«Технология строительства небоскребов, первый небоскреб»

Первый в мире небоскреб имел всего 10 этажей, и его вряд ли можно было бы разглядеть среди современных городских зданий. Сегодня самые высокие небоскребы имеют более 100 этажей, а их высота превышает 400 метров. Уже много веков назад строители могли сооружать высокие соборы, однако небоскребы, предназначенные для размещения квартир и офисов, появились только в конце 19-ого века. Несмотря на потребность в более высоких жилых зданиях в переполненных центрах больших городов, необходимо было решить две проблемы: разработать безопасные методы высотного строительства и найти способ добираться до верхних этажей без одышки.

(Небоскребы образуют неповторимую линию горизонта на острове Манжэттэн, Нью-Йорк. Этот остров состоит из сплошного гранита, который служит идеальным основанием для части самых высоких в мире зданий.) 

Каркасная конструкция

Традиционные здания имели несущие стены, поддерживающие всю конструкцию, и поэтому стены первых этажей высоких зданий должны были  быть  необычайно толстыми. Со времен был разработан новый метод строительства — т. н. каркасная конструкция. Для поддержки здания использовался стальной каркас, так что даже в небоскребах все стены можно было делать относительно тонкими.

(Свайные копры на площадке под строительство небоскребы. Забитые в землю стальные сваи используют для того, чтобы перенести вес здания на сплошное скальное основание под поверхностным слоем грунта.)

Лифты

Но оставалась другая проблема. Трудно было ожидать, что люди станут пешком подниматься на самый верх высокого здания. Пять этажей в домах с лестницами считались пределом. Идея лифта восходит к Древней Греции. Конструкторские разработки привели к появлению лифтов в зданиях в начале ХIХ в., однако первые образцы были крайне несовершенными. Одни лифты оказались раздражающе медленными, а те, что двигались быстрее — небезопасными: их тросы часто обрывались, что приводило к травмам. Поэтому первые лифты в зданиях устанавливались в основном для транспортирования грузов между этажами. Пассажирские лифты появились в 50-х годах ХIХ в. после того, как американский инженер Элайша Отис изобрел автоматическое предохранительное устройство. Оно предотвращало аварию лифта при разрыве тросов. Чтобы продемонстрировать надежность этого  изобретения, Отиса подняли в лифте, после чего тросыразрезали. Вместо того чтобы рухнуть вниз, лифт дернулся путь вниз, лифтдернулся, но остался висеть, застопорившись благодаря предохранительному механизму. Эта демонстрация имела большой успех, и вскоре наряду с созданием каркасных конструкций использование пассажирских лифтов позволило начать строительство высоких зданий. Первым зданием, получившим статус  небоскреба, был Хоум-иншуренс-билдинг в Чикаго (США). Это 10-этажное здание со стальным каркасом построили в 1885 г., а уже в 1931 г. снесли: к тому времени то, что раньше считалось умопомрачительно высоким, оказалось совсем небольшим. В том же году в Нью-Йорке был открыт Эмпайр-стейт-билдинг. При высоте в 381 метр (плюс 67-метровая антенна на крыше) это 102-этажное здание на протяжении 40 лет оставалось рекордсменом высоты. Небоскребы строят в Чикаго и Нью Йорке, поскольку цены на землю в этих городах настолько высоки, что выгоднее строить «башни», чем покупать больше земли и получать ту же площадь в более низких и широких зданиях. Долгое время казалось, что Чикаго и Нью-Йорк соревнуются за звание города с самыми высокими зданиями в мире, но теперь в эту гонку вступил Дальний Восток, и первое место занимает Куала-Лумпур— Шанхай.

(Стальной каркас для поддержания конструкции используется для того, чтобы стены не несли всей нагрузки и, следовательно, могли быть выполнены относительно тонкими.)

Ограничения 

Высоту зданий ограничивают различные факторы. К примеру, «лес» из небоскребов на Манхэттэне (Нью-Йорк) невозможно устроить в Лондоне из-за различий в свойствах грунта. Остров Манхэттэн представляет собой громадную глыбу твердого гранита, а Лондон стоит на пласте мягкой глины, которая не выдержит зданий с высотой более 60 этажей. Еще одним фактором является ветер. Когда сильный ветер ударяет в небоскреб, на основание здания воздействует значительная сила. Чем выше здание, выступающее выступающее в данном случае рычагом, тем больше эта сила. Она возрастает примерно пропорционально квадратурату высоты, то есть сила ветра, действующая на 100-этажное здание, в 4 раза больше, чем на 50-этажное. Архитекторам приходится проектировать здания, которые могли бы противостоять непогоде: например, ураган может воздействовать на боковую сторону высокого небоскреба с усилием 15000 тонн. По этой причине высокие здания нуждаются в более прочных фундаментах. Необходимость перемещаться с этажа на этаж также ограничивает высоту. Небоскребы обычно вмещают большое количество людей, а долгое ожидание лифта в наш век скоростей неприемлемо. Поэтому в высоких зданиях устанавливают большее количество лифтов.

(Строительство офисов Гонконгско-Шанхайской банковской корпорации. Этот небоскреб имеет стальной наружный каркас, балки которого заполнены водой для предотвращения пожара.)

Колебания 

Помимо того, что ветер оказывает на небоскреб значительное боковое воздействие, он может вызывать разрушительные колебания. Это часто происходит в местах, где на уровне земли ветры дуют по узким улицам через просветы между небоскребами. Как и любая другая конструкция, небоскреб обладает собственной частотой колебаний. Это тот уровень, при котором здание начинает колебаться под воз действием, например, ветра. Именно поэтому при сильном ветре некоторые небоскребы раскачиваются настолько сильно, что люди, находящиеся на верхних этажах, ощущают движение пола. В экстремальных случаях такие колебания сильно повреждают здания. К примеру, в 1974 г. из 60-этажного небоскреба Джон-Хэнкок-тауэр в Бостоне (США) выпали и разбились оконные стекла, когда здание стало раскачиваться на ветру. Когда здание изгибалось в одну сторону, оконные рамы на внешней части изгиба растягивались и стекла выпадали. При противоположном наклоне, рамы сжимались, и уцелевшие стекла лопались под давлением. Иногда на крышах небоскребов устанавливают массивные грузы, расположенные так, чтобы действовать в качестве противовесов. Когда здание начинает раскачиваться в одном на правлении, грузы движутся по рельсам, изменяя точку своего воздействия и помогая погасить движение здания, когда оно раскачивается в обратную сторону. Обычно это предотвращает опасное увеличение колебаний. Из-за большой площади, занимаемой зданиями, давление ветра, пробивающегося через промежутки между ними, иногда настолько велико, что валит пешеходов с ног. Такие ветры могут также проникать в высокие здания на уровне земли и подниматься вверх по шахтам лифтов, нанося значительный ущерб. Это одна из причин, почему шахты лифтов во многих небоскребах не проходят по всей высоте здания; вместо этого лифты работают парами: один обслуживает нижние, а второй — верхние этажи.

(Высокому зданию нужен глубокий фундамент.)

Ветрозащитные барьеры 

Еще одна мера предосторожности заключается в наличии входных дверей-вертушек. Обычные двери могут позволить сильному ветру проникнуть внутрь, тогда как двери-вертушки обеспечивают практически полню воздухонепроницаемость. Перед началом постройки небоскреба архитекторы производят компьютерное моделирование проекта. Значения прочности материалов и деталей конструкции вводятся в компьютер, который может просчитать, как здание отреагирует на сильный ветер и другие внешние факторы — например, толчки при землетрясении. В случае необходимости проект корректируется с тем, чтобы повысить эксплуатационные качества здания, и проводятся дальнейшие исследования на масштабных моделях. Иногда в ходе этих испытаний обнаруживаются неожиданные проблемы. К примеру, в ходе испытания 1,4-метровой модели высокого здания в аэродинамической трубе, верхушка модели начала опасно колебаться. Измерения показали, что верхние этажи настоящего здания ходили бы из стороны в сторону на расстояние более 20 м в течение одной минуты. К счастью, компьютерное моделирование и аэродинамические испытания обычно устраняют основные недоработки проекта еще до начала строительства. Вдобавок эти тесты помогают современным архитекторам уменьшить степень избыточности или чрезмерной конструкционной прочности здания и, тем самым, уменьшают количество средств, затрачиваемых на стальные конструкции.

(Колебания, вызванные ветром, можно уменьшить путем установки на крыше грузов, движущихся по рельсам асинхронно по отношению к движению самого здания. Это нейтрализует опасные нагрузки, вызванные колебаниями.)

Жизнь наверху 

Некоторые небоскребы представляют собой довольно мрачные сооружения, где жителей не покидает ощущение, что настоящая жизнь проходит далеко внизу. Однако хорошо спроектированные небоскребы могут предоставить своим обитателям высокий уровень комфорта. Почти во всех из них есть своя служба безопасности, что помогает уменьшить уровень преступности в этих мини-городах. Некоторые здания также предоставляют настолько широкий спектр услуг, что практически все необходимое находится в двух шагах. Вы можете отправиться на лифте в кинотеатр или библиотеку, за покупками в супермаркет на другом этаже или на тренировку в бассейн или спортзал. Некоторые даже ездят в лифте на работу, поскольку и жилье, и офис находятся в одном здании. Иногда за время поездки в лифте может измениться погода — верхушка небоскреба еще залита солнцем, а ниже уже висят тучи и льет дождь.

(Элегантное здание компании IBM в Париже - приятное отклонение от "блочной" формы многих небоскребов.)

Опасность пожара 

Потенциальная опасность очень высокого здания заключается в невозможности быстрой эвакуации всех обитателей в случае возникновения пожара. Следовательно, небоскреб должен иметь встроенные системы пожаротушения, готовые немедленно сработать при обнаружении опасной концентрации дыма или высокой температуры. Огромные резервуары с водой размещены в верхней части здания для питания спринклерных систем; датчики, установленные по всему зданию, автоматически включают разбрызгиватели воды, расположенные на потолках. Противопожарная система также может закрывать огнестойкие двери, предотвращающие распространение огня из области возгорания на другие части постройки. В случае пожара шахты лифтов могут действовать как мощные дымоходы, вытягивая вверх пламя и дым и распространяющие огонь на другие этажи, поэтому лифты приходится отключать.

(Благодаря своему цвету этот небоскреб в Нью-Йорке меньше выделяется на фоне, чем другие здания.)

Компьютерный контроль 

Для управления спринклерными системами и пожарной сигнализацией используются компьютеры. Они же управляют освещением, отоплением и системами безопасности в небоскребах. Здания, устроенные таким образом, называются «умными», поскольку управляют своим собственным функционированием и не требуют повседневного вмешательства людей. Многие небоскребы строятся исключительно под офисы. Это облегчает управление некоторыми службами, поскольку большинство работников приходят и уходят в одно и то же время. Например, можно установить простую систему с заданным временем действия для центрального отопления с тем, чтобы в зимнее время она включалась в рабочие часы и выключалась на всю ночь. Лифты, противопожарные системы, отопление и освещение зависят от наличия электроэнергии. При внезапном ее отключении жителям придется выбираться из здания по темным лестницам. Во избежание подобных ситуаций каждый небоскреб оборудован собственным генератором, который включается при отказе основного питания.

(Крайслер-билдинг в Нью-Йорке занимает сегодня 17-е место в списке самых высоких зданий в мире. Сооружение возведено в 1930 году и имеет 77 этажей (319м.), занятых офисами. Высота Сирс-тауэр в Чикаго 110 этажей.)

См. также:

• Древесина и бумага
• Строительство туннелей
• Строительство дорог
• Землетрясения
• Дамбы