силу тяжести на сравнительно небольшой площади своего сечения. Это концентрированное усилие затем распределяется в фундаменте под колонной.
В типичном фундаменте небоскреба, каждая вертикальная колонна стоит на опоре распространения — железной пластине, которая расположена на вершине ростверка . Ростверк — это ряд горизонтальных стальных балок, выровненных бок о бок в несколько слоев. Ростверк опирается на толстую бетонную подушку, отлитую непосредственно на твердом грунте. После того, как вся конструкция собрана, она покрывается бетоном.
Эта структура расширяется под землей, точно так же, как пирамида расширяется вниз. Вес здания колоннами распределяется на более широкую поверхность фундамента. В конечном счете, весь вес здания оказывается непосредственно на жестком глинистом материале под землей. Очень тяжелые здания покоятся на огромных бетонных опорах, сваях , которые забиваются в грунт вплоть до его прочного несущего слоя .
Основное преимущество стальной скелетной структуры состоит в том, что наружные стены нужны исключительно для защиты помещений от наружного воздуха и несут только их собственный вес. Это позволяет архитекторам открыть здание настолько, насколько они пожелают, в отличие от толстых стен в традиционном строительстве. Во многих небоскребах, особенно тех, которые построены в 1950-х и 1960-х годах, внешние стены выполнены почти полностью из стекла, открывая потрясающий вид на город.
Создание функциональности
Железо и сталь открыли возможность строительства высоких зданий. Но это — только половина картины. Прежде чем высотные небоскребы смогли стать реальностью, инженеры должны были сделать их практичными.
Как только в здании получается более, чем пять или шесть этажей, лестница становится довольно неудобной технологией. Небоскребы никогда не работали бы без появления технологии лифта . С тех пор, как первый пассажирский лифт был установлен в Нью-Йоркском универмаге Haughwout в 1857 году, шахты лифта были главной частью дизайна небоскреба. В большинстве небоскребов шахты лифтов составляют центральное ядро здания.
Лифт со стеклянным полом, расположенный в радио-башне Окленда в Новой Зеландии, поднимает посетителей на высоту 328 метров 70-этажного здания каждые 15 минут. Скорость движения кабины составляет 18 км/час.
Проектирование структуры лифтов небоскреба является, своего рода, решением системы уравнений. Чем больше вы добавляете этажей к зданию, тем больше увеличивается степень «заселенности» здания. Когда у вас появляется больше людей, вы, очевидно, будете нуждаться в большем количестве лифтов, или холлы заполнятся людьми, ждущими своей очереди. Но шахты лифта занимают много комнат, таким образом, вы теряете полезную площадь на каждом лифте, который вы добавляете. Чтобы сделать больше комнат для людей, вы должны добавить больше этажей. Выбор правильного соотношения количества этажей и лифтов является одной из самых важных частей проектирования высотного здания.
Создание безопасности является также основным соображением в дизайне. Небоскребы не работали бы так хорошо без появления новых несгораемых строительных материалов в 1800-х. В наши дни небоскребы также снабжены оборудованием с современным оборудованием пожаротушения, которое тушит большинство пожаров, прежде чем они распространятся очень далеко. Это чрезвычайно важно, когда у Вас есть тысячи людей, живущих и работающих в сотнях метров выше безопасного выхода.
Архитекторы также обращают особое внимание на комфорт жителей здания. Эмпайр Стейт Билдинг, например, был разработан так, его жители всегда будут в пределах 10 метров от окна. У здания Commerzbank во Франкфурте, Германия, есть спокойные внутренние области с настоящим садом, построенные напротив офисных областей здания в поднимающейся спиральной структуре. Здание только тогда становится успешным, когда архитекторы сосредоточились не только на его структурной стабильности, но также и удовлетворении потребностей жителей и удобстве использования.
Сопротивление ветру
В дополнение к вертикальной силе тяжести, небоскребы также должны иметь дело с горизонтальной силой ветра . Большинство небоскребов может легко раскачиваться на несколько метров в любом направлении, как качающееся дерево, не повреждая их структурную целостность. Основная проблема с горизонтальным движением состоит в том, что оно затрагивает людей, находящихся внутри. Если здание перемещается на существенное горизонтальное расстояние, то люди сильно ощущают это воздействие.
Самый основной метод для управления горизонтальным воздействием заключается в ужесточении структуры. В точке, где горизонтальные балки примыкают к вертикальной колонне, строители сваривают их вершины и основания, а также стороны. Это делает всю стальную супер структуру значительно жестче, в сравнении с гибким скелетом.
Для более высоких небоскребов более жесткие связи уже не обеспечивают защиты от раскачивания. Чтобы воспрепятствовать этим сильным колебаниям, инженеры должны построить особенно мощные конструкции, проходящие через центр здания. В Эмпайр Стейт Билдинг, Chrysler Building и других небоскребах той эры, область вокруг центральных шахт лифтов укреплена крепкой стальной связкой, окруженной диагональными лучами. Новые здания имеют одно или несколько железобетонных ядер, встроенных в центр здания.
Создание более жестких зданий защищает их от землетрясения . В основном, все строительные конструкции небоскреба раскачиваются синхронно с горизонтальными колебаниями земли, таким образом, его стальной скелет не искривляется и не напряжен. Это помогает защитить структуру небоскреба, но может довольно сильно сказываться на людях, находящихся внутри и может также нанести большой ущерб мебели и оборудованию. Несколько компаний разрабатывают новую технологию, которая будет противодействовать горизонтальному движению здания, чтобы ослабить силу вибрации.
Некоторые здания уже используют создающие компенсацию ветру демпферы. Центр Citicorp в Нью-Йорке, например, использует настраивающийся массивный демпфер. В этой сложной системе масляные гидравлические системы выдвигают 400-тонный железобетонный груз назад и вперед на одном из верхних этажей, перемещая вес всего здания в горизонтальном направлении. Сложная компьютерная система тщательно контролирует, как ветер перемещает здание и соответственно смещает груз. Некоторые аналогичные системы перемещения веса здания основаны на движении гигантских маятников.
Вертикальные различия
Небоскребы бывают всех форм и размеров. Стальной скелет из колонн и балок делает их структуру чрезвычайно гибкой. Единственный реальный предел — воображение архитекторов и инженеров, которые создают детали небоскреба.
Самые ранние небоскребы, построенные в конце 1800-х, были примитивными коробками со стенами из камня и стекла. Архитекторам, которые построили эти здания, достаточно было их чрезвычайной, по тем временам, высоты. В начале 20 века, эстетика начала изменяться. Здания стали более высокими, и архитекторы добавляли экстравагантные готические элементы, скрывая квадратную стальную структуру внутри.
Движение арт-деко 1920-х, 30-х и 40-х расширило этот подход, создавая здания, которые выглядели как истинные произведения искусства. Некоторые самые известные небоскребы, включая Эмпайр Стейт Билдинг, пришли к нам из этой эры. Утилитарность вернулась снова в 1950-х, когда начал утверждаться интернациональный стиль. Как и у самых ранних небоскребов, у этих зданий был минимальный декор. Они были сделаны, главным образом, из стекла, стали и бетона.
С 1960-х годов много архитекторов применяли небоскреб в новых и неожиданных ракурсах. Одной из самых интересных — была комбинация нескольких вертикальных скелетных секций в одном здании. Сирс-Тауэр в Чикаго, самый известный пример этого подхода, состоит из девяти башен различной высоты.
Вперед и вверх
Право называться «самым высоким в мире» регулярно переходит от небоскреба к небоскребу. Это — один из самых захватывающих конкурсов в строительстве.
По общему мнению, гонка небоскребов далека от окончания. Есть более, чем 50 предложенных проектов, которые побили бы текущий рекорд. Но, на сегодня, эти более амбициозные здания, существуют пока только в теории. Действительно ли они возможны? Согласно некоторым техническим экспертам, реальное ограничение — деньги, а не технология. Супер высокие здания потребовали бы чрезвычайно прочных материалов и глубоко укрепленных оснований. Строительные команды должны были бы разработать системы транспортировки, чтобы поднимать материалы и бетон до высших уровней. Сооружение такого здания может обойтись в десятки миллиардов долларов.
Кроме того, были бы логистические проблемы с лифтами. Чтобы сделать верхние этажи в 200-этажном здании легкодоступными, Вы нуждались бы в большом количестве лифтов, которые займут большую площадь в центре здания. Одно из легких решений этой проблемы состоит в том, чтобы устроить лифты, таким образом, чтобы они проходили только через часть здания. Пассажиры, которые хотят поехать на вершину, доехали бы на одном лифте половину пути, вышли, а затем проехали бы на другом лифте остальную часть пути.
Эксперты разделились в том, как высоко мы можем действительно подняться в ближайшее будущее. Некоторые говорят, что мы могли построить здание высотой в 1609 метров с существующей технологией, в то время как другие говорят, что мы должны были бы разработать более легкие, более прочные материалы, более быстрые лифты и передовые демпферы, прежде чем эти здания стали бы реальностью. Будущие технологические достижения, очевидно, приведут к высотным городам.
Человечество просто вынуждено строить вверх в будущем, чтобы сохранить землю. Когда вы строите вверх, то можете сконцентрировать намного больше городских структур в одной небольшой площади, вместо того, чтобы распространиться в неиспользованные природные зоны. Города небоскребов также были бы очень удобны: Больше компаний и предприятий может быть сгруппировано в городе, уменьшая время на транспортные перевозки между ними.
Но главная сила, заставляющая устраивать гонку небоскребов, это человеческое тщеславие. Где монументальная высота когда-то чтила богов и королей, там она теперь прославляет корпорации и города — все хотят иметь самое большое здание на планете. Этот двигатель был основным фактором в развитии небоскреба за прошлые 120 лет и вряд ли что-то изменится в обозримом будущем.
« Технология строительства небоскребов, первый небоскреб »
Первый в мире небоскреб имел всего 10 этажей, и его вряд ли можно было бы разглядеть среди современных городских зданий. Сегодня самые высокие небоскребы имеют более 100 этажей, а их высота превышает 400 метров. Уже много веков назад строители могли сооружать высокие соборы, однако небоскребы, предназначенные для размещения квартир и офисов, появились только в конце 19-ого века. Несмотря на потребность в более высоких жилых зданиях в переполненных центрах больших городов, необходимо было решить две проблемы: разработать безопасные методы высотного строительства и найти способ добираться до верхних этажей без одышки.
(Небоскребы образуют неповторимую линию горизонта на острове Манжэттэн, Нью-Йорк. Этот остров состоит из сплошного гранита, который служит идеальным основанием для части самых высоких в мире зданий.)
Каркасная конструкция
Традиционные здания имели несущие стены, поддерживающие всю конструкцию, и поэтому стены первых этажей высоких зданий должны были быть необычайно толстыми. Со времен был разработан новый метод строительства - т. н. каркасная конструкция. Для поддержки здания использовался стальной каркас, так что даже в небоскребах все стены можно было делать относительно тонкими.
(Свайные копры на площадке под строительство небоскребы. Забитые в землю стальные сваи используют для того, чтобы перенести вес здания на сплошное скальное основание под поверхностным слоем грунта.)
Лифты
Но оставалась другая проблема. Трудно было ожидать, что люди станут пешком подниматься на самый верх высокого здания. Пять этажей в домах с лестницами считались пределом. Идея лифта восходит к Древней Греции. Конструкторские разработки привели к появлению лифтов в зданиях в начале Х I Х в., однако первые образцы были крайне несовершенными. Одни лифты оказались раздражающе медленными, а те, что двигались быстрее - небезопасными: их тросы часто обрывались, что приводило к травмам. Поэтому первые лифты в зданиях устанавливались в основном для транспортирования грузов между этажами. Пассажирские лифты появились в 50-х годах Х I Х в. после того, как американский инженер Элайша Отис изобрел автоматическое предохранительное устройство. Оно предотвращало аварию лифта при разрыве тросов. Чтобы продемонстрировать надежность этого изобретения, Отиса подняли в лифте, после чего тросы разрезали. Вместо того чтобы рухнуть вниз, лифт дернулся путь вниз, лифт дернулся, но остался висеть, застопорившись благодаря предохранительному механизму. Эта демонстрация имела большой успех, и вскоре наряду с созданием каркасных конструкций использование пассажирских лифтов позволило начать строительство высоких зданий. Первым зданием, получившим статус небоскреба, был Хоум-иншуренс-билдинг в Чикаго (США). Это 10-этажное здание со стальным каркасом построили в 1885 г., а уже в 1931 г. снесли: к тому времени то, что раньше считалось умопомрачительно высоким, оказалось совсем небольшим. В том же году в Нью-Йорке был открыт Эмпайр-стейт-билдинг. При высоте в 381 метр (плюс 67-метровая антенна на крыше) это 102-этажное здание на протяжении 40 лет оставалось рекордсменом высоты. Небоскребы строят в Чикаго и Нью Йорке, поскольку цены на землю в этих городах настолько высоки, что выгоднее строить «башни», чем покупать больше земли и получать ту же площадь в более низких и широких зданиях. Долгое время казалось, что Чикаго и Нью-Йорк соревнуются за звание города с самыми высокими зданиями в мире, но теперь в эту гонку вступил Дальний Восток, и первое место занимает Куала-Лумпур- Шанхай.
(Стальной каркас для поддержания конструкции используется для того, чтобы стены не несли всей нагрузки и, следовательно, могли быть выполнены относительно тонкими.)
Ограничения
Высоту зданий ограничивают различные факторы. К примеру, «лес» из небоскребов на Манхэттэне (Нью-Йорк) невозможно устроить в Лондоне из-за различий в свойствах грунта. Остров Манхэттэн представляет собой громадную глыбу твердого гранита, а Лондон стоит на пласте мягкой глины, которая не выдержит зданий с высотой более 60 этажей. Еще одним фактором является ветер. Когда сильный ветер ударяет в небоскреб, на основание здания воздействует значительная сила. Чем выше здание, выступающее выступающее в данном случае рычагом, тем больше эта сила. Она возрастает примерно пропорционально квадратурату высоты, то есть сила ветра, действующая на 100-этажное здание, в 4 раза больше, чем на 50-этажное. Архитекторам приходится проектировать здания, которые могли бы противостоять непогоде: например, ураган может воздействовать на боковую сторону высокого небоскреба с усилием 15000 тонн. По этой причине высокие здания нуждаются в более прочных фундаментах. Необходимость перемещаться с этажа на этаж также ограничивает высоту. Небоскребы обычно вмещают большое количество людей, а долгое ожидание лифта в наш век скоростей неприемлемо. Поэтому в высоких зданиях устанавливают большее количество лифтов.
(Строительство офисов Гонконгско-Шанхайской банковской корпорации. Этот небоскреб имеет стальной наружный каркас, балки которого заполнены водой для предотвращения пожара.)
Колебания
Помимо того, что ветер оказывает на небоскреб значительное боковое воздействие, он может вызывать разрушительные колебания. Это часто происходит в местах, где на уровне земли ветры дуют по узким улицам через просветы между небоскребами. Как и любая другая конструкция, небоскреб обладает собственной частотой колебаний. Это тот уровень, при котором здание начинает колебаться под воз действием, например, ветра. Именно поэтому при сильном ветре некоторые небоскребы раскачиваются настолько сильно, что люди, находящиеся на верхних этажах, ощущают движение пола. В экстремальных случаях такие колебания сильно повреждают здания. К примеру, в 1974 г. из 60-этажного небоскреба Джон-Хэнкок-тауэр в Бостоне (США) выпали и разбились оконные стекла, когда здание стало раскачиваться на ветру. Когда здание изгибалось в одну сторону, оконные рамы на внешней части изгиба растягивались и стекла выпадали. При противоположном наклоне, рамы сжимались, и уцелевшие стекла лопались под давлением. Иногда на крышах небоскребов устанавливают массивные грузы, расположенные так, чтобы действовать в качестве противовесов. Когда здание начинает раскачиваться в одном на правлении, грузы движутся по рельсам, изменяя точку своего воздействия и помогая погасить движение здания, когда оно раскачивается в обратную сторону. Обычно это предотвращает опасное увеличение колебаний. Из-за большой площади, занимаемой зданиями, давление ветра, пробивающегося через промежутки между ними, иногда настолько велико, что валит пешеходов с ног. Такие ветры могут также проникать в высокие здания на уровне земли и подниматься вверх по шахтам лифтов, нанося значительный ущерб. Это одна из причин, почему шахты лифтов во многих небоскребах не проходят по всей высоте здания; вместо этого лифты работают парами: один обслуживает нижние, а второй - верхние этажи.
(Высокому зданию нужен глубокий фундамент.)
Ветрозащитные барьеры
Еще одна мера предосторожности заключается в наличии входных дверей-вертушек. Обычные двери могут позволить сильному ветру проникнуть внутрь, тогда как двери-вертушки обеспечивают практически полню воздухонепроницаемость. Перед началом постройки небоскреба архитекторы производят компьютерное моделирование проекта. Значения прочности материалов и деталей конструкции вводятся в компьютер, который может просчитать, как здание отреагирует на сильный ветер и другие внешние факторы - например, толчки при землетрясении. В случае необходимости проект корректируется с тем, чтобы повысить эксплуатационные качества здания, и проводятся дальнейшие исследования на масштабных моделях. Иногда в ходе этих испытаний обнаруживаются неожиданные проблемы. К примеру, в ходе испытания 1,4-метровой модели высокого здания в аэродинамической трубе, верхушка модели начала опасно колебаться. Измерения показали, что верхние этажи настоящего здания ходили бы из стороны в сторону на расстояние более 20 м в течение одной минуты. К счастью, компьютерное моделирование и аэродинамические испытания обычно устраняют основные недоработки проекта еще до начала строительства. Вдобавок эти тесты помогают современным архитекторам уменьшить степень избыточности или чрезмерной конструкционной прочности здания и, тем самым, уменьшают количество средств, затрачиваемых на стальные конструкции.
(Колебания, вызванные ветром, можно уменьшить путем установки на крыше грузов, движущихся по рельсам асинхронно по отношению к движению самого здания. Это нейтрализует опасные нагрузки, вызванные колебаниями.)
Жизнь наверху
Некоторые небоскребы представляют собой довольно мрачные сооружения, где жителей не покидает ощущение, что настоящая жизнь проходит далеко внизу. Однако хорошо спроектированные небоскребы могут предоставить своим обитателям высокий уровень комфорта. Почти во всех из них есть своя служба безопасности, что помогает уменьшить уровень преступности в этих мини-городах. Некоторые здания также предоставляют настолько широкий спектр услуг, что практически все необходимое находится в двух шагах. Вы можете отправиться на лифте в кинотеатр или библиотеку, за покупками в супермаркет на другом этаже или на тренировку в бассейн или спортзал. Некоторые даже ездят в лифте на работу, поскольку и жилье, и офис находятся в одном здании. Иногда за время поездки в лифте может измениться погода - верхушка небоскреба еще залита солнцем, а ниже уже висят тучи и льет дождь.
(Элегантное здание компании IBM в Париже - приятное отклонение от "блочной" формы многих небоскребов.)
Опасность пожара
Потенциальная опасность очень высокого здания заключается в невозмож ности быстрой эвакуации всех обитателей в случае возникновения пожара. Следовательно, небоскреб должен иметь встроенные системы пожаротушения, готовые немедленно сработать при обнаружении опасной концентрации дыма или высокой температуры. Огромные резервуары с водой размещены в верхней части здания для питания спринклерных систем; датчики, установленные по всему зданию, автоматически включают разбрызгиватели воды, расположенные на потолках. Противопожарная система также может закрывать огнестойкие двери, предотвращающие распространение огня из области возгорания на дру гие части постройки. В случае пожара шахты лифтов могут действовать как мощные дымоходы, вытягивая вверх пламя и дым и распространяющие огонь на другие этажи, поэтому лифты приходится отключать.
(Благодаря своему цвету этот небоскреб в Нью-Йорке меньше выделяется на фоне, чем другие здания.)
Компьютерный контроль
Для управления спринклерными системами и пожарной сигнализацией используются компьютеры. Они же управляют освещением, отоплением и системами безопасности в небоскребах. Здания, устроенные таким образом, называются «умными», поскольку управляют своим собственным функционированием и не требуют повседневного вмешательства людей. Многие небоскребы строятся исключительно под офисы. Это облегчает управление некоторыми службами, поскольку большинство работников приходят и уходят в одно и то же время. Например, можно установить простую систему с заданным временем действия для центрального отопления с тем, чтобы в зимнее время она включалась в рабочие часы и выключалась на всю ночь. Лифты, противопожарные системы, отопление и освещение зависят от наличия электроэнергии. При внезапном ее отключении жителям придется выбираться из здания по темным лестницам. Во избежание подобных ситуаций каждый небоскреб оборудован собственным генератором, который включается при отказе основного питания.
(Крайслер-билдинг в Нью-Йорке занимает сегодня 17-е место в списке самых высоких зданий в мире. Сооружение возведено в 1930 году и имеет 77 этажей (319м.), занятых офисами. Высота Сирс-тауэр в Чикаго 110 этажей.)
См. также:
Когда рассказывают об очередном рекордно высоком сооружении, обычно говорят о том, что вздымается над землей. Конечно же, о высоте, количестве этажей и лифтов, смотровых площадках, с которых видно полмира, и о том, например, как доставить воду на сто-какой-нибудь этаж, чтобы водопровод при этом не разорвало от огромного давления в трубах. Меньше говорят о подземной части, хотя вопрос о том, как гигантские, почти километровые «иглы», вроде построенной Burj Khalifa или строящейся Kingdom Tower, держатся в грунте, весьма интересен. Почему они не падают? Почему не проваливаются в грунт и как выдерживают колоссальные ветровые нагрузки?
Чтобы разобраться в технологии сооружения оснований для небоскребов, «ПМ» обратилась в московский институт «Горпроект», занимающийся, в частности, проектированием высотных зданий. Нашим консультантом любезно согласилась выступить руководитель конструкторского отдела ЗАO «Горпроект», кандидат технических наук Елена Зайцева.
Самый высокий в мире небоскреб Burj Khalifa являет собой пример возведения сверхвысокого здания на сильнодеформируемом основании. Для придания зданию устойчивости были использованы 192 сваи по 1,5 м в поперечнике.
Здесь вам не Манхэттен
«Основным при проектировании фундамента высотного здания является, безусловно, высокая нагрузка, передаваемая сооружением на основание, — говорит Елена Зайцева. — Необходимо различать понятия «фундамент» и «основание здания». Под фундаментом понимают часть здания (нижние конструкции — плита, свайный ростверк, сваи и т. д.), которая передает нагрузку от сооружения на грунт. И, соответственно, под основанием понимают массив грунта, в котором возникают дополнительные напряжения и осадки в результате воздействия на него здания через его фундамент. Задача состоит в том, чтобы правильно спроектировать и основание, и фундамент. Основная сложность возникает в связи с тем, что высота здания большая, а площадь передачи нагрузки на основание по отношению к высоте сооружения мала. Это приводит к высоким напряжениям как в самой конструкции фундамента (большие изгибающие моменты и значительная продавливающая нагрузка от стен и колонн), так и в основании (фундамент-грунт)».
Таким образом, от характеристик грунта напрямую зависит конструкция фундамента. Известно, что в самом знаменитом парке небоскребов — на острове Манхэттен — скальный грунт находится у поверхности, что значительно облегчает работу проектировщиков. Достаточно расчистить ровную площадку — и на нее можно поставить фундамент в виде толстой плиты из армированного бетона. Однако в наши дни чемпионат по сверхвысотному строительству происходит в другом уголке мира — на Аравийском полуострове. Именно там стоит самый высокий небоскреб Burj Khalifa (828 м, ОАЭ) и готовится возведение другого монстра высотой в 1007 м — Kingdom Tower (Саудовская Аравия). Последний хотели сделать высотой в милю (1609 м), но геологи сказали решительное «нет» — грунт не выдержит. Аравия — пустынная земля, сформированная донными отложениями древнего океана, то есть состоящая преимущественно из песчаных пород. Только на глубине встречаются относительно твердые породы типа известкового скалистого грунта. Этот фактор приходилось учитывать чикагскому архитектору Эдриану Смиту, главному творцу аравийских чудес, и другим авторам проектов небоскребов на песке.
Держась за недра
Фундамент Burj Khalifa был разработан как свайно-плитный. Плита толщиной 3,7 м являет собой нечто вроде цветка с тремя лепестками, что отражает общую конструкцию здания, состоящую из центрального шестигранного ядра и трех крыльев, выполняющих роль контрфорсов (вертикальных подпирающих конструкций). Это придает зданию большую жесткость на боковую нагрузку и кручение. Плиту решено было опереть на 192 сваи диаметром 1,5 и длиной 43 м. Сваи под небоскребы в большинстве случаев являются буронабивными, то есть изготавливаются путем бурения скважин нужных диаметра и глубины и последующего их заполнения элементами арматуры и бетонным раствором.
Схема показывает распределение нагрузки на плиту фундамента. Желтым и коричневым выделены зоны наибольших вертикальных нагрузок. Они приходятся на крылья, выполняющие роль контрфорсов.
Иногда сваи пронизывают слои мягкого грунта и достигают на определенной глубине твердой скальной породы, давая твердую опору фундаменту. Но в Аравии даже на глубине 50 м породы мягкие, с низкой степенью цементации. Сваи, подпирающие плиту фундамента, являются по сути «висячими», то есть нагрузка от здания передается верхним слоям грунта через плиту и нижним — в основном через трение поверхностей сваи и грунта. Интересную инженерную проблему пришлось решать при строительстве куала-лумпурских башен-близнецов — Petronas Towers. Под местом их будущего фундамента присутствовал твердый скальный грунт, но в виде довольно крутого склона. Была возможность выбрать вариант со сваями, опирающимися на скалу, но тогда одни из них были бы совсем короткими, а другие — намного более длинными. Проектировщики опасались, что под весом зданий более длинные сваи со временем сожмутся и их длина существенно сократится, в результате чего возникнет крен. В конце концов было решено перенести строительство туда, где скальный грунт не подходил близко к поверхности, и поставить небоскребы на «висячих сваях».
Бетон отлично работает на сжатие, но не так хорошо — на растяжение и изгиб. «При возведении фундаментов используют железобетон, включающий в себя стальную арматуру и тяжелый бетон, — объясняет Елена Зайцева. — Плиты армируются горизонтальными сетками, воспринимающими изгиб, а нагрузки на сжатие принимает на себя бетон. Диаметр стальной арматуры в плитах достигает 40 мм, но в сваях могут использовать специальную арматуру и большего диаметра». Таким образом, сверхвысокое здание передает вертикальную нагрузку и изгибающие моменты основанию через плитный или плитно-свайный фундамент. Но как происходит крепление самого здания к фундаменту?
Московская специфика
Одной из особенностей проектирования высотных зданий в Москве можно назвать отсутствие прочных скальных грунтов и местами довольно высокий уровень грунтовых вод. Грунтовая толща в Москве представлена переслаивающимися слоями песчаных и глинистых грунтов различной консистенции. В принципе, это довольно хорошее основание для обычных зданий, однако учитывая, что давление под подошвой фундамента высотного здания находится в среднем в диапазоне 7−11 кг/см 2 этого становится недостаточно. Правда в Москве практически повсеместно на доступной (для зданий с большой подземной частью) и при наличии свайного основания залегает слой известняков. На него и стараются опереть фундаменты небоскребов. Однако известняк это материал, во‑первых, существенно менее прочный, чем, например, тот же гранит и, во‑вторых, они склонны к разрушению под воздействием кислот. Учитывая, что продукты жизнедеятельности человека медленно, но верно загрязняют горизонты подземных вод, необходимо иметь это в виду в долговременной перспективе существования небоскреба. Зато нам повезло с отсутствием ураганов и землетрясений, которые имели бы частый и катастрофичный характер. Вопросы защиты котлована от подтопления грунтовыми водами в период строительства решаются либо глубинным водопонижением с помощью иглофильтрационных установок, качающих воду с глубин ниже дна котлована, либо созданием водонепроницаемой «стены в грунте», нижний конец которой опускают в глинистый грунт, являющийся водоупором (т.е. непропускающий воду). Защиту подземной части здания от воды выполняют либо с помощью разных систем гидроизоляции, либо применяя, так называемую, «белую ванну». Это специальный бетон с пониженной водопроницаемостью, а в местах устройства деформационных и технологических швов устанавливаются эластичные шпонки, которые препятствуют просачиванию воды по швам. Безусловно, эти работы требуют хорошей квалификации строителей, т.к. ошибки допущенные при устройстве подземной части здания исправить очень трудно и очень дорого.
Непрерывная связь
«В настоящее время, если речь идет о высотных зданиях, соединение непосредственно конструкций здания с плитой или ростверком (балкой, распределяющей нагрузку на сваи) выполняется по жесткой схеме, — говорит Елена Зайцева. — Из плиты делаются выпуски арматуры в местах опоры на нее вертикальных конструкций таким образом, чтобы они совпадали с арматурой этих конструкций. Впоследствии при бетонировании стен и колонн арматура плиты и конструкций соединяется, образуя непрерывную связь. Это позволяет небоскребу иметь надежный «якорь», куда будет передаваться горизонтальная нагрузка, возникающая при порывах ветра или сейсмических толчках, оказывающих сдвигающее воздействие. Что же касается соединения свай с ростверком, то здесь возможно шарнирное соединение, когда арматура сваи не заводится в плиту ростверка, или жесткое — когда не только арматура, но и часть головы сваи заводится в плиту. В первом случае от здания передаются только вертикальные нагрузки на сваи, во втором — также и изгибающий момент».
Если подойти к стройплощадке, на которой только приступают к возведению небоскреба, мы не увидим ни свай, ни плиты. Скорее всего, перед нами будет зиять огромная яма: в любом, даже самом высоком небоскребе проектируются подземные этажи, а потому строительство начинается с рытья котлована. Чтобы котлован, откосы которого могут составлять 5−10 и более метров, не обвалился, возводятся ограждающие конструкции из шпунтовых свай (обычно они делаются из металла) или в виде «стены в грунте». И лишь в дне котлована будут буриться скважины под буронабивные сваи, а потом там же будет отлита плита, которая станет главной невидимой снаружи опорой небоскреба.
В крупных городах много небоскребов, которые зачастую становятся настоящим украшением города. В большинстве случаев на строительство таких сооружений толкает нехватка свободного места и рост населения крупных городов. Сооружения высотой более 75 метров относятся к числу сложных и опасных, а потому строительство небоскребов существенно отличается от процедуры возведения простых многоэтажных домов.
Участок под строительство небоскреба подобрать непросто, потому, как такое сооружение оказывает на почву большое давление. Специалисты проводят длительные работы по исследованию грунтов, обязательно в расчет специалисты берут и то, что несколько этажей такого здания будут располагаться в подземной части.
Для строительства небоскребов используются современные материалы, обладающие высокими показателями прочности. Такие материалы как кирпич и бетонные плиты не подходят потому, как они не выдерживают высоких нагрузок, и такое строение быстро рухнет. В большинстве случаев при возведении высотных сооружений выстраивают плитно-свайный фундамент, а стены его строят из монолитного высокопрочного железобетона. Используют при строительстве и соединение арматурных стержней .
Внутренняя планировка небоскребов также существенно отличается от планировки в простых многоэтажных домах. Построение их продумывается таким образом, чтобы в случае пожара пламя не перебрасывалось на остальные части высотного сооружения и люди в кратчайшие сроки могли покинуть небоскреб. Для этого еще во время строительства эти сооружения делятся специальными противопожарными преградами на отдельные блоки.
В небоскребе устраивается от четырех шахт лифта, причем, всегда один лифт подключается к источнику бесперебойного питания. Лестничные пролеты располагают таким образом, чтобы в случае пожара в них не попадал дым и не мешал людям покидать небоскреб. В квартиры всегда устанавливаются двойные двери, которые не пропускают сквозняки, образующиеся из-за неравномерного прогревания стен такого здания по высоте.
Не похоже и техническое оснащение небоскребов. При обустройстве системы электроснабжения мастера стараются максимально снизить потребление электроэнергии. С первого этажа небоскреба и до последнего закачать воду не получается, и чтобы все здание получило воду приходится на каждом десятом или пятнадцатом этаже устанавливать насосные станции. Обязательными в небоскребах являются система принудительной вентиляции и автономное кондиционирование.
Современный человек не обходится без автомобильного транспорта, а потому в большинстве случаев в подземной части небоскреба устраивается многоуровневая парковка.
Понравилась эта новость? Тогда жми .