Введение

Проектирование и строительство небоскребов включает в себя создание безопасных и пригодных для проживания помещений в очень высоких зданиях. Эти здания должны выдерживать собственный вес, противостоять воздействию ветра и землетрясений, а также обеспечивать защиту находящихся внутри людей от пожара. При этом они должны быть удобными для доступа, даже на верхних этажах, и обеспечивать наличие инженерных коммуникаций и комфортный микроклимат для пользователей. Задачи, возникающие при проектировании небоскребов, считаются одними из самых сложных, учитывая необходимость соблюдения баланса между экономическими соображениями, инженерными решениями и управлением строительством.

Основные соображения проектирования

Хороший конструктивный дизайн важен в большинстве строительных проектов, но особенно для небоскребов, поскольку даже малейшая вероятность катастрофического разрушения недопустима, учитывая высокую стоимость строительства и потенциальный риск для жизни большого числа людей, как показал обвал кондоминиума в Сурфсайде в 2021 году. Это создает парадокс для инженеров-строителей: единственный способ гарантировать отсутствие разрушений – это испытывать конструкцию на все возможные виды отказов, как в лабораторных условиях, так и в реальных. Но узнать обо всех возможных видах отказов можно только на основе анализа предыдущих разрушений. Таким образом, ни один инженер не может быть абсолютно уверен в том, что конструкция выдержит все нагрузки, способные привести к разрушению, а может лишь обеспечить достаточный запас прочности, чтобы вероятность разрушения была приемлемо мала. Когда здания разрушаются, инженеры анализируют, связано ли это с недостатком предвидения или с неким непредсказуемым фактором.

Подсооружение

Одна из многих особенностей небоскребов – их подструктура. Например, глубина котлована, в котором располагается подструктура, должна доходить до скального основания. Если скальное основание находится близко к поверхности, то грунт поверх него удаляется, и с поверхности скального основания убирается достаточно материала, чтобы сформировать ровную площадку для строительства фундамента здания.

Нагрузка и вибрация

Нагрузка, испытываемая небоскребом, обусловлена в основном весом самого строительного материала. В большинстве конструкций зданий вес несущей конструкции значительно превышает вес поддерживаемых ею элементов, помимо собственного веса. С технической точки зрения, постоянная нагрузка – вес конструкции – больше временной нагрузки, которая включает вес находящихся в ней объектов (людей, мебели, транспортных средств и т.д.). Следовательно, количество конструкционных материалов, необходимое для нижних этажей небоскреба, значительно больше, чем для верхних. Это не всегда очевидно визуально. Отступы в архитектуре Эмпайр-стейт-билдинг обусловлены строительными нормами того времени и не были продиктованы структурной необходимостью. В отличие от него, форма Центра Джона Хэнкока уникальным образом определяется способом распределения нагрузок. Вертикальные несущие конструкции могут быть разных типов, наиболее распространенные для небоскребов включают стальные каркасы, бетонные ядра, конструкцию «труба в трубе» и диафрагмы жесткости. Также необходимо учитывать ветровую нагрузку на небоскреб. Фактически, поперечная ветровая нагрузка, воздействующая на особо высокие сооружения, как правило, является определяющим фактором при проектировании их конструкции. Давление ветра увеличивается с высотой, поэтому для очень высоких зданий ветровые нагрузки превосходят постоянные и временные нагрузки. Другие вертикальные и горизонтальные нагрузки возникают из-за различных, непредсказуемых источников, таких как землетрясения.

Стены срезные

Сдвиговая стена, в самом простом определении, – это стена, в которой весь материал стены используется для сопротивления как горизонтальным, так и вертикальным нагрузкам. Типичным примером является кирпичная или стена из шлакоблоков. Поскольку материал стены используется для удержания веса, с увеличением размеров стены она должна выдерживать значительно больший вес. Благодаря особенностям сдвиговых стен, для небольших конструкций, таких как загородные дома или городские таунхаусы, допустимы низкие затраты на материалы и минимальное обслуживание. Таким образом, для этих конструкций используются сдвиговые стены, обычно в виде фанеры и каркаса, кирпича или шлакоблоков. Однако для небоскребов, по мере увеличения размеров сооружения, увеличивается и размер несущей стены. Крупные сооружения, такие как замки и соборы, изначально решали эти проблемы благодаря тому, что большая стена была преимуществом (замки) или могла быть учтена при проектировании (соборы). Поскольку небоскребы стремятся максимизировать полезную площадь за счет консолидации несущих конструкций, сдвиговые стены, как правило, используются только в сочетании с другими системами поддержки.

Стальная рама

Классическое представление о небоскребе – это большая стальная коробка с множеством небольших помещений внутри. Устранив неэффективную центральную часть несущей стены и сконцентрировав несущие элементы в более прочном материале – стали – можно построить небоскреб с горизонтальными и вертикальными опорами по всей структуре. Этот метод, несмотря на свою простоту, имеет недостатки. Главный из них заключается в том, что с увеличением массы конструкции (с ростом высоты) необходимо уменьшать расстояние между несущими элементами, что, в свою очередь, увеличивает общий объем поддерживаемого материала. Это становится неэффективным и экономически невыгодным для зданий выше 40 этажей, так как полезная площадь этажей уменьшается из-за увеличения количества опорных колонн и повышенного расхода стали.

Трубчатая рама

В начале 1960-х годов была разработана новая конструктивная система с использованием каркасных труб. Фазлур Хан и Дж. Рэнкин определили каркасную трубчатую структуру как "трехмерную пространственную конструкцию, состоящую из трех, четырех или, возможно, более каркасов, связанных каркасов или сдвиговых стен, соединенных по краям или вблизи них для формирования вертикальной трубчатой конструктивной системы, способной сопротивляться горизонтальным нагрузкам в любом направлении за счет консолирования от фундамента". Тесно расположенные соединенные внешние колонны формируют трубу. Горизонтальные нагрузки (преимущественно ветровые) поддерживаются всей структурой. Около половины внешней поверхности доступно для окон. Каркасные трубы позволяют уменьшить количество внутренних колонн, тем самым создавая больше полезной площади. В местах, где требуются большие проемы, такие как гаражные ворота, каркас трубы должен быть прерван с использованием распределительных балок для поддержания структурной целостности. Трубчатые конструкции снижают затраты и одновременно позволяют зданиям достигать большей высоты. Конструкция каркасной трубы впервые была использована в жилом доме DeWitt Chestnut Apartment Building, спроектированном Ханом и завершенном в Чикаго в 1963 году. Вскоре после этого она была использована при строительстве Центра Джона Хэнкока и Всемирного торгового центра. Вариацией каркасной трубы является сборная труба, которая использует несколько взаимосвязанных каркасных труб. Башня Уиллис в Чикаго использовала эту конструкцию, применяя девять труб различной высоты для достижения своего отличительного внешнего вида. Конструкция сборной трубы была не только высокоэффективной с экономической точки зрения, но и "инновационной в своем потенциале для создания универсального архитектурного пространства. Эффективные башни больше не должны были быть коробкообразными; трубчатые элементы могли принимать различные формы и объединяться в различные группы". Сборная трубчатая конструкция означала, что "здания больше не должны быть коробкообразными по форме: они могут стать скульптурой". Примеры включают строительство Всемирного торгового центра, Аон-центра, башен Петронас, здания Цзинь Мао и большинства других сверхвысоких небоскребов, построенных с 1960-х годов. Сильное влияние конструкции трубчатых конструкций также очевидно в строительстве самого высокого небоскреба в мире, Бурдж-Халифа.

Сложность с лифтом

Изобретение лифта стало предпосылкой для изобретения небоскребов, поскольку большинство людей не могли или не желали подниматься пешком более чем на несколько этажей. Лифты в небоскребе – это не просто необходимая инженерная система, как водопровод и электричество, а элемент, тесно связанный с проектированием всей конструкции. Более высокое здание требует большего количества лифтов для обслуживания дополнительных этажей, однако лифтовые шахты занимают ценную площадь. Если сервисный блок (включающий лифтовые шахты) становится слишком большим, это может снизить прибыльность здания. Архитекторам необходимо, следовательно, находить баланс между выгодой от увеличения высоты и потерями, связанными с расширением сервисного блока. Многие высокие здания используют лифты в нестандартной конфигурации для уменьшения занимаемой ими площади. В таких зданиях, как бывшие башни-близнецы Всемирного торгового центра и Чикагский центр Джона Хэнкока, применяются пересадочные узлы (sky lobbies), где скоростные лифты доставляют пассажиров на верхние этажи, которые служат отправной точкой для местных лифтов. Это позволяет архитекторам и инженерам располагать лифтовые шахты друг над другом, экономя пространство. Пересадочные узлы и скоростные лифты занимают значительную площадь и увеличивают время, затрачиваемое на перемещение между этажами. Другие здания, такие как башни Петронас, используют двухэтажные лифты, позволяющие вместить больше людей в одну кабину и останавливаться на двух этажах одновременно. Возможно использование и более чем двух уровней в лифте, хотя это пока не реализовано. Основная проблема двухэтажных лифтов заключается в том, что все пассажиры вынуждены останавливаться, даже если выходить нужно только на одном этаже. Другое решение, применяемое в Шанхайской башне и строящейся (2019 год) башне Джидда, заключается в создании зданий смешанного назначения, размещая офисные помещения на нижних этажах, поскольку они требуют больше площади. Многоуровневые пентхаусы и атриумы – требующие небольшого поперечного сечения – располагаются в верхней части здания.

Другие трудности при строительстве небоскребов

Строительство небоскребов может быть затруднено по причинам, выходящим за рамки сложности и стоимости. Например, в европейских городах, таких как Париж, контраст между обликом старинной архитектуры и современных небоскребов может осложнить получение одобрения на строительство новых зданий от местных органов власти. Возведение небоскребов в старинном и известном городе способно существенно изменить облик города. В городах, таких как Лондон в Великобритании или Сан-Франциско в Соединенных Штатах, действует юридическое требование, называемое "защищенным видом", которое ограничивает высоту новых зданий в пределах или вблизи линии видимости между определенными точками. Это правило также усложняет поиск подходящих участков для нового высотного строительства.