УДК 624.92
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Путь развития мирового высотного строительства на примере небоскреба Бурдж-Халифы
М.И. Черняк Черняк Марк Игоревич, студен группы Арб-13-1 Института архитектуры и строительства,
e-mail: marktroonice@yaxoo.com, А.В. Рудых Рудых Александр Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов и строительной механики, e-mail: rudykh@istu.edu
Аннотация
небоскреб халифы строительство проектирование
Рассмотрены проектные решения 826-метрового небоскреба Бурж-Халифы (Burj Khalifa) - самого высокого здания в мире на сегодняшний день. Хронологически составлен аналоговый ряд внедренных при его строительстве технологий, на основе чего возможен дальнейший анализ проблем проектирования в данной области и поиск решений для раскрытия потенциала высотного строительства - нового этапа в развитии высотной архитектуры.
Ключевые слова: высотное строительство; небоскреб; Бурдж-Халифа; инженерное достижение.
Annotation
The article examines the design consideration of the 826-meter skyscraper Burj-Khalifa that is the tallest building in the world for today. The authors have arranged in chronological order the analog series of technologies used in its construction. It may make possible further analysis of the design problems in this field and the search for their solutions to realize potential of high-rise construction that is a new stage in the development of high-rise architecture.
Keywords: high-rise building; skyscraper; Burj-Khalif; engineering achievements
Одна из глобальных проблем современности - перенаселение городов [2]. Существующий недостаток площадей, пригодных для строительства, является предпосылкой для увеличения количества этажей в зданиях.
Вследствие перенаселения городов и недостатка площадей, пригодных для застройки, становится актуальным вопрос изучения проблем высотного строительства и систематизации проектных решений, направленных на улучшение качества жизни в современных городах. Исследование и анализ современных проектных решений в области высотной архитектуры являются базой для поиска нового этапа проектирования. При этом возникает необходимость решения таких задач, как обеспечение вертикальных коммуникаций, легкости конструкции и скорости их монтажа, аэрации и кондиционирования воздуха (рис. 1-8).
Небоскреб Бурдж-Халифа (Burj Khalifa), построенный в г. Дубай Объединенных Арабских Эмиратов в 2004-2010 гг., - признанный мировой общественностью прорыв в области высотного строительства [3]. Небоскреб имеет высоту 828 метров, взять которую строителям позволили инженерные достижения последних 130 лет. Это новаторские идеи, воплощенные при строительстве семи выдающихся сооружений.
Создатели небоскреба понимали, прежде чем строить высотное здание, необходимо обеспечить людям подъем на верхние этажи. Очевидное решение данной проблемы - лифт, однако первые лифты имели недостаток: невозможность остановки при разрыве троса. Инженер из Вермонда Элимша Грейвс Отис в 1870 году, при реализации проекта «The Equitable Life Building» в США, создал устройство, способное почти мгновенно остановить падающий лифт - простое, но, в то же время, хитроумное изобретение [4].
Самый ответственный элемент конструкции - трос - крепится к кабине через мощную рессорную пластину. Мощные шипы по обе стороны кабины, соединенные с пластиной, скользят вдоль направляющих, снабженных зубьями. Оставшись без нагрузки, пружина сжимается, выталкивает шипы, они цепляется за зубья, и останавливают кабину [4].
Рис. 1. Панорама. Вид на Бурдж-Халифу
Рис. 2. The Equitable Life Building
Рис. 3. Устройство остановки лифта Грэйвса Отиса
До постройки The Equitable LifeBilding нижние этажи считались наиболее привлекательными, однако, лифты произвели настоящий переворот на рынке недвижимости: верхние этажи с большим количеством света и воздуха и меньшим количеством шума стали наиболее ценными площадями здания.
В Бурдж-Халифе решением проблемы по обеспечению быстрых вертикальных коммуникаций (количество этажей в здании превышает 160) было проектирование 53 лифтов, способных развивать скорость свыше 35 км/ч и подниматься на 120 этажей менее чем за 50 секунд. При превышении лимита скорости движущегося лифта включаются аварийные тормоза, способные остановить устройство за несколько метров (при большой вместимости лифтов: самый большой лифт вмещает 46 пассажиров).
При дальнейшем развитии высотного строительства и достижения высоты более 80 м, новой проблемой стала недостаточная прочность традиционных материалов (камень). В связи с этим архитектор Дэниел Хадсон Бернем (Daniel Burnham) запроектировал здание «Fuller Flatiron» из стальных опор-балок, составляющих вместе единый стальной каркас, которое построили в 1902 г. в США. Сталь гораздо прочнее камня, вследствие чего каркас стал тонким (что было также важно при проектировании Fuller Flatiron в связи с небольшой площадью для строительства), но при этом удерживал вес всего сооружения. Кроме этого, чтобы оградить внутреннюю часть здания от ветра, влаги, стужи и зноя Бернем подвесил снаружи стального каркаса тонкие каменные стенки, подобные шторам.
Стальной каркас стал действительно большим шагом в строительстве небоскрёбов, поскольку привел к появлению зданий нового поколения [5].
Каркас в Бурдж-Халифе сочетает всё лучшее, что может быть в стали. В его конструкцию входит более 30 тысяч тон металла, внедренного в искусственный камень. Усиленный таким образом бетонный костяк здания облачён в высокотехнологичные стены-шторы из стекла и металла. Стены крепятся к каркасу Бурдж-Халифы секциями высотой в два этажа; панели стен жёсткие, соединения между ними подвижные (так, при передвижении тяжёлой мебели к внешней стене пол наклоняется, и стена опускается вниз, но подвижные соединения компенсируют сдвиг). Кроме этого, стены-шторы позволяют каждой секции расширяться и сжиматься под действием изменения температуры.
Сталь вознесла небоскрёбы до невиданных высот, поскольку основным несущим элементом стал металлический каркас. У архитекторов появилась возможность применять при облицовке фасада такой материал, как стекло, что позволило наполнить здания большим количеством света.
При строительстве штаб-квартиры ООН в Нью-Йорке (The headquarters of the United Nations, США, 1949-1951), архитекторы столкнулись с дилеммой: запроектированные стеклянные стены наполняют здания светом, но вместе со светом проходит и жар. Инженеры не хотели превратить здание в парник высотой в 39 этажей (стеклянная стена пропускает свет; большая часть излучения поглощается предметами внутри здания, при этом нагревается воздух, вследствие чего атмосфера в помещении очень быстро становится не комфортной).
Рис. 4. Fuller Flatiron
Рис. 5. The headquarters of the United Nations
Необходимостью стала разработка системы искусственного охлаждения. Американский инженер Уиллис Кэрриер решает эту задачу: он изобретает машину, которая способна охлаждать, высушивать, нагревать и увлажнять воздух при помощи воды - кондиционер [6].
С появлением данного устройства окна перестали быть необходимостью. Появилась возможность проектировать этажи большей площади, поскольку кондиционеры создали комфортные условия для работы даже в самых глубоких внутренних помещениях.
Применения только систем кондиционирования воздуха в странах с жарким климатом недостаточно, вследствие чего при проектировании Бурдж-Халифы в облицовке фасада было использовано стекло, покрытое тонким слоем металла, который отражает ультрафиолет, нагревающий здание. Однако даже такая защита бессильна против инфракрасных лучей: для решения данной проблемы на внутреннее стекло нанесён тонкий слой серебра. Более 30000 стеклянных панелей защищают Бурдж-Халифу от палящего зноя. Такого количества материала хватило бы, чтобы покрыть 17 футбольных полей.
Кондиционеры обеспечили комфортные условия работы в высотных зданиях, вследствие чего в небоскребах была увеличена полезная площадь. Небоскребы с большей полезной площадью приносят больший доход.
Еще одна проблема: с увеличением высоты увеличивается время на строительство. Так, при строительстве Всемирного торгового центра (Twin Towers, США, 1973 г.) чтобы достичь высоты в 417 м инженерам пришлось изобрести новый, гораздо более быстрый способ строительства небоскребов. Создатели Twin Towers столкнулись с подобной проблемой. Каждый день незавершённого строительства обходился слишком дорого. Решением было изготовление блоков на производстве и сбор их непосредственно на строительной площадке. Однако, вес блоков ограничивал их подъем на большую высоту. Деррик-кран [7], используемый при строительстве Twin Towers оказался слишком громоздким и тяжелым в управлении. Кран новаторской конструкции, сделанный в Австралии, мог поднимать 50 тонн, и четыре таких крана могли покрыть всю площадь здания. Как только три этажа собраны, основание крана отделяется, поднимается на три этажа и фиксируется на новой высоте, после чего на новый уровень поднимается весь кран. За эту особенность он получил прозвище «кран кенгуру». Несмотря на то, что устройство разбрызгивало много масла, оно было быстрым. Благодаря заранее изготовленным блокам и «кранам кенгуру», строителям удавалось возводить два этажа за неделю. В 1970 году всемирный торговый центр занял первую строку в списке высочайших зданий мира. В то время как верхние этажи продолжали расти, нижнее уже начали заселяться.
Рис. 6. Панорама. Вид на всемирный торговый центр
Кран кенгуру остается лучшим решением и для Бурдж-Халифы, однако здесь на новый уровень был выведен процесс изготовления блоков. Залогом скорости работы здесь стала новая технология, называемая «заливка прыгающей формы». Изготовление блоков начинается у основания: изготавливают опалубку - основу для стен и междуэтажных перекрытий. «Краны кенгуру» поднимают опалубку и помещают её в специальные «прыгающие формы», эти формы заполняются бетоном. Спустя 12 часов, после застывания бетона, при помощи гидравлических приспособлений, формы поднимаются, а бетонный блок остается на месте. Всего за 2 часа формы перемещаются на следующий уровень. Таким образом, Бурдж-Халифа выкладывалась из блоков, заливаемых бетоном, в течение 6 лет.
Однако с увеличением высоты, усложнялся процесс доставки бетона. Кроме этого, из-за высоких дневных температур процесс заливки возможно было осуществить только в ночное время. Для закачки 25 тонн бетона (сколько помещалось в каждой трубе) на высоту 150-го этажа нужен насос мощностью в 630 лошадиных сил, в связи с чем система нагнетения бетона подвергается невероятному испытанию: в трубе создается чрезвычайно агрессивная среда - высокое давление; частицы наполнителя, трущиеся о стенки, могут разорвать трубу. Бетон достигает 155-го этажа за сорок минут. Необходимая густота бетонного раствора была достигнута благодаря новейшим химическим технологиям, что обеспечивало доставку смеси, ее быстрое застывание, и ускоряло процесс производства работ. За каждые три дня вырастал новый этаж.
Таким образом, блочная технология позволяет небоскрёбам расти быстрее, что делает их более прибыльными и привлекательными для инвестиций.
С увеличением высоты связана еще одна проблема - ветровые нагрузки. Чтобы построить 442 метровую башню Sears Tower (США, 1973 г.), которую называют «городом Ветров», инженерам пришлось «вывернуть каркас здания наизнанку». Здание высотой более чем в 100 этажей подвержено сильным ветровым воздействиям (скорость ветровых потоков со стороны озера Мичиган достигает 80 км/ч), поэтому в 1970 году инженеры выносят каркас наружу таким образом, что здание обретает внешний скелет и способно противостоять скорости ветра. Девять труб каркаса, соединённых вместе, делают Sears Tower крепкой, как скала. При скорости ветра свыше 90 км/ч верхний этаж башни Сирс смещается только на 15 см.
Рис. 7. Панорама. Вид на Sears Tower
Бурж-Халифа по высоте превзошла башню Сирс вдвое. При такой высоте жёсткий внешний скелет не способен эффективно противостоять ветровым нагрузкам, поэтому архитекторы обращаются к аэродинамическим решениям продвинутого уровня. Неотъемлемым элементом процесса разработки проекта Бурж-Халифы было продувание модели в аэродинамической трубе. Ветер, мчащийся с большой скоростью, может быть чрезвычайно опасен для небоскрёба: потоки воздуха, обтекающие здание, образуют мини смерчи; вихри, возникающие при этом в области низкого давления, тянут здание в стороны; чем выше здание, тем более опасными становятся эти вихри.
Поэтому, при проектировании, конструкторы решают уйти от плоских и прямоугольных форм и обращаются к более непредсказуемым. Секции в башне спроектированы таким образом, чтобы отклонять ветровые потоки.
Ещё одна проблема, требующая решения: сейсмостойкость.
Чтобы воплотить свой замысел, создатели 509-метрового здания Taipei 101 (Тайвань, 2004 г.) совершают прорыв в области инженерной мысли. Здание небоскреба расположено в зоне Тихоокеанского огненного кольца, вследствие чего подвержено сильным сейсмическим воздействиям [8]. Поэтому, в 1999 году создатели небоскрёба сделали Taipei 101 жёстким, где это необходимо, и гибким, где это возможно. В центре здания они помещают 36 жёстких стальных труб, заполненных бетоном, которые сообщают зданию прочность; остальная часть конструкции может сгибаться и наклоняться под действием сейсмической нагрузки. Во время землетрясения 31 марта 2002 года Taipei 101 устоял, в отличие от близлежащих построек, меньших по высоте. Как утверждают инженеры, создатели Taipei 101, во время землетрясения созданный ими небоскреб является самым безопасным местом в городе.