Проектирование многоэтажных высотных жилых домов и зданий: особенности, методики расчета и конструктивные решения

Из-за экономии места перед архитекторами встала новая задача – строить такие конструкции, чтобы они одновременно удовлетворяли нужды многих отраслей, то есть были многофункциональны, но при этом занимали минимальное количество земли. В статье мы расскажем о нормах проектирования и особенностях строительства высотных зданий и многоэтажных жилых домов.

История высоток

В России таким термином называют постройки высотой более 75 метров. Это приблизительно равно 25 этажам. Для Европы этот показатель равен 22, а в Америке не менее 35 пролетов.

Первые многоэтажки были построены еще в XIX веке. Тогда параметры были скромнее, в 1801 году семиэтажка была высоткой. В ней располагались помещения чугунного завода в Англии.

Только спустя 80 лет эти технологии стали внедрять для жилого строительства, в Америке люди могли купить квартиры в десятиэтажном доме уже в 1883 году.

Весь двадцатый век архитектура старалась превзойти свои предыдущие рекорды, тогда активное высотное строительство шло в основном в США. Сейчас полюса сместились и лидерами стали азиатские страны.

Вот самые впечатляющие проекты высоток:

Назначение и особенности многоэтажных зданий

Конструкции удобны тем, что могут быть предназначены для большинства целей:

• промышленные центры;
• офисная застройка;
• жилые кварталы;
• торговые точки и пр.

Большинство разрабатываемых строений одновременно преследует несколько целей. На нижних ярусах может располагаться парковка, затем ряд магазинов, а выше – квартиры, пентхаусы или рестораны, офисы.

Удобно использовать такой центр для производственного назначения. Тяжелое оборудование и техника обычно располагаются на нижних этажах, в то время как кабинеты начальства и легкая промышленность, склады могут занимать прочие площади.

• Относительно небольшой участок земли. Если расположить все помещения на одном ярусе, то понадобится целая улица.
• Многофункциональность.
• Высокие нагрузки на несущие конструкции и фундамент.
• Повышенное (в отличие от стандартных построек) воздействие техногенных факторов и природных явлений, в том числе ветра, радиации, сейсмических колебаний.
• Большая важность для градостроения, с точки зрения архитектуры города.
• Необходимость автоматизации процессов, связанных со внешними и внутренними коммуникациями – отопление, освещение, вентиляция, электрификация и пр.
• Высокая степень пожарной опасности, поэтому необходимо тщательно продумывать вопросы безопасности – запасные лестницы, выходы, наличие датчиков дыма и пр.
• Сложность проектирования многоэтажного промышленного или жилого здания увеличивается прямо пропорционально его высоте.

Подготовка участка – важный этап для строительства небоскреба

Еще на предпроектной стадии важно оценить влияние конструкции на грунт. Так как почва является основой для большого комплекса, то ее проверка – это одна из первостепенных задач. Учитывается модуль деформации, то есть то, насколько просядет слой земли.

Для этого нанимают опытных геодезистов, они должны провести комплексные инженерные изыскания на местности, в лабораториях, а затем подготовить отчет, согласно которому будут известны максимальные нагрузки на участок.

В ходе работ изучают:

• рельеф местности, наличие оврагов и иных неровностей, возможность их разровнять;
• уклон площадки;
• уровень грунтовых вод и их состав – это необходимо для определения воздействия жидкости на фундамент;
• климатические условия – сила ветра, максимальные осадки, перепады температур;
• сейсмический статус;
• качество почвы – наличие примесей, ее состав – песок, глина, чернозем, болотистая равнина и пр.

Благодаря этим данным определяется технология закладки и армирования основания. Проектирование железобетонных конструкций многоэтажного здания основывается на таких показателях, как:

Если они высоки, то ЖБ фундамент делается более прочным и глубоким, арматуры закладываются чаще. Кроме того, производят упрочнение грунта.

Для предпроектных работ подходит программа Geonium от «ЗВСОФТ». Ее используют геодезисты, чтобы провести инженерные изыскания, создать топоплан местности, а также подготовить генплан и начертить схему прокладки коммуникаций. Geonium устанавливается на САПР ZWCAD, который используют для проектирования небоскребов.

Аэродинамика высотки – на каких данных основан проект

Влияние ветра очень значительно для небоскребов, особенно, нового образца. Если ранее все постройки выполнялись из камня, кирпича и иных твердых материалов с уплотнением несущих железом, то теперь популярно каркасное строительство. Из-за больших пролетов и участков, незащищенных от воздействия ветровой нагрузки, это становится опасно.

Изучение этого показателя можно проводить двумя способами – на физической или цифровой модели. В первом случае с помощью аэротрубы создаются аналогичные условия для миниатюрного макета. Во втором – макетирование происходит на компьютере.

Это позволяет не только предупредить возможные чрезвычайные ситуации, но и увеличить ветропоглощение и шумоизоляцию в наиболее подверженных участках.

При создании математической модели необходимо учитывать не только климатические показатели (силу ветра), но и близлежащую городскую застройку, наличие лесных посадок, рельеф местности – наличие возвышенностей или впадин, водоемов.

Для проектировщика становится задача – как понизить колебания, которые происходят из-за воздушных порывов. Конструктивные решения об аэродинамике высотного здания принимаются уже с первых этапов определения формы конструкции, высоты и расположения.

Снизить ветровую нагрузку могут следующие параметры:

• Обтекаемые формы, отсутствие резких углов.
• Дополнительные проемы для беспрепятственного прохождения потока.
• «Ступенчатая» конфигурация строения – от большой площади к малой.

Также принимаются решения о звукоизоляции и теплоизоляции. Из-за ветровой нагрузки вокруг здания появляется свист, а на верхних этажах даже через плотно затворенные окна гуляет сквозняк.

Объемно-пространственные решения проекта высотного здания

Есть несколько применяемых конфигураций:

• Круг. Это лидер по многим показателям. Такой объект очень устойчивый, так как ни одна стена не имеет углов, нагрузки распределяются равномерно – как внутренние, так и внешние.
• Капля. Овал также имеет перечисленные преимущества округлости, но позволяет достичь большей высоты. Любые геометрические фигуры со скошенными углами выигрывают стандартным прямоугольникам.
• Квадрат или ромб. Так преимущественно возводят небоскребы, у которых не более 60 этажей. Достоинство – рациональное использование всей площади, что при закругленных линиях иногда затруднительно.
• Несколько фигур. Иногда вышки стоят не одиночно, а группой, при этом часто проектирование монолитных высотных зданий и сооружений предусматривает наличие перехода из одной свечки в другую. Это не только удобно, но и значительно уменьшает нагрузки на постройки.
• Буквами «Г» и «Н». Такие строения очень прочные, но в их план должны быть внесены шахты для лифтов и лестничные пролеты в двух или более местах.
• Линия. Пластины или волны имеют большой недостаток, они сильно подвержены влиянию ветра, если он будет направлен поперек дому, но в Азии часто строят жилые многоэтажки по такому принципу.

Это только базовые элементы, на деле проектировщик их комбинирует в зависимости от необходимости, функциональности и прочих параметров. Несколько советов при принятии конструктивных решений:

• Если здание сужается кверху, то это значительно увеличит его устойчивость. Пирамида может быть плавной или ступенчатой, с заостренным концом или усеченным. Наклон может сделать жесткость несущих наружных конструкций выше до 50 процентов.
• Для улучшения аэродинамики и сопротивляемости воздуха можно поступить двумя способами – либо сделать сквозные отверстия, либо горизонтальная поверхность должна быть покрыта выступами и впадинами. Это облегчает процесс обтекания ветра. Именно на этом принципе строятся китайские «волны».

Планировочные решения при проектировании многоэтажек

Важно максимально эффективно задействовать всю полезную площадь изнутри. Для этого нужно:

• компактно разместить лифтовые шахты и лестничные пролеты;
• рассчитать количество лифтов – из положения, что ожидать подачи кабины человек должен не более 0,5 минуты;
• все несущие конструкции, по возможности, делать в межстенном пространстве, чтобы колонны и балки не пересекали полезную площадь.

Затем происходит распределение всех помещений под определенные нужды. От этого зависит их планировка, поэтому на плане заранее должно быть предусмотрено, сколько квадратных метров отдается под жилые квартиры, под парковочные места, торговые площадки, офисы и пр.

Требования и правила проектирования фундамента высотных зданий и комплексов

Основание – это самый важный элемент всей постройки, так как от него зависят все возможные проседания, разломы, перекосы.

По рекомендациям для проектировщиков указано, что максимальная нагрузка на фундаментные плиты должна быть не более чем 0,8–1 МПа. При этом это значение необходимо равномерно, симметрично распределить по всем элементам основы с возможным увеличением в центре. Еще одно правило проекта небоскребов – соотношение ядра и периферии должно быть одинаковым на всех точках расстояний.

Различают следующие фундаменты:

• Плиточный – экономичный, быстрый и удобный в заливке, но не самый прочный. Он не выдерживает более 0,5 МПа. При этом применять такой тип можно только на тех участках, где очень крепкий грунт.
• Свайный – более надежный, но сложный из-за проведения объемных земляных работ. Необходимо рыть большие котлованы, так как сваи могут достигать 6 метров в диаметре и до 30-40 м в глубину.
• Свайно-плитный – применяется чаще всего при комбинированном проектировании несущих конструкций многоэтажного здания, когда одна его часть, например, ядро требует более высоких нагрузок, а вторая – небольших.

Система несущих стен – варианты строительства

Есть много видов проектов. Рассмотрим самые популярные небоскребы:

• Каркасные. Их основной элемент – это вертикальные ребра. Для увеличения жесткости можно также применять горизонтальные диафрагмы – перекрестно-несущие стены.
• Ствольные. Это центрированная конструкция, оптимальна при простой конфигурации, например, круглой. В центре – ствол. Это может быть монументально выполненная шахта лифта. Размер лифтового пролета должен соотноситься к высоте всего здания по пропорции 1:6, но не превышать 20 процентов от всей площади постройки.
• Коробчатые. Это модифицированный предыдущий вариант, так как помимо ствола имеет несущие функции оболочка. Это металлическая решетка, расположенная сетью. Диагональные связи предопределяют четкую форму здания – без плавных линий.
• «Труба в ферме» с аутригерами. Это самый прочный вариант, когда помимо прочной оболочки есть ребра жесткости от ядра к поверхности. Перекрытия могут располагаться с 50 этажа и выше.

Все эти варианты применяются и считаются эффективными. Чем выше небоскреб, тем больше конструктивных решений для прочности необходимо.

Методика расчета конструкции высотного здания определяется по формуле экономии:

• C – стоимость затраченных материалов;
• P – полезная площадь конструкции.

При этом оптимальное отношение диаметра к высоте высотки – 1:8. Если значение превышает предложенную норму, то это может повлечь за собой деформации.

Используемые материалы

Бетон прочно вошел в арсенал архитекторов, без него уже невозможно представить ни одну многоэтажку. Этот материал обладает, в сочетании с железом, следующими функциями:

• огнестойкость;
• прочность;
• минимальные колебания;
• высокая тепло- и звукоизоляция;
• приемлемая стоимость;
• простота строительных работ.

Как строят небоскребы?

Огромные высокие здания – это всегда поражающие воображение конструкции. Как строят небоскребы и зачем это делают? Целесообразность таких решений происходит из-за больших темпах роста населения крупнейших городов. С другой стороны разработка проекта высотного здания очень сложна. Такое строение должно быть не только функциональным, но и безопасным. Поэтому сегодня для реализации подобных проектов применяют самые инновационные технологии.

Выбор места под строительство

Важнейшую роль в выполнении проекта играет выбор площадки под строительство. Высотки на много сильнее давят на грунт, чем обычные жилые здания. Поэтому небоскребы стоят только на плотной почве, которая не содержит полостей, неоднородных масс и залежей вод. Такие здания имеют массивную подземную часть. Очевидно, что закладка сложных конструкций фундамента требует тщательного анализа характера почвы.

Стены и несущие элементы

Современные небоскребы нельзя построить из обычного кирпича или бетонных плит. Такие конструкции неминуемо в короткие сроки потерпят разрушение. Как правило, при возведении высотных сооружений используют несущие, составные стальные конструкции. В качестве материала для всевозможных перекрытий используют железобетон высочайшей прочности.

Планировка

Внутренняя планировка небоскребов сильно отличается от стандартного жилья. Огромное внимание во время разработки, так и при дальнейшей эксплуатации здания, уделяют на пожарную безопасность. Ведь эвакуировать людей из здания огромной высоты при возникновении ЧП проблематично. Поэтому внутренне пространство небоскребов разделяют специальные противопожарные преграды. В таких зданиях всегда один резервный лифт постоянно подключен к бесперебойной подаче электропитания. Новейшие небоскребы спланированы таким образом, чтобы в чрезвычайных ситуациях люди могли укрыться на технических этажах, которые обычно простаивают пустыми. В то же время все входы в помещения чаще всего оборудуются двойными дверями. Реализуют это в целях предотвращения сквозняков, что снабжают пламя кислородом при возгораниях.

Жизнеобеспечение

Небоскребы всегда оборудуются системами,необходимые для экономного потребления энергии. Для этого часто реализовывают солнечные батареи. За водоснабжение отвечают производительные насосы, которые устанавливаются через каждые 10-15 этажей. Другими способами доставить воду на большую высоту просто невозможно. Ну и нельзя не отметить системы автономного кондиционирования воздуха.