Технология строительства высотных зданий

Ключевые слова: строительный котлован, опалубочная система, высотное здание, технология строительства, виброгасители, энергоэффективность.

Введение

Строительство высотных зданий требует нового подхода для обеспечения характеристик, необходимых для зданий такого типа. Новый подход требует усовершенствования технологии строительства и логистических процессов. Кроме того, экология может привести новому взгляду на проектирование, процесс строительства и удовлетворение будущих пользователей высоток.

Устойчивость — еще один важный вопрос в мире высотных зданий. Во всем мире ежедневно происходят технические изменения и достижения, поэтому необходимо использовать понятие устойчивости и применимые технологии для снижения потребления энергии и выбросов CO ₂ .

В данной статье представлены структурные и архитектурные технологические решения, применяемые при строительстве высотных зданий, а также перспективы технологического развития, открывающиеся в этой области. Высотное строительство всегда опиралось на технологические инновации в машиностроении. Технологические инновации, используемые в строительстве высотных зданий, проявляются в различных аспектах: геометрическая форма, фундамент, защита строительного котлована, вертикальная и горизонтальная конструкция, материалы, системы гашения вибрации и энергоэффективность. При проектировании различных архитектурных форм важным аспектом является определение взаимосвязи между формой здания и качеством его строительства. Высотное здание, благодаря своей форме, может быть очень заметным и узнаваемым элементом городской архитектуры. Сложные формы и требования, вытекающие из высоты зданий, приводят к увеличению нагрузки на конструктивные элементы. Здание реагирует на землетрясения синусоидальными колебаниями. Для противодействия этим силам и ветровой нагрузке, в дополнение к жесткости конструкции, используются самые современные технологии виброгасителей.

Основная часть

1. Строительные котлованы — Строительство и защита

Строительный котлован — это пространство, в котором возводится фундамент, а также горизонтальные и вертикальные элементы надземных этажей здания. Пространство строительного котлована должно обеспечивать доступность для техники и рабочих, но в первую очередь оно должно обеспечивать безопасность рабочих и материальных средств, используемых в процессе строительства. Выбор строительного котлована зависит от типа возводимого здания, места строительства и особенностей грунта, наличия грунтовых вод и различных других факторов. Проектирование и строительство строительного котлована должно обеспечивать его устойчивость и водонепроницаемость, то есть предотвращать проникновение воды. Предотвращение проникновения воды является ключевым моментом при проектировании защиты строительного котлована, поскольку глубокие строительные котлованы могут быть необратимо затронуты грунтовыми водами, что ставит под угрозу устойчивость стен котлована и безопасность рабочих. Строительный котлован становится геотехническим сооружением в тех случаях, когда возникают более неблагоприятные обстоятельства, и в этом случае необходимо разработать свой собственный специальный проект. В статье мы представим и объясним несколько решений для строительства и защиты строительных котлованов, а именно: железобетонные диафрагмы, железобетонные сваи и метод «сверху вниз», струйная заливка. Постоянная защита подразумевает, что возведенная конструкция остается в земле как отдельное сооружение, но также часто как несущая часть конструкции будущего здания в виде своего рода постоянной стены. Выбор метода защиты строительного котлована зависит от геологических характеристик грунта, глубины котлована и уровня грунтовых вод. 1.1. Железобетонная диафрагма.

1.1. Железобетонная диафрагма (ограждение)

Диафрагма — это железобетонная сплошная стена, возводимая в грунте и применяемая в качестве защитного элемента в строительных котлованах, в качестве элемента строительной конструкции, в качестве конструкции для устранения оползней, в качестве разделительной конструкции между основными подземными сооружениями, в качестве противофильтрационного экрана и т. д. Строительство включает в себя выемку котлована под защитой бентонитовой опорной подвески, установку спроектированной арматурной сетки и укладку бетона по технологии бетона с предварительно уложенным заполнителем для формирования стены. Спроектированная или построенная железобетонная диафрагма должна выдерживать активную нагрузку окружающего грунта и гидростатическое давление. Горизонтальные нагрузки воспринимаются и распределяются на анкерные талрепы, закрепленные в окружающем грунте. Стены строятся из последовательных элементов длиной от 2,5 до 5 м, причем сначала возводятся четные стороны, а затем нечетные. Диафрагмы/ шламовые стены делаются как водозащитный элемент и предназначены для достижения очень большой глубины — более 30 м. В смысле строительства диафрагмы мы различаем несколько фаз, и типичная последовательность работ включает: — строительство направляющей стены — выемка грунта для формирования котлована диафрагменной стены — установка арматуры — укладка бетонного наполнителя / бетонирование — отделка верхней части стены. Строительство направляющей стены выполняется до начала земляных работ. Две параллельные стены из легкого железобетона высотой до 100 см возводятся таким образом, чтобы их верх был выровнен с поверхностью. От пространства между этими стенами зависит размер будущей диафрагмы.

Установка арматуры означает установку сборной арматурной обоймы, состоящей из горизонтальной арматурной сетки, к которой приваривается основная арматурная сетка. Основная арматура устанавливается с обеих сторон обоймы. Распорки необходимо устанавливать так, чтобы закрепить защитный слой бетона. Рекомендуемый слой примерно 10 см.

Бетонирование — укладка бетона производится с помощью водонепроницаемых труб, обычно с внутренней стороны около 250 мм. диаметром от 150 до 300 мм, с коническим бункером на верхнем конце над уровнем воды. Первоначально труба касается только дна котлована, чтобы избежать расслоения бетона. По мере укладки бетона вниз, бентонит из раствора вытесняется, так как его плотность ниже плотности бетона. Этап бетонирования должен выполняться в соответствии с техническим заданием и как непрерывный этап.

Рис. 1. Технология строительства диафрагмы

Отделка — Отделка включает удаление верхней части забетонированной диафрагмы, поскольку в верхней части диафрагмы появляется плохой слой толщиной 0,5–0,8 м, который необходимо удалить. Иногда части диафрагмы соединяются перекрывающей железобетонной балкой.

1.2. Железобетонные сваи

Выполнение нагрузок и опор предполагает сооружение армированных и неармированных свай (пилонов), которые могут пересекаться или не пересекаться, образуя защитную стену. Эта стена может дополнительно поддерживаться грунтовыми анкерами или внутренними опорами. Процесс начинается со строительства направляющей, которая задает схему для пилонов. Затем сооружаются неармированные сваи с промежутком между ними для последующего сооружения армированной сваи. Армированная колонна бурится между двумя неармированными сваями, что создает взаимосвязанную свайную стену из свай с арматурой и без нее. Секущая стена наиболее подходит для профиля грунта, где уровень воды высок или если есть дополнительные нагрузки на активные стороны. Другая система свай для поддержки стены — это смежные сваи, которые представляют собой армированную свайную стену, где сваи расположены близко друг к другу, но не перекрывают друг друга. Примыкающие сваи подходят для грунта, где уровень воды не высок или регулируется/опускается с помощью надлежащего дренажа. Обе системы дополнительно усиливаются оголовком или конструкцией головной балки, которая, как единая монолитная железобетонная балка, соединяет все сваи. Защитные и сплошные стены свай имеют как анкеры, так и опоры /брашпили, которые обеспечивают им боковую поддержку.

1.3. Геотехническая анкеровка.

Геотехнические или грунтовые анкеры — это специальный элемент геотехнических сооружений, используемый для усиления и укрепления естественного рельефа за профилем грунта или защитных сооружений, установленных для защиты строительного котлована с помощью железобетонных диафрагм или свай. Анкеры передают нагрузку от конструкции на окружающий грунт.

— часть породы или грунта, обеспечивающая надежную передачу усилия от анкера к грунту;

— значение нагрузки, которая анкер принимает на себя;

— прочность и долговечность, а также размеры выбранного анкера;

— подход/метод выполнения закрепления;

— программа предварительного напряжения анкера;

— передача и испытание выполненных анкеров.

Выполнение полного геотехнического анкера/грунтового анкера можно разделить на четыре основные операции:

— бурение;

— изготовление, транспортировка, хранение, сборка и установка анкеров;

— уплотнение цементации;

Рис. 2. Обзор порядка и способов выполнения армированных свай

1.4. Метод «сверху вниз»

Метод «сверху вниз» выемки и укрепления строительного котлована является более новым технологическим методом, используемым в особых случаях. В этом методе, вместо геотехнических анкеров, используется метод выпирания потолочных панелей. Преимуществами этого метода являются:

— Безопасность, в смысле устранения воздействия на соседние здания;

— Экономия времени, благодаря отсутствию времени, необходимого для выполнения анкеровки;

— Построенная диафрагма также используется в качестве стен по периметру подземной части здания;

— Экономия средств и времени на выполнение монолитных опорных плит на уровнях с выпиранием.

Рис. 3. Метод «сверху вниз» по шагам

Следует отметить, что этот метод требует высокой точности изготовления стальных стержней, устанавливаемых в сваи, а также точного проектирования диафрагмы и установки постоянных соединительных элементов, содержащих уплотнительные прокладки. Большим преимуществом метода является перспектива одновременного выполнения работ в подземной и надземной части здания. После завершения работ по устройству диафрагмы котлован выкапывается. Отличие этого метода заключается в том, что после рытья котлована следующим этапом является бурение под сваи и колонны и установка этих элементов. Сваи принимают на себя нагрузку до окончания монтажа панели, на которую они действуют синергетически. После завершения монтажа добавляется опалубка для бетонирования потолочного перекрытия, при необходимости с отверстием для эвакуации вынутых материалов. Сваи принимают на себя всю нагрузку до тех пор, пока не будет построена фундаментная плита, после чего элементы действуют совместно. В подфундаментной части здания оставляют отверстия для обеспечения эвакуации вынутого грунта наружу, а также для транспортировки строительных материалов внутрь. Эти проемы также служат для проветривания во время строительства. После бетонирования первой потолочной плиты работы перемещаются на один этаж вниз, что осуществляется машинами через отверстие в сооруженной плите. Под этой потолочной плитой начинается выемка грунта для следующего подземного уровня/этажа. После того, как земляные работы под потолочным перекрытием выполнены на необходимую глубину, а вынутый грунт вывезен из строительного котлована, начинается строительство следующего потолочного перекрытия. Это может быть сделано двумя способами, один из которых заключается в том, что опалубка перекрытия устанавливается на земле, а другой — в том, что опалубка потолочного перекрытия выполняется с помощью подвесок, прикрепленных к потолочному перекрытию верхнего этажа.

2. Технология и опалубка для выполнения железобетонной конструкции

Опалубка — это, как правило, временная конструкция, возведенная для целевого назначения, она используется в течение ограниченного времени. Чтобы утверждать, что опалубка имеет оптимальный дизайн и конструкцию, она должна быть способна воспринимать и удерживать нагрузку свежего бетонного раствора, вибрации и собственный вес. Под давлением нагрузки она должна оставаться неизменной в своей проектной форме, то есть без деформаций, таких как выпуклости или прогибы, поскольку строительство высотных зданий может быть очень сложным, а в некоторых случаях, когда речь идет о крученых башнях, конструкция не одинакова ни на одном из этажей.

2.1. Критерии выбора опалубки

Для того чтобы опалубочная система была рациональной и экономичной, необходимо составить проект опалубки, гарантирующий безопасное, эффективное и рациональное решение, которое гарантирует сокращение технологического цикла и быстрое возведение объекта. При выборе опалубочной системы следует учитывать гибкость и модульность системы, обеспечивающие экономию фонда рабочих часов (согласование сроков строительства), а также ее адаптивность к изменениям геометрии строительной конструкции.

2.2 Классификация опалубки

Опалубка может быть классифицирована по нескольким критериям, но основное деление обычно происходит в соответствии с типом конструкции, технологией строительства и материалом, из которого изготовлена опалубка. Опалубки бывают:

— для вертикальных конструкций;

— для горизонтальных и наклонных конструкций.

Опалубка для строительства вертикальных несущих конструкций является технологически передовым оборудованием, предъявляющим высокие требования к критериям, которым должны соответствовать как опалубка, так и несущая конструкция. Существует несколько технологических решений для опалубки, используемой при возведении вертикальных конструкций — от небольшой переносной опалубки, используемой для возведения колонн и стен, до крупной скользящей опалубки.

2.2.1.1. Технологии с большими переносными опалубочными системами

Эта технология характерна тем, что крупногабаритная переносная опалубка изготавливается на центральном заводе, а затем транспортируется на строительную площадку, где с помощью кранов монтируется на месте использования. Опалубка площадью до 50 м ² занимает большое пространство для хранения на строительной площадке и требует кранов определенной грузоподъемности из-за большого веса. Количество применений (квота повторного использования) составляет от 100 до 300 применений, в зависимости от качества обслуживания. Опалубка состоит из облицовки и несущей конструкции, которая не разбирается в процессе эксплуатации, если не требуется ремонт или регулярное обслуживание. Конструкция обычно изготавливается из металла, состоящего из решетчатых балок или «U«-образных профилей, а обшивка — из древесных плит.

2.2.1.2. Технология с небольшими переносными опалубочными системами

Эта технология характеризуется наличием сборных опалубочных щитов с несущими рамами из металла, алюминия, синтетики или стали, и облицовкой из сборных деревянных конструкций или синтетических материалов. Панели имеют стандартную высоту одного этажа и различную ширину для адаптации к плану несущих перекрытий и перегородок. Эта опалубка, благодаря своей гибкости, позволяет выполнять «опалубку» и изготавливать стены различной длины и толщины. Количество использований достигает 300 раз при условии регулярного технического обслуживания. Также запатентована сверхлегкая опалубка, изготовленная из инновационных композитных материалов на основе полимеров. Опалубка легко манипулируется и переносится, легко собирается и решает все детали соединений и профильных частей.

2.2.1.3. Переставная, скользящая и подъемная опалубка

Более эффективное и простое строительство высотных зданий стало возможным благодаря таким изобретениям, как скользящая и подъемная опалубка, бетононасосы и использование кранов большой грузоподъемности. Скользящая опалубка позволяет ускорить строительство высотных зданий и сократить технологические перерывы в строительных циклах. Этот вид опалубки позволяет «скользить» по встроенному бетону, при этом толщина бетона по всему периметру остается одинаковой, а значит — можно непрерывно работать над зданием, особенно над зданиями правильной формы, с выраженным высотным габаритом.

Под подъемной опалубкой понимается крупногабаритная опалубка для стен, которая зависит от грузоподъемности башенных кранов, поэтому их перебрасывают с одного фронта работ на другой. Этот вид опалубки применяется в виде изделий, приспособленных для перемещения с позиции на позицию с помощью кранов или гидравлических прессов. Самым большим преимуществом является ее гибкость и устойчивость на высоте, благодаря рабочим связям/клипсам.

Подъемно-переставная опалубка — это сборно-разборная опалубка, используемая для строительства стен высотных зданий, где стены должны быть выполнены в непрерывной форме по всей высоте. Опалубка монтируется и демонтируется по высоте сечения стены. Система подъемно-переставной опалубки состоит из подъемной консоли, которая крепится к нижней, уже забетонированной части стены. На консоли может быть подвешена рабочая платформа для возможного ремонта и последующей отделки стен. Перемещение подъемной консоли и других элементов опалубки, а также подвешенной рабочей платформы и лесов на вершине опалубочного элемента осуществляется с помощью крана или другого источника для подъема. Такая система позволяет выполнять работы на обеих сторонах стены одновременно. Работа обычно делится на 3 этапа: сначала выполняется участок стены определенной высоты, затем верхняя часть опалубки отделяется от стены для очистки и осмотра, и, наконец, вся система поднимается на следующий участок.

2.2.2. Опалубка для горизонтальных конструкций

Опалубочные конструкции, используемые для строительства горизонтальных железобетонных перекрытий, изготавливаются в виде заранее подготовленных модульных комплектов по размерам сетки вертикальных несущих элементов. Они могут быть изготовлены как легкими и небольших размеров, так и в виде тяжелых сборок опалубочных столов.

2.2.2.1. Опалубочная система из элементов мелкощитовой опалубки

Опалубочная конструкция собирается из элементов небольших размеров, которые устанавливаются в заранее подготовленные оболочки, расположенные согласно проектной схеме. Опалубка, как правило, регулируемая, металлическая и опирается на специально разработанные вертикальные опоры, которые позволяют быстро снять опалубку и одновременно служат опорой для готовой горизонтальной конструкции. Опалубка из небольших переносных щитов со специально разработанной системой горизонтальных оболочек из дерева или металла и металлическими опорными элементами, которые позволяют быстро снять опалубку и одновременно служат опорой для готовой потолочной конструкции.

2.2.2.2. Настольная опалубочная система

Настольная/лежачая опалубка — это крупная предварительно собранная опалубка для железобетонных перекрытий, часто заранее определенного размера, соответствующего расстоянию между несущими вертикальными конструкциями (колоннами или стенами), образующими полный пролет перекрытия. При определении габаритов опалубки необходимо учитывать маневрирование и вертикальную транспортировку, подъем на верхний этаж с помощью подъемных платформ и принимать во внимание грузоподъемность башенного крана на строительной площадке. Несущая конструкция выполняется из металла, а ее высота регулируется, чтобы облегчить эвакуацию с одного объекта и перемещение на другой. Этот тип опалубки требует, чтобы несущие стены были поперечными и с открытыми фасадами для демонтажа и эвакуации опалубки потолочной конструкции и подъема ее на следующий этаж.

Рис. 5. Настольная опалубка

В высотных виброгасителях обычно используются элементы, обладающие вязкой фрикционной (вязкостной) способностью. Устройства обычно выполняются в виде цилиндров, содержащих жидкости, с перфорированными или неплотно прилегающими поршнями, перемещающимися внутри пространства. При передаче поршню некоторого движения в бампере цилиндра возникает сила вязкого трения, пропорциональная скорости поршня. В то же время необходимо обеспечить стабильность вязкостных свойств масел или других жидкостей, используемых в гасителях колебаний. Таким образом, каждое колебание массы рассеивает часть энергии вибрации конструкции и уменьшает амплитуду и ускорение ее колебаний.

Рис. 6. Виброгасители, установленные в башнях Francis Shangi-La (Филиппины) и Taipei 101 (Тайвань)

Заключение

Учитывая все особенности высотных зданий, достижение низкого энергопотребления является сложной задачей. Высокое энергопотребление в высотных зданиях повлияло на поиск инновационных решений для повышения энергоэффективности в этой области. В данной статье представлен обзор основных технологических достижений путем предварительного обследования отдельных высотных зданий, построенных в последнее десятилетие, с акцентом на их геометрию, конструкцию и систему строения, сложные элементы и системы гашения вибрации, устойчивость к внешним воздействиям и подобные характеристики. Технология строительства высотных зданий очень требовательна и довольно специфична в некоторых технологических процедурах, а применяемый технический подход зависит от использования строительных материалов в процессе строительства. Рентабельность всего проекта сильно зависит от времени, необходимого для строительства, поэтому очень важно тщательно спроектировать и спланировать строительную площадку — особенно если объект возводится в густонаселенном и развитом районе, с затрудненным доступом к площадке, а также выбрать оптимальные технологии для различных строительных работ. Одним из преимуществ строительства высотных зданий является общая повторяемость большего количества этажей, что позволяет использовать стандартизированные и модульные элементы, устанавливаемые с использованием рутинных процедур. Больший прогресс в строительстве объектов был достигнут за счет развития и совершенствования оборудования, а также технологических процедур в методе строительства.

Литература:

1. Retaining structures. — Текст: электронный // www.geotech.hr: [сайт]. — URL: https://www.geotech.hr/en/top-down-construction-method/ (дата обращения: 17.03.2022).
2. Samuele, Infanti VISCOUS DAMPERS FOR HIGH-RISE BUILDINGS / Infanti Samuele, Robinson Jamieson, Smith Rob. — Текст: непосредственный // The 14 th World Conference on Earthquake Engineering. — Beijing, China:, 2008. — С. 2–7.
3. Secant Pile Wall Construction. — Текст: электронный // railsystem.net: [сайт]. — URL: http://railsystem.net/secant-pile-walls/ (дата обращения: 08.03.2022).
4. Types of Table Form Shuttering. — Текст: электронный // theconstructor.org: [сайт]. — URL: https://theconstructor.org/building/table-form-shuttering-types-advantages/35944/ (дата обращения: 10.03.2022).
5. Самоподъемная система опалубки. — Текст: электронный // peri.kz: [сайт]. — URL: https://www.peri.kz/products/formwork/civil-engineering-solutions/climbing-systems/acs-self-climbing-system.html (дата обращения: 13.03.2022).
6. Смородинов М. И., Федоров Б. С. Устройство фундаментов и конструкций способом «стена в грунте». — М.: Стройиздат, 1986–216 с.
7. Технология выполнения опалубочных работ. — Текст: электронный // dwgformat.ru: [сайт]. — URL: https://dwgformat.ru/2020/02/16/tehnologiya-vypolneniya-opalubochnyh-rabot/ (дата обращения: 17.03.2022).