Увеличение этажности зданий стало серьёзным вызовом для мировой строительной отрасли. Рост населения в мегаполисах, экономия площадей и повышение уровня жизни привели к появлению небоскрёбов. Строителям и архитекторам пришлось непросто.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №3(43). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Возможности строительства из обычного кирпича ограниченны. Чем выше здание, тем больше его масса и выше давление на несущие стены нижних этажей. В итоге постройка рискует покоситься и обрушиться. Можно увеличить толщину стен, как это сделали в 1891 году при проектировании 16‑этажного здания «Монаднок» в Чикаго. В этой «высотке» толщина стен на нижних этажах составляла 1,8 метра, что серьёзно осложняло естественное освещение: солнечные лучи с трудом пробивались сквозь узкие и глубоко посаженные окна. Пришлось искать другие решения. Взор архитекторов пал на новый конструкционный материал — чугун.

Чугун сочетает в себе высокую прочность и относительную лёгкость. Первым образцом высотного строительства считается семиэтажное здание в английском Манчестере, возведённое

в 1801 году с использованием чугунных двутавровых балок. Конструкция здания создавала свое­образную силовую раму, принимающую на себя основные нагрузки. Хрустальный дворец, построенный в 1851 году в Лондоне к Первой Всемирной выставке, впервые совместил лёгкий и прочный деревянно-чугунный каркас с обширным остеклением. Напоминавшее гигантскую оранжерею здание вмещало до 14 000 по­сетителей.

Монаднок

Ну а старт «массовому» высотному строительству был дан в американском городе Чикаго в конце XIX века. Металлический каркас в качестве несущей конструкции и относительно тонкие кирпичные стены стали отличительной чертой 55‑метрового здания «Хоум Иншуренс Билдинг». Высотка в десять этажей была построена по проекту архитектора Уильяма Ле Барона Дженни в 1883 году, в её конструкции широко применялись прокатные стальные Г-образные балки. В течение следующих 12 лет в Чикаго построили ещё несколько гигантов, в том числе 10‑этажный «Рэнд Макнелли Билдинг» и 20‑этажный «Масоник Темпл». В стальной конструкции появились элементы, повышающие ветровую устойчивость небоскрёбов, — диагональные связи в плоскости рам наружных стен, которые создавали вертикальную стену-диафрагму.

Хоум Иншуренс Билдинг

Дальнейшее проектирование высотных зданий требовало теоретического обоснования. Первым этими вопросами занялся американский архитектор Луис Салливан. В 1891 году он сформулировал «догмы», которым строители следуют по сей день.

Прежде всего Салливан указал на обязательное наличие в каждом небоскрёбе подземного этажа, где должно располагаться оборудование для снабжения здания электроэнергией и теплом. 

Первый и второй этажи нельзя отдавать под жилые или офисные помещения — внизу следует размещать банки или магазины, которым требуются большие площади и много солнечного света. Офис­ные или жилые помещения на этажах между вторым и верхним должны быть типовыми и иметь одинаковую планировку.

Последний этаж следует оставлять под технические нужды — систему вентиляции и другое оборудование. На технических этажах окна могут отсутствовать или быть совсем небольшими.

Также архитектор указывал на необходимость сужения небоскрёбов по мере увеличения высоты — за счёт этого улицы и первые этажи получали достаточно света. Иногда на вершине небоскрёба размещают пентхаусы — рос­кошные апартаменты, из которых открывается великолепный вид на город. В настоящее время подавляющее большинство высотных зданий проектируется и возводится по принципам Луиса Салливана, которым уже более ста лет. Свои идеи архитектор впервые воплотил в высотке «Гаранти Траст Билдинг», построенной в 1894 году в Буффало.

С историей и теорией небоскрёбов разобрались. Пора строить.

Начинаем, как водится, с фундамента. В высотных зданиях он должен выдерживать чрезвычайно большие нагрузки — несколько сотен тысяч тонн. Сейчас используются три типа фундамента: плитные, свайные и комбинированные.

Главным достоинством плитного фундамента является возможность укладки на слабые грунты: здание вместе с подземной частью как бы «плавает» на не­устойчивой опоре. Такой фундамент требует больших трудозатрат на рытьё котлована — он может достигать 50 метров в глубину.

Самым распространённым является свайный фундамент. Он предполагает наличие прочного грунта и большие затраты на возведение. Главным преимуществом такого фундамента является малая осадка после постройки — всего несколько сантиметров. Сколько свай потребуется? К примеру, на фундамент каждого корпуса Главного здания Московского государственного университета приходится по 1400 свай длиной 14–16 метров и диа­метром 30 сантиметров; в верхней части они объединены плитой толщиной 1,6 метра.

Комбинированный плитно-свайный фундамент позволяет распределять гигантскую нагрузку между глубинными слоями грунта (с помощью длинных опор) и межсвайным пространством (с помощью массивной плиты). Таков фундамент самого высокого в мире здания «Бурдж-Халифа»: двести 45‑метровых свай диаметром 1,5 метра распределяют нагрузку в относительно слабых грунтах, а в верхней части плита передаёт давление наружным слоям земли. Интересное решение применено в немецком небоскрёбе «Пост Тауэр»: свайные опоры отделены от основной железобетонной плиты фундамента синтетической прокладкой — это позволяет справиться с деформациями слабых грунтов.

Теперь о несущих стенах. Точнее, несущих конструкциях — «скелете» небоскрёба. Обычно они изготавливаются из стальных труб, прокатных или сварных профилей. На строительной площадке никто не занимается сваркой «скелета» — всё собирают, как конструктор, из заводских модулей. Краны доставляют стальные заготовки к месту сборки, и строителям остаётся либо болтовыми соединениями, либо заклёпками закрепить их на теле здания. Далее монтаж перекрытий. Их конструкция бывает разной: огромные стальные решётки, железобетонные плиты, балочные клетки. При этом важно помнить, что в Европе максимальная глубина помещения по условиям солнечной освещённости не может превышать 16 метров, а в США это требование гораздо жёстче — не более 8 метров.

Скелет готов: фундамент залит, стены и перекрытия возведены. Осталось установить наружные панели из стекла, железобетона, пластика и утеплителя, а также покрыть крышу. Но есть нюансы.

Жителей мало интересуют технические подробности строительства высотных зданий. Возникает более насущный вопрос: как подняться на верхние этажи? Пешком идти не хочется. Решение — лифты, но они в высотках особенные. Первый лифт в современном понимании был построен в 1851 году в нью-йоркском отеле на Пятой авеню, и передвигался он… по рельсам. Во второй половине XIX века инженерам удалось сделать лифты безопасными, перевести их на паровой ход и оснастить подвесной системой. Но вот скорость подъёма не превышала 20 см/с. Важным усовершенствованием стал переход в 1880 году на электрическую тягу — заслуга Вернера фон Сименса. В настоящее время скорость подъёма лифтов в таких высотках, как «Петронас Тауэр», «Джин Мао» и «Гонконгский финансовый центр», достигает более 7 м/с — подъём на 50‑й этаж занимает всего минуту. А в небоскрёбе «Финансовый центр Тайбэя» пассажиры поднимаются (точнее говоря, взлетают) вообще со скоростью 16,7 м/с; спускаются, правда, на 10 м/с.

Важна также аэродинамика небоскрёбов, их устойчивость к ветрам. Инженеры учитывают розу ветров в районе строительства и даже продувают модели зданий в аэродинамической трубе. Совсем как самолёты! Типичный пример оптимальной аэродинамической формы — яйцеобразное здание мэрии Лондона «Сити-холл». Однако для сверхвысоких зданий столь радикальные формы мало подходят, поэтому обычно архитекторы ограничиваются обтекаемыми очертаниями. На уровне верхних этажей высоток гуляют такие ветра, что, открыв окно, человек может упасть от воздушного напора. Поэтому в некоторых небоскрёбах окна вообще не открываются — здание вентилируется с помощью специальной системы.

Важно обеспечить сейсмическую устойчивость. Для этого здания высотой 250–400 метров делают… «гибкими»! Да, высотка должна гасить подземные толчки, изгибаться и поглощать кинетическую энергию! Лучше всего с этим справляются более упругие, чем бетон, стальные конструкции. Жёсткое здание может разрушиться даже от небольшого землетрясения. Но возникает противоречие с ветровой устойчивостью: «гибкое» здание будет сильнее раскачиваться на ветру. Чтобы этого не случилось, устанавливают специальные сверхтяжёлые маятники. Так, внутри небоскрёба «Тайбэй 101» на уровне 92‑го этажа висит на тросах 800‑тонный демпфер колебаний: раскачиваемый гидроцилиндрами, он гасит отклонения здания при сильном ветре или во время землетрясения. Обычно амплитуда его колебаний не превышает 10–15 см, но при тайфунах может достигать 150 см.

Самым высоким зданием, как уже говорилось, является небоскрёб «Бурдж-Халифа» в Дубае (Объединённые Арабские Эмираты) с его 828 метрами и 163 этажами. Но уже через пару лет, если всё пойдёт по плану, в Саудовской Аравии построят «Джидда-Тауэр» высотой в километр! Изначально архитекторы планировали довести рекорд до 1,6 км, но анализ грунтов заставил отказаться от этой идеи.

Сейчас в мире строится около 40 сверхвысоких зданий — они наверняка станут магнитами для туристов, бизнесменов и деятелей культуры. Занимайте места поудобнее, впереди много интересного!