Рациональное применение конструктивных систем многоэтажных зданий

УДК 624.01

Н.И. Сенин

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

Представлена классификация конструктивных систем многоэтажных зданий на основе четырех основных или первичных систем, принципиально различающихся по типу вертикальных несущих конструкций.

На основе анализа выполненных ранее исследований и реального опыта проектирования определены рациональные области применения различных конструктивных систем многоэтажных зданий. Приведено обоснование увеличения этажности многоэтажных зданий с учетом роста численности городского населения и увеличения обеспеченности жильем, а также ограниченностью и стесненностью городской застройки.

Показано распределение функционального назначения по высоте в многофункциональных зданиях, а также прогноз по процентному распределению функционального назначения высотных зданий.

Ключевые слова: конструктивная система, многоэтажное здание, высотное здание, каркас, стена, ствол, оболочка, рациональные области применения.

Многоэтажное строительство развивается с увеличением численности городского населения. В 2010 г. городское население составило 3,6 млрд человек, или 51 % от общей численности населения мира [1]. По сравнению с 1950 г. оно увеличилось в 4,5 раза и в предстоящие годы продолжит расти согласно прогнозам (рис. 1) [1].

Рис. 1. Численность городского населения:--в России [2],---в мире [1]

В России к 1989 г. городское население увеличилось по сравнению с 1926 г. в 6,5 раз и составило 108 млн человек, или 73,4 % от общей численности. В дальнейшем численность городского населения России практически стаби-

лизировалась и по прогнозам к 2025 г. будет составлять 104,7 млн человек или 74,5 % от общего числа россиян (рис. 2) [2].

Рис. 2. Обеспеченность жильем и строительная активность в России:--обеспеченность жильем, м2/чел.;---строительная активность, м2 нового жилья/чел.

Несмотря на стабилизацию численности городского населения, объемы жилищного и гражданского строительства в России будут увеличиваться, так как требования к комфорту и удобствам так же непрерывно возрастают. За последние 30 лет обеспеченность жильем в России выросла почти в 2 раза и достигла в 2010 г. 22,6 м2 на человека (рис. 2) [3]. При этом, если учесть поставленную Президентом России В.В. Путиным задачу к 2020 г. выйти на показатель строительной активности в 1 м2 нового жилья на человека (рис. 2) [3], можно предполагать и увеличение обеспеченности жильем. Тем более, что по сравнению с европейскими странами Россия отстает почти в 2 раза, а по сравнению с США — более чем в 3 раза [3].

Стесненность и ограниченность городской застройки, вызванные стремлением сокращения протяженности городских коммуникаций, а также сохранностью лесопарковой пригородной зоны, затрудняет развитие городов за счет расширения их территорий и вынуждает увеличивать этажность зданий.

Впервые классификация многоэтажных зданий по высоте и количеству этажей была принята на I симпозиуме комиссии по многоэтажным зданиям S-41 Международного совета по строительству и Объединенного комитета по высотным зданиям. С учетом специфических нормативных требований в различных регионах мира была рекомендована следующая градация типов многоэтажных зданий:

9.. .16-этажные высотой до 50 м I категория

17.. .25-этажные высотой до 75 м II категория

26.40-этажные высотой до 100 м III категория

более 40 этажей высотой более 100 м высотные здания В Москве, согласно нормам, к высотным зданиям относят здания высотой более 75 м1.

1 МГСН 4.19—2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных

высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве. М., 2006.

Высота высотных зданий, построенных в разных регионах мира, с каждым годом увеличивается. Так, в 2000 г. средняя высота 20 самых высоких зданий составила 375 м, в 2010 г. — 439 м и по прогнозам Совета по высотным зданиям и городской среды обитания (СТВИН) в 2020 г. она достигнет 598 м [5]. С учетом этого Советом предложена дальнейшая градация типов высотных зданий: свыше 300 м — супервысотные, а свыше 600 м — мегавысотные. При этом для высотных зданий за критерий принимается высота здания в метрах, а не этажность, поскольку высота этажа для зданий различного функционального назначения и требований национальных норм проектирования различна и может варьироваться от 2,7 до 4,5 м.

По функциональному назначению можно выделить четыре основные группы высотных зданий: офисные; жилые; гостиницы;

многофункциональные.

Примерно 75 % построенных до 2000 г. высотных зданий можно отнести к офисным, около 15 % — к многофункциональным и по 5 % к жилым зданиям и гостиницам [4, 6]. В настоящее время все больше высотных зданий возводится с многофункциональным назначением. По прогнозам к 2020 г. из 20 самых высоких зданий 75 % будут иметь многофункциональное назначение, 15 % офисных, и по 5 % к жилым и гостиницам [5].

В многофункциональных зданиях распределение функционального назначения по высоте здания целесообразно в следующей последовательности, начиная с нижних этажей: офисы, гостиницы, жилье. Такое распределение связано с тем, что в жилых помещениях необходимо обеспечить естественную освещенность. По этому параметру глубина комнат не должна быть более 6 м, а следовательно, и размер здания в плане будет ограничен.

Для офисных помещений большая их часть (залы заседаний, выставочные залы и т.д.) не нуждается в естественном освещении, а следовательно и размер здания в плане может быть увеличен. При решении объемной формы высотного здания в виде пирамиды такое распределение будет обоснованным.

С ростом этажности многоэтажные здания становятся все более сложными и ответственными инженерными сооружениями, к которым должны предъявляться особые требования, чтобы обеспечить их надежность и безопасность, так как от этого зависит жизнь и благополучие тысяч людей, одновременно пребывающих в таких зданиях.

Одним из таких требований является обеспечение прочности и пространственной жесткости несущих систем многоэтажных зданий с различными конструктивными системами.

Авторы [7] из всего многообразия конструктивных систем многоэтажных зданий выделили четыре основные или первичные, принципиально различающиеся по типу вертикальных несущих конструкций:

каркасная с линейными вертикальными элементами; стеновая с плоскими вертикальными элементами;

ствольная с пространственными вертикальными элементами (ядрами), расположенными внутри здания;

оболочковая с вертикальными элементами, расположенными по наружному периметру здания и объединенными в единый пространственный элемент [8].

В реальной практике проектирования первичные системы в чистом виде встречаются редко. Как правило, на практике применяют комбинированные конструктивные системы, состоящие из различных сочетаний первичных систем (рис. 3). Из четырех основных систем можно составить 6 двухкомпонент-ных комбинированных систем, 4 — трехкомпонентных и 1 четырехкомпонент-ную. Таким образом, с учетом первичных и комбинированных систем можно получить 15 конструктивных систем многоэтажных зданий [9].

Первичные Комбинированные

двухкомпо нентные трехкомпонентные четыре хком по нентные

1 Каркасная 2 Стеновая 3 Ствольная 4 Оболочковая 1-2 Каркасно-стеновая 1-3 Каркасно-ствольная 1-4 Каркасно-оболочковая 2-3 Ствольно-сте новая 2-4 Оболочково-сте новая 3-4 Ствольно-оболочковая 1-2-3 Каркасно-ствольно-сте новая 1-2-4 Каркасно-оболочково-стеновая 1-3-4 Каркасно-ствольно-оболочковая 2-3-4 Ствольно-оболочково-стеновая 1-2-3-4 Каркасно-ствольно-оболочково-стеновая

б

Рис. 3. Классификация конструктивных систем многоэтажных зданий: а — принципиальные схемы систем; б — наименование систем

Выбор той или иной конструктивной системы зависит от многих факторов: объемно-планировочное решение, технология возведения, материал несущих конструкций, условия строительства, нагрузки и воздействия и др. Многокритериальный анализ конструктивных систем многоэтажных зданий в полной мере до настоящего времени не проводился из-за трудоемкости и сложности, хотя необходимость такого исследования, несомненно, будет востребована в практике проектирования.

В данной статье сделана попытка определить рациональные области применения различных конструктивных систем многоэтажных зданий на основе анализа выполненных ранее исследований по отдельным критериям и реального проектирования.

Из двухкомпонентных конструктивных систем наименьшей пространственной жесткостью обладает каркасно-стеновая система. Каркас в данной системе может выполняться по двум схемам: связевой и рамной. При решении каркаса в рамном варианте горизонтальную нагрузку воспринимают стены и каркас, при связевом решении — только стены. Ориентировочно высоту зданий для такой конструктивной системы можно рекомендовать до 120 м.

В каркасно-ствольной конструктивной системе внутренние стены объединяются в пространственный элемент, имеющий существенно больший момент инерции по сравнению с плоскими стенами и повышающий пространственную жесткость всей конструктивной системы.

В данной системе вся горизонтальная нагрузка воспринимается стволом (ядро жесткости), а каркас в основном работает на вертикальные нагрузки. Для увеличения пространственной жесткости здания в зависимости от планировочных решений и назначения здания размещают несколько ядер жесткости. С этой же целью прибегают к устройству жестких горизонтальных ростверков в одном или нескольких уровнях по высоте здания (как правило, это технические этажи). При их устройстве можно включить в работу на горизонтальную нагрузку и периферийные колонны. Для каркасно-ствольных систем можно рекомендовать высоту здания до 250 м.

Наибольшей пространственной жесткостью из двухкомпонентных конструктивных систем обладают ствольно-оболочковые. Решение наружной оболочки как несущего элемента выполняется в различных вариантах [11]. Можно выделить три основные группы:

безраскосная многоэтажная и многопролетная решетка; раскосная решетка с модулем на высоту этажа; раскосная решетка с укрупненным модулем (10—15 этажей). В последнее время появилось новое инновационное конструктивное решение, получившее название «соты» или «шестиугольная сетка» (Beehive, HeхaGrid) [11].

Для повышения пространственной жесткости ствольно-оболочковой системы также используют жесткие горизонтальные ростверки, как правило, в нескольких уровнях по высоте здания. Разновидностью ростверков являются аутригерные фермы, обеспечивающие совместную работу внутреннего и наружного стволов.

При использовании данной конструктивной системы ширина здания не может быть больше 40 м, так как ограничен пролет перекрытия между внутренними и наружными ядрами жесткости. С учетом рационального соотношения высоты здания к его ширине, равному 8 [12], можно рекомендовать для ствольно-оболочковой конструктивной системы высоту здания до 350 м.

Остальные двухкомпонентные конструктивные системы будут занимать промежуточное положение по высоте зданий (рис. 4).

Рис. 4. Рекомендуемая высота многоэтажных зданий наиболее применяемых конструктивных систем

Из трехкомпонентных конструктивных систем наибольшее распространение в реальной практике проектирования получила каркасно-ствольно-оболоч-ковая, позволяющая увеличить размер здания в плане за счет устройства дополнительных опор для перекрытий между внутренним и наружным ядрами. При увеличении ширины здания до 60 м и сохранении соотношения высоты здания к ширине 8:1 можно рекомендовать для каркасно-ствольно-оболочко-вой системы высоту здания до 500 м.

В последнее время для высотных зданий стали применять многосекционные оболочки, которые являются разновидностью каркасно-ствольно-обо-лочковой конструктивной системы. В данной системе внутренние колонны объединяются в отдельные оболочки (секции), связанные в единую пространственную конструкцию, позволяющую повысить общую жесткость здания и доводить высоту здания до 600 м и выше. При этом можно по высоте здания обрывать отдельные секции по мере снижения нагрузки.

На рис. 4 показана рекомендуемая высота многоэтажных зданий, 10 наиболее применяемых конструктивных систем.

Представленные в статье рекомендации помогут проектировщикам на стадии вариантного проектирования выбрать наиболее рациональную конструктивную систему многоэтажного здания заданной высоты с учетом обеспечения его пространственной жесткости.

Библиографический список

1. Щербакова Е. Сейчас в городских поселениях проживает 51 % населения мира, а в сельских 49 % // ДемоскопWeekly. 2012. № 507—508. Режим доступа: М1р://кар^1-rus.ru/index.php/articles/article/610. Дата обращения: 15.04.2013.

2. Щербакова Е. Городское население России на начало 2010 года — 103,8 млн человек, или 73,1 % от общего числа россиян // ДемоскопWeekly. 2010. № 407—408. Режим доступа: http:///www.demoskop.ru/weekly/2012/0507. Дата обращения: 10.04.2013.

3. Гусев А.Б. Доступность жилья в России и за рубежом // Капитал страны : федеральное интернет-издание. 2008. Режим доступа: http://www.kapital-rus.ru. Дата обращения: 08.09.2013.

4. Маклакова Т.Г. Высотные здания. М. : Из-во АСВ, 2006. 156 с.

5. Вуд Э., Холистер Н. Начало эпохи меганебоскребов // Высотные здания. 2012. № 1. С. 52—57.

6. Проектирование современных высотных зданий / Сюй Пэйфу, Фу Сюеи, Ван Цуйкунь, Сяо Цунчжэнь ; под ред. Сюй Пэйфу. М. : Изд-во АСВ, 2008. 467 с.

7. Дроздов П., Лишак В. Пространственная жесткость и устойчивость многоэтажных зданий различных конструктивных систем // Труды III Междунар. симпозиума S-41 МСС и Объединенного комитета по высотным зданиям. Публикация № 43. М. : ЦНИИЭП жилища, 1976. С. 20—25.

8. Khan F. The future of high rise structures // Progressive Architecture. 1972, № 10, pp. 78—91.

9. Козак Ю. Конструкции высотных зданий. М. : Стройиздат, 1986. 307 с.

10. Ali M.M., Moon K.S. Structural Developments in Tall Buildings: current trends and future prospects // Architectural Science Review. 2007, vol. 50, no. 3, pp. 205—223.

11. Пейман А.Н. Высотные соты. Новая инновационная конструктивная система для высотных зданий // Высотные здания. 2012. № 6. С. 80—85.

12. Чжан Вэйбинь. Проектирование многоэтажных и высотных железобетонных сооружений. М. : Изд-во АСВ, 2010. 597 с.

Поступила в редакцию в октябре 2013 г.

Об авторе: Сенин Николай Иванович — кандидат технических наук, доцент, директор Института строительства и архитектуры, профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-12, isa@mgsu.ru.

Для цитирования: Сенин Н.И. Рациональное применение конструктивных систем многоэтажных зданий // Вестник МГСУ. 2013. № 11. С. 76—83.

N.I. Senin

RATIONAL USAGE OF STRUCTURAL SYSTEMS OF MULTI-STOREY BUILDINGS

The article focuses on the classification of structural systems of multi-storey buildings based on four main (or primary) systems fundamentally different by the type of vertical load-bearing structures. Also a rational application of various structural systems of multi-storey buildings has been proposed as a result of the analysis of earlier performed studies and real-world experience of designing. The usage of combined structural systems that consist of various combinations of primary systems is examined.15 types of structural systems can be detached from the variety of primary and combined systems.

The growing number of storeys of multi-storey buildings together with the growth of urban population and increasing availability of housing, as well as limited and cramped urban area, was justified. 10 of the most widely used structural systems were analyzed with a brief analysis of their features to ensure the tridimensional rigidity.

The vertical distribution of functions in multifunctional buildings, as well the forecast for the percentage distribution of functions in high-rise buildings were also presented in the article. These guidelines can be used by designers on trial design stage for choosing the most rational structural system of multi-storey buildings of different heights.

Key words: structural system, multi-storey building, high-rise building, frame, wall, core, envelop, rational fields of application.

References

1. Shcherbakova E. Seychas v gorodskikh poseleniyakh prozhivaet 51 % naseleniya mira, a v sel'skikh 49 % [Nowadays 51 % of the world's population live in urban areas and 49 % live in rural settlements]. DemoskopWeekly. 2012, no. 507—508. Available at: http://kapital-rus.ru/index.php/articles/article/610. Date of access: 15.04.2013.

2. Shcherbakova E. Gorodskoe naselenie Rossii na nachalo 2010 goda — 103,8 mln chelovek, ili 73,1 % ot obshchego chisla rossiyan [Urban population of Russia in the beginning of 2010 is 103,8 million people, or 73,1 % of total number of Russians]. DemoskopWeekly. 2010, no. 407—408. Available at: http:///www.demoskop.ru/weekly/2012/0507. Date of access: 10.04.2013.

3. Gusev A.B. Dostupnost' zhil'ya v Rossii i za rubezhom [Availability of Housing in Russia and Abroad]. Kapital strany: federal'noe internet-izdanie [Country Capital: Federal Internet Edition]. 2008. Available at: http://www.kapital-rus.ru. Date of access: 08.09.2013.

4. Maklakova T.G. Vysotnye zdaniya [High-rise Buildings]. Moscow, ASV Publ., 2006, 156 p.

5. Vud E., Holister N. Nachalo epokhi meganeboskrebov [The Beginning of Highskrapers Era]. Vysotnye zdaniya [High-rise Buildings]. 2012, no. 1, pp. 52—57.

6. Xu Peifu, Fu Xiuyeyi, Wang Cuikun, Xiao Congzhen; editor Xu Peifu. Proektirovanie sovremennykh vysotnykh zdaniy [Design of Modern High-rise Buildings]. Moscow, ASV Publ., 2008, 467 p.

7. Drozdov P., Lishak V. Prostranstvennaya zhestkost' i ustoychivost' mnogoetazh-nykh zdaniy razlichnykh konstruktivnykh sistem [Spatial Rigidity and Stability of Multy-sto-rey Buildings of Various Constructive Systems]. Tr. III Mezhdunar. simpoziuma S-41 MSS i Ob"edinennogo komiteta po vysotnym zdaniyam. Publikatsiya № 43 [Proceedings of the 3rd International Symposium S-41 MSS and Public Committee for High-rise Buildings. Issue 43]. Moscow, TsNIIEP zhilishcha Publ., 1976, pp. 20—25.

8. Khan F. The Future of High Rise Structures. Progressive Architecture. 1972, no. 10, pp. 78—91.

9. Kozak Yu. Konstruktsii vysotnykh zdaniy [The Structures of High-rise Buildings]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986, 307 p.

10. Ali M.M., Moon K.S. Structural Developments in Tall Buildings: Current Trends and Future Prospects. Architectural Science Review, 2007, vol. 50, no. 3, pp. 205—223.

11. Peyman A.N. Vysotnye soty. Novaya innovatsionnaya konstruktivnaya sistema dlya vysotnykh zdaniy [High-rise Honeycombs. New Innovative Constructive System for High-rise Buildings]. Vysotnye zdaniya [High-rise Buildings]. 2012, no. 6, pp. 80—85.

12. Zhang Weibin. Proektirovanie mnogoetazhnykh i vysotnykh zhelezobetonnykh sooruzheniy [Design of Multistoried and High-rise Reinforced Concrete Structures]. Moscow, ASV Publ., 2010, 597 p.

About the author: Senin Nikolay Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head, Institute of Civil Engineering and Architecture, Professor, Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), Of. 409 ULK, 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (495) 287-49-12; isa@mgsu.ru.

For citation: Senin N.I. Ratsional'noe primenenie konstruktivnykh sistem mnogoetazhnykh zdaniy [Rational Usage of Structural Systems of Multi-Storey Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 11, pp. 76—83.