Архитектурное проектирование высотных зданий и комплексов

Строительство первых высоких зданий восходит к древним временам. Здания с несущими стенами высотой до десяти этажей гроились еще в городах Римской империи. В XIX в. наблюдалось быстрое расширение городов, и увеличивающаяся плотность населения способствовала возрождению высоких зданий, исчезнувших со времен падения Римской империи.

Возведение высотных зданий способствовало развитию не только строительства, но и техники, совершенствовались методы возведения зданий, их внутренние инженерные системы и оборудование. Благодаря развитию высотных зданий появился и усовершенствовался лифт, системы противопожарной защиты, системы безопасности зданий, конструктивные расчеты, появились новые строительные материалы и т.п. Высотное строительство продолжает влиять на мировое развитие архитектуры.

Одними из главных причин возведения высотных зданий являются быстрый рост городского населения, повышение жизненного ровня, увеличение концентрации населения в крупных мегаполисах, природоохранные мероприятия – все это предопределяет необходимость роста этажности зданий.

Первые многоэтажные здания стали возводиться в Чикаго (США) в конце XIX в. Чикаго в конце XIX в. являлся крупным промышленным центром, в нем стремительно велось строительство зданий – конторских, гостиниц, страховых фирм. Возрастающая высота зданий стала логическим следствием повышенного спроса на здания и помещения в связи с быстрым ростом населения. Если в 1850 г. в Чикаго проживало около 300 тыс. человек, то уже в 1890 г. его население составляло 1,7 млн. Стремительный рост городского населения, высокая цена на земельные участки привели к необходимости возведения зданий повышенной этажности.

В 80-е гг. XIX столетия в Чикаго стали возводиться 12-14-16-этажные здания, размещаемые в одном квартале застройки. В других ородах США такие здания проектировались изолированно друг от друга. Этот прием стал одним из значительных вкладов в градостроительную практику застройки городов.

Многоэтажные здания строились преимущественно из кирпичa. Использование несущих кирпичных стен показало недостатки того материала: с повышением высоты зданий резко увеличивается толщина стен и, естественно, вес здания. Ограниченность рассмат­риваемой системы стала очевидной при строительстве в 1891 г. 16-этажного здания «Монаднок» в Чикаго, в котором толщина стен нижних этажей составляла 1,8 м (рисунок ниже). Такая толщина затрудняла освещенность помещений. Помимо этого при­меняемая перекрестно-стеновая система здания, состоящая из часто устанавливаемых стен, не позволяла организовывать большие от­крытые пространства, необходимые для торговых предприятий, рас­полагавшихся, как правило, на первых этажах.

Здание «Монаднок»

а)01 

б)02

в)03

а – общий вид; б - эркеры в здании; в – фрагмент стены

Поиски новых конструктивных систем строительства высот­ных зданий привели к применению каркасных конструкций, что явилось первым условием строительства высотных зданий. При этом при применении чугунного, а затем стального каркаса стало возможным увеличить высоту здания и устраивать большие проемы. Этому предшествовало развитие прогрессивных теорий и, в частно­сти, теоретические работы французского архитектора Виолле ле Дю­ка, провозгласившего: «Современная металлическая конструкция от­крывает совершенно новую область для развития архитектуры».

Развитие металлического каркаса продолжалось более 100 лет. Требовалось не только изучить чугун как строительный материал, но и разработать методы его изготовления. Это привело к исследо­ваниям особенностей нового материала для разработки совершен­ных форм элементов и конструктивных решений.

В XIX в. начинает применяться рамная система. Ведется стро­ительство мостов, заводов, складских помещений, выставочных за­лов. В 1801 г. в г. Манчестере (Англия) было построено семиэтаж­ное здание фабрики шерсти с чугунными колоннами и балками (арх. Д. Уатт). Впервые в этом здании были использованы балки двутав­рового сечения (рисунок ниже). Эта фабрика заложила основу дальней­шего совершенствования конструкций, которое в 90-е гг. XIX столе­тия привело к появлению стального каркаса в г. Чикаго.

Пролет здания с чугунными колоннами и двутаврами

1 - 0003

Построенный для Лондонской международной выставки 1851 г. «Кристалл палас» выявил первые характеристики автоном­ности чугунного каркаса.

Тяжелые конструкции массивных стен (основа архитектурных стандартов того времени) уступили место легким конструкциям в виде деревянно-чугунного каркаса и остекления. Членение внутреннего объема здания привело к применению больших листов стек­ла (длиной 1,25 м), а разработка метода строительства стала частью проектирования.

Здание «Лайтхауз» в г. Блэк-Харбор, построенное в 1843 г., было первым сооружением в Соединенных Штатах со сварным стальным каркасом. Десять лет спустя было построено несколько зданий с внутренним каркасом и наружными несущими стенами из кирпичной кладки. Внутренний каркас состоял из литых чугунных колонн, поддерживавших стальные балки.

Архитектор Вилльям ле Барон Дженни усовершенствовал кар­касную систему при строительстве в 1883 г. 10-этажного здания, имевшего высоту 55 м («Хоум Иншуренс билдинг» Чикаго) (рисунок ниже). Это было первое высокое здание, несущими конструкция­ми которого являлся металлический каркас, а кирпичные наружные стены – только самонесущими. Это здание стало известным благо­даря массе инноваций, таких как использование прокатных Г-образных балок, высокий уровень пожарной безопасности за счет противопожарных перегородок из каменной кладки, быстрая и безо­пасная система эвакуации. Здание было разрушено в 1931 г.

Здание «Хоум Иншуренс билдинг»

2

Второе десятиэтажное здание «Рэнд Макнелли билдинг» (Чи­каго, 1889), построенное Бэрнхэмом и Рутом, имело первый полно­стью стальной каркас. Те же архитекторы при проектировании 20-этажного здания «Масоник темпл» (Чикаго, 1895) (рисунок ниже) предусмотрели вертикальные диафрагмы, работающие на сдвиг. При такой высоте ветровые нагрузки становятся важным фактором про­ектирования. Для повышения боковой жесткости стального каркаса архитекторы ввели диагональные связи в плоскости рам наружных стен, создав вертикальную решетчатую конструкцию или стену-диафрагму.

Здание «Масоник темпл»

1

Дальнейшее совершенствование проводилось в большой степени в направлении разработки новых конструктивных схем каркасов, улучшения свойств материалов несущих конструкций и совершенствования методов возведения.

До того как с развитием металлических каркасов появились высотные здания, необходимо было решить проблему вертикально транспорта в здании. Важным изобретением явилась разработ безопасного лифта, что стало вторым важным условием развития высотного строительства. В 1853 г. Элайша Грейвс Отис представ первый механический лифт на паровом ходу, который безопасно и с комфортом обеспечивал подъем пассажиров. Первый лифт появился в 1851 г. в нью-йоркском 5-этажном здании на Пятой авеню. Эта рельсовая система вертикального подъема была усовершенствова в 1866 г. до подвесной системы, однако потенциальные возможности лифтов в высотных зданиях были впервые реализованы при строительстве в Нью-Йорке в 1870 г. здания компании «Эквитэйбл Лайф Иншуренс». Однако применяемая гидравлическая система, которая приводила в действие лифт (она использовалась во «Флеэтайрон билдинг» до 1903 г.), обеспечивала скорость до 20 см/с. В дальнейшем рельсовая схема вертикального подъема была усовершенствована и в 1866 г. была заменена подвесной системой. В 1880 г. немец Вернер фон Сименс продемонстрировал первый электрический лифт. Однако только в 1889 г. первый электричесю лифт был установлен в офисном здании в Нью-Йорке.

Усовершенствование велось и в отношении увеличения скорости подъема лифтов, что позволяло беспрепятственно увеличивать высоту зданий. В настоящее время скоростные лифты в сверхвысотных зданиях (высотой более 400 м), таких как Тайпейский финанс вый центр, «Петронас тауэр», «Джин Мао», Гонконгский финансовый центр, работают со скоростью более 7 м/с; подъем в них на высоту 50 этажей занимает всего 1 мин. В Японии есть лифты, двигающиеся со скоростью 12,5 м/с. Лифты в Финансовом центре Тайпея (архитекторы Ц.И. Ли и партнеры) имеют скорость подъем 16,7 м/с и около 10 м/с при спуске.

Третьим важным условием развития высотных зданий стал внедрение системы вентиляции, что обеспечило возможность perулировать внутренний микроклимат в помещениях здания. Эти технологические новшества создали возможность не так тщательно относиться к естественному освещению и вентиляции. Первое полностью вентилируемое здание было введено в эксплуатацию в США в 1923 г.

В 1890-х г. бетон начинает завоевывать себе место как строи­тельный материал несущих конструкций. Такие проектировщики, как Август Перре, Франсуа Хеннебик и Тони Гарниер во Франции, Роберт Мэйлларт в Швейцарии, были первыми, кто раскрыл потен­циальные возможности железобетона. А. Перре первым использовал железобетонные конструкции в качестве несущего каркаса при вы­сотном строительстве и продемонстрировал его архитектурные воз­можности на примере «Франклин аппартмент билдинг» (Париж, 1903). В это же время появилось первое высотное здание с железо­бетонным каркасом в г. Цинциннати – 16-этажное здание «Ингэлл билдинг». В течение первой половины XX столетия здания с желе­зобетонными конструкциями все же строились эпизодически.

Несмотря на непрерывное развитие строительства небоскре­бов, применение все новых конструктивных решений – колонн, рам, навесных фасадов, достижение все большей высоты зданий, теория архитектуры отставала от практики строительства. Поэтому техни­ческие новшества не повлияли на архитектурную выразительность высотных зданий, и только после разработки новых теоретических положений это направление стало развиваться, воспринимая все прогрессивные решения в области архитектуры и строительства.

На примере крупных и крупнейших городов России можно проследить последовательное увеличение этажности массовых жилых зданий. Так, в 60-70-е гг. прошлого столетия возводились 5-этажные, 80-х гг., 9-12-этажные, в 90-х – 16-17-этажные, а в новом столетии строятся 22-25-этажные, активно возводятся высотные здания. При непрерывном росте городов и превращении их в мегаполисы перед архитекторами стоят проблемы расселения городских агломераций, контроля за расширением границ городов, преобразования пригородов, самое главное – эффективного использования территорий, создали сети разных ступеней обслуживания, т.е. развития инфраструктуры, также повышение уровня архитектурно-художественных качеств жилой среды. С возведением небоскребов изменяются очертания городской застройки (так называемый скайлайн), высотное очертание города, появляются новые силуэтные точки, преобразовывается организация жизненного пространства как внутри самих зданий, так и районов их застройки. Высотные здания возводятся во многих странах и являются показателем экономического прогресса, мощи государств и престижа ведущих компаний и фирм. При этом строительство высотных зданий является импульсом для разработки комбинированных конструкций, развития новых технологий производства и строительства, создания более мощных монтажных механизмов, применения новых высококачественных материалов. Были разработаны новые методики расчета металлических каркасов, весивших тысячи тонн. Металлургия освоила прокат стальных колонн и балок каркасов. Применение в качестве ядер жесткости монолитного железобетона стимулировало развитие новых видов заполнителей и технологий.

Небоскребы являются чрезвычайно сложными архитектурными, инженерными и функциональными организмами. Для обеспечения водоснабжения и канализации по высоте устраивается ряд технических этажей. Кабины лифтов, число которых в ряде высотных зданий достигло 100, стали более вместимыми (до 50 и более человек). Для рациональной организации работы лифтов на определенных этажах появились пересадочные холлы. Были изобретены мощные «растущие» краны, которые «вырастают» вверх по мере возведения здания, усовершенствовано санитарно-техническое и другое инженерное оборудование. Для фасадов изобретены прочные цветные облицовочные стекла и многие другие строительные материалы.

В ходе анализа зарубежных норм выяснилось, что в мировой практике отсутствует четкое понятие определения высоты здания. В отечественных нормативных документах высотным считается общественное здание выше 55 м, жилое – выше 75 м. При этом высота оп­ределяется разностью отметок поверхности проезда для пожарных машин и нижней границы открывающегося проема окна верхнего этажа здания. Уникальными, в соответствии с Градостроительным кодексом Российской Федерации, являются здание выше 100 м, большепролетные сооружения и здания, имеющие пролеты более 100 м и консоли более 20 м, глубина подземного этажа которых ни­же – 15 м. В Германии, опираясь на некоторые критерии пожарной безопасности и эффективной эвакуации, высотными являются здания, в которых пол хотя бы одного занятого помещения расположен на высо­те более 22 м (7 этажей) от уровня земли. В своих сравнительных исследованиях такие международные базы данных, как skyscrapers.com, приняли за эталон здания высотой в 35 м или 12 этажей.

Одной из ведущих организаций, определяющей высотность зданий в мировой практике, является Совет по высотным зданиям и городской среде (Council on Tall Buildings and Urban Habitat), кото­рый предлагает четыре критерия измерения высоты здания (во всех случаях измерения производятся от уровня тротуара перед главным входом в здание):

  • конструктивная высота здания – высота от уровня тротуара до наивысшей точки конструктивных элементов здания (включая шпили и исключая телевизионные и радиоантенны и флагштоки);
  • до наивысшего доступного этажа – высота здания до уровня пола наиболее высокого доступного этажа;
  • до наивысшей точки крыши – высота здания до самой высо­кой точки крыши;
  • до кончика антенны/шпиля – высота здания до самой высо­кой точки антенны, шпиля и т.п.

Таким образом, не только в России, но и в мире нет единого понимания, как определять высоту здания. В нашей стране высота здания определяется от уровня проезжей части до низа проема, рас­положенного на последнем эксплуатируемом этаже.

Между тем важно не только четкое определение высоты зда­ния, но и его архитектурно-художественное решение, которое не может не зависеть от его функционального назначения. Построение объема, композиция фасадов, художественное решение деталей должны раскрывать назначение здания, создавая соответствующее эмоциональное настроение человека, привлекая к нему посетителей или делая, наоборот, закрытым. С этих позиций принятое архитектором архитектурно-художественное решение здания должно оцениваться градостроительным советом, поскольку определение типа здания и соответствующего ему архитектурно-планировочного и архитектурно-художественного решений влияет на экономическую эффективность проекта как при строительстве, так и эксплуатации его потребительские качества.

Архитектурная типология высотных зданий, номенклатура типов и соответствующие им архитектурные решения требуют глубокого изучения.

Понятие «типология» обозначает метод научного познания, в основе которого расчленение систем объектов и их группировка с помощью обобщенной, идеализированной модели или типа. Используется в целях сравнительного изучения существенных признаков связей, функций, отношений, уровней организации объектов, как сосуществующих, так и разделенных во времени.

Архитектурная типология высотных зданий и комплексов изучает социально-экономические, функциональные, архитектурно планировочные, объемно-пространственные, инженерно-технические условия, а также требования безопасности жизнедеятельности. Систематизирует и разрабатывает основные принципы формирования высотных зданий и комплексов с учетом их специфических характеристик. Выявляет влияние социально-экономических, природно климатических, архитектурно-художественных, градостроительных и других факторов на формирование архитектуры высотных зданий. Помимо этого типология определяет классификацию и номенклатуру типов и видов зданий и комплексов, устанавливает основные параметры и требования норм проектирования, состава, размеров, характера функциональных связей помещений и зон, их габариты и площади. Деление зданий на типы является основой для исследования и создания нормативной базы по их проектированию.

Решая непростые объемно-планировочные решения высотных зданий со специфической архитектурно-конструктивной структурой следует помнить и о сложных технологических решениях. Совер­шенно очевидно, что к системам, применяемым в высотном строительстве, предъявляются гораздо более высокие по сравнению с обычными многоэтажными зданиями требования пространственной прочности и надежности, долговечности и эксплуатационной безо­пасности.