Небоскребы растут из-под земли

За устойчивость здания отвечает глубокий фундамент. Считается, что небоскребы помогают построить — и продать — побольше там, где уже почти не осталось для этого места. Небольшая площадь основания по периметру фасада и внушительный метраж всего здания оказались кстати в условиях дефицита земли на Манхэттене, в самом престижном районе Нью-Йорка, где в начале XX века стартовало активное строительство высоток. Это правило не изменилось до сих пор, но не везде его легко применить. Технологические сложности, традиционно сопровождающие высотное строительство, могут стать препятствиями на неподходящей почве. Для преодоления давления на грунт в таких условиях приходится углублять подземную часть до четверти высоты небоскреба.

Мягкие грунты, сейсмологическая активность, дорогие, по сравнению с обычными домами, проектировочные решения нисколько не охладили интерес к строительству небоскребов. За прошедшие десять лет их стало в три раза больше: сейчас в мире 1378 зданий высотой более 200 м (данные Knight Frank). Первые небоскребы работали как офисы, современные здания используются так же, но и спрос на квартиры в них оказался значительным — небоскребы можно строить на небольшом участке, современные технологии позволяют делать это в условиях любого грунта, а покупатели ценят виды из окон на огромной высоте. И теперь более трети высоток — жилые, частично или целиком.

По словам партнера архитектурного бюро "Крупный план" Андрея Михайлова, долгое время одним из главных препятствий для строительства небоскребов было колоссальное давление на грунт: "Конструкция тяжелая, под ее давлением грунт выходит за рамки линейной работы, наступают стадии упругопластической деформации".

Архитектура сталинских высоток в Москве продиктована как раз сложностями, связанными со строительством правильного фундамента. "Широкая нижняя часть, увеличенная глубина позволили минимизировать дополнительное по сравнению с естественным давление грунта на глубине заложения фундамента",— продолжает Андрей Михайлов. В Нью-Йорке таких проблем не было: помимо другого темпа развития экономики, урбанизации, роста цен на землю массовому строительству небоскребов способствовала геологическая особенность местности. "Город практически стоит на скальном, прочном грунте, и даже если сверху присутствуют осадочные породы, их толщина незначительна",— объясняет архитектор.

Сверхсильное давление на грунт высотки сейчас перестало быть проблемой — накоплен огромный опыт, быстро идет прогресс в отрасли строительных материалов

В Москве при строительстве высотных зданий приходится решать более сложные инженерные задачи, связанные с фундаментом,— кроме давления на грунт, это существенная усадка, возможная неравномерность, крены. "Основные расходы при строительстве фундамента возникают, когда идут инженерно-геологические изыскания, благодаря им закладываются определенные параметры конструкции, отвечающие компрессионным характеристикам грунта, определяется усадка здания",— говорит исполнительный директор Capital Group Михаил Хвесько. Ориентируясь на эти расчеты, проектировщики определяют жесткость будущей конструкции. "При неравномерной усадке все перекосы должны быть компенсированы жесткостью конструкции здания,— объясняет он.— Чем больше усадка, тем выше жесткость, больше армирование и дороже фундамент".

По словам заместителя директора по научной работе АО "НИЦ "Строительство"" Олега Шулятьева, сверхсильное давление на грунт высотки сейчас перестало быть проблемой — накоплен огромный опыт, быстро идет прогресс в отрасли строительных материалов. "Это просто данность, с которой приходится работать",— говорит он. Основной принцип строительства небоскребов не меняется: давление можно уменьшить за счет роста площади фундамента и глубины его залегания. "В санкт-петербургском "Лахта-центре" фундамент шире контура здания более чем в три раза, а глубина свай 85 метров",— приводит в пример Олег Шулятьев. Если приходится учитывать сейсмическую активность, как, например, в Чечне, где строится небоскреб "Ахмат тауэр", претендующий на звание самой высокой башни в Европе (после башни "Лахта-центра"), нужно учитывать не только давление на грунт, но и его перемещение. "При подземных толчках здание может крениться в разные стороны, его фундамент должен воспринимать эти нагрузки",— объясняет специалист: верхняя конструкция небоскреба тоже должна адекватно воспринимать эти колебания. Для их снижения используют различные устройства для гашения или предотвращения колебаний, которые называются "демпферы".

В Москве большинство высотных зданий тоже строится с участием свай. "При строительстве дома высотой 20 этажей проектировщик может выбирать, использовать сваи или нет. При проектировании небоскреба сваи обязательны, если, конечно, скальные породы не залегают прямо под фундаментной плитой",— говорит Михаил Хвесько. Глубина свай может достигать 50 метров, а их диаметр — полутора метров. Например, в ММДЦ "Москва-Сити" особый грунт. "Это аллювиальные (речные) отложения (на глубине 6-15 метров), а со стороны района Камушки есть русла исчезнувших притоков Москвы-реки (палеодолина). Глубже — известняки верхнего каменноугольного возраста, в которых могут быть полости (карсты)",— перечисляет Михаил Хвесько. Задача геолога — находить такие полости, а проектировщика — устранять риски при разработке фундамента в районе таких полостей. "В таких грунтах при строительстве небоскребов, как правило, используются свайные или свайно-плитные фундаменты. Толщина фундаментной плиты при этом может достигать четырех метров",— делится опытом девелопер. Выбор вида свай осуществляется индивидуально — или с помощью тестов, или на стадии разработки проекта в сотрудничестве с научными организациями, которые специализируются на новых видах свайных фундаментов. "Отсюда удорожание строительства — фундамент 50-этажного здания может стоить втрое дороже фундамента 20-этажного дома",— подчеркивает он. Все это учитывается в проекте. Существуют разные варианты установки свай: ее можно бурить, заливать бетоном, опускать внутрь сердечник (стержень, который выдавливает бетон в поры грунта по длине сваи и создает более жесткую сцепку, такие сваи могут быть короче и меньше в диаметре, их и нужно меньше). Сваи с сердечником могут выдержать до 30-40% больше нагрузки, чем сваи без него. В одном из проектов Capital Group стоимость погонного метра сваи диаметром 1 метр составляет около 40 тыс. руб. Средняя глубина свай — 15-30 метров, но может доходить и до 50 метров.

Особенности фундамента, помимо качества грунта, определяет каркас небоскреба.

"Это вторая важная особенность строительства небоскребов",— говорит Андрей Михайлов. В зданиях высотой более 100 этажей стандартный бетон не выдерживает нагрузки, которая возникает на колонны первых этажей. "Приходится использовать специальные бетоны повышенной прочности — с ними технологически сложно работать на стройплощадке — и специальную арматуру",— продолжает он. А при строительстве особенно высоких зданий на первых этажах могут применяться цельностальные колонны.

При проектировании каркаса и его внутренних систем приходится еще учитывать турбулентность ветрового потока, которая возникает из-за высоты здания. "Представьте себе трубу высотой более 500 метров и разницу в давлении на первом и последнем этаже. Без специальных решений здание будет работать как дымовая труба,— приводит аналогию Андрей Михайлов.— Снаружи равномерно распределять давление помогают специальные фасадные системы. Для решения проблемы сквозняков в первых небоскребах стали ставить вращающиеся двери. По этой же причине в небоскребах не бывает естественной вентиляции и нельзя открывать окна, чтобы не нарушить работу механических инженерных систем".

Искусство управления лифтом

Со сдачей небоскреба в эксплуатацию инженерные сложности не заканчиваются. О способах их преодоления рассказал президент ПАО "Сити" (управляет ММДЦ "Москва-Сити") Алексей Гаврилов.

Одна из главных ежедневных проблем небоскреба — вертикальный транспорт. Если это бизнес-центр, по нему в течение дня передвигаются десятки тысяч человек, и эффективно распределить пассажиропоток в лифтах — одна из главных задач повышения комфортности. Естественно, что самые напряженные моменты приходятся на часы пик, связанные с рабочим расписанием: утром, в обед и вечером.

Определенная модель распределения пассажиропотока в высотном здании закладывается уже на этапе проектирования, но в процессе эксплуатации часто выясняется, что она не совпадает с фактическим трафиком в лифтах.

Эту проблему можно решить, отрегулировав распорядок дня сотрудников по этажам, например, разнеся время обеда и окончания дня. Но это возможно, только если небоскреб целиком занимает одна корпорация.

Во всех других случаях приходится использовать технические решения. Например, в некоторых небоскребах в "Москва-Сити" установлены автоматизированные системы досрочного вызова лифта на первом этаже — лифт на нужный этаж заранее получает сигнал вызова уже при сканировании пропуска на турникете на входе. Это сокращает время его ожидания. Современные программные продукты позволяют собирать статистику трафика и анализировать пассажиропоток. Программа определяет, сколько пассажиров на каком этаже ждут лифт, и отправляет на этажи загруженную или пустую кабину. Чтобы не вводить систему в заблуждение, не нужно несколько раз нажимать на кнопку в ожидании лифта. Система может распознать этот сигнал как от нескольких человек, и поиск свободной кабины займет больше времени. В лифтах есть возможность групповых вызовов — для автоматической подачи пустого лифта.

Межэтажный трафик в небоскребах можно распределять и с помощью совмещения лифтов и эскалаторов.

Так как в небоскребах эксплуатируются высокоскоростные лифты, скорость которых достигает 8 м/с, большое внимание уделяется их безопасности. Ее обеспечивают многочисленные системы мониторинга и контроля. Если трос оборвется, сработают ловители плавного торможения и не позволят кабине упасть. Для обеспечения энергоэффективности работы лифтов используется система рекуперации энергии. Лифты и эскалаторы могут переходить в спящий режим, если не нужны пассажирам, что экономит электроэнергию.