Особенности проектирования высотных зданий

Термин «высотные» здания относится к недостаточно четко занорми- рованным и в разных странах трактуется по-разному. Так, в Германии - это здания выше 22 этажей, в Америке - 35. В России в настоящее время к вы­сотным относятся здания выше 75 м.

Строительство зданий повышенной этажности имеет более чем двух­вековую историю.

В далеком 1801 г. в Англии в г. Манчестере было построено семи­этажное здание ткацкой фабрики с чугунными колоннами и двутавровыми балками.

Первым городом, внедрившим многоэтажное домостроение с несущим стальным каркасом, был г. Чикаго (США): в 1883 г. было возведено 10- этажное здание, в 1889 г. - второе «Рэд Макнелли», в 1891 г. - 20-этажное «Масоник Темпл».

Наиболее активно застройка города высотными зданиям велась в Нью- Йорке. Так, в 1890 г. был построен «Дом Пулитцера» высотой 94 м, в 1894 г. - здание страховой компании «Манхэттен» высотой 106 м, в 1899 г. - «Парк Роу» высотой 119 м, в 1908 г - здание компании «Зингер» высотой 189 м, в 1909 г. - башня страховой компании «Метрополитен» высотой 213 м, в 1913 г. - «Храм торговли» высотой 241 м. Апофеозом того периода строительства явилось здание «Эмпайр-стейт-билдинг» высотой 381 м, имеющее 102 этажа. Построено оно было 77 лет тому назад, в 1931 г., и до сегодняшнего дня успешно эксплуатируется.

Среди небоскребов Нью-Йорка были две 110-этажные башни - «Центр международной торговли» высотой 420 м. 11 сентября 2002 г. - день жес­точайшего теракта, в результате которого они были разрушены, а более 3000 человек погибли, отмечается как день траура в США.

В Чикаго сейчас функционирует 110-этажный «Сирс Тауэр» высотой 442 м, построенный в 1967 г.

В настоящее время монополия США на высотное строительство закон­чилась. Так, в столице Малайзии - Куала-Лумпура в 1998 г. были построе­ны 88-этажные башни-близнецы со шпилями 73,5 м компании «Петронас» 452 м высотой, соединенные переходом на 41 этаже. Самое высокое здание мира (на 2007 г.) построено в столице Тайваня в 2004 г. - Тайпейский меж­дународный финансовый центр (508 м, 101 этаж).

Большое количество высотных зданий строится в Китае и на Ближнем Востоке.

Высочайшая башня «Бурж Дубай» высотой 800 м построена в 2008 г. в г. Дубай - столице Арабских Эмиратов.

В России в Москве были построены первые 7 высотных зданий в Ев­ропе, начиная с 1952 по 1955 г. Самое высокое - 242 м здание МГУ.

Первый проект высотного здания в Москве был разработан в 1920 г. - Башня III Интернационала (арх. Ладовский). Апофеозом явился проект Дворца Советов высотой 400 м со скульптурой Ленина высотой 100 м. На­чатое строительство этого здания было прервано войной.

В 2007 г. в Москве было завершено строительство самого высокого здания в Европе - «Триумф-Палас» (264 м). Для будущего делового центра Москвы-Сити проектируются два высотных здания высотой 448 и 400 м. Кроме того, намечено до 2015 г. завершить строительство 60 высотных зда­ний меньшей этажности («Новое кольцо»).

показаны примеры небоскребов, построенных до 1955 г., а на рис. 8.2 - небоскребы, построенные и строящиеся в настоящее время. зданий, построенных и строящихся в настоящее время

Примеры высотных зданий, построенных до 1955 г.

Учитывая отсутствие в России необходимого опыта проектирования и строительства высотных зданий, было принято решение при проектирова­нии таких зданий в Москве привлечь лучшие сложившиеся зарубежные школы проектировщиков.

В 2005 г. на основе существующих в России нормативных документов крупнейшими проектными и научно-исследовательскими организациями, работающими в г. Москве, были разработаны МГСН 4.19-05 «Многофунк­циональные высотные здания и комплексы», авторами которых являются более 130 специалистов.

Современные здания небоскребов

В документе на 155 страницах сформулированы важнейшие требова­ния, обеспечивающие надежность вновь возводимых зданий, и приведены в основных главах:

• требования к объемно-планировочным и функциональным элементам высотных зданий;
• нагрузки и воздействия;
• требования к конструктивным решениям;
• тепловая защита;
• водопровод, канализация и водостоки;
• теплоснабжение, отопление, вентиляция, кондиционирование и хо- лодоснабжение;
• лифты;
• мусороудаление и пылеуборка;
• электроснабжение, электрические устройства, электроосвещение;
• автоматизированные комплексы, связь и информатизация;
• противопожарные требования;
• санитарно-гигиенические и экологические требования;
• требования по обеспечению безопасности.

Кроме вышеперечисленных глав в приложениях к нормам разработан 31 раздел, в которых конкретизированы такие специфические актуальные вопросы, как ветровые и сейсмические нагрузки, защита от прогрессирую­щего обрушения, конструктивные решения, пожарная безопасность, работа лифтов и многие другие.

Вряд ли целесообразно переписывать 155 страниц норм, но отдельные положения, учитывая повышенную ответственность, в качестве примеров, приведем ниже.

В зависимости от высоты здания повышается коэффициент надежно­сти по ответственности - он меняется от 1,0 до 1,2, что означает повышение нагрузок на 10-20% с целью снижения риска. Уточнены минимальные зна­чения нагрузок, в том числе снеговых.

Введены требования о необходимости проверки на сейсмостойкость зданий высотой более 100 м. При этом в зависимости от категории грунтов сейсмичность принимается 5 или 6 баллов.

При расчете зданий на ветровые нагрузки дополнительно следует учиты­вать среднюю и пульсационную составляющие расчетной ветровой нагрузки, воздействия, вызывающие нарушения комфортности пешеходных зон и другие.

Рекомендуется также проводить испытания моделей в аэродинамиче­ских трубах.

При проектировании фундаментов и подземной части здания инженер­но-геологические изыскания должны проводиться дважды - на предпроект- ной стадии и на стадии «проект» или «рабочая документация».

Кроме того, часть полевых испытаний следует проводить со дна котло­вана. На стадии «проект» необходимо разработать прогноз влияния строя­щегося высотного здания на окружающую застройку и гидрогеологический режим подземных вод.

При проектировании плитных фундаментов бетонная подготовка должна быть не менее 150 мм и из бетона класса не ниже В10, а сама плита из класса не ниже В25.

В высотных зданиях для повышения устойчивости целесообразно пре­дусматривать подземные этажи и большие стилобаты.

Фундаменты, как правило, проектируются в зависимости от грунтовых условий, свайными, плитно-свайными или плитными.

Надземная часть зданий может быть весьма разнообразной по конст­руктивным решениям.

Прежде чем переходить к их краткому описанию, необходимо отметить нецелесообразность применения в высотных зданиях сборных железобетонных несущих конструкций, особенно крупнопанельных, так как они не обладают достаточной прочностью, жесткостью узловых сопряжений и устойчивостью.

Таким образом, конструктивные решения могут быть из стальных эле­ментов, монолитного железобетона и комбинированными.

В качестве примера здания с перекрещивающимися несущими сталь­ными балками может служить здание для журнала «Херст», запроектиро­ванное знаменитым архитектором Н. Фостером и построенное в Нью-Йорке в 2006 г. с инновационной системой диагональной сетки, создающей на фасаде четырехэтажные треугольники.

К стальному каркасу у нас сейчас предъявляются очень жесткие требо­вания по пожаростойкости - 3 часа, что в большинстве случаев вынуждает проектировать железобетонные колонны с жесткой арматурой.

Монолитные конструкции зданий могут быть каркасной, стеновой или каркасно-стеновой системы.

Сравнительная оценка конструктивных решений зданий проводится по 4 основным критериям: архитектурным, конструктивным, технологическим и экономическим.

Монолитные здания соответствуют наиболее высоким архитектурным требованиям - они могут обеспечивать «свободную» планировку внутри здания любой конфигурации с выразительным фасадом.

Каркасные системы могут быть с безбалочными или балочными перекры­тиями. Область применения безбалочных перекрытий весьма ограничена спо­собностью воспринимать горизонтальные (ветровые) нагрузки из-за малой же­сткости узлового сопряжения относительно тонких плоских плит перекрытий с колоннами. Особенно это проявляется при больших пролетах, так как необхо­димость увеличения толщин плит делает неэффективным их применение.

В этом случае рационально использовать ребристые перекрытия с ри­гелями (балками), опирающимися на колонны. К тому же возможное опи- рание плит по четырем сторонам позволяет экономить арматуру, так как полностью включает в работу поперечную арматуру.

При этом может быть создана система рам с жесткими узлами. Чаще используется связевая или рамно-связевая система, когда горизонтальные нагрузки воспринимаются вертикальными элементами жесткостей.

Так, например, самое высокое здание в мире на 2007 г. в г. Тайбэй (508 м) рассчитано на восприятие сейсмических воздействий и обладает повышенной устойчивостью благодаря комбинированной статической сис­теме, состоящей из восьми супермощных опор размером 2,5x3 м, подни­мающейся на всю высоту башни.

Для ограничения колебаний этого здания под воздействием сильного ветра использован демпфер колебаний в виде очень тяжелого стального шара весом в 80 т, подвешенного на 99-м этаже.

Примером системы с несущими стенами могут служить разрушенные башни-близнецы в Нью-Йорке. Особенность этой системы заключается в том, что по периметру здания располагаются стальные колонны, а внутри здания имеется мощное ядро жесткости. Однако недостаточная защита пе­рекрытия и колонн каркаса от воздействия высоких температур при пожаре привела к обрушению здания. Перекрытие состояло из легких фермочек с раскосами из стержневой арматуры и поясами из уголков, поверх которых был уложен профнастил и монолитный бетон.

Эта система для инвесторов представляется соблазнительной кажу­щейся технологичностью, но на деле монолитные каркасы возводятся бы­стрее при условии обеспечения возможности возводить вышележащие эта­жи до полного набора прочности бетоном нижележащих этажей.

Здание мэрии Большого Лондона архитектора Н. Фостера интересно тем, что все вертикальные нагрузки воспринимаются обычным каркасом, а гори­зонтальные - так называемой внешней «авоськой», отделенной от внутренне­го каркаса. При этом каждая из конструкций воспринимает свою нагрузку.

Для повышения технологичности возведения зданий ряд фирм приме­няет стальные каркасы с пенопластовыми элементами, служащими одно­временно звукоизоляцией и обеспечивающими высокую скорость бетони­рования. Таким же способом обеспечивается тепло- и звукоизоляция стен.

Некоторые конструкторы считают, что в зданиях до 30 этажей связе­вые каркасы перспективнее, а в более высоких предпочтение отдается уже рамным каркасам.

Вопрос материала - металл, железобетон, высокопрочный бетон - ре­шается в каждом отдельном проекте, и, поскольку архитектурных решений бесконечное множество, главной задачей является выбор по возможности, наиболее рациональных решений.

При этом необходимо помнить, что эффективность применения широ­ко распространенного монолитного железобетона в значительной мере за­висит от конструкции опалубки, стоимость которой составляет примерно 30% от стоимости конструкции.

Точной границы между высотным и невысотным строительством нет, но, поднимаясь на каждый этаж, мы создаем условия для проявления ранее неучитываемых нами факторов работы конструкций, могущих привести к гибели людей и серьезным экономическим последствиям для народного хо­зяйства. Поэтому возникли некоторые новые дополнительные ограничения.

Например, нормируемое горизонтальное перемещение с учетом крена фундаментов для многоэтажных зданий не должно было превышать 1/500. Теперь для высот 150-400 м оно не должно превышать 1/1000.

Принимается во внимание ограничение ускорения перемещений с це­лью обеспечения комфортности проживания. Рекомендовано принимать отношение протяженности здания к его высоте не менее 1/7 для обеспече­ния устойчивости против опрокидывания.

Необходимо также добиваться симметричного расположения масс и жесткостей.

Необходимо обратить внимание на появление разности вертикальных деформаций в стенах и колоннах, которой ранее всегда пренебрегали, так как в зданиях высотой до 20 этажей это практически не проявляется. В высотных каркасах это недопустимо, особенно при рамно-связевой схеме, где нагрузки воспринимаются малонапряженными ядрами и сильно нагруженными колон­нами. Эти колонны оседают и получается «горка» возле каждого ядра и, соот­ветственно, совершенно другое напряженное состояние. В результате этого мы получаем измененную расчетную схему. Проектировщик вынужден, раз­бив каркас на плоские системы, рассчитывать их на вертикальные и горизон­тальные нагрузки, включив все дополнительные усилия. При этом в МГСН 4.19-05 вертикальная нагрузка на приведенной схеме принимается по нормам, а для горизонтальной нагрузки МГСН ввел некое допущение - рассмотрение вертикальных элементов каркаса как отдельных консолей, не связанных меж­ду собою, а связь осуществляется перемычками - шарнирно закрепленными перекрытиями. Тогда получится независимая система жесткостей, позволяю­щая сразу же определить усилия в каждом из вертикальных элементов.

Расчет несущей конструктивной системы, включающей надземные и под­земные этажи, а также фундамент следует производить дополнительно для стадий монтажа и эксплуатации с соответствующими расчетными схемами.

При определении жесткостных параметров железобетонных элементов следует учитывать возможность образования трещин и развития неупругих деформаций в бетоне и арматуре.

Необходимо также учитывать требования по предотвращению обру­шения.

В физически нелинейной модели могут использоваться самые различ­ные диаграммы деформирования бетона. МГСН 4.19-05 предлагает трехли­нейную или двухлинейную диаграмму, а для арматуры - двухлинейную модель, для напряженной арматуры - наклонный график.

При переходе от упругой к физически нелинейной модели возникает необходимость учесть реальные физические характеристики бетона и арма­туры, которые меняются в зависимости от нагружения, что невозможно сделать в упругой модели.

Ранее считалось, что физически и геометрически нелинейная модель не обязательна, а МГСН 4.19-05 требует несущую колонну рассчитать два­жды - сначала вручную (по Эйлеру, как это делалось ранее), а потом по результатам расчета геометрически нелинейной модели с учетом эксцен­триситетов, которые были получены, и принять наиболее неблагоприятный результат. Существует несколько трактовок термина «геометрически нели­нейная модель». Ранее это называлось «расчет по деформированной схеме». Стандартный расчет не предусматривает «деформированности», и незави­симо от способа нагружения конструкции она всегда остается в первона­чальном состоянии, а расчет по «деформированной схеме» учитывает, что конструкция под воздействием нагрузки принимает новую форму, а из опыта исследования колонн известно, что эта новая форма ведет к измене­нию напряженного состояния. Сегодня СНиП позволяет нам при кратко­временном загружении легко определить модуль упругости бетона. Причем следует обратить внимание на коэффициент 0,85, который не позволяет использовать табличное значение модуля. Однако наши нагрузки в основ­ном длительные, и для них СНиП предлагает коэффициент ползучести от 2 до 4, следовательно, модуль упругости умножается на 0,3.

Инженерные системы в высотных зданиях имеют ряд особенностей. В подвальном или на первом этаже, а также на технических этажах следует предусмотреть помещения для размещения зонного оборудования (ЦТП, ТП, теплообменники, насосы, системы вентиляции и кондиционирования и т.д.).

При проектировании инженерного оборудования необходимо учиты­вать влияние температурного удлинения трубопроводов и колебание верх­ней зоны от действия ветровой нагрузки.

При заказе лифтов необходимо учитывать максимально возможные расчетные отклонения от вертикали высотного здания.

Особое внимание следует уделить вопросам пожарной безопасности.