Вы здесь

ГОНКА ЗА ВЫСОТУ ПРОДОЛЖАЕТСЯ

Версия для печати

Введение

Высотные здания – результат развития современной цивилизации – сегодня становятся универсальным стандартом городского жилья. Они не только олицетворение современных мегаполисов, они – неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Расширив свою роль от обеспечения пространства для реализации коммерческих целей до удовлетворения жилищных потребностей, эти уникальные сооружения в корне изменили пейзаж современных городов. Сегодня, всматриваясь в историю появления и возведения высотных зданий, мы объединяем наши усилия, чтобы проложить путь новым поколениям в дальнейшем развитии этих сооружений.

1. Тенденции развития высотного
строительства (по материалам конгресса CTBUH 2012 в г. Шанхае)

С начала 2011 г. РУП «Институт БелНИИС» активно работало в направлении вступления в Ассоциацию по высотному строительству (Council on Tall Buildings and Urban Habitat, далее – CTBUH), функционирующую на базе Технологического института Иллинойса (г. Чикаго, США). В результате с 1 августа 2011 г. институту БелНИИС присвоен статус Участника CTBUH, который обязал организацию принять участие в проводимом CTBUH Всемирном конгрессе по высотному строительству, состоявшемся 19–21 сентября 2012 г. в г. Шанхае (КНР).

Всемирный конгресс по высотному строительству CTBUH объединил свыше 850 профессионалов в области строительства более чем из 43 стран мира (рис. 1.1). 98 участников из разных стран освещали различные темы, связанные с высотными зданиями и городской средой обитания. Лейтмотивом проводимого мероприятия стала «Азия восходящая. Эра «дружелюбных», экологичных высотных зданий».

Среди множества тем, затронутых на Шанхайском конгрессе CTBUH 2012, стоит отметить следующие: может ли высотное здание быть «дружелюбным», экологичным, углерод-нейтральным? Как влияет развитие высотного строительства на города и жизнь их обитателей? Является ли «вертикальный» город оптимальным решением проблемы размещения постоянно возрастающего населения?

То, что в XXI в. наиболее интенсивное развитие высотного строительства будет наблюдаться в странах Азии, не вызывает сомнения. Два прошедших десятилетия показали заметное смещение баланса в возведении высотных зданий с запада на восток. Безусловно, значительные достижения в высотном строительстве, имеющие место в Азии, в большинстве своем являются результатом сотрудничества восточных и западных специалистов. Учитывая процесс глобальной урбанизации в мире, когда ежедневный прирост населения приближается к 200 000 человек в день, потребность в новых или увеличенных городах с одним миллионом населения ведет к массированному одновременному росту сотен азиатских городов.

В то же время продолжаются интенсивные дебаты о том, является ли рост наших городов вверх наиболее эффективным направлением развития.

Высотное строительство – не единственный способ удовлетворения возрастающих требований урбанизации. Влияние его на жителей будущих «вертикальных» городов также должно быть оценено более детально. Для всех городов особенно важны инфраструктура, долгосрочное планирование развития, и потому главными проблемами теперь являются не отдельные здания и их возведение, а то, как они вписываются в большое городское целое.

Конгресс 2012 г. собрал ведущих мировых архитекторов, подрядчиков, инженеров, высших чиновников и др., чтобы в конечном счете ответить на вопрос, является ли «вертикальный» город лучшим способом для выживания человечества в нашем быстро растущем, подверженном урбанизации, высокому потреблению ресурсов, истощающемся мире.

В выступлениях всемирно известных архитекторов и конструкторов, таких как Adrian Smith (США), однозначно прозвучало, что эра высотных зданий только начинается. Строители должны воплотить мечту в жизнь.

Исходя из докладов, представленных на конференции, можно выделить основные, наиболее важные сегодня факторы, влияющие на процесс проектирования высотных зданий и развитие высотного строительства в странах Азии и во всем мире.

1. Как справиться с гравитационным воздействием при высоте сооружения более 300 м? В мире такие здания относят к очень высоким. Для них необходимы особые технологии и организации строительства, повышенный контроль качества на всех технологических переделах и многое другое.

2. Высотные здания должны быть экономичными с точки зрения эксплуатации. Архитектурный шедевр – комплекс «Отель «Марина» в Сингапуре (рис. 1.2) оценивается в 3130 долл. США за 1 м2, что указывает на невысокие цены и инновационную привлекательность.

3. Возможности вертикального транспорта доставлять на высоту людей рассматриваются как ограничение при проектировании зданий.

Один из альтернативных путей развития системы лифтов в сверхвысоком здании сегодня – доставка людей из главного фойе на нулевом этаже в т.н. «небесные» вестибюли с помощью скоростных лифтов, не совершающих промежуточных остановок, с последующим распределением пассажиропотока локальными лифтами к точкам назначения. В возводимом 400-метровом здании СМА HQ Tower в г. Эр-Рияд впервые будет применена подобная система (рис. 1.3), что создаст более привлекательные условия для продажи площадей на верхних этажах здания.

4. Нулевой баланс энергии. Одной из наиболее сложных и важных задач для проектировщиков является достижение нулевого баланса потребляемой энергии. Это означает, что различные системы высотного здания должны вырабатывать количество энергии, достаточное для удовлетворения потребностей всех его систем. Обычное 100-этажное многофункциональное здание требует порядка 20 MВт для полноценного функционирования.

Большинство проектов высотных зданий, разработанных в последнее время, обладают различными элементами, например солнечными батареями или ветроэнергетическими установками, вырабатывающими до 5% требуемого количества энергии, что свидетельствует о их недостаточной эффективности.

Самая большая из существующих на сегодняшний день ветроэнергетическая установка с диаметром винта турбины около 90 м способна производить 2–3 МВт электроэнергии. Это означает, что 100-этажному зданию необходимо 10 таких турбин.

5. Технология монолитного железобетона позволяет реализовывать самые смелые архитектурно-конструктивные решения. Технология строительства зданий разрабатывается весьма скрупулезно. Например, срок строительства отеля «Марина» в Сингапуре составил лишь 28 месяцев.

2. Строительство высотного
здания Shanghai Tower

2.1. Общая характеристика

В настоящее время в центральной части Шанхая ведется строительство сверхвысотного здания Shanghai Tower, насчитывающего по проекту 128 этажей (рис. 2.1).

Возводимый в непосредственной близости от небоскреба Jin Mao, который напоминает пагоду, олицетворяя прошлое Китая, и здания WFC (World Financial Center), символизирующего настоящее, 128-этажный Shanghai Tower являет собой будущее Китая.

РУП «Институт БелНИИС» отслеживает процесс его строительства. На момент визита наших специалистов на стройплощадку в октябре 2010 г. было возведено только ядро здания в 5 этажей (рис. 2.2, 2.3).

В настоящее время построено примерно 450 м. Возведение сталебетонного ядра опережает строительство остальных конструктивных элементов, и сейчас оно возвышается на высоту не менее 10 этажей над конструкциями последнего возведенного (на данный момент) междуэтажного перекрытия.

После завершения строительства Shanghai Tower станет самым высоким в мире зданием с двойным фасадом. Общая высота его по проекту 632 м. Суммарная площадь перекрытий составит 573 400 м2 [4]. В основе здания – сталебетонные ядро и мегаколонны, стальные опоясывающие элементы. Несущие конструкции междуэтажных перекрытий выполнены композитными.

Форма здания в плане представляет собой равносторонний треугольник со скругленными вершинами. Размеры в плане уменьшаются к вершине, масштабный коэффициент – 0,55. При этом каждое последующее междуэтажное перекрытие поворачивается в горизонтальной плоскости приблизительно на 1° по отношению к предыдущему, обеспечивая окончательный суммарный угол поворота в 120° [1].

При значительной высоте Shanghai Tower его отличительной чертой является широкий перечень функциональных зон, размещенных по вертикальной плоскости здания. Башня состоит из различных функциональных секций, воплощающих идею высотного здания как вертикального города (снизу вверх).

Доступ в эти функциональные зоны осуществляется с помощью специальных внутренних пространств, каждое из которых характеризуется секционным дроблением. Согласно архитектурному проекту, предполагается разделение здания на 9 функциональных зон высотой 12–15 этажей (рис. 2.4).

2.2. Элементы конструктивной системы здания

Конструктивную систему Shanghai Tower, как и любого современного высотного здания, можно разделить на гравитационную и стабилизирующую подсистемы.

Гравитационная подсистема

В качестве основных несущих конструкций, воспринимающих гравитационные нагрузки, выступают сталебетонные ядро и мегаколонны, расположенные радиально по контуру здания (рис. 2.5). Поперечное сечение колонн в основании достигает 2000х5000 мм.

Междуэтажные перекрытия офисных помещений выполнены композитными толщиной 155 мм. Конструктивное решение представляет собой двухслойную плиту: стальной профилированный настил (h = 75 мм), смонтированный по стальным балкам междуэтажных перекрытий с монолитной железобетонной плитой толщиной 80 мм по профилированному стальному листу. Толщина перекрытий жилых и технических этажей варьируется в пределах 200–250 мм (стальной профилированный настил (h = 75 мм) с монолитной железобетонной плитой толщиной 125–175 мм).

Ядро здания по высоте в пределах первых 4 функциональных зон квадратное в плане со стороной ребра 30 м и разделено на 9 ячеек. В уровне 5–6-й функциональных зон углы ядра «обрезаются» и к уровню 7–8-й функциональных зон оно приобретает крестообразную форму. Толщина наружных стен ядра изменяется от 1,2 м у основания до 0,5 м у вершины, внутренних – от 0,9 до 0,5 м.

Восемь мегаколонн выполнены по высоте здания до 8-й функциональной зоны включительно, 4 диагональные колонны – вплоть до 5-й. Диагональные колонны смонтированы на нижних уровнях здания с целью увеличения изгибной жесткости и снижения деформаций внешней мегарамы за счет уменьшения пролета между мегаколоннами. По периметру здания расположены стальные колонны, воспринимающие вертикальные нагрузки и передающие их посредством обвязочных ферм на мегаколонны.

Стабилизирующая подсистема

Воспринимающая горизонтальные нагрузки и передающая их на вертикальные элементы, она представляет собой следующую систему: ядро – аутригер – мегарама и состоит из трех частей: сталебетонное ядро, внешняя мегарама (мегаколонны, наклонные колонны, двойная обвязочная ферма), фермы аутригеров. На рис. 2.6 приведено изображение элементов стабилизирующей подсистемы.

Внешняя мегарама, включающая в себя наклонные и мегаколонны, воспринимает порядка 55% сдвиговых усилий и до 75% опрокидывающего момента от действия ветровой и сейсмической нагрузок в уровне нижних этажей. Элементы обвязочных ферм и ферм аутригеров выполнены из массивных стальных конструкций. Стальные колонны, входящие в состав мега- и диагональных колонн, обеспечивают процент армирования ранее перечисленных конструкций в пределах 4…6%. Совместная работа мега- и диагональных колонн обеспечивается благодаря 8 сдвоенным обвязочным фермам, создающим внешнюю мегараму. Согласно китайским нормам проектирования, вышеупомянутая конструкция является вторым уровнем защиты от сейсмических воздействий на здание.

Внешние и внутренние обвязочные фермы размещены в непосредственной близости друг от друга и формируют пространственную обвязочную ферму, обеспечивая увеличение крутильной жесткости и резерв прочности. В уровне технических этажей здания находятся 6 комплектов ферм аутригеров, выполненных из высокопрочной стали. Расположение и количество аутригеров было определено в результате многочисленных расчетов и оптимизации. Фермы аутригеров и обвязочные фермы обеспечивают выполнение требований китайских норм проектирования по деформативности зданий: деформации в пределах этажа не должны превышать 1/500 [2]. Максимальные деформации в пределах рассматриваемого этажа в здании составили h/505 при действии ветровой нагрузки и h/623 при действии сейсмической нагрузки (рис. 2.7).

2.3. Особенности
проектировании здания
Shanghai Tower

Создание сверхвысотного, самого «дружелюбного» по отношению к окружающей среде из существующих и возводимых здания оказалось возможным благодаря применению инновационных идей, новых технологий, продвинутых инструментов проектирования.

Одним из наиболее важных элементов достижения успеха при проектировании Shanghai Tower стало применение элементов параметрического анализа вариантов моделей здания, подверженных различным воздействиям.

Уникальная сложная архитектурная форма здания, предложенная фирмой Gensler, позволила в 2008 г. победить в международном конкурсе на проектирование Shanghai Tower. Применение параметрического анализа обусловлено несколькими причинами. В первую очередь проектирование здания с особо сложной формой, на первый взгляд не реализуемого в натуре, требует инновационных решений. Программные платформы, используемые для параметрического анализа, позволяют получать хорошую корреляцию результатов поведения модели и самого здания. Применяемые инструменты нелинейного анализа дают возможность проектировщикам вносить в модель множественные изменения одновременно.

Еще одной важной причиной для использования параметрического анализа является создание т.н. «дружелюбного» здания по отношению к окружающей среде. Эффект от этого наиболее заметен при учете ветровой нагрузки в процессе проектирования формы здания. Расположение его в непосредственной близости к двум существующим сверхвысотным зданиям не может не учитываться при проектировании.

Благодаря усилиям сотрудников фирмы RWDI, специализирующейся на расчетах и испытаниях зданий (моделей зданий) на ветровые воздействия, были испытаны в аэродинамической трубе различные варианты модели Shanghai Tower в масштабе 1:500 с суммарным углом поворота вершины здания относительно его основания в пределах от 90 до 180° (рис. 2.8). Благодаря проведенным испытаниям установлено, что увеличение угла поворота здания приводит к снижению ветрового давления на фасад. Исследователи из RWDI предложили решение формы здания, обеспечивающее снижение ветровой нагрузки на 24% по сравнению с прямоугольной формой. Повторная «продувка» более крупной, в масштабе 1:85, и детализированной модели в аэродинамической трубе показала снижение ветровой нагрузки на 32%. В итоге проведенная итерационная процедура анализа позволила застройщику сэкономить не менее 58 млн долл. на закупке конструкционной стали для каркаса здания.

Форма здания

В плане она представляет собой равносторонний треугольник с закругленными вершинами и вырезом на одной из них. В вертикальной плоскости оно уменьшается в диаметре и закручивается (каждый последующий этаж по фасаду поворачивается на »1° относительно предыдущего). Команда архитекторов и конструкторов успешно использовала программное обеспечение для параметрического анализа в определении сложной формы здания и создании модели, интегрирующей основные элементы конструктивной системы здания и его фасадные ограждающие конструкции. Их исследования были направлены на оптимизацию трех основных параметров здания: геометрия горизонтального профиля, уменьшение размеров в плане с увеличением высоты (конусности), угол поворота горизонтальной проекции этажа.

Первая и наиболее важная задача, которую решали проектировщики, – оптимизация формы горизонтального профиля здания. На стадии проведения конкурса было определено, что формой этажа станет равносторонний треугольник с закругленными вершинами. На основном этапе проектирования проводилась оптимизация кривизны закруглений углов, для того чтобы добиться удовлетворения эстетических, функциональных требований, а также критерия «дружелюбности» здания – оптимизации углов с целью эффективного использования свободных пространств, образованных внешним и внутренним фасадом и перекрытиями технических этажей в качестве атриумов. Кроме того, требовалось достичь максимизации общей площади этажа и минимизации влияния ветрового давления.

Благодаря использованию программных продуктов для параметрического расчета конструкций было установлено, что угол А1 = 23,3° (рис. 2.9) обеспечивает оптимальное изменение кривизны горизонтального профиля здания между углами и сторонами равностороннего треугольника. Значение угла А1 сохраняется постоянным по всей высоте.

Очередной задачей, успешно решенной проектировщиками, стала разработка вертикального профиля здания, включающая в себя определение угла поворота и масштабного коэффициента, применяемого при вычислении размеров перекрытий здания. В процессе этого исследования специалисты фирмы Gensler применяли в расчетах как линейное, так и экспоненциальное уменьшение размера горизонтального профиля здания с увеличением высоты. Окончательно принято решение использовать соотношение

y = ez·s,

где z – высота i-го уровня, s – масштабный коэффициент.

По результатам многочисленных итераций был принят профиль здания с уменьшающимися размерами в плане по направлению к вершине, масштабный коэффициент – 0,55, суммарный угол поворота – 120°.

Отдельного внимания заслуживает система двойного фасада, применяемая в возводимом здании.

Разработанная треугольная форма с закругленными вершинами требует значительно меньше стеклянных панелей ограждения, чем прямоугольная эквивалентной площади, что обеспечивает значительную экономию средств. Общая площадь фасада здания составляет более 130 000 м2 и требует более 25 000 стеклянных панелей ограждения.

Фасадная система также разработана фирмой Gensler. В процессе ее проектирования инженеры компании проанализировали различные варианты расположения фасадных панелей и остановились на распределении их в шахматном порядке (рис. 2.10). Принятое решение оказалось наиболее оптимальным с эстетической точки зрения, требований к изготовлению и поддержанию в работоспособном состоянии. К тому же размещение панелей строго в вертикальной плоскости обеспечило выполнение требований китайских норм проектирования по количеству отраженного света (не более 15%).

На рис. 2.11 приведено конструктивное решение несущих элементов ограждающих конструкций (наружного фасада), которые образуют спиральную конструкцию и состоят из кольцевых стержней-труб (∅359 мм), радиальных подкосов (∅219 мм) и подвесок-канатов (∅60–80 мм) из высокопрочной стали. Кольцевые трубы размещены по вертикали с шагом 4,3–4,5 м [3].

Кольцевые трубы соединены между собой 25 вертикальными подвесками. Постоянная нагрузка (собственный вес) от конструкций фасада в пределах функциональной секции посредством подвесок передается на консольные балки вышерасположенного технического этажа.

Нижние кольцевые трубы в пределах каждой функциональной зоны соединяются с плитой перекрытия технического этажа посредством специфического узла. Конструктивное решение узла позволяет полностью передавать горизонтальные нагрузки с конструкций фасада на основные несущие конструкции здания, при этом обеспечивая свободу вертикальных перемещений конструкций фасада в пределах функциональной секции.

В рамках одной публикации не представляется возможным отразить все инновационные решения по конструированию, технологии строительства, инженерным системам и другие вопросы строительства одного из самых высоких мегасооружений. Специалисты РУП «Институт БелНИИС» продолжают внимательно отслеживать ход строительства самых высоких сооружений современности.

Заключение

1. В гонке за лидерством в высотном строительстве принимают участие все ведущие державы мира.

2. Проектирование и строительство высотных зданий – это своеобразный импульс развития строительной науки, методов расчета и проектирования конструкций, а также технологии возведения зданий и сооружений, разработки новых материалов и конструкций.

3. Здание Shanghai Tower – пример того, как будут проектироваться и возводиться здания в ближайшем будущем.

4. Шедевры высотного строительства появляются только при творческом союзе архитекторов, инженеров-конструкторов, инженеров-технологов. Мировой опыт высотного строительства подтверждает этот тезис.

5. Республика Беларусь стоит на пороге вхождения в круг стран, освоивших проектирование и строительство высотных зданий.

Литература

1. Mir V. Ali. Evolution of Concrete Skyscrapers: from Ingalls to Jin mao // Electronic Journal of Structural Engineering. – 2001. – Vol. 1. – № 1.

2. Jun Xia, Michael Peng. The Parametric Design of Shanghai Tower’s Form and Facade // Asia Ascending. Age of Sustainable Skyscraper city. CTBUH 2012.

3. Yi Zhu, Dennis Poon. Structural Design Challenges of Shanghai Tower Facade // Asia Ascending. Age of Sustainable Skyscraper city. CTBUH 2012.

4. Jiemin Ding, Jiupeng Li. Design of Flexible Hanging Curtain Wall Support Structures // Asia Ascending. Age of Sustainable Skyscraper city. CTBUH 2012.

5. Jian Gong, Hong Zhou. Key Technologies in the Structure of Shanghai Tower// Asia Ascending. Age of Sustainable Skyscraper city. CTBUH 2012.


comments powered by HyperComments
Читайте также
28.02.2007 / просмотров: 3 831
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: 1 197
Международная архитектурная премия «World Habitat Awards» была учреждена в 1985 г. Фондом строительства и социального жилья в рамках...
14.02.2011 / просмотров: 2 194
H&E Housing – пилотный проект, реализуемый в Париже в рамках стратегии экологического развития. Говоря в целом, этот объект должен...