Что делает небоскрёб небоскрёбом? Взгляд архитектора Т.Дж. Готтесдинаера

---

Основы

Точного определения, сколько этажей или какая высота делает здание небоскрёбом, не существует. «Не думаю, что это количество этажей. Думаю, это отношение», — сказал архитектор Т. Дж. Готтесдинаер Christian Science Monitor. Готтесдинаер, партнёр фирмы Skidmore, Owings & Merrill, проектировавшей множество высоток, включая Сёрс Тауэр в Чикаго, продолжил: «Что такое небоскрёб? Это всё, что заставляет вас остановиться, встать, задеть голову назад и смотреть вверх».

Некоторые наблюдатели применяют слово «небоскрёб» к зданиям от 20 этажей. Другие резервируют термин для структур от 50 этажей. Но широко принято, что небоскрёб подходит для зданий с 100 и более этажами. На 102 этажах высота занятого пространства Эмпайр-стейт-билдинга в Нью-Йорке достигает 1224 футов (373 м), а шпиль — сужающаяся часть над крышей — добавляет ещё 230 футов (70 м). Только 25 зданий в мире выше 1000 футов (300 м), считая шпили, но не антенны над ними.

Высочайшая самонесущая конструкция в мире — Башня CN в Торонто, Канада, 1815 футов (553 м); построена для поддержки ТВ-антенны, башня не предназначена для постоянного пребывания людей, кроме ресторана и смотровой площадки на 1100 футах (335 м). Высочайшее обитаемое сооружение — Петронас Твин Тауэрс в Куала-Лумпуре, Малайзия, 1483 фута (452 м) с шпилями. Сёрс Тауэр в Чикаго обладает самым высоким обитаемым уровнем; крыша 110-го этажа на 1453 фута (443 м).

В некоторых аспектах сверхвысокие здания непрактичны. Дешевле построить два полувысотных здания, чем одно очень высокое. Девелоперы должны найти арендаторов для огромных площадей в одной локации; например, Сёрс Тауэр вмещает 4,5 млн кв. футов (415 000 кв. м). С другой стороны, в переполненных городах девелоперы должны максимально использовать ограниченные земельные участки. Тем не менее, решение строить драматически высокое здание обычно основано не на экономике, а на желании привлечь внимание и получить престиж.

История

Несколько технологических прорывов в конце XIX века совпали, сделав возможным проектирование и строительство небоскрёбов. Среди них — возможность массового производства стали, изобретение безопасных и эффективных лифтов, и развитие улучшенных методов измерения и анализа структурных нагрузок и напряжений. В 1920–1930-х развитие небоскрёбов ещё больше стимулировало изобретение электродуговой сварки и люминесцентных ламп (их яркий свет позволял работать дальше от окон и давал меньше тепла, чем лампы накаливания).

Традиционно стены здания несли нагрузку; чем выше здание, тем толще должны быть стены. 16-этажное здание в Чикаго 1891 года имело стены толщиной 6 футов (1,8 м) у основания. Потребность в очень толстых стенах устранилась изобретением стального каркасного строительства, где жёсткий стальной скелет несит вес здания, а внешние стены лишь висят на раме почти как шторы. Первое здание с таким дизайном — 10-этажное Home Insurance Building, построенное в Чикаго в 1885 году.

792-футовое (242 м) Вулворт Билдинг, возведённое в Нью-Йорке в 1913 году, первым объединило все компоненты настоящего небоскрёба. Его стальной скелет поднимался от фундамента на бетонных столбах, уходящих до základной породы (слой твёрдой горной породы, достаточно прочной для поддержки здания), его рама была обрешётка для сопротивления ветровым нагрузкам, и высокоскоростные лифты обеспечивали как местный, так и экспресс-сервис на 60 этажах.

В 1931 году Эмпайр-стейт-билдинг вырос в Нью-Йорке как 1250-футовый (381 м) восклицательный знак. Он оставался самым высоким офисным зданием мира 41 год. К 2000 году только шесть других зданий в мире превзошли его высоту.

Сырьё

Железобетон — важный компонент небоскрёбов. Состоит из бетона (смеси воды, цемента и заполнителя — гравия или песка), залитого вокруг сетки стальных стержней (арматуры), усиливающей застывший бетон против изгибающих движений от ветра. Бетон изначально прочен на сжатие; однако огромный проецируемый вес Петронас Тауэрс заставил проектировщиков указать новый тип бетона, более чем в два раза прочнее обычного. Эта высокопрочная смесь достигнута добавлением очень мелких частиц к обычным ингредиентам бетона; увеличенная поверхность этих микрочастиц дала более прочную связь.

Другой основной сырьё — сталь, сплав железа и углерода. Соседние здания часто ограничивают место для стройки и хранения материалов, поэтому стальные балки заданных размеров и форм доставляют на площадку как раз когда нужны для монтажа. До доставки балки покрывают смесью штукатурки и вермикулита (слюда, термически расширенная в губчатые частицы) для защиты от коррозии и тепла. После сварки каждого стыка свежие швы опрыскивают тем же покрытием. Дополнительный слой изоляции, вроде стекловолоконной маты с фольгой, может обматывать балки.

Для максимизации лучших качеств бетона и стали их часто используют вместе. Например, несущий столб может быть сделан заливкой бетона вокруг стальной балки.

Разнообразные материалы покрывают каркас небоскрёба. Называемые «облицовкой», листы, формирующие внешние стены, могут состоять из стекла, металлов — алюминия или нержавейки — или каменных материалов — гранита, мрамора, известняка.

Дизайн

Инженерные проектировщики переводят видение архитектора в детальный план, структурно надёжный и реализуемый.

Проектирование низкорослого здания подразумевает создание структуры, выдерживающей свой вес (собственный вес) и вес людей и мебели (эксплуатационная нагрузка). Для небоскрёба боковая сила ветра влияет на структуру больше, чем вес здания и содержимого. Проектировщик должен обеспечить, чтобы здание не опрокинет сильный ветер, и чтобы оно не качалось достаточно, чтобы вызвать у обитателей физический или эмоциональный дискомфорт.

Дизайн каждого небоскрёба уникален. Основные структурные элементы, используемые отдельно или в комбинации: стальной скелет за несущими шторными стенами, ж/б скелет, заполненный панелями облицовки для формирования фасадов, центральный ж/б ядро (открытая колонна) достаточно большое для лифтовых шахт и других мех. компонентов, и массив несущих колонн по периметру здания, соединённых горизонтальными перекрытиями друг с другом и с ядром.

Поскольку каждый дизайн инновационен, модели предлагаемых сверхвысоких зданий тестируют в аэродинамических трубах для определения влияния сильного ветра на них, и влияния на окружающие здания ветровых узоров, создаваемых новым зданием. Если тесты показывают чрезмерное качание при сильном ветре, Пример проекта первого этажа небоскрёба и рамы здания. проектировщики могут добавить механические устройства, противостоящие или ограничивающие движение.

Помимо несущей конструкции, проектировщики должны планировать соответствующие инженерные системы: лифты для быстрого и комфортного перемещения людей, системы вентиляции и сантехнику.

Строительный процесс

Каждый небоскрёб — уникальная структура, спроектированная под физические ограничения геологии и климата, потребности арендаторов и эстетические цели владельца и архитектора. Строительный процесс каждого здания также уникален. Следующие шаги дают общее представление о наиболее распространённых техниках.

Подземная часть

• 1. Строительство обычно начинается с выкопки ямы под фундамент. Глубина ямы зависит от глубины залегания základной породы и количества подвальных уровней. Для предотвращения движения окружающего грунта и удержания воды от фундамента может быть построена диафрагменная стена до выкопки ямы. Это делают выкапыванием глубокого узкого траншея по периметру плановой ямы; по мере копки траншею заполняют раствором (водянистой глиной) для удержания стенок от обвала. Когда участок траншеи достигает нужной глубины, в неё опускают клетку из арматуры. Бетон затем нагнетают в траншею, вытесняя лёгкий раствор. Раствор восстанавливают и повторно используют в других участках траншеи.
• 2. В некоторых случаях základная порода лежит близко к поверхности. Грунт над породой удаляют, и достаточно породы снимают для формирования гладкой, ровной платформы для фундамента здания. Фундаментные плиты (отверстия для якорения несущих колонн) взрывают или бурят в породе. Стальные или ж/б колонны устанавливают в плиты.
• 3. Если základная порода лежит очень глубоко, сваи (вертикальные балки) забивают через грунт до закрепления в породе. Один метод — забивание стальных свай повторным сбрасыванием тяжёлого груза на их вершины. Другой — бурение скважин через грунт в породу, установка арматурных стержней и заполнение бетоном.

  А. Диафрагменная стена. Б. Фундаментная плита. В. Один тип фундамента небоскрёба использует стальные сваи для закрепления фундамента в грунте. Г. Метод скользящей опалубки для заливки бетона.

• 4. Платформа фундамента из ж/б заливается поверх несущих колонн.

Надземная конструкция и ядро

Как только строительство небоскрёба началось, работа над несколькими фазами структуры ведётся одновременно. Например, к моменту, когда несущие колонны достигают нескольких этажей, рабочие начинают перекрытия для нижних этажей. По мере роста колонн выше, бригады перекрытий переходят на более высокие этажи, и финишные бригады начинают работу на нижних уровнях. Перекрытие этих фаз не только использует время максимально эффективно, но и гарантирует, что структура остаётся стабильной во время стройки.

• 5. Если используются стальные колонны и перекрёстные связи, каждая балка поднимается краном на место. Изначально кран стоит на земле; позже он может быть размещён на самом высоком существующем уровне стального скелета. Квалифицированные рабочие либо приболчивают, либо сваркивают конец балки на место (ниты не используют с 1950-х). Балку затем обматывают изоляционной курткой для защиты от перегрева и ослабления при пожаре. Альтернативная мера защиты от тепла в некоторых зданиях — стальные балки из полых труб; когда надстройка завершена, трубы заполняют водой, циркулирующей непрерывно на протяжении жизни здания.
• 6. Бетон часто используют для ядра здания, а также для несущих колонн. Техника «скользящей опалубки» широко применяется. Деревянные опалубки нужной формы крепят к стальной раме, соединённой с подъёмным домкратом, хватающим вертикальный стержень. Рабочие готовят секцию арматуры выше деревянных опалубок. Затем начинают заливать бетон в опалубки. По мере заливки подъёмный домкрат медленно и непрерывно поднимает опалубку. Состав бетонной смеси и скорость подъёма координируют так, чтобы бетон в нижнем диапазоне опалубки схватывался до того, как опалубка поднимется выше. По мере процесса рабочие удлиняют арматурную сетку, выходящую над опалубкой, и добавляют удлинители к вертикальному стержню, который хватает подъёмный домкрат. Таким образом, вся бетонная колонна строится как непрерывный вертикальный элемент без стыков.
• 7. В здании со стальным скелетом перекрытия строят на слоях горизонтальных связей. В других проектах перекрытия несут горизонтальные стальные балки, прикреплённые к ядру и/или несущим колоннам. Стальная профнастил (панели тонкого волнистого металла) укладывают на балки и сваркивают. Слой бетона толщиной 2–4 дюйма (5–10 см) заливается на профнастил для завершения перекрытия.

Эмпайр-стейт-билдинг.

Эмпайр-стейт-билдинг должен был положить конец конкуренции за самое высокое здание. Оно должно было возвышаться на 102 этажа, 1250 футов (381 м) над Манхэттеном. Разработчики Джон Дж. Раскоб и Пьер Сэмюель Дю Пон, вместе с бывшим губернатором Нью-Йорка Альфредом Э. Смитом, объявили в августе 1929 года намерение построить самое высокое здание мира. Избрали стройку Starrett Brothers and Eken и архитектурное бюро Shreve, Lamb, and Harmon с Уильямом Ф. Лэмбом как главным дизайнером. Оно отступает от улицы выше пятого этажа и затем взмывает беспрерывно более 1000 футов (305 м) до 86-го этажа. Фасад — известняк и гранит, вертикальные хромо-никелево-стальные колонны идут с шестого этажа до вершины. Здание содержало 67 лифтов и 6500 стеклянных окон, увенчанных 200-футовым (61 м) мачтой для дирижаблей.

Эмпайр-стейт-билдинг был завершён 11 апреля 1931 года, на 12 дней раньше графика и официально открыт 1 мая 1931 года. Здание заняло место в истории как самое высокое когда-либо построенное, удерживая титул более 40 лет. Только в 1972 году, когда 1348-футовые (411 м) близнецы Всемирного торгового центра были завершены, Эмпайр-стейт-билдинг уступил в высоте. WTC в свою очередь уступил в 1974 году Сёрс Тауэру в Чикаго, ставшему самым высоким зданием мира на 1453 фута (443 м).

Фасад

• 8. В большинстве высоких зданий вес структуры и содержимого несут несущие колонны и ядро здания. Внешние стены лишь ограждают структуру. Они строятся креплением панелей из стекла, металла и камня к раме здания. Распространённая техника — приболчивание к угловым кронштейнам, закреплённым к перекрытиям или несущим колоннам.

Отделка

• 9. Когда этаж ограждён внешними стенами, он готов к внутренней отделке. Это включает монтаж электропроводки, телефонных линий, трубопроводов, внутренних стен, потолков, сантехнических приборов, освещения, спринклеров для пожаротушения. А также установку механических компонентов: лифтов и систем вентиляции, охлаждения и отопления.
• 10. Когда вся надстройка завершена, вершину здания доводят установкой крыши. Это может быть построено похоже на перекрытие, затем гидроизолировано слоём резины или пластика перед укладкой привлекательного, погодоустойчивого слоя черепицы или металла.

Контроль качества

Различные факторы учитывают при обеспечении качества. Из-за огромного масштаба небоскрёбов небольшая ошибка позиционирования у основания усилится при продлении до крыши. Помимо обычных геодезических приборов, необычные устройства вроде GPS-сенсоров и авиабомбоприцелов могут использоваться для верификации размещения и выравнивания структурных элементов.

Грунтовые датчики вокруг стройплощадки используют для обнаружения неожиданных движений грунта, вызванных строительной деятельностью.

Побочные продукты и отходы

Выкопка фундаментной ямы и подвальных уровней требует удаления огромных объёмов грунта. Когда 110-этажные башни WTC строились в Нью-Йорке в начале 1970-х, более 1 млн куб. ярдов (765 000 куб. м) грунта и горной породы вывезли и сбросили в هدсон, создав 23,5 акра (95 100 кв. м) новой земли, на которой позже построили другой небоскрёб.

Будущее

Разработаны планы нескольких новых небоскрёбов, превосходящих существующие рекорды высоты. Например, 108-этажное здание на 7 South Dearborn Street в Чикаго, ожидаемое к 2004 году, будет 1550 футов (473 м) высотой. Оно даст 43 акра (174 000 кв. м) замкнутого пространства на участке всего 200 футов (61 м) в квадрате.

В 1956 году американский архитектор Фрэнк Ллойд Райт анонсировал планы мильного (1,6 км) небоскрёба для 100 000 работников. В 1991 году другой американский архитектор, д-р Юджин Цуй, спроектировал 2-мильный (3220 м) небоскрёб для жизни, работы и отдыха 1 000 000 людей. Хотя такие здания теоретически построимы, они сейчас непрактичны. Например, комфорт людей ограничивает скорость лифтов не более 3000 фут/мин (915 м/мин). Для размещения 100 000 работников в предложенной Райтом структуре количество лифтовых шахт заняло бы слишком большую часть площади здания.

Улучшения лифтовых технологий будут важны для будущих небоскрёбов. Самоходные бескабельные лифтовые кабины, движущиеся горизонтально и вертикально, предлагались, но всё ещё в разработке. Компьютеризированные системы диспетчеризации кабины с нечёткой логикой можно уточнить для более эффективной перевозки людей, группируя пассажиров с близкими пунктами назначения.