Стремление построить самое высокое здание в мире наблюдалось на протяжении всей истории архитектуры. Тысячи рабочих трудились на пирамидах древнего Египта , соборах Европы и постройке других бесчисленных башен, выполняя замыслы архитекторов, мечтающих создать нечто, внушающее благоговейный трепет.
Люди строят небоскребы , в первую очередь, потому, что они удобны — можно создать большую полезную площадь на относительно малом участке. Но и желание удовлетворить собственное величие тоже играет значительную роль в сфере строительства, как это было в более ранних цивилизациях.
Вплоть до сравнительно недавнего времени, строить высотные здания было невозможно. Конструкции теряли устойчивость после достижения определенной высоты. В конце 1800-х годов новые технологии преодолели эти ограничения. Стало возможным жить и работать в колоссальной башне, в сотнях метров над землей.
Главным препятствием для стремления здания вверх – земное притяжение (гравитация ). Представьте себе, что вы несете человека на ваших плечах. Если он достаточно легок, вы можете удерживать его на себе без проблем. Но если поставить еще одного человека на плечи этому человеку (построить башню выше), то нести такой вес в одиночку будет гораздо труднее. Чтобы сделать башню, состоящую из нескольких людей в высоту, вам нужно поставить больше людей в ее основание, чтобы выдержать возросший вес.
Так работают настоящие пирамиды и другие высокие каменные сооружения. У них должно быть много материала внизу, чтобы поддерживать общий вес всех материалов, находящихся выше. С добавлением каждого нового слоя в высоту, суммарная сила на каждую точку ниже этого слоя увеличивается. Если бы пришлось продолжать наращивать основание пирамиды, то строительство могло бы затянуться на неопределенный срок. Строить высокую пирамиду становится невозможным очень скоро, поскольку ее основание занимает слишком много свободной земли.
В обычных зданиях, из кирпичей и строительного раствора , вы должны создавать утолщение в нижней части стены для строительства новых верхних этажей. После достижения определенной высоты, это очень непрактично. Если на нижних этажах почти нет места, то какой смысл в создании высотного здания?
Используя вышеописанную технологию, люди не могли построить дома более 10 этажей — это просто не представлялось возможным. Но к началу 20-го века инженеры смогли преодолеть это «высотное ограничение». Социальными обстоятельствами, которые привели к небоскребам, были растущие американские города, особенно, Чикаго. Все промышленники хотели, чтобы их офисы располагались недалеко от центра города, но там не хватало места. В этих городах у архитекторов возникла необходимость для расширения мегаполиса вверх, а не вширь.
Основными технологическими усовершенствованиями, которые дали возможность массового строительства небоскребов – были железо и сталь . Новые производственные процессы позволили получить длинные балки из литого железа. По сути, это дало архитекторам целый ряд новых строительных элементов для работы. Узкие, сравнительно легкие, металлические балки могли выдержать гораздо больше веса, чем толстые кирпичные стены в старых зданиях, занимающие часть пространства. С появлением бессемеровского процесса, первого эффективного метода для массового производства стали, архитекторы отошли от железа. Сталь, которая легче и прочнее железа, позволила построить еще более высокие здания.
Центральной структурой поддержки небоскреба является его стальной каркас . Металлические балки заклепываются друг с другом и формируют вертикальные колонны . На уровне каждого этажа эти вертикальные колонны соединены по горизонтали балками . Во многих домах имеются также диагональные балки, для дополнительной структурной поддержки.
В этой гигантской трехмерной сетке, называемой супер структурой , весь вес в здании передается непосредственно на вертикальные колонны. Колонны концентрируют силу тяжести на сравнительно небольшой площади своего сечения. Это концентрированное усилие затем распределяется в фундаменте под колонной.
В типичном фундаменте небоскреба, каждая вертикальная колонна стоит на опоре распространения — железной пластине, которая расположена на вершине ростверка . Ростверк — это ряд горизонтальных стальных балок, выровненных бок о бок в несколько слоев. Ростверк опирается на толстую бетонную подушку, отлитую непосредственно на твердом грунте. После того, как вся конструкция собрана, она покрывается бетоном.
Эта структура расширяется под землей, точно так же, как пирамида расширяется вниз. Вес здания колоннами распределяется на более широкую поверхность фундамента. В конечном счете, весь вес здания оказывается непосредственно на жестком глинистом материале под землей. Очень тяжелые здания покоятся на огромных бетонных опорах, сваях , которые забиваются в грунт вплоть до его прочного несущего слоя .
Основное преимущество стальной скелетной структуры состоит в том, что наружные стены нужны исключительно для защиты помещений от наружного воздуха и несут только их собственный вес. Это позволяет архитекторам открыть здание настолько, насколько они пожелают, в отличие от толстых стен в традиционном строительстве. Во многих небоскребах, особенно тех, которые построены в 1950-х и 1960-х годах, внешние стены выполнены почти полностью из стекла, открывая потрясающий вид на город.
Железо и сталь открыли возможность строительства высоких зданий. Но это — только половина картины. Прежде чем высотные небоскребы смогли стать реальностью, инженеры должны были сделать их практичными.
Как только в здании получается более, чем пять или шесть этажей, лестница становится довольно неудобной технологией. Небоскребы никогда не работали бы без появления технологии лифта . С тех пор, как первый пассажирский лифт был установлен в Нью-Йоркском универмаге Haughwout в 1857 году, шахты лифта были главной частью дизайна небоскреба. В большинстве небоскребов шахты лифтов составляют центральное ядро здания.
Лифт со стеклянным полом, расположенный в радио-башне Окленда в Новой Зеландии, поднимает посетителей на высоту 328 метров 70-этажного здания каждые 15 минут. Скорость движения кабины составляет 18 км/час.
Проектирование структуры лифтов небоскреба является, своего рода, решением системы уравнений. Чем больше вы добавляете этажей к зданию, тем больше увеличивается степень «заселенности» здания. Когда у вас появляется больше людей, вы, очевидно, будете нуждаться в большем количестве лифтов, или холлы заполнятся людьми, ждущими своей очереди. Но шахты лифта занимают много комнат, таким образом, вы теряете полезную площадь на каждом лифте, который вы добавляете. Чтобы сделать больше комнат для людей, вы должны добавить больше этажей. Выбор правильного соотношения количества этажей и лифтов является одной из самых важных частей проектирования высотного здания.
Создание безопасности является также основным соображением в дизайне. Небоскребы не работали бы так хорошо без появления новых несгораемых строительных материалов в 1800-х. В наши дни небоскребы также снабжены оборудованием с современным оборудованием пожаротушения, которое тушит большинство пожаров, прежде чем они распространятся очень далеко. Это чрезвычайно важно, когда у Вас есть тысячи людей, живущих и работающих в сотнях метров выше безопасного выхода.
Архитекторы также обращают особое внимание на комфорт жителей здания. Эмпайр Стейт Билдинг, например, был разработан так, его жители всегда будут в пределах 10 метров от окна. У здания Commerzbank во Франкфурте, Германия, есть спокойные внутренние области с настоящим садом, построенные напротив офисных областей здания в поднимающейся спиральной структуре. Здание только тогда становится успешным, когда архитекторы сосредоточились не только на его структурной стабильности, но также и удовлетворении потребностей жителей и удобстве использования.
В дополнение к вертикальной силе тяжести, небоскребы также должны иметь дело с горизонтальной силой ветра . Большинство небоскребов может легко раскачиваться на несколько метров в любом направлении, как качающееся дерево, не повреждая их структурную целостность. Основная проблема с горизонтальным движением состоит в том, что оно затрагивает людей, находящихся внутри. Если здание перемещается на существенное горизонтальное расстояние, то люди сильно ощущают это воздействие.
Самый основной метод для управления горизонтальным воздействием заключается в ужесточении структуры. В точке, где горизонтальные балки примыкают к вертикальной колонне, строители сваривают их вершины и основания, а также стороны. Это делает всю стальную супер структуру значительно жестче, в сравнении с гибким скелетом.
Для более высоких небоскребов более жесткие связи уже не обеспечивают защиты от раскачивания. Чтобы воспрепятствовать этим сильным колебаниям, инженеры должны построить особенно мощные конструкции, проходящие через центр здания. В Эмпайр Стейт Билдинг, Chrysler Building и других небоскребах той эры, область вокруг центральных шахт лифтов укреплена крепкой стальной связкой, окруженной диагональными лучами. Новые здания имеют одно или несколько железобетонных ядер, встроенных в центр здания.
Создание более жестких зданий защищает их от землетрясения . В основном, все строительные конструкции небоскреба раскачиваются синхронно с горизонтальными колебаниями земли, таким образом, его стальной скелет не искривляется и не напряжен. Это помогает защитить структуру небоскреба, но может довольно сильно сказываться на людях, находящихся внутри и может также нанести большой ущерб мебели и оборудованию. Несколько компаний разрабатывают новую технологию, которая будет противодействовать горизонтальному движению здания, чтобы ослабить силу вибрации.
Некоторые здания уже используют создающие компенсацию ветру демпферы. Центр Citicorp в Нью-Йорке, например, использует настраивающийся массивный демпфер. В этой сложной системе масляные гидравлические системы выдвигают 400-тонный железобетонный груз назад и вперед на одном из верхних этажей, перемещая вес всего здания в горизонтальном направлении. Сложная компьютерная система тщательно контролирует, как ветер перемещает здание и соответственно смещает груз. Некоторые аналогичные системы перемещения веса здания основаны на движении гигантских маятников.
Небоскребы бывают всех форм и размеров. Стальной скелет из колонн и балок делает их структуру чрезвычайно гибкой. Единственный реальный предел — воображение архитекторов и инженеров, которые создают детали небоскреба.
Самые ранние небоскребы, построенные в конце 1800-х, были примитивными коробками со стенами из камня и стекла. Архитекторам, которые построили эти здания, достаточно было их чрезвычайной, по тем временам, высоты. В начале 20 века, эстетика начала изменяться. Здания стали более высокими, и архитекторы добавляли экстравагантные готические элементы, скрывая квадратную стальную структуру внутри.
Движение арт-деко 1920-х, 30-х и 40-х расширило этот подход, создавая здания, которые выглядели как истинные произведения искусства. Некоторые самые известные небоскребы, включая Эмпайр Стейт Билдинг, пришли к нам из этой эры. Утилитарность вернулась снова в 1950-х, когда начал утверждаться интернациональный стиль. Как и у самых ранних небоскребов, у этих зданий был минимальный декор. Они были сделаны, главным образом, из стекла, стали и бетона.
С 1960-х годов много архитекторов применяли небоскреб в новых и неожиданных ракурсах. Одной из самых интересных — была комбинация нескольких вертикальных скелетных секций в одном здании. Сирс-Тауэр в Чикаго, самый известный пример этого подхода, состоит из девяти башен различной высоты.
Право называться «самым высоким в мире» регулярно переходит от небоскреба к небоскребу. Это — один из самых захватывающих конкурсов в строительстве.
По общему мнению, гонка небоскребов далека от окончания. Есть более, чем 50 предложенных проектов, которые побили бы текущий рекорд. Но, на сегодня, эти более амбициозные здания, существуют пока только в теории. Действительно ли они возможны? Согласно некоторым техническим экспертам, реальное ограничение — деньги, а не технология. Супер высокие здания потребовали бы чрезвычайно прочных материалов и глубоко укрепленных оснований. Строительные команды должны были бы разработать системы транспортировки, чтобы поднимать материалы и бетон до высших уровней. Сооружение такого здания может обойтись в десятки миллиардов долларов.
Кроме того, были бы логистические проблемы с лифтами. Чтобы сделать верхние этажи в 200-этажном здании легкодоступными, Вы нуждались бы в большом количестве лифтов, которые займут большую площадь в центре здания. Одно из легких решений этой проблемы состоит в том, чтобы устроить лифты, таким образом, чтобы они проходили только через часть здания. Пассажиры, которые хотят поехать на вершину, доехали бы на одном лифте половину пути, вышли, а затем проехали бы на другом лифте остальную часть пути.
Эксперты разделились в том, как высоко мы можем действительно подняться в ближайшее будущее. Некоторые говорят, что мы могли построить здание высотой в 1609 метров с существующей технологией, в то время как другие говорят, что мы должны были бы разработать более легкие, более прочные материалы, более быстрые лифты и передовые демпферы, прежде чем эти здания стали бы реальностью. Будущие технологические достижения, очевидно, приведут к высотным городам.
Человечество просто вынуждено строить вверх в будущем, чтобы сохранить землю. Когда вы строите вверх, то можете сконцентрировать намного больше городских структур в одной небольшой площади, вместо того, чтобы распространиться в неиспользованные природные зоны. Города небоскребов также были бы очень удобны: Больше компаний и предприятий может быть сгруппировано в городе, уменьшая время на транспортные перевозки между ними.
Но главная сила, заставляющая устраивать гонку небоскребов, это человеческое тщеславие. Где монументальная высота когда-то чтила богов и королей, там она теперь прославляет корпорации и города — все хотят иметь самое большое здание на планете. Этот двигатель был основным фактором в развитии небоскреба за прошлые 120 лет и вряд ли что-то изменится в обозримом будущем.
Мне много лет не давала покоя вот эта фотография, часто встречающаяся на постерах и обложках. И сегодня все прояснилось. Конкретно вопрос внутри меня был: как эти мужчины попали на балку.Я боюсь высоты. Не то чтобы до умопомрачения, но мои редкие сюрреалистические сны связаны с этим явлением страха. При просмотре фото и чтения текста у меня натурально потели ладони от страха
Основная часть материала принадлежит rudzin
, владельцу интереснейшего дневника
"Lunchtime atop a Skyscraper" (Обед на вершине небоскреба) - фотография из серии "Construction Workers Lunching on a Crossbeam - 1932" фотографа Charles C. Ebbets
Такое чудо как небоскреб, не стало бы возможным без изобретения стального каркаса. Сборка стального каркаса здания - самая опасная и сложная часть строительства. Именно качество и скорость сборки каркаса определяет, будет ли проект реализован в срок и в рамках бюджета.
Вот поэтому клепальщики - cамая важная профессия при строительстве небоскреба.
Клепальщики - это каста со своими законами: зарплата клепальщика за рабочий день 15$, больше любого квалифицированного рабочего на стройке; они не выходят на работу в дождь, ветер или туман, они не числятся в штате подрядчика. Они не одиночки, они работают бригадами из четырех человек, и стоит одному из бригады не выйти на работу, не выходит никто. Почему же в разгар Великой депрессии на это смотрят сквозь пальцы все, от инвестора до прораба?
На помосте из досок, или просто на стальных балках стоит угольная печь. В печи заклепки - 10сантиметровые в длину и 3 сантиметровые в диаметре стальные цилиндры. "Повар" "варит" заклепки - небольшими мехами гонит в печь воздух, чтобы разогреть их до нужной температуры. Заклепка прогрелась (не слишком сильно - провернется в отверстии и придется ее высверливать; и не слишком слабо - не расклепается), теперь нужно передать заклепку туда, где она будет скреплять балки. Какая балка когда будет крепиться известно лишь предварительно, да и передвигать горячую печь в течение рабочего дня нельзя. Поэтому часто место крепления находится от "повара" метрах в 30ти (тридцати), иногда выше, иногда ниже на 2-3 этажа.
Передать заклепку можно единственным способом - бросить.
"Повар" поворачивается к "вратарю" и молча, убедившись, что вратарь готов к приему, щипцами бросает раскаленную докрасна 600граммовую болванку в его сторону. Иногда на траектории уже сваренные балки, кинуть нужно один раз, точно и сильно.
"Вратарь" стоит на узком помосте или просто на голой балке рядом с местом клепки. Его цель - поймать летящую железку обычной жестяной консервной банкой. Он не может двинуться с места, чтобы не упасть. Но поймать заклепку он обязан, иначе она маленькой бомбой рухнет на город.
"Стрелок" и "упор" ждут. "Вратарь", поймав заклепку, загоняет ее в отверстие. "Упор" с внешней стороны здания, вися над пропастью, стальным стержнем и собственным весом удерживает шляпку заклепки. "Стрелок" 15-килограммовым пневматическим молотом в течение минуты расклепывает ее с другой стороны.
Лучшая бригада проделывает это фокус свыше 500 раз за день, средняя - около 250ти.
На фотографиях - лучшая в 1930м бригада, слева направо: "повар", "вратарь", "упор", и стрелок".
Опасность этой работы можно проиллюстрировать следующим фактом: каменщики на стройке страхуются по ставке 6% от зарплаты, плотники - 4%. Ставка клепальщика - 25-30%%.
На здании Крайслера погиб один человек.
На Wall-Street-40 погибло четверо.
На Empire State - пятеро.
Каркас небоскреба состоит из сотен стальных профилей длиной несколько метров и массой в несколько тонн, так называемых beams. Хранить их при строительстве небоскреба негде - никто не позволит организовать склад в центре города, в условиях плотной застройки, на муниципальной земле. Более того, все элементы конструкции разные, каждый может быть использован в одном единственном месте, поэтому попытка организации даже временного склада, например, на одном из последних построенных этажей может привести к большой путанице и срыве сроков строительства.
Именно поэтому, когда я писал, что работа клепальщиков самая важная и самая сложная, я не упоминал, что она к тому же самая опасная и тяжелая. Работа тяжелее и опасней, чем у них - работа крановой бригады.
Заказ на бимсы был согласован с металлургами еще несколько недель назад, грузовики подвозят их к месту строительства минута в минуту, независимо от погоды их необходимо разгрузить немедленно.
Деррик-кран - стрела на шарнире, находится на последнем построенном этаже, монтажники - этажом выше. Оператор лебедки может находиться на любом этаже уже построенного здания, ведь никто не собирается останавливать подъем и отвлекать другие краны для поднятия тяжелого механизма на несколько этажей повыше для удобства монтажников. Поэтому поднимая многотонный швеллер, оператор не видит ни саму балку, ни машину, которая ее привезла, ни своих товарищей.
Единственный ориентир для управления - удар колокола, подаваемый подмастерьем по сигналу бригадира, находящегося вместе со всей бригадой десятками этажей выше. Удар - включает мотор лебедки, удар - выключает. Рядом работают несколько бригад клепальщиков со своими молотами (вы слышали когда-нибудь шум отбойного молотка?), другие крановщики поднимают по командам своих колоколов другие швеллеры. Ошибиться и не услышать удар нельзя - швеллер или протаранит стрелу крана, или сбросит с установленной вертикальной балки монтажников, готовящихся его закрепить.
Бригадир, управляя дерриком через двух операторов, одного из которых он не видит, добивается совпадения отверстий под клепку на установленных вертикальных балках с отверстиями на поднимаемом швеллере с точностью до 2-3 миллиметров. Только после этого пара монтажников может закрепить раскачивающийся, часто мокрый швеллер огромными болтами и гайками.
В Нью-Йорке на 6-ой авеню есть памятникам этим ребятам, установлен в 2001 г. Моделью стала самая известная фот-ка, она в здесь в превью первая. Так вот, сделали памятник сначала точно так на фото, т.е. 11 чуваков сидят на балке. А потом самого крайнего справа убрали под корень. И только из-за того, что у него в руках бутылка виски!!!Я понимаю если б это сделали у нас во времена Горбачева, но у них в 2001!! Видимо не хотели разрушать легенду про бравых парней. Теперь это 10 вполне приличных ребят сидящих на стальной балке. Нормально. Но как-то обидно.
Имена всех этих героев известны, благодаря родственникам, прочитать можно
Когда рассказывают об очередном рекордно высоком сооружении, обычно говорят о том, что вздымается над землей. Конечно же, о высоте, количестве этажей и лифтов, смотровых площадках, с которых видно полмира, и о том, например, как доставить воду на сто-какой-нибудь этаж, чтобы водопровод при этом не разорвало от огромного давления в трубах. Меньше говорят о подземной части, хотя вопрос о том, как гигантские, почти километровые «иглы», вроде построенной Burj Khalifa или строящейся Kingdom Tower, держатся в грунте, весьма интересен. Почему они не падают? Почему не проваливаются в грунт и как выдерживают колоссальные ветровые нагрузки?
Чтобы разобраться в технологии сооружения оснований для небоскребов, «ПМ» обратилась в московский институт «Горпроект», занимающийся, в частности, проектированием высотных зданий. Нашим консультантом любезно согласилась выступить руководитель конструкторского отдела ЗАO «Горпроект», кандидат технических наук Елена Зайцева.
Самый высокий в мире небоскреб Burj Khalifa являет собой пример возведения сверхвысокого здания на сильнодеформируемом основании. Для придания зданию устойчивости были использованы 192 сваи по 1,5 м в поперечнике.
«Основным при проектировании фундамента высотного здания является, безусловно, высокая нагрузка, передаваемая сооружением на основание, — говорит Елена Зайцева. — Необходимо различать понятия «фундамент» и «основание здания». Под фундаментом понимают часть здания (нижние конструкции — плита, свайный ростверк, сваи и т. д.), которая передает нагрузку от сооружения на грунт. И, соответственно, под основанием понимают массив грунта, в котором возникают дополнительные напряжения и осадки в результате воздействия на него здания через его фундамент. Задача состоит в том, чтобы правильно спроектировать и основание, и фундамент. Основная сложность возникает в связи с тем, что высота здания большая, а площадь передачи нагрузки на основание по отношению к высоте сооружения мала. Это приводит к высоким напряжениям как в самой конструкции фундамента (большие изгибающие моменты и значительная продавливающая нагрузка от стен и колонн), так и в основании (фундамент-грунт)».
Таким образом, от характеристик грунта напрямую зависит конструкция фундамента. Известно, что в самом знаменитом парке небоскребов — на острове Манхэттен — скальный грунт находится у поверхности, что значительно облегчает работу проектировщиков. Достаточно расчистить ровную площадку — и на нее можно поставить фундамент в виде толстой плиты из армированного бетона. Однако в наши дни чемпионат по сверхвысотному строительству происходит в другом уголке мира — на Аравийском полуострове. Именно там стоит самый высокий небоскреб Burj Khalifa (828 м, ОАЭ) и готовится возведение другого монстра высотой в 1007 м — Kingdom Tower (Саудовская Аравия). Последний хотели сделать высотой в милю (1609 м), но геологи сказали решительное «нет» — грунт не выдержит. Аравия — пустынная земля, сформированная донными отложениями древнего океана, то есть состоящая преимущественно из песчаных пород. Только на глубине встречаются относительно твердые породы типа известкового скалистого грунта. Этот фактор приходилось учитывать чикагскому архитектору Эдриану Смиту, главному творцу аравийских чудес, и другим авторам проектов небоскребов на песке.
Фундамент Burj Khalifa был разработан как свайно-плитный. Плита толщиной 3,7 м являет собой нечто вроде цветка с тремя лепестками, что отражает общую конструкцию здания, состоящую из центрального шестигранного ядра и трех крыльев, выполняющих роль контрфорсов (вертикальных подпирающих конструкций). Это придает зданию большую жесткость на боковую нагрузку и кручение. Плиту решено было опереть на 192 сваи диаметром 1,5 и длиной 43 м. Сваи под небоскребы в большинстве случаев являются буронабивными, то есть изготавливаются путем бурения скважин нужных диаметра и глубины и последующего их заполнения элементами арматуры и бетонным раствором.
Схема показывает распределение нагрузки на плиту фундамента. Желтым и коричневым выделены зоны наибольших вертикальных нагрузок. Они приходятся на крылья, выполняющие роль контрфорсов.
Иногда сваи пронизывают слои мягкого грунта и достигают на определенной глубине твердой скальной породы, давая твердую опору фундаменту. Но в Аравии даже на глубине 50 м породы мягкие, с низкой степенью цементации. Сваи, подпирающие плиту фундамента, являются по сути «висячими», то есть нагрузка от здания передается верхним слоям грунта через плиту и нижним — в основном через трение поверхностей сваи и грунта. Интересную инженерную проблему пришлось решать при строительстве куала-лумпурских башен-близнецов — Petronas Towers. Под местом их будущего фундамента присутствовал твердый скальный грунт, но в виде довольно крутого склона. Была возможность выбрать вариант со сваями, опирающимися на скалу, но тогда одни из них были бы совсем короткими, а другие — намного более длинными. Проектировщики опасались, что под весом зданий более длинные сваи со временем сожмутся и их длина существенно сократится, в результате чего возникнет крен. В конце концов было решено перенести строительство туда, где скальный грунт не подходил близко к поверхности, и поставить небоскребы на «висячих сваях».
Бетон отлично работает на сжатие, но не так хорошо — на растяжение и изгиб. «При возведении фундаментов используют железобетон, включающий в себя стальную арматуру и тяжелый бетон, — объясняет Елена Зайцева. — Плиты армируются горизонтальными сетками, воспринимающими изгиб, а нагрузки на сжатие принимает на себя бетон. Диаметр стальной арматуры в плитах достигает 40 мм, но в сваях могут использовать специальную арматуру и большего диаметра». Таким образом, сверхвысокое здание передает вертикальную нагрузку и изгибающие моменты основанию через плитный или плитно-свайный фундамент. Но как происходит крепление самого здания к фундаменту?
Одной из особенностей проектирования высотных зданий в Москве можно назвать отсутствие прочных скальных грунтов и местами довольно высокий уровень грунтовых вод. Грунтовая толща в Москве представлена переслаивающимися слоями песчаных и глинистых грунтов различной консистенции. В принципе, это довольно хорошее основание для обычных зданий, однако учитывая, что давление под подошвой фундамента высотного здания находится в среднем в диапазоне 7−11 кг/см 2 этого становится недостаточно. Правда в Москве практически повсеместно на доступной (для зданий с большой подземной частью) и при наличии свайного основания залегает слой известняков. На него и стараются опереть фундаменты небоскребов. Однако известняк это материал, во‑первых, существенно менее прочный, чем, например, тот же гранит и, во‑вторых, они склонны к разрушению под воздействием кислот. Учитывая, что продукты жизнедеятельности человека медленно, но верно загрязняют горизонты подземных вод, необходимо иметь это в виду в долговременной перспективе существования небоскреба. Зато нам повезло с отсутствием ураганов и землетрясений, которые имели бы частый и катастрофичный характер. Вопросы защиты котлована от подтопления грунтовыми водами в период строительства решаются либо глубинным водопонижением с помощью иглофильтрационных установок, качающих воду с глубин ниже дна котлована, либо созданием водонепроницаемой «стены в грунте», нижний конец которой опускают в глинистый грунт, являющийся водоупором (т.е. непропускающий воду). Защиту подземной части здания от воды выполняют либо с помощью разных систем гидроизоляции, либо применяя, так называемую, «белую ванну». Это специальный бетон с пониженной водопроницаемостью, а в местах устройства деформационных и технологических швов устанавливаются эластичные шпонки, которые препятствуют просачиванию воды по швам. Безусловно, эти работы требуют хорошей квалификации строителей, т.к. ошибки допущенные при устройстве подземной части здания исправить очень трудно и очень дорого.
«В настоящее время, если речь идет о высотных зданиях, соединение непосредственно конструкций здания с плитой или ростверком (балкой, распределяющей нагрузку на сваи) выполняется по жесткой схеме, — говорит Елена Зайцева. — Из плиты делаются выпуски арматуры в местах опоры на нее вертикальных конструкций таким образом, чтобы они совпадали с арматурой этих конструкций. Впоследствии при бетонировании стен и колонн арматура плиты и конструкций соединяется, образуя непрерывную связь. Это позволяет небоскребу иметь надежный «якорь», куда будет передаваться горизонтальная нагрузка, возникающая при порывах ветра или сейсмических толчках, оказывающих сдвигающее воздействие. Что же касается соединения свай с ростверком, то здесь возможно шарнирное соединение, когда арматура сваи не заводится в плиту ростверка, или жесткое — когда не только арматура, но и часть головы сваи заводится в плиту. В первом случае от здания передаются только вертикальные нагрузки на сваи, во втором — также и изгибающий момент».
Если подойти к стройплощадке, на которой только приступают к возведению небоскреба, мы не увидим ни свай, ни плиты. Скорее всего, перед нами будет зиять огромная яма: в любом, даже самом высоком небоскребе проектируются подземные этажи, а потому строительство начинается с рытья котлована. Чтобы котлован, откосы которого могут составлять 5−10 и более метров, не обвалился, возводятся ограждающие конструкции из шпунтовых свай (обычно они делаются из металла) или в виде «стены в грунте». И лишь в дне котлована будут буриться скважины под буронабивные сваи, а потом там же будет отлита плита, которая станет главной невидимой снаружи опорой небоскреба.
Ровно 130 лет назад (1 мая 1884 года) было начато строительство самого первого небоскрёба в мире – чикагского 10-этажного здания Страховой компании Home Insurance Building. Существование этого «гиганта» закончилось в 1931 году. Но настоящая история небоскрёбов с этого только началась…
Строго говоря, история возведения домов и до первого официально признанного самого первого небоскрёба в мире знает случаи строительства многоэтажных, в том числе и узких, домов и постройку целых городов из таких зданий, как, например, Шибам в Йемене.
Или, например, итальянских башен Болонью (12 век нашей эры) —
Первый общепризнанный небоскреб (Home Insurance Building) был не очень высоким по нынешним меркам – имел всего лишь 10 этажей согласно первоначальному проекту, общая высота здания составляла 42 метра.
Через несколько лет у этого самого первого небоскрёба в мире появились еще 2 этажа, и тогда высота его была уже 54,9 м. Уильям Ле Барон Дженни, американский архитектор, при проектировании первого небоскреба реализовал новаторскую технологию строительства, заключающийся в использовании несущего каркаса. До него в качестве несущей конструкции использовались внешние стены. Архитектор сделал расчет на основании прочностных характеристик материалов, приняв во внимание удельную прочность стали, которая в 10 раз превышает удельную прочность самого качественного бетона, не говоря уже о каменной или кирпичной кладке. За счет применения металлического каркаса как несущей конструкции удалось уменьшить практически на треть общую массу сооружения. Но создатель проекта все-таки не смог решиться на полный отказ от других несущих конструкций, из-за этого самый первый небоскрёб в мире имел также гранитные колонны и несущая задняя стена.
Реализация перехода на несущий стальной каркас была осуществлена в 1891 году, когда была построена 11-этажная башня Уэйнрайта в Сент-Луисе, автором проекта которой стал Архитектор Луис Салливан. Так что это здание может по праву оспорить звание «самый первый небоскрёб в мире» у чикагского сооружения.
Ни один небоскреб не может функционировать в полной мере без такого архитектурного элемента, как лифт. В истории небоскрёбов самым первым офисным зданием, где стали использовать лифты, стало Эквитабл Лайф Билдинг, построенном в Нью-Йорке в 1870 году.
Первые лифты работали на гидравлическом приводе, что налагало ограничение относительно высоты здания – оно не могло быть выше 20 этажей. Но в 1903 году фирмой Отис была разработана новая конструкция лифта, имеющего электрический привод. В нем нашла применение идея об уравновешивании веса кабины, идущей верх, весом второй кабины, которая двигается вниз. Эти нововведения позволили снять ограничения высоты подъема. Интересным решением для снятия ограничений по высоте здания стало и применение подъема с пересадками.
Самые высокие небоскребы мира. Фото .
Как только появились самые первые небоскребы в мире, в их строительстве началась самая настоящая гонка в возведении самого высокого здания. Самыми напряженными годами в истории небоскрёбов можно считать 20-е годы прошлого века, когда в Нью-Йорке одно за другим взметнулись ввысь несколько высотных зданий, которые претендовали на звание «высочайшего здания мира».
В Нью-Йорке в 1913 году появился 57-этажный небоскреб Вулворт-билдинг, имевший высоту 241 метр и построенный в стиле неоготика, который характеризуется сочетанием новейших достижений науки и традиционной архитектуры. На протяжении 17-ти лет этот небоскреб носил звание самого высокого здания в мире самого высокого небоскреба мира (фото ниже), и до сих пор горожане испытывают к нему особую любовь.
Фото Вулворт-билдинг в 1913 году –
… и сегодня —
Темпы этой гонки заметно замедляются в начале 30-х годов. Это десятилетие можно охарактеризовать возведением двух небоскребов. Первый был простроен в 1930 году на средства Уолтера Перси Крайслера, разместившего в нем офисы своей фирмы. Оно так и называется – Крайслер-билдинг, имеет 77 этажей и высоту по крыше 282 метра, а вместе со шпилем – 320 метров.
Но его обошел Эмпайр-стейт-билдинг, торжественно открытый 1 мая 1931 года. Именно это здание стало мировым символом небоскребостроения практически на полвека.
Оно имеет 102 этажа, высота по крыше составляет 381 метр, а вместе с антенной — 443 метра. Простроенное всего лишь за 13 месяцев, строение не сдавало рекорд высоты до 1972 года.
***
История небоскрёбов в СССР.
В Советском Союзе в 1937 году приступили к постройке самого высокого в мире небоскреба, которое должно быть высотой 495 метров. Однако Великая Отечественная война не позволила закончить этот проект, и после ее окончания к проекту уже не возвращались.
Однако небоскребы в Москве были построены, ими стали знаменитые семь сталинских высоток. Среди них самое высокое здание – это МГУ, имеющее высоту 240 метров. Именно это сооружение вошло во все мировые рейтинги небоскребов. Однако не они были первыми небоскребами, возведенными в Москве.
Еще в начале века, в 1912 году, был возведен Дом дешевых квартир Нирнзее, имеющего высоту 40 метров. На заре история небоскрёбов в СССР в Москве такие сооружения именовали «тучерезами».
Но самым высоким дореволюционным гражданским сооружением было здание Телефонной станции, возведенное в Милютинском переулке в 1908 году и имеющем высоту 78 метров. Технологии, применяемые русскими инженерами, позволяли уже в те времена возводить здания в 100 и даже в 150 метров, но постройка тучерезов ограничивалась как эстетическими, так и религиозными соображениями. Поэтому до середины 50-х годов гордое звание самого высокого здания Москвы носило средневековое сооружение – колокольня Ивана Великого, доминируя над архитектурными сооружениями столицы. Высота колокольни составляет 81 метр.
***
Последняя треть XX века ознаменовалась новой гонкой в строительстве небоскребов. Сложностью определения самых высоких небоскребов мира (фотографии которых мы и рассматриваем в данной статье) стала сложность архитектурных форм. Потому эти звания постоянно оспариваются, исходя из замеров, которые проводятся как по крыше, так и с дополнительными шпилями и антеннами. У считавшейся самой высокой 110-этажной чикагской башни Сирс-Тауэр, носящей ныне имя Уиллис-Тауэр и имеющей высоту 442 метра…
…это звание перехватили в 1998 году башни Петронас, расположенные в Куала-Лумпере и имеющие следующие критерии – 88 этажей, 452 метра высоты.
***
Потом появился в 2004 году небоскреб Тайбэй 101, имеющий 509 метров высоты и насчитывающий 101 этаж. Но и тогда Уиллис-Тауэр спорил за звание самого высокого небоскреба мира (фото ниже), если принимать в расчет находящуюся на крыше здания антенну.
Споры прекратило возведение Дубайской башни Бурдж-Халифа, которая превысила все рекорды. Эта башня имеет высоту по крыше 643 метра, по шпилю 828 метров, а насчитывает 150 этажей.
Фотографии этого рекордсмена просто поражают воображение –
***
В 2013 году Китай заявил о возведении в городе Чанша 220-этажного небоскреба Скай-Сити, имеющего высоту 838 метров. При этом возведением этого здания намеревались побить и еще один рекорд, построив его в рекордно короткие сроки – 90 дней.
Правда, в эти 3 месяца не включались подготовительные работы. Однако дата начала строительства все время переносилась, и теперь торжественное открытие здания планируют в мае 2014 года.
Но и эта высота не является пределом, строители хотят взять высоту более чем в километр. Небоскребы такой высоты заложены в нескольких странах – в Бахрейне – 1022-метровый, 1400-метровый (по шпилю) в Дубае («Аль Бурдж» или «Накхил»)
— 1007-метровая башня в Саудовской Аравии («Kingdom Tower») —
Высотное здание - это всегда красиво. Высотка как правило предстает доминантой для целого района и даже города. Однако для того чтобы возвести такое здание, всякий раз приходится «изобретать велосипед», придумывать особенные и уникальные инженерные и технологические решения. В России там, где начинаются небоскребы , кончаются правила.
Недавний форум небоскребов «100+ Forum Russia» прошел в Екатеринбурге и задал тон нешуточной дискуссии: зачем нужны высотные здания, какие плюсы у высотного строительства, оправдано ли подобное строительство экономически и, наконец, не пора ли подвести под высотную стройку прочную нормативную базу.
Уральцы пригласили к себе известных международных архитекторов, занимающихся высотным строительством, творческий коллектив строящейся московской башни «Федерация» (в дни форума выросла до отметки самого высотного здания в Европе), отечественных инженеров и строителей, интересующихся данной темой.
В чем сложность такого строительства? - поделился с журналистами заместитель главы администрации Екатеринбурга Сергей Мямин.- В России на все, что в пределах 75 м, еще существуют кое-какие нормы. На здания до 100 м норм уже практически нет, и каждый объект приходится возводить по особым лекалам. А если высотка «перевалила» за 100 м - это уже уникальное инженерное сооружение, которым можно гордиться едва ли не на мировом уровне.
Высотное строительство у нас - своеобразная terra incognita, - подтверждает и куратор форума, член Совета Федерации от Свердловской области Аркадий Чернецкий. - Для каждой конкретной высотки мы должны изобретать специальные техусловия. Это странный подход.
Навряд ли кто-нибудь станет возражать, что первостепенное в высотном строительстве - это надежность. Необходимо разработать такие «высотные» нормативы, с тем чтобы можно было, не переспрашивая каждый раз Москву, двигаться в данном направлении самостоятельно, выразили убежденность участники форума.
Отдельное заявление по данному поводу высказала замминистра строительства и ЖКХ России Елена Сиэрра и поведала что в министерстве полным ходом идет работа по формированию отечественной нормативно-технической базы по высотному строительству. Помимо того, ведомство озабочено улучшением предпринимательского климата в строительстве высотных зданий : в настоящее время количество административных процедур и согласований в этой сфере прямо-таки зашкаливает.
К высотному строительству у нас в стране смотрят по-разному. Одни считают высотки панацеей в условиях огромной плотности городской застройки. Другие склоняются к малоэтажному строительству, демонстрирующему более человечные масштабы. В сообществе участников форума завязалась дискуссия и об экономической целесообразности строительства небоскребов . Новая екатеринбургская высотка Opera Tower, например, потребует инвестиций в 5 млрд рублей. Удастся ли в результате заработать хоть какую-то прибыль?
На самом деле, высотное строительство может быть достаточно выгодным, - полагает Виктор Афанасьев, директор по развитию «Атомстройкомплекса», компании, строящей Opera Tower. - Удорожание высотного здания идет в первую очередь за счет более дорогих инженерных и противопожарных систем, которые здесь монтируются. Однако наличествует еще одна особенность. В небоскребах гораздо больше лифтов и лестниц, нежели в обыкновенном доме. Соответственно, ядро непродаваемых площадей разрастается. Если коэффициент полезных площадей в малоэтажках где-то 70-80%, то в высотках он намного ниже. Вследствие этого задача архитектора - рассчитать проект таким образом, чтобы «полезное» соотношение было выше, за счет удачных планировочных решений, грамотной прокладки коммуникаций, - подытожил он. При этом Виктор Афанасьев не стал скрывать, что «Атомстройкомплекс» намерен получить на строительстве небоскреба хороший девелоперский процент - 30-40%.
Построить небоскреб крайне сложно. Высотное здание - это другой фундамент, другой каркас. К примеру, при строительстве «Башни Федерация» было было потрачено 14 000 куб.м бетона – что стало рекордом книги Гиннеса. Необходимо учитывать ветровые нагрузки. Даже форточку на высоте 130 м надо проектировать, придерживаясь особым техническим условиям. В башнях «Москва-Сити» , как правило форточками могут пользоваться лишь обитатели верхних этажей.
Отдельная тема - энергоснабжение небоскреба. Под него надо делать резервирование электричества и теплоснабжения из городской сети, кроме того, продумывать дополнительные энергетические источники. У высотного здания энергозатраты, само собой, больше. Однако современные технологии позволяют существенно снизить энергопотребление за счет энергоэффективных элементов в конструкции и инженерии здания. Во всех небоскребах Сити электроснабжение осуществляется по I категории надежности, от двух независимых источников энергопитания, а в башне «Меркурий Сити» таким же образом построена система теплоснабжения. Таким образом, арендаторы и собственники не останутся без света и тепла даже в форс-мажорной ситуации.
Есть те, кого пугают проблемы, связанные с высотным строительством. Но большинство указывают только на преимущества небоскребов. - Небоскреб - это, по существу, улица, устремленная вверх, - говорит генеральный директор компании ЗАО «Башня Федерация» Михаил Смирнов. Все мегаполисы мира имеют свой Сити, свой квартал деловой жизни. Такие деловые районы, застроенные небоскребами, вы встретите в Лондоне, Нью-Йорке, Чикаго, Шанхае. Иметь свой офис в Сити - очень престижно. Сейчас и у Москвы есть свой Сити. Флагманский небоскреб Москва-Сити достиг уже 343 м, опередив по высоте самое высотное европейское здание «Меркурий Сити Тауэр» .
По сути, это новый стандарт комфортной жизни. Жить в Сити - это значит иметь уникальное, ни на что не похожее жилье с роскошным видом на Москву. Апартаменты в Сити (алтернатива квартирам в небоскребе) предоставляют высочайший уровень комфорта. Офис в Сити - это удобно для проведения переговоров любого уровня: не нужно добираться по пробкам к определенному часу, достаточно спуститься в ресторан или кафе в том же небоскребе, и вы на месте.
Наконец, считать Сити своим местом работы - это престижно. Даже сейчас, на этапе строительства, у нас нет недостатка в клиентах. Солидные фирмы стараются занять место или на более высоких этажах, или весь этаж целиком. А бизнес поменьше стремится осесть «под крылышком» у крупных компаний: таким образом легче формировать имидж успешной фирмы, - отмечает гендиректор башни «Федерация» Михаил Смирнов.
Еще 7 лет назад в Москва-Сити было страшновато приезжать. Территория была поделена на 20 участков, на многих из которых лишь начиналось строительство. Сплошная стройплощадка, общественного транспорта не было, припарковаться негде, даже таксисты не были в курсе, как сюда подъезжать...
Теперь совсем другое дело. Москва-Сити - это 11 сданных в эксплуатацию зданий из 23 запланированных. Общая площадь всех объектов, включая инфраструктурные, - 1,9 млн кв. м. Это будет огромный транспортно-пересадочный узел, соединяющий наземный транспорт, метро, железную дорогу (МЖД), вертолетную площадку и выход к речному транспорту. Одним словом, башня «Федерация» - это очевидный успех высотного строительства.
Как известно, не все известные небоскребы сразу и безоговорочно принимались населением. А некоторые так и не удалось возвести из-за ярого противодействия жителей города. К примеру, не был реализован проект «Охта-центра» в Санкт-Петербурге, офиса ОАО «Газпром», из-за того, что «фитиль» небоскреба якобы портил исторический пейзаж Северной столицы.
Были споры и по поводу Opera Tower в Екатеринбурге. Ведь небоскреб возводится аккурат на фоне областного оперного театра, построенного в чисто классических традициях. Однако сомнения екатеринбуржцев живо развеялись, когда они увидели модель высотки в 3D. Небоскреб на удивление гармонично вписался в городскую застройку.
Испортил ли Москву деловой центр Москва-Сити, который виден практически из всех мест столицы? Думается, не только не испортил, но стал той достопримечательностью, которой столь не хватало Москве XXI века.
