Современное строительство высотных зданий

Люди всегда стремились к вышине. От вавилонской башни до кельнского собора, от египетских пирамид до Empire State Building, Burj Dubai и "Москва-Сити", это все является звеньями одной непрерывной цепи развития высотного строительства. Каждая новая высота вызывала удивление у современников и казалась им пределом, выше которого лежит только небо.

Сегодня также может показаться, что предел «штурма небес» почти достигнут: иные из небоскребов уже вплотную подошли к километровой отметке. Однако прогресс неостановим. Чего мы достигли, что ждет нас в ближайшем будущем, и какие чудеса нам еще предстоит увидеть?

Вчера и сегодня

Считается, что современное высотное строительство началось по прозаической причине – из-за нехватки земли в быстро растущих городах. Отчасти это так – например, ограниченность острова Манхэттен действительно заставила нью-йоркских застройщиков «тянуть» корпуса вверх. Но это не объясняет настоящую «гонку за высотой», которая развернулась с конца XX века на вполне свободных территориях, вроде Аравийской пустыни.

На самом деле, ответ прост: люди начали строить небоскребы потому, что научились это делать. Высококачественная сталь, бетон и безопасный лифт – вот истинные творцы высотного бума. В особенности способствовали росту этажности железобетон и развитие технологий работы с ним.

Несмотря на то, что сами по себе бетонные работы стали использовать еще в глубокой древности (например, Великая Китайская стена во многом создана по технологии монолитного строительства), свои удивительные способности бетон проявил наиболее полно именно при создании высоток. Прорывом явилось изобретение металлического каркаса – он и позволил получать сооружения практически любой высоты.

Ускорило «гонку по вертикали» и изобретение съемной многоразовой опалубки. Придумали ее в послевоенной Германии, разрушенной бомбежками. Нужно было быстро и качественно возводить «с нуля» практически всю инфраструктуру. Ни времени, ни материалов, ни рабочей силы катастрофически не хватало. Поэтому, по легенде, немецкий бизнесмен и инженер Георг Майер-Келлер решил собирать готовые деревянные щиты металлическим крепежом, чтобы оперативно перемещать их от одного объекта к другому. Идея оказалась настолько удачной, что сейчас монолитное строительство любой этажности сложно представить без такой разборной опалубки.

За истекшие десятилетия современные опалубочные системы ушли очень далеко от своего прародителя. Принятая сегодня повсеместно в высотном строительстве щитовая опалубочная система включает в себя каркасные щиты, подпорные элементы и детали крепежа. Каркасные щиты – основа системы. Они собираются из жесткой металлической рамы (стальной или алюминиевой) и опалубочной плиты, как правило, фанерной. Благодаря конструктивным особенностям сборная опалубка позволяет заливать любые поверхности – вертикальные, горизонтальные, изогнутые, округлые и даже наклонные.

Москва-Сити.

«Во многом, свойства опалубки зависят от прочности и качества материала щита: он должен выдерживать огромные нагрузки – до 8 тонн залитого бетона на квадратный метр – и быть устойчивым к агрессивному термическому и химическому воздействию застывающего бетона. Березовая ламинированная фанера по соотношению «вес-прочность» превосходит даже сталь, а специальное покрытие фенольной пленкой обеспечивает надежную защиту от вредных факторов. Поэтому опалубка из таких щитов с успехом позволяет осуществлять практически любые архитектурные идеи», – говорит Андрей Кобец, менеджер по развитию продукта «СВЕЗА», мирового лидера в производстве березовой фанеры.

Чем выше здание, тем оно прочнее. Но, с другой стороны, строительные материалы должны быть легче. В противном случае небоскреб может просто не выдержать собственного огромного веса. Поэтому «высотная гонка» потребовала объединенных усилий химиков, металлургов и архитекторов. Например, армирование бетона сталью позволило избежать главного противоречия в применении любых аналогов камня – отсутствия у последнего достаточной прочности на растяжение. В невысоких строениях это непринципиально, но начиная с 4–5 этажей, для устойчивости конструкции, приходится утолщать стены. В современном строительстве это неприемлемо. Обойти проблему помогло железо: оно обладает примерно равным бетону коэффициентом температурного расширения (проще говоря, одинаково реагирует на тепло и холод). Таким образом, эластичный металл принимает на себя растягивающее усилие, давая возможность строителям без опаски двигаться ввысь.

Еще больше «продвинула» стройку вверх технология преднапряженного железобетона. Метод состоит в том, что стальная высокопрочная арматура перед укладкой бетонной смеси натягивается специальным устройством. Когда бетон схватывается, сила предварительного натяжения передаётся застывающему материалу, сжимая его. Таким образом, частично или полностью, устраняются растягивающие напряжения от нагрузки.

«Преднапряжение позволяет существенно снизить вес конструкции и повысить ее прочность, – говорит Денис Портаев, руководитель направления по преднапряжению промышленно-строительного холдинга ГК «ПромСтройКонтракт». – Благодаря этой технологии расстояние между несущими колоннами можно увеличить до двух раз, до 20% снизить толщину перекрытий и на 25% уменьшить расход бетона».

Интересно, что одним из первых разработчиков метода (наряду с европейскими компаниями) стал советский ученый Виктор Михайлов.

Над уровнем неба

В наши дни в мире построено свыше 2600 небоскребов, треть из которых (862) возведена в Китае (включая Гонконг и Макао). Остальные расположены в США – 665, Японии – 163, ОАЭ – 146 и других государствах, причем с каждым годом все больше стран присоединяются к «небесному клубу». Впрочем, хотя высотное строительство давно перестало быть экзотикой, каждый небоскреб – здание уникальное. Поэтому довольно условна и классификация высоток. Тем не менее, она есть, поскольку существует целый ряд «унифицированных» проектных решений, которые служат ориентиром для профессионалов.

Такие решения обновляются и утверждаются на регулярных встречах международных независимых сообществ инженеров и архитекторов – IABCE (International Association for Bridge and Structural Engineering), ASCE (American Society of Civil Engineers) и CIB (International Council for Research and Innovation in Building and Construction). Последняя организация – CIB – в 1976 году на своем симпозиуме приняла классификацию небоскребов по их высоте в метрах, считающуюся сегодня общепринятой. Здания ниже 30 м были отнесены к сооружениям повышенной этажности; до 50, 75 и 100 метров – соответственно к I, II и III категориям многоэтажек, а свыше 100 метров – к высотным.

Лахта центр.

Последняя группа, в свою очередь, также делится по высоте с шагом в 100 метров. На сегодня зданий выше 400 метров в мире около 10, от 300 до 400 метров – немногим больше 20, от 200 до 300 метров – порядка 100 метров. Больше всего небоскребов в диапазоне от 100 до 200 метров, и подсчитать их точно невозможно – слишком велики темпы строительства.

Вне зависимости от архитектурных изысков, все современные небоскребы объединяет общая структура: как правило, это башня более-менее округлой формы. Единство объясняется двумя главными факторами. Во-первых, здание такой высоты не должно мешать естественному освещению своих более низких соседей. Во-вторых, чем больше высота, тем сильнее ветровые нагрузки (верхние этажи высоток при сильных ветрах раскачиваются вполне ощутимо для обитателей). Чтобы уменьшить их воздействие, лучше выбирать оптимальную в аэродинамическом отношении форму здания – пирамиду, цилиндр или призму. Причем основание высотки всегда должно быть несколько шире верха.

При всех заведомых преимуществах высотных пирамид (устойчивость и аэродинамическая стабильность) их не возводят – в силу сложности и материалоемкости. Зато цилиндров и призм предостаточно по всему миру – можно вспомнить знаменитую Burj Dubai (ОАЭ) или столичные высотки «Москва-Сити».

Еще один пример использования цилиндров в архитектуре – «Северная башня» комплекса «Москва-Сити». Корпус башни построен по монолитной технологии, а затем завершен сплошным стеклянным фасадом. «Выбор строительной технологии зависит от архитектурного решения здания, – говорит Александр Глоба, инженер производственно-технического отдела строительной компании «INRI». – И основные сложности – в правильном комбинировании методов. «Северная башня» – изначально правильно решена, архитектурно и технологически, поэтому она так интересна».

Что день грядущий нам готовит?

Будущее, как известно, начинается сегодня. И ближайший рубеж высотного строительства – километр – вот-вот будет перейден. До заветной отметки осталось совсем немного – недавно открытый Burj Dubai превысил 800 метров. Но высота – вовсе не главная тенденция, и не она определяет ближайшие перспективы небоскребов.

Можно выделить два основных тренда, которые воцарятся на ближайшие 10–20 лет – это архитектурная необычность и экологичность проектов.

Первая тенденция, поначалу, не кажется особенной – ведь, как уже говорилось, любой небоскреб уникален. Однако если взглянуть на высотки даже 10-летней давности, видно, что особых архитектурных изысков в них нет. Как правило, это просто башни из стекла и бетона, в лучшем случае – со шпилями необычной формы.

Лишь в последние годы появились здания, которые действительно отличаются оригинальностью дизайна. И именно они задали тон очередной гонке – на этот раз за красотой. Например, можно выделить кувейтскую высотку Al Hamra Firdous («Аль-Хамра Фирдаус»). Несмотря на довольно заурядный, по нынешним меркам, рост – «всего» 412 метров, – она стала мировой достопримечательностью, походя, скорее, на современную художественную инсталляцию. Динамичной, сложной формой небоскреб напоминает движущуюся человеческую фигуру в национальной арабской одежде. Добиться такого эффекта удалось благодаря использованию современных строительных технологий.

«Сложный силуэт здания, – говорит Андрей Кобец («СВЕЗА»), – получили, используя метод монолитного строительства. В данном случае эффектную спиральную форму внешней стены позволила создать съемная опалубка со щитами из березовой фанеры (при строительстве, в том числе, применялась фанера СВЕЗА). Этот проект на сегодняшний день стал уникальным – впервые в мире был построен небоскреб исключительно по монолитному методу. Достаточно сказать, что на возведение Al Hamra Firdous ушло более 500 тыс. тонн цемента – это настоящая рукотворная скала!»

Вторая глобальная тенденция – «зеленая» – также активно развивается уже сегодня. Она возникла не столько на волне моды на экологию, сколько как ответ на дискомфорт, который человек испытывает в сверхурбанизированной среде. Выходом из ситуации может стать организация среды обитания, максимально приближенной к природной, внутри «стальных пещер» мегаполисов. Такая среда – биоклиматическая – ближайшая цель архитекторов и проектировщиков.

«Все выше, и выше, и выше…» – современная архитектура уже более века следует этому лозунгу. На смену стандартным стеклянным башням, благодаря монолитной технологии строительства, приходят рукотворные горы, покрытые лесами, меняются интерьеры и техника, но одно остается неизменным: вызов земному притяжению. Благо, новейшие материалы и технологии постоянно раздвигают горизонты строительства.