Проектирование высотных зданий – специфика

проектирование высотных зданий

По степени сложности проектирование высотных зданий, а также возведение их превосходят мосты и тоннели, главным образом за счет многократного преобладания высоты над площадью основания, что создает значительные нагрузки на несущие конструкции.

Огромная высота небоскреба приводит к значительно превосходящей типичную для среднеэтажной застройки степени воздействия природных факторов, таких как солнечная радиация и ветровая нагрузка, зачастую превышающая суммарный вес сооружения. Влияние оказывают и общая геологическая ситуация (качество подстилающих грунтов, сейсмическая опасность региона, наличие карстовых разломов), и ряд техногенных факторов (вибрации, шумы, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения). Проектирование высотных зданий – это решение комплекса градостроительных, природно-климатических, геологических, архитектурно-планировочных, конструктивных задач.

Должны быть решены и инженерные вопросы (вентиляция, отопление, водоснабжение, канализация, электрика и системы их управления), вопросы комплексной безопасности проживания, управления и мониторинга конструкций, а также меры, направленные на снижение негативного психологического воздействия на человека.

Каждая высотка сложна и уникальна, и ее сложность возрастает пропорционально ее высоте. В работе над ней принимают участие специалисты из разных областей. Например, в проектировании высотного здания Commerzbank принимали участие свыше 400 исследовательских групп. Основная ответственность ложится на архитекторов, координирующих работу. Поэтому во всем мире при архитектурных школах создаются специальные факультеты, готовящие специалистов по небоскребам. Существуют и проектные организации, специализирующиеся на высотных зданиях, – архитектурные Skidmore, Owings and Merrill, De Stefano and Partners, Foster and Partners, конструкторские Ove Arup and Partners, Thornton Tomasetti Groupe, Cantor Seinuk Group, инженерные RSE Engineering, Flack & Kurtz Consulting Engineers, строительная Turner Construction.

ГЕОЛОГИЯ И ГРУНТЫ

Решение о строительстве высотного здания во многом зависит от качества грунта на участке и его несущей способности. Основной фактор риска в строительстве высоток – оценка несущей способности грунта. При ее анализе и расчете фундаментных плит необходимо учитывать специфику этого типа зданий. Один и тот же грунт в зависимости от неоднородности строения, от технологии возведения может иметь значения «модуля деформации», в 2–5 раз различающиеся между собой. Расчет подземной части высотки выполняется по двум предельным состояниям: по несущей способности и по деформациям (осадкам, кренам, прогибам и т.д.) с учетом принятой технологии возведения. Проектирование фундаментов учитывает особенности грунтов, результаты лабораторных и полевых испытаний, а также обследований окружающей застройки, ее оснований и фундаментов.

По современным способам расчетов основания армирования фундаментной плиты определяется достаточно приблизительно.

 Высотное здание гостиницы Burj al Arab, Дубаи, построенное прямо в море.

В процессе строительства и эксплуатации продолжают измеряться значения контактных напряжений характерных точек, опорных сил, осадки. Если данные не соответствуют рас- четным, то проводится упрочнение грунта. По прогнозам экспертов, развитие геотехнических модельных вычислений, опыт применения эффективных строительных технологий со временем сведут к минимуму риски, связанные с непредсказуемостью поведения грунтов.

АЭРОДИНАМИКА

Можно сказать, что для высотных зданий влияние климата, ветра, изменение атмосферного давления являются экстремальными. До перехода на каркасную систему этой проблемы просто не существовало. Первые кирпичные высотки не были подвержены ветровому воздействию, в отличие от современных сооружений с большими пролетами несущих конструкций, навесными фасадами и предельной высотой.

Изучение воздействия ветра возможно с помощью физического или математического моделирования. Первое осуществляется при испытании в специальных аэродинамических трубах моделей в масштабе от 1:150 до 1:500. Это позволяет определять градостроительно-планировочные недостатки, чрезмерные нагрузки на конструкции, возможные места возникновения вибраций и шумов. Полученные результаты переносятся на реальный объект с корректирующими коэффициентами точности. При математическом моделировании учитываются скорость, направление и характер ветра, а также рельеф местности, плотность окружающей застройки, наличие поблизости леса и объемно-пространственная структура самого здания. Чем больше объектов находится рядом, тем больше высота, на которой достигается максимальная ветровая нагрузка. В области пограничного слоя воздуха скорость ветра может увеличиться в четыре раза. Под пограничным слоем понимается приземной слой атмосферы (в центре городов ~ 460 м), в котором поверхность земли оказывает тормозящее воздействие на движущую массу воздуха, выше его скорость ветра постоянна.
Нагрузки, вызванные воздушными потоками повышенной скорости вокруг здания (турбулентные, круговые восходящие, всасывающие), создают колебания, сравнимые с 4- и даже 5-балльным землетрясением.

Кроме этого возникают неприятные звуки от перекоса конструкций, от проникания таких потоков в оконные щели, а также «завывание» вокруг здания. Наибольшее давление ветра наблюдается в центре вертикальной поверхности с наветренной стороны, где движение ветра практически прекращается. Давление постепенно уменьшается по мере возрастания скорости потока в направлении верха здания. Примерно с середины высоты 40% потоков воздуха начинает движение вниз вдоль фасада. Это может создавать ветровые нагрузки на уровне входа в здание даже большие, чем на высоте 100 м.

Существуют надежные методики учета аэродинамики, следуя которым проектировщик может добиться снижения ветровых нагрузок. Они должны применяться с самого начала проектирования высотных зданий, с постановки сооружения на участке в соответствии с розой ветров, с выбора объемно-пространственного решения.

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЪЕМНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РЕШЕНИЯ

Наиболее рациональные формы высоток можно расположить в определенной последовательности, по степени уменьшения воздействия воздушных потоков на их конструкции. Абсолютным лидером является круглый план. Отсутствие выступов позволяет воздуху обтекать объем, не создавая при этом завихрений, появляющихся на углах прямоугольных в плане построек.

Примерами могут служить Marina City в Чикаго или Torre Agbar в Барселоне. Второе место принадлежит планам в форме, производной от круглой, – овальной, в форме линзы или капли. С середины ХХ века все больше высоток имеют подобные планы, что связано с увеличением их высоты, при которой оптимальный объем с точки зрения аэродинамики – не художественный прием, а необходимость. Переходная форма треугольника со скругленными углами чрезвычайно популярна благодаря своей пространственной жесткости. Прекрасный примердля подражания – Commerzbank во Франкфурте.

На третьем месте – столь же распространенные, как и сто лет назад, квадратные или ромбовидные планы. Это решение наиболее популярно для зданий не выше 60 этажей, поскольку они более подвержены горизонтальным нагрузкам. На четвертом месте – высотки, спаренные конструктивно или композиционно. Они, как правило, имеют круглую форму, как, например, Petronas Towers (Башни Петронас) в Куала-Лумпуре. Объединяющий их мост на 42-м этаже является фермой с подпорками, которая работает как стабилизатор колебательных деформаций обеих башен.
При помощи Г- и Н-образного плана можно добиться увеличения показателей прочности и жесткости сооружения. Однако в подобном типе зданий, которые в нашей классификации находятся на пятом месте, приходится размещать несколько лестнично-лифтовых узлов, что снижает выход полезной площади.

Замыкают ряд протяженные здания в виде пластины, дуги или волны. В последнее время, преимущественно в Китае, подобные сооружения делаются жилыми, их высота составляет 40–60 этажей. При этом архитекторам приходится искать альтернативные пути борьбы с воздушными потоками, вызванными огромной парусностью домов.

Стереотипные представления о небоскребах как о прямоугольных башнях, балансирующих на маленьком пятачке, зажатом среди соседних городских кварталов, на сегодня устарели. С тех пор, как высотки перестали быть только офисными зданиями и сделались жилыми домами, гостиницами, многофункциональными комплексами, они значительно расширили свою типологию. Их формы в зависимости от расположения и функции могут быть очень разнообразными – напоминающими парус, огурец, ворота или пагоду-переростка.

Аэродинамические нагрузки и распределение веса конструкций здания по вертикали требуют, как минимум, сохранения конфигурации по всей его высоте. С точки зрения устойчивости сужающаяся кверху форма предпочтительна. В этом случае сооружение занимает весь участок, а затем площадь этажей уменьшается. Это могут быть плавные изменения в силуэте здания по наклонной или дугообразной линии либо скачкообразные, уступчатые формы.

Проектирование высотных зданий. Внешний вид HSBC Building. Гонконг

В здании, имеющем форму пирамиды, наклон наружных плоскостей может увеличить жесткость конструкций на 10–50%. Уменьшить ветровую нагрузку можно с помощью переменного расширения и сужения горизонтального сечения здания. В этом случае для потоков воздуха создаются каналы, по которым им легче обтекать объем. Эту роль выполняют сквозные проемы, которые могут располагаться в разных частях здания. В любом случае испытания в аэродинамической трубе проектных моделей подобных сооружений должны проводиться с особой тщательностью, поскольку проемы могут оказывать усиливающее влияние на скорость ветра.

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ

Вопросы ветровой нагрузки и связанные с ними оптимальные формы высоток неотделимы от их конструктивных решений, от которых зависит и рациональное распределение площадей каждого этажа. В планировке нужно максимально экономно и компактно разместить лестнично-лифтовые узлы. Для определения количества лифтов стоит рассчитать, сколько человек будет ими пользоваться в час пик, ведь максимальное время ожидания кабины может составлять не более 28 секунд. Архитектору также предстоит расположить несущие конструкции с учетом оптимального использования площади, по возможности освободив периметр от массивных элементов.

Конфигурация сооружения, расположение его центрального ядра и соотношение размеров ядра и здания – это базовые параметры в проектировании высотных зданий. Взаимосвязь планировочных, объемных и конструктивных показателей превращает придуманную архитектором форму в работающую схему.
Надежность и безопасность высотного здания зависит от принятых решений по сложнейшей системе, состоящей из подземной (фундаментов, отвечающих за восприятие и передачу суммарных нагрузок от здания на грунтовое основание) и наземной частей.

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

Фундаменты

Высотное здание – это вертикальная консоль, жестко закрепленная в фундаменте, поэтомуего надежность гарантирует устойчивость всего сооружения. Суммарная удельная нагрузка на основание может достигать 0,8–1 МПа. Основным правилом для высотных зданий является соблюдение симметричной центрированной нагрузки на фундамент.
В высотном строительстве большое распространение получили следующие фундаменты:

  • плитный фундамент. Применяется при хорошей несущей способности грунта и является наиболее экономичным для высотного строительства. Выполняется либо сплошным, монолитным, причем его толщина может доходить до 5 м, либо монолитным железобетонным коробчатым. В Москве особенности грунтов и сложные техногенные условия не позволяют принимать удельные нагрузки на основание под плитными элементами фундамента более 0,4–0,5 МПа;
  • свайный фундамент. Применяется при низкой несущей способности грунта. Могут быть применены сваи-стойки или висячие сваи, которые в зависимости от геологии грунтов и нагрузок на основание могут составлять в диаметре 3–4 м, а в некоторых случаях даже 6 м при длине 30–40 м;
  • свайно-плитный фундамент. При таком фундаменте расположение и длина свай определяются неравномерностью восприятия нагрузок грунтом, от чего зависит плотность свайного поля и толщина плиты. Кроме того, может быть применен комбинированный фундамент под разные части здания в различных сочетаниях, например: под менее загруженную часть – ленточный, а под ядро –глубокого заложения. При этом необходимо учитывать разность осадки таких фундаментов.

НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ НАЗЕМНОЙ ЧАСТИ

Изначально применялись три основные конструктивные схемы высоток: каркасная, каркасно-ствольная и бескаркасная с параллельными несущими стенами. Со временем было разработано еще несколько типов: каркасная с диафрагмами жесткости, рамно-каркасная, бескаркасная с перекрестно-несущими стенами, ствольная, коробчатая (оболочковая), ствольно-коробчатая («труба в трубе» или «труба в ферме»).
Каркасные и рамно-каркасные системы применяют при высоте здания до 100–150 м. Схемы с перекрестно-несущими стенами, обеспечивающие большую жесткость, могут применяться в строительстве жилых домов и гостиниц до 40 этажей, поскольку им соответствует планировочная структура таких зданий. Стремление к достижению большей жесткости связано с резким увеличением массы сооружений и ограничением планировочных решений.

Для повышения жесткости конструкции и обеспечения свободной планировки применяют ствольные и каркасно-ствольные системы. Стволом, или ядром, как правило, является монолитно выполненный лестнично-лифтовый узел. Данная система обеспечивает необходимую жесткость здания до высоты в 50–60 этажей, поскольку его геометрия зависит от геометрии ядра, предельное соотношение ширины которого к высоте определяется как 1:6 (максимум 1:10). При этом ядро не должно занимать больше 20% от площади этажа.

Ограничение по высоте ствольных систем до 80–90 этажей преодолевается, если в качестве несущей оболочки выступает внешний периметр. Такие системы называются коробчатыми или оболочковыми. В них 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, но уступает раскосной в обеспечении жесткости конструкции. Диагональные связи-раскосы, образующие ствольно-коробчатые системы «труба в ферме», не позволяют применять пластические решения фасадов и требуют частого расположения несущих стоек по периметру сооружения.

Main Tower. Архитектор Петер Швегер. Проектирование высотных зданий

Система «труба в ферме» может эффективно применяться в зданиях свыше 100 этажей.
До высоты в 250–300 м возможна конструкция только с несущим стволом и опирающимися на него аутригерами-консолями (усиленными перекрытиями, способными воспринимать нагрузку от нескольких выше или ниже лежащих уровней и передающих ее на ядро), расположенными каждые 5–20 этажей. В зависимости от схемы аутригеры могут достигать высоты в несколько метров, в этом случае они располагаются в пределах технических этажей. Аутригеры должны быть затянуты в единую систему по периметру здания колоннами, работающими на растяжение, чтобы сократить колебательные ускорения наверху от ветровой нагрузки.

Каждая из схем экономически целесообразна для зданий определенной высоты или соотношения высоты и ширины. Показателем экономической эффективности является расход материала на изготовление несущих конструкций, поделенный на общую площадь. Таким образом, перед конструкторами стоит задача свести к минимуму вес сооружения при обеспечении необходимой надежности. Улучшить условия работы здания под нагрузкой и повысить его жесткость позволяет равномерное распределение вертикальных нагрузок на несущие элементы.

Если необходимость восприятия ветровых нагрузок требует повышения жесткости, сейсмические воздействия, напротив, диктуют повышение его гибкости, чтобы колебания гасились конструкцией без ее разрушения. Гибкость большинства высоток, коэффициент отношения высоты к ширине, обычно 1:8. Большие значения приводят к недопустимым колебаниям верха здания и необходимости использования демпфирующих элементов.

Эти колебания должны быть ограничены по соображениям надежности (не более 0,08 м/с2), а также для обеспечения психологического комфорта. Определить баланс между показателями гибкости и жесткости – еще одна сложность в разработке конструкций высоток. Особые требования к конструктивному решению предъявляют также проблемы безопасности, в частности защиты от прогрессирующего обрушения. Теперь в методиках расчета предусматривается моделирование поведения системы в случае выхода из работы части несущих конструкций, способных повлечь за собой падение всего здания.

МАТЕРИАЛЫ

В строительстве высоток применяют преимущественно сталь и бетон. В начале «эры небоскребов» для каркасных систем использовали металлические колонны и балки. Профильные элементы соединялись при помощи заклепок или болтов в пространственные структуры. Изобретение железобетона в конце XIX века потеснило сталь, но до середины ХХ века нельзя было утверждать, что один материал полностью вытеснил другой. И тот, и другой применялись в строительстве одновременно.

После второй мировой войны все чаще высотные здания стали строить из железобетонных конструкций, которые позволяют механизировать монтажно-строительные процессы, а также разнообразить архитектурный облик сооружений. Они обладают большей огнестойкостью, устойчивостью, обусловленной большим весом, быстрым затуханием колебаний.

Стальные конструкции необходимо защищать от воздействия огня при помощи специальных покрытий или бетона. Благодаря своим характеристикам сталь и бетон могут комбинироваться при учете разницы их свойств. Для высоконагруженных несущих конструкций (колонн, стоек, ригелей) применяют железобетон с жесткой арматурой в виде прокатных профилей, а также комбинированные сталебетонные конструкции.

Использование бетона для подобных целей стимулирует совершенствование этого материала. Разрабатываются новые смеси, обладающие специальными качествами. Созданы бетоны классов В80 и В100, по прочности приближающиеся к стали. Широко применяются более низкие классы высокопрочных бетонов В60 и В70, так как с ростом прочности бетона возрастает его стоимость, повышается хрупкость и снижается огнестойкость. Тем не менее применение высокопрочного бетона и его модификаций позволяет сократить расход арматуры до 35% и обеспечивает набор прочности за двое-трое суток не только в нормальных, но и в зимних условиях без применения электропрогрева. Бетоны высокой консистенции и самоуплотняющиеся бетоны позволяют возводить густоармированные конструкции совершенно без вибрации либо с очень небольшим виброуплотнением.

ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

Каркасная система, ставшая базовой при строительстве высоток, изменила и принципиальное решение наружных ограждающих конструкций. Толстые массивные стены уступили место легким конструкциям, либо опирающимся на межэтажные перекрытия, либо подвешивающимся к ним и выполняющим только функцию защиты от климатических, атмосферных факторов и обеспечивающим тепловую изоляцию. С развитием фасадных технологий со второй половины ХХ века появилась возможность использовать легкие профильные системы с заполнением панелями из алюминия, специального стекла, полимерных материалов. В современных высотках широко применяют вентилируемые системы, отделанные натуральным или искусственным камнем, декоративными металлическими листами, фибробетонными экранами и другими материалами.

Требования к фасадным системам, предназначенным для высотного домостроения, значительно превосходят требования к ограждающим конструкциям обычных домов, благодаря многократному возрастанию всех видов нагрузок – как динамических, так и климатических. Фасады высоток должны быть воздухо- и паронепроницаемыми, погодостойкими, огнестойкими, технологичными, шумоизоляционными, долговечными и надежными в эксплуатации, ремонтопригодными, а также обладать хорошими теплоизоляционными свойствами, низким коэффициентом температурного расширения и небольшой массой.

Фасадные конструкции должны не только выдерживать прямое давление ветра (до 20–25 м/с), но и сопротивляться усилиям на отрыв, возникающим при движении воздуха вдоль стены и появлении зон отрицательного давления из-за турбулентности. Климатическое воздействие на фасадные системы не ограничивается ветром. В зависимости от климатических условий на конструкции могут оказывать воздействие солнечная радиация, ливневые дожди, грозы и смог.
Фасадные системы постоянно совершенствуются, разрабатываются новые технологии изготовления и монтажа конструкций, материалы (керамика в комбинации с боросиликатным стеклом, панели из металлической пены, нанокомпозиты, стеклянные панели с супергидрофобным самоочищающимся слоем и т.д.).

Совершенствуются и стыковые соединения, узлы крепления и внешний дизайн. Особую роль в истории высотного строительства сыграли светопрозрачные ограждающие конструкции. Возможность сделать максимально прозрачными наружные стены придавала идее сверхвысоких зданий особое значение. Вид с высоты птичьего полета можно было получить, просто сидя в кресле за рабочим столом на 40-м этаже небоскреба.

С развитием конструктивных систем, позволяющих строить все более высокие и сложные структуры с наружными раскосными решетками, ограждающие конструкции вновь стали выполнять несущую функцию. Пространственные стальные и бетонные скелеты с диагональными распорками взяли на себя часть веса здания. При этом стеклянные фасады сохранили за собой главную роль – ограждающей и защищающей сооружение оболочки.

Светопрозрачные системы для высотных зданий проектируются с соблюдением нескольких условий. Профильные несущие элементы для увеличения прочностных качеств и долговечности, как правило, изготавливаются из стали. В светопрозрачном заполнении используются особо прочные, пожаростойкие, низкоэмиссионые и солнцезащитные стекла. Окна традиционной конструкции при использовании в высотных зданиях не обеспечивают требуемого сопротивления воздухопроницанию, поэтому разрабатываются специальные конструкции заполнения световых проемов. Во всем мире широко применяются системы double skin с внешними защитными экранами из особо прочного стекла. Они позволяют делать внутреннее остекление частично или полностью открывающимся. В обычных одинарных фасадах стеклянные конструкции делаются неоткрывающимися из соображений безопасности и из-за сильных воздушных потоков вокруг здания. В них применяют окна с воздухозаборными клапанами.

3 Комментарии

  1. Олёна

    Помню, в юности, зачитывалась у фантастов о городах будущего – здания,уходящие за облака, с садами и цветами на крышах, с вертолётными площадками…и море зелени вокруг таких городов) Стремятся люди всё выше и выше от земли и уже фантастические грёзы вокруг нас сбываются, строятся заоблачные высотки.
    И о таких материалах как сверхпрочный бетон тоже читала ещё 35 лет назад, тогда казалось всё это недостижимым. Вообще поражает такое стремительное развитие технической мысли – от теории к практике всего один шаг!!! Наверное, людям придётся развивать высотное строительство ещё больше, чтобы не расширять постоянно площади городов, ведь всё идёт к тому что останутся в итоге только большие города…

  2. Настя Падшая

    Раньше и подумать не могли, что в скором времени будут строить такие высоченные здания, которые будут для людей чем – о обыденным, повседневным. Думаю, развитие архитектуры в современном стиле позволило людям по-новому взглянуть на мир в целом. Представьте, с какой высоты мы теперь можем видеть землю. Небо к нам стало ближе. Можно просто поражаться, глядя сверху, над удивительным миром, который создал Бог.
    Главное – быть очень аккуратными. Очень часто люди выпадали с высоких этажей, и разбивались насмерть. Ну, и конечно, высотные здания становятся излюбленным местом для совершения суицидального акта.

  3. Федор

    Да,время неумолимо бежит.Когда-то считалось девятиэтажки сверхвысокими строениями.В настоящее время современные технологии в строительстве позволяют воплощать самые невероятные проекты высоток.Все зависит от професионализма инженеров,проектировщиков,программистов.Также следует обратить внимание на защиту высотных зданий от техногенных аварийных ситуаций и человеческих факторов.Несомненно будущее мегаполиса -это архитектура высотных зданий.

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

три × 3 =

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>