Небоскребы: как это сделано?

– Игорь Анатольевич, что такое небоскребы?

– В первую очередь речь идет о зданиях, то есть исключаются мачты, трубы, вышки и подобные объекты. Есть три категории высотности. Здания от 35 до 100 метров называют высотными, свыше 200 (иногда 150) метров – небоскребами, более 300 метров – сверхвысокими небоскребами.

– Как небоскребы изменили жизнь человечества?

– Они скорее стали демонстрацией технологий и возможностей индустрии, показали мощь человечества. На протяжении истории устремленность зданий ввысь имела особый смысл. Если вспомнить Пирамиду Хеопса (146,6 метра), Кельнский собор (157,4 метра), колокольню Ивана Великого в Москве (81 метр) – это достаточно высокие для своего времени строения. То есть высотными строили, как правило, либо храмы и сакральные сооружения, либо статусные объекты. Те же итальянские башни, например, в Пизе – демонстрация силы. Знатная семья строила высокую башню, чтобы показать престиж семьи и ее могущество.

Высота кирпичных или каменных стен была ограничена конструктивными возможностями этих материалов. В определенный момент сделать стену еще толще, чтобы она выдерживала нагрузки, уже становилось невозможно. Соответственно, этим и ограничивалась высота сооружения.

Все изменилось, когда в конце XIX века появилась идея использовать принципиально новую схему строительства. Предложили строить не стену, а использовать внутренний каркас, на который «навешиваются» наружные стены. Это сделало здание более легким, а использование стали и железобетона в качестве материалов несущих конструкций обеспечило каркасу высокую прочность. Также появлению небоскребов отчасти способствовало изобретение лифта.

– Когда появился первый небоскреб?

– Первый небоскреб как новый тип здания – Хоум-иншурэнс-билдинг – построили в 1885 году в Чикаго. Его высота составила 42 метра, 10 этажей. В 1891-м достроили еще два этажа, и в общей сложности получилось 55 метров.

Архитектор Уильям Дженни предложил новаторскую технологию строительства. Впервые собрали несущий каркас из чугунных опор и кованых балок, а затем «навесили» на него этажи. К сожалению, небоскреб снесли в 1931 году. В полной мере на несущий стальной каркас перешли в 1891 году, когда строили 11-этажную башню Уэйнрайта в Сент-Луисе по проекту архитектора Салливана.

– Из каких этапов складывается процесс возведения небоскреба и какие параметры учитываются?

– Процесс проектирования и строительства одинаков по стадиям, как и для других зданий. Всего получается пять шагов: предпроектные работы (предпроектный анализ, исследования, эскизирование); проектирование; организация строительства; строительство; ввод в эксплуатацию.

Так как небоскреб – это строение статусное и дорогое, стадия эскизирования может выполняться дольше, чем при проектировании обычных зданий. Плюс происходит моделирование различных условий на макете (цифровом, обычном и даже создают облако дронов, чтобы в натуральную величину на месте увидеть высоту здания, общий силуэт).

Архитектор Уильям Дженни, architecture.org

– Зачем это делают?

– Дело в том, что небоскребы влияют на городской ландшафт, изменяют его высотный силуэт, визуальные характеристики. В Париже после строительства первых высоток возникли проблемы, и до сих пор есть негативное отношение со стороны жителей и общественности. В Петербурге еще свежи воспоминания о переносе «Лахта Центра», который изначально планировался как «Охта Центр».

Также для небоскребов существуют дополнительные разделы проектной документации, и их много. Нужно регламентировать, как мыть фасады, какое лифтовое оборудование установить, как обеспечить небоскреб высотными маркировочными огнями, молниезащитой. Также учитываются скорость ветра, пути миграции птиц, световое загрязнение и тому подобное.

Еще в небоскребах необходимо применять уникальные системы, связанные с эвакуацией, нужны особенные конструктивные решения. Возможны даже научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР). Так, например, для сталинских высоток были разработаны специальные марки стали. Но сегодня чаще применяют уже разработанные решения, адаптируя их под текущие задачи.

– В чем принципиальная разница в строительстве малоэтажных домов и небоскребов?

– Небоскреб – это колосс, к нему предъявляются повышенные требования на всех уровнях строительства. Чем выше здание, тем больше нагрузка на все конструктивные узлы. Нагрузка распределяется в первую очередь на нижней части и ложится на фундамент (поэтому он должен быть особенно прочным) и на стены первых этажей. При этом систем и материалов, которые могут обеспечить необходимую прочность, ограниченное количество.

Инженерные системы тоже сильно отличаются. Когда этажность в пределах средней, вода на верхние этажи поступает за счет давления в общей системе городского водоснабжения. Если мы здание поднимаем выше, нужны дополнительные установки, иное оборудование. Чем выше здание, тем больше вертикаль, усложняются инженерные сети и лифтовая система.

– На чем основан принцип небоскребов, за счет чего они устойчивы?

– Как правило, применяется конструктивная система из несущего ствола и оболочки (которая тоже может быть частью несущей системы) и их различные комбинации. У небоскребов есть центральный «ствол» и этажи как бы вывешены относительно него как ветки дерева. Ствол также служит местом, где собраны все вертикальные коммуникации (лифты, лестницы, трассы инженерных систем).

Небоскреб устойчив, но не неподвижен. Как правило, его проект допускает отклонения и перемещения. Рассчитывается ветровая нагрузка, потому что ветер достаточно сильно может раскачивать здание. Например, для «Башни Федерации» в Москве допускается перемещение верхних этажей до 70 сантиметров. То есть раскачивание небоскребов – это нормально.

В Японии в сейсмоопасных районах высотные здания проектируются с учетом их перемещения, и у японцев большой опыт строительства таких небоскребов. Там применяются либо специальные фундаменты, либо специальные системы внутренней стабилизации.

– Как здание может перемещаться?

– Небоскреб целиком или его крупные части могут двигаться без разрушения во время землетрясений. Есть разные варианты устройства таких решений: где-то здание погружено в жидкость, которая воспринимает колебания, где-то используются специальные амортизаторы, которые могут компенсировать колебания всего сооружения или отдельных его частей.

Есть объекты, в которых достаточно массивный груз на гибких связях подвешен внутри здания. Когда начинается раскачивание небоскреба, такой гигантский маятник раскачивается в противофазе, тем самым не допуская резонанса в конструкциях здания.

Итальянская компания Luca Curci Architects (Лука Курчи) придумала THE LINK, вертикальный город на 200 тысяч человек. Проект предлагает решение проблемы плотности населения. Умный город состоит из четырех башен общей площадью 1,2 млн кв. м, засаженной 2 млн растений. Они смогут поглощать CO₂ и производить кислород. THE LINK со своими 300 этажами достигнет максимальной высоты 1200 метров. В городе будут жилье, офисы, рынки, бани, медицинские учреждения, учебные заведения, духовные и культурные центры.

– Существуют ли ограничения, которые не позволяют строить небоскребы в массовом порядке?

– Насыщая здание разными системами, мы делаем его более сложным и дорогим в эксплуатации, а также более зависимым от этих систем. Если перестанет работать лифт, не каждый поднимется на 80-й этаж. Также заложенный ресурс прочности здания увеличивает его стоимость.

Небоскребы – это, как правило, уникальные объекты, которые не могут быть дешевыми. Недорого обычно то, что можно тиражировать, что поставлено на поток. И как раз жилье является основным массовым типом строительства, если говорить о небоскребах как о жилых зданиях. Но даже там, где земля дорогая, строят не небоскребы, а просто высотные здания, потому что существуют ограничения.

digitaltrends.com

Например, учитывается плотность застройки для жилой территории. Есть специальный термин – коэффициент использования территории (КИТ), то есть отношение общей площади здания к площади участка. Нормативами закреплено, что КИТ должен быть в районе 2, и это уже плотная застройка. А если взять небоскреб «Эмпайр-стейт-билдинг», у него КИТ 25, то есть зашкаливает для жилья. Притом жилая территория – это не только дома, но и детские сады, школы, озеленение и благоустройство, паркинги, которые размещаются в границах застройки с учетом нормативной плотности. При застройке высотными зданиями среда получается избыточно урбанизированной, возникают «каменные джунгли».

– Строительные леса из бамбука сами похожи на небоскребы. Как их строят?

– Вообще-то леса из бамбука опираются на здания, и без них конструкция из бамбука неустойчива. Экзотические для нас леса делают так же, как и другие строительные леса, просто в качестве материала используют бамбук и эластичные связки в узлах.

– В чем преимущества таких лесов в сравнении с традиционными железными конструкциями (еще ведь строят леса из досок)?

– Леса из бамбука выгодно строить там, где это дешевый и доступный в большом количестве материал. И бамбуковые леса используют в строительстве относительно высотных зданий. В России, например, при строительстве зданий высотой 90–100 метров, это 28–30 этажей, часто пользуются технологиями, где леса не нужны. На больших высотах их вообще редко используют.

– Насколько строительство небоскребов экономически эффективно?

– Небоскреб может быть эффективен для бизнеса в том случае, если место, на котором его строят, знаковое, земля на участке очень дорогая, и офисы и апартаменты внутри небоскреба будут продаваться по высокой цене.

Любая экономическая эффективность связана с получением прибыли или достижением какой-то другой цели, например, построить самое высокое здание. Если затраты окупаются или цель достигнута, то эффективность есть. А высокие эксплуатационные расходы как раз и будут заложены в высокую стоимость аренды или содержания недвижимости в небоскребе.