Нестандартные, абсолютно новые архитектурно-технологические решения здания Национальной библиотеки поставили перед разработчиками проекта сложные инженерные и конструктивные задачи.
Здание состоит из двух совершенно разных и в архитектурном, и в конструктивном решении объемов – книгохранилища и стилобата.
Центральная часть – 20-этажное книгохранилище в форме ромбокубооктаэдра с габаритами 60х60х60 м, опорной базой 24х24 м и консолями по 18 м. Оно приподнято относительно уровня первого этажа на 12,6 м, что соответствует отметке уровня четвертого этажа. Вокруг опорной базы на уровне второго этажа (отм. 4.20) сформировано атриумное пространство высотой 14,4 м, отделенное противопожарной стеной диаметром 56 м от стилобата.
Стилобат – малоэтажная ступенчатая (1–4-й этажи) круговая обстройка центральной части, его максимальный диаметр – 180 м (здесь размещаются помещения, обеспечивающие жизнедеятельность библиотечного "организма"). Книгохранилище и стилобат разделены между собой деформационным швом, но объединены технологическими связями.
Конструктивная схема высотного книгохранилища принята исходя из архитектурного облика здания и архитектурно-планировочных решений. Ее составляющими (см. схему) являются ядро жесткости (1), 8 диафрагм жесткости (2), плоские диски перекрытий (3), колонны (4), горизонтальные и вертикальные обвязочные балки (5), которые создают единую пространственную структуру. Опорой для нее служат ядро жесткости и 16 колонн диаметром 90 см, расположенные по периметру квадрата 24х24 м вокруг ядра жесткости в сетке колонн с шагом 6х6 м.
Ядро жесткости поднимается на всю высоту здания от низа фундаментной плиты. Оно состоит из внутреннего кольца диаметром 9,6 м и центрально описанного вокруг него восьмигранника 18х18 м, который соединяется с внутренним кольцом ребрами жесткости. В ядре жесткости размещаются лестница, лифтовые шахты и инженерные коммуникации.
Диафрагмы жесткости создают объемную структуру: 4 диафрагмы с отм. 12.60 до 30.60 и 4 диафрагмы с отм. 12.60 до 72.60. В нижней части они располагаются под углом 45°, в верхней – 90°.
Плоские диски перекрытий (высота этажа 3,0 м).
Сетка колонн с шагом 6х6 м.
Горизонтальные обвязочные балки в уровне дисков перекрытий и вертикальные обвязочные балки шагом 3 м.
По контуру противопожарной стены запроектированы 28 колонн диаметром 70 см. Они служат опорой контурной балке диаметром 56 м и сечением 200х130 см на отметке 10.90. Контурная балка выполняется в металлоконструкциях с последующим обетонированием и соединяется 28 наклонными балками с горизонтальными и вертикальными обвязочными балками книгохранилища на отм. 18.60, а также приходящими в эти узлы вертикальными колоннами.
Конструкции структуры – ядро жесткости, диафрагмы жесткости, диски перекрытий, колонны и обвязка, работающие на сжатие, проектируются в монолитном железобетоне. Колонны и обвязка, работающие на растяжение, проектируются в металлоконструкциях с последующей противопожарной защитой. Сечения конструктивных элементов приняты на основании предварительных расчетов и уточняются машинными расчетами.
Подсчет предполагаемых нагрузок показал, что вес данного сооружения на отм. 0.00 составляет 100 тыс. т (для сравнения: Останкинская башня вместе с фундаментом весит 51,4 тыс. т). При работе всей структуры ядро жесткости берет на себя 65% всей нагрузки, 25% приходится на колонны, включенные в опорную зону, и 10% нагрузки принимают контурные колонны у противопожарной стены.
Чтобы поставить здание высотного книгохранилища на естественное основание (основанием служат супеси средней прочности, прочные и очень прочные 6–7 кг/см2 на глубине 12,0 м от поверхности грунта), диаметр фундаментной плиты должен быть 56 м и отметка низа фундамента –15.40, высота подвала принята 5,4 м (в его зоне опорная база расширяется). Монолитный железобетонный фундамент запроектирован на высоту 10 м как двухъярусное коробчатое сооружение со стенами 50 см и шагом 6х6 м. Пересечения стен служат опорными зонами вышестоящих колонн под перекрытия первого и второго этажей и тремя горизонтальными плитами: нижняя плита толщиной 120 см, средняя и верхняя – по 50 см.
Фундаментное сооружение расширено в зоне примыкания лестнично-лифтового ствола, который поднимается от нижней фундаментной плиты до верха книгохранилища.
Лестнично-лифтовой ствол диаметром 10 м также запроектирован в монолитном железобетоне и соединяется поэтажно галереями с высотным книгохранилищем. Общая площадь основания монолитного двухъярусного коробчатого фундамента составляет 3000 м2, собственный вес равен 27 тыс. т. В стенах и перекрытиях коробчатого фундамента предусмотрены лазы и люки для извлечения опалубки, а также для осмотра фундамента в процессе строительства и эксплуатации сооружения.
Нормативная нагрузка на основание с учетом собственного веса фундамента составляет 137 тыс. т, среднее напряжение под подошвой фундамента – в пределах 5 кг/см2. Фундамент работает как единый монолитный штамп. После окончательного определения конструкции фундамента выполнены компьютерные расчеты единой комплексной схемы, включившей в себя монолитную структуру с опорной базой, контурные колонны с контурным кольцом и распорками по контуру, лестнично-лифтовой ствол, соединенный со структурой, и единый монолитный двухъярусный фундамент. Учитывались также данные инженерно-геологических изысканий площадки строительства.
Результаты машинных расчетов показали состоятельность принятой расчетной схемы высотного книгохранилища, осадка при полном его загружении временной нагрузкой составит порядка 20 см (за 35 лет).
Учитывая уникальность сооружения и большие нагрузки, при выполнении инженерно-геологических изысканий впервые бурились скважины на глубину 80 м. На глубине 36 м от поверхности и 24 м от низа фундамента был обнаружен заторфованный слой грунта мощностью от 2 до 6 м. Научный анализ основания в зоне устройства фундамента, выполненный в БелНИИС кандидатом технических наук В.Е. Сеськовым, показал, что существенного влияния на деформацию здания заторфованность не оказывает.
Монолитная железобетонная структура высотного книгохранилища будет возводиться традиционным способом (снизу вверх), 18-метровые консоли по контуру структуры с отм. 12.60 до 30.60 необходимо поддерживать. Поддерживающие металлоконструкции разрабатывают специалисты института "Белпроектстальконструкции". Они будут установлены на контурное кольцо с использованием 28 песочных домкратов. Раскружаливание металлоконструкций будет производиться только после замыкания всех элементов структуры на отм. 72.60.
Для выполнения работ по монолитному железобетону как высотного книгохранилища, так и стилобата требуется соответствующая оснастка. По итогам проведенного тендера поставщиком оснастки для создания лицевого бетона выбрана фирма PERI.