Проектирование и строительство небоскребов - Skyscraper design and construction

Рабочий на каркасе Эмпайр-стейт-билдинг

Проектирование и строительство небоскребов предполагает создание безопасных, обитаемых помещений в очень высоких зданиях. Здания должны выдерживать их вес, противостоять ветру и землетрясениям, а также защищать людей от огня. Однако они также должны быть легко доступны, даже на верхних этажах, и обеспечивать коммунальные услуги и комфортный климат для жителей. Проблемы, возникающие при проектировании небоскребов, считаются одними из самых сложных с учетом баланса, необходимого между экономикой , проектированием и управлением строительством .

Основные соображения по конструкции

Хороший структурный дизайн важен в большинстве строительных проектов, но особенно для небоскребов, поскольку даже небольшая вероятность катастрофического отказа недопустима, учитывая высокие цены на строительство и потенциальный риск для жизни людей в массовом масштабе, как видно из обрушения кондоминиума Surfside в 2021 году. . Это представляет собой парадокс для инженеров-строителей: единственный способ убедиться в отсутствии отказа - это проверить все виды отказов как в лаборатории, так и в реальном мире. Но единственный способ узнать обо всех типах отказов - это извлечь уроки из предыдущих неудач. Таким образом, ни один инженер не может быть абсолютно уверен в том, что данная конструкция выдержит все нагрузки, которые могут вызвать отказ, но может иметь только достаточно большие запасы прочности, так что отказ является приемлемо маловероятным. Когда здания все-таки рушатся, инженеры задаются вопросом, был ли сбой из-за недостатка предвидения или из-за какого-то непонятного фактора.

Подструктура

Одна из многих особенностей небоскребов - это их каркас. Например, глубина котлована, в которой находится основание, должна доходить до коренной породы. Если коренная порода лежит близко к поверхности, почва на поверхности коренной породы удаляется, и удаляется достаточная часть поверхности коренной породы, чтобы сформировать гладкую платформу, на которой можно построить фундамент здания.

Нагрузка и вибрация

Тайбэй 101 переживает тайфун (2005)

Нагрузка, которую испытывает небоскреб, в значительной степени зависит от самого строительного материала . В большинстве строительных конструкций вес конструкции намного превышает вес материала, который она выдерживает сверх собственного веса. С технической точки зрения статическая нагрузка , нагрузка на конструкцию, больше, чем временная нагрузка , вес вещей в конструкции (людей, мебели, транспортных средств и т. Д.). Таким образом, количество конструкционного материала, необходимого для нижних уровней небоскреба, будет намного больше, чем материала, необходимого для более высоких уровней. Это не всегда заметно визуально. В Empire State Building в Неудачи на самом деле являются результатом кода здания в то время, и не были структурно необходимы. С другой стороны, форма Центра Джона Хэнкока является уникальным результатом того, как он выдерживает нагрузки. Вертикальные опоры бывают нескольких типов, среди которых самые распространенные для небоскребов можно отнести к стальным каркасам, бетонным стержням, конструкции «труба в трубе» и поперечным стенкам.

Также следует учитывать ветровую нагрузку на небоскреб. Фактически, боковая ветровая нагрузка, накладываемая на сверхвысокие конструкции, обычно является определяющим фактором при проектировании конструкции. Давление ветра увеличивается с высотой, поэтому для очень высоких зданий нагрузки, связанные с ветром, больше, чем постоянные или временные нагрузки.

Другие факторы вертикальной и горизонтальной нагрузки возникают из различных непредсказуемых источников, таких как землетрясения.

Стены сдвига

Стена сдвига, в ее простейшем определении, - это стена, в которой весь материал стены выдерживает как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки. Типичный пример - стена из кирпича или шлакоблока . Поскольку материал стены используется для удержания веса, по мере увеличения стены она должна выдерживать значительно больший вес. Из-за особенностей стены со сдвигом приемлемо для небольших конструкций, таких как загородные дома или городские дома из бурого кирпича, требующие низких материальных затрат и незначительного обслуживания. Таким образом, для этих конструкций используются стены со сдвигом, обычно в виде фанеры и каркаса, кирпича или шлакоблока. Для небоскребов, однако, с увеличением размера конструкции увеличивается и размер несущей стены. Большие сооружения, такие как замки и соборы, по своей сути решали эти проблемы из-за того, что большая стена была выгодна (замки) или могла быть спроектирована вокруг (соборы). Поскольку небоскребы стремятся максимизировать площадь пола за счет консолидации структурной опоры, стены со сдвигом, как правило, используются только в сочетании с другими опорными системами.

Стальной каркас

Классическая концепция небоскреба - это большая стальная коробка с множеством маленьких коробок внутри. Устраняя неэффективную часть поперечной стены , центральную часть и объединяя опорные элементы из гораздо более прочного материала, стали, небоскреб можно было бы построить как с горизонтальными, так и с вертикальными опорами повсюду. Этот метод, хотя и простой, имеет недостатки. Главный из них заключается в том, что по мере того, как необходимо поддерживать больше материала (по мере увеличения высоты), расстояние между опорными элементами должно уменьшаться, что фактически, в свою очередь, увеличивает количество материала, который должен поддерживаться. Это становится неэффективным и нерентабельным для зданий высотой более 40 этажей, поскольку полезная площадь пола уменьшается для поддержки колонн и из-за большего использования стали.

Трубчатая рама

Основная статья: Труба (структура)
Уиллис башня , показывающая конструкция трубки в комплекте кадров

В начале 1960-х годов была разработана новая структурная система с использованием труб с каркасом. Фазлур Хан и Дж. Рэнкин определили каркасную трубчатую конструкцию как «трехмерную пространственную структуру, состоящую из трех, четырех или, возможно, более рам, скрепленных рам или стенок, соединенных срезом, соединенных по краям или рядом с ними, чтобы сформировать вертикальную трубчатую конструкцию. система, способная противостоять боковым силам в любом направлении за счет консольного крепления к фундаменту ». Трубку образуют близко расположенные взаимосвязанные внешние колонны. Горизонтальные нагрузки (в первую очередь ветер) воспринимаются конструкцией в целом. Около половины внешней поверхности отводится под окна. Обрамленные трубы позволяют использовать меньше внутренних колонн и, таким образом, создают более полезную площадь пола. Там, где требуются большие проемы, такие как гаражные ворота, трубная рама должна быть прервана с использованием передаточных балок для сохранения структурной целостности. Трубчатые конструкции сокращают расходы, в то же время позволяют зданиям достигать большей высоты. Конструкция трубчато-каркасной конструкции была впервые использована в жилом доме ДеВитт-Каштан , спроектированном Ханом и завершенном в Чикаго в 1963 году. Вскоре после этого она была использована для Центра Джона Хэнкока и при строительстве Всемирного торгового центра .

Разновидностью трубчатой ​​рамы является связанная труба, в которой используются несколько соединенных между собой трубчатых рам. В Уиллис-Тауэр в Чикаго использовалась эта конструкция, в которой использовались девять труб разной высоты для достижения ее отличительного внешнего вида. Конструкция пучка труб была не только высокоэффективной с экономической точки зрения, но и «новаторской по своему потенциалу для универсального оформления архитектурного пространства. Эффективным башням больше не нужно было иметь коробчатую форму; блоки трубок могли принимать различные формы и формы. могут быть объединены в различные группы ». Связанная трубчатая конструкция означала, что «зданиям больше не нужно иметь коробчатый вид: они могут стать скульптурами». Города испытали огромный всплеск строительства небоскребов благодаря нововведениям Хана, позволившим построить экономические небоскребы.

В трубчатые системы имеют основополагающее значение для высотных зданий. В большинстве зданий более 40 этажей, построенных с 1960-х годов, теперь используется конструкция трубы, основанная на принципах структурной инженерии Хана, например, при строительстве Всемирного торгового центра, центра Aon , башен Петронас , здания Цзинь Мао и большинства других сверхвысоких небоскребов с 1960-х годов. . Сильное влияние конструкции трубчатой ​​конструкции также заметно при строительстве самого высокого небоскреба - Бурдж-Халифа .

Загадка лифта

Лифты в Эмпайр Стейт Билдинг

Изобретение лифта стало предпосылкой для изобретения небоскребов, учитывая, что большинство людей не могли (или не могли) подниматься более чем на несколько лестничных пролетов за раз. Лифты в небоскребе - это не просто необходимые коммунальные услуги, такие как водопровод и электричество, но на самом деле они тесно связаны с дизайном всей конструкции. Более высокое здание требует больше лифтов для обслуживания дополнительных этажей, но лифтовые шахты занимают ценную площадь пола. Если рабочая зона (которая содержит лифтовые шахты) становится слишком большой, это может снизить рентабельность здания. Поэтому архитекторы должны уравновесить ценность, полученную за счет увеличения высоты, и ценность, потерянную для расширяющегося сервисного ядра. Во многих высотных зданиях используются лифты нестандартной конфигурации, чтобы уменьшить занимаемую ими площадь. В зданиях, таких как бывшие башни Всемирного торгового центра и центр Джона Хэнкока в Чикаго, используются небесные вестибюли , где экспресс-лифты доставляют пассажиров на верхние этажи, которые служат базой для местных лифтов. Это позволяет архитекторам и инженерам размещать лифтовые шахты друг над другом, экономя место. Небесные вестибюли и экспресс-лифты занимают много места и увеличивают время, затрачиваемое на перемещение между этажами. В других зданиях, таких как Башни Петронас, используются двухэтажные лифты, позволяющие большему количеству людей поместиться в одном лифте и достигать двух этажей на каждой остановке. На лифте можно использовать даже более двух уровней, хотя это еще предстоит. Основная проблема двухэтажных лифтов заключается в том, что они заставляют всех пассажиров лифта останавливаться, когда только людям, находящимся на одном уровне, необходимо выйти на данный этаж.

Еще одно решение, используемое Шанхайской башней и строящейся (2019 г.) башней Джидда, заключается в создании зданий для смешанного использования с размещением офисных помещений на нижних этажах, поскольку они занимают больше площади. Многоэтажные пентхаусы и атриумы, занимающие мало площади в поперечном сечении, расположены ближе к верху.

Другие сложности при строительстве небоскребов

Строительство небоскребов может быть затруднено не только из-за сложности и стоимости, но и из-за других факторов. Например, в европейских городах, таких как Париж, разница между внешним видом старой архитектуры и современными небоскребами может затруднить получение разрешения от местных властей на строительство новых небоскребов. Строительство небоскребов в старом и известном городе может кардинально изменить облик города. В таких городах, как Лондон, Эдинбург, Портленд и Сан-Франциско, существует законное требование, называемое защищенным обзором , которое ограничивает высоту новых зданий в пределах или рядом с линией обзора между двумя вовлеченными местами. Это правило также затрудняет поиск подходящих участков для новых высотных домов.


Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Барр, Джейсон М. (09.06.2016). Строительство горизонта: рождение и рост небоскребов Манхэттена . Издательство Оксфордского университета. п. 456. ISBN. 978-0199344369.
  • Саббаг, Карл (1991-07-01). Небоскреб: Создание здания (переиздание ред.). Пингвин (неклассика). п. 400. ISBN 0-14-015284-9.
  • Chew, Майкл YL; Майкл Чу Йит Линь (2001-02-15). Технология строительства высотных зданий (2-е изд.). Издательство Сингапурского университета. п. 436. ISBN. 981-02-4338-3.

внешние ссылки