03-Граник Ю.Г., Магай А.А. Архитектурно-конструктивные особенности высотных зданий за рубежом
advertisement
Статьи из научных изданий Журнал "Уникальные и специальные технологии в строительстве" №1/2004 19.08.2005 Архитектурно-конструктивные особенности высотных зданий за рубежом Ю.Г. Граник, директор по научной работе ОАО «ЦНИИЭП жилища», д.т.н. А. А. Магай, руководитель отдела архитектуры жилища ОАО «ЦНИИЭПжилища», академик, кандидат архитектуры Возрастающая глобализация населенных мест, повышение жизненного уровня, повышение требований к комфорту проживания приводит к концентрации населения в больших городах и увеличению этажности зданий. Переход большинства стран на рыночную экономику, экономический подъем и резкий рост технического уровня также оказывает значительное влияние на архитектуру стран в целом и развитие высотного строительства в частности. В настоящее время некоторые города мира уже невозможно представить без высотных зданий. Это в первую очередь американские города — Чикаго, Нью-Йорк, Лос-Анжелес и, конечно, столицы и города Азии и Австралии —Токио, Гонконг, Шанхай, Сингапур, Куала Лумпур, Сидней и другие. Большой вклад в зарождение и развитие высотных зданий внесли архитекторы и инженеры так называемой Чикагской школы. В 80 годы XIX столетия в Чикаго они стали возводить 12-14-16-23-этажные здания, расположенные в одном квартале застройки, что было нехарактерно для того времени, причем, они возводили не отдельные здания, как это делалось до них, а осуществляли застройку целого делового района. В других городах высокие здания размещались изолировано друг от друга. Несмотря на то, что каждое здание имело свой фасад, отличный от другого, застройки не производили хаотичного впечатления. Поскольку Чикаго в то время являлся перевалочной базой продуктов, быстрое промышленное развитие крупного центра обусловило стремительное развитие строительства различных по назначению зданий — конторских, гостиниц, страховых фирм. В Чикаго же стали возводиться здания, в которых одновременно размещались различные по функциям помещения -- жилые, конторские, номера гостиницы, театр, т.е. прообраз многофункциональных зданий, к ним относится «Аудиториум» (архитекторы Адлер и Салливен). Здесь же впервые делались попытки решить проблему многоквартирного дома. Так, в построенном «Манхетен-билдинге» — многоэтажном жилом доме (архитектор У. Ле Барон Дженни) были применены окна в виде эркеров, что способствовало максимальной освещенности квартир на узкой улице. На верхних этажах, где освещенность была нормальной, эркеров нет. Создание современных для того времени зданий потребовало новых подходов к проектированию и строительству. Кроме того, в Чикагской школе в XIX веке был преодолен разрыв между конструкцией и формой, между архитекторами и конструкторами, который был присущ всему предшествующему развитию архитектуры. Применяя чистые формы, используя новые технические возможности чикагские архитекторы придавали зданиям современную архитектурную выразительность, в которой конструкции и архитектура объединялись в единое целое. Если раньше строили из массивных каменных стен, не позволявших организовывать большие открытые пространства, то инженеры и архитекторы Чикагской школы впервые стали применять в зданиях металлический каркас. Этому предшествовало развитие прогрессивных теорий и, в частности, теоретические работы французского архитектора Виолле ле Дюка, который провозглашал о том, что «современная металлическая конструкция открывает совершенно новую область для развития архитектуры». Первым зданием в Чикаго, в котором был применен металлический каркас, было здание Страхового общества, построенного в 188485 гг. Возведение высотных зданий с применением металлического каркаса поставило перед архитекторами новые тектонические задачи, которые заключались в отказе от облицовки каркаса массивными каменными стенами, а выявлении его на фасаде и заполнении пространств между каркасом крупных остекленных поверхностей. Кроме конструктивных задач, решаемых Чикагской школой, решались задачи архитектуры фасадов не только по вертикали, но и по горизонтали. Так, при проектировании восьмиэтажного магазина фирмы «Лейтер» фасад здания имел длину 120 м. Архитектор У. Ле Барон Дженни применил крупные и простые пропорции, разбив фасад на секции. Каркас здания подчеркивал выразительность сооружения. Крупные остекленные поверхности были отделены друг от друга огнестойкими металлическими колоннами, разделяя фасад на крупные квадраты (рис. 1). Развитие строительства высотных зданий велось на основе применения новых конструктивных решений несущих элементов здания. В них стали применять стальные рамы, обеспечивающие жесткость несущего остова, с заполнением между ними кирпичной кладкой. Первое многоэтажное здание, имевшее высоту 55 м, в котором был применен стальной каркас это здание «Хоум Иншуеранс Бил-динг» в Чикаго. Данное здание рассматривается во всем мире как здание, создавшее основу развития высотного строительства. Здесь кроме стального каркаса впервые был применен навесной фасад. Законченное в 1885 году это 10-этажное здание установило направление стиля Чикагской архитектурной школы, которая много сделала в области выбора архитектурного стиля высоток, выбора конструкций для них, определив на десятилетия законы проектирования и строительства высотных зданий. Однако несмотря на использование легких каркасных конструкций из стали, первое высотное офисное блочное здание в Чикаго не выглядело легким и устремленным ввысь. Горизонтальные плоскости кирпичной стены и отделка фасадов из натурального камня придавали зданию определенную громоздкость, напоминающую итальянское палаццо эпохи Возрождения. В архитектуре высотных зданий, как и во всей архитектуре того времени, главенствовал эклектический стиль, сочетавший в архитектуре здании различные стили от романского, готического до классики. Первым настоящим «высотным зданием в мире» стал, построенный в 1892 году в Чикаго, 21-этажный «Масонский Храм» высотой 92 м (рис. 2). Архитектура здания носила эклектический характер, оно было построено в романском стиле с закругленными арками вверху здания, с эркерами в средних этажах и скатной кровлей, под которой размещались помещения. Стремление финансистов Нью-Йорка максимально использовать участки строительства привело к возведению на относительно небольших участках высотных зданий типа башни. В это время происходит переход от строительства высоких офисных зданий к офисным башням. Характерное ярусное расчленение зданий с помощью ордера, аркад и промежуточных карнизов с применением металлического каркаса не соответствовало требованиям того времени и привело к необходимости поиска новых подходов к проектированию и строительству. Одним из переходных по стилю зданий было здание «Сингер Тауэр», которое стало самым высоким офисным зданием в мире в то время. В построенном в 1908 году 32-этажном «Сингер Тауэре», форма здания имитирует угловые башни парижского Лувра. Высокая стройная башня отделана декоративным кирпичом и терракотовой плиткой во французском стиле денди, часть завершения здания было выполнено в виде мансарды. В этом здании отразился в полной мере эклектический стиль той эпохи, странно видеть на здании высотой 187 м смешение различных стилей, отделок, завершений объемов, причем, стилей, присущих 4-5-этажным зданиям. Вскоре высотные здания той эпохи превратились в коммерческие, рекламируя экономическую мощь города, достижения техники и прославляя фирмы, построившие эти здания. Одним из классических по архитектуре зданий того времени явилось Муниципальное здание, построенное в 1913 году в Чикаго (рис. 3). Здание имело трехчастное тектоническое деление (подиум — основная несущая часть и верхняя часть). Одной из новаций этого здания была организация внутри здания входа в метро. Такое же решение впоследствии было применено в зданиях многих стран мира и, в частности, в высотном здании у Красных ворот в Москве. Здания подобной архитектуры в дальнейшем были неоднократно повторены в Нью-Йорке. В том же 1913 году было построено 29-этажное здание «Вулворт билдинг» 241,4 м (рис. 4) и впервые после возведения этого здания появился термин «небоскреб». Рекламным символом зданий такого типа стали остроконечные шпили. В 1922 году, в период проведения самого известного международного архитектурного конкурса за право проектировать здание газеты «Чикаго Трибьюн Тауэр», были сформулированы радикально новые архитектурные идеи. В архитектуру стали проникать идеи рационализма, которые заключались в отчетливо выраженном рациональном подходе к основным проблемам формирования структуры здания. Рационалистические тенденции широкое распространение получили в американской архитектуре в 30-е годы. В 1930 году было построено здание небоскреба редакции газеты «Дейли Ньюс» в НьюЙорке, в 1932 году банковское здание в Филадельфии, 67-этажное здание «Америкэн Интернешнл билдинг» высотой 290 м. Уже в 1930 году в Чикаго насчитывалось 32 здания высотой более 90 метров. В 30-е годы и в Нью-Йорке были возведены наиболее известные небоскребы - «Крайслер Билдинг» в театральном стиле Арт Деко и «Эмпайр Стейт Билдинг», ставшего прообразом американского небоскреба, где были достигнуты пределы возможностей стальных каркасных конструкций. Больше 40 лет 381-метровое здание «Эмпайр Стейт Билдинг» оставалось самым высоким в мире небоскребом. Только в 1972 году первенство перешло к Всемирному Торговому Центру — 415 м, а в настоящее время первенство держит «Петронас Тауэре» — 452 м. Это несколько спорное первенство основано на подсчете высоты здания со шпилем, как известно Всемирный Торговый Центр имел плоскую кровлю. Начиная с 40-х годов двадцатого столетия, в архитектуре американских небоскребов стали применять принципы интернационального стиля. Знаменитый архитектор Людвиг Мис ван дер РОЭ инициировал массовое строительство нового поколения высотных зданий, из которых «Лейк Шор Драйв Апартментс» в Чикаго с характерным ненесущим фасадом был самым первым образцом. Его высотки очень похожи друг на друга, в них присутствует лаконизм прямоугольных форм, выявленных на фасаде здания. В 1952 году было построено 22-этажное здание «Левер хауз», в котором впервые применен прием выноса структуры стального каркаса на фасад с последующим остеклением образованных прямоугольников. Однако прототипом современных офисных зданий стало 38-этажное здание «Сиграм Билдинг», построенное в 1958 году (рис. 5), спроектированное Мис ван дер РОЭ совместно с Филиппом Джонсоном, которое и было провозглашено самым прекрасным стеклянным зданием из всех когда-либо возводившихся высотных зданий. Вслед за высотными зданиями Мис Ван-дер РОЭ в других странах было построено значительное количество высотных зданий такого типа. В подражание этому зданию в Европе были возведены высотные здания «Тур де Миди» в Бельгии, аэровокзал фирмы САС в Копенгагене, здание фирмы «Ри-прос» в Дюссельдорфе и другие. Рационалистические идеи в строительстве высотных зданий выявились при проектировании здания «Джон Хэнкок» в Чикаго. Построенное в 1969 году 343,5метровое 100-этажное здание, по фасаду опоясано металлическими конструкциями — поясами и диагоналями, определяющими конструктивную систему. Вместе с тем опорные конструкции уменьшающегося вверх здания воспринимаются не как несущие конструкции, а как архитектурный прием, выражающий тектоническую характеристику здания. Это здание стало самым высоким многофункциональным зданием в мире, а жилые помещения в нем располагаются на 92-м этаже. Прошло более 30 лет, но «Джон Хэнкок» до сих пор самое высокое жилое здание. Одним из значительных явлений в архитектуре высотных зданий стало строительство в 1974 году 443-метрового здания «Сире тауэр». Ступенчатая структура здания позволила создать интересное ступенчатое объемно-пространственное решение. Поиски формообразующих возможностей в проектировании и строительстве высотных зданий, стремление отойти от простых геометрических объемно-пространственных решений, пути усиления выразительности зданий за счет выявления крупных структурных членений — все это проявилось в 60-е годы в разных странах. Так, например, в Англии, в комплексе конторских зданий на Виктория-стрит основное высотное здание было запроектировано уже не в виде параллелепипеда, а в виде сигарообразного объема, что придало зданию пластичность и своеобразие. Примерно такой же объем имело здание башни «Монпарнас» в Париже, здание фирмы «Пирелли», построенное в 1961 году в Милане (рис. 6). В дальнейшем высотные здания стали усложнять, как в объемно-пространственном, так и в архитектурно-планировочном решениях. Интересное предложение по форме жилого дома «Марина сити» (рис. 7) было выдвинуто архитектором Б. Гольдбергом. Объемнопространственное решение здания было выполнено в виде двух 63-этажных круглых в плане башен. Полукруглые балконы, опоясывающие здания, создают сложный мотив построения фасада. Но конфигурация помещений квартир сужающихся к центру, не совсем удобна в эксплуатации. С такими же объемными цилиндрическими окружностями разработано 18-этажное здание фирмы BMW высотой 100 м. Центральное ядро здания образовано четырьмя цилиндрическими железобетонными конструкциями незамкнутого профиля, образуя ядро жесткости, вокруг которого расположены цилиндрические же поэтажные планы. Цилиндрическая форма здания позволяет полностью использовать поверхность фасада для освещения рабочих мест, в этом случае форма плана не затрудняет использование площади под конторские помещения. «Высотный бум», перешедший из Америки в Европу и Азию, продолжает свое шествие по всем странам мира. Даже в консервативной Европе все больше и больше строится высотных зданий. Одним из первых высотных зданий в Европе стал построенный в 1957 году 26-этажный «Веласка Тауэр» (рис. 8). Необычно объемно-пространственное решение здания, которое разбито на три неравнозначных объема - верхний 6 этажный нависает над нижним, а к самому зданию примыкает двухэтажный стилобат. Здание является многофункциональным — в двух первых этажах располагаются офисы, магазины и помещения для обслуживающего персонала. В нависающей части здания размещены двух- и трехкомнатные квартиры, а на 25 и 26 этажах расположен пентхаус. В средней части здания расположены конторские бюро. Мощный каркас четко выявлен на фасаде вертикальными тягами. На фасаде также видны подкосы, поддерживающие верхний объем. Несмотря на высоту в 99 метров здание из-за крупного членения объема не кажется высотным и совсем не похоже на американские высотки. Также отличные от американских по объемно-пространственному решению, были построены в 60-е годы 28-этажные жилые дома в Гренобле. Архитектурно-планировочное решение представляет собой ромб с усеченными углами. Несущими конструкциями в зданиях являются продольные железобетонные стены. Своеобразная пластика фасадов подчинена внутреннему содержанию зданий, а смещение ритма эркеров и лоджий сдвигает зрительный ряд этажей и они перестают «читаться». Благодаря сильному рельефу чередующихся выступов и углублений здание смотрится пластично и неординарно. Первым городом в Европе, в котором стали массово строить высотные здания, был Франкфурт-на-Майне. В конце 60-х на западной окраине были его выросло несколько небоскребов. Вслед за этим последовали другие европейские высотки. Каждый большой город хотел иметь серию высотных жилых зданий. К таким проектам относится серия башен в Париже в Итальянском квартале на набережной Сены неподалеку от Эйфелевой башни. Одна из них, своеобразно и гармонично решенная по архитектуре башня, - Тур Тотем (рис. 9), построенная в 1978 г. С 1965 по 1970 гг. возводится известный комплекс высотных зданий Дефанс в Париже (рис. 10). Компактная застройка комплекса состоит из 25-30 этажных конторских зданий. В конце прошлого века высотные здания продолжали строить в Германии, Голландии, Англии и других странах Европы. Так, во Франкфурте-на-Майне построили 63-этажное офисное здание высотой 257 м, в Роттердаме возвели 34-этажный жилой дом и 34-этажное офисное здание с квартирами на верхних этажах, в Лондоне 50-этажное офисное здание «Ван Канадиэн Сквеа». Поиски энергосберегающих объемно-пространственных решений высотных зданий привели к решению, разработанному в 53-этажном здании «Коммерц Банка» во Франкфурте-на-Майне в Германии (рис. 11). За основу архитектурно-планировочного решения здания был принят треугольник с закругленными углами. Эта форма позволила использовать весь световой фронт по фасаду. Одним из достижений проектировщиков стала организация внутри треугольного здания атриума на всю высоту здания, что обеспечило хорошие условия вентиляции всех помещений, находящихся в здании. Офисные помещения, выходящие внутрь здания в атриум, имеют естественное освещение и возможность свободного проветривания; атриум в здании является тем объемом, который обеспечивает естественную вентиляцию помещений, выходящих внутрь здания. Кроме того, наличие четырехэтажного зимнего сада, охватывающего по спирали все здание на всю высоту, позволяет зрительно разбить объем здания на три-четыре крупных элемента. Как и большинство современных высотных зданий, «Коммерц-банк» является многофункциональным комплексом — на первом этаже расположены магазины, рестораны, зрительные залы и другие помещения. Несмотря на достаточно активное строительство высотных зданий в Америке и Европе, первенство в объемах и высотности зданий постепенно переходит в Азиатский регион. Азиатские города стали бурно развиваться только в течение последних десятилетий одновременно с экономическим развитием этого региона. После Второй мировой войны победившие страны использовали Японию как стратегический пункт, откуда распространили свое влияние на весь азиатский регион. Первой после войны в 1950-х годах стала развиваться японская экономика. Чуть позже экономический бум произошел в городах-государствах Гонконг и Сингапур, которые в то время были британскими колониями. Несмотря на это в 60-х годах они стали превращаться в мощные экономические и финансовые центры. Вслед за ними самыми динамичными темпами стали развиваться Южная Корея и Тайвань. Затем последовали такие азиатские города, такие как Куала-Лумпур, Бангкок, Джакарта и Манила. В настоящее время очень быстрыми темпами в экономическом отношении развивается Китай. Естественно, что рост экономики повлиял и на высотное строительство во всех этих странах и городах. Под влиянием экономического роста происходит быстрая урбанизация; города стали заполнять сельские жители и численность населения городов стала так быстро расти, что без высотного строительства расселение в этих городах стало невозможно. Высотное строительство в Азии зародилось в 1935 году с возведением банка «Китайский Бродвей». В 1948 году последовало строительство Шанхайского банка в Гонконге и продолжилось высотное строительство в 1950 году постройкой «Банка Китая». Все это открыло путь к эре высотного строительства в Азии и сделало Британскую колонию одним из лидеров в мире (вместе с Чикаго и Нью-Йорком) в этом виде строительства. Раннее высотное строительство в Австралии представлено двумя зданиями, расположенными в Сиднее: это — 26-этажное «АМП здание», предназначенное для торговли, построенное в 1962 году, и 50-этажное здание, возведенное в 1967 году «Австралия Сквэа». Поскольку в Японии вплоть до 1968 года существовали нормы, ограничивающие высоту зданий до 31 метра, небоскребы были запрещены. Первым японским небоскребом стала 170-метровая 47-этажная гостиница «Кейо плаза», построенная в 1971 году, тогда же было завершено строительство 36-этажного здания «Касумигасеки» в Токио, а в 1974 году рядом с этим зданием было построено 55-этажное здание «Шинджуки Митсуи». Все самые высокие азиатские здания, построенные в 80-х годах, не превышали 300метровой высоты, но уже в 1989 году этот предел был преодолен с возведением 368метрового здания «Банк оф Чайна» в Гонконге (рис. 12). В том же Гонконге в 1992 году был возведен «Сентрал Плаза Билдинг» (374 м). Затем были построены еще несколько небоскребов, превышавших 330-метровую высоту, в Бангкоке (Таиланд), Шэнзене (Китай), Гуанджоу (Китай) и Каошиюнг (Тайвань). За немногим исключением строительство высотных зданий в Азии велось с оглядкой на архитектуру американских небоскребов. Ранние высотные здания в Гонконге, Сингапуре и Токио по архитектуре напоминают стиль высоток Соединенных Штатов,— до недавнего времени этот стиль являлся образцом высотного строительства. К ним можно отнести здания «Кейо плаза», «Касумигасеки» в Токио, «Джардайн хаус» в Гонконге и другие. После Азиатского экономического кризиса в таких столицах, как Бангкок и КуалаЛумпур, проекты высотных зданий разрабатывались независимо от американских, поэтому в их архитектурном облике виден азиатский стиль. Если американский рынок высотных зданий развивался исключительно на основе экономических факторов, то азиатский развивается из-за престижных соображений стран, стремящихся возводить супервысотные здания выше 400 м. К супервысотным можно отнести административные здания таких компаний, как «Джин Моа бил-динг», возведенное в 1999 году в Шанхае, имеющее 420 м (рис. 13), а также 101-этажное «Тайпэйского Финансового Центра» высотой 448 м. Желание возвести самое высокое в мире здание было реализовано в Азии в Куала Лумпуре, где в 1998 году построили «Петронас Тауэре». Верхняя часть здания с антенной достигает высоты в 452 м и превосходит по высоте «Сире Тауэр» в Чикаго. Благодаря успешному возведению супервысотных зданий и дальнейшей тенденции роста высоты зданий, мир узнал новые города. До строительства «Петронас Тауэре» мало кто слышал о КуалаЛумпур, Тайпее и других городах, в которых строятся сверхвысотные здания. Теперь эти здания являются не только символами этих городов, но и стран, в которых эти города находятся, символизируя миру экономическую мощь азиатского региона. Та же самая тенденция — строительство супервысоких зданий — принята и на Ближнем Востоке, где построены три здания высотой более 300 м, одно из них — 321-метровое здание «Бурдж аль Араб» в г. Дубай является самой высокой гостиницей в мире. В настоящее время идет борьба за обладание пальмы первенства самого высокого здания в мире. Уже проектируется ряд зданий высотой 450 и более метров — «Суонг бай Ландмарк Тауэр» в Пусане (462 м), «Лэндмарк тауэр» в Гонконге (574 м), — интервалы между рекордами становятся все короче и короче, а высоты все заоблачнее и заоблачнее. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ Высотные здания, особенно здания значительной высоты — 250 м и более, имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий. К особенностям высотных зданий относятся: превалирующее значение горизонтальных (в первую очередь, ветровых) нагрузок над вертикальными; очень высокая нагрузка на несущие конструкции, в том числе на основания и фундаменты; повышенная значимость воздействия ряда природных факторов(сейсмика, солнечная радиация, аэродинамика) и техногенных (вибрации, шумы, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения) на безопасность эксплуатации; проблемы обеспечения совместной работы в несущих конструкциях таких материалов, как сталь и бетон, а также неодинаково нагруженных элементов конструкций, например, колонн и стен. Эти особенности необходимо учитывать при выборе конструктивной схемы высотного здания и проектировании несущих конструкций. Например, под влиянием ветровых нагрузок в вертикальных обычно сжатых несущих конструкциях могут возникнуть растягивающие усилия. Значение нагрузок на основание из-за ограниченности в ряде случаев площади под фундаменты высотного здания могут достигать 0,8-1 МПа, а в вертикальных несущих конструкциях (колоннах, простенках) — 50-70 МПа. Зарубежный опыт показывает, что нагрев фасада высотного здания в случае неучета этого фактора при проектировании приводит к дополнительным изгибным деформациям здания и нагрузкам на несущие конструкции. Дополнительные требования к конструктивному решению высотных зданий предъявляют также проблемы освещенности и инсоляции, огнестойкости, аварий и локальных разрушений. В последние годы возникла проблема диверсионных актов в отношении таких уязвимых объектов, как высотные здания. В связи со значительными нагрузками и деформациями, испытываемыми несущими конструкциями высотных зданий, возникает проблема обеспечения совместной работы, применяемых для их изготовления, таких отличающихся по своим физико-механическим характеристикам материалов, как сталь и бетон. В частности, использование в качестве жесткой арматуры стальных профилей, обладающих гладкой поверхностью, не подверженных усадке и ползучести, требует применения специальных конструктивных мероприятий по обеспечению надлежащего восприятия усилий между сталью и бетоном. 1. Конструктивные схемы высотных зданий: а - рамно-каркасная; б-каркасная с диафрагмами жесткости; в - каркасно-ствольная; г - коробчато-ствольная; д- коробчатая (оболочковая); е - ствольная; ж - бескаркасная с поперечными несущими стенами; 2. Конструктивные решения с яд ром и консольными перекрытияции этих зданий выполняют как в сборном, так и монолитном вариантах. С развитием высотного строительства было разработано несколько конструктивных схем (систем) таких зданий: каркасная с диафрагмами жесткости, рамно-каркасная, бескаркасная с перекрестно-несущими стенами, ствольная, каркасно-ствольная, коробчатая (оболочковая), ствольно-коробчатая («труба-в-трубе» или «труба-в-ферме») (рис. 1). Выбор той или иной конструктивной схемы (системы) зависит от многих факторов, основными из которых являются высота здания, условия строительства (сейсмичность, грунтовые особенности, атмосферные и в первую очередь ветровые воздействия), архитектурно-планировочные требования. Каждая из вышеперечисленных систем имеет свои разновидности, в частности, ствольная система может выполняться с консольным опииранием перекрытий на ствол, с подвешиванием нижележащих перекрытий к расположенной наверху консоли («висячий дом»), либо опиранием вышерасположенных перекрытий на расположенную снизу консоль, с промежуточным расположением несущих консолей высотой в этаж с передачей на них нагрузки от части этажей (рис. 2). Стволом или ядром в высотных зданиях является жесткий (монолитно выполненный) лестнично-лифтовый узел. Каркасные и рамно-каркасные системы применяют при высоте здания до 200-250 м. По каркасной схеме был построен в Нью-Йорке в 1913 г. небоскреб высотой 250 м (60 этажей). Такая высота считается предельной для упомянутых систем, поскольку они не обеспечивают необходимой жесткости более высоких зданий. При строительстве высотных жилых домов и гостиниц в ряде случаев применяют схемы с перекрестнонесущими стенами, поскольку планировочная структура таких зданий соответствует этой схеме. Несущие конструкции этих зданий выполняют как в сборном, так и монолитном вариантах. Здания с перекрестно-несущими стенами благодаря большой жесткости могут быть достаточно эффективными в зданиях высотой до 150 этажей. В целях повышения жесткости высотного здания и обеспечения свободной планировки применяют ствольные и каркасно-ствольные системы. Эти системы позволяют в довольно широких пределах применять развитую пластику фасадов. Такое решение использовано, например, при строительстве 260-метрового здания Коммерц-банка в г. Франкфурт-наМайне (Германия), где светопрозрачные ограждения зимних садов заглублены внутрь здания. Стволы (ядра) изготовляют из железобетона, стали или их комбинаций. Стволы выполняют роль жестких вертикально расположенных консолей, защемленных в земле и воспринимающих горизонтальные нагрузки. Поскольку поперечное сечение лестничнолифтовых узлов ограничено, жесткость стволов также ограничена, в связи с чем они могут обеспечивать необходимую жесткость здания в определенных пределах. Для повышения изгибной жесткости высотных зданий применяют коробчатые или оболочковые системы, в которых повышение жесткости достигается за счет включения в работу на поперечный изгиб наружных ограждений, выполняемых в этом случае несущими. Поперечное сечение жесткого ядра увеличивается до размеров наружной оболочки здания. Размеры здания в плане при этом имеют ограничения по условию обеспечения требуемого естественного освещения. На рис. 3 показаны максимальные размеры в плане высотных зданий в США и Германии, отвечающие требованиям естественной освещенности. 3. Максимально допустимая нормативная глубина помещений высотных зданий в США и Европе. 4. Конструктивные варианты несущих наружных оболочек высотных зданий (коробчатые системы). В коробчатых системах наружная несущая оболочка может выполняться в виде безраскосной и раскосной решетки из стали или железобетона. Безраскосная решетка не вызывает затруднений при размещении светопрозрачных ограждений по фасаду высотного здания, но уступает раскосной в отношении обеспечения жесткости здания. Поэтому для повышения жесткости наружной оболочки применяют диагональные связи (рис. 4). Большей жесткостью обладают ствольно-коробчатые системы с диагональными связями («труба в ферме»). Вместе с тем эти системы не позволяют применять пластические решения фасадов и требуют частого расположения несущих стоек по периметру здания. Система «труба в ферме» может эффективно применяться в зданиях свыше 100 этажей. Повышения сопротивляемости высотного здания ветровым нагрузкам можно достигнуть при использовании рациональной формы. Как показали многочисленные зарубежные исследования и опыт эксплуатации, наиболее целесообразной в отношении воздействия ветра является круглая в плане форма здания. Несколько уступает ей элептическая (овальная) форма, а затем и квадратная. В связи с этим многие высотные здания за рубежом имеют круглую или овальную в плане форму, например, здания «Марина Сити» в г. Чикаго и «Вашингтон Плаза» в г. Сиэтле (США), башни «Петронас» в г. КуалаЛумпуре (Малайзия), башня «Тайпей» в г. Тайпей (Тайвань) и другие. Многие высотные здания имеют квадратную или близкую к ней форму в плане. 5. Рациональные формы зданий а - треугольная призма; б - эллиптический цилиндр; в вертикальная оболочка; г - форма, сужающаяся кверху; д -пирамида; е - круглый цилиндр Повышение жесткости достигают также приданием высотному зданию некоторой конусности (100-этажное здание «Джон Хэнкок Сентер» в г.Чикаго и 49-этажное здание в г.Нью-Йорк, США) (рис. 5), а также применением многосекционного варианта коробчатой системы (109-этажное здание «Сире тауэр» в г.Чикаго, США). В последнем варианте горизонтальные нагрузки помимо наружной оболочки воспринимают также внутренние межсекционные стены и при наличии — стволы (ядра жесткости). Если необходимость восприятия ветровых нагрузок требует повышения жесткости высотного здания, сейсмические воздействия, напротив, диктуют для более эффективного поглощения сейсмической энергии повышения его гибкости. Однако это не обеспечивает необходимым комфортом из-за значительных колебаний верха здания высотой 300-400 м при сильных порывах ветра. В целях устранения этого противоречия в башне «Тайпей» (г. Тайпей, Тайвань) предусмотрен пассивный маятниковый сферический демпфер массой 800 тонн, подвешенный с помощью тросов на 92-ом этаже и предназначенный для гашения инерционных колебаний здания. При обычных условиях эксплуатации демпфер обеспечивает отклонение здания от вертикали в пределах 10 см, при катастрофических землетрясениях и тайфунах, происходящих раз в столетие, он может раскачиваться с амплитудой 150 см, обеспечивая безопасные отклонения самого здания. Несущие конструкции высотных зданий в начальный период развития этого вида строительства преимущественно выполняли из стали. В последние годы эти конструкции все чаще предпочитают выполнять из железобетона, поскольку этот материал обладает большей огнестойкостью, дешевле, а его прочностные характеристики приближаются к прочности стали. Созданы и применяются бетоны классов В80 и В100, хотя в широкой строительной практике применяют более низкие классы высокопрочных бетонов В60 и В70, так как с ростом прочности бетона возрастает его стоимость, повышается хрупкость и снижается огнестойкость. Поэтому для высоконагруженных несущих конструкций (колонн, стоек, ригелей) применяют железобетонные конструкции с жесткой арматурой в виде прокатных профилей, а также комбинированные сталебетонные конструкции. Толщину несущих железобетонных стен по условиям надежного проформования применяют 250 мм и более. Конструктивному решению фундаментов при проектировании и строительстве высотного здания уделяют особое внимание. Поскольку подошва фундаментов под высотным зданием располагается, как правило, на значительной глубине, применяют комплекс мероприятий по водоосушению, в том числе с помощью «стены в грунте». Чаще всего применяют плитные фундаменты, буронабивные сваи, а также их комбинации. Плитные фундаменты выполняют либо сплошными, монолитными, причем их толщина может доходить до 5 м, либо монолитными железобетонными коробчатыми. Буронабивные сваи в зависимости от геологии грунтов и нагрузок на основание могут составлять в диаметре 3-4 м, а в некоторых случаях даже 6,0 м при длине 30-40 м (иногда до 60 м). Большое внимание уделяют вопросам гидроизоляции подземных сооружений. 6. Схема перекрытия с совместной работой листа, бетона и балок перекрытия Перекрытия высотных зданий решаются в зависимости от принятого пролета. В США, где глубина помещений по условиям естественной освещенности допускается равной 16м (рис. 3), для обеспечения свободной планировки перекрытия также, как правило, имеют пролет, равный 16 м. В этом случае применяют балочные клети с главными и второстепенными балками, причем, первые выполняют из стали как сплошными, так и решетчатыми. Железобетонные балки выполняют сплошными, в том числе с жесткой арматурой в виде стальных прокатных профилей. Для устройства плитной части перекрытий широко применяют монолитную железобетонную плиту, укладываемую на стальной профилированный настил, при этом профнастил включают в совместную работу с железобетонной плитой с помощью анкеров, закрепляемых на нем (рис. 6). В Европе, где глубина помещения в зданиях ограничена 8 метрами, преимущественно применяют плоские монолитные железобетонные плиты толщиной 250 мм (безригельный каркас). Особенностью перекрытий высотных зданий является то обстоятельство, что для размещения многочисленных инженерных систем (вентиляции, отопления, кондиционирования, электроснабжения и др.) и коммуникаций (компьютерных, сигнальных, видеонаблюдения, автоматики и т.п.) применяют подвесные потолки и технологические полы (рис. 7). Суммарная высота подвесных потолков и технологических полов может достигать 900 мм, так что при высоте этажа 3,6 м высота помещения может составлять всего 2,7 м. Наружные стены высотных зданий проектируют несущими (коробчатые системы) и навесными (рамные, рамно-каркасные, ствольные системы). Несущие стены выполняют из стали и железобетона. Навесные наружные стены выполняют в виде легких конструкций преимущественно заводского изготовления (панелей). При этом помимо бетона и стали применяют алюминий, стекло, пластмассы. В ряде случаев на части фасадов высотных зданий или на фасаде полностью применяют вентилируемые системы, отделываемые натуральным камнем (мрамор, гранит) или керамогранитом, декоративными металлическими листами, фибробетонными экранами и другими материалами. 7. Подвесные потолки и технологические полы высотных зданий. 8. Окна с защитным светопрозрачным экраном. Окна высотных зданий делают либо неоткрывающимися, либо при наличии защитных светопрозрач-ных экранов частично или полностью открывающимися (рис. 8). В первом случае применяют окна с воздухозаборными клапанами или кондиционирование. Во втором -защитные экраны выполняют из особо прочного стекла. Для мытья окон, защитных экранов и светопрозрачных элементов фасадных систем на покрытии здания предусматривают специальное устройство. Например, на покрытии высотного здания энергетической компании RAG в г.Эссен (Германия), имеющего в плане круглую форму, в центре смонтирован поворотный выдвижной консольный подъемник с люлькой. При мытье стекол люльку крепят специальными тросиками с шариковыми замками, вставляемыми в гнезда кронштейнов, с помощью которых стекла закреплены на фасаде здания. В люльке предусмотрена предохранительная электронная система, когорая при скорости ветра более 6 м/с автоматически перемещает люльку в исходное положение вверх на покрытие. Лестнично-лифтовый узел располагается в центре высотного здания, что является обязательным условием при применении ствольных и коробчато-ствольных схем. При этом лестницы предусматриваются незадымляемыми без естественного освещения. Даже при расположении лестничной клетки на периферии ее естественное освещение не предусматривается. В качесгве примера можно привести 50-этажное здание «Парк Реджис» в г. Сиднее (Австралия) и «Коммерц-банк» в г. Франкурте-на-Майне (Германия). Предел огнестойкости конструкций лестнично-лифтового узла принимается по национальным стандартам, но обычно не превышает 2-х часов. Толщина стен и перекрытий узла назначается, исходя из расчетных требований. В строящемся в настоящее время в центре г. Дюссельдорфа офисном высотном здании, запроектированном по каркасно-ствольной системе, междуэтажные безригельные железобетонные перекрытия имеют толщину 250 мм, а перекрытия в лестнично-лифтовом узле по условиям расчета — 450 мм. Дверной проем в лестничную клетку располагают со стороны идущего вниз марша, что обеспечивает более безопасную эвакуацию людей. Большое внимание при проектировании высотных зданий за рубежом уделяют вопросам безопасной эвакуации людей. Расчеты времени эвакуации включают в проектные разработки, и в зависимости ог расчетного времени эвакуации назначают пределы огнестойкости основных несущих конструкций. Помимо этого при эксплуатации проводят учебные тревоги, которые позволяют определить фактическую продолжительность эвакуации людей. Например, при проведении учебной тревоги в высотном здании Коммерц-банка фактическое время эвакуации персонала составило 25 минут, что оказалось существенно ниже расчетного времени. После обрушения башен Всемирного Торгового Центра Особой группой по изучению строительных норм Нью-Йоркского департамента строительства был сделан ряд выводов и рекомендаций, в том числе: Запретить применение незащищенных металлических решетчатых балок и ферм. Использовать доступные взрывоустойчивые материалы при устройстве лестничнолифтовых узлов. Способствовать внедрению большего количества лестничных клеток и более широких лестниц в высотных зданиях. Улучшить обозначение путей эвакуации, используя фотолюминесцентные таблицы и аварийные светящиеся надписи с автономными источниками питания. Разрабатывав эвакуационные планы для высотного здания при авариях, не связанных с пожаром. В обязательном порядке использовать защищенные вестибюли в лифтовых холлах при строительстве новых высотных зданий. Проводить контрольные проверки противопожарных мероприятий. Обеспечить все высотные коммерческие здания противопожарными дождевальными установками. Ввести в действие паспорта (информационные карты) высотных зданий, в которых отражать все их важные характеристики. Большое внимание Особая группа уделила проблемам прогрессирующего обрушения высотных зданий. Предусматривается проведение обязательного расчета на предотвращение прогрессирующего обрушения проектируемого здания. Устойчивость здания к прогрессирующему обрушению должна проверяться по методу «Переменной траектории», а в случае невозможности его использования по методу «Особой локальной устойчивости». В указанных материалах приводится проект «Руководства по предотвращению прогрессирующего разрушения». В рекомендациях Особой группы говорится также о целесообразности использования при проектировании высотных зданий статически неопределимых систем, обеспечивающих при аварийных ситуациях перераспределение нагрузок. Кроме того, даются рекомендации по рациональному проектированию узлов и стыков несущих конструкций, позволяющих при выходе из строя какого-либо элемента ограничиться локальным разрушением. Аналогичные положения включены в разрабатываемые МГСН «Многофункциональные высотные здания и комплексы». ©2004-2008 Департамент градостроительной политики, развития и реконструкции города Москвы ©2008-2010 Департамент городского строительства города Москвы Разработка ИВЦ Мосстрой
