Кіріспе

Аспан қыртыстарын жобалау және салу – өте биік ғимараттарда қауіпсіз және тұруға жайлы кеңістіктер жасауды қамтиды. Ғимараттар өз салмағын ұстап тұруы, жел мен жер сілкінісіне қарсы тұруы, сондай-ақ тұрғындарды өрттен қорғауы тиіс. Бірақ олар жоғарғы қабаттарда да ыңғайлы қолжетімді болуы керек, тұрғындарға қажетті жабдықтармен және жайлы климатты қамтамасыз етуі керек. Аспан қыртыстарын жобалау кезінде туындайтын мәселелер экономика, инженерия және құрылыс басқаруы арасындағы тепе-теңдікті ескере отырып, ең күрделі проблемалардың қатарына жатады.

Құрылыстың негізгі қағидалары

Жақсы құрылымдық дизайн көптеген ғимараттардың жобасында маңызды, бірақ әсіресе көкжайлар үшін, себебі құрылыс бағасының жоғары болуы және адам өміріне үлкен қауіп төндіруі мүмкін болғандықтан, тіпті апаттық сәтсіздікке ұшырау мүмкіндігінің өте аз болуы да қабылдауға келмейді, 2021 жылы Surfside кондоминиумының құлауында көрінгендей. Бұл азаматтық инженерлерге парадокс тудырады: сәтсіздік болмауын қамтамасыз етудің жалғыз жолы – лаборатория жағдайында да, нақты өмірде де барлық мүмкін сәтсіздік түрлерін сынау. Бірақ сәтсіздік түрлерінің барлығын білудің жалғыз жолы – бұрынғы сәтсіздіктерден сабақ алу. Сондықтан, еңбекке тартылған инженер берілген құрылымның барлық жүктемелерге төтеп бере алатынына толық сенімді бола алмайды, бірақ сәтсіздік қабылданатын деңгейде болуы үшін жеткілікті қауіпсіздік маржасын қамтамасыз ете алады. Егер ғимараттар сәтсіздікке ұшыраса, инженерлер бұл сәтсіздіктің алдын ала ескерусіздіктен немесе белгілі бір себепсіз фактордан туындағанын анықтауға тырысады.

Субструктура

Аспан қырғыштарды ерекше ететін көптеген нәрселердің бірі – олардың негіздік құрылысы. Мысалы, негіздік құрылысты ұстап тұратын шұңқырдың тереңдігі міндетті түрде тау жынысына жететін болуы керек. Егер тау жынысы жер бетіне жақын жатса, онда тау жынысының үстіндегі топырақ алынып тасталады және ғимараттың іргетасын салуға қолайлы, тегіс платформаны жасау үшін тау жынысының бетінен жеткілікті мөлшерде материал қазылып алынады.

Жүктеме және тербеліс

Аспан қырғышының жүктемесі негізінен ғимарат материалының өзінің күшінен туындайды. Көптеген құрылыс жобаларында ғимараттың салмағы, оның өзінің салмағынан басқа материалдың салмағынан әлдеқайда ауыр болады. Техникалық тұрғыдан алғанда, өлі жүк – ғимараттың жүктемесі, тірі жүк – ғимарат ішіндегі заттардың салмағынан (адамдар, жиһаз, көліктер және т.б.) үлкен. Осылайша, аспан қырғышының төменгі қабаттарында қажетті құрылымдық материал мөлшері жоғарғы қабаттардағы материалдан әлдеқайда көп болады. Бұл әрқашан көзге көрінбейді. Empire State Building-тің кері шегінулері сол кездегі құрылыс кодексінің нәтижесінде пайда болды және құрылымдық жағынан қажеттілік тудырмады. Ал John Hancock Center-дің пішіні жүктемені қалай көтеретінінің ерекше нәтижесі болып табылады. Тік тіректер түрлі болуы мүмкін, олардың ішінде аспан қырғыштары үшін ең көп қолданылатындары – болат қаңқалар, бетон ядролар, құбыр ішінде құбыр және қабырғалық тіректер болып жіктеледі. Аспан қырғышына желдің тигізетін жүктемесін де ескеру қажет. Шындығында, аса биік құрылымдарға тиетін көлденең жел жүктемесі әдетте құрылымдық жобалаудағы басты фактор болып табылады. Жел қысымы биіктікпен бірге артады, сондықтан өте биік ғимараттар үшін желмен байланысты жүктемелер өлі немесе тірі жүктемелерден артық болады. Басқа тік және көлденең жүктеме факторлары жер сілкінісі сияқты әртүрлі, болжауға қиын көздерден туындайды.

Қалқа қабырғалары

Қиыршық қабырға, ең қарапайым анықтамасы бойынша, қабырғаның барлық материалы көлденең және тік жүктемелерге қарсы тұру үшін қолданылатын қабырға болып табылады. Типик мысал – кірпіш немесе шлакблок қабырға. Қабырға материалы салмақты ұстауға арналғандықтан, қабырғаның мөлшері артқан сайын, ол одан да көп салмақты ұстауы керек. Қиыршық қабырғаның ерекшеліктеріне байланысты, шағын құрылыстар, мысалы, қала маңындағы үйлер немесе қалалық тас үйлерге, аз материалдық шығындар мен аз күтім-жөндеу талап етіледі. Осылайша, мұндай құрылыстар үшін әдетте фанера және каркас, кірпіш немесе шлакблок сияқты қиыршық қабырғалар қолданылады. Бірақ, көпірлер үшін, құрылыстың мөлшері артқан сайын, тіреу қабырғасының мөлшері де артады. Мысалы, қамалдар мен соборлар сияқты ірі құрылыстар бұл мәселелерді үлкен қабырғаның тиімді болуы (қамалдар) немесе оның айналысында жобалау мүмкіндігі (соборлар) арқасында шешкен. Көпірлер ең көп қабат кеңістігін алу үшін конструкциялық тіреуді біріктіруге тырысады, сондықтан қиыршық қабырғалар көбінесе басқа тіреу жүйелерімен бірге қолданылады.

Болат қаңқа

Аспан қыртысының дәстүрлі түсінігі – ішінде көптеген кішкентай бөлмелер бар үлкен болаттан жасалған қорап. Қиыр қабырғаның тиімсіз бөлігін, яғни орталық бөлігін жойып, қолдаушы элементтерді мықтырақ материал – болатпен біріктіру арқылы, аспан қыртысын көлденең және тік тіреулермен тұрғызуға болады. Бұл әдіс қарапайым болғанымен, кемшіліктері де бар. Олардың ең бастысы – биіктік артқан сайын, көбірек материалды тіреу қажет болады, сол себепті тіреуші элементтер арасындағы қашықтық азаяды, бұл өз кезегінде тіреуге қажетті материал мөлшерін арттырады. Бұл 40 қабаттан аспайтын ғимараттар үшін тиімсіз және экономикалық тұрғыдан қолайсыз, себебі тіреу бағаналарына арналған пайдалы еден алаңы кішірейеді және болаттың көп мөлшері қолданылады.

Құбырлық қаңқа

1960 жылдардың басында кадрлы құбырларды пайдаланатын жаңа құрылымдық жүйе әзірленді. Фазлур Хан мен Дж. Ранкин кадрлы құбыр құрылысын "үш, төрт немесе одан да көп тіреулі қабырғалар немесе қиылысқан қабырғалардан тұратын үш өлшемді кеңістіктік құрылым, олардың жиектері біріктіріліп, кез келген бағыттағы көлденең күштерге төңкеріліп тұра алатын тік құбыр тәрізді құрылымдық жүйе" деп анықтады. Тығыз орналасқан, байланысқан сыртқы бағаналар құбырды құрайды. Көлденең жүктемелер (көбінесе жел) құрылымның толық бөлігімен көтеріледі. Сыртқы бетінің шамамен жартысы терезелерге арналған. Кадрлы құбырлар ішкі бағаналардың санын азайтады, демек пайдалы еден алаңын арттырады. Гараж есіктері сияқты үлкен ашылулар қажет болғанда, құбырдың қаңқасы үзілуі керек, ал құрылымдық тұрақтылықты сақтау үшін көпірлі фермалар қолданылады. Құбыр құрылыстары шығындарды төмендетіп, ғимараттардың биіктігін арттыруға мүмкіндік береді. Құбырлық конструкция алғаш рет Хан жобалаған және 1963 жылы Чикагода аяқталған ДеВитт Каштанотты пәтер үйінде қолданылды. Одан кейін ол Джон Хэнкок орталығы мен Дүниежүзілік сауда орталығының құрылысында қолданылды. Құбырлық қаңқаның бір түрі – біріктірілген құбыр, ол бірнеше байланысқан құбырлық қаңқаларды пайдаланады. Чикагодағы Уиллис мұнарасы осы дизайнды қолданып, ерекше сыртқы түрін жасау үшін әртүрлі биіктіктегі тоғыз құбырды пайдаланды. Біріктірілген құбырлық конструкция экономикалық тұрғыдан ғана тиімді емес, сонымен қатар "архитектуралық кеңістіктің әртүрлі пішіндеу мүмкіндігі тұрғысынан инновациялық болды. Тиімді мұнаралар енді міндетті түрде қорап тәрізді болудың қажеті жоқ; құбыр бөлімдері әртүрлі пішінге ие болуы мүмкін және әртүрлі топтарға біріктірілуі мүмкін". Біріктірілген құбырлық құрылым "ғимараттар енді қорапша тәрізді болмай, мүсінге айналуы мүмкін" дегенді білдірді. Мысалдарға Дүниежүзілік сауда орталығы, Аон орталығы, Петронас мұнаралары, Цзинь Мао ғимараты және 1960 жылдан бері салынған басқа да көптеген аса биік ғимараттар жатады. Құбырлық құрылым дизайнының күшті ықпалы қазіргі ең биік ғимарат, Бурдж Халифаның құрылысында да көрінеді.

Лифт мәселесі

Лифттің ойлап табылуы, көптеген адамдар бір уақытта бірнеше қабатқа көтеріле алмайтынын (немесе көтеріле алмайтынын) ескере отырып, көкпарларды (асқабақ ғимараттарды) салудың алғы шарты болды. Көкпардағы лифттер, су мен электр энергиясы сияқты қажетті жабдық ғана емес, шын мәнінде бүкіл құрылыстың жобасымен тығыз байланысты. Биік ғимаратқа қосымша қабаттарды қызмет көрсету үшін көбірек лифттер қажет, бірақ лифт шахталары құнды еден алаңын пайдаланады. Егер қызмет көрсету ядросы (лифт шахталарын қамтитын) тым үлкен болса, ол ғимараттың пайдалылығын төмендетуі мүмкін. Архитекторлар биіктік арқылы алынған пайданы, кеңейтілген қызмет көрсету ядросының жоғалған құнымен теңестіруі керек. Көптеген биік ғимараттар лифттерді стандартты емес конфигурацияда пайдаланады. Бұрынғы Әлемдік сауда орталығының Егіз мұнаралары және Чикагодағы Джон Хэнкок орталығы сияқты ғимараттар аспан лоббилерін пайдаланады, онда жылдам лифттер жолаушыларды жоғарғы қабаттарға жеткізеді, олар жергілікті лифттер үшін база болып табылады. Бұл сәулетшілер мен инженерлерге лифт шахталарын бірін-бірің үстіне орналастыруға мүмкіндік береді, бұл орынды үнемдейді. Аспан лоббилері мен жылдам лифттер көп орын алады және қабаттар арасында саяхаттауға жұмсалатын уақытты ұзартады. Petronas Towers сияқты басқа ғимараттар екі қабатты лифттерді пайдаланады, бұл бір лифт ішіне көбірек адамдарды сыйдыруға және әр тоқтауда екі қабатқа жетуге мүмкіндік береді. Лифттерде екі деңгейден артық пайдалануға болады, бірақ бұл әлі сынақтан өткен жоқ. Екі қабатты лифттердің басты мәселесі – олар лифттегі барлық жолаушыларды тоқтатуға мәжбүрлейді, тіпті егер бір деңгейдегі адамдар ғана белгілі бір қабатта түсуі керек болса да. Шанхай мұнарасы және құрылысы жүріп жатқан (2019) Джидда мұнарасы қолданатын тағы бір шешім – ғимараттарды көп мақсатты пайдалану үшін салу, кеңсе кеңістігін төменгі қабаттарға орналастыру, себебі ол көбірек еден алаңын пайдаланады. Көп қабатты пентхаустар мен атриумдар (азын алаңды қажет ететін) жоғарғы қабаттарға орналастырылады.

Аспан қыртыстарын салудағы басқа қиындықтар

Аспан қыртыстарын салу күрделілік пен құнынан басқа да факторларға байланысты қиын болуы мүмкін. Мысалы, Париж сияқты еуропалық қалаларда ескі архитектура мен заманауи аспан қыртыстарындағы айырмашылық жаңа ғимараттар салу үшін жергілікті биліктен келісім алуды қиындатады. Ескі және танымал қалада аспан қыртыстарын салу қаланың бейнесін күрт өзгерте алады. Ұлыбританиядағы Лондон немесе АҚШ-тағы Сан-Франциско сияқты қалаларда "қорғалған көрініс" деп аталатын заңдық талап бар, ол екі маңызды нысан арасындағы көру сызығындағы немесе оған жақын жатқан жаңа ғимараттардың биіктігін шектейді. Бұл ереже жаңа биік ғимараттар үшін қолайлы жер табуды да қиындатады.