В.С. БЕЛЯЕВ, В.Э. СТЕПАНОВА, кандидаты технических наук, Н.М. РОДИОНОВА, архитектор (Москва)

Развитие высотного домостроения

Возведение высотных зданий началось в конце XIX в. Первые высотки появились в США, а через несколько десятилетий - в странах Западной Европы и Азии.

Причины, которые привели к строительству зданий большой этажности, были вызваны высокими ценами на землю в городах. Высотные здания позволили на небольших участках размещать значительное количество офисных и доходных жилых помещений.

Бурное развитие техники, совершенствование строительных материалов, использование высокоэффективных конструкций стимулировали поиски инженерных и композиционных решений и привели к созданию новых типов зданий.

В архитектурном решении зданий небоскребов первой половины XX в. нашли отражение формы самых разных стилевых направлений прошлого. Один из первых небоскребов в Нью-Йорке, 21-этажный Флэтайрон-билдинг (Flatiron Building) представляет собой неоренессанс. Вулворт-билдинг (Woolworth Building), построенный в 1913 г., - в свое время самое высокое (52 этажа) здание в мире - напоминает готический собор и украшен зубцами и остроконечной башней.

Архитектурные стили небоскребов прошлого века отражали веяние времени: неомодернизм в конце 50-х годов, хай-тек в 70-х (использующий приемы конструктивистов 20-х годов и структуралистов 60-х), деконструктивизм с его динамизмом и остротой и арт-деко (Крайслер-билдинг) с его художественным стилем оформления интерьеров.

К началу 1950-х годов сложился тип небоскреба в виде прямоугольной пластины (Секретариат ООН в Нью-Йорке, 1947-1952 гг.) или стеклянной призмы (Сигрейм-билдинг в Нью-Йорке, 1956-1958 гг.). В конце 1960-х годов стремление к индивидуализму привело к созданию непрямоугольных объемов (Сигрейм-билдинг в Сан-Франциско, 1970 г.) или вытянутой пирамиды-иглы (Центр Джона Хенкока в Чикаго, 1968 г.).

Если в процессе проектирования реализуется конкретная архитектурная идея, то это считается престижным. Поэтому форма и отделка зданий стали более оригинальными. Например, "Арабская башня" в ОАЭ напоминает парус арабского судна. Впечатление от этого усиливается и расположением здания. Оно возведено в море на расстоянии 280 м от берега на искусственном острове, соединённом с землёй мостом, а фасад "Башни Дубая" отделан узороплетением, принятым в исламской архитектуре.

"Suite Vollard" - уникальное здание, оно не полностью соответствует принятым требованиям к высоте здания и количеству этажей, но включено в число высотных зданий благодаря своему внешнему виду и оригинальному архитектурному решению. Каждая квартира-этаж вращается вокруг каркаса - центрального столба, где размещены подсобные квартирные помещения и коммуникации.

Внешне "Пик Фордхэма" (Fordham Spire) - это спиралевидная игла. Эффект закрученности достигнут тем, что каждый этаж смещен относительно предыдущего.

"Поворачивающийся торс" (Turning Torso) состоит из пятигранных призм на пять этажей каждая. Предусмотрена внешняя светодиодная подсветка, возможны различные цвета: голубой, розовый, салатный и белый.

Проект "Особняки в небе" (Townhouses in the Sky) предусматривает металлический каркас, на котором консольно крепятся в шахматном порядке жилые остекленные здания-кубы со стороной 14 м (4 этажа). Всего по высоте здания таких кубов 12.

"Эмпайр Стейт Билдинг" выполнен в стиле арт-деко. Предусмотрены три уступа для верхних этажей. Нержавеющий каркас выведен на фасад. Здание завершается шпилем с телеантенной.

Объемно-планировочные решения высотных зданий имеют свои особенности, связанные с требованиями учета района строительства, необходимостью обустройства каждой квартиры системами отопления, охлаждения, кондиционирования воздуха, водоснабжения, канализации и т.п. и все это с необходимостью учета изменения микроклимата по высоте здания.

Кроме того, объемно-планировочные решения призваны обеспечить комфорт проживания: приятный вид из окна, хороший обзор, нормальное дневное освещение, инсоляцию помещений длительного пребывания, чистый и свежий воздух в квартире.

Строительство высотных зданий началось в США, в стране с умеренным климатом. От несущих наружных стен перешли к каркасным конструкциям. Для решения жилых высотных зданий наиболее удобен полый железобетонный каркас, так как в нем размещают все коммуникации, включая лифты и лестницы. Такой каркас имеет, например, здание Suite Vollard с вращающимися квартирами и неподвижной осевой частью. Вокруг этого каркаса на каждом этаже размещена квартира. Каждый этаж-квартира при включении управляющего механизма может вращаться по или против часовой стрелки.

Некоторые небоскребы конструктивно и планировочно оригинальны. Здание "Поворачивающийся торс" (Turning Torso), состоит из повернутых на 90° относительно друг друга пятигранных блоков-пирамид (отсеков) на 5 этажей каждый с промежуточным этажом.

Здание "Особняки в небе" (Townhouses in the Sky) выполнено со зданиями-кубами на четыре этажа каждый.

"Пик Фордхема" (Fordham Spire) в Чикаго, высота которого почти полкилометра, имеет угол поворота в 270°, против 90° в аналогичном варианте шведского небоскреба. Планировочное решение здания - смешанное (работа, дом, досуг).

Объемно-планировочные решения высотных зданий, предназначенных для тропических районов, значительно отличаются от зданий для умеренного климата.

Проект такого города-башни Sky City представляет собой набор круглых в плане полых блоков-чаш, диаметр которых уменьшается по высоте здания: нижний - 400 м, верхний - 160 м. Цель устройства таких блоков - размещение рекреационной зоны с прудами и озеленением деревьями в каждом из них. Для этого между блоками-чашами по высоте предусмотрены открытые просветы по окружности, обеспечивающие дневной свет.

1 - "Здание с вращающимися этажами-квартирами" (Suite Vollard), Бразилия; 2 - "Высотный жилой комплекс (The Met), Бангкок; 3 - "Высотный жилой комплекс (Moulmein Rise), Сингапур; 4 - "Поворачивающийся торс"(Turning Torso), Мальмо (Швеция): 5 - "Башня World" (World Tower), Сидней; 6 - "Особняки в небе" (Townhouses in the Sky), США; 7 - "Башня 21 столетия" (21 Century Tower), Дубай (ОАЭ); 8 - "Башня Эврика" (Eureka Tower), Мельбурн; 9 - "Осколок стекла" (Shard of Glass), Великобритания; 10 - "Мировая башня Трампа" (Trump International Hotel and Tower), Торонто (Канада); 11 - Эмпайр Стейт Билдинг" (Empire State Building), Нью-Йорк (США); 12 - "Башня Цзинь Мао" (Grand Hyatt Shanghai), Шанхай (Китай); 13 - "Пик Фордхэма" (Fordham Spire), Чикаго (США); 14 - "Город Нью-Сондо" (New Songdo City), Южная Корея; 15 - "Хрустальный купол" (Crystal Dome); 16 - "Малый город" (Holonic Tower), Японский проект небоскреба для тропического климата; 17 - "Башня Дубай" (Burj Dubai), ОАЭ; 18 - "Город-башня" (Sky City), Японский проект небоскреба для тропического климата; 19 - "Вертикальный бионический город-башня" - Bionic Tower (Vertical city bionic tower), Шанхай (Китай)

Объемно-планировочное решение проекта "малого города" Holonic Tower также оригинально. В плане здание квадратное и как бы пустое, без стен, только по углам расположены четыре башни, в которых размещены все предусмотренные помещения. Башни соединяются между собой этажами-мостами. Между ними оставлены большие проемы для воздуха и света. Через каждые 150 м по высоте предусмотрены открытые площадки.

В "Вертикальном бионическом городе-башне" (Bionic Tower) - 12 вертикальных кварталов, высотой 80 м каждый. Между ними - перекрытия, на которых размещены пруды и сады. Принцип формирования несущих конструкций заимствован у кипариса.

Теплозащита высотных зданий имеет свои особенности, связанные со спецификой их проектирования, строительства и эксплуатации.

Высотное здание должно быть запроектировано и построено в соответствии с требованиями СНиП 23-02 и МГСН 4.19-05 по условиям проживания и деятельности людей с тем, чтобы при выполнении этих требований обеспечивалось эффективное использование энергии на отопление и вентиляцию.

В целях сокращения удельного расхода энергии на отопление высотных зданий следует предусматривать компактное объемно-планировочное решение, по возможности с уширенным корпусом.

Учитывая, что основные теплопотери в высотных зданиях происходят через световые проемы, большое значение имеет повышение теплозащиты окон.

Окна следует проектировать с тройным остеклением и увеличенным по толщине наружным стеклом, закаленным или типа "триплекс", с рамами и переплетами из алюминия с терморазрывами, дерево-алюминия, стеклопластика, клееной древесины.

На высоте более 75 м, как правило, должны применяться окна с глухими (неоткрывающимися) створками. Допускается применение открывающихся окон при установке светопрозрачных защитных экранов (с вентилируемыми отверстиями) или окон, выдвигаемых на безопасное расстояние. Притворы окон должны соответствовать классу А, согласно ГОСТ 26602.2, и иметь уплотнения, обеспечивающие нормируемое СНиП 23-02 сопротивление воздухопроницанию.

Имеется реальная возможность не только получать нормируемые теплотехнические характеристики окон, но существенно превысить требуемые значения в случае применения энергосберегающих мероприятий таких, как применение стекол с теплоотражающим покрытием, применение утепляющих вкладышей в камерах, увеличение числа камер и др.

Конструкции окон, витражей и навесных светопрозрачных фасадных конструкций и их крепление к несущим конструкциям должны рассчитываться по прочности и деформативности на действие ветровых нагрузок.

Жесткость конструктивных элементов окон, витражей и навесных светопрозрачных фасадных конструкций при расчете на ветровую нагрузку должна соответствовать требованиям ГОСТ 23166-99 и СНиП 2.01.07-85*. Толщина стекол должна приниматься по ГОСТ 23166-99 в зависимости от площади, соотношения сторон поля остекления и величины ветровой нагрузки с учетом всех ее составляющих. Конструкция окон, витражей и навесных светопрозрачных фасадных конструкций и характеристики стекол должны обеспечивать их безопасную эксплуатацию.

Конструкция крепления элементов витражей и навесных светопрозрачных фасадных конструкций должна обеспечивать их свободные деформации при температурных воздействиях.

Поступление наружного воздуха с учетом воздухопроницаемости окон (при естественном притоке) должно осуществляться через приточные вентиляционные устройства, располагаемые в наружных стенах и окнах, с регулирующим механизмом, открывающим живое сечение.

Для окон и светопрозрачных конструкций высотных зданий особенное значение имеет учет фильтрации наружного холодного воздуха.

В местах стыков примыканий световых заполнений к стенам (откосам) следует определять температуру внутренней поверхности с учетом фильтрации воздуха при расчетной разности давлений.

Примерно 70% поверхности окон целесообразно ориентировать на южную сторону, а около 30% - на северную. Солнечная радиация проникает через окна в довольно большом количестве. Одна часть этой энергии связывается конструкциями, а другая утилизируется устройствами теплорегенерации.

В настоящее время в высотных зданиях большое внимание уделяется проблеме использования нетрадиционных видов энергии, в связи с истощением запасов природного топлива.

К наиболее перспективным нетрадиционным источникам энергии можно отнести утилизацию солнечной энергии, использование низкопотенциального тепла верхних слоев земли, грунтовых вод и т.д.

Перспективными считаются системы, основанные на использовании глубинной теплоты Земли. В грунте солнечное тепло накапливается почти круглый год. Так как наивысшая температура грунта наблюдается осенью, в начале отопительного периода грунт имеет запас тепловой энергии, которую можно использовать в системе теплоснабжения.

С помощью специального оборудования в здании, оснащенном приточно-вытяжными каналами, можно организовать отдачу тепла из удаляемого воздуха для подогрева свежего воздуха. В солнечные дни отопительного сезона приточный воздух можно также подогревать солнечным аккумулятором. Посредством центральной установки нагнетают количество свежего воздуха, необходимое для вентиляции.

Уровень энергетической эффективности высотного здания определяется классом энергетической эффективности, характеризуемым интервалом значений удельного расхода тепловой энергии на отопление в отопительный период.

Солнечная энергия позволяет значительно сократить расход электроэнергии на нужды всего здания. Применяют фотоэлектрические солнечные коллекторы, следящие за солнцем. Их устанавливают, в основном, на южном фасаде. Внешний вид солнечных коллекторов привлекателен и украшает фасад здания. Аккумуляторы электроэнергии размещают внутри здания в подсобных помещениях. В результате достигают неплохих результатов: экономится не менее 40-60% электроэнергии, требуемой на нужды небоскреба.

Применяют также более простые солнечные коллекторы с водным теплоносителем. Они обеспечивают бытовую горячую воду. Солнечную энергию используют практически в каждом небоскребе любого назначения.

Иначе обстоит дело с энергией ветра. Очень заманчиво использовать эту энергию на высоте, где сила ветра значительно увеличивается.

Так, проектом здания "Башни жемчужной реки" (Pearl River Tower) в городе Гуаньджоу (Китай) на фасаде 69-этажного здания в технических этажах предусмотрены узкие горизонтальные отверстия для доступа к установленным внутри ветровым турбинам, а фасад ориентирован в сторону преобладающего ветра. При этом используются обтекаемые формы фасада здания, четко направляющие воздух в эти горизонтальные отверстия. Строительство здания должно быть закончено к 2009 г.

Однако ветровые турбины создают шум и, вероятно, именно поэтому их не применяют в жилых зданиях. Известным проектом одного из самых экономичных высотных зданий Turning Torso, где широко использованы альтернативные источники энергии, предусмотрена отдельно стоящая ветровая электростанция.

В здании газеты "New York Times" планируется экономить до 60% электроэнергии за счет использования горизонтальных керамических труб-ловушек света диаметром несколько сантиметров, размещенных с внешней стороны на расстоянии 45 см перед полностью стеклянными стенами здания. Трубы белоснежные с высоким коэффициентом отражения сделают 52-этажное здание газеты "New York Times" в Нью Йорке (архитектор Ренцо Пиано) просвечиваемым насквозь. Представляется возможным этот принцип использовать и для отдельных этажей в зданиях смешанного назначения. Например, в смешанном здании (работа + жилье + досуг) для нескольких этажей, где размещены магазины или другие сопутствующие помещения.

Экономии обычных энергоресурсов в высотных зданиях уделяют повышенное внимание. Например, конкурсным проектом здания EDITT Tower в Сингапуре (может быть использовано и как жилое) предусмотрено:

солнечные коллекторы должны обеспечить 40% потребности в электроэнергии;

55% потребности в воде должны обеспечить системы сбора дождя и системы повторного использования воды;

вентиляции помещений и кондиционированию воздуха в них будут способствовать испарительные системы.

Кроме того, предусматривают всевозможные инженерные устройства для снижения затрат на жизнеобеспечение здания: для охлаждения здания и уменьшения затрат на кондиционирование в нем проектируют на южном фасаде двойное остекление с вентиляцией между стекол и жалюзи; последние автоматически следят за солнцем. В полах этажей предусматривают каналы для циркуляции хладагента.

Потребность здания в магистральной воде сокращают при помощи систем очистки и рециркуляции технической воды, систем сбора дождевой воды и систем очистки сточных вод.

В Испании разработан проект солнечной башни для электроснабжения города. Это железобетонная труба высотой 1 км. Внутри нее размещена турбина, подключенная к электрогенератору. Вокруг трубы на земле размещены солнечные коллекторы, аккумуляторы и огромный парник диаметром 7 км. Горячий поток воздуха из последнего поступает в башню и вращает турбину днем, а ночью энергия поступает из солнечных аккумуляторов. Производительность башни составит около 200 МВт.

В заключение следует отметить, что основными задачами современного высотного домостроения являются:

применение передовых конструктивных и архитектурных решений;

учет вопросов экономии, в том числе топливно-энергетических ресурсов;

обеспечение комфортных условий в помещениях.