ASM4_2

С развитием новых технологий и внедрением современных строительных материалов стало возможным применение ограждающих конструкций с высокими теплотехническими свойствами и конструктивной системы на основе оболочек для перекрытий обширных помещений (безраспорные, висячие, своды-оболочки, складки, геодезические купола, пространственные системы и т. д.), рис.5. Наконец, доступной стала и широкая трансформация вертикальных ограждений зданий (в случае необходимости и перекрытий), которые могут "перемещаться" для изменения интерьера или для связи внутреннего пространства с внешней средой. Последнее имеет весьма существенное значение в строительстве высотных зданий: открываются неограниченные возможности для эффективного регулирования микроклимата помещений и поддержания требуемого уровня теплового комфорта, что влияет на улучшение эксплуатационных качеств зданий, повышает их пожаробезопасность. рис.4

Нужно особо отметить, что сегодня приоритеты в современных высокотехнологичных зданиях отдаются как раз повышению качества микроклимата помещений и экологической безопасности - при одновременном снижении энергопотребления.

В свете перечня критических технологий РФ, утвержденных Президентом В.В. Путиным, на основе быстрого возведения и трансформации жилья данная проблема становится особенно актуальной для высотного строительства. Благодаря новым конструктивным решениям стала возможной свободная планировка зданий (рис. 3). Начало этому было положено решетчатыми фермами, взаимодействующими с рамой; на смену им пришла пространственная система - "труба" и, наконец, конструкция "труба" в ферме, ставшая возможной благодаря применению балок Виренделя. (рис.4, рис. 6).

Балки Виренделя применяют как несущие конструкции перекрытия, в которых необходимо проложить коммуникации большого поперечного сечения. Способ восприятия ветровых нагрузок, как правило, решается с помощью жестко соединенных в уровнях перекрытий горизонтальных ригелей с пустотелыми колоннами, образующими несущую стенку системы Виренделя: чем выше здание, тем сложнее передача горизонтальных сил и обеспечение горизонтальной жесткости каркаса. Поэтому эти стенки, жестко соединенные в узлах здания, образуют совместно с междуэтажными перекрытиями квадратную оболочку - трубу, защемленную в фундаменте и принимающую ветровые нагрузки.


Рис. 1. Конструктивное решение высотного здания (240 этажей), работающего как оболочка	Рис. 2 Вертикальный разрез здания по ядру жесткости	Рис. 3 а) схема здания Джон Хэнкок Сентер, Чикаго; б) здание Сирс Тауэр, Чикаго. Конструктивный принцип «составной трубы» 1 – решетчатый пояс. 1972–1974 годы

Поиск оптимальных решений в области конструирования каркасно-панельных зданий продолжается. В связи с этим применяемые конструкции достаточно разнообразны. Главным отличием сборного каркаса является внедрение безригельной системы, повышающей свободу планировочных решений в связи с отсутствием выступов ригелей из плоскости перекрытий. Например, при строительстве высотных зданий (до 30 этажей) основные трудности связаны не только с давлением вертикальных сил, но и горизонтальных, а в первую очередь - с давлением ветра.

Наиболее часто для придания высотным зданиям жесткости применяются плоские диафрагмы, связевые и пространственные ядра, так как они мало деформируются под действием горизонтальной нагрузки, а также потому, что почти в каждом здании при компоновке объемно-планировочного решения, обеспечении необходимой звукоизоляции и проведении противопожарных мероприятий требуются несущие стены. К ним в первую очередь относятся стены лестничных клеток, шахт лифтов и инженерных коммуникаций. Если они из соображений безопасности сосредоточиваются в одном месте, то такого "ядра" почти всегда достаточно для обеспечения устойчивости. Поскольку подобные "транспортные узлы" согласно функциональным и нормативным требованиям должны устраиваться через каждые 30-40 м по длине, то с их помощью может быть обеспечена требуемая устойчивость протяженных в плане зданий, которые, к примеру, могут быть разделены деформационными швами. Так как габариты этих несущих конструкций в большинстве случаев малы по сравнению с высотой, то их можно сравнить с башней, заделанной фундаментом в грунт основания. Для восприятия вертикальных нагрузок в этом случае достаточно системы, состоящей из колонн и перекрытий, причем последние могут состоять из плит и балок.

Плиты перекрытий рассматриваются как горизонтальные, так как они должны передавать действующую на фасады ветровую нагрузку. Решенный таким образом несущий скелет (каркас) состоит из плит перекрытий (дисков), стоек и одной или нескольких "башен" в форме ядер, обеспечивающих устойчивость здания. Подобная несущая конструкция принимается для всех высотных объектов, где предусматривается свободная планировка. При этом рамные системы обеспечивают наибольшую свободу планировки и функционально подходят при необходимости организации больших помещений.

Вместе с тем наиболее экономичной несущей системой является система с диафрагмами, в которой все или, по крайней мере, большинство перегородок - несущие, образующие жесткую коробчатую конструкцию.

Башенная (точечная) планировочная схема применяется обычно при проектировании многоэтажных и высотных гостиниц. В этом случае для планировки жилых этажей характерно центральное расположение групп пассажирских лифтов и лифтового холла с кольцевым коридором вокруг них.

Предложенная Э. Отисом в Нью-Йорке более 100 лет назад конструкция первого лифта после появления каркасной системы зданий явилась новым стимулом развития высотного строительства.

Лифтовые группы выступают в роли вертикальных осей объемно-планировочных решений высотных зданий и одновременно служат фиксирующими точками при гибкой планировке. Основой системы таких инженерных коммуникаций являются подъемники (лифты). Оборудование высоток одним лифтом встречается только в зданиях небольшой этажности. Высотность требует определенного числа лифтов большой грузоподъемности и емкости, при этом они должны быть обозреваемы и быстро доступны из одного холла. Вот и приходится предусматривать несколько групп лифтов и соответственно лифтовых холлов, при этом лифты делятся на обычные и скоростные.

Образование ядер, тяготеющих к лифтам высотных зданий, как правило, должно обеспечивать максимально возможную гибкость планировочных решений, обусловленную концентрацией всех, ограничивающих свободу планировки элементов, - шахт инженерных сетей, лестниц, санитарно-технических узлов, расположенных в центре ядра. Так, при проектировании ядра часто приходится уменьшать площадь, им занимаемую, и увеличивать тем самым полезную площадь на этаже. Показанное на рис.1 ядро интересно тем, что оно включает три блока пассажирских лифтов: ПЛ 1-ПЛ 6 обслуживают нижние этажи здания; на средних уровнях - ПЛ 7-ПЛ 12; на самых верхних - ПЛ 13-ПЛ 17. Выше этажей нижнего уровня лифтовых шахт уже нет, тем самым отсюда уменьшается размер ядра и увеличивается полезная площадь. Исключение составляют два этажа, находящиеся непосредственно над нижним уровнем, поскольку на них размещается машинное отделение для лифтов нижних этажей. Выше оканчиваются шахты блока лифтов для этажей среднего уровня, тем самым площадь, занимаемая ядром, уменьшается еще больше.

В качестве альтернативы переходным холлам в высотных зданиях применяются двухсекционные лифты. Благодаря такому решению обеспечивается существенное сокращение пространства, отводимого в ядре здания для шахт лифтов. Каждый лифт имеет две кабины: одна обслуживает четные этажи, а другая - нечетные. Наиболее часто двухсекционные лифты применяются в сверхвысоких зданиях в комбинации с переходными холлами.

Форма здания, выбираемая при проектировании, непосредственно влияет на расход строительных материалов и теплопотери объекта. Поэтому в решении объемно-планировочных задач при выборе вариантов (в случаях удовлетворительного решения функциональных требований) целесообразно отдавать преимущество вариантам компактной формы с минимальным удельным расходом наружных ограждающих конструкций. Обтекаемая форма и четкая ориентация застройки к направлению господствующего ветра позволяет снижать скорость ветра у здания на 50-70% и соответственно уменьшать его теплопотери.

Существенное влияние на сокращение теплопотерь оказывают решение оконных проемов (выбор размеров, ориентация и т. д.) и применение дополнительных мер по сокращению теплопотерь в ночное время, например, трансформируемого остекления лоджий. При этом форма и размеры здания должны выбираться таким образом, чтобы было максимально обеспечено положительное воздействие наружного климата на тепловой баланс объекта и нейтрализовано отрицательное.

При воздушном отоплении теплоносителем служит воздух, нагретый до температуры более высокой, чем в отапливаемом помещении. Как правило, используется схема, при которой нагретый воздух подается непосредственно в помещение и, смешиваясь с внутренним воздухом, повышает его температуру.

При устройстве естественной вентиляции в жилых зданиях в наиболее неблагоприятных условиях оказываются помещения верхних этажей. Для повышения эффективности этого процесса вентиляционные каналы, обслуживающие данные помещения, не объединяют с какими-либо другими. При использовании в здании вентиляционных блоков каналы-спутники от помещений двух последних этажей выводят непосредственно в атмосферу или при устройстве системы вентиляции с "теплым" чердаком их устья размещают на техническом этаже. Допускается также применение механической вентиляции для помещений двух верхних этажей.

Для повышения фактора пожаробезопасности необходимо усилить аэродинамический режим внутри высотных зданий посредством организации движения травалаторов вокруг ядра жесткости (организовать перекрестные вихревые воздушные потоки), либо организовать перекрестное движение аэродинамических потоков (системы механической вентиляции).

Принцип инженерно-коммуникационной автономности выдвигает повышенные требования к обеспечению комфортности проживания и эксплуатации высотных зданий (в том числе пожаробезопасности) как объектов со статусом эксклюзивных, тем самым обуславливая проектирование автономных систем энерго- и водообеспечения, связи и прочее.

При выборе системы перекрытий определяющей является степень насыщенности трубопроводами. До сих пор считалось экономически оправданным прокладывать трубы приточно-вытяжной вентиляции (кондиционирования воздуха), проводя их через балки перекрытий, или выполнять железобетонные перекрытия плоскими минимальной высоты с тем, чтобы в оставшемся до подвесного потолка пространстве можно было разместить все необходимые трубопроводы.

На рис. 2 предпочтительной выглядит позиция № 4: применение "висячих" домов, подвесных консолей каркасно-ствольной системы, а также каркасно-ствольно-диафрагмовой системы. У внутренних лестниц предусматривается механическая вентиляция, создающая избыточное давление и препятствующая задымлению. Эта вентиляция, как и аварийное освещение, подключается к аварийным источникам электроэнергии.

С точки зрения наибольшей экономичности для высотного жилого дома является система с несущими продольными и поперечными стенами. При использовании всей площади плана здания в качестве основания несущей конструкции ее гибкость (отношение высоты к наименьшей ширине) становится наименьшей. Таким образом, достигается наибольшая жесткость и минимальная деформация под воздействием ветровой нагрузки.

В заключение отметим, что получившая широкое развитие свободная планировка базируется на динамике изменения свободного объема здания в сторону увеличения в связи с сокращением площади, занимаемой центральным ядром. При этом происходит выбор комбинированных конструктивных систем зданий в зависимости от структуры центрального ядра.

Рис. 9. Конструктивные решения с ядром и консольными перекрытиями