Проектирование и строительство высотных зданий

Ю. Г. Граник, доктор техн. наук, директор по научной деятельности ОАО «ЦНИИЭП жилища»

Московским Правительством принята программа «Новое кольцо», предусматривающая строительство более 60 многофункциональных высотных зданий. Существенным фактором, негативно влияющим на развитие высотного строительства, является отсутствие современной нормативной базы, без которой невозможно успешное развитие этого вида строительства.

Рисунок 1. Жилой комплекс «Алые паруса»

В этой связи Госстрой России совместно с Правительством Москвы наметили в течение 2004 года создание нормативной базы, включающей разработку московских городских строительных норм (МГСН) на проектирование многофункциональных высотных зданий и целого ряда рекомендаций, охватывающих разные аспекты проектирования таких зданий. К разработке этих документов привлечено свыше 20 ведущих научно-исследовательских, проектных, строительных и эксплуатационных организаций. Головной организацией, координирующей всю эту работу, назначено ОАО «ЦНИИЭП жилища».

Рисунок 2. (подробнее) Несущие конструкции высотного здания «Эдельвейс»

В ряде стран особенно в США,  накоплен значительный опыт проектирования, строительства и эксплуатации высотных зданий. Одним из первых высотных зданий можно считать Вулворт  билдинг (Woolworth Building) в Нью-Йорке высотой 241 м (57 этажей), возведенный в 1913 году. Долгое время самым высоким зданием в мире считался Эмпайр стейт билдинг (Empire State Building), имеющий 102 этажа и общую высоту 381 м (с антенной – 448 м). В дальнейшем его потеснили здания Международного торгового центра (World Trade Center) в Нью-Йорке (415, 417 м) и Сирс Тауэр (Sears Tower) в Чикаго (442 м). В последние годы строительство самых высоких зданий переместилось на Восток – в Малайзию, Тайвань и Китай.

Рисунок 3. (подробнее) Несущие конструкции высотного здания «Эдельвейс»

В 1998 году в Куала-Лумпур построены две башни-близнецы Петронас-тауэрс (Petronas Towers) высотой 452 м, в 2004 году в Тайбее планируется завершить строительство здания Международного финансового центра (Taipei 101, более известный как Taipei Financial Center) высотой 448 м (со шпилем – 508 м). Здание Шанхайского всемирного финансового центра (World Financial Center), строительство которого предполагается завершить в 2007 году, будет составлять 492 м. Существует проект строительства в Сеуле к 2008 году 580-метрового здания (International Business Center).

В последние годы в Москве активно строятся высотные здания. Среди них высотные жилые комплексы «Алые паруса» (рис. 1) и «Эдельвейс» (рис. 4).

Высотные здания, особенно здания значительной высоты, имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий. Во-первых, с ростом высоты здания резко увеличиваются нагрузки на несущие конструкции, в связи с чем с развитием высотного строительства было разработано несколько конструктивных систем таких зданий: каркасная, рамно-каркасная, поперечно-стеновая, ствольная, коробчатая, ствольно-коробчатая («труба в трубе», «труба в ферме») и др.

В свою очередь, ствольные системы имеют свои разновидности: консольное опирание перекрытий на ствол, подвешивание внешней части перекрытия к верхней несущей консоли «висячий дом» или его опирание посредством стен на нижерасположенную несущую консоль, промежуточное расположение несущих консолей высотой в этаж с передачей в них нагрузки от части этажей (рис. 3). Стволом или ядром в высотных зданиях является жесткий (монолитно выполненный) лестнично-лифтовой узел.

Выбор той или иной конструктивной системы зависит от многих факторов, основными из которых считаются высота здания, условия строительства (сейсмичность, грунтовые особенности, атмосферные, особенно ветровые, воздействия), архитектурно-планировочные требования. Следует отметить, что по данным немецких исследователей ветровые нагрузки в большинстве случаев более значимы, нежели сейсмические воздействия. Одни из наиболее высоких на сегодняшний день зданий – Джон Хенкок Сентер в Чикаго и Международный финансовый центр в Тайбее – выполнены по схеме «труба в ферме», при которой наружный периметр стен жестко связан со стволом и дополнительно укреплен мощными диагональными связями. В этом случае все здание работает как жесткая консоль, заделанная в тело фундамента.

Для уменьшения колебаний высотных зданий под действием ветрового напора в последние годы стали применять подвешенные в их верхней части инертные массы.

Практикой строительства установлено, что каркасные и рамно-каркасные системы, обладающие ограниченной жесткостью, целесообразно применять в зданиях высотой до 40 этажей, ствольные – до 50–60 этажей, ствольно-коробчатые и коробчатые – до 80–90 этажей, а свыше этого – по схеме «труба в ферме».

Одними из основных требований, предъявляемых к высотным зданиям, как показала мировая практика, являются требования комплексной безопасности, предусматривающие обеспечение путей эвакуации при кризисных ситуациях, противопожарные и антитеррористические мероприятия, надежный контроль и управление всеми системами инженерного оборудования, дублирование ряда систем жизнеобеспечения и др.

В связи с этим российскими нормативами (СНиП 10-01-94 и СНиП 21-01-97*) в настоящее время предусмотрена разработка технических условий на проектирование каждого высотного здания. ОАО «ЦНИИЭП жилища» совместно с рядом других организаций в целях обеспечения полного и обоснованного составления технических условий по заданию Москомархитектуры разработал в 2002 году «Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м». Они являются практическим руководством по составлению технических условий, отражающим особенности проектирования высотных зданий.

Рисунок 4. Жилой 43-этажный дом «Эдельвейс»

В «Общие положения» включены разделы по архитектурно-планировочным решениям, основаниям, фундаментам и подземным частям высотных зданий, их инженерному и санитарно-гигиеническому обеспечению, а также комплексу противопожарных мероприятий.

Архитектурно-планировочные решения жилого высотного здания должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к жилищу I категории по уровню комфортности. Вместимость проектируемых автостоянок необходимо обеспечивать в соответствии с требованиями МГСН 1.01.99 к жилищу I категории. Учитывая условия эксплуатации высотных зданий, требуется снаружи размещать специальные технические средства для ремонта фасадов и стеклопрозрачных ограждений. Приквартирные летние помещения подлежат обязательному остеклению и применению соответствующих ограждений для снижения психологического дискомфорта высотобоязни у жильцов, а окна выше 20–22 этажей в целях безопасности рекомендуется выполнять с неоткрывающимися наружными створками.

Следует особо остановиться на применении стеклопрозрачных ограждений. Анализ проектов уже первых высотных зданий показывает, что архитекторы склонны широко применять остекленные наружные ограждения и витражи. При этом не учитывается, что сопротивление теплопередачи этих конструкций не превышает 0,8 (м²•К)/Вт, что в 4 раза ниже требуемого сопротивления теплопередачи, предъявляемого к наружным стенам. Вследствие этого становится невозможным сделать теплоэффективными высотные здания с такими решениями фасадов.

Проектирование оснований, фундаментов и подземных частей высотных зданий могут выполнять только организации, имеющие лицензию на строительное проектирование зданий I и II уровней ответственности в сложных инженерно-геологических условиях.

При проектировании высотных зданий их следует размещать на территориях, где отсутствуют проявления карстовой опасности и оползневых явлений, а также в зонах проявления других опасных и техногенных процессов.

Предъявляется ряд особых требований к инженерно-геологическим изысканиям при проектировании высотных зданий. В качестве фундаментов рекомендуются плитные, в том числе повышенной жесткости (коробчатые), комбинированные плитно-свайные и свайные. Учитывая особенности московских грунтов и сложные техногенные условия, удельные нагрузки на основание под плитными элементами фундамента не следует принимать более 0,5 МПа. Сами же фундаменты должны выполняться из бетона класса не ниже В25.

Расчет оснований, фундаментов и подземных частей высотного здания необходимо выполнять по двум предельным состояниям: по несущей способности и по деформациям (осадкам, кренам, прогибам и пр.). Специфичным для таких зданий является требование, чтобы расчет системы основание – фундамент – надфундаментные конструкции выполнялся с учетом последовательности и принятой технологии возведения здания. В процессе проектирования, начиная с предпроектной стадии до начала строительства, необходимо разрабатывать программу мониторинга, предусматривающую обследование зданий окружающей застройки, их оснований и фундаментов.

При проектировании конструкций наземной части высотные здания следует относить к I уровню ответственности и принимать коэффициенты надежности по ответственности при высоте здания от 75 до 100 м равными 1,1; в диапазоне высот от 101 до 125 м – 1,15, а свыше этого – 1,2. Под действием ветровой нагрузки перемещение верха высотного здания не должно превышать 1/500 его высоты, что обеспечивает целостность остекления  и перегородок, а также нормальную работу лифтов. В соответствии с зарубежным опытом это условие соблюдается при отношении ширины к высоте здания, не превышающим 1/7. Жесткость конструкций высотного здания должна обеспечивать значение ускорения колебаний верхних этажей под динамическим воздействием ветра не более 0,08 м/с². Улучшить условия работы здания под нагрузкой и повысить его жесткость позволяет также симметричное расположение масс и жесткостей, возможно более равномерное распределение вертикальных нагрузок на несущие элементы здания, а для точечных зданий – симметричное горизонтальное сечение, приближающееся к квадратному. Следует сказать, что анализ первых проектов высотных зданий показывает: в ряде случаев архитекторы пренебрегают этими требованиями, что снижает надежность высотного здания, требует дополнительных конструктивных мероприятий и затрат.

Основные несущие конструкции следует выполнять из железобетона с гибкой и жесткой арматурой и стали. Зарубежный опыт показывает, что железобетон целесообразно применять при высоте зданий до 60 этажей. По немецким источникам использование высокопрочного бетона классов В80 и выше нерационально из-за его хрупкости, более низкой по сравнению с обычной технологичностью и высокой стоимостью. Стальные несущие конструкции следует надежно защищать от воздействия огня, обеспечивая их предел огнестойкости, равный  R 180. В качестве стволов (ядер) высотных зданий следует использовать лестнично-лифтовые узлы из железобетона по возможности в сочетании с блоком вентиляционных шахт.

Крышу высотного здания следует проектировать с внутренним водостоком.

Защита конструкций и всего высотного здания в целом от прогрессирующего обрушения обеспечивается такими мероприятиями, как неразрезность (статическая неопределимость) основных несущих частей, соответствующим проектированием узлов и соединений конструктивных элементов, гарантированным качеством применяемых материалов и другими мероприятиями.

Комплекс инженерного обеспечения высотного здания включает более 30 систем. Ряд инженерных систем, таких как водопровод, канализация, мусоропроводы и др., необходимо зонировать в пределах между соседними техническими этажами, которые должны располагаться по высоте на расстоянии не более 50 м. Помимо централизованных источников теплоснабжения высотного здания требуется предусматривать автономные источники теплоснабжения (АИТ), которые могут размещаться как в самом здании, так и в виде отдельно стоящих объектов. Необходимое количество лифтов, их грузоподъемность и скорость определяют расчетом при принятом интервале движения лифтов 80–100 с, а каждый лифт необходимо располагать в отдельной шахте.

В высотных зданиях все электроприемники по степени надежности относятся к 1 и 2 категориям. К 1 категории надежности относятся противопожарные системы, пожарная и охранная сигнализация, лифты, эвакуационное и аварийное освещение, оповещение людей при пожаре, огни светового ограждения и другие ответственные электроприемники. Их питание требуется осуществлять от двух независимых источников питания с устройством автоматического включения резерва (АВР).

Особое внимание при проектировании и эксплуатации высотных зданий уделяется противопожарным мероприятиям. Несущие конструкции зданий должны удовлетворять повышенным требованиям по пределам огнестойкости, равным не менее REI 180. То же относится к коммуникационным шахтам и шахтам дымоудаления. Само здание должно соответствовать 1-й степени огнестойкости при его высоте до 100 м, а более высокие – особой степени огнестойкости, а класс конструктивной пожарной опасности – СО. Для обеспечения доступа пожарных в любую квартиру на фасадах здания рекомендуется предусматривать специальные испытанные подъемные устройства с возможностью их использования для ремонта фасадов и мойки стекол. Сказанное относится только к части большого комплекса противопожарных мероприятий, которые обязательны при проектировании и эксплуатации высотных зданий.

Помимо этого, при разработке МГСН «Многофункциональные высотные здания и комплексы» будет регламентирована их комплексная безопасность, включающая безотказность и управляемость всех инженерных систем и мероприятия, связанные с антитеррористической деятельностью. Мировой опыт эксплуатации таких зданий подтверждает их необходимость.