Меню

Строительство высотных домов проекты

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.
Читайте также:  Как узнать планировку дома индивидуального проекта

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.

Проектирование высотных зданий — специфика

Деловой квартал > Небоскребы > Проектирование высотных зданий — специфика

По степени сложности проектирование высотных зданий, а также возведение их превосходят мосты и тоннели, главным образом за счет многократного преобладания высоты над площадью основания, что создает значительные нагрузки на несущие конструкции.

Огромная высота небоскреба приводит к значительно превосходящей типичную для среднеэтажной застройки степени воздействия природных факторов, таких как солнечная радиация и ветровая нагрузка, зачастую превышающая суммарный вес сооружения. Влияние оказывают и общая геологическая ситуация (качество подстилающих грунтов, сейсмическая опасность региона, наличие карстовых разломов), и ряд техногенных факторов (вибрации, шумы, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения). Проектирование высотных зданий – это решение комплекса градостроительных, природно-климатических, геологических, архитектурно-планировочных, конструктивных задач.

Должны быть решены и инженерные вопросы (вентиляция, отопление, водоснабжение, канализация, электрика и системы их управления), вопросы комплексной безопасности проживания, управления и мониторинга конструкций, а также меры, направленные на снижение негативного психологического воздействия на человека.

Каждая высотка сложна и уникальна, и ее сложность возрастает пропорционально ее высоте. В работе над ней принимают участие специалисты из разных областей. Например, в проектировании высотного здания Commerzbank принимали участие свыше 400 исследовательских групп. Основная ответственность ложится на архитекторов, координирующих работу. Поэтому во всем мире при архитектурных школах создаются специальные факультеты, готовящие специалистов по небоскребам. Существуют и проектные организации, специализирующиеся на высотных зданиях, – архитектурные Skidmore, Owings and Merrill, De Stefano and Partners, Foster and Partners, конструкторские Ove Arup and Partners, Thornton Tomasetti Groupe, Cantor Seinuk Group, инженерные RSE Engineering, Flack & Kurtz Consulting Engineers, строительная Turner Construction.

ГЕОЛОГИЯ И ГРУНТЫ

Решение о строительстве высотного здания во многом зависит от качества грунта на участке и его несущей способности. Основной фактор риска в строительстве высоток – оценка несущей способности грунта. При ее анализе и расчете фундаментных плит необходимо учитывать специфику этого типа зданий. Один и тот же грунт в зависимости от неоднородности строения, от технологии возведения может иметь значения «модуля деформации», в 2–5 раз различающиеся между собой. Расчет подземной части высотки выполняется по двум предельным состояниям: по несущей способности и по деформациям (осадкам, кренам, прогибам и т.д.) с учетом принятой технологии возведения. Проектирование фундаментов учитывает особенности грунтов, результаты лабораторных и полевых испытаний, а также обследований окружающей застройки, ее оснований и фундаментов.

По современным способам расчетов основания армирования фундаментной плиты определяется достаточно приблизительно.

В процессе строительства и эксплуатации продолжают измеряться значения контактных напряжений характерных точек, опорных сил, осадки. Если данные не соответствуют рас- четным, то проводится упрочнение грунта. По прогнозам экспертов, развитие геотехнических модельных вычислений, опыт применения эффективных строительных технологий со временем сведут к минимуму риски, связанные с непредсказуемостью поведения грунтов.

АЭРОДИНАМИКА

Можно сказать, что для высотных зданий влияние климата, ветра, изменение атмосферного давления являются экстремальными. До перехода на каркасную систему этой проблемы просто не существовало. Первые кирпичные высотки не были подвержены ветровому воздействию, в отличие от современных сооружений с большими пролетами несущих конструкций, навесными фасадами и предельной высотой.

Изучение воздействия ветра возможно с помощью физического или математического моделирования. Первое осуществляется при испытании в специальных аэродинамических трубах моделей в масштабе от 1:150 до 1:500. Это позволяет определять градостроительно-планировочные недостатки, чрезмерные нагрузки на конструкции, возможные места возникновения вибраций и шумов. Полученные результаты переносятся на реальный объект с корректирующими коэффициентами точности. При математическом моделировании учитываются скорость, направление и характер ветра, а также рельеф местности, плотность окружающей застройки, наличие поблизости леса и объемно-пространственная структура самого здания. Чем больше объектов находится рядом, тем больше высота, на которой достигается максимальная ветровая нагрузка. В области пограничного слоя воздуха скорость ветра может увеличиться в четыре раза. Под пограничным слоем понимается приземной слой атмосферы (в центре городов

460 м), в котором поверхность земли оказывает тормозящее воздействие на движущую массу воздуха, выше его скорость ветра постоянна.
Нагрузки, вызванные воздушными потоками повышенной скорости вокруг здания (турбулентные, круговые восходящие, всасывающие), создают колебания, сравнимые с 4- и даже 5-балльным землетрясением.

Читайте также:  Самые просторные проекты домов

Кроме этого возникают неприятные звуки от перекоса конструкций, от проникания таких потоков в оконные щели, а также «завывание» вокруг здания. Наибольшее давление ветра наблюдается в центре вертикальной поверхности с наветренной стороны, где движение ветра практически прекращается. Давление постепенно уменьшается по мере возрастания скорости потока в направлении верха здания. Примерно с середины высоты 40% потоков воздуха начинает движение вниз вдоль фасада. Это может создавать ветровые нагрузки на уровне входа в здание даже большие, чем на высоте 100 м.

Существуют надежные методики учета аэродинамики, следуя которым проектировщик может добиться снижения ветровых нагрузок. Они должны применяться с самого начала проектирования высотных зданий, с постановки сооружения на участке в соответствии с розой ветров, с выбора объемно-пространственного решения.

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЪЕМНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РЕШЕНИЯ

Наиболее рациональные формы высоток можно расположить в определенной последовательности, по степени уменьшения воздействия воздушных потоков на их конструкции. Абсолютным лидером является круглый план. Отсутствие выступов позволяет воздуху обтекать объем, не создавая при этом завихрений, появляющихся на углах прямоугольных в плане построек.

Примерами могут служить Marina City в Чикаго или Torre Agbar в Барселоне. Второе место принадлежит планам в форме, производной от круглой, – овальной, в форме линзы или капли. С середины ХХ века все больше высоток имеют подобные планы, что связано с увеличением их высоты, при которой оптимальный объем с точки зрения аэродинамики – не художественный прием, а необходимость. Переходная форма треугольника со скругленными углами чрезвычайно популярна благодаря своей пространственной жесткости. Прекрасный примердля подражания – Commerzbank во Франкфурте.

На третьем месте – столь же распространенные, как и сто лет назад, квадратные или ромбовидные планы. Это решение наиболее популярно для зданий не выше 60 этажей, поскольку они более подвержены горизонтальным нагрузкам. На четвертом месте – высотки, спаренные конструктивно или композиционно. Они, как правило, имеют круглую форму, как, например, Petronas Towers (Башни Петронас) в Куала-Лумпуре. Объединяющий их мост на 42-м этаже является фермой с подпорками, которая работает как стабилизатор колебательных деформаций обеих башен.
При помощи Г- и Н-образного плана можно добиться увеличения показателей прочности и жесткости сооружения. Однако в подобном типе зданий, которые в нашей классификации находятся на пятом месте, приходится размещать несколько лестнично-лифтовых узлов, что снижает выход полезной площади.

Замыкают ряд протяженные здания в виде пластины, дуги или волны. В последнее время, преимущественно в Китае, подобные сооружения делаются жилыми, их высота составляет 40–60 этажей. При этом архитекторам приходится искать альтернативные пути борьбы с воздушными потоками, вызванными огромной парусностью домов.

Стереотипные представления о небоскребах как о прямоугольных башнях, балансирующих на маленьком пятачке, зажатом среди соседних городских кварталов, на сегодня устарели. С тех пор, как высотки перестали быть только офисными зданиями и сделались жилыми домами, гостиницами, многофункциональными комплексами, они значительно расширили свою типологию. Их формы в зависимости от расположения и функции могут быть очень разнообразными – напоминающими парус, огурец, ворота или пагоду-переростка.

Аэродинамические нагрузки и распределение веса конструкций здания по вертикали требуют, как минимум, сохранения конфигурации по всей его высоте. С точки зрения устойчивости сужающаяся кверху форма предпочтительна. В этом случае сооружение занимает весь участок, а затем площадь этажей уменьшается. Это могут быть плавные изменения в силуэте здания по наклонной или дугообразной линии либо скачкообразные, уступчатые формы.

В здании, имеющем форму пирамиды, наклон наружных плоскостей может увеличить жесткость конструкций на 10–50%. Уменьшить ветровую нагрузку можно с помощью переменного расширения и сужения горизонтального сечения здания. В этом случае для потоков воздуха создаются каналы, по которым им легче обтекать объем. Эту роль выполняют сквозные проемы, которые могут располагаться в разных частях здания. В любом случае испытания в аэродинамической трубе проектных моделей подобных сооружений должны проводиться с особой тщательностью, поскольку проемы могут оказывать усиливающее влияние на скорость ветра.

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ

Вопросы ветровой нагрузки и связанные с ними оптимальные формы высоток неотделимы от их конструктивных решений, от которых зависит и рациональное распределение площадей каждого этажа. В планировке нужно максимально экономно и компактно разместить лестнично-лифтовые узлы. Для определения количества лифтов стоит рассчитать, сколько человек будет ими пользоваться в час пик, ведь максимальное время ожидания кабины может составлять не более 28 секунд. Архитектору также предстоит расположить несущие конструкции с учетом оптимального использования площади, по возможности освободив периметр от массивных элементов.

Конфигурация сооружения, расположение его центрального ядра и соотношение размеров ядра и здания – это базовые параметры в проектировании высотных зданий. Взаимосвязь планировочных, объемных и конструктивных показателей превращает придуманную архитектором форму в работающую схему.

Надежность и безопасность высотного здания зависит от принятых решений по сложнейшей системе, состоящей из подземной (фундаментов, отвечающих за восприятие и передачу суммарных нагрузок от здания на грунтовое основание) и наземной частей.

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

Высотное здание – это вертикальная консоль, жестко закрепленная в фундаменте, поэтомуего надежность гарантирует устойчивость всего сооружения. Суммарная удельная нагрузка на основание может достигать 0,8–1 МПа. Основным правилом для высотных зданий является соблюдение симметричной центрированной нагрузки на фундамент.
В высотном строительстве большое распространение получили следующие фундаменты:

  • плитный фундамент. Применяется при хорошей несущей способности грунта и является наиболее экономичным для высотного строительства. Выполняется либо сплошным, монолитным, причем его толщина может доходить до 5 м, либо монолитным железобетонным коробчатым. В Москве особенности грунтов и сложные техногенные условия не позволяют принимать удельные нагрузки на основание под плитными элементами фундамента более 0,4–0,5 МПа;
  • свайный фундамент. Применяется при низкой несущей способности грунта. Могут быть применены сваи-стойки или висячие сваи, которые в зависимости от геологии грунтов и нагрузок на основание могут составлять в диаметре 3–4 м, а в некоторых случаях даже 6 м при длине 30–40 м;
  • свайно-плитный фундамент. При таком фундаменте расположение и длина свай определяются неравномерностью восприятия нагрузок грунтом, от чего зависит плотность свайного поля и толщина плиты. Кроме того, может быть применен комбинированный фундамент под разные части здания в различных сочетаниях, например: под менее загруженную часть – ленточный, а под ядро –глубокого заложения. При этом необходимо учитывать разность осадки таких фундаментов.

НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ НАЗЕМНОЙ ЧАСТИ

Изначально применялись три основные конструктивные схемы высоток: каркасная, каркасно-ствольная и бескаркасная с параллельными несущими стенами. Со временем было разработано еще несколько типов: каркасная с диафрагмами жесткости, рамно-каркасная, бескаркасная с перекрестно-несущими стенами, ствольная, коробчатая (оболочковая), ствольно-коробчатая («труба в трубе» или «труба в ферме»).
Каркасные и рамно-каркасные системы применяют при высоте здания до 100–150 м. Схемы с перекрестно-несущими стенами, обеспечивающие большую жесткость, могут применяться в строительстве жилых домов и гостиниц до 40 этажей, поскольку им соответствует планировочная структура таких зданий. Стремление к достижению большей жесткости связано с резким увеличением массы сооружений и ограничением планировочных решений.

Для повышения жесткости конструкции и обеспечения свободной планировки применяют ствольные и каркасно-ствольные системы. Стволом, или ядром, как правило, является монолитно выполненный лестнично-лифтовый узел. Данная система обеспечивает необходимую жесткость здания до высоты в 50–60 этажей, поскольку его геометрия зависит от геометрии ядра, предельное соотношение ширины которого к высоте определяется как 1:6 (максимум 1:10). При этом ядро не должно занимать больше 20% от площади этажа.

Читайте также:  Проект дома душечка все варианты

Ограничение по высоте ствольных систем до 80–90 этажей преодолевается, если в качестве несущей оболочки выступает внешний периметр. Такие системы называются коробчатыми или оболочковыми. В них наружная несущая оболочка может выполняться в виде безраскосной и раскосной решетки из стали или железобетона. Безраскосная решетка не вызывает затруднений при размещении светопрозрачных ограждений по фасаду, но уступает раскосной в обеспечении жесткости конструкции. Диагональные связи-раскосы, образующие ствольно-коробчатые системы «труба в ферме», не позволяют применять пластические решения фасадов и требуют частого расположения несущих стоек по периметру сооружения.

Система «труба в ферме» может эффективно применяться в зданиях свыше 100 этажей.
До высоты в 250–300 м возможна конструкция только с несущим стволом и опирающимися на него аутригерами-консолями (усиленными перекрытиями, способными воспринимать нагрузку от нескольких выше или ниже лежащих уровней и передающих ее на ядро), расположенными каждые 5–20 этажей. В зависимости от схемы аутригеры могут достигать высоты в несколько метров, в этом случае они располагаются в пределах технических этажей. Аутригеры должны быть затянуты в единую систему по периметру здания колоннами, работающими на растяжение, чтобы сократить колебательные ускорения наверху от ветровой нагрузки.

Каждая из схем экономически целесообразна для зданий определенной высоты или соотношения высоты и ширины. Показателем экономической эффективности является расход материала на изготовление несущих конструкций, поделенный на общую площадь. Таким образом, перед конструкторами стоит задача свести к минимуму вес сооружения при обеспечении необходимой надежности. Улучшить условия работы здания под нагрузкой и повысить его жесткость позволяет равномерное распределение вертикальных нагрузок на несущие элементы.

Если необходимость восприятия ветровых нагрузок требует повышения жесткости, сейсмические воздействия, напротив, диктуют повышение его гибкости, чтобы колебания гасились конструкцией без ее разрушения. Гибкость большинства высоток, коэффициент отношения высоты к ширине, обычно 1:8. Большие значения приводят к недопустимым колебаниям верха здания и необходимости использования демпфирующих элементов.

Эти колебания должны быть ограничены по соображениям надежности (не более 0,08 м/с2), а также для обеспечения психологического комфорта. Определить баланс между показателями гибкости и жесткости – еще одна сложность в разработке конструкций высоток. Особые требования к конструктивному решению предъявляют также проблемы безопасности, в частности защиты от прогрессирующего обрушения. Теперь в методиках расчета предусматривается моделирование поведения системы в случае выхода из работы части несущих конструкций, способных повлечь за собой падение всего здания.

МАТЕРИАЛЫ

В строительстве высоток применяют преимущественно сталь и бетон. В начале «эры небоскребов» для каркасных систем использовали металлические колонны и балки. Профильные элементы соединялись при помощи заклепок или болтов в пространственные структуры. Изобретение железобетона в конце XIX века потеснило сталь, но до середины ХХ века нельзя было утверждать, что один материал полностью вытеснил другой. И тот, и другой применялись в строительстве одновременно.

После второй мировой войны все чаще высотные здания стали строить из железобетонных конструкций, которые позволяют механизировать монтажно-строительные процессы, а также разнообразить архитектурный облик сооружений. Они обладают большей огнестойкостью, устойчивостью, обусловленной большим весом, быстрым затуханием колебаний.

Стальные конструкции необходимо защищать от воздействия огня при помощи специальных покрытий или бетона. Благодаря своим характеристикам сталь и бетон могут комбинироваться при учете разницы их свойств. Для высоконагруженных несущих конструкций (колонн, стоек, ригелей) применяют железобетон с жесткой арматурой в виде прокатных профилей, а также комбинированные сталебетонные конструкции.

Использование бетона для подобных целей стимулирует совершенствование этого материала. Разрабатываются новые смеси, обладающие специальными качествами. Созданы бетоны классов В80 и В100, по прочности приближающиеся к стали. Широко применяются более низкие классы высокопрочных бетонов В60 и В70, так как с ростом прочности бетона возрастает его стоимость, повышается хрупкость и снижается огнестойкость. Тем не менее применение высокопрочного бетона и его модификаций позволяет сократить расход арматуры до 35% и обеспечивает набор прочности за двое-трое суток не только в нормальных, но и в зимних условиях без применения электропрогрева. Бетоны высокой консистенции и самоуплотняющиеся бетоны позволяют возводить густоармированные конструкции совершенно без вибрации либо с очень небольшим виброуплотнением.

ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

Каркасная система, ставшая базовой при строительстве высоток, изменила и принципиальное решение наружных ограждающих конструкций. Толстые массивные стены уступили место легким конструкциям, либо опирающимся на межэтажные перекрытия, либо подвешивающимся к ним и выполняющим только функцию защиты от климатических, атмосферных факторов и обеспечивающим тепловую изоляцию. С развитием фасадных технологий со второй половины ХХ века появилась возможность использовать легкие профильные системы с заполнением панелями из алюминия, специального стекла, полимерных материалов. В современных высотках широко применяют вентилируемые системы, отделанные натуральным или искусственным камнем, декоративными металлическими листами, фибробетонными экранами и другими материалами.

Требования к фасадным системам, предназначенным для высотного домостроения, значительно превосходят требования к ограждающим конструкциям обычных домов, благодаря многократному возрастанию всех видов нагрузок – как динамических, так и климатических. Фасады высоток должны быть воздухо- и паронепроницаемыми, погодостойкими, огнестойкими, технологичными, шумоизоляционными, долговечными и надежными в эксплуатации, ремонтопригодными, а также обладать хорошими теплоизоляционными свойствами, низким коэффициентом температурного расширения и небольшой массой.

Фасадные конструкции должны не только выдерживать прямое давление ветра (до 20–25 м/с), но и сопротивляться усилиям на отрыв, возникающим при движении воздуха вдоль стены и появлении зон отрицательного давления из-за турбулентности. Климатическое воздействие на фасадные системы не ограничивается ветром. В зависимости от климатических условий на конструкции могут оказывать воздействие солнечная радиация, ливневые дожди, грозы и смог.
Фасадные системы постоянно совершенствуются, разрабатываются новые технологии изготовления и монтажа конструкций, материалы (керамика в комбинации с боросиликатным стеклом, панели из металлической пены, нанокомпозиты, стеклянные панели с супергидрофобным самоочищающимся слоем и т.д.).

Совершенствуются и стыковые соединения, узлы крепления и внешний дизайн. Особую роль в истории высотного строительства сыграли светопрозрачные ограждающие конструкции. Возможность сделать максимально прозрачными наружные стены придавала идее сверхвысоких зданий особое значение. Вид с высоты птичьего полета можно было получить, просто сидя в кресле за рабочим столом на 40-м этаже небоскреба.

С развитием конструктивных систем, позволяющих строить все более высокие и сложные структуры с наружными раскосными решетками, ограждающие конструкции вновь стали выполнять несущую функцию. Пространственные стальные и бетонные скелеты с диагональными распорками взяли на себя часть веса здания. При этом стеклянные фасады сохранили за собой главную роль – ограждающей и защищающей сооружение оболочки.

Светопрозрачные системы для высотных зданий проектируются с соблюдением нескольких условий. Профильные несущие элементы для увеличения прочностных качеств и долговечности, как правило, изготавливаются из стали. В светопрозрачном заполнении используются особо прочные, пожаростойкие, низкоэмиссионые и солнцезащитные стекла. Окна традиционной конструкции при использовании в высотных зданиях не обеспечивают требуемого сопротивления воздухопроницанию, поэтому разрабатываются специальные конструкции заполнения световых проемов. Во всем мире широко применяются системы double skin с внешними защитными экранами из особо прочного стекла. Они позволяют делать внутреннее остекление частично или полностью открывающимся. В обычных одинарных фасадах стеклянные конструкции делаются неоткрывающимися из соображений безопасности и из-за сильных воздушных потоков вокруг здания. В них применяют окна с воздухозаборными клапанами.

Adblock
detector