Проблема многоэтажного строительства в России

М.А. Дупелич

Группа 802

Санкт-Петербургский государственный  экономический университет 

Научный руководитель: к.э.н., доцент, С.А. Николихина

Высотное строительство  в России

Вводная часть

Современный экономический  мир очень динамичен. Именно благодаря  жесткой конкуренции, борьбе внутри экономического мира и развитию высоких  технологий появились удивительные и грандиозные сооружения – небоскребы. Они навсегда изменили облик современных  городов. Жилые комплексы, крупные  торговые и торгово-досуговые комплексы отошли на периферию, уступив место многоэтажным бизнес центрам, офисам, банкам и гостиничным комплексам.

В наши дни в мире построено  свыше 2600 небоскребов, треть из которых (862) возведена в Китае (включая  Гонконг и Макао). Остальные расположены  в США (665), Японии (163), ОАЭ (146) и других государствах, причем с каждым годом  все больше стран присоединяется к «небесному клубу». Впрочем, хотя высотное строительство давно перестало  быть экзотикой, каждый небоскреб –  здание уникальное. Поэтому довольно условна и классификация высоток. Тем не менее она есть, поскольку существует целый ряд «унифицированных» проектных решений, которые служат ориентиром для профессионалов.

Высотное строительство, его плюсы и минусы, значение в  формировании силуэта современного города, сочетание с исторической застройкой, а также вопросы экономики  и управления сооружением и эксплуатацией  высотных зданий являются наиболее дискуссионными в градостроительстве.

Первые высотные строения, или «небоскребы», были возведены  в США в 70-80-х гг. XIX в. Основными  причинами их появления послужили  высокие темпы урбанизации, увеличение плотности городской застройки, особенно в центрах городов, и  последовавшее за ними удорожание земельных  участков в пределах города. Строительству  подобных сооружений также способствовало внедрение стальных каркасных конструкций  при строительстве зданий и изобретение пассажирских лифтов. Позднее география высотного строительства значительно расширилась, и в первую очередь в Европе. Начало процесса пришлось на 1950—1960-е гг. — послевоенное время, когда требовалось восстанавливать множество разрушенных зданий. Сегодня высокие темпы высотного строительства показывают страны Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока.

Вне зависимости от архитектурных  изысков все современные небоскребы объединяет общая структура: как  правило, это башня более-менее  округлой формы. Единство объясняется  двумя главными факторами. Во-первых, здание такой высоты не должно мешать естественному освещению своих  более низких соседей. Во-вторых, чем  больше высота, тем сильнее ветровые нагрузки (верхние этажи высоток  при сильных ветрах раскачиваются  вполне ощутимо для обитателей). Чтобы уменьшить их воздействие, лучше выбирать оптимальную в  аэродинамическом отношении форму  здания – пирамиду, цилиндр или  призму. Причем основание высотки  всегда должно быть несколько шире верха.  
При всех заведомых преимуществах высотных пирамид (устойчивость и аэродинамическая стабильность) их не возводят – в силу сложности и материалоемкости. Зато цилиндров и призм предостаточно по всему миру – можно вспомнить знаменитую Burj Dubai (ОАЭ) или столичные высотки «Москва-Сити». 
Еще один пример использования цилиндров в архитектуре – «Северная башня» комплекса «Москва-Сити». Корпус башни построен по монолитной технологии, а затем завершен сплошным стеклянным фасадом.

Конструкции высотных зданий

Конструирование высотных зданий имеет свою специфику  с точки зрения объемной формы, пропорций, выбора конструктивных систем и элементов  зданий. Конструктивная система высотного  здания представляет собой взаимосвязанную  совокупность его вертикальных и  горизонтальных несущих конструкций, совместно обеспечивающих прочность, жесткость и устойчивость сооружения. Горизонтальные конструкции - перекрытия и покрытия здания воспринимают приходящиеся на них вертикальные и горизонтальные нагрузки и воздействия, передавая  их поэтажно на вертикальные несущие  конструкции. Последние, в свою очередь, передают эти нагрузки и воздействия  через фундаменты основанию.

Горизонтальные  несущие конструкции высотных зданий, как правило, однотипны, и обычно представляют собой жесткий несгораемый  диск - железобетонный (монолитный, сборно-монолитный, сборный) либо сталежелезобетонный.

Вертикальные  несущие конструкции более разнообразны. Различают стержневые (каркасные) несущие  конструкции, плоскостные (стеновые, диафрагмовые), внутренние объемно-пространственные стержни с полым сечением на высоту здания (стволы жесткости), объемно-пространственные наружные конструкции на высоту здания в виде тонкостенной оболочки замкнутого сечения. Соответственно примененному виду вертикальных несущих конструкций  различают четыре основные конструктивные системы высотных зданий - каркасную (рамную), стеновую (бескаркасную, диафрагмовую), ствольную и оболочковую.

Основные  системы ориентированы на восприятие всех силовых воздействий одним  типом несущих элементов. Наряду с основными широко применяют и комбинированные конструктивные системы. В комбинированной системе могут сочетаться несколько типов вертикальных несущих элементов (плоскостных, стержневых, объемно-пространственных) и схем их работы (например, рамно-связевая или связевая). При таких сочетаниях полностью или частично дифференцируется восприятие нагрузок и воздействий (например, горизонтальных - стенами жесткости, а вертикальных - каркасом). Такое разделение часто позволяет упростить построечные работы или более четко увязать конструктивную систему с планировочной. Соответственно количество возможных вариантов комбинированных систем весьма обширно.

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. Главным приоритетом  в проектировании и строительстве  высотных зданий является обеспечение их прочности и устойчивости, а также жесткости с учетом воздействия значительных ветровых усилий.

Мировая практика высотного строительства  выявила один из самых сложных  аспектов для несущих вертикальных конструкций из железобетона - неравномерное  их укорачивание под действием нагрузки. Данная неравномерность усиливается  при разной площади поперечного  сечения конструктивных элементов - стен и колонн. Опыт проектирования и строительства высотных зданий в Москве в разные периоды также  вскрыл существенные недостатки в части  необходимой надежности высотного  строительства. Это требует поиска новых технических и технологических  решений.

В связи со значительной разницей в  нагрузках на несущие элементы зданий, например на колонны каркаса, в нижних этажах высоток необходимо сечение  колонн больших размеров. Однако это  усложняет технологию возведения сооружений, так как требует изменения  применяемой опалубки. Один из серьезных  недостатков высотных каркасных  зданий - противоречие между необходимостью установить расчетное количество диафрагм жесткости и объемно-планировочным  решением. Кроме того, размещая диафрагмы  жесткости только в габаритах  здания, приходится вводить ограничения  по их высоте, так как жесткость  этих диафрагм бывает недостаточной. Помимо жесткости диафрагм обязательна еще их пригрузка прилегающими конструкциями, обусловленная необходимостью учета горизонтальной (ветровой) нагрузки. При традиционных конструктивных решениях высотных зданий пригрузка диафрагм жесткости осуществляется только половинной нагрузкой прилегающих к диафрагмам пролетов каркаса, что снижает возможности увеличения высоты.

Основное  требование к конструктивной системе  высотного здания - надежность каждого  конструктивного элемента, устойчивость к прогрессирующему обрушению при  локальных повреждениях несущих  конструкций, авариях инженерных систем, пожарах, взрывах и т.п. Компоновка здания должна предоставлять возможность  принимать необходимые габариты диафрагмам жесткости, максимально  загруженным вертикальными нагрузками. При его возведении следует предусмотреть  использование ограниченного комплекта  опалубки.

В предлагаемом конструктивном решении  поставленные задачи решаются следующим  образом. Несущими конструкциями, передающими  вертикальные и горизонтальные нагрузки на фундамент здания, являются только диафрагмы жесткости, установленные  у торцов здания и в его середине. На диафрагмы жесткости опираются  функциональные несущие модули из 4-6 этажей, разделенные между собой  арочными этажами, в которых отсутствуют  колонны, т.е. вертикальные несущие  элементы. Это позволяет передавать нагрузку от модулей на диафрагмы, ограничивая работу колонн в пределах модуля.

Каркас  здания состоит из функциональных несущих  модулей и арочных этажей. Функциональные несущие модули включают в себя 4-6 этажей, выполненных в каркасных  конструкциях из монолитного железобетона. В верхних и нижних этажах модулей  в створах продольных рядов колонн выполнены монолитные стены, образующие продольные балки-стенки (возможно, арочного очертания), опирающиеся на поперечные диафрагмы жесткости. Эти балки-стенки выполняют роль аутригеров, повышающих пространственную жесткость модуля. В них предусмотрены необходимые по планировочным решениям проемы и отверстия.

Шаг колонн в продольном направлении  принят не более высоты этажа, а колонны  продольных рядов объединены выступающими ниже монолитных перекрытий балками, соответствующими ширине колонн. Таким образом, каждый продольный ряд колонн совместно  с выступающими балками представляет многоэтажную решетчатую пролетную  конструкцию, передающую нагрузки на поперечные диафрагмы жесткости. В сочетании с нижним и верхним этажами, в которых каждый продольный ряд колонн объединен монолитными стенами, несущий модуль представляет собой пространственную пролетную конструкцию, передающую все нагрузки только на диафрагмы жесткости, надежно загружая и повышая их устойчивость при восприятии ветровой нагрузки.

Сечения и армирование колонн для всех модулей по высоте приняты одинаковыми, что упрощает технологию возведения здания. Колонны каркаса в пределах каждого модуля при их аварийном  разрыве могут работать по двум схемам: на сжатие с опиранием на нижний этаж модуля или на растяжение, подвешиваясь к верхнему его этажу. Таким образом, выход из строя любой из колонн не может привести к прогрессирующему обрушению ни модуля, ни здания в целом.

Исключение  передачи нагрузок от вышележащих модулей  на нижележащие необходимо не только в период эксплуатации, но и в  период его возведения. Для этого в армировании нижних этажей модулей применена жесткая арматура в виде продольных ферм по числу продольных рядов колонн в модуле. Эти фермы воспринимают нагрузку от подвесной опалубки и монолитного бетона и передают их только на поперечные диафрагмы жесткости. В поперечных диафрагмах жесткости выполнены продольные участки, размещенные в створах как средних, так и крайних продольных рядов колонн длиной на один шаг этих колонн, что повышает жесткость опоры каждого модуля и диафрагм в продольном направлении. Для увеличения жесткости диафрагм, возможно, их утолщение от центральной части к внешним краям, ширина диафрагм может быть переменной по высоте здания и выступать за его габариты. Это позволяет принимать жесткостные характеристики диафрагм независимо от планировочных решений.

В центральной части высотного  здания между двумя средними диафрагмами  жесткости размещается лестнично-лифтовой узел. Возможны и другие лифты, а  также лестничные клетки различного типа. В пределах центральной шахты  лифта на период строительства могут  монтироваться конструкции растущего  башенного крана для подачи строительных материалов по мере роста здания.

Учитывая  архитектурную значимость высотных сооружений, предлагаемое решение открывает  широкие возможности архитекторам для выбора разнообразных вариантов  фасадов. Так, различие конструктивных решений верхнего и нижнего этажей модуля (стеновая система) и разделительного  этажа (отсутствие колонн и стен) позволяет  создавать определенный ритм архитектурных  приемов по высоте здания. Кроме  того, расположение конструкций по высоте и длине здания таково, что  в любом месте фасада возможно устройство консольных участков в виде балконов, лоджий, эркеров, лестничных клеток и других объемных элементов. Своеобразие фасадам способны придавать  и выступающие за габариты здания диафрагмы жесткости, которые по высоте здания могут иметь различную  ширину, а их контур очерчиваться по кривой линии, например по параболе. В  сочетании с завершающими элементами высотное здание будет отвечать современным  архитектурным требованиям.

В связи с необходимостью развития фундаментов по площади их опирания подземные этажи ступенчато расширяясь книзу, выступают за габариты надземной части здания. В них достаточно места для размещения автостоянок на одном или нескольких уровнях.

Стоимость высотных зданий существенно выше, чем объектов массового строительства, и обусловлена не только специфическими конструктивными решениями, но также  системами жизнеобеспечения и требованиями комплексной безопасности. Безусловно, при проектировании высотных зданий нужно принимать экономически оправданные  технические решения, но при этом они не должны снижать надежность сооружения и превращать его в  источник повышенной опасности для  людей и окружающей среды. Только при этих условиях высотные здания станут своеобразной визитной карточкой  государства, будут свидетельствовать  о его экономическом благополучии и достижениях научно-технического прогресса в строительной отрасли.

Проблемы становления  высотного строительства в России

Высотное строительство  в России, а именно здания свыше 50 метров, долгое время ограничивалось Москвой и колокольнями, соборами и гостиницами в иных крупных  городах. В 1970-1980-е гг. в большинстве  областных центров были построены  по стандартным проектам 14-18-тиэтажные  здания, которые стали их доминантами. В 1990-е гг. высотное строительство  в России практически не велось за исключением нескольких зданий в  Москве и крупных соборов в  российских городах. И только в 2000-е  гг. на фоне экономического роста города устремились вверх.