Особенности строительства высотных зданий и небоскребов

Высотное здание - это всегда красиво. Высотка как правило предстает доминантой для целого района и даже города. Однако для того чтобы возвести такое здание, всякий раз приходится «изобретать велосипед», придумывать особенные и уникальные инженерные и технологические решения. В России там, где начинаются небоскребы , кончаются правила.

Недавний форум небоскребов «100+ Forum Russia» прошел в Екатеринбурге и задал тон нешуточной дискуссии: зачем нужны высотные здания, какие плюсы у высотного строительства, оправдано ли подобное строительство экономически и, наконец, не пора ли подвести под высотную стройку прочную нормативную базу.

Уральцы пригласили к себе известных международных архитекторов, занимающихся высотным строительством, творческий коллектив строящейся московской башни «Федерация» (в дни форума выросла до отметки самого высотного здания в Европе), отечественных инженеров и строителей, интересующихся данной темой.

В чем сложность такого строительства? - поделился с журналистами заместитель главы администрации Екатеринбурга Сергей Мямин.- В России на все, что в пределах 75 м, еще существуют кое-какие нормы. На здания до 100 м норм уже практически нет, и каждый объект приходится возводить по особым лекалам. А если высотка «перевалила» за 100 м - это уже уникальное инженерное сооружение, которым можно гордиться едва ли не на мировом уровне.

Высотное строительство у нас - своеобразная terra incognita, - подтверждает и куратор форума, член Совета Федерации от Свердловской области Аркадий Чернецкий. - Для каждой конкретной высотки мы должны изобретать специальные техусловия. Это странный подход.

Навряд ли кто-нибудь станет возражать, что первостепенное в высотном строительстве - это надежность. Необходимо разработать такие «высотные» нормативы, с тем чтобы можно было, не переспрашивая каждый раз Москву, двигаться в данном направлении самостоятельно, выразили убежденность участники форума.

Отдельное заявление по данному поводу высказала замминистра строительства и ЖКХ России Елена Сиэрра и поведала что в министерстве полным ходом идет работа по формированию отечественной нормативно-технической базы по высотному строительству. Помимо того, ведомство озабочено улучшением предпринимательского климата в строительстве высотных зданий : в настоящее время количество административных процедур и согласований в этой сфере прямо-таки зашкаливает.

К высотному строительству у нас в стране смотрят по-разному. Одни считают высотки панацеей в условиях огромной плотности городской застройки. Другие склоняются к малоэтажному строительству, демонстрирующему более человечные масштабы. В сообществе участников форума завязалась дискуссия и об экономической целесообразности строительства небоскребов . Новая екатеринбургская высотка Opera Tower, например, потребует инвестиций в 5 млрд рублей. Удастся ли в результате заработать хоть какую-то прибыль?

На самом деле, высотное строительство может быть достаточно выгодным, - полагает Виктор Афанасьев, директор по развитию «Атомстройкомплекса», компании, строящей Opera Tower. - Удорожание высотного здания идет в первую очередь за счет более дорогих инженерных и противопожарных систем, которые здесь монтируются. Однако наличествует еще одна особенность. В небоскребах гораздо больше лифтов и лестниц, нежели в обыкновенном доме. Соответственно, ядро непродаваемых площадей разрастается. Если коэффициент полезных площадей в малоэтажках где-то 70-80%, то в высотках он намного ниже. Вследствие этого задача архитектора - рассчитать проект таким образом, чтобы «полезное» соотношение было выше, за счет удачных планировочных решений, грамотной прокладки коммуникаций, - подытожил он. При этом Виктор Афанасьев не стал скрывать, что «Атомстройкомплекс» намерен получить на строительстве небоскреба хороший девелоперский процент - 30-40%.

Построить небоскреб крайне сложно. Высотное здание - это другой фундамент, другой каркас. К примеру, при строительстве «Башни Федерация» было было потрачено 14 000 куб.м бетона – что стало рекордом книги Гиннеса. Необходимо учитывать ветровые нагрузки. Даже форточку на высоте 130 м надо проектировать, придерживаясь особым техническим условиям. В башнях «Москва-Сити» , как правило форточками могут пользоваться лишь обитатели верхних этажей.

Отдельная тема - энергоснабжение небоскреба. Под него надо делать резервирование электричества и теплоснабжения из городской сети, кроме того, продумывать дополнительные энергетические источники. У высотного здания энергозатраты, само собой, больше. Однако современные технологии позволяют существенно снизить энергопотребление за счет энергоэффективных элементов в конструкции и инженерии здания. Во всех небоскребах Сити электроснабжение осуществляется по I категории надежности, от двух независимых источников энергопитания, а в башне «Меркурий Сити» таким же образом построена система теплоснабжения. Таким образом, арендаторы и собственники не останутся без света и тепла даже в форс-мажорной ситуации.

Есть те, кого пугают проблемы, связанные с высотным строительством. Но большинство указывают только на преимущества небоскребов. - Небоскреб - это, по существу, улица, устремленная вверх, - говорит генеральный директор компании ЗАО «Башня Федерация» Михаил Смирнов. Все мегаполисы мира имеют свой Сити, свой квартал деловой жизни. Такие деловые районы, застроенные небоскребами, вы встретите в Лондоне, Нью-Йорке, Чикаго, Шанхае. Иметь свой офис в Сити - очень престижно. Сейчас и у Москвы есть свой Сити. Флагманский небоскреб Москва-Сити достиг уже 343 м, опередив по высоте самое высотное европейское здание «Меркурий Сити Тауэр» .

По сути, это новый стандарт комфортной жизни. Жить в Сити - это значит иметь уникальное, ни на что не похожее жилье с роскошным видом на Москву. Апартаменты в Сити (алтернатива квартирам в небоскребе) предоставляют высочайший уровень комфорта. Офис в Сити - это удобно для проведения переговоров любого уровня: не нужно добираться по пробкам к определенному часу, достаточно спуститься в ресторан или кафе в том же небоскребе, и вы на месте.

Наконец, считать Сити своим местом работы - это престижно. Даже сейчас, на этапе строительства, у нас нет недостатка в клиентах. Солидные фирмы стараются занять место или на более высоких этажах, или весь этаж целиком. А бизнес поменьше стремится осесть «под крылышком» у крупных компаний: таким образом легче формировать имидж успешной фирмы, - отмечает гендиректор башни «Федерация» Михаил Смирнов.

Еще 7 лет назад в Москва-Сити было страшновато приезжать. Территория была поделена на 20 участков, на многих из которых лишь начиналось строительство. Сплошная стройплощадка, общественного транспорта не было, припарковаться негде, даже таксисты не были в курсе, как сюда подъезжать...

Теперь совсем другое дело. Москва-Сити - это 11 сданных в эксплуатацию зданий из 23 запланированных. Общая площадь всех объектов, включая инфраструктурные, - 1,9 млн кв. м. Это будет огромный транспортно-пересадочный узел, соединяющий наземный транспорт, метро, железную дорогу (МЖД), вертолетную площадку и выход к речному транспорту. Одним словом, башня «Федерация» - это очевидный успех высотного строительства.

Как известно, не все известные небоскребы сразу и безоговорочно принимались населением. А некоторые так и не удалось возвести из-за ярого противодействия жителей города. К примеру, не был реализован проект «Охта-центра» в Санкт-Петербурге, офиса ОАО «Газпром», из-за того, что «фитиль» небоскреба якобы портил исторический пейзаж Северной столицы.

Были споры и по поводу Opera Tower в Екатеринбурге. Ведь небоскреб возводится аккурат на фоне областного оперного театра, построенного в чисто классических традициях. Однако сомнения екатеринбуржцев живо развеялись, когда они увидели модель высотки в 3D. Небоскреб на удивление гармонично вписался в городскую застройку.

Испортил ли Москву деловой центр Москва-Сити, который виден практически из всех мест столицы? Думается, не только не испортил, но стал той достопримечательностью, которой столь не хватало Москве XXI века.

Ровно 130 лет назад (1 мая 1884 года) было начато строительство самого первого небоскрёба в мире – чикагского 10-этажного здания Страховой компании Home Insurance Building. Существование этого «гиганта» закончилось в 1931 году. Но настоящая история небоскрёбов с этого только началась…

Строго говоря, история возведения домов и до первого официально признанного самого первого небоскрёба в мире знает случаи строительства многоэтажных, в том числе и узких, домов и постройку целых городов из таких зданий, как, например, Шибам в Йемене.

Или, например, итальянских башен Болонью (12 век нашей эры) —

Первый общепризнанный небоскреб (Home Insurance Building) был не очень высоким по нынешним меркам – имел всего лишь 10 этажей согласно первоначальному проекту, общая высота здания составляла 42 метра.

Через несколько лет у этого самого первого небоскрёба в мире появились еще 2 этажа, и тогда высота его была уже 54,9 м. Уильям Ле Барон Дженни, американский архитектор, при проектировании первого небоскреба реализовал новаторскую технологию строительства, заключающийся в использовании несущего каркаса. До него в качестве несущей конструкции использовались внешние стены. Архитектор сделал расчет на основании прочностных характеристик материалов, приняв во внимание удельную прочность стали, которая в 10 раз превышает удельную прочность самого качественного бетона, не говоря уже о каменной или кирпичной кладке. За счет применения металлического каркаса как несущей конструкции удалось уменьшить практически на треть общую массу сооружения. Но создатель проекта все-таки не смог решиться на полный отказ от других несущих конструкций, из-за этого самый первый небоскрёб в мире имел также гранитные колонны и несущая задняя стена.

Реализация перехода на несущий стальной каркас была осуществлена в 1891 году, когда была построена 11-этажная башня Уэйнрайта в Сент-Луисе, автором проекта которой стал Архитектор Луис Салливан. Так что это здание может по праву оспорить звание «самый первый небоскрёб в мире» у чикагского сооружения.

Ни один небоскреб не может функционировать в полной мере без такого архитектурного элемента, как лифт. В истории небоскрёбов самым первым офисным зданием, где стали использовать лифты, стало Эквитабл Лайф Билдинг, построенном в Нью-Йорке в 1870 году.

Первые лифты работали на гидравлическом приводе, что налагало ограничение относительно высоты здания – оно не могло быть выше 20 этажей. Но в 1903 году фирмой Отис была разработана новая конструкция лифта, имеющего электрический привод. В нем нашла применение идея об уравновешивании веса кабины, идущей верх, весом второй кабины, которая двигается вниз. Эти нововведения позволили снять ограничения высоты подъема. Интересным решением для снятия ограничений по высоте здания стало и применение подъема с пересадками.

Самые высокие небоскребы мира. Фото .

Как только появились самые первые небоскребы в мире, в их строительстве началась самая настоящая гонка в возведении самого высокого здания. Самыми напряженными годами в истории небоскрёбов можно считать 20-е годы прошлого века, когда в Нью-Йорке одно за другим взметнулись ввысь несколько высотных зданий, которые претендовали на звание «высочайшего здания мира».

В Нью-Йорке в 1913 году появился 57-этажный небоскреб Вулворт-билдинг, имевший высоту 241 метр и построенный в стиле неоготика, который характеризуется сочетанием новейших достижений науки и традиционной архитектуры. На протяжении 17-ти лет этот небоскреб носил звание самого высокого здания в мире самого высокого небоскреба мира (фото ниже), и до сих пор горожане испытывают к нему особую любовь.

Фото Вулворт-билдинг в 1913 году –

… и сегодня —

Темпы этой гонки заметно замедляются в начале 30-х годов. Это десятилетие можно охарактеризовать возведением двух небоскребов. Первый был простроен в 1930 году на средства Уолтера Перси Крайслера, разместившего в нем офисы своей фирмы. Оно так и называется – Крайслер-билдинг, имеет 77 этажей и высоту по крыше 282 метра, а вместе со шпилем – 320 метров.

Но его обошел Эмпайр-стейт-билдинг, торжественно открытый 1 мая 1931 года. Именно это здание стало мировым символом небоскребостроения практически на полвека.

Оно имеет 102 этажа, высота по крыше составляет 381 метр, а вместе с антенной — 443 метра. Простроенное всего лишь за 13 месяцев, строение не сдавало рекорд высоты до 1972 года.

***

История небоскрёбов в СССР.

В Советском Союзе в 1937 году приступили к постройке самого высокого в мире небоскреба, которое должно быть высотой 495 метров. Однако Великая Отечественная война не позволила закончить этот проект, и после ее окончания к проекту уже не возвращались.

Однако небоскребы в Москве были построены, ими стали знаменитые семь сталинских высоток. Среди них самое высокое здание – это МГУ, имеющее высоту 240 метров. Именно это сооружение вошло во все мировые рейтинги небоскребов. Однако не они были первыми небоскребами, возведенными в Москве.

Еще в начале века, в 1912 году, был возведен Дом дешевых квартир Нирнзее, имеющего высоту 40 метров. На заре история небоскрёбов в СССР в Москве такие сооружения именовали «тучерезами».

Но самым высоким дореволюционным гражданским сооружением было здание Телефонной станции, возведенное в Милютинском переулке в 1908 году и имеющем высоту 78 метров. Технологии, применяемые русскими инженерами, позволяли уже в те времена возводить здания в 100 и даже в 150 метров, но постройка тучерезов ограничивалась как эстетическими, так и религиозными соображениями. Поэтому до середины 50-х годов гордое звание самого высокого здания Москвы носило средневековое сооружение – колокольня Ивана Великого, доминируя над архитектурными сооружениями столицы. Высота колокольни составляет 81 метр.

***

Последняя треть XX века ознаменовалась новой гонкой в строительстве небоскребов. Сложностью определения самых высоких небоскребов мира (фотографии которых мы и рассматриваем в данной статье) стала сложность архитектурных форм. Потому эти звания постоянно оспариваются, исходя из замеров, которые проводятся как по крыше, так и с дополнительными шпилями и антеннами. У считавшейся самой высокой 110-этажной чикагской башни Сирс-Тауэр, носящей ныне имя Уиллис-Тауэр и имеющей высоту 442 метра…

…это звание перехватили в 1998 году башни Петронас, расположенные в Куала-Лумпере и имеющие следующие критерии – 88 этажей, 452 метра высоты.

***

Потом появился в 2004 году небоскреб Тайбэй 101, имеющий 509 метров высоты и насчитывающий 101 этаж. Но и тогда Уиллис-Тауэр спорил за звание самого высокого небоскреба мира (фото ниже), если принимать в расчет находящуюся на крыше здания антенну.

Споры прекратило возведение Дубайской башни Бурдж-Халифа, которая превысила все рекорды. Эта башня имеет высоту по крыше 643 метра, по шпилю 828 метров, а насчитывает 150 этажей.

Фотографии этого рекордсмена просто поражают воображение –

***

В 2013 году Китай заявил о возведении в городе Чанша 220-этажного небоскреба Скай-Сити, имеющего высоту 838 метров. При этом возведением этого здания намеревались побить и еще один рекорд, построив его в рекордно короткие сроки – 90 дней.

Правда, в эти 3 месяца не включались подготовительные работы. Однако дата начала строительства все время переносилась, и теперь торжественное открытие здания планируют в мае 2014 года.

Но и эта высота не является пределом, строители хотят взять высоту более чем в километр. Небоскребы такой высоты заложены в нескольких странах – в Бахрейне – 1022-метровый, 1400-метровый (по шпилю) в Дубае («Аль Бурдж» или «Накхил»)

— 1007-метровая башня в Саудовской Аравии («Kingdom Tower») —

небоскреб, не стало бы возможным без изобретения стального каркаса. Сборка стального каркаса здания - самая опасная и сложная часть строительства.

Именно качество и скорость сборки каркаса определяет, будет ли проект реализован в срок и в рамках бюджета.

Они не одиночки, они работают бригадами из четырех человек, и стоит одному из бригады не выйти на работу, не выходит никто. Почему же в разгар Великой депрессии на это смотрят сквозь пальцы все, от инвестора до прораба?

Заклепка прогрелась (не слишком сильно - провернется в отверстии и придется ее высверливать; и не слишком слабо - не расклепается), теперь нужно передать заклепку туда, где она будет скреплять балки. Какая балка когда будет крепиться известно лишь предварительно, да и передвигать горячую печь в течение рабочего дня нельзя. Поэтому часто место крепления находится от "повара" метрах в 30ти (тридцати), иногда выше, иногда ниже на 2-3 этажа.

Передать заклепку можно единственным способом - бросить.

"Повар" поворачивается к "вратарю" и молча, убедившись, что вратарь готов к приему, щипцами бросает раскаленную докрасна 600граммовую болванку в его сторону. Иногда на траектории уже сваренные балки, кинуть нужно один раз, точно и сильно.

На Empire State - пятеро.

Такое чудо, как небоскреб, не стало бы возможным без изобретения стального каркаса. Сборка стального каркаса здания - самая опасная и сложная часть строительства. Именно качество и скорость сборки каркаса определяет, будет ли проект реализован в срок и в рамках бюджета.

Вот поэтому клепальщики - cамая важная профессия при строительстве небоскреба.

Клепальщики - это каста со своими законами: зарплата клепальщика за рабочий день 15$, больше любого квалифицированного рабочего на стройке; они не выходят на работу в дождь, ветер или туман, они не числятся в штате подрядчика. Они не одиночки, они работают бригадами из четырех человек, и стоит одному из бригады не выйти на работу, не выходит никто. Почему же в разгар Великой депрессии на это смотрят сквозь пальцы все, от инвестора до прораба?

На помосте из досок, или просто на стальных балках стоит угольная печь. В печи заклепки - 10сантиметровые в длину и 3 сантиметровые в диаметре стальные цилиндры. "Повар" "варит" заклепки - небольшими мехами гонит в печь воздух, чтобы разогреть их до нужной температуры. Заклепка прогрелась (не слишком сильно - провернется в отверстии и придется ее высверливать; и не слишком слабо - не расклепается), теперь нужно передать заклепку туда, где она будет скреплять балки. Какая балка когда будет крепиться известно лишь предварительно, да и передвигать горячую печь в течение рабочего дня нельзя. Поэтому часто место крепления находится от "повара" метрах в 30ти (тридцати), иногда выше, иногда ниже на 2-3 этажа.

Передать заклепку можно единственным способом - бросить.

"Вратарь" стоит на узком помосте или просто на голой балке рядом с местом клепки. Его цель - поймать летящую железку обычной жестяной консервной банкой. Он не может двинуться с места, чтобы не упасть. Но поймать заклепку он обязан, иначе она маленькой бомбой рухнет на город.

Передать заклепку можно единственным способом - бросить.

"Вратарь" стоит на узком помосте или просто на голой балке рядом с местом клепки. Его цель - поймать летящую железку обычной жестяной консервной банкой. Он не может двинуться с места, чтобы не упасть. Но поймать заклепку он обязан, иначе она маленькой бомбой рухнет на город.

Опасность этой работы можно проиллюстрировать следующим фактом: каменщики на стройке страхуются по ставке 6% от зарплаты, плотники - 4%. Ставка клепальщика - 25-30%%.

На здании Крайслера погиб один человек.
На Wall-Street-40 погибло четверо.
На Empire State - пятеро.

"Lunchtime atop a Skyscraper " (Обед на вершине небоскреба) - головокружительная фотография из серии "Construction Workers Lunching on a Crossbeam - 1932" фотографа Charles C. Ebbets

Серия про рабочих на стройке небоскреба Rockefeller Center в Нью Йорке.

По одним данным, это итальянские рабочие. По другим - индейцы. По крайней мере четвертый слева.

Скоро выйдет громадная церковь на дереве, теперь небоскрёбы… Но ничего, главное, что это интересно 🙂

Как построить небоскрёб? На самом деле принцип очень прост: организовать фундамент, который способен выдержать миллионны тонн небоскрёба, построить каркас из стальных балок, ну а потом всё вообще элементарно — заполнить промежутки изоляционным и защитным материалом. Ну там окна вставить, двери…

И начнём мы строительство небоскрёба с фундамента. Фундамент — это несущая конструкция, часть здания, которая воспринимает все нагрузки от вышележащих конструкций и передает его на основание. В случае с небоскрёбами основание должно быть как можно более устойчивым. Желательно, чтобы оно было скальным, и в этом случае с фундаментом никаких проблем не возникает. Но что делать, если до скального основания ещё копать и копать? Или же скалы в месте установки небоскрёба вообще не предполагается? Здесь может помочь опыт стоительства высотных зданий в Москве и Нью-Йорке.

Многие считают, что Нью-Йорк стоит на скале. Утверждение по сути верное, но — остров Манхэттен в верхней своей части состоит из морских наносных пород, толщина которых колеблется от 15 до 40 метров, и только под ними уже находится скальное основание, способное удержать вес небоскреба.

Первые высотки пытались строить на деревянных сваях. Но мало того, что сваи гнили, мест, в которых сваи могли достигнуть скалы и передать на нее нагрузку было достаточно мало, да и находились эти места не всегда там, где дом окупился бы. Сплошные, несоставные стальные сваи большой длины не умели еще изготовлять, а скреплять их в продольном направлении не умели. Вычёрпывание всей песчаной массы в основании здания, даже с огораживанием котлована по периметру в условиях плотной застройки невозможно - любая протечка может привести к обрушению соседних зданий.

Проблема была решена достаточно просто, изящно, и с некоторыми дополнениями работает в сложных условиях до сих пор. Её решение предложил инженер-мостовик Чарльз Сойсмит. Например, сейчас так делают колодцы на дачах 🙂

Основной компонент сваеобразующего комплекса — это опускной колодец из бетонных колец. Внутри - или пара рабочих с отбойными молотками, или небольшой экскаватор. Порода вынимается с дна колодца деррик-краном (простейший кран, стрела на шарнире), а колодец под собственным весом, а также под весом специальных грузов, расположенных на его верхней части опускается, сверху надстраивается еще одно бетонное кольцо — и так, пока этот «вертикальный тоннель» не упрется в требуемое скальное основание. Затем экскаватор (и рабочие) извлекаются, и труба заполняется бетоном. Десяток подобных труб способны удержать небоскреб.

На рисунке вид в один из таких бетонных колодцев. Глубина около 30 метров, диаметр около 3 метров.

В местах с глинистыми грунтами (таких как в Чикаго или в Москва)проблемы устройства фундамента решаются гораздо проще. Поскольку глина - более плотный, чем песок, материал, то в этом случае фундаментом может служить монолитная бетонная плита, «плавающая» в грунте.

Итак, фундамент мы возвели. Теперь можно браться за создание каркаса из стальных балок — бимсов. Порядок возведения каркаса очень прост:

Кран подаёт балку
Специалист по временному креплению балки временно крепит балку
Специалисты по клепанию постоянных заклёпок клепают постоянные заклёпки.

Цикл повторяется столько раз, сколько нужно для возведения каркаса. Как видите, всё проще некуда.

Но если всмотреться вглубь, то выплывет немало нюансов. Особенно если мы всмотримся не в современность (где всё примерно так, как описано в последовательности), а в тридцатые годы, в Нью-Йорк, когда возводились самые знаменитые небоскрёбы этого города:

здание Крайслера
Wall-Street-40
Empire State Building
и другие

Соответственно, вашему вниманию предлагаем небольшой, но поучительный рассказ о том, как возводился каркас небоскрёба в тридцатые годы прошлого века. И начнём наш рассказ со специалистов по временной фиксации балок и поговорим про работу крановой бригады.

Каркас небоскреба состоит из сотен стальных профилей длиной несколько метров и массой в несколько тонн, так называемых beams. Хранить их при строительстве небоскреба негде - никто не позволит организовать склад в центре города, в условиях плотной застройки, на муниципальной земле. Более того, все элементы конструкции разные, каждый может быть использован в одном единственном месте, поэтому попытка организации даже временного склада, например, на одном из последних построенных этажей может привести к большой путанице и срыве сроков строительства. Заказ на бимсы согласовывается с металлургами за несколько недель, грузовики подвозят их к месту строительства минута в минуту, независимо от погоды их необходимо разгрузить немедленно.

Разгруженные балки тут же поднимают к месту установки с помощью деррик-крана (уже упоминавшийся выше простейший кран — стрела с противовесом). Этот кран установлен на самом верху, на последнем завершённом этаже. Выше — только недостроенный верхний этаж, куда, собственно, и будет подаваться балка. Соответственно, оператор крана после определённого этажа просто не видит, что он поднимает — и куда он поднимает.

Единственный ориентир для управления краном - удар колокола, подаваемый подмастерьем по сигналу бригадира. Удар - включает мотор лебедки, удар — выключает. Рядом работают несколько бригад клепальщиков (о них — далее) со своими отбойными молотами, другие крановщики поднимают по командам своих колоколов другие бимсы. Соответственно, шум стоит адский, но ошибиться и не услышать удар нельзя - иначе бимса или протаранит стрелу крана, или сбросит с установленной вертикальной балки монтажников, готовящихся его закрепить и так далее.

Бригадир, управляя дерриком через двух операторов, одного из которых он не видит, добивается совпадения отверстий под клепку на установленных вертикальных балках с отверстиями на поднимаемом швеллере с точностью до 2-3 миллиметров. Только после этого пара монтажников может временно закрепить раскачивающийся, часто мокрый бимс огромными болтами и гайками.

Естественно, для этого монтажникам нужно залезть очень и очень высоко. Что очень и очень опасно. Плюс крановщик не видит, куда он балку суёт… Вот так:

Но всё когда-то заканчивается, и монтажники идут верменно крепить другие бимсы, а к работе над уже закреплёнными балками начинают работать специалисты по клепанию заклёпок, задача которых — создать надёжное соединение балки с балкой. Которое не разрушится и не сорвётся. Вот поэтому клепальщики — самая важная профессия при строительстве небоскреба.

Клепальщики — это каста со своими законами: зарплата клепальщика за рабочий день 15$, больше любого квалифицированного рабочего на стройке; они не выходят на работу в дождь, ветер или туман, они не числятся в штате подрядчика. Они не одиночки, они работают бригадами из четырех человек, и стоит одному из бригады не выйти на работу, не выходит никто. Почему же в разгар Великой депрессии на это смотрят сквозь пальцы все, от инвестора до прораба?

Всё дело в процедуре клёпки. И в том, что заклёпки нужно загонять в предназначенные для них отверстия горячими. Нагревание делает металл более пластичным — и его можно расклепать, то есть расширить высовывающуюся из отверстия часть металлического штыря так, чтобы она стала широкой и не выпадала. А заодно держала балку. С другой стороны, металл при нагревании расширяется, и если нагреть заклёпку слишком сильно… В общем, читаем как это происходило на практике:

На помосте из досок, или просто на стальных балках стоит угольная печь. В печи заклепки — десятисантиметровые в длину и трёхсантиметровые в диаметре стальные цилиндры. Один из бригады клепальщиков, "Повар", "варит" заклепки — небольшими мехами гонит в печь воздух, чтобы разогреть их до нужной температуры.

Когда заклепка прогрелась (не слишком сильно — не влезет в отверстие и придется его высверливать; и не слишком слабо — не расклепается), нужно передать заклепку туда, где она будет скреплять балки. Какая балка когда будет крепиться известно лишь предварительно, да и передвигать горячую печь в течение рабочего дня нельзя. Поэтому часто место крепления балки, куда нужно доставить всё ещё горячую заклёпку, находится от "повара" метрах в тридцати, иногда выше, иногда ниже на 2-3 этажа. Следовательно, остаётся единственный вариант.

Передать заклепку можно единственным способом — бросить. Это происходило следующим образом: "повар" поворачивается к "вратарю" и молча, убедившись, что вратарь готов к приему, щипцами бросает раскаленную докрасна шестисотграммовую болванку в его сторону. Иногда на траектории есть уже сваренные балки или другие рабочие, поэтому кинуть нужно только один раз, точно и сильно.

"Вратарь" — второй член бригады клепальщиков — стоит на узком помосте или просто на голой балке рядом с местом клепки. Его цель — поймать летящую железку обычной жестяной консервной банкой. Он не может двинуться с места, чтобы не упасть. Но поймать заклепку он обязан, иначе она маленькой бомбой рухнет на город.

Далее в дело вступают ещё два члена бригады клепальщиков — "стрелок" и "упор". Они ждут, пока горячая заклёпка не окажется у "вратаря". Далее "вратарь", поймав заклепку, загоняет ее в отверстие. "Упор" с внешней стороны здания, вися над пропастью, стальным стержнем и собственным весом удерживает шляпку заклепки. "Стрелок" 15-килограммовым пневматическим молотом в течение минуты расклепывает ее с другой стороны.

Лучшая бригада проделывает это фокус свыше 500 раз за день, средняя — около 250.

Итак, фундамент у нас есть, каркас тоже — теперь дело за заполнением каркаса. Но это и сейчас просто, и раньше с этим особо не заморачивались:

Страховка, наружу и вперёд, делать дело на благо общества.

Итак, теперь вы в общих чертах знаете, как построить небоскрёб. Остались лишь желание и детали 🙂

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.