Общие проблемы проектирования и строительства

Высотное здание как архитектурное сооружение можно рассматривать в виде системы различных составляющих: функционального назначения, архитектурного и конструктивного решения применяемых инженерных систем и оборудования, все решения принимаются с учетом природных воздействий. Так, функциональное назначение обозначает не только собственно эксплуатацию, а также условия для потребителей объекта, объемно-пространственная архитектурная форма включает в себя все эстетические и художественные составляющие (качественного, субъективного характера), от принятых объемно-пространственных и конструктивных решений зависят размеры помещений, их расположение в структуре здания; конструктивное решение представляет совокупность всей материальной системы здания, с помощью которой достигаются цели, поставленные функциональным назначением и архитектурным решением; инженерные системы и оборудование служат для достижения комфортных условий для проживающих или работающих в здании. Большое значение имеют природные условия строительства – горизонтальные ветровые нагрузки, температурно-влажностный и солнечный режимы окружающей среды. Наружные конструкции здания должны воспринимать разницу в температуре атмосферном давлении и влажности между внешней и внутренней средой. От природных воздействий в значительной мере зависит применение той или иной системы наружного ограждения и, в частности, принятие фасадной системы, систем отопления, кондиционирования и холодоснабжения.

Каждый из элементов системы высотного здания взаимосвязан и имеет взаимовлияние относительно друг друга, при этом между ними должны быть достигнуты уравновешенность и гармония. Основным решением при рассмотрении всего высотного объекта должна стать его целостность, образованная этими составляющими.

При этом нельзя говорить о полной свободе выбора объемно пространственного решения высотного здания без учета многих факторов, обеспечения условий и требований – природных, функциональных, архитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технических, а также мероприятий, связанных с комплексной безопасностью, противопожарными и санитарно-гигиеническими нормами. Необходимость комплексного учета всех факторов, влияющих на формирование архитектуры высотных зданий, их размещение и путей возможного решения, отметил Норман Фостер: «Проблемы окружающей среды воздействуют на архитектуру на каждом ее уровне. Половина потребления энергии в развитых странах прихо­дится на здания и еще четверть – на транспорт. Архитекторы не мо­гут решить все мировые экологические проблемы, но мы можем проектировать здания, требующие только часть потребляемой ныне энергии. Расположение и функциональное назначение сооружения, его конструктивная гибкость и технологический ресурс, ориентация, форма и конструкция, его системы обогрева и вентиляция, характе­ристики используемых при строительстве материалов – все эти па­раметры влияют на количество энергии, требующейся для возведе­ния, эксплуатации и технического обслуживания здания, а также для транспорта, движущегося к нему и от него».

Важным критерием при разработке проекта высотного здания представляется оценка воздействия природно-климатических условий (в частности, ветрового режима), и не только с точки зрения ста­тической надежности, но и с точки зрения реакции здания на те или иные воздействия (образование завихрений, возникновение шумов и т.п.), а также учет сейсмики, температурно-влажностного режима и т.п. Основным фактором, влияющим на архитектуру высотного здания в условиях строительства в России, является ветровая нагрузка. Первые высотные здания имели довольно большой вес несущих стен из кладки и были устойчивы к ветровым воздействиям, и даже при применении каркаса высотные здания имели массивные фасады из камня с неболь­шими оконными проемами и тяжелыми стенами-перегородками, по­этому ветровые нагрузки для них не представляли больших проблем. Начиная с 50-х гг. с распространением международного стиля в архи­тектуре с его оптимальным внутренним открытым пространством и относительно небольшим весом конструкций проектировщики и строители высотных зданий столкнулись со всей сложностью ветровых нагрузок. Уменьшению жесткости зданий способствовало и примене­ние большепролетных балок, легких ненесущих перегородок и ненесущих ограждающих конструкций. Горизонтальная жесткость высотного здания становится более важным фактором проектирования, чем прочность. Воздействие ветра на высотное здание является динамическим и определяется такими факторами окружающей среды, как рельеф местности, гибкость и особенности фасада здания, расположение соседних зданий. С архитектурной точки зрения уменьшение воздействия ветровых нагрузок может быть достигнуто за счет применения раз личных конфигураций здания – круглая, овальная, треугольная. Сни жению ветрового напора может способствовать наличие арочного про ема при его размещении в зоне максимального давления, обычно вниз) или вверху здания. Как показывают исследования Массачусетского технологического института, скорость ветра, а следовательно, и его давление не обязательно увеличиваются с повышением высоты, давление является наибольшим посередине высоты здания с аркой или в основании здания без проема.

Проблема по созданию комфортных условий в помещениях является частью широкой программы по созданию благоприятных условий для проживания или работы людей. Одним из главных факторов, влияющих на комфорт помещений, является температурно-­влажностный режим, от которого во многом зависит работоспособ­ность человека. При низкой или высокой температуре воздуха (ниже 16 °С и выше 24 °С), сухом или влажном воздухе в помещении тру­доспособность падает. Поэтому в помещениях необходимо поддер­живать нормальный режим, при котором могут быть созданы ком­фортные условия для труда или проживания.

Важным является создание комфортных условий для зрения которые зависят от ориентации здания относительно сторон света, oт типа освещения (естественное или искусственное), от типа солнцеза­щитных устройств, жалюзи. С точки зрения комфортных условий для зрения в рабочих и жилых помещениях и с точки зрения экономии энергии следует ожидать, что предпочтение будет отдаваться естест­венному освещению, поэтому в высотных зданиях желательно основ­ные помещения размещать ближе к фасадным остекленным стенам не устраивая больших расстояний между наружными стенами, в ре­зультате возрастут эксплуатационные возможности здания.

При создании комфортных условий в помещениях приходится решать проблемы акустики – обеспечение изоляции от внешних и внутренних воздушных шумов, от ударного шума, от вибраций, вы­званных работой машинного оборудования, лифтов или порывами ветра. Поскольку акустические проблемы в большинстве случаев решают с помощью подбора соответствующих конструкций, то важно определить минимальную массу конструкций (например, перекрытий) и способы устранения акустических (звукопроводящих) мостов.

Для жилых зданий, гостиниц и больниц предъявляются более жесткие требования к звукоизоляции, чем для административных зданий. В современных зданиях, таких как Коммерцбанк во Франкфурте-на- Майне (Германия), создана система климатизации здания, включаю­щая систему механической вентиляции с утилизацией тепла удаляе­мого воздуха, конвекторы и обогрев металлических конструкций ат­риума. Сотрудники банка сами могут контролировать и управлять температурно-влажностным режимом в помещениях благодаря еди­ной «интеллектуальной» системе, работающей в здании.

Выбор конструктивного решения в значительной степени зависит от функционального назначения, предполагаемой долговечности объекта или конструкции. При строительстве объектов, у которых быстро меняются требования к его функциональному назначению, или при строительстве объектов длительного и постоянного использования другие требования. Необходимо принимать во внимание, что в зданиях несущие конструкции обычно более долговечны (100 лет), чем ненесущие конструкции и техническое оборудование. Из этого обстоятельства вытекают требования к гибкости и к резервам несущих конструкций.

При проектировании объектов желательно предусматривать также меры по ликвидации объекта, который выполнил свою функцию и не может быть приспособлен для других целей.

Конструктивные решения высотных зданий принимаются в зависимости от назначения здания. Функциональное назначение зданий имеет много параметров. Для соблюдения всех требований функционального назначения, а также архитектурных требований необходимо разработать определенное планировочное решение. Некоторым планировочным решениям соответствуют различные конструктивные решения, и только одно определенное решение будет адекватным.

Так как выбор конструктивных схем и материалов напрямую влияет на архитектуру высотных зданий, решение этих проблем обычно рассматривается совместно.

Для зданий с изменяемым по этажам планировочным решением требуется меньше вертикальных конструкций, но предъявляются более высокие требования к изменчивости и гибкости. Например для школьных, больничных, складских зданий наиболее рациональ­но применение рамного каркаса.

Комбинированные конструктивные системы принимаются для многофункциональных зданий или зданий одного назначения, но с несколькими функциями. Так, например, в гостиницах нельзя разде­лить две основные функции: проживание в гостиничных номерах и обслуживающие службы – ресторан, кафе, ресепшн, технический этаж, автомобильная стоянка, когда нижняя часть здания предназна­чена для помещений общественного назначения, верхняя – помеще­ний однофункционального назначения.

В объектах с двумя функциями, для которых требуются раз­личные планировочные решения, можно выбрать или простое кон­структивное решение, или два разных конструктивных решения, адекватных функциональному назначению соответствующих частей объекта. Переход от конструкций одной части здания к конструкциям другой обеспечивается переходными конструкциями.

Важными элементами высотных зданий, влияющими на фор­мирование, объемно-пространственной структуры, являются инже­нерные системы и оборудование, к ним относят: технические помещения, систему лифтов и других видов подъемников, системы ото­пления, вентиляции и кондиционирования, электроснабжения, водо­снабжения и водоотведения, слаботочные устройства. В любом вы­сотном здании необходима система вертикального транспорта. Она всегда включает лифты, реже – эскалаторы. Эскалаторы, если они присутствуют, удовлетворяют ограниченные потребности – пере­мещают людей с входного уровня в основной вестибюль, который находится этажом выше. Они также часто используются для пере­мещения большого количества людей на уровень, содержащий по­мещения общественного питания, если они находятся на уровне, расположенном под входным вестибюлем. Кроме того, эскалаторы необходимы, если переходные лифтовые холлы и двухсекционные лифты являются архитектурной частью проекта здания.

При размещении инженерно-технических систем в много­функциональном здании возникает ряд необходимых условий. В не­боскребах вертикальные вентиляционные шахты занимают ценное пространство, которое может быть использовано в других целях. В прошлом стратегия заключалась в том, чтобы уменьшить венти­ляционные шахты посредством снижения дистанций подачи и тем самым размеров шахт путем создания нескольких технических эта­жей. Недостаток этого подхода в том, что ценные площади «погло­щены» техническими этажами. Сведение к минимуму объемов воз­духа до объемов, необходимых по гигиеническим условиям, посред­ством отработанной воды как охладителя уже дало заметную эконо­мию. Следующим шагом к оптимизации архитектурно­планировочных решений является совмещение воздуховодных шахт и каналов с несущими конструкциями. Таким образом, трубы могут быть встроены в свободные от нагрузки зоны пола/потолка для осу­ществления подачи воздуха или очистки без необходимости допол­нительного увеличения высоты конструкции, как в случае с фальш­полами или подвесными потолками. Пустотные потолки обеспечи­вают пространство для распространения воздуха и минимизируют бесполезный вес в процессе эксплуатации пролета той же ширины. Например, вентиляция из офисных помещений или гаражей не должна объединяться с вентиляцией жилой части здания, также как входные группы и лифты. В офисных зданиях при наличии фальшполов, а также размещении системы вентиляции и кондиционирования в потолочном пространстве увеличивается высота всего здания, а необходимость наличия технических помещений, уменьшает полезную площадь этажа.

К важнейшим факторам обеспечения безопасности людей, на­ходящихся внутри высотного здания, относится противопожарная защита. Требования к противопожарной защите высотных зданий могут значительно варьироваться в зависимости от функционально­го назначения здания, его общей высоты, принятых конструкций, средств и оборудования, применяемых при пожаре. В Германии, на­пример, стандартным считается 40-метровое расстояние между по­жарными отсеками, что определяет их максимальную площадь в 1600 м². Пожарные отсеки больших размеров допустимы, и требова­ния в отношении ненесущих конструкций в этих помещениях могут быть снижены там, например, где разработана соответствующая концепция пожарной безопасности, предусматривающая установку системы спринклеров и подачи сигнала тревоги, а также детекторов дыма на всех этажах здания. В существующих нормах пожарные отсеки определяются высотой 50 м, а площадь пожарного отсека может составлять 2500 м .

Особенность пожарной опасности для находящихся в высот­ных зданиях людей заключается в значительном затруднении эва­куации людей при пожаре и трудностях при борьбе с пожаром. Практически единственным путем эвакуации в высотных зданиях являются лестницы, в которых, с увеличением числа этажей, увели­чивается опасность задымления. Поскольку лестницы являются ос­новным путем эвакуации, для обеспечения безопасности пользова­ния лестничными клетками их делают незадымляемыми. Для этого лестничные марши и особенно выходы наружу проектируются с учетом недопустимости попадания туда огня и дыма, а также быст­рого удаления дыма, который попадает в их пространство при эва­куации с этажа на этаж. Одним из средств спасения в высотных зда­ниях являются противопожарные лифты, после доставки пожарных подразделений они могут служить для спасения людей, находящих­ся в здании, особенно малоподвижных групп населения. В Англии противопожарные лифты применяются в зданиях выше 18 м, а в Германии – выше 22 м. Помимо противопожарных лифтов и лестниц в высотных зданиях применяется целый ряд инженерно-технических средств – подпор воздуха на путях эвакуации, системы пожаротушения дождевального типа и система нагнетания газа. Системы дождевального типа (спринклерные или дренчерные установки) применяют внутри здания повсеместно в качестве автоматического средства борьбы с огнем и подавления возгорания на начальном этапе. Системы нагнетания газа применяются применительно к ка­ким-то специальным помещениям, например компьютерным ма­шинным залам и помещениям хранения данных, где дождевальные системы нежелательны.

Таким образом, исходя из анализа закономерностей можно выделить основные факторы, влияющие на формирование архитек­туры современных высотных зданий.

Основные факторы, влияющие на формирование архитек­туры современных высотных зданий

Инженерные системы и оборудование:

• вертикальные и горизонтальные инженерные коммуникации;
• технические помещения;
• лифты;
• вентиляция, отопление, кондиционирование.

Следует отметить, что все эти факторы взаимосвязаны и взаимо­зависимы. Так, архитектурно-планировочное решение зависит от функционального назначения, а конструктивное решение – от обоих вышеперечисленных факторов. Кроме того, на архитектурно-­планировочное и конструктивное решение влияют инженерные сис­темы и оборудование, они, в свою очередь, тесно связаны с функцио­нальным назначением высотного здания. Помимо этого при разработ­ке проектов высотных зданий необходимо учитывать вопросы ком­плексной безопасности, управления и мониторинга, противопожар­ные, санитарно-гигиенические требования.