Инженерно-техническое обеспечение высотного строительства

Конструкции высотных зданий имеют свою специфику, которая влияет на объемно-пространственные решения сооружений. Студенты-архитекторы должны знать и использовать прикурсового проектирования основы конструктивной организации высотного строительства.
К особенностям, которые учитываются для решения конструктива высотной постройки, относящиеся:

• высокая нагрузка на несущие конструкции;

• высокое значение горизонтальных (в первую очередь, ветровых) нагрузок;

• проблемы обеспечения совместной работы в несущих конструкциях таких материалов, как сталь и бетон, а также неодинаково нагруженных элементов конструкций, например, колонн и стен;

• повышенная значимость воздействия ряда природных (сейсмических, атмосферных, аэродинамических) и техногенных факторов (вибрации, шумы, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения) на безопасность эксплуатации;

• повышенные требования пожарной и других видов безопасности.

Конструктивные решения обеспечивают срок службы высотного здания не менее 150 лет с учетом надлежащего эксплуатационного обслуживания и возможного восстановления ресурса здания с помощью капитальных ремонтов.

Конструктивная система дома должна обеспечить прочность и устойчивость несущих конструкций и элементов высотного здания под действием расчетных нагрузок и воздействий, а также сопротивление прогрессирующем обрушения при возникновении чрезвычайных ситуаций.

В высотных зданиях применяются конструктивные системы, состоящие из вертикальных (колонн, стен, ядер, диафрагм и других элементов жесткости) и горизонтальных (перекрытий, покрытий, балок, розкисних поясов и других элементов жесткости) несущих конструкций, обеспечивающих прочность и пространственную жесткость высотного дома.

В современном высотном строительстве применяют различные конструктивные системы и схемы с различными вариантами компоновок. Конструктивные системы, которые используются в высотном строительстве, можно разделить на каркасные, стеновые, стволовые и коробчатые (оболочковые). В свою очередь каркасные системы подразделяются на рамно-каркасные, каркасные с диафрагмами жесткости. Среди стеновых систем используются схемы с поперечными или перекрестными несущими стенами. Смешанные системы имеют отдельные признаки двух других систем, к ним относят каркасно-ствольные и коробчатые-ствольные («труба в трубе» или «труба в ферме»). Количество возможных вариантов комбинированных систем достаточно широка.

Выбор той или иной конструктивной системы зависит от многих факторов, основными из которых являются высота здания, условия строительства (сейсмичность, грунтовые особенности, атмосферные, особенно ветровые воздействия), архитектурно-планировочные требования.
Для обеспечения повышения пространственной жесткости конструктивной системы высотного здания применяются: развитые в плане и симметрично расположенные ядра и диафрагмы жесткости; конструктивные системы с внешними стенами по всему контурудома (оболочечного типа).Эта система обеспечивает наибольшую жесткость дома, но она не пригодна для зданий, в которых необходимо гибкое планирование помещений (офисных, общественных и других). Ее применяют при строительстве жилых домов и отелей. Несущие конструкции этих зданий выполняют как в сборном, так и монолитном вариантах.

Для улучшения условий работы каркаса высотного здания рекомендуется проектировать его с симметричным расположением масс и жесткостей, равномерным распределением вертикальных нагрузок на пилоны каркаса, стены-диафрагмы, фундамент и грунтовое основание и симметричным горизонтальным сечением, приближающимсяк квадратного или круглого.

При выборе конструктивной схемы несущего металлического каркаса предпочтение следует отдавать рамным и рамно-связным схемам с повышенной степенью статической неопределенности, способные к перераспределению усилий в случае аварийного выключения из работы отдельных элементов.
Для высотного здания с металлическим несущим каркасом для предотвращения прогрессирующего обрушения рекомендуется применять конструктивные схемы каркасов с жесткими узлами соединений ригелей с колоннами для перераспределения усилий при разрушении, предпочитать уменьшенном шага периферийных фасадных колонн, предпочитать конструктивным решением в виде сплошных железобетонных монолитных плит плоскостью на весь этаж.

Для повышения сопротивления внешним воздействиям несущей системы зданий высотой более 150-200 м применяют стволовые (с ядром жесткости), коробчатые (оболочковые) и стволовые-коробчатые конструктивные системы.

Коробчатые (оболочечная) конструктивная система является максимально жестким среди всех систем благодаря внешней несущей оболочке, которая может выполняться в виде безрозкиснои и розкиснои решетки из стали или железобетона. Эта система используется для зданий выше 200 м.
Для сооружений выше 100 этажей используют сочетание коробчатых и ствольной систем («труба в трубе»), что еще больше повышает жесткость конструкции. Их совместная работа при горизонтальных нагрузках обеспечивается ростверком, что розташувуються обычно в уровнях технических этажей.

Большая жесткость создается в случае использования стволовых-коробчатых систем с диагональными связями («труба в ферме»). Вместе с тем эти системы не позволяют применять пластические решения фасадов и требуют частого расположения несущих стоек по периметру здания.

Навесные конструкции получили наибольшее распространение в высотном строительстве - это легкие панели, железобетонные панели и светопрозрачные фасадные конструкции.

Навесные легкие панели имеют трехслойную конструкцию с внутренним и наружным слоем из стальных, алюминиевых, стеклопластиковых и других листовых материалов, средний слой из эффективного утеплителя.

Примером является фасад здания «BusinessTower» (г. Нюрнберг, высота 134 м, архитекторы Ф. Бифанг, П. Дюршайнгер). Внешний и внутренний слои выполнены из алюминия и стекла. Панели крепятся к внутренней бетонной стены, которая монолитно соединена с перекрытиями.
Навесные вентилируемые системы является технологией, позволяющей повышать энергоэффективность высотных зданий и защищать их от негативных внешних воздействий. Для утепления большинстве жилых комплексов, возведенных за последние годы, использовались именно вентилируемые фасады. Основные преимущества навесных систем с воздушным зазором - отличные теплотехнические характеристики и доступность широкого спектра облицовочных материалов (мрамор, гранит, алюминиевые листы, композиты и т.п.).

Эффективность и долговечность навесной системы определяется качеством каждого из ее компонентов. Это элементы подконструкций, теплоизоляция и навесные панели.

Несущие элементы каркаса (подконструкции) должны выдерживать вес облицовочных панелей, противостоять ветровым нагрузкам и иметь высокую коррозионную стойкость. Для мегаполисов особенно важно учитывать влияние окружающей среды на крепежную конструкцию. Поэтому наиболее удачным материалам для элементов навесных систем считаются сплавы алюминия, нержавеющая сталь или оцинкованная сталь с защитным покрытием. В особо сложных случаях используются сплавы титана.

Важное значение при проектировании высотных зданий имеет комплекс инженерного обеспечения высотного здания, который включает более 30 систем. Высотность диктует особые требования к инженерному оборудованию, в частности, в части обеспечения необходимого микроклимата в помещениях.

Главной особенностью проектирования и эксплуатации систем водоснабжения и канализации современных высотных зданий является зонирование их по вертикали с отделением техническими этажами. На технических этажах производится разводка внутренних магистралей сетей водоснабжения и прокладка сборных сетей канализации. Наличие технических этажей оптимизирует работу инженерных сетей. Высота зоны определяется допустимым гидростатическим давлением в нижней части системы водоснабжения. Границы этой зоны должны совпадать с границами противопожарных отсеков по высоте.

С учетом параметров и качества отечественного инженерного оборудования зонирование высотного здания рекомендуется выполнять через 10 - 12 этажей. При этом обеспечиваются оптимальные гидравлические режимы работы систем водоснабжения и высокая надежность и безаварийность их функционирования, а также достигается оптимальный режим ресурсо-и энергосбережения [10].
Одним из ключевых факторов обеспечения жизнедеятельности и комфортности проживания людей в высотных зданиях и предотвращения материальный ущерб является высокая надежность систем теплоснабжения и отопления, для чего необходимо предусматривать подключение к двум независимым друг от друга источников теплоснабжения. Высотные здания могут быть оборудованы также комбинированными системами, где предусматривается совместная работа централизованного теплоснабжения и автономных источников.