Высотные здания, особенно здания значительной высоты, имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий.
Высотным принято называть здание высотой более 75 м (более 25 этажей). Эти здания могут иметь разное назначение: гостиница (Ленинградская, Киевская), офисное (Министерство иностранных дел на Смоленской площади), жилой дом (Кудринская площадь, Котельническая набережная), учебное (МГУ). Чаще всего высотное здание является многофункциональным. В нем помимо помещений основного назначения размещаются автостоянки, магазины, офисы, кинотеатры и др.
Существенным фактором, негативно влияющим на развитие высотного строительства, является отсутствие современной нормативной базы, без которой невозможно успешное развитие этого вида строительства.
В этой связи в Госстрой России наметили создание необходимой нормативной базы, включающей разработку городских строительных норм (МГСН) на проектирование многофункциональных высотных зданий и целого ряда рекомендаций, охватывающих разные аспекты проектирования таких зданий. К разработке этих документов привлечено свыше 20 ведущих научно-исследовательских, проектных, строительных и эксплуатационных организаций. Головной организацией, координирующей всю эту работу, назначено ОАО ЦНИИЭПжилища.
В ряде стран, особенно в США, накоплен значительный опыт проектирования, строительства и эксплуатации высотных зданий. Одним из первых высотных зданий можно считать Вулворт билдинг в Нью-Йорке высотой 250 м (60 этажей), возведенный в 1913 году. Долгое время самым высоким зданием в мире считался Эмпайр стейт билдинг, имеющий 102 этажа и общую высоту 380 м (с антенной — 448 м). В дальнейшем его потеснили здания Центра мировой торговли (412 м), Джон Хэнкок Сентер (487 м) и Сирс Тауэр (483 м). В последние годы строительство самых высоких зданий переместилось на Восток — в Малайзию, Тайвань и Китай. В 1966 г. в Куала-Лумпур построены две башни-близнецы Петронас-тауэрс высотой 452 м, а в июле 2003 года в Тайбее возведено здание Международного финансового центра высотой 502 м. Еще выше будет здание Шанхайского всемирного финансового центра. Группа многонациональных компаний объявила о намерении построить в Сеуле 540-метровое здание к 2007 году.
Высотные здания, особенно здания значительной высоты, имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий. С ростом высоты здания резко увеличиваются нагрузки на несущие конструкции, поэтому с развитием высотного строительства было разработано несколько конструктивных систем таких зданий: каркасная, рамно-каркасная, поперечно-стеновая, ствольная, коробчатая, ствольно-коробчатая («труба в трубе»; «труба в ферме») и другие (рис.1). В свою очередь, ствольные системы имеют свои разновидности: консольное опирание перекрытий на ствол, подвешивание внешней части перекрытия к верхней несущей консоли («висячий дом») или его опирание посредством стен на нижерасположенную несущую консоль, промежуточное расположение несущих консолей высотой в этаж с передачей на них нагрузки от части этажей (рис.2). Стволом или ядром в высотных зданиях является жесткий (монолитно выполненный) лестнично-лифтовой узел.
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. Следует отметить, что по данным немецких исследователей ветровые нагрузки в большинстве случаев более значимы, нежели сейсмические воздействия. Наиболее высокие на сегодняшний день здания Джон Хэнкок Сентер в Чикаго и Международного финансового центра в Тайбее выполнены по схеме «труба в ферме», когда наружный периметр стен жестко связан со стволом и дополнительно укреплен мощными диагональными связями. В этом случае все здание работает как жесткая консоль, заделанная в тело фундамента.
Для уменьшения колебаний высотных зданий под действием ветрового напора в последние годы стали применять подвешенные в их верхней части инертные массы.
Практикой строительства установлено, что каркасные и рамно-каркасные системы, обладающие ограниченной жесткостью, целесообразно применять в зданиях высотой до 40 этажей, ствольные — до 50-60 этажей, ствольно-коробчатые и коробчатые — до 80-90 этажей, а свыше этого — по схеме «труба в ферме».
Одним из основных требований, предъявляемых к высотным зданиям, как показала мировая практика, являются требования комплексной безопасности, предусматривающие обеспечение путей эвакуации при кризисных ситуациях, противопожарные и антитеррористические мероприятия, надежный контроль и управление всеми системами инженерного оборудования, дублирование ряда систем жизнеобеспечения.
В связи с этим, нашими нормативами (СНиП 10-01-94 и СНиП 21-01-97*) в настоящее время предусмотрена разработка технических условий на проектирование каждого высотного здания. ОАО ЦНИИЭПжилища совместно с рядом других организаций в целях обеспечения полного и обоснованного составления технических условий по заданию разработало «Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м кв.. Они являются практическим руководством по составлению технических условий, отражающим особенности проектирования высотных зданий.
В «Общие положения» включены разделы по архитектурно-планировочным решениям, основаниям, фундаментам и подземным частям высотных зданий, их инженерному и санитарно-гигиеническому обеспечению, а также комплексу противопожарных мероприятий.
Архитектурно-планировочные решения жилого высотного здания должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к жилищу I категории по уровню комфортности. Вместимость проектируемых автостоянок необходимо обеспечивать в соответствии с требованиями МГСН 1.01.99 к жилищу I категории. Учитывая условия эксплуатации высотных зданий, требуется снаружи размещать специальные технические средства для ремонта фасадов и стеклопрозрачных ограждений. Приквартирные летние помещения подлежат обязательному остеклению и применению соответствующих ограждений для снижения психологического дискомфорта высотобоязни у жильцов, а окна выше 20-22 этажей в целях безопасности рекомендуется выполнять с неоткрывающимися наружными створками.
Следует особо остановиться на применении стеклопрозрачных ограждений. Анализ проектов уже первых высотных зданий показывает, что архитекторы склонны широко применять остекленные наружные ограждения и витражи. При этом не учитывается, что сопротивление теплопередачи этих конструкций не превышает 0,8 (м2К)/Вт, что в четыре раза ниже требуемого сопротивления теплопередачи, предъявляемого к наружным стенам. Вследствие этого становится невозможным высотные здания с такими решениями фасадов сделать теплоэффективными.
Проектирование оснований, фундаментов и подземных частей высотных зданий могут выполнять только организации, имеющие лицензию на строительное проектирование зданий I-го и II-го уровня ответственности в сложных инженерно-геологических условиях.
При проектировании высотных зданий их следует размещать на территориях, где отсутствуют проявления карстовой опасности и оползневых явлении, а также в зонах проявления других опасных и техногенных процессов.
Предъявляется ряд особых требований к инженерно-геологическим изысканиям при проектировании высотных зданий. В качестве фундаментов рекомендуются плитные, в том числе повышенной жесткости (коробчатые), комбинированные плитно-свайные и свайные. Учитывая особенности московских грунтов и сложные техногенные условия, удельные нагрузки на основание под плитными элементами фундамента не следует принимать более 0,5 МПа. Сами же фундаменты должны выполняться из бетона класса не ниже В25.
Расчет оснований, фундаментов и подземных частей высотного здания необходимо выполнять по двум предельным состояниям: по несущей способности и по деформациям (осадкам, кренам, прогибам ). Специфичным для таких зданий является требование, чтобы расчет системы основание — фундамент — надфундаментные конструкции выполнялся с учетом последовательности и принятой технологии возведения здания. В процессе проектирования, начиная с предпроектной стадии, до начала строительства необходимо разрабатывать программу мониторинга, предусматривающую обследование зданий окружающей застройки их оснований и фундаментов.
При проектировании конструкций наземной части высотные здания следует относить к I-уровню ответственности и принимать коэффициенты надежности по ответственности при высоте здания от 75 до 100 м, равным 1,1; в диапазоне высот от 101 до 125 м -1,15, а свыше этого -1,2. Под действием ветровой нагрузки перемещение верха высотного здания не должно превышать 1/500 его высоты, что обеспечивает целостность остекления и перегородок, а также нормальную работу лифтов. В соответствии с зарубежным опытом это условие соблюдается при отношении ширины к высоте здания, не превышающим 1/7. Жесткость конструкций высотного здания должна обеспечивать значение ускорения колебаний верхних этажей под динамическим воздействием ветра не более 0,08 м/с2.
Улучшить условия работы здания под нагрузкой и повысить его жесткость позволяет также симметричное расположение масс и жесткостей, возможно более равномерное распределение вертикальных нагрузок на несущие элементы здания, а для точечных зданий — симметричное горизонтальное сечение, — приближающееся к квадратному. Следует сказать, что анализ первых проектов высотных зданий показывает: в ряде случаев архитекторы пренебрегают этими требованиями, что снижает надежность высотного здания, требует дополнительных конструктивных мероприятий и затрат.
Основные несущие конструкции следует выполнять из железобетона с гибкой и жесткой арматурой из стали. Зарубежный опыт показывает, что железобетон целесообразно применять при высоте зданий до 60 этажей. По немецким источникам использование высокопрочного бетона классов В80 и выше нерационального из-за его хрупкости, более низкой по сравнению с обычной технологичностью и высокой стоимостью. Стальные несущие конструкции следует надежно защищать от воздействия огня, обеспечивая их предел огнестойкости, равный R 180. В качестве стволов (ядер) высотных зданий следует использовать лестнично-лифтовые узлы из железобетона в сочетании, по возможности, с блоком вентиляционных шахт. Крышу высотного здания следует проектировать с внутренним водостоком.
Защита конструкций и всего высотного здания в целом от прогрессирующего обрушения обеспечивается такими мероприятиями, как их неразрезность (статическая неопределимость) основных несущих частей, соответствующим проектированием узлов и соединений конструктивных элементов, гарантированным качеством применяемых материалов и другими мероприятиями.
Комплекс инженерного обеспечения высотного здания включает более 30 систем. Ряд инженерных систем, таких как водопровод, канализация, мусоропроводы, необходимо зонировать в пределах между соседними техническими этажами, которые должны располагаться по высоте на расстоянии не более 50 м. Помимо централизованных источников теплоснабжения высотного здания требуется предусматривать автономный источник теплоснабжения (АИТ), которые могут размещаться как в самом здании, так и в виде отдельно стоящих объектов. Необходимое количество лифтов, их грузоподъемность и скорость определяют расчетом при принятом интервале движения лифтов 80-100 с, а каждый лифт необходимо располагать в отдельной шахте.
В высотных зданиях все электроприемники по степени надежности относятся к 1 и 2-й категориям. К 1-й категории надежности относятся противопожарные системы, пожарная и охранная сигнализации, лифты, эвакуационное и аварийное освещение, оповещение людей при пожаре, огни светового ограждения и другие ответственные электроприемники. Их питание требуется осуществлять от двух независимых источников питания с устройством автоматического включения резерва (АВР).
Особое внимание при проектировании и эксплуатации высотных зданий уделяется противопожарным мероприятиям. Несущие конструкции зданий должны удовлетворять повышенным требованиям по пределам огнестойкости, равным не менее REI 180. То же относится к коммуникационным шахтам и шахтам дымоудаления. Само здание должно соответствовать 1-ой степени огнестойкости при его высоте до 100 м, а более высокие — особой степени огнестойкости, а класс конструктивной пожарной опасности — СО. Для обеспечения доступа пожарных в любую квартиру на фасадах здания рекомендуется предусматривать специальные испытанные подъемные устройства с возможностью их использования для ремонта фасадов и мойки стекол. Сказанное относится только к части большого комплекса противопожарных мероприятий, которые обязательны при проектировании и эксплуатации высотных зданий.
Помимо этого при разработке МГСН «Многофункциональные высотные здания и комплексы» будет регламентирована их комплексная безопасность, включающая безотказность и управляемость всех инженерных систем и мероприятия, связанные с антитеррористической деятельностью. Мировой опыт эксплуатации таких зданий подтверждает их необходимость.
