Вы здесь

Высотное строительство из монолитного железобетона

Версия для печати

Введение

Высотные здания являются уникальными объектами с точки зрения архитектуры, конструкций, технологий возведения, эксплуатации и обеспечения их безопасности. В Беларуси к таковым принято относить многоэтажные здания жилого назначения высотой 75 м, общественного и многофункционального назначения высотой 50 м. За высоту принимают разность отметок от поверхности проезжей части ближайшего к зданию проезда до отметки пола верхнего этажа, не считая технического [1]. В мировой практике официально высоту здания оценивает Совет по высотным зданиям и городской среде (The Council on Tall Buildings and Urban Habitat, CTBUH) – от уровня тротуара у главного входа по четырем категориям:

  • до уровня последнего этажа;
  • до крыши сооружения;
  • до верха конструктивных элементов здания;
  • до архитектурной вершины сооружения (верхней точки шпиля, мачты, антенны, флагштока).

В настоящее время первенство среди построенных зданий удерживают:

  • башня "Бурж Дубай" высотой 818 м в г. Дубае (ОАЭ);
  • башня "Тайбэй 101" высотой 509 м (КНР);
  • башня "Сирс Тауэр" высотой 527 м (США).

Самой высокой (553 м) среди отдельно стоящих конструкций, которая не попадает под определение "здание", является телебашня "Си-Эн Тауэр" (Канада).

В мире существует негласное правило, что страны, построившие высотки, входят в своеобразный клуб, членство в котором весьма престижно. К строительной элите сегодня подтягиваются наши соседи: Россия, Украина и Казахстан. Высотное строительство активными темпами развивается во всем мире. Тон ему задали еще в конце XIX столетия США, считающиеся родиной небоскребов. В Европе первые высотные сооружения появились только в 1950–1960-х годах с отставанием от Америки на полвека. Позднее в погоню за высотой зданий активно включились страны Юго-Восточной Азии и Персидского залива. Весьма впечатляет опыт Китая. Гонка за высоту продолжается.

Республика Беларусь делает первые шаги в деле освоения высотного строительства. Оно, безусловно, ознаменует переход на совершенно новый, более высокий научно-технический уровень конструирования здания, обеспечения надежности и безопасности сложных инженерных систем, применения новых материалов и технологий интенсивного возведения, средств измерения и контроля за строящимся сооружением. Огромная ответственность за проектирование, возведение и эксплуатацию высоток такова, что права на ошибку не дано [2]. Специалисты РУП "Институт БелНИИС" принимают самое непосредственное участие в создании и становлении белорусской школы высотного строительства.

Тенденции строительства высотных зданий

Архитектурное разнообразие современных высотных сооружений требует соответствующего конструктивного решения самого каркаса зданий. Первые небоскребы возводились на основе стального каркаса, жесткость которого обеспечивалась исключительно решеткой стальных колонн. Использование стальных каркасов, однако, имеет свои плюсы и минусы. Высокая стоимость, низкий предел огнестойкости, ограничения конструктивного плана и др. составляют отрицательную сторону вопроса [3].

Начиная с 1960-х годов востребованы комбинированные сталебетонные каркасы. В последние десятилетия превалирующим конструктивным материалом для небоскребов стал монолитный железобетон. Упор на него сделан в Европе, ему же отдают предпочтение страны Юго-Восточной Азии и Персидского залива. Применение монолитного железобетона в зданиях высотой до 70 этажей позволяет повысить их жесткость, огнестойкость конструкций, гарантирует большую устойчивость против прогрессирующего обрушения, содействует быстрому затуханию колебаний и делает возможной реализацию смелых архитектурных замыслов.

Достигнутый уровень технологии монолитного бетона, несомненно, способствует развитию этого вида строительства, что немаловажно. Поэтому в Беларуси высотные здания будут возводиться из монолитного железобетона. За последнее десятилетие в нашей стране сделаны весьма заметные и ощутимые шаги в деле создания и массового освоения новых конкурентоспособных опалубочных технологий, технологий модифицированного бетона, технологий возведения каркасных зданий, уникальных объектов и др. [4].

РУП "Институт БелНИИС" с целью изучения мирового опыта и тенденций в высотном строительстве принимало участие в международной конференции Совета СТВИН в Москве в 2008 г., других международных конференциях по высотному строительству в Москве и Киеве. Следует отметить, что ведущие мировые фирмы весьма неохотно делятся наработками и не раскрывают свои технические ноу-хау. Достаточно подробный анализ опыта строительства небоскребов в США, Канаде, странах Европы и Азии приведен в вышедшей в 2010 г. монографии известного российского ученого Ю.Г. Граника [5].

Возможность более тщательно на практике изучить особенности проектирования, строительства, контроля качества и мониторинга дает посещение строящихся небоскребов. Специалисты РУП "Институт БелНИИС" побывали на стройплощадках самых высоких зданий в мире. Коротко остановимся на результатах их посещения.

Китай уделяет значительное внимание данному виду строительства. В таких мегаполисах, как Шанхай, Пекин, Харбин и др., упор сделан на возведение небоскребов из монолитного железобетона (рис. 1, 2). Следует отметить, что в ряде регионов Китая сейсмичность может достигать 8–9 баллов. В этих условиях каркас из монолитного железобетона ведет себя прогнозируемо и обеспечивает устойчивость зданий при неблагоприятных сейсмических воздействиях. Проектирование и строительство небоскребов контролируется государством. Достаточно сказать, что в этом процессе разрешено участвовать лишь двум фирмам – Шанхайской и Пекинской строительным компаниям, к квалификации и опыту персонала которых предъявляются очень высокие требования.

Освоение высотного домостроения Китай начал с совместного с иностранными компаниями (в основном США) проектирования и возведения подобных зданий. В настоящее время опыт Китайской Народной Республики позволяет самостоятельно осуществлять большую программу строительства жилых и административных сооружений в высотном исполнении.

Несмотря на мировой экономический кризис, процесс появления новых высоток в КНР не сбавляет оборотов. В ноябре 2010 г. группа специалистов РУП "Институт БелНИИС" при содействии Шанхайской строительной ассоциации посетила стройплощадку самого высокого – 632 м – здания в г. Шанхай (рис. 3). Мы и в дальнейшем будем внимательно наблюдать за этой стройкой.

Объект запроектирован американской компанией на основе сталебетонного каркаса. В качестве исходных взяты американские нормы с учетом требований китайской нормативной базы по нагрузкам, безопасности и пр.

Как выяснилось в ходе бесед со специалистами, – и это мировая практика – проектирование самого здания и разработка технологии его возведения ведутся параллельно и неотделимо друг от друга. К строительству приступают только после проверки независимыми организациями-экспертами всей проектной и технологической документации. Очень тщательно выполняют фундаменты и подземную часть сооружения. К возведению каркаса приступают только после устройства и контроля качества всего фундамента, представляющего собой свайное поле из буронабивных свай, объединенных жесткой фундаментной плитой. Количество свай – 3000 штук, длина – 89 м, диаметр – 1,0 м, расстояние между сваями в осях – 3,0 м, толщина плиты – 3,0 м (рис. 4). Подземные этажи будут возводить по технологии "сверху-вниз".

Предполагаемый общий срок строительства с 2008 по 2014 г. В здании применяются в основном материалы и конструкции китайского производства, рабочие и ИТР на стройплощадке – местные жители.

Посещение группой специалистов нашего института строительной площадки самого высокого здания в мире – башни "Бурж Дубай" (BURJ DUBAI) в г. Дубай (рис. 5) следует отметить особо.

Проект Тhe Burj Tower разработали архитекторы и инженеры фирмы Skidmore, Owings & Merrill (г. Чикаго, США). Автор проекта – Эдриан Смит. Заказчик строительства – компания Emaar Properties PJSC. Строительство небоскреба осуществляли Samsung (Республика Корея), Besix (Бельгия) и Arabtec JV (ОАЭ).

Об уникальности гигантского сооружения, не имеющего аналогов в мире, можно судить по его основным характеристикам: общая высота с металлическим шпилем – 818 м, высота железобетонного здания – 643,3 м, количество этажей – 164, общая площадь – 344 000 м2 [6].

Строительство небоскреба, начатое в 2004 г., проходило со скоростью 1–2 этажа в неделю. На его создание ушло около 320 тыс. м3 бетона и более 60 тыс. т стальной арматуры. Бетонные работы завершены после возведения 160-го этажа.

Группа специалистов РУП "Институт БелНИИС" получила возможность ознакомиться с технологией возведения уникального колосса и подняться на 160-й этаж на высоту 611 м (рис. 6). В ходе переговоров с компанией Besix (Бельгия), которой мы благодарны за содействие в посещении выдающейся стройки, удалось из первых рук узнать о некоторых конструктивных и технологических особенностях уникального сооружения.

Строительство велось непрерывно в две смены по 12 часов с использованием самых передовых технологий. Высокомарочная бетонная смесь подавалась при помощи бетононасосов на высоту 611 м, что является абсолютным мировым рекордом. Распалубка монолитных конструкций осуществлялась через 10 часов. Эти показатели достигались за счет применения комплекса химических модификаторов бетона, состав которых фирмы нам не раскрыли.

Разработке технологии строительства столь высокого здания уделялось не меньше внимания, чем его проектированию. Высокие темпы диктовали требования к самой конструкции каркаса. Фрагмент опалубочной технологии возведения башни приведен на рис. 7.

Многие другие секреты появления рекордных по высоте зданий по известным причинам остались "за кадром". Но полученные сведения окажутся полезными при возведении белорусских высоток.

 

Нормы высотного строительства в Беларуси

В ранее существовавшей отечественной нормативной базе полностью отсутствовали нормативные документы не только по проектированию, пожарной безопасности, но и строительству зданий высотой более 75 м. Громадный комплекс проблем, присущий высотному строительству, – архитектурных, инженерных, связанных с эксплуатацией и обслуживанием современных высоток, – поставил перед научными и инженерно-техническими работниками, проектировщиками, строителями, подразделениями по борьбе с чрезвычайными ситуациями весьма ответственные задачи, которые необходимо решить.

Республика Беларусь не располагает в полном объеме руководящими документами в области проектирования, экспертизы проектной документации, производства и контроля качества работ, эксплуатации и обеспечения комплексной безопасности высотных зданий. Следует отметить, что такой базы в достаточной мере не имеют и соседние страны СНГ – Российская Федерация и Украина. Несмотря на это, они активно включились в процесс высотного строительства, привлекая иностранных специалистов для проектирования. На сегодняшний день в Москве и Санкт-Петербурге действуют временные территориальные нормы для проектирования высоток [7].

В зарубежной практике нормативы по проектированию и строительству высотных зданий также отсутствуют. Этими навыками владеет лишь небольшое количество зарубежных фирм, которые в основном и проектируют сооружения, не стремясь делиться своими знаниями. Информация является корпоративной и не подлежит разглашению.

Все это предопределило необходимость разработки отечественных нормативов. Министерство архитектуры и строительства поручило РУП "Институт БелНИИС" создать рабочие группы из наиболее квалифицированных ученых и специалистов ведущих организаций и в кратчайшие сроки подготовить два нормативных документа – по проектированию и строительству высотных зданий. Между тем, чем больше разработчики нормативов вникали в тематику этого вида строительства, тем больше проблем выявляли и в научных исследованиях, и в проектных решениях. Пока накоплен очень небольшой отечественный опыт проектирования и строительства уникальных сооружений, высоток в России и Украине; нет полных данных по их эксплуатации и мониторингу; мало изучены составляющие этого процесса в Америке, Азии и Европе. Надо признать, наши знания и компетенции по высотному строительству, как и ближайших соседей, пока недостаточны, чтобы делать определенные обобщения, и ни в коей мере не снимают те сложности, неопределенности и риски, которые ожидают всех участников процесса – заказчиков, инвесторов, проектировщиков, строителей, эксплуатационщиков.

Вместе с тем концентрация научного потенциала и консолидация усилий проектных, изыскательских и других организаций принесла свои плоды. В немыслимо сжатые сроки разработаны, согласованы и утверждены два нормативных документа по высотному строительству.

В разработке ТКП 45–3.02–108–2008 "Высотные здания. Строительные нормы проектирования" принимали участие ведущие специалисты РУП "Институт БелНИИС" (руководитель М.Ф. Марковский), БрГТУ, БНТУ, НИИ ПБ и ЧС МЧС РБ, ряда ведущих проектных институтов республики. Плодотворными оказались усилия разработчиков в плане совмещения конструкционных подходов с требованиями пожарной безопасности и эксплуатации высотных зданий. Что касается их высоты, то нормативами вводится ограничение до 200, а для жилых зданий – до 100 м. Выше этой отметки, как правило, располагается зона смога города. И в этом случае потребуется устройство специальной системы вентиляции жилых домов.

Концептуально в рассматриваемом документе нашли отражение многие вопросы конструирования высоток из монолитного железобетона, устройства различных инженерных систем, расчета на прогрессирующее обрушение, учета сейсмических нагрузок, особенности расчета ветровых нагрузок и др. Они заслуживают отдельных публикаций, и мы на них подробно не останавливаемся.

Разработка второго не менее важного норматива ТКП-1.03–109–2008 "Высотные здания из монолитного железобетона. Правила возведения" [8] явилась весьма своевременной и актуальной задачей и также легла на плечи в основном специалистов РУП "Институт БелНИИС" (руководитель М.Ф. Марковский). В документе акценты сделаны на современные технологии возведения монолитных конструкций с применением различных опалубочных систем, оборудование для строительства на высоте, методы организационно-технологической подготовки и др. Обращается внимание на необходимость совместной разработки конструкций и технологии возведения монолитных каркасов здания.

Однако оба норматива не могут отменить многие неопределенности и риски, присущие высотному строительству на всех стадиях инвестиционного процесса. При проектировании возникают трудности с учетом специфических нагрузок и их сочетаний (ветровые нагрузки, прогрессирующее обрушение, возможности терактов, пожаров и т.д.). Не менее сложна задача обеспечения совместной работы в несущих конструкциях различных материалов, а также неравномерная нагруженность различных элементов каркаса.

Для строителей каждая высотка – уникальный объект со своими технологиями, опалубками, механизмами. И всякий раз они сталкиваются с новыми проблемами (рис. 8). При эксплуатации столь сложных строительных объектов неизбежны трудности с обеспечением надежной работы инженерных сетей и систем пожарной безопасности. Естественно, что инвесторы подвергаются рискам труднопрогнозируемых затрат на реализацию проекта высотного здания.

Научное сопровождение строительства высотных зданий

Проектирование высотных зданий следует выполнять в соответствии со Специальными техническими условиями (СТУ). Они разрабатываются с учетом основных положений Технического кодекса установившейся практики с целью конкретизации требований к архитектурно-планировочным и конструктивным решениям, уточнения противопожарных требований, требований к инженерным системам, системам мониторинга как на стадии возведения, так и на стадии эксплуатации, а также излагают порядок осуществления научно-технического сопровождения строительства высотного здания и др. Практика создания СТУ на высотные сооружения существует в России и Украине.

С целью нормализации и упорядочения системы разработки, согласования и утверждения СТУ Министерство архитектуры и строительства поручило специалистам РУП "Институт БелНИИС", "Стройтехнорм", НИИ ПБ и ЧС МЧС РБ разработать ТКП 45–1.01-… "Специальные технические условия в области архитектуры и строительства. Порядок разработки, построения, изложения, согласования и утверждения" [9]. Подготовка документа завершена в 2010 г.

Технический кодекс установившейся практики распространяется не только на высотные сооружения, но и на сложные экспериментальные объекты, на которые отсутствуют нормы проектирования. В соответствии с ним СТУ разрабатываются организациями, уполномоченными Министерством архитектуры и строительства и Министерством по чрезвычайным ситуациям. Для высотных зданий и сооружений из монолитного железобетона уполномоченными организациями определены РУП "Институт БелНИИС"; для разделов СТУ, содержащих противопожарные требования к объектам, – НИИ ПБ и ЧС МЧС РБ. Они уже имеют опыт совместной разработки СТУ для ряда проектируемых высоток в Минске.

Важным и обязательным условием является научно-техническое сопровождение и осуществление мониторинга поведения высотного здания в процессе его строительства и эксплуатации. В этом деле специалистами БелНИИС накоплен неоценимый опыт при возведении таких уникальных для республики объектов, как Национальная библиотека, Витебский амфитеатр, комплекс "Минск-Арена" [10] и др.

Под научным сопровождением понимается широкий круг решаемых задач. Это не только контроль качества бетонной смеси и бетона в конструкциях, арматуры и других материалов независимыми аккредитованными лабораториями. Конструирование каркаса, технология возведения высотного здания из монолитного железобетона не менее ответственная задача, чем само проектирование, и они ведутся параллельно. Это правило, выработанное мировой практикой, не подвергается пересмотру даже опытными фирмами. Главный упор, помимо функций контроля качества материалов и работ, делается на разработку и внедрение новых технологий строительства из монолитного железобетона, активное продвижение принципов технологичности конструкций в реальную практику, исследование нагрузок и воздействий на стадии возведения, осуществление мониторинга конструкций и грамотной интерпретации его результатов, анализ конструктивно-технологических решений несущих элементов каркаса с целью обеспечения надежности и безопасности высотных зданий и др. Практическая деятельность ставит все новые и новые задачи, которые не отражены в нормативной документации и нуждаются в научно обоснованных подходах.

В настоящее время в Беларуси внимание приковано к реализации проекта "Административно-торговый центр по проспекту Победителей, 7 в г. Минске" (высота 130 м) (рис. 9), высота его монолитного железобетонного каркаса уже перевалила за половину. Научное сопровождение строительства этого здания ведет РУП "Институт БелНИИС". Наши специалисты оказали также существенную помощь на начальном этапе возведения еще одной высотки – "Бизнес-центра по ул. М. Танка" (высота по отметке верха шпиля – 132 м).

Первый опыт выявил ряд проблем и особенностей по всем направлениям, которым не уделялось должного внимания. Прежде всего нуждается в преодолении психологический барьер практически всеми участниками инвестиционного проекта. Поскольку они имеют дело не с рядовым объектом, а с очень ответственным сооружением, приступать к его строительству следует только после полноценной экспертизы всего проекта и в первую очередь разделов, касающихся фундаментов и каркаса.

Дублирующие расчеты каркаса здания двумя независимыми организациями с использованием различных программных комплексов являются обязательными. Это мировая практика. К сожалению, имелись попытки параллельного проектирования и строительства самого каркаса здания, что недопустимо. Считаю необходимым еще раз напомнить, поскольку в этом проявляется определенное недопонимание, что проектирование и разработка технологии возведения здания должны идти одновременно. Нельзя приступать к строительству уникальных объектов, какими являются высотки, без полноценной и детальной технологической документации. От этого зависят качество строительства и безопасность производства работ на высоте. Не менее актуален вопрос мониторинга как за поведением здания в ходе строительства и эксплуатации, так и близлежащих строений, оказавшихся в зоне влияния строительной площадки. Подобную работу специалисты РУП "Институт БелНИИС" выполняют на возводимом высотном здании по пр. Победителей в Минске.

Эти и многие другие специфические вопросы найдут отражение в наших будущих публикациях.

Учитывая важность и актуальность высотного строительства для нашей страны, по заданию Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь РУП "Институт БелНИИС" выполняет комплекс научно-исследовательских работ, среди которых:

  • разработка конкурентоспособной технологии возведения монолитных каркасов высотных зданий;
  • разработка высококачественных модифицированных бетонов с высокими эксплуатационными показателями;
  • разработка бессварочных соединений арматуры на основе винтовых муфт;
  • исследования принципиальных подходов к инструментальному мониторингу и аналитической оценке напряженно-деформированного поведения несущего каркаса здания и др.

Специалистами института совместно с проф. В.В. Туром (БрГТУ) разработаны рекомендации по расчету устойчивости высотных зданий с поперечными монолитными стенами к прогрессирующему обрушению [11]. Можно констатировать, что первые шаги в строительстве белорусских небоскребов уже сделаны.

Литература

1. ТКП 45–3.02–108–2008 "Высотные здания. Строительные нормы проектирования".

2. Марковский, М. Высотное домостроение. Без права на ошибку // Архитектура и строительство. – 2007. – № 1. – С. 44–47.

3. Магай, А.А. Материалы и конструкции высотных зданий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2008. – № 8. – С. 82–83.

4. Марковский, М.Ф., Нехай, В.С., Ашмян, М.Л. и др. Интенсивное возведение монолитных конструкций комплекса "Минск-Арена": научное сопровождение и технологии // Архитектура и строительство. – 2010. – № 3. – С. 68–79.

5. Граник, Ю.Г. Строительство высотных зданий. Монография. – Москва: ОАО "ЦНИИЭП жилых и общественных зданий", 2010. – 480 с.

6. Марковский, М.Ф., Блещик, Н.П. О выставке Республики Беларусь в Объединенных Арабских Эмиратах // Строительная наука и техника. – 2008. – № 6. – С. 22–23.

7. МГСН 4.19–2005 "Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в г. Москве".

8. ТКП 45–1.03–109–2008 "Высотные здания из монолитного железобетона. Правила возведения".

9. ТКП 45–1.01… "Специальные технические условия в области архитектуры и строительства. Порядок разработки, построения, изложения, согласования и утверждения".

10. Абрамчук, М., Марковский, М. Новые опалубочные технологии возведения монолитных кон трукций Национальной библиотеки Беларуси // Архитектура и строительство. – 2005. – № 1. – С. 98–100.

11. Рекомендации по расчету устойчивости высотных зданий с поперечными монолитными стенами к прогрессирующему обрушению. – Мн.: РУП "Институт БелНИИС", 2010.

 

 

 

 

Читайте также
28.02.2007 / просмотров: 3 837
Здания, как и люди, не исчезают, пока о них помнят...   ХХ в. в архитектуре ознаменован появлением нового типа зданий – высотных. И в...
16.09.2010 / просмотров: 1 200
Международная архитектурная премия «World Habitat Awards» была учреждена в 1985 г. Фондом строительства и социального жилья в рамках...
14.02.2011 / просмотров: 2 196
H&E Housing – пилотный проект, реализуемый в Париже в рамках стратегии экологического развития. Говоря в целом, этот объект должен...