Проектирование многоэтажных железобетонных зданий

История возникновения многоэтажных строений восходит к глубокой древности I—II тысячелетию до н.э. Уже в ту пору поселения с целью безопасности были окружены крепостными стенами с оборонительными башнями, имеющими несколько ярусов.

Постоянные войны вызывали необходимость строительства укрепленных жилищ, а ограниченность площадей вынуждала правителей и просто богатых людей строить дворцы и дома в виде многоэтажных комплексов.

С ростом населения возросла целесообразность строительства многоэтажных домов. Так, в Риме с III в. до н.э. значительная часть бедного населения жила в арендуемых помещениях в многоэтажных жилых домах инсулах. Этажность инсул достигала 4-5 этажей, а общая высота достигала 18 м. Обычно каждая семья имела свою лестницу, а на первом этаже размещались торговые лавки и мастерские. В последние годы I века до н.э. был даже издан указ, ограничивающий высоту инсул двадцатью метрами. В этот период появились и многоярусные общественные здания. Например, Колизей, театр Мари и др.

В крупных городах эта тенденция получила дальнейшее развитие дома стали строить 3-4этажными с жильем, размещавшимся на 2-4 этажах. Высота и этажность здания часто законодательно ограничивались высотой административного здания или храма. На территории Грузии до сих пор сохранились так называемые «сванские башни». Это трехъярусные каменные сооружения, куда во время вражеского нападения на первый этаж загоняли скот, а выше располагались люди и запасы продовольствия.

В период раннего Средневековья в Европе повсеместно возводились укрепленные жилища феодалов. Обычно они представляли собой трехэтажные жилые башни, которые позднее превращались в замки.

Распространение христианства привело к появлению многоярусных колоколен.

На ближнем Востоке и в Средней Азии принятие ислама вызвало, начиная с VIII-IX в., бурный рост строительства минаретов многоярусных башен, с которых мусульман призывали на молитву. Так, в Бухаре (Узбекистан) хорошо сохранился минарет Кальян 45 м высотой.

Весьма своеобразно развивалось многоэтажное строительство в Индии, Китае, Японии и других близрасположенных странах (Шри-Ланка, Малайзия, Индонезия, Корея, Непал и др.).

На строительство, и особенно многоэтажное, в значительной мере повлияло религиозное течение буддизм, возникшее в Индии в VI в. до н.э., а затем индуизм и синтоизм.

Конструктивной особенностью этих храмов (пагод в Китае) была стоечно-балочная система, широко применявшаяся в связи с наличием большого количества лесных массивов. Одновременно использовались кирпич, тесаный гранит и значительно реже металл.

Так, в качестве примеров можно привести кирпичную 13-ярусную пагоду Изючжоуба (1000 г.), деревянную 5-ярусную пагоду Шицзята (1056 г.) высотой 66 м и даже железную 13-ярусную пагоду в Даньяне (1061 г.).

На Руси многоэтажное строительство также развивалось по пути создания ярусных храмов колоколен («храм под колокола»). Наиболее значительным представителем этого направления является колокольня Ивана Великого (1508 г.) с первоначальной высотой 60 м, а затем, с 1600 г., 81 м. Обеспечение прочности и устойчивости колосса достигалось огромным фундаментом, заглубленным на Юм, кирпичными стенами нижнего яруса толщиной до 5 м, скрепленными стальными связями и т.д.

Подобные многоярусные сооружения меньших размеров строились и в других местах например, колокольня Новодевичьего монастыря.

Бурное развитие промышленности во второй половине XVIII в. и первой половине XIX в. активизировало строительство многоэтажных зданий. Наряду с ранее существовавшими многоэтажными жилыми зданиями для знати и богатых людей, так же как и в Древнем Риме, появляются доходные дома, предназначенные в основном для проживания беднейших рабочих и расположенные в непосредственной близости от фабрик и заводов. Строятся также жилые «доходные дома» повышенной комфортности для более богатых слоев населения.

На развитие многоэтажного строительства существенное влияние оказало появление лифтов (1850 г.) и внедрение металла в строительство. В Нью-Йорке в районе Сохо до сегодняшнего дня сохранились 4-6этажные дома середины XIX в. с чугунными каркасами. Позже появились стали и затем легкие металлические конструкции.

На всемирных выставках, начавшихся в 50-е г. XIX в., стали появляться очень интересные многоэтажные здания и многоярусные сооружения. Так, в 1851 г. в Лондоне был построен так называемый хрустальный дворец трехэтажный выставочный комплекс из металла и стекла. В 1889 г. была построена Эйфелева башня высотой 312 м. В 1921 г. была построена Шуховская башня.

Ускорению строительства способствовала разработанная в конце XIX в. технология сварки металла, которая стала широко использоваться после Первой мировой войны.

Не меньшую роль сыграло появление железобетона в 1867 г., нашедшего большое применение в XX в.

Наряду с балочно-стоечными конструкциями появляются безбалочные, в которых плиты опираются на колонны.

В 1928 г. Э. Фрейсине внедрил предварительное напряжение железобетонных конструкций.

В Европе бурное строительство многоэтажных домов, в основном из сборного железобетона, развернулось после Второй мировой войны, когда нужно было срочно восстанавливать города, разрушенные бомбежками.

В зданиях повышенной этажности для обеспечения устойчивости чаще всего использовали так называемое «ядро жесткости» центральную, чаще всего монолитную, вертикальную шахту, в которой размещались лестницы, лифты и другие инженерные коммуникации.

Особый класс зданий возникает в конце XIX начале XX в. в США высотное домостроение. Эти здания иногда называют небоскребами. Характерным примером является здание «Релайнс-билдинг», построенное в 1895 г. в Чикаго. Каркасная система позволила заменить несущие стены огромными стеклянными витражами.

В настоящее время высочайшее здание мира построено в столице Тайваня Тайбейе 508 м.

Высотные здания в России начали строиться в 1950-х г. Так, в 1953 г. было построено здание Московского государственного университета высотой 242 м. Одновременно было возведено еще 6 высотных зданий.

В начале тысячелетней истории возведения высотных зданий у строителей не существовало сформированных принципов проектирования и расчетов. Основой была логика пропорций и интуиция зодчего, который совмещал и осуществлял не только функции архитектора, конструктора и дизайнера, но и строителя. Это не только повышало ответственность, но и благотворно сказывалось на качестве строительства. Уже в Древней Греции было сформировано максимальное соотношение диаметра основания колонны и ее высоты 1:12. Все принимавшиеся интуитивно соотношения подтверждало позже сформулированное положение «архитектура это синтез трех основных постулатов: прочность, польза, красота».

Отступление от интуитивной, многократно проверенной логики пропорций, часто под давлением заказчика, приводило к обрушениям, авариям. Историческим примером может служить обрушившийся купол мечети Биби-Ханым в Самарканде.

Зачатки основ механики появились в Древней Греции это «правило рычага», предложенное Архимедом.

Особо следует отметить дошедшие до нас труды Витрувия (I в. до н.э.) «Десять книг об архитектуре». Будучи зодчим, т.е. архитектором и конструктором одновременно, он сумел сформулировать и описать эстетические и конструктивные требования к зданиям и сооружениям самого различного назначения, материалам несущим и отделочным, а также основные положения механики. Частично этот грандиозный труд базировался на предшествовавших работах, не дошедших до нас.

Дальнейшее развитие теории проектирования и строительства нашло отражение в написанном в VII в. епископом Исидором труде «20 книг начал, т.е. истинных знаний».

В Индии в середине первого тысячелетия также было разработано руководство «Ваштушастра», содержащее большое количество правил и предписаний для строительства зданий и сооружений различного назначения. Дошел до нас и китайский трактат подобного же назначения «Инцзаофаши» (методы архитектуры). *

Начиная с середины XVII в. в Европе закладываются основы теории расчета зданий и сооружений. Создание дифференциального и интегрального исчисления, разработка теории упругой кривой положение стержня при воздействии нагрузки, открытие закона Гука все это привело к появлению отдельной строительной специальности инженера-конструктора. В 1729 г. была издана работа француза Болидора «Инженерная наука».

Со второй половины XIX в. появляются сформулированные основные положения сопротивления материалов, статики сооружений, теории упругости. Была создана методика расчета статически неопределимых систем, в том числе многоярусных рам, динамического расчета сооружений и т.п.

В XX в. во всех странах мира, в том числе и в России, объем строительства многоэтажных зданий увеличивается в связи с тем, что для одноэтажных зданий требуются площади больших размеров, в то время как стоимость земли растет.

Не только высотные гражданские здания, но и двухэтажные и более высокие промышленные здания есть своего рода ответ на этот рост, хотя часто производственные технологии требуют минимальной этажности. К тому же в последний период стали чаще использовать двухэтажные здания с укрупненной сеткой колонн верхнего этажа вместо одноэтажных.

В настоящее время намечено решить жилищную проблему на всей территории России. Принятие законодательных актов по ипотеке приведет к значительному увеличению жилищного строительства как многоэтажного, так и малоэтажного, а также к одновременному развитию строительства зданий социально-бытового назначения, объектов торговли и питания, зрелищного и спортивного, лечебно-профилактического назначения и др.

Основной материал несущих и ограждающих конструкций многоэтажных зданий железобетон. Это объясняется экономическими показателями произошло значительное повышение цен на металл, а также высокой огнестойкостью и долговечностью конструкций из железобетона. В России большое количество зданий возводится из сборного железобетона, несмотря на определенные эстетические и экономические преимущества монолитного. Такое положение сложилось исторически и было связано, с одной стороны, с необходимостью индустриализации строительства для ускорения ввода объектов, а с другой с отсутствием в необходимом количестве как оборудования для непрерывной подачи бетона, так и современной опалубки. Наличие большого количества заводов позволяет прогнозировать сохранение значительного объема строительства зданий из сборного железобетона и на ближайшее будущее.

В повышении экономических показателей строительства значительную роль играет применение эффективных конструктивных систем, конструкций и новых материалов. Уменьшение материалоемкости и трудоемкости достигается за счет применения высокопрочных сталей, бетонов высоких марок, бетонов на легких заполнителях, а также повышения технологичности изготовления и монтажа конструкций. По расходу материалов отечественные конструкции, как правило, экономичнее зарубежных, но по трудоемкости изготовления уступают им. Последнее чаще всего обусловлено отставанием заводской технологии изготовления.

В развитии строительства начальным этапом является проектирование.

Российская школа проектирования, возникшая сотни лет тому назад, с начального периода была тесно связана и перенимала опыт лучших зарубежных школ специалистов, что широко подтверждается сохранившимися образцами церковного, дворцового и другого строительства.

Современная школа проектирования получила значительное развитие в 30-е г. прошлого столетия, когда началось большое промышленное и энергетическое строительство.

После окончания Второй мировой войны, для восстановления разрушенного войной хозяйства, были созданы отраслевые и территориальные проектные организации с сетью филиалов по всей стране. Позднее значительная часть их была сосредоточена в Государственном комитете по строительству, который вырабатывал и внедрял передовые методы проектирования, в том числе с использованием ЭВМ.

В проектах широко использовались достижения отечественных ученых, основанные на теоретических разработках и прошедшие экспериментальную проверку в таких ведущих институтах, как ЦНИИСК им. Кучеренко, НИИОСП им. Герсиванова, НИИЖБ, ЦНИИпромзданий, ЦНИИЭПЖилища, МНИИТЭП, ЦНИИПСК, ЦНИИС, НИИСК и др.

В настоящее время структура проектирования претерпела заметные изменения. Резко уменьшилось количество проектировщиков, что отчасти объясняется внедрением современных технологий проектирования с использованием вычислительных и графопостроительных комплексов. В 10 тыс. проектных организаций работает сейчас порядка 160 тыс. человек.

Возникновение такого количества проектных организаций повысило конкурентность проектных услуг, а также производительность труда.

Вместе с тем среди мелких проектных организаций встречаются фирмы, не имеющие квалифицированных кадров, что в ряде случаев приводит к нерациональным проектным решениям, а иногда и к авариям.

Повышение квалификации работающих и подготовка современных специалистов для проектных организаций сложная и актуальная задача.