CC BY
33Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Градостроительство и архитектура
УДК 69
А.Н. ТЕТИОР, д-р техн. наук, Московский государственный университет природообустройства, Москва
Пространственные решения современных экологичных небоскребов и компактных городов
Приведена классификация основных типов высотных зданий с учетом современных требований устойчивого развития. Показано, что использование принципов зеленого строительства при возведении небоскребов, позволяет организовать комфортное пространство внутри высотных зданий.
Ключевые слова: экологичные небоскребы, компактные города, зеленое строительство, пространственные решения, энергоэффективность.
В мире наблюдаются две сравнительно новые тенденции в строительстве:
1. Быстро растет высота многоэтажных зданий, небоскребы уже достигли высоты более 800 м (ОАЕ); строятся здания высотой 1,2 и 1,5 км (при этом рост высоты далеко не всегда вызван дефицитом свободных территорий в городах).
2. В стремлении к снижению площади городов в ряде стран предложены проекты «компактных» городов высотой 1 км, вмещающих 1 млн жителей. Значительная часть этих конструкций является пространственной, они выполнены в виде оболочек. При возведении очень высоких зданий, и тем более при создании высоких компактных городов, появляются новые проблемы, которые осложняют их строительство и эксплуатацию. В то же время их создатели вводят ряд новых экологичных решений, выгодно отличающих высотные объекты от обычных традиционных.
Высотные здания являются объектами самого высокого уровня ответственности и класса надежности. Аварийные ситуации в высотных зданиях ведут к большим материальным, экономическим, экологическим и социальным последствиям. Тем не менее высотные здания в определенной степени решают некоторые городские проблемы (они позволяют получить большие жилые, торговые, офисные, рекреационные и другие площади при дефиците свободных территорий в городе). К особенностям высотных зданий относятся: повышение роли горизонталь-
ных ветровых нагрузок по сравнению с вертикальными; повышенная нагрузка на несущие конструкции, в том числе на основания и фундаменты; повышенное влияние природных воздействий (сейсмика, солнечная радиация и др.) и техногенных факторов (вибрации, аварии, пожары, диверсионные акты, локальные разрушения) на безопасность эксплуатации; проблемы обеспечения совместной работы в несущих конструкциях бетона и стали и неодинаково нагруженных элементов конструкций, например колонн и стен. Эти особенности необходимо учитывать при выборе конструктивной схемы высотного здания и проектировании несущих конструкций [1, 2]. Например, под влиянием ветровых нагрузок в вертикальных, обычно сжатых, несущих конструкциях могут возникнуть растягивающие усилия. Величины напряжений в основании ввиду небольшой площади фундаментов могут достигать 0,8-1 МПа, а в вертикальных несущих конструкциях (колоннах, простенках) - 50-70 МПа. Нагрев фасада высотного здания приводит к дополнительным изгибным деформациям и нагрузкам на несущие конструкции.
При оценке необходимости возведения небоскребов учитываются возможные сложности строительства: транспортные проблемы; проблемы водопровода, канализации, отведения ливневых вод; инсоляции; потребление избыточного количества энергии; повышенная уязвимость во время особых воздействий (землетрясений, пожаров, терроризма и пр.); сложности разборки и утилизации отходов.
Рис. 1. Разнообразные несимметричные криволинейные природоподобные формы небоскребов (а—в); небоскреб с вращением этажей для лучшего солнечного освещения (г); природоподобная форма небоскреба из скрученных оболочек — «листьев» (д)
Рис. 2. Пространственные озелененные фасады и лоджии небоскребов в Сингапуре (а, б); зданий (в); жилых домов (г)
Рис. 3. Здания с устройствами для утилизации возобновимой энергии: криволинейная башня Pearl River Tower в Китае с ветроагрегата-ми и солнечными батареями (а); крыша высотного здания (б); башня «CIS Tower» в Манчестере (в)
Современные небоскребы отличаются не только архитектурной выразительностью, но и использованием высокотехнологичных решений, которые улучшают их экологические показатели:
- использование оболочек и пространственной криволинейной формы зданий улучшает их визуальное восприятие, ведет к природоподобию и повышает пространственную жесткость зданий (рис. 1);
- использование возобновимых источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной) с помощью встроенных в конструкции небоскребов установок позволяет частично или полностью снизить энергозатраты на здание;
- озеленение фасадов и кровель повышает экологичность зданий, ведет к росту площади озеленения в городе, к улучшению визуального восприятия небоскребов;
- устройство «небесных садов» по высоте зданий (полностью занятых садами и рекреационными зонами территорий в пределах 1-3 этажей, размещаемых через несколько этажей по высоте) позволяет создать условия для отдыха жителей или работников без выхода на нулевую отметку и без длительного пользования лифтом;
- максимальное использование вторичных и других возобновимых ресурсов и материалов (утилизация отводимого с загрязненным воздухом тепла, сбор атмосферной и другой воды и др.);
- использование систем эффективной пассивной сейсмо-защиты в зданиях на сейсмоопасных территориях;
-. использование способов экономии энергии - улучшения ввода дневного света, повышения светопроницаемости зданий, применения систем «интеллектуальных» зданий и пр.
Озеленение стен и кровель небоскребов уже давно стало одним из эффективных приемов улучшения их экологических свойств и привлекательности для жителей (рис. 2). В последние годы появились здания в виде «зеленых холмов», предназначенные для улучшения визуального восприятия равнинных территорий городов. В Нидерландах ведется строительство 19-этажного жилого дома Urban Cactus (рис. 2, г). Его особенностью является ступенчатая архитектура, благодаря которой на этажах удалось разместить множество кустов и деревьев. Кислород, выделяемый ими, позволит значительно компенсировать вредные выбро-
Рис. 4. Экологичные пространственные небоскребы с ветро-агрегатами и солнечными батареями на стенах в Дубае (а); с ве-троагрегатами на кровле в Лондоне (б); с солнечными батареями Lighthouse Tower (в); с ветроагрегатами в пространстве между двумя башнями (г)
Научно-технический и производственный журнал
Градостроительство и архитектура
Рис. 5. Пространственные здания-фермы: здание — «Стрекоза» (а); пирамида (б); многоэтажная ферма в Ванкувере (в); спиралеобразная ферма в куполе (г)
| 1
Рис. 6. Зеленые («небесные») сады в небоскребах: высотой на этаж (а); на несколько этажей (б); открытые (в); без наружных стен (г)
сы углекислого газа. Белый цвет стен призван уменьшить нагрев помещений от солнечных лучей. В балконы здания планируется встроить небольшие бассейны для купания.
Эффективным способом повышения экологичности небоскребов является утилизация возобновимой энергии; с этой целью фасадам придается криволинейная форма для увеличения скоростного напора ветра (рис. 3). В 2011 г. в Китае планируется закончить строительство башни Pearl River Tower, имеющей ветровые турбины, на которые с большой скоростью дует ветер. Форма здания концентрирует ветровые потоки. Эта установка будет полностью обеспечивать освещение небоскреба. На стенах башни CIS Tower в Манчестере установлено более 7 тыс. панелей солнечных батарей, а на крыше - 24 ветроагрегата. Это позволяет обеспечить около 10% потребляемой энергии.
Недавно возведен самый экологичный небоскреб Нью-Йорка, имеющий наружное остекление от пола до потолка, благодаря чему свет может проникать внутрь здания (для этого все внутренние перегородки выполнены из стекла). Поступление тепла от солнечных коллекторов уменьшает нагрузку на систему отопления. Здание имеет регулируемую систему освещения: в каждой комнате - датчик освещенности, который будет менять освещение в зависимости от интенсивности наружного освещения. Для Нью-Йорка здание стало воздушным фильтром: в здание подается воздуха в четыре раза больше, чем предусмотрено требованиями по воздухообмену. Избыточный воздух, удаляемый из здания, также будет очищен, и его объемы поступят в город. Коллекторы для сбора дождевой воды на кровле объединены с системами водоснабжения для санитарных нужд, со сбором конденсата от системы кондиционирования воздуха в здании и от использования пара, поставляемого в здание. Собранная таким образом вода используется для слива в
санузлах и в качестве подпитки испарительных панелей для охлаждения здания. В последние годы в практике строительства впервые появились небоскребы со встроенными в здания ветроагрегатами (рис. 4).
Торговый центр Bahrain World Trade Center (рис. 4, г) состоит из двух башен, между которыми располагаются три ветроагрегата с диаметром ветроколес 30 м. Здание будет вырабатывать более 1 ГВт электроэнергии в год, что сможет обеспечить его электричеством. В Дубае планируется построить самый высокий экологичный небоскреб в мире, который будет полностью обеспечивать себя электроэнергией. Для этого на крыше и стенах установят солнечные панели общей площадью 15000 м2. На крыше будет установлена турбина высотой 61 м, которая обеспечит вентиляцию небоскреба, используя разницу воздушного давления между нижними и верхними этажами. Башня Lighthouse Tower в Дубае будет полностью обеспечивать себя энергией. Для этого на стенах здания разместят четыре тысячи солнечных панелей и три ветроагрегата на крыше мощностью 225 кВт каждый.
Нью-Йоркский небоскреб Bank of America Tower оборудован системой для сбора дождевой воды. Здание оснащено большими окнами, пропускающими много света, и сенсорами, регулирующими уровень освещенности в помещениях. Особенностью жилой башни Waugh Thistleton Residential Tower, которую планируется построить в Лондоне, является толщина здания - оно похоже на плоский лист. Благодаря этому помещения целиком освещаются дневным светом. По бокам здания спроектированы турбины, которые с помощью ветра смогут генерировать около 40000 кВтч в год. Это будет покрывать потребности электроэнергии на 15%.
Интересным направлением проектирования является возведение высоких и экологичных зданий - сельскохозяй-
Градостроительство и архитектура
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Атриум
Лифты, лестницы
чт1-т»
*нш
Ресторан Лифты-,
Наружная, оболочка фасада
Галерея ¡зеленая улица
Гостиница
Офисы
I Внутреняя площадь
Рис. 7. Конструктивные схемы небоскребов: а — каркасно-ствольная, коробчато-ствольная, оболочковая, ствольная; б — формы зданий в вертикальном направлении; в — пассивная сейсмоизоляция (верх небоскреба в Тайбее); г — пространственная конструкция современного небоскреба
ственных ферм в городах (рис. 5). Так, 132-этажное здание «Стрекоза» включает 28 различных сельскохозяйственных полей и приспособлено для производства фруктов, овощей, мяса, масла и зерна, а также для размещения лабораторий, офисов и квартир. Проект здания вертикальной фермы в Ванкувере предназначен для выращивания фруктов, овощей, рыбы, цыплят и пр. Здание будет использовать солнечную, геотермальную и ветровую энергию.
Новым направлением проектирования небоскребов является устройство экологичных садов через несколько этажей по высоте (рис. 6).
С развитием высотного строительства было разработано несколько конструктивных схем небоскребов: Основной формой зданий является башенная, с повышенной устойчивостью во всех направлениях (благодаря развитому поперечному сечению) и обтекаемостью объема (цилиндрического, пирамидального, призматического со скругленными углами). Для уменьшения горизонтальных перемещений верха зданий во избежание перекосов ограждающих конструкций и нарушений в работе лифтов с увеличением этажности здания отношение его ширины к высоте не должно быть меньше 1/8-1/10.
Известны четыре конструктивные системы высотных зданий - каркасная (рамная), стеновая (бескаркасная, диа-фрагмовая), ствольная и оболочковая (рис. 7). Наряду с этим широко применяют комбинированные конструктивные системы [1]. С 1960-х гг. в высотное строительство активно внедряются новые конструктивные системы - ствольная и оболочковая. В ствольной конструктивной системе основной несущей конструкцией здания, воспринимающей на-
1000 м
600 м
грузки и воздействия, является вертикальный пространственный стержень - ствол («ядро жесткости») на всю высоту здания.
Оболочковая система отличается максимальной жесткостью в связи с тем, что несущие конструкции расположены по внешнему контуру, поэтому она чаще применяется в проектировании самых высоких зданий. Известны две комбинированные системы: оболочково-ствольная («труба в трубе») и оболочково-диафрагмовая («пучок труб»). В центре плана располагают ствол с размещенными в его пространстве лифтовыми шахтами и холлами.
Повышение сопротивляемости здания ветровым нагрузкам достигают путем применения симметричной формы в плане - круга, эллипса, квадрата. В сейсмически активных районах такие здания не способны поглотить энергию толчков земной коры, что вызывает значительные перемещения и ускорения на верхних этажах. При более гибком каркасе на верхних этажах наблюдаются значительные колебания. Для устранения больших колебаний в зданиях высотой >300 м на верхних этажах устраивают пассивные маятниковые демпферы. Так, в небоскребе в Тайбее демпфер в виде шара весом около 800 т подвешен на 92-м этаже и предназначен для гашения колебаний (рис. 7). В обычных условиях эксплуатации демпфер обеспечивает отклонение верха здания в пределах до 10 см, а при воздействиях катастрофического характера (землетрясения и др.) сам раскачивается с амплитудой до 150 см, гарантируя колебания здания в безопасных пределах.
В стремлении к снижению площади городов в ряде стран предложены проекты «компактных» городов высотой 1 км, вмещающих 1 млн жителей (рис. 8). Освещение внутренних объемов предусматривается через большие «световые колодцы», что вряд ли достигнет цели. Это - первые в истории проекты, в них не решены важнейшие проблемы, такие как естественное освещение многочисленных этажей внутри «пирамид» и др. Такие пространственные здания-города занимают намного меньшую площадь, чем расползшиеся современные города, и потому привлекают интерес проектировщиков.
Список литературы.
1. Тетиор А.Н.. Строительные конструкции и основы архитектуры. М.: МГУП, 2011. 479 с .
2. Тетиор А. Н. Железобетонные и каменные конструкции в экологичном строительстве М.: МГУП, 2010. 497 с.
Рис. 8. Проекты компактных городов куполообразной формы в Бразилии (а); пирамидальной формы в ОАЭ (б, в)
а
