Большепролётные многоэтажные здания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

БОЛЬШЕПРОЛЁТНЫЕ МНОГОЭТАЖНЫЕ ЗДАНИЯ. LONG SPAN MULTISTORY BUILDINGS

B.B. Бирюков, Т.Р. Забалуева, А.В.Захаров

V.V. Biryukov, T.R. Zabalueva, A.V. Zaharov

ФГБОУ ВПО МГСУ

В условиях плотной застройки современных городов особенно актуальна тема большепролетных многоэтажных зданий. При их проектировании встает задача создания объемно-планировочных решений, которые позволяют максимально эффективно использовать строительную высоту межэтажного перекрытия. Такие конструкции могут быть использованы для размещения спортивных, промышленных, складских и торговых площадей.

In dense housing conditions of modern cities the subject of long span multistory buildings is more actual than ever. When designing those appears a mission to create spatial solutions that allow to use construction hight between floors in maximally efficient way. Such constructions may be used for an arrangement of sports halls, storage facilities, industrial or trade areas.

Нехватка и дороговизна земли в больших городах вынуждают к многоэтажному строительству. К настоящему времени повсеместно освоено строительство многоэтажных зданий с малыми пролётами. Однако в современных городах постоянно существует потребность в большепролётных помещениях.

Величина пролёта, как известно, связана со строительной высотой конструкции, которая не всегда может быть рационально используема в отапливаемом объёме здания. Так в зданиях "близнецов" центра всемирной торговли в Нью-Йорке (разрушенных террористами 11 сентября 2000г.), при двадцатиметровых пролётах, 25% всего объёма здания приходилась на объём конструкций межэтажных перекрытий. При пролётах межэтажных перекрытий 6-10 метров их строительный объём обычно не превышает 10% объёма здания. В таких зданиях строительную высоту наиболее рационально использовать для размещения в ней вентиляционных каналов, которые в современных системах вентиляции требуют до 3% объёма здания[5].

Уменьшение строительной высоты большепролётных межэтажных перекрытий ограничивается требованиями прочности и жесткости. Поэтому при проектировании большепролётных многоэтажных зданий перед архитекторами встаёт актуальная задача создания объёмно-планировочных решений, которые позволяют максимально эффективно использовать строительную высоту межэтажного перекрытия.

Идея использования строительной высоты межэтажного перекрытия, выполненного в индустриальных, конструкциях была осуществлена 50 лет назад в Англии при строительстве многоэтажного универмага. Там помещения торговых залов перемежались со складскими, административными и бытовыми помещениями, расположенными в пределах строительной высоты конструкции междуэтажных перекрытий,

выполненных в виде безраскосных ферм.(балкн Внренделя)[1]. При строительной высоте ферм в четыре метра обеспечивался пролет в двадцать метров. (см. рис. 6а).

По подобной схеме в Москве в 70-ых годах были построены многоэтажные физкультурные комплексы со спортивными залами, перемежающимися с раздевалками, санузлами и административными и подсобными помещениями, также расположенными в пределах строительной высоты безраскосных ферм. (рис.1).

Рис.1 Спортивный комплекс "Трудовые резервы" в районе Измайлово г. Москва

Стойки безраскосных ферм образуют интерьер помещений подобно помещениям обычных каркасных зданий с их относительно свободной планировкой (см. рис. 2а). Однако увеличение пролёта безраскосных ферм чрезвычайно нерационально, поскольку величины сечений их стержней становятся неприемлемыми из-за больших значений изгибающих моментов. Поэтому с конструктивной точки зрения целесообразным будет применение раскосных (безмоментных) ферм и балок со сплошными стенками (с возможностью устройства в них проёмов).

Однако инженерная мысль не стоит на месте. В монолитном строительстве применяются в так называемые «сотовые конструкции»[4], схемы которых представлены на рис. 2в,г,д. Здесь суть в том, что совокупность продольных и поперечных стен и перегородок, монолитно связанных между собой и с верхними и нижними перекрытиями в пределах всех этажей дома, образует единую пространственную несущую конструкцию. При этом между опорами под сотами создается свободное пространство для больших помещений или открытых площадок. Дома, выполненные по сотовой схеме, требуют меньшего, по сравнению со стоечно-балочной системой, расхода железобетона на стены, так как все они, кроме опорных, включаются в пространственную работу и испытывают значительно меньшие усилия независимо от расположения по высоте.

Рис.2. Конструктивные системы многоэтажных зданий.

На рис.2д представлена схема сотовой системы, в которой некоторые не опорные стены по высоте не совпадают. В этом случае можно увеличить размеры помещений в два раза, не меняя толщину перекрытий, принятую в стоечно-балочной схеме, или уменьшить толщину перекрытий, сохранив размеры помещений. Дело в том, что в стоечно-балочной схеме плиты перекрытия работают на изгиб в пределах контура между продольными и поперечными стенами, а в схеме 2д плиты имеют дополнительное закрепление в виде подвески или опоры у стены, проходящей в середине пролета. Это уменьшает напряжение в плите и, следовательно, расход материала. В целом сотовые несущие конструкции могут обеспечить уменьшение расхода железобетона до 50%.

Сокращая количество сотовых этажей до одного, можно (рис.2б) получить конструкцию так называемого «несущего этажа» [3]. Также появляется возможность сочетать сотовые конструкции и несущие этажи (рис. 1г,д) и получать свободное пространство на любом уровне многоэтажного дома. На рис. 3 показан жилой дом башенного типа, по периметру которого устраиваются квартиры, а внутреннее пространство с помо-щью несущих этажей разбивается на несколько атриу-мов, в которых могут быть разме-щены детские и спортивные площадки, сады и т.п.[3]. В прост-ранстве не-

сущих этажей размеща-ются технические, служебные, сервисные помещения и т.п. Пример подобного объёмно планировочного решения - Здание Commerzbank во Франкфурте-на-Майне (рис.4а)[2], строительство которого было завершено в мае 1997 года. Здание, разработанное британским архитектором сэром Норманом Фостером и его студией "Foster and Partners" (Лондон).

Рис.3. Сема многоэтажного дома с атриумами, разделенными несущими этажами.

Оно представляет собой равносторонний треугольник со скругленными углами шириной 60 м. Его форму составляют три секции, сочлененные с центральным атриумом, проходящим от уровня земли до самого верхнего этажа (рис. 4г). Здесь используется главным образом естественное освещение и естественная вентиляция. Атриум является каналом естественной вентиляции для смежных с ним офисных помещений здания (рис. 4в). Каждый этаж имеет три крыла, два из которых выделены под офисные помещения, а третье является частью одного из четырехэтажных зимних садов.

Конструкция данного здания представляет собой сложный стальной каркас (рис. 4в). Архитекторы пытались избежать возникновения дополнительных промежуточных колонн внутри зимних садов (рис.5), что привело бы к ухудшению естественной освещенности всего здания.

При всех преимуществах данного здания, использование стали в его конструкции не экономично. Атриумы больших пролётов можно было перекрыть «Несущими этажами» выполненными из железобетона. Такая конструкция значительно дешевле по сравнению со стальной.

Как уже упоминалось ранее, безраскосные фермы рациональны при пролётах более 20-ти метров. Увеличить пролёт безраскосной фермы (более 20-ти метров) можно путём превращения её в сквозную балку, уменьшением отверстий в ней (см. рис. 66). Если при этом применяется схема с несущим этажом, балка становится тавром, роль полок в котором выполняют верхнее и нижнее перекрытие этого несущего этажа. Увеличивать несущую способность стеновой балки можно дальнейшим уменьшением

1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

30.0 м

сквозных отверстии в ней, вплоть до размеров дверных проёмов, соединяющих пространство между балками.

Дальнейшее увеличение пролёта возможно путём опирания данной несущей системы по четырём сторонам. В этой схеме стеновые балки идут в двух направлениях, разграничивая ячейки - габариты помещений в системе несущий этаж. Плиты перекрытия также включены в работу в пределах контура между продольными и поперечными стенами. Таким образом, пролёт увеличивается в два раза. Вся система несущего этажа работает как одна большая пустотная плита.

а> Высотное здание Коммерцбамка,

б) Схема воздухообмена через центральный атриум по всей высоте здания банка. Красным цветом покачаны противопожарные перекрытия, а жолтым движение воздуха внутри здания.

I

в) Стальной каркас здании.

Рис.4. Здание Коммерцбанка во Франкфурте-на-Майне.

Рис. 5. Атриумы треугольной формы в центральной части здания.

а

20 ООО

а) бераскосныс фермы

тшш

, 40 ООО

Разрез 1-1

ч

шшш

40 ООО

1-П !. - 'Г

П ,! ГГ

Т ^

,_40 000

-ч -ч

б) стеновые балки в) раскосные фермы

Рис.6. Схемы конструкций зданий с несущими этажами.

Как уже упоминалось, безраскосная ферма не рациональна при пролётах более двадцати метров[5]. При больших пролётах вместо балок возможно применение стальных и железобетонных раскосных ферм ( рис. 6в). Как и в случае с балками, плиты перекрытий также включены в работу. Пояса стальных ферм для этого замоноли-чиваются в плиты. Аналогично балкам можно опирать структуру из перекрёстных ферм по четырём сторонам ( рис. 7в). В этом случае при строительной высоте несущего этажа 5 м. можно перекрыть пространство 100 х 100м.

Одинаковый шаг ферм или стеновых балок (особенно в двух направлениях) существенно ограничивает свободу планировочных решений в пределах несущего этажа. Для того чтобы создать помещения различной площади шаг ферм или балок можно увеличивать по мере приближения к середине пролёта. Таким образом, площадь помещений в середине пролёта может быть увеличена в два раза.

Увеличить шаг несущих стеновых балок или ферм возможно созданием в пролётах между ними дополнительных поперечных, усиливающих верхнее и нижнее перекрытие несущего этажа, стальных ферм или железобетонных рёбер меньшей высо-

ты (0,3-0,5 м.). Если эти рёбра выполнены в виде ферм, рационально размещать коммуникации и вентиляционные каналы в пределах их строительной высоты.

Рис.7. Аксонометрические схемы конструкций «несущих этажей» (верхние плиты перекрытий условно не показаны).

«Несущие этажи» позволяют эффективно строить малоэтажные здания с большими пролетами. Например, чтобы сократить внутриквартальную площадь застройки, можно устроить трёхэтажное здание с большим плавательным бассейном в цоколе. На

втором этаже расположены три спортивных зала размером 20x30. Тренажёрные залы, секции, раздевалки и душевые расположены на первом и третьем этажах, которые выступают как «несущие этажи», перекрывающие бассейн и залы. (рис. 8).

Рис.8. Применение несущих этажей в малоэтажных зданиях (схема). Нижний несущий этаж перекрывает помещение плавательного бассейна и является основанием трех спортивных залов.

Кроме рассмотренных выше случаев, увеличение пролёта может быть достигнуто увеличением высоты, когда в несущую конструкцию объединяются несколько этажей. В качестве примера такого многоэтажного большепролётного здания рассмотрим проект ледового дворца в г. Сочи, разработанный на инженерно-архитектурном факультете МГСУ (рис. 9,10). На первом этаже здания располагается полноценная ледовая арена с трибунами на 18000 мест. Арена перекрывается двумя фермами, пролётом 100 метров и высотой 19 метров, между ними расположены три тренировочных ледовых площадки. Расстояние между фермами, фермами и наружными стенами также перекрывается конструкцией типа «несущий этаж», состоящей из ферм высотой 4 метра, пролётом 40 м. и шагом 8м., перекрываемыми в плоскостях верхнего и нижнего поясов монолитными железобетонными плитами. Такое расположение тренировочных катков над основной ареной позволяет сэкономить 1,5 гектара земли, которые занимают три отдельно-стоящие тренировочные ледовые площадки.

Рис.9. Применение несущих этажей для размещения трех полноразмерных тренировочных ледовых площадок над ледовой ареной. Схема разреза.

Рис.10. Ледовый комплекс с применением несущих этажей. Фасад и аксонометрический разрез.

Рассмотренные выше конструкции накладывают некоторые ограничения на планировочные решения внутри объёма, занимаемого строительной высотой. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки планировочных решений, учитывающих указанное ограничение.

Применение большепролётных перекрытий всегда приводит к увеличению удельного (на 1 квадратный метр площади) расхода материалов, которое может быть частично компенсировано стоимостью земли освобождаемой при многоэтажной застройке. Однако и здесь необходимы рациональные конструктивные решения, задающие несколько функций одним элементам. Например, железобетонная плита межэтажного перекрытия может служить сжатой полкой металложелезобетонной фермы вдоль пролёта и изгибаемой плитой между фермами поперёк пролёта. Кроме того, она несёт функцию звукоизоляции и т.д.

В несущих и сотовых этажах все плиты перекрытий работают на сжатие или растяжение, участвуя в общей пространственной работе на основной большой пролет, и на изгиб - в местных пролетах между перегородками. Все перегородки, являясь опорами плит на местных пролетах, воспринимают поперечные силы в общей пространственной работе коробчатой конструкции, на основной, большой пролет. Все несущие конструкции стен и перекрытий одновременно выполняют объемно-планировочную функцию разделения объема здания на необходимые помещения. Поэтому экономическая эффективность здания во многом зависит от того, насколько удачно архитекторы и конструкторы эти функции смогут совместить.

В конструкциях большепролётных зданий также могут быть использованы стальные мембраны в качестве несущих элементов междуэтажных перекрытий. Примером такой конструкции может служить футбольный стадион (Рис.11). На 1-м уровне располагается футбольное поле со зрительскими трибунами. На втором две тренировочные футбольные площадки, разделённые центральной фермой, на которую опираются две мембраны, перекрывающие нижнюю арену, и две мембраны покрытия.

Мембраны можно включить в работу поясов фермы и частично разгрузить их, и тем самым сократить расход металла. Предварительный расчёт показал, что при величинах пролетов, указанных на рис.8, может быть обеспечен провис мембран покрытия 4 м. при толщине 0,76 см, а мембран перекрытия 1,5 м. при толщине 2 см. Масса 1 м. кв. мембраны покрытия 59 кг, а мембран перекрытия 156 кг. К мембране перекрытия в процессе монтажа крепится выравнивающий металлический каркас, который служит опорой для конструкции пола второго уровня стадиона.

Рис.11. Футбольный стадион с ареной в нижнем уровне и двумя закрытыми тренировочными полями на втором уровне. Несущие конструкции перекрытия и покрытия -стальные мембраны, подвешенные к стальной ферме.

Так же возможны различные комбинации большепролётных конструкций. Например, в представленном ранее футбольном стадионе перекрыть пространство над верхней ареной можно не мембраной, а сталежелезобетонным несущим этажем высотой 5 метров и пролётом 80 метров. С одной стороны эти фермы опираются на пилоны, а с другой на центральную ферму. В пространстве между ними возможно разместить раздевалки и другие необходимые помещения. Покрытие же выполнено в виде мембран, как в предыдущем варианте (рис. 12).

Рис12. Арена перекрыта фермами высотой 5м., опирающимися над полем на основную ферму. Несущие конструкции покрытия - стальные мембраны.

На основе таких стадионов можно создать хорошие тренировочные базы для Чемпионата мира по футболу в 2018г. и обеспечить условия для круглогодичного занятия летними видами спорта, в том числе проводить чемпионат России по футболу зимой - одновременно с европейскими странами.

Таким образом, предложенные в статье конструкции могут послужить

основой нового, востребованного современностью, типа зданий - «большепролетных многоэтажных».

Литература:

1. Барри Р. «Строительство зданий». Научное издательство Блеквела 1996г.

2. Баханан П. «Новый взгляд на небоскрёбы». АиЮ, №329 февраль 1998 г.

3. Захаров А.В., Забалуева Т.Р. «Несущий этаж». Статья журнал Новый дом, №4 2002 г. «Коммерцбанк во Франкфурте на Майне». Баумистер май 1997г.

4. Канчели Н.В. «Строительные пространственные конструкции». М., АСВ. 2003г.

5. Шуллер В. «Конструкции высотных зданий». Под редакцией Г.А.Казиной Москва Стройиздат 1979г.

Literature:

1. Barry R. «Construction of buildings». Blackwell Science Ltd 1996.

2. Buchanan P. «Reinventing the SkyScraper». A and U. no 329, February 1998. «Commerzbank-Zentrale in Frankfurt am Main». Baumeister. May 1997.

3. Zaharov A.V., Zabalueva T.R. «Bearing floor». Journal article «A new house», №4 2002.

4. Kancheli N.V.«Building spatial structures». M., ABU. 2003r.

5. Schueller W. «High-rise building structures». Edited by G.A.Kazina, Moscow, Stroyizdat

1979.

Ключевые слова: несущий этаж, строительная высота конструкции, большепролетный, многоэтажный, стеновые балки, экономия земли.

Key words: load-bearing floor, structural construction hight, long span, multistory, wall beam, land saving.

E-mail автора: otec-85@mail.ru Рецензент: Косарева Наталья Сергеевна ГАП ООО фирма МОНОЛИТ