Небоскреб

<час />

Фон

Нет точного определения того, сколько этажей или какой высоты делает здание небоскребом. «Я не думаю, что это то, сколько у вас этажей. Я думаю, что это отношение», - сказал архитектор Т. Дж. Готтесдинер в интервью Christian Science Monitor. Готтесдинер, партнер фирмы Skidmore, Owings &Merrill, проектировщиков множества высоких зданий, включая Sears Tower в Чикаго, штат Иллинойс, продолжил:«Что такое небоскреб? Это все, что заставляет вас остановиться, встать, вытянуть шею назад. , и посмотри вверх. "

Некоторые обозреватели применяют слово «небоскреб» к зданиям не менее 20 этажей. Другие оставляют срок для строений не менее 50 этажей. Но широко распространено мнение, что небоскреб подходит для зданий от 100 и более этажей. 102-этажная занимаемая высота Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке достигает 1224 футов (373 м), а его шпиль, который представляет собой сужающуюся часть крыши здания, поднимается еще на 230 футов (70 м). Только 25 зданий по всему миру имеют высоту более 300 метров, если не считать их шпилей, но не антенн, возвышающихся над ними.

Самым высоким отдельно стоящим сооружением в мире является башня Си-Эн Тауэр в Торонто, Канада, которая поднимается на высоту 1815 футов (553 м); Построенная для поддержки телевизионной антенны, башня не предназначена для проживания людей, за исключением ресторана и смотровой площадки, расположенных на высоте 1100 футов (335 м). Самым высоким жилым строением в мире являются башни-близнецы Петронас в Куала-Лумпуре, Малайзия, которые достигают высоты 1483 фута (452 ​​м), включая шпили. Сирс-Тауэр в Чикаго может похвастаться самым высоким занимаемым уровнем; крыша его 110-го этажа составляет 1453 фута (443 м).

В некотором смысле сверхвысокие здания непрактичны. Дешевле построить два здания половинной высоты, чем одно очень высокое. Застройщики должны найти арендаторов огромных площадей в одной локации; Например, площадь Sears Tower составляет 415 000 квадратных метров. С другой стороны, застройщики в густонаселенных городах должны максимально полно использовать ограниченное количество доступной земли. Тем не менее решение построить кардинально высокое здание обычно основывается не на экономике, а на желании привлечь внимание и завоевать престиж.

История

В конце девятнадцатого века произошло несколько технологических достижений, которые в совокупности сделали возможным проектирование и строительство небоскребов. Среди них - возможность массового производства стали, изобретение безопасных и эффективных лифтов, а также разработка усовершенствованных методов измерения и анализа структурных нагрузок и напряжений. В течение 1920-х и 1930-х годов развитие небоскребов дополнительно стимулировалось изобретением дуговой сварки и люминесцентных ламп (их яркий свет позволял людям работать дальше от окон и генерировал меньше тепла, чем лампы накаливания).

Традиционно стены здания поддерживали конструкцию; чем выше строение, тем толще должны быть стены. 16-этажное здание, построенное в Чикаго в 1891 году, имело у основания стены толщиной 6 футов (1,8 м). Необходимость в очень толстых стенах отпала с изобретением конструкции со стальным каркасом, в которой жесткий стальной каркас выдерживает вес здания, а внешние стены просто свешиваются с каркаса почти как занавески. Первым зданием, в котором использовалась эта конструкция, было 10-этажное здание компании Home Insurance Company, которое было построено в Чикаго в 1885 году.

Вулворт-билдинг высотой 792 фута (242 м), возведенный в Нью-Йорке в 1913 году, впервые объединил в себе все компоненты настоящего небоскреба. Его стальной каркас поднимался из фундамента, поддерживаемого бетонными столбами, которые доходили до скальной породы (слой твердой породы, достаточно прочный, чтобы поддерживать здание), его рама была укреплена, чтобы противостоять ожидаемым силам ветра, а его высокоскоростные лифты обеспечивали как местные, так и экспресс-доставка на 60 этажей.

В 1931 году Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке возвышался как восклицательный знак на высоте 1250 футов (381 метр). Он останется самым высоким офисным зданием в мире в течение 41 года. К 2000 году только шесть других зданий в мире превзойдут его высоту.

Сырье

Железобетон - одна из важных составляющих небоскребов. Он состоит из бетона (смеси воды, цементного порошка и заполнителя, состоящего из гравия или песка), залитого вокруг решетки из стальных стержней (называемых арматурой), которые укрепят высушенный бетон против изгибающих движений, вызываемых ветром. Бетон по своей природе прочен при сжимающих силах; однако огромный прогнозируемый вес Башен Петронас заставил проектировщиков указать новый тип бетона, который был более чем в два раза прочнее обычного. Этот высокопрочный материал был получен путем добавления очень мелких частиц к обычным ингредиентам бетона; увеличенная площадь поверхности этих крошечных частиц обеспечивала более прочную связь.

Другим основным сырьем для строительства небоскребов является сталь, которая представляет собой сплав железа и углерода. Соседние здания часто ограничивают пространство, доступное для строительных работ и складских запасов, поэтому стальные балки определенных размеров и форм доставляются на площадку именно в том виде, в котором они необходимы для размещения. Перед доставкой балки покрывают смесью гипса и вермикулита . (слюда, которая была расширена при нагревании с образованием губчатых частиц), чтобы защитить их от коррозии и тепла. После того, как каждая балка приварена на место, на свежие стыки наносится тот же материал покрытия. Затем балки можно обернуть дополнительным слоем изоляции, например, стекловолокном, покрытым алюминиевой фольгой.

Чтобы добиться максимального качества бетона и стали, они часто используются вместе при строительстве небоскребов. Например, опорная колонна может быть сформирована путем заливки бетона вокруг стальной балки.

Для облицовки каркаса небоскреба используются самые разные материалы. Известные как «облицовка» листы, которые образуют внешние стены, могут состоять из стекла, металлов, таких как алюминий или нержавеющая сталь, или каменных материалов, таких как гранит, мрамор или известняк.

Дизайн

Инженеры-проектировщики переводят видение здания архитектором в подробный план, который будет структурно надежным и возможным для строительства.

Проектирование малоэтажного здания включает в себя создание конструкции, которая будет выдерживать собственный вес (так называемая статическая нагрузка) и вес людей и мебели, которые она будет содержать (временная нагрузка). Для небоскреба сила бокового ветра влияет на конструкцию больше, чем вес здания и его содержимого. Проектировщик должен убедиться, что здание не будет опрокинуто сильным ветром, а также не будет достаточно раскачиваться, чтобы вызвать физический или эмоциональный дискомфорт у людей.

Дизайн каждого небоскреба уникален. Основные конструктивные элементы, которые могут использоваться по отдельности или в комбинации, включают стальной каркас, скрытый за ненесущими навесными стенами, железобетонный каркас, заполненный облицовочными панелями для формирования наружных стен, центральный бетонный сердечник (открытая колонна ) достаточно большой, чтобы вместить лифтовые шахты и другие механические компоненты, а также массив опорных колонн по периметру здания, которые соединены горизонтальными балками друг с другом и с ядром.

Поскольку каждая конструкция является новаторской, модели предлагаемых сверхвысоких зданий испытываются в аэродинамических трубах, чтобы определить влияние сильного ветра на них, а также влияние на окружающие здания моделей ветров, создаваемых новым зданием. Если испытания покажут, что здание будет сильно раскачиваться при сильном ветре, Пример дизайна первого этажа небоскреба и рамы 6 здания. дизайнеры могут добавлять механические устройства, которые противодействуют или ограничивают движение.

Помимо надстройки, проектировщики также должны спланировать соответствующие механические системы, такие как лифты, которые быстро и удобно перемещают людей, системы циркуляции воздуха и водопровод.

Процесс строительства

Каждый небоскреб представляет собой уникальную структуру, спроектированную таким образом, чтобы соответствовать физическим ограничениям, налагаемым такими факторами, как геология и климат, удовлетворять потребности арендаторов и удовлетворять эстетические цели владельца и архитектора. Процесс строительства для каждого здания также уникален. Следующие шаги дают общее представление о наиболее распространенных методах строительства.

Подструктура

• 1 Строительство обычно начинается с рытья котлована, в которой будет держаться фундамент. Глубина котлована зависит от того, насколько глубоко залегает коренная порода и сколько подвальных этажей будет в здании. Чтобы предотвратить движение окружающей почвы и изолировать воду вокруг площадки под фундамент, можно построить диафрагменную стену до того, как вырыть котлован. Делается это путем рытья глубокой узкой траншеи по периметру планируемой котлованы; по мере того, как траншея вырывается, ее заполняют жидким навозом (водянистой глиной), чтобы ее стены не обрушились. Когда участок траншеи достигает нужной глубины, в него опускается клетка из арматурной стали. Затем в траншею закачивают бетон, вытесняя более легкий раствор. Жидкий раствор восстанавливается и снова используется на других участках траншеи.
• 2 В некоторых случаях коренная порода лежит близко к поверхности. Почва с поверхности коренной породы удаляется, и удаляется достаточная часть поверхности коренной породы, чтобы образовалась гладкая, ровная платформа, на которой можно построить фундамент здания. Фундаменты (отверстия, в которые можно закрепить опорные колонны здания) взрываются или просверливаются в скальной породе. В опоры кладут стальные или железобетонные колонны.
• 3 Если коренная порода залегает очень глубоко, сваи (вертикальные балки) погружаются в почву до тех пор, пока они не войдут в основание. Один из методов заключается в забивании стальных свай на место путем многократного опускания на их вершины тяжелого груза. Другой метод заключается в просверливании стволов в почве и в коренных породах, установке стальных арматурных стержней и затем заполнении стволов бетоном.

  A. Стена диафрагмы. Б. Стопы. C. В одном из типов фундамента небоскреба используются стальные сваи для крепления фундамента к земле. D. Метод заливки бетона скользящей опалубкой.

• 4 Поверх опорных колонн заливается фундаментная площадка из железобетона.

Надстройка и ядро ​​

В процессе строительства небоскреба одновременно ведутся работы на нескольких этапах строительства. Например, когда опорные колонны достигают высоты в несколько этажей, рабочие начинают возводить этажи для нижних этажей. По мере того, как колонны поднимаются выше, бригады по укладке полов также перемещаются на более высокие этажи, а бригады отделки начинают работать на нижних уровнях. Перекрытие этих этапов не только позволяет наиболее эффективно использовать время, но также обеспечивает устойчивость конструкции во время строительства.

• 5 Если в здании используются стальные колонны и поперечные связи, каждая балка поднимается на место с помощью крана. Изначально кран стоит на земле; позже его можно разместить на самом высоком существующем уровне стального каркаса. Квалифицированные рабочие либо прикручивают, либо приваривают конец балки (заклепки не используются с 1950-х годов). Затем балку оборачивают изолирующей рубашкой, чтобы предотвратить ее перегрев и ослабление в случае пожара. В качестве альтернативной меры теплозащиты в некоторых зданиях стальные балки состоят из полых труб; когда надстройка завершена, трубы заполняются водой, которая непрерывно циркулирует в течение всего срока службы здания.
• 6 Бетон часто используется для создания ядра здания, а также для строительства опорных колонн. Обычно используется метод, называемый «формованием скольжения». Деревянные формы нужной формы прикрепляют к стальному каркасу, который соединен с подъемным домкратом, удерживающим вертикальную штангу. Рабочие изготавливают арматурную сталь выше деревянных форм. Затем начинают заливать формы бетоном. По мере заливки бетона подъемный домкрат медленно и непрерывно поднимает опалубку. Состав бетонной смеси и скорость подъема согласованы таким образом, чтобы бетон в нижнем диапазоне формы затвердел до того, как форма поднимется над ним. По мере продолжения процесса рабочие расширяют стальную арматурную решетку, которая выступает над опалубкой, и добавляют удлинители к вертикальной штанге, которую захватывает подъемный домкрат. Таким образом, вся бетонная колонна строится как непрерывный вертикальный элемент без стыков.
• 7 В здании стального каркаса перекрытия возводятся на слоях горизонтальных связей. В других конструкциях здания перекрытия поддерживаются горизонтальными стальными балками, прикрепленными к ядру здания и / или опорным колоннам. Стальной настил (панели из тонкой гофрированной стали) укладывают на балки и приваривают. Слой бетона толщиной около 2-4 дюймов (5-10 см) заливается на настил, чтобы закончить пол.

Эмпайр-стейт-билдинг.

Эмпайр-стейт-билдинг должен был положить конец конкурсу на самое высокое здание. Это было 102 этажа на высоте 1250 футов (381 м) над улицами Манхэттена. Его разработчики, Джон Дж. Раскоб и Пьер Самуэль Дюпон, а также бывший губернатор Нью-Йорка Альфред Смит объявили в августе 1929 года о своем намерении построить самое высокое здание в мире. Они выбрали строительную фирму Starrett Brothers and Eken и архитектурную фирму Shreve, Lamb и Harmon для проекта с Уильямом Ф. Лэмбом в качестве главного дизайнера. Если он установлен вдали от улицы над пятым этажом, а затем беспрерывно парит более чем на 305 м (1000 футов) до 86-го этажа. Снаружи здание выполнено из известняка и гранита, а вертикальные колонны из сплава хром-никель-сталь простираются от шестого этажа до самого верха. В здании было 67 лифтов и 6500 стеклянных окон, увенчанных 200-футовой (61-метровой) причальной мачтой для дирижаблей.

Строительство Эмпайр-стейт-билдинг было завершено 11 апреля 1931 года, на 12 дней раньше запланированного срока, и официально открылось 1 мая 1931 года. Здание вошло в историю как самое высокое здание из когда-либо построенных и удерживало это звание более 40 лет. Лишь в 1972 году, когда были завершены башни-близнецы Всемирного торгового центра высотой 1348 футов (411 м), Эмпайр-стейт-билдинг был превзойден по высоте. Всемирный торговый центр, в свою очередь, был превзойден в 1974 году Башней Сирс в Чикаго, которая на высоте 1453 футов (443 мдж) стала самым высоким зданием в мире.

Внешний вид

• 8 В большинстве высотных зданий вес конструкции и ее содержимого несут опорные колонны и ядро ​​здания. Сами внешние стены просто ограждают конструкцию. Они построены путем прикрепления к каркасу здания панелей из таких материалов, как стекло, металл и камень. Распространенный метод - прикрепить их болтами к угловым кронштейнам, прикрепленным к плитам перекрытия или опорным колоннам.

Завершение

• 9 Когда один этаж здания огражден внешними стенами, он готов к внутренней отделке. Сюда входит установка таких элементов, как электрические провода, телефонные провода, водопроводные трубы, внутренние стены, потолочные панели, сантехника, осветительные приборы и спринклерные системы для пожаротушения. Он также включает установку механических компонентов, таких как лифты и системы циркуляции воздуха, охлаждения и обогрева.
• 10 Когда вся надстройка завершена, верх здания завершается установкой крыши. Его можно построить так же, как пол, а затем покрыть гидроизоляцией слоем резины или пластика перед тем, как покрыть привлекательным, устойчивым к погодным условиям слоем плитки или металла.

Контроль качества

При обеспечении контроля качества учитываются различные факторы. Из-за огромных размеров небоскребов небольшая ошибка позиционирования у основания будет увеличиваться при расширении до крыши. Помимо обычных геодезических инструментов, для проверки размещения и выравнивания элементов конструкции могут использоваться необычные устройства, такие как датчики глобальной системы позиционирования (GPS) и авиационные бомбовые прицелы.

Датчики почвы вокруг строительной площадки используются для обнаружения любого неожиданного движения земли, вызванного строительной деятельностью.

Побочные продукты / отходы

Выемка котлована и цокольных этажей требует удаления огромного количества грязи. Когда в начале 1970-х годов в Нью-Йорке были построены 110-этажные башни Всемирного торгового центра, более 1 миллиона кубических ярдов (765 000 кубических метров) земли и камней были удалены и сброшены в реку Гудзон, чтобы создать 23,5 акра (95 100 квадратных метров). ) новой земли, на которой позже был построен еще один небоскреб.

Будущее

Были разработаны планы строительства нескольких новых небоскребов, которые побьют существующие рекорды высоты. Например, 108-этажное здание по адресу 7 South Dearborn Street в Чикаго, которое, как ожидается, будет завершено к 2004 году, будет иметь высоту 1550 футов (473 м). Он предоставит 43 акра (174 000 квадратных метров) закрытых пространств на участке площадью всего 200 футов (61 м).

В 1956 году американский архитектор Фрэнк Ллойд Райт объявил о планах строительства небоскреба высотой в милю (1,6 км), в котором могли бы работать 100 000 человек. В 1991 году другой американский архитектор, доктор Юджин Цуй, спроектировал здание высотой 2 мили (3220 м), которое обеспечило бы пространство для жизни, работы и отдыха 1 000 000 человек. Хотя такие здания теоретически можно построить, в настоящее время они нецелесообразны. Например, уровень комфорта для человека ограничивает скорость лифта до 3000 футов / мин (915 м / мин). Чтобы вместить 100 000 человек, работающих в предложенной Райтом структуре, количество шахт лифта заняло бы слишком большую часть площади здания.

Улучшения в технологии лифтов будут важны для будущих проектов небоскребов. Были предложены самоходные бескабельные лифты, которые перемещаются как по горизонтали, так и по вертикали, но они все еще находятся в стадии разработки. Компьютеризированные системы диспетчеризации автомобилей, использующие нечеткую логику, могут быть усовершенствованы для более эффективной перевозки людей путем группировки пассажиров, места назначения которых находятся рядом друг с другом.