Индустрия№ 3 Декабрь 2017

Многоэтажные здания люди строили издавна. В Риме у подножия Капитолийского холма можно видеть развалины инсулы – античного жилого дома высотой в пять этажей. «Манхэттеном пустыни» называют древний город Шибам в Йемене, изюминка которого – строения высотой до 11 этажей. Однако такое строительство всегда было сопряжено с проблемами. Чтобы по-настоящему высокое здание не развалилось под собственным весом, у него должно быть массивное основание – наиболее наглядный пример здесь пирамиды Гизы. Все изменилось только в эпоху второй промышленной революции, когда стремительное развитие металлургии открыло для высотного строительства новые возможности.


Гонка небоскребов

Русское слово «небоскреб» – калька с английского skyscraper. Сначала так называли самую высокую мачту на корабле, а потом – многоэтажные жилые и административные строения. Их родиной считаются США. Первый небоскреб сегодня можно назвать скромным – 10-этажное здание Home Insurance Building в Чикаго высилось на 42 м. Однако для своего времени (шел 1885 год) это была сенсация. Автор проекта – архитектор Уильям Ле Барон Дженни – впервые использовал несущий стальной каркас, что помогло снизить нагрузку на стены. Впоследствии он разработал еще несколько многоэтажных проектов и, кроме металлической «основы», решил использовать лифты вместо лестниц, продумал противопожарную безопасность. В общем, не случайно его называют отцом небоскребов.

В 1913 году в Нью-Йорке была возведена башня Woolworth Building. Ее параметры по-прежнему впечатляют – 57 этажей и 241 м (она и сегодня входит в топ самых высоких зданий США). «Бродвей сдурел. Бегня и гулево. Дома с небес обрываются и висят. Но даже меж ними заметишь Вульворт. Корсетная коробка этажей под шестьдесят», – писал поэт Владимир Маяковский.

Строительство Woolworth Building велось целенаправленно, чтобы отобрать звание самого высокого здания мира у нью-йоркского же небоскреба MetLife Tower (213 м, 50 этажей). Это можно считать официальным стартом «гонки небоскребов», которая продолжается до сих пор. «Возведение небоскребов сродни строительству дворцов, храмов и преследует ту же цель: с одной стороны, показать значимость заказчика, а с другой – продолжать научно-техническое и культурное развитие общества», – говорит Владимир Неуструев, консультант по строительным конструкциям.

Материалы, используемые в высотном сроительстве, должны быть готовы к экстремальным испытаниям

Мода на тучерезы

В России долгое время самыми высокими были Петропавловский и Исаакиевский соборы Санкт-Петербурга (122,5 и 101,5 м соответственно). В обоих случаях отличительные особенности сооружений не только масштаб и оформление, но и необычные строительные решения.

Шпиль Петропавловского собора вначале был деревянным. Он страдал от ветра и вовсе был сломан бурей. В середине XIX века было решено заменить его на металлический аналог. Инженер Дмитрий Журавский создал конструкцию в виде восьмигранной пирамиды, после реконструкции собор еще и «вырос» на 10,5 м. Купол Иссакиевского собора также сделан из металла – это придумал архитектор Огюст Монферран. «История техники до начала 1838 года не знала столь широкого применения целиком сборных чугунных и железных элементов», – отмечают в книге о Монферране исследователи Ольга Чеканова и Александр Ротач.

Мода на небоскребы (или тучерезы, как называли их у нас) пришла в Россию в начале XX века. Тон здесь задавала Москва. Веками самым высоким зданием города была колокольня Ивана Великого, достроенная при Борисе Годунове в 1600 году. Не очень большая для нынешнего дня – 81 м, или порядка 30 этажей в эквиваленте, – она выглядит значительно благодаря расположению на Боровицком холме. Но в конце XIX века после открытия храма Христа Спасителя (103 м) в городе началась «высотная лихорадка». Один за другим вырастали многоэтажные здания, самым известным из которых стал дом архитектора Эрнста-Рихарда Нирнзее, который за малогабаритные квартиры прозвали «дом холостяков». По своим размерам этот тучерез соотносится с Home Insurance Building – 11 этажей и порядка 40 м.

В 1930-х были снесены две московские доминанты – храм Христа Спасителя и Сухаревская башня. «Советские люди сумеют создать более величественные и достопамятные образцы архитектурного творчества», – сказал лидер СССР Иосиф Сталин, ознаменовав включение страны в «гонку небоскребов». Планам помешала война – в 1941 году было остановлено строительство Дворца Советов. В нем должно было быть 100 этажей, а высота здания со шпилем – достигать 495 м. Стальные конструкции исполина были разобраны, металл пошел на восстановление разрушенных бомбардировками мостов. Однако после войны к идее вернулись и в Москве появилось семь сталинских высоток. Одна из них – главный корпус МГУ им. М.В. Ломоносова (239 м, 34 этажа) – 37 лет удерживала титул самого высокого здания Европы. Правда, это если не считать телебашни. Иначе с 1967 года и до сегодняшнего дня лидером континента является Останкинская башня (540,1 м, 120 этажей в эквиваленте).

В XXI столетии московские высотки вновь стали соревноваться друг с другом за звание главного небоскреба Европы. Первым в 2005 году в гонку вступил комплекс «Триумф-Палас» (264,5 м, 57 этажей), затем – здания делового центра «Москва-Сити». Один из его небоскребов – восточная башня комплекса «Федерация» – пока что является самым высоким на континенте (374 м, 97 этажей). Хотя обогнать его рассчитывают строители петербургского «Лахта Центра» (462 м, 87 этажей), который станет новой штаб-квартирой Газпрома.

«Возможности строительства небоскребов всегда зависели от прогресса в металлургии, которая поэтапно улучшала качество продукции. В начале XIX века делали строительные конструкции из чугуна. Далее в ход пошли прокатные профили, из которых, в частности, построена Эйфелева башня во Франции и Шуховская – в России. Развитие продолжается и сейчас».


Александр Туснин

профессор кафедры металлических и деревянных конструкций МГСУ

Важен не только размер, но и «начинка»

Каждый небоскреб – уникальный проект, имеющий свои особенности. Здесь нет «типовых» решений, всегда возникают какие-то нюансы. Например, самый высокий «крученый» небоскреб мира – Infinity Tower в Дубае (307 м, 73 этажа) – имеет угол оборота 90 градусов. А московская башня «Эволюция» при меньшей высоте (246 м, 55 этажей) поворачивается вокруг своей оси на 156 градусов. Это достигнуто с помощью ствольно-оболочковой системы с массивным бетонным стволом из монолитного железобетона в центре здания. А еще у него одна из самых интересных в мире систем остекления, говорит Петр Жук, профессор кафедры архитектурного материаловедения МАРХИ.

Но если конструктивные элементы «Эволюции» сделаны из бетоносодержащей смеси с железной «сердцевиной», то ее соседка – башня «Евразия» (309 м, 71 этаж) – имеет полностью стальной каркас (ее еще называют стальной вершиной). Со времен Home Insurance Building и до сегодняшнего дня это очень распространенное направление: в США, например, так возведено 65% всех многоэтажных зданий. В России, правда, большей популярностью пользуется привычный «монолит-бетон». Башня «Евразия» является в некотором роде «проводником» идей, хотя и раньше знаковые проекты (в том числе некоторые сталинские высотки) тоже строили у нас именно так. Но каков бы ни был выбранный подход, существует единое требование – использование материалов, способных выдерживать огромные нагрузки. «Дублера» металлов, уверяют эксперты, здесь нет. «Для удешевления проектов им пытались найти замену – например, пробовали применять композиты на основе кевларовых волокон. Однако пока что полностью без металла никому не удалось обойтись», – отмечает Петр Жук.

«Современная практика применения высокопрочных металлов при возведении высотных зданий отчасти стала следствием массового их выпуска для военной промышленности, машино- и судостроения», – говорят эксперты. Также их используют для сооружения мостовых конструкций и большепролетных ферм, то есть необходимые компетенции наработаны. Такие материалы готовы к поистине экстремальным испытаниям, например, металлопрокат Металлоинвеста, использованный в строительстве «Москва-Сити», обладает высокой хладостойкостью, что обеспечивает безаварийную службу зданий и сооружений даже при температурах до –70 °С. Продукция из высокопрочных марок проходит цикл термомеханических испытаний и имеет стабильный химический состав.

Возведение небоскреба означает высокий уровень ответственности не только проектировщиков и строителей, но и поставщиков материалов. «Все зависит от высоты. Особенное внимание уделяется проблеме перемещений каркаса, колебания которого могут быть заметны и вызывать дискомфорт у людей, находящихся на последних этажах, – пояснил Александр Туснин, профессор кафедры металлических и деревянных конструкций МГСУ. – Возможности строительства небоскребов всегда зависили от прогресса в металлургии, которая поэтапно улучшала качество продукции. В начале XIX века делали строительные конструкции из чугуна. Далее в ход пошли прокатные профили, из которых, в частности, построена Эйфелева башня во Франции и Шуховская – в России. Развитие продолжается и сейчас».

Не революция, а эволюция

Единых подходов к тому, что называть небоскребом, в мире нет. В России высотным считается строение выше 75 м, или 25 этажей. За рубежом иная классификация – высотная группа, как правило, начинается от 150 м. Небоскребы выше 600 м, по определению Совета по высотным зданиям и городской среде, считаются мегавысокими. В мире уже есть такие проекты. Правда, теперь Европа и Америка находятся в роли догоняющих, а ритм соревнования задают Азия и Ближний Восток.

Самое высокое сегодня здание планеты – 163-этажный небоскреб Burj Khalifa (828 м). Он был построен в 2010 году в крупнейшем городе ОАЭ – Дубае. Форма башни напоминает сталагмит. Для реализации проекта было использовано 320 тыс. куб. м бетона, остекление, по площади равное 17 футбольным полям, и более 60 тыс. т стальной арматуры. Причем 180-метровый шпиль полностью выполнен из металла.

Однако уже реализуется еще более масштабный проект: к всемирной выставке Expo 2020 в ОАЭ планируется построить комплекс Dubai Creek Tower. Высота главной башни должна на 100 м превзойти Burj Khalifa, правда, точные параметры обещают объявить лишь после завершения работ. Но уже известно, что наверху небоскреба будет воссоздано одно из утраченных древних чудес света – Висячие сады Вавилона.

Устойчивость колоссу Dubai Creek Tower должны обеспечить стальные ванты, крепящиеся к железобетонной колонне. Одним из поставщиков металла для проекта стал завод Hamriyah Steel, входящий в состав Металлоинвеста. Это новое предприятие, оно было введено в строй в 2010 году с плановой мощностью 1 млн т стальной продукции в год. Его продукция соответствует как техническим, так и экономическим требованиям Dubai Creek Tower. «Для любого проекта обязателен точный расчет стоимости строительных работ и дальнейших затрат на эксплуатацию», – говорит Владимир Неуструев. И здесь у небоскребов также есть свои особенности. «Если, например, попытаться отказаться от высокопрочных сталей и перейти на обычные марки, то значительно возрастет собственный вес конструкций, потребуется более сложный и дорогой фундамент. Как результат, не будет расчетной экономической выгоды, а будет перерасход средств или же меньшая этажность», – отмечает он.

Технологическое развитие продолжается, и в архитектурную практику приходит множество новых решений даже из таких отраслей, как машиностроение и авиация. Открываются и новые способы применения металлов – например, сейчас широко начал использоваться фиб­робетон с металлической стружкой, что является результатом внедрения нового способа армирования. По словам экспертов, данный материал позволяет значительно улучшить стойкость каркаса к продольным деформациям.

Проектировщикам и строителям требуется при расчете несущих конструкций, оснований и фундаментов принимать повышенные значения коэффициентов надежности. Кроме того, после 11 сентября 2001 года, когда в Нью-Йорке в результате теракта обрушились 400-метровые башни Всемирного торгового центра (ВТЦ), остро встал вопрос защиты от прогрессирующего обрушения в случае локального повреждения несущих конструкций.

Также любое высотное здание имеет особую степень огнестойкости. В случае пожара эффективное спасение людей возможно только на высоте до 50 м. Далее должны применяться вертолеты, но опыт таких работ во всем мире мал. Лучше локализовать пожар, чем пытаться организовать спасательную операцию. Безопасность зависит не только от самой системы пожарной охраны, но и от множества других факторов. «К примеру, одним из важных моментов является огнестойкость каркаса небоскреба, которая достигается путем обработки металла специальными материалами. Наглядно необходимость использования качественной изоляции показало крушение башен ВТЦ. При строительстве данных высоток отказались от асбеста и обработали металлоконструкции неким синтетическим термоизоляционным материалом, уровень огнестойкости которого при экстремально высоких температурах, как показали исследования, не соответствовал проектным значениям. Если бы все требования были соблюдены, то обрушение могло наступить на четыре часа позже, что позволило бы сократить число жертв», – говорит Петр Жук.

Инженерные системы небоскребов имеют еще и ряд особенностей, связанных с построением систем энерго- и водоснабжения, кондиционирования, мусороотвода и лифтовых шахт. Остекление также интересно. «Иногда используются стекла такой прочности, что их невозможно расколоть молотком», – рассказывает Владимир Неуструев.

Отдельного внимания требует вопрос ветро- и сейсмобезопасности. На первых высотных зданиях проектировались пассивные системы защиты, увеличивающие жесткость пространственного каркаса. Но уже несколько десятилетий проектируются адаптивные системы, которые подстраиваются под направление и силу сейсмического или ветрового воздействия. «Они состоят, как вариант, из грузов или преднапряженных тросов, находящихся под управлением компьютера», – говорит Владимир Неуструев.

Впрочем, добавляет он, во всех аспектах высотного строительства идет скорее эволюционный, нежели революционный процесс: «Мне пока не встречалось информации о принципиально новых решениях, успешно реализованных при строительстве высотных зданий. Самые последние проекты выполнены по стандартной схеме: металлический каркас, монолитные диски перекрытий, остекленный фасад». Новшества появляются, но пока они касаются точечных улучшений – например, для энергоснабжения небоскребов все чаще рассматриваются решения из области альтернативной энергетики. Однако даже отсутствие революций не мешает архитекторам и строителям говорить о новых рекордах, а значит, «гонка небоскребов» пока еще далека от завершения.

Скачать номер целиком