Ствольные конструктивные системы

С 1960 х годов в высотное строительство активно внедряются вновь изобретенные конструктивные системы – ствольная и оболочковая. Их изобретение запатентовано американским инженером Ф. Каном (Khan) в 1961 г.

Ствольная конструктивная система в качестве основной несущей конструкции здания, воспринимающей нагрузки и воздействия, содержит вертикальный пространственный стержень – ствол жесткости (закрытого или открытого сечения) на всю высоту здания. Поскольку ствол чаще всего располагают в геометрическом центре плана, возник и распространенный термин «ядро жесткости». Стволы жесткости представляют собой наиболее специфичную для высотного строительства внутреннюю вертикальную несущую конструкцию. Перекрытия опираются непосредственно на стволы, здания могут быть одно- и многоствольными. Самый распространенный вариант конструкции - центрально расположенный монолитный железобетонный ствол. В зависимости от нагрузки (этажности) толщина стен ствола в нижнем ярусе может достигать 60-80 см, а в верхних сокращаться до 20—30 см.

Стальные конструкции стволов представляют собой в большинстве случаев решетчатую систему, обетонируемую после монтажа. Исключения из этого правила встречаются крайне редко, когда ствол имеет не только несущие, но и архитектурно-композиционные функции.

Стволы жесткости представляют собой наиболее специфичную для высотного строительства внутреннюю вертикальную несущую конструкцию. Она присуща большинству высотных зданий различных конструктивных систем: ствольных, ствольно-стеновых, каркасно-ствольных и оболочково-ствольных.

Ствольная конструктивная система – характеризуется тем, что все горизонтальные и вертикальные нагрузки воспринимаются конструкциями ствола, состоящего из монолитных стен или отдельных диафрагм, объединенных в пространственный элемент. Применяется в случаях, когда необходимо повысить амортизационную способность сооружения к сейсмическим толчкам. В ствольных конструктивных системах вертикальными несущими конструкциями являются стволы, образуемые преимущественно стенами лестнично-лифтовых шахт, на которые непосредственно или через распределительные ростверки опираются перекрытия.

Ствольные системы имеют свои разновидности: консольное опирание перекрытий на ствол, подвешивание внешней части перекрытия к верхней несущей консоли «висячий дом» или его опирание посредством стен на нижерасположенную несущую консоль, промежуточное расположение несущих консолей высотой в этаж с передачей в них нагрузки от части этажей.

Стволом или ядром в высотных зданиях является жесткий (монолитно выполненный) лестнично-лифтовой узел. В первом случае перекрытия жестко защемляются в стенах ствола, во втором свободно опираются на ствол и, кроме того, удерживаются подвесками, закрепленными в верхней или промежуточной части ствола. В зданиях с консольными перекрытиями (этажами) наружные стены не доходят до уровня фундамента, а поддерживаются либо консольными конструкциями опертых на ствол перекрытий, либо консольными поясами. Перекрытия опираются с одной стороны на центральный лестнично-лифтовой ствол, а с другой — на вертикальные подвески (стальные или железобетонные). Подвески в зданиях таких типов могут быть из стальных полос, прокатных профилей, канатов, стержней, монолитные железобетонные предварительно напряженные, сборные предварительно напряженные, сталежелезобетонные. Подвески закрепляют или к вершине ствола, или к консольному оголовку. Размеры консольных этажей в плане превышают размеры нижнего этажа, который, как правило, остается открытым.

По типу главных опор, воспринимающих все вертикальные и горизонтальные нагрузки, конструктивные схемы зданий с подвешенными этажами условно делят на три основные группы: со ствольными опорами; со стоечными опорами; с арочными опорами. Особую группу представляют здания с комбинированными опорами, например в виде ствола и стоек.

Данная конструктивная схема открывает широкие возможности для поиска интересных архитектурно-планировочных и композиционных решений зданий.

Еще одной системой применяемой при строительстве высотных зданий является подвесная система, которая обычно возводится снизу вверх, когда этажи могут подвешиваться к ядру жесткости и фермам (покрытия). Так как каждый этаж вначале монтируется на земле и затем поднимается, внутренние работы могут продолжаться на верхних этажах, пока новый ярус монтируется на нулевой отметке. Процесс может также идти в обратном направлении в подвесных конструкциях, т. е. после завершения монтажа ядер жесткости и ферм этажи монтируются сверху вниз и внутренние работы идут в той же последовательности. Существует несколько возможных преимуществ в связи с такой обратной схемой: защитные строительные леса по всей высоте здания уже больше не нужны, а используются только для одного этажа, в то время как отдельные рабочие уровни защищены этажом выше. На развертывание зимней стройплощадки требуется меньше усилий, первый этаж остается открытым и может быть использован для строительных приспособлений, что особенно удобно в центре города. Подвесные конструкции не подвержены риску продольного изгиба — это позволяет использовать гибкие стяжки. Данное преимущество может быть быстро утеряно при обязательной огнезащитной облицовке (например, в случае с Банком Гонконга и Шанхая, (архитекторы Фостер и партнеры). Длина соединительных стяжек подвержена изменениям в результате разности зимней и летней температур, и эти изменения усугубляются с каждым дополнительным этажом. Требования подвесных систем к фасаду очень свободны. Стяжки могут переноситься внутрь для предотвращения их расширения из-за разности температур или же устанавливаться снаружи с соответствующей защитой. В обоих случаях изменения длины должно абсорбироваться температурным (компенсационным) швом.

Одним из самых высоких зданий с подвешенными этажами является 31-этажное здание банка «Стандарт Банк Сентер» в ЮАР с четырьмя подземными ярусами. Размеры здания в плане 33,1х33,1 м, высота -130 м. Основной несущей конструкцией является 4-х секционный ствол размерами 14,2х14,2 м с монолитными железобетонными стенами. В уровнях 11-го, 21-го и 31-го этажей на ствол опираются железобетонные предварительно напряженные консольные пояса вылетом 10,45 м. К концам консолей с каждой стороны здания прикреплены по две предварительно напряженные железобетонные подвески, которые поддерживают конструкцию девяти нижележащих этажей. Конструкции перекрытий решены в виде ребристых железобетонных плит, опирающихся одной стороной на стены центрального ствола, а другой – на контурные железобетонные балки, прикрепленные к подвескам. Пролет контурных балок14,2 м, вылет 5 м.

Примером применения подвесной системы может служить здание фирмы «ВМW Тауэр» (г. Мюнхен, Германия), в котором объемно-пространственное решение представляет четырехлепестковый план, что позволило максимально использовать световой фронт всего здания и придать ему пластичную выразительную форму, а углубленный на фасаде технический этаж разделяет объем на две неравных части, перебивая монотонность фасада (рис.3.4.6). Поскольку башня представляет собой здание с подвешенными этажами, строительство его велось особенным способом. Все 22 этажа были выполнены на земле, а затем их подняли. Четыре мощных ствола с дополнительными колоннами поддерживают подвешенные этажи. Высота здания составляет 101 метров, а диаметр составляет 52 метров.

Схема с консольными перекрытиями применена при возведении 37-этажного административного здания Тур дю Миди» высотой 149,2 м в Брюсселе (рис. 3.4.7). Размеры здания 38,6х38,6 м. Опорой здания служит центральный лестнично-лифтовой ствол размерами 19,7х19,7 м со стальным обетонированным каркасом. Несущими элементами перекрытий являются консольные сборно-монолитные железобетонные балки длиной на все здание, заделанные в стены ствола. Вылет консолей 9,65 м.

Рассматриваемые ствольные системы не являются распространенным конструктивным решением. Наиболее распространены системы с комбинированными решениями: ствол в сочетании либо с рамным каркасом, либо с несущей коробкой наружных стен, либо с несущими стенами – диафрагмами.

В конструктивно-планировочном отношении удачна относительно редко принимаемая конструкция ствола открытого профиля, например крестообразного сечения. Она исключает трудоемкое и металлоемкое устройство многочисленных надпроемных перемычек, необходимых в стволах закрытого сечения, и упрощает установку лифтов. Ограничение в их применении оправдано только в особо высоких сооружениях, когда жесткость ствола открытого сечения может оказаться недостаточной. Стальные конструкции стволов представляют собой в большинстве случаев решетчатую систему, обетонируемую после монтажа. Исключения из этого правила встречаются крайне редко, когда ствол имеет не только несущие, но и архитектурно- композиционные функции.

Примером высотного здания каркасно-ствольной конструктивной системы является 57-этажное административное здание «Мэн Монпарнас» в Париже (Франция) высотой 200 м. Здание имеет двояковыпуклую форму в плане со стальным каркасом и монолитным стволом размерами в плане 37х16 м и ступенчатой формы по высоте. Наружные колонны стальные двутаврового профиля, расположены с шагом 5,7 м.; cтены – из навесных панелей. Другой пример 39-этажное здание гостиницы «Штадт Берлин» в Берлине, Германия. Здание прямоугольное в плане, размером 50х24 м; выполнено с железобетонными наружными колоннами, расположенными с шагом 3,0 м и внутренними стенами многоячеистый ствол лестнично-лифтовых шахт общим размером48х9,3 м. толщиной от 70 см до 30 см. Одним из дополнительных способов повышения жесткости зданий каркасно-ствольной конструктивной системы является устройство горизонтальных поясов - ферм, связывающих каркас со стволом жесткости в нескольких уровнях по высоте здания, что позволяет проектировать здания высотой 250 и более метров. Горизонтальные пояса жестко соединяются с конструкциями ствола и шарнирно с наружными колоннами. При изгибе ствола пояса работают как распорки, передающие осевые напряжения непосредственно колоннам по периметру здания. Эти колонны в свою очередь работают как стержни, препятствующие прогибу ствола. Таким образом, ствол полностью воспринимает горизонтальные сдвигающие силы, а горизонтальные пояса передают вертикальную сдвигающую нагрузку от ствола на каркасные конструкции наружных стен. При этом здание работает как единое целое по схеме, аналогичной схеме консольного стержня коробчатого сечения. Примером подвесной системы является здание высотой 114 метров «Hypo-дом» в Мюнхене, по высоте это третий высокий небоскреб в городе. По конструктивному решению это здание похоже на здание БМВ, те же четыре цилиндра, но уже по внешнему контуру поддерживают перекрытия. Здание в 2006 году было реконструировано. Дальнейшее переустройство здания будет касаться перевода его в "Green Building" зеленое здание, что потребует при дальнейшей реконструкции значительных изменений в части инженерных систем и оборудования, поскольку в настоящее время в здании работает центральное кондиционирование.