Лекции и пособия / 05_Maklakova_Vysotnye_zdania

Наряду с этим ее применяют в отдельных случаях и проектируя здания в 120–150 м. Основной оболочковой системе сопутствуют две комбинированных – оболочково –

ствольная («труба в трубе») и оболочково-диафрагмовая («пучок труб»).

Как в основной – оболочковой, так и в комбинированной – оболочково – ствольной в центре плана располагают ствол с размещенными в его пространстве лифтовыми шахтами и холлами.

Различие между вариантами заключается в предусмотренным проектом распределении горизонтальной нагрузки: только на оболочку (при этом ствол работает только на вертикальные нагрузки от перекрытий), либо на оболочку и ствол. В последнем варианте несколько утяжеляются конструкции перекрытий в связи с их включением в работу на горизонтальные воздействия. Тем ни менее большинство высотных зданий оболочкового типа построено на оболочково – ствольной системе, хотя отдельные выдающиеся объекты (например, 110-этажные башни-близнецы WTC в Нью-Йорке и 100-этажное здание Хинкок-билдинг в Чикаго) имеют основную оболочковую конструктивную систему.

В зданиях оболочковых систем совместность горизонтальных перемещений вертикальных конструкций обеспечивают регулярно расположенные по высоте здания горизонтальные жесткие ростверки, конструктивная высота которых близка к высоте этажа. В пространстве ростверков размещают технические этажи.

Внедрение оболочковой системы в строительстве имело место в США и осуществлено автором этого изобретения инж. Ф.Каном (Khan) в 1961 г., когда был построен первый оболочково-ствольный 38-этажный офис Брунсуик-билдинг в Чикаго. Это изобретение сыграло значительную роль в развитии высотного строительства, так как позволило повысить жесткость сооружений на 30–50% и уже в 1968 г. в том же Чикаго построить 100-этажный Хинкок-билдинг.

Индивидуальной специфической задачей проектирования оболочковых зданий стало решение конструкции несущей наружной оболочки, совмещающей несущие и ограждающие функции.

В течение последних десятилетий прошел внедрение целый ряд конструкций (рис. 4.15, 4.16):

–пространственная безраскосная многоэтажная и многопролетная решетка с ча- стым шагом колонн и поэтажными ригелями перемычками (рис. 4.15 в, е, ж);

–пространственная решетчатая макроферма, крупного модуля, раскосы которой охватывают 10–15 этажей с редким шагом колонн (рис. 4.15 д);

–пространственная безраскосная решетка, жесткость которой повышает глухое заполнение диагонально расположенных проемов (рис. 4.15 г; 4.16 в);

–решетки из диагональных стержней (рис.4.15 IIв; 4.16 а);

–решетки из диагональных и горизонтальных стержней; (рис.4.16 IIб)

–решетки из ортогональных и диагональных стержней (рис. 4.15 IIг).

При дальнейшем возрастании высоты здания жесткость рассмотренных конструкций оболочек может быть недостаточной. С этой целью в не реализованных до настоящего времени проектах предложено устройство оболочек из перекрестно – стержневых структур с такой же конструкцией горизонтальных ростверков (рис. 4.17).

Средством повышения жесткости оболочки может служить также переход от оболочковой к оболочково-диафрагмовой конструкции («пучку труб») (рис. 4.15 з).

Последняя система в силу жесткости и относительной независимости работы ее отдельные отсеков («труб») позволяет вычленять их из общего объема здания на различ- ных отметках по высоте, обрывая эти отсеки.

80

Рис. 4.15. Оболочковые здания. I - схемы конструкции оболочек; а, в, е - пространственная многопролетная многоэтажная безраскосная рама-оболочка (оболочка из балок Веренделя),

г - то же, с повышенной жесткостью за счет плоских жестких вставок в ячейки рам, расположенных по схеме диагональных связей, д – пространственная макроферма, и - оболочково-диа- фрагмовая («пучок труб»), II - примеры конструкции оболочек: а - с прямоугольными плоскими элементами жесткости, б - стальная диагонально-раскосная с ригелями; в - то же, без ригелей, г - то же, с ригелями и стойками; д, е - примеры сборно-монолитных оболочек из легкобетонных

элементов

81

à á â

Рис. 4.16. Примеры применения разных вариантов конструкций оболочек: а - стальная диагонально-раскосная (Питсбург. Офис компании Интернейшнл бизнес машинс. Арх. Кертис и Девис), б - пространственная макроферма (Чикаго. Джон Хинкок билдинг. Арх. Б. Грэхем, фирма СОМ), эскиз; в-с плоскими диагональными жесткостными элементами (Нью-Йорк. Офис на 3 Авеню, 780. проект фирмы СОМ)

Архитекторы активно используют эту особенность оболочково-диафрагмовой системы с тем, чтобы придать крупный масштаб архитектурно-конструктивным членениям высотного здания. В эффектном и разнообразном использовании этого приема можно убедиться на примерах композиции 110-этажного офиса фирмы Сирс и Робак в Чикаго (арх. фирма СОМ, инж. Ф.Кан, 1971 г.) и Китайского банка в Гонконге (арх. И.М. Пей. 1990 г.) (рис. 4.18).

Конструкцию оболочки выполняли как из стальных элементов, так из железобетона. Железобетонные оболочки выполняют монолитными или сборными, но чаще всего из конструктивного легкого бетона, совмещающего несущие и теплоизолирующие функции стены. В последние годы оболочки в Европе выполняют преимущественно монолитными из тяжелого бетона (перфорированная стена) с последующим утеплением и внешней облицовкой.

Для элементов стальных оболочек чаще всего применяют прокатные или сварные элементы закрытого прямоугольного сечения с последующим утеплением и облицовкой.

Конструктивное решение оболочки непосредственно влияет на решение фасадной композиции зданий. Шаг стоек безраскосной пространственной решетки получается в зданиях высотой 80–100 этажей частым (1,5–2 м.) и задает таким образом размеры и пропорции окон: колонны оболочки становятся простенками, а ригели – перемычками.

82

à

á â

Рис. 4.17. Схемы конструктивных решений в проектах сверхвысоких оболочковых зданий: а,б - разрез и план 150-этажного здания (инж. А. Свенсон); в - фасад 170-этажной башни Миллениум для Токио («Н.Фостер и партнеры»):

1 - вертикальная стальная пространственная структура-оболочка, 2 - структурный ростверк, 3 - междуэтажные перекрытия, 4 - наружные стены

83

13

24 5

Рис. 4.18. Крупномасштабные членения высотных зданий, возможные благодаря применению оболочково-диафрагмовой конструктивной системы: 1,2 - Гонконг. Китайский банк.

Арх. И.М. Пей. 1990 г., общий вид и схемы планов на уровне членений; 3,4,5 - Чикаго. Сирс-тауэр. Арх. фирма СОМ. 1974 г. - общий вид и схемы планов, аксонометрическая схема здания с нанесением уровней его членения

84

Вариант оболочки из раскосных макроферм обладает также индивидуальными ар- хитектурно-компоновочными недостатками: он не координируется с масштабом этажей, формой окон и здания в целом.

Превращение наружных стен зданий оболочковой системы в основную несущую конструкцию определяет жесткую нечленимую объемную форму небоскреба в виде призмы или пирамиды. Единственный вариант конструктивной системы оболочковых зданий, позволяющих применять крупные членения объема здания, как отмечено выше,

– оболочково-диафрагмовый.

Специфической задачей проектирования высотных оболочковых зданий а также каркасных и каркасно-ствольных с частой сеткой колонн является решение несущих конструкций первых этажей, в которых обычно размещены наиболее крупные помещения с увеличенной высотой. Обычно здесь увеличивают в 2–3 раза шаг стоек оболочки или каркаса, устанавливая их на жесткие балки-стенки, арки или фермы (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Варианты устройства несущих конструкций первых этажей в каркасных, каркасно - ствольных или оболочковых зданиях: а - с увеличением шага колонн каркаса,

á, ê - с установкой каркаса верхних этажей на фермы, в - на балки стенки, г, д, п - на V-образные опоры, е, о, п - на ребристую плиту - платформу, ж, м - на пилоны, з, и - на однопролетную раму, л - на арочную конструкцию, р - на пространственную макроферму

85

Исключительной свободой в компоновке первых этажей обладает только конструкция оболочки в виде раскосной макрофермы. Как видно из рис. 4.20.2, она позволяет сконцентрировать передачу нагрузки к основанию только через опоры под узлами макрофермы, расположенные по углам здания.

Уникальной была задача устройства несущих конструкций нижнего яруса и соответственно всей конструктивной системы здания Дворца Советов в Москве, проект которого был разработан в 1933 г. инженерами Г.Красиным, В.Насоновым, А. Дзержкови- чем, Т.Марачевским и др. при консультации Н. Стрелецкого. Это был первый в истории строительной техники пример создания и детальной разработки оболочковой конструктивной системы, к сожалению, не запатентованный авторами.

Здание имело по проекту 400 м высоты, из которых 100 м составляла стальная каркасная конструкция фигуры Ленина, а в нижнем ярусе располагался грандиозный зал съездов на 21 тыс. мест диаметром 140 м и высотой 97 м без промежуточных опор (рис. 4.21).

Обнимающая зал цилиндрическая стальная оболочка была запроектирована двойной из 64 пар колонн, размещенных по внешнему периметру дворца на двойном фундаментном кольце. Колонны раскреплены в 5 уровнях по высоте жесткими стальными перемычками в кольцевом и радиальном направлениях. Архитектурная композиция здания строилась по ярусной телескопической схеме, что в современной практике возведения оболочковых зданий не имеет прецидента. Переход от нижнего цилиндрического к третьему (цилиндрическому) ярусу осуществлялся через второй коноидальный. Его оболочка была сформирована из наклонных стальных ферм с диагональными связями по наружным и внутренним поясам. Поверху наклонные фермы объединены горизонтальным стальным раскосным ростверком*. Устройство коноидальной оболочки освобождало пространство для размещения подвесной конструкции купола над залом съездов.

Таким образом авторами проекта Дворца Советов была разработана пространственная несущая конструкция оболочки высотного сооружения, которую спустя полвека для перспективных высотных зданий предложат (но еще не реализуют) Свенсон и

Í.Фостер (рис. 4.17).

Â1940–1950 гг. легкобетонная монолитная оболочковая конструкция была разработана проф. П.Л. Пастернаком для зданий в 30–40 этажей, но также не была запатентована автором и внедрялась им только в дипломные проекты.

Заслуживает внимания вопрос сравнительного технического и экономического анализа конструктивных систем высотных зданий с определением оптимальных областей применения каждой из них. К сожалению, до настоящего времени такие исследования немногочисленны и проведены только по отдельным критериям. Так, например, Ф.Кан параллельно с изобретением и внедрением оболочковых систем провел технико-эконо- мический анализ их вариантов по критерию минимальной массы несущих конструкций на 1 м2 общей площади здания. По результатам этого исследования применение железобетонных конструкций целесообразно в зданиях до 55 этажей, стальных – в оболочково

–ствольных высотой до 100 этажей, оболочково-диафрагмовых – до 110 этажей.

ÂМГСУ проводился сравнительный анализ всех выше рассмотренных систем высотных зданий по критериям расхода материалов в изменяемых конструкциях и прогибу (д.т.н. Маклакова Т.Г., к.т.н. А.Х. Ахмед).

* Аналогичная конструкция ростверка повторяется и в выше расположенных ярусах оболочки.

86

1 2

Рис. 4.20. Примеры устройства несущих конструкций первых этажей в оболочковых зданиях: 1 - с безраскосной пространственной рамной многопролетной многоэтажной оболочкой (здание мирового торгового центра WTC в Нью-Йорке. Арх. М. Ямасаки),

2 - с оболочкой в виде пространственной макрофермы (Гонконг, Китайский банк.

Àðõ. È.Ì. Ïåé)

87

Рис. 4.21. Москва Проект здания Дворца Советов. Схема оболочковой несущей конструкции. 1933 г.

Анализ проводился применительно к единому объемно-планировочному эталону 40-этажного компактного офисного здания с размерами прямоугольного плана 30х54 м, центральным размещением узла вертикальных коммуникаций и с учетом требований естественной освещенности рабочих мест.

Выбор типа объекта диктовался неисчерпаемым дефицитом площадей такого назначения в Москве*. Если в крупнейших городах мира объем ежегодного ввода в эксплуатацию офисных площадей составляет от 500000 до 1 мл. кв. м общей площади, то в Москве временный выход из положения последние годы давала аренда площадей умирающих научных и проектных институтов. Поэтому вполне закономерен переход к новому строительству высотных офисов.

Выбор этажности (40 этажей) эталона принимался как достаточный для формирования активного силуэта на фоне высоты массовой застройки (9–16–22 этажей), сложившейся в серединной и периферийной зонах мегаполиса. Учитывался также низкий уровень облачности над городом в течение большей части года.

* Только с 2006 г. намечается прорыв в офисном строительстве в Москве, но территориальное размещение этих офисов, торговых центров удручает: 50% - в центре города, а в большинстве периферийных округов - по 1-2 новых офиса.

88

Для сравнительной технико-экономической оценки вариантов конструктивных решений здания численный эксперимент был проведен по пяти конструктивным системам: ствольно-каркасной, ствольно-рамной, ствольно-оболочковой, ствольно-подвес- ной и консольно-ствольно-стоечной. При этом для каждой из конструктивных систем рассмотрены по восемь вариантов, отличающихся шагом колонн (или подвесок), их се- чениями, сечениями ствола, шага горизонтальных ростверков по высоте здания и пр. Материалом несущих конструкций был принят железобетон, что согласуется с международным опытом возведения зданий такой этажности и возросшими требованиями противопожарной безопасности высотных объектов.

Сравнительный анализ конструктивных систем проведен по показателям расхода конструкционных материалов в изменяемых элементах и прогибу (табл. 4.2, рис. 4.22).

Таблица 4.2

Характеристики конструктивных систем по величинам прогибов и расхода материалов на изменяемые несущие элементы

¹	Вид конструктивной	Прогиб			Расход бетона		Расход стали
	системы	Õã/Í		%	ì3/ì2	%	êã/ì2	%
1	Ствольно-каркасная	1/1410		100	0,109	100	24,1	100
2	Ствольно-рамная	1/1380		102	0,114	105	30,1	125
3	Ствольно-оболочковая	1/1325		106	0,088	81	25,4	105
4	Ствольно-подвесная	1/1300		108	0,097	89	19,5	81
5	Ствольно-стоечная	1/1390		101	0,127	116	28,8	117

Рис. 4.22. График удельных расходов материалов в изменяемых конструкциях высотных зданий различных конструктивных систем

Из восьми рассчитанных моделей каждой конструктивной системы в табл. 4.2 приведены наиболее экономичные с наиболее близкими значениями прогиба верха здания.

Как видно из табл. 4.2, наиболее экономичны ствольно-подвесная и ствольно-обо- лочковая системы. При переходе от асимметричной формы плана эталона к центральносимметричной форме здания экономичность этих систем повышается.

Отсутствие обширного отечественного опыта по возведению высотных зданий не позволяет опираться на достоверные и сопоставимые данные по их стоимости и затратам труда.

89