В статье автор производит обзор мирового опыта строительства высотных сооружений (небоскребов) из различных материалов.Проанализированы конструктивные решения небоскребов США, Европы и различных стран Азии. Выявлены основные задачи, которые необходимо решать при проектировании высотных зданий со стальным каркасом.
Ключевые слова: высотное здание, небоскреб, строительная система, строительный материал, железобетон, металл.
Небоскребы — своеобразный символ современного строительства. Самые высокие здания мира поражают своим величием и технологическими решениями.
Строительство первых высотных зданий началось в конце XIX века в США. Это связано с изобретением новых технологий и материалов в строительном деле. Первым небоскребом считают «Хоум Иншуранс Билдинг», построенный в 1885 году в Чикаго. Он имел 10 этажей и общую высоту 42 метра, позже был надстроены еще два этажа, а высота здания увеличилась до 54,9 метров. Большим недостатком и сдерживающим фактором развития высотного строительства было отсутствие лифтов и электрического освещения. Многоэтажные здания изначально предназначались для офисов, офисов, коммерческих помещений, банков [1].
В 1891 г. произошел переход на каркасную систему с использованием металла (сначала чугуна, затем стали) для несущих конструкций высотных зданий. Это был очередной этап в развитии высотного строительства. Такая конструкция обладала высокой прочностью и дала возможность значительного увеличения высоты зданий.
Первый патент на металлическую конструкцию небоскреба был зарегистрирован в 1888 г. (28-этажный небоскреб «Cloudscraper», автор — Лерой Баффингтон).
Переход на стальные прокатные профили и клепанные соединения позволил добиться максимальных преимуществ при применении каркасной системы. Началась так называемая «гонка по вертикали» [1].
В 1931 году было построено 102-этажное здание высотой 381 м «Эмпайр стейт билдинг» (рис. 1). Здание было построено всего за тринадцать месяцев. «Эмпайр стейт билдинг» сохранял звание самого высокого здания в мире на протяжении более 40 лет. Несущие элементы представлены стальным каркасом, крепления балок и колонн между собой производилось при помощи заклепочных болтов. Верхние этажи расположены в три ступени, что отчасти напоминает формы пирамид [1; 2].
Рис. 1. Эмпайр Стейт Билдинг (381 м, 1931 г.)
Масса здания — 365 000 тонн, его стальной каркас массой 59 000 т несет стены из 10 млн. кирпичей.
Сами элементы стального каркаса представлены двутавровыми и швеллерными балками и стойками. Узлы крепления элементов каркаса осуществлялись при помощи заклепок, монтируемых в горячем состоянии. Нагревание заклепок производилось в печах прямо на этажах каркаса.
В 1973 году было закончено строительство двух башен Всемирного торгового центра, каждая из которых состоит из 110 этажей — Северная высотой 526,3 метра (вместе с установленной наверху антенной) и Южная высотой 415 метров (рис. 2). При разработке проекта этих зданий была использована новая конструктивная схема — жесткая «полая труба», выполненная из стальных колонн пустотелого сечения 450х450 мм, с фермами этажей высотой 900 мм, расширяющимися к центральной части. Межэтажные перекрытия выполнены из гофрированной стали и бетонных плит (сборно-монолитные) [3].
Рис. 2. Всемирный торговый центр (411 м, 1973 г.)
Другим интересным примером высотного строительства является лондонский небоскреб Мэри-Экс 30, проект которого был разработан архитектурным бюро «Фостер и партнеры». Здание имеет высоту 180 м, 41 этаж. Неофициально его называют «Корнишон» — из-за формы, которая заметно выбивается из общей картины современного Лондона (рис. 3).
Конструкция небоскреба представлена стальным каркасом и стеклянным фасадом с ромбовидными панелями. Диаметр здания у основания составляет 49 метров, затем оно расширяется, достигая наибольшего диаметра на уровне 17 этажа — 57 метров, и вновь сужается к самому верху.
Рис. 3. Небоскреб Мэри-Экс 30 (180 м, 2004 г.)
Внутренние конструкции здания состоят из традиционных металлических балок и колон с профилированными композитными панелями перекрытий. Этажи здания поворачиваются относительно друг друга, создавая спиралевидные световые шахты, что позволяет получить больше света для офисных работников.
Одни из самых высоких объектов азиатских стран — небоскребы «БурджХалифа» в Дубае и «Шанхайская Башня» в Шанхае.
Возведение «БурджХалифа» было завершено в 2010 г. Сейчас это самое высокое здание в мире (его высота 828 м) (рис. 4). Для обеспечения достаточной несущей способности был использован железобетонный каркас. Для его создания было использовано 30 тысяч тонн стали и 250 тыс. м3 бетона. Каркас здания окружен в высокотехнологичные стены-шторы из стекла и металла. Стены небоскреба крепятся секциями высотой до двух этажей.
Большая опасность для небоскребов — сильный ветер. Архитекторы использовали оригинальное решение. Секции башни предназначены для отклонения ветра в разные стороны. Вокруг каждой части здания вихри движутся с различной скоростью [5].
Рис. 4. Бурдж-Халифа (828 м, 2010 г.)
Все ядро небоскреба построено вокруг формы трехконечной звезды, которая спирально уходит вверх. Центральное ядро здания обеспечивает его горизонтальную устойчивость и играет главную осевую роль. От ядра в конец каждого пролета-лепестка отходят монолитные диафрагмы, которые образуют центральные коридоры. Эти бетонные стены играют роль связующей паутины, которая придает всей конструкции устойчивость при ветровых и динамических нагрузках. По периметру здания расположены колонны.
Фундамент ядра небоскреба состоит из сплошной плиты 3,7 метра толщиной. При его производстве было залито 12 500 м3 самоуплотняющегося бетона С50. От фундамента ядра в сторону каждого лепестка-пролета здания отходят монолитные ростверки.
Всего небоскреб поддерживает 194 сваи. Технические характеристики сваи:
диаметр 1,5 м;
средняя длина 43м;
расчетная нагрузка на каждую более 6 600 т.
По диаметру и длине эти сваи стали рекордными, которые когда-либо применялись при строительстве в АОЭ. При их производстве был использован самоуплотняющийся бетон С60.
Панели стен жёсткие, а соединения между ними подвижные. Если кто-нибудь передвинет тяжёлую мебель к внешней стене, пол наклонится, и стена опустится вниз, но подвижное соединение компенсирует микросдвиг. Кроме того, подвижные соединения позволяют каждой секции расширяться и сжиматься под воздействием изменяющейся температуры, когда солнце обходит небоскрёб со всех сторон.
В 2015 г. был построен небоскреб «Шанхайская Башня» — символ современного Китая (рис. 5). Его высота составляет 632 метра. Форма Шанхайской башни похожа на слегка скрученную пирамиду с округлыми гранями. Такая форма позволила снизить нагрузку от ветра на 25 %. Ограждающие конструкции здания двойные, в пространстве между ними имеются атриумы. Небоскреб состоит из 9 цилиндрических секций. Каркас здания включает в себя монолитный стержень из железобетона, четыре пары больших колонн из железобетона и четыре диагональных колонны, соединенных горизонтальными поясами из металлических ферм. Крепление колонн к центральному стержню осуществляется с помощью аутригеров.
Рис. 5. Шанхайская Башня (632 м, 2015 г.)
Центральный стержень небоскреба состоит из ярусов, которые соединены между собой шарнирно. Это позволяет избежать больших колебаний от ветровой и сейсмической активности.
По результатам проведенного обзора можно сделать следующий вывод: в современном высотном строительстве применяют и стальной, и железобетонный каркас. Так как стальной каркас имеет больший удельный вес, для его целесообразного применения в высоких небоскребах необходимо использовать экономичные конструктивные схемы, которые позволяют снизить расход металла без потери несущей способности.
Литература:
1. Генералов В. П. Особенности проектирования высотных зданий: учеб. Пособие. Самара.: СамГАСУ, 2009. 296 с.
2. Современное высотное строительство. Монография. М.: ГУП «ИТЦ Москомархитектуры», 2007. 440 с.
3. Великие шедевры архитектуры. 100 зданий, которые восхитили мир. Всемирный торговый центр Нью-Йорк URL: https://culture.wikireading.ru/53886 (дата обращения: 03.12.2019).
4. Маклакова Т. Г., Сенин Н. И. Архитектурно-конструктивные и градостроительные проблемы проектирования высотных зданий: научно-образовательный материал. М.: МГСУ, 2009. — 28 с.
5. Бурдж-Халифа. На рекордной высоте высоких технологий. URL: http://zvt.abok.ru/articles/183/Burdzh_Halifa_Na_rekordnoi_visote_visokih_tehnologii (дата обращения: 12.12.2019).
6. Шанхайская башня. URL: http://monolitpro.info/shedevry-monolita/shanhajskaya-bashnya (дата обращения: 18.12.2019).
