Проектирование и строительство небоскребов

Проектирование и строительство небоскребов предполагает создание безопасных, пригодных для проживания пространств в очень высоких зданиях. Здания должны выдерживать свой вес, противостоять ветру и землетрясениям, а также защищать жильцов от огня. Однако они также должны быть удобно доступны, даже на верхних этажах, и обеспечивать жильцам коммунальные услуги и комфортный климат. Проблемы, возникающие при проектировании небоскребов, считаются одними из самых сложных, учитывая необходимый баланс между экономикой , инженерией и управлением строительством .

Основные соображения по проектированию

Хорошее структурное проектирование важно для большинства проектов зданий, но особенно для небоскребов, поскольку даже небольшая вероятность катастрофического разрушения неприемлема, учитывая высокие цены на строительство и потенциальный риск для человеческой жизни в огромных масштабах, как это видно на примере обрушения кондоминиума в Серфсайде в 2021 году. . Это представляет собой парадокс для инженеров-строителей: единственный способ гарантировать отсутствие отказов — это проверить все виды отказов как в лаборатории, так и в реальном мире. Но единственный способ узнать обо всех видах неудач — это извлечь уроки из предыдущих неудач. Таким образом, ни один инженер не может быть абсолютно уверен, что данная конструкция выдержит все нагрузки, которые могут привести к разрушению, но может иметь только достаточно большой запас прочности, чтобы отказ был приемлемо маловероятен. Когда здания все же выходят из строя, инженеры задаются вопросом, произошла ли поломка из-за недостатка предвидения или из-за какого-то неизвестного фактора.

Подструктура

Одной из многих особенностей небоскребов является их фундамент. Например, глубина ямы, в которой находится основание, должна доходить до коренной породы. Если коренная порода лежит близко к поверхности, почва поверх коренной породы удаляется, и удаляется достаточное количество поверхности коренной породы, чтобы сформировать гладкую платформу, на которой можно построить фундамент здания. ^{[ 1 ]}

Нагрузка и вибрация

Нагрузка, которую испытывает небоскреб, во многом зависит от силы самого строительного материала . В большинстве строительных конструкций вес конструкции намного превышает вес материала, который она выдерживает, сверх собственного веса. С технической точки зрения, собственная нагрузка , нагрузка на конструкцию, превышает живую нагрузку , вес вещей, находящихся в конструкции (людей, мебели, транспортных средств и т. д.). Таким образом, количество конструкционного материала, необходимого на нижних уровнях небоскреба, будет намного больше, чем количество материала, необходимого на более высоких уровнях. Это не всегда заметно визуально. Эмпайр -стейт-билдинг Неудачи на самом деле являются результатом строительных норм и правил того времени и не были структурно необходимы. С другой стороны, форма Центра Джона Хэнкока является уникальным результатом того, как он выдерживает нагрузки. Вертикальные опоры могут быть нескольких типов, среди которых наиболее распространенными для небоскребов можно назвать стальные каркасы, бетонные сердечники, конструкцию «труба в трубе» и стены, работающие на сдвиг.

Следует также учитывать ветровую нагрузку на небоскреб. Фактически, боковая ветровая нагрузка, воздействующая на сверхвысокие конструкции, обычно является определяющим фактором при проектировании конструкции. Давление ветра увеличивается с высотой, поэтому для очень высоких зданий нагрузки, связанные с ветром, превышают постоянные или постоянные нагрузки.

Другие факторы вертикальной и горизонтальной нагрузки возникают из различных, непредсказуемых источников, таких как землетрясения.

Сдвиг стен

Стена на сдвиг, в самом простом определении, представляет собой стену, в которой весь материал стены используется для сопротивления как горизонтальным, так и вертикальным нагрузкам. Типичный пример – стена из кирпича или шлакоблока . Поскольку материал стены используется для того, чтобы выдерживать вес, по мере того, как стена увеличивается в размерах, она должна выдерживать значительно больший вес. Благодаря особенностям сдвиговой стены для небольших построек, таких как загородный дом или городской кирпичный дом, допустимо требовать низких материальных затрат и минимального обслуживания. несущие стены, обычно в виде фанеры Таким образом, для этих конструкций используются и каркаса, кирпича или шлакоблоков. Однако в случае небоскребов по мере увеличения размера конструкции увеличивается и размер несущей стены. Большие сооружения, такие как замки и соборы, по своей сути решают эти проблемы, поскольку большая стена выгодна (замки) или может быть спроектирована вокруг нее (соборы). Поскольку небоскребы стремятся максимально увеличить площадь пола за счет консолидации структурных опор, стены, работающие на сдвиг, обычно используются только в сочетании с другими системами поддержки.

Стальная рама

Классическая концепция небоскреба — это большая стальная коробка, внутри которой находится множество маленьких коробочек. Устранив неэффективную часть стены , работающую на сдвиг , центральную часть, и объединив опорные элементы из гораздо более прочного материала, стали, можно было построить небоскреб как с горизонтальными, так и с вертикальными опорами повсюду. Этот метод, несмотря на простоту, имеет недостатки. Главным из них является то, что по мере того, как необходимо поддерживать больше материала (по мере увеличения высоты), расстояние между опорными элементами должно уменьшаться, что фактически, в свою очередь, увеличивает количество материала, который необходимо поддерживать. Это становится неэффективным и нерентабельным для зданий высотой более 40 этажей, поскольку полезная площадь для несущих колонн уменьшается, а также из-за большего использования стали. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Трубчатый каркас

Новая конструктивная система с использованием рамных труб была разработана в начале 1960-х годов. Фазлур Хан и Дж. Рэнкин определили каркасную трубчатую конструкцию как «трехмерную пространственную конструкцию, состоящую из трех, четырех или, возможно, большего количества рам, скрепленных рам или стенок, сдвигающихся на сдвиг, соединенных по краям или рядом с ними, чтобы сформировать вертикальную трубчатую конструкцию. система, способная противостоять боковым силам в любом направлении, опираясь на фундамент». ^{[ 4 ]} Близко расположенные соединенные между собой внешние колонны образуют трубу. Горизонтальные нагрузки (в первую очередь ветровые) воспринимаются конструкцией в целом. Около половины внешней поверхности отведено под окна. Каркасные трубы позволяют уменьшить количество внутренних колонн и тем самым создать больше полезной площади. Там, где требуются проемы большего размера, такие как гаражные ворота, трубчатая рама должна быть прервана с использованием передаточных балок для сохранения структурной целостности. Трубчатые конструкции сокращают затраты и в то же время позволяют зданиям достигать большей высоты. Конструкция с трубчатым каркасом была впервые использована в жилом доме ДеВитт-Честнат , спроектированном Ханом и завершенном в Чикаго в 1963 году. ^{[ 5 ]} Вскоре он был использован для Центра Джона Хэнкока и при строительстве Всемирного торгового центра .

Разновидностью трубчатой рамы является комплектная трубка, в которой используется несколько соединенных между собой трубчатых рам. В Уиллис-Тауэр в Чикаго использовалась эта конструкция, в которой использовались девять труб разной высоты, чтобы добиться особого внешнего вида. Конструкция пучков труб была не только высокоэффективной с экономической точки зрения, но также была «инновационной в своем потенциале для универсального оформления архитектурного пространства. Эффективные башни больше не должны были быть коробчатыми; трубчатые блоки могли принимать различные формы и могут быть объединены в различные группы». ^{[ 6 ]} Конструкция из связанных труб означала, что «зданиям больше не нужно иметь коробчатый вид: они могут стать скульптурами». ^{[ 7 ]} В городах произошел огромный всплеск строительства небоскребов благодаря нововведениям Хана, позволившим строить экономические небоскребы.

Трубчатые системы имеют основополагающее значение для проектирования высотных зданий. Большинство зданий высотой более 40 этажей, построенных с 1960-х годов, теперь используют трубчатую конструкцию, основанную на принципах структурного проектирования Хана. ^{[ 2 ]}^{[ 8 ]} примеры включают строительство Всемирного торгового центра, центра Аон , башен Петронас , здания Цзинь Мао и большинства других сверхвысоких небоскребов с 1960-х годов. ^{[ 9 ]} Сильное влияние конструкции трубчатой конструкции также очевидно при строительстве нынешнего самого высокого небоскреба Бурдж-Халифа . ^{[ 7 ]}

Загадка с лифтом

Изобретение лифта было предпосылкой для изобретения небоскребов, учитывая, что большинство людей не хотели (или не могли) подниматься более чем на несколько лестничных пролетов за раз. Лифты в небоскребах — это не просто необходимые коммунальные услуги, такие как водопровод и электричество, но фактически тесно связанные с конструкцией всего сооружения. Более высокому зданию требуется больше лифтов для обслуживания дополнительных этажей, но лифтовые шахты занимают ценную площадь. Если служебное ядро (содержащее шахты лифтов) станет слишком большим, это может снизить рентабельность здания. Поэтому архитекторы должны сбалансировать ценность, полученную за счет увеличения высоты, с ценностью, потерянной из-за расширения сервисного ядра. ^{[ 10 ]} Во многих высотных зданиях используются лифты нестандартной конфигурации, чтобы уменьшить занимаемую площадь. В таких зданиях, как бывшие Всемирного торгового центра башни-близнецы и Центр Джона Хэнкока в Чикаго, используются небесные вестибюли , где экспресс-лифты доставляют пассажиров на верхние этажи, которые служат базой для местных лифтов. Это позволяет архитекторам и инженерам размещать лифтовые шахты друг над другом, экономя пространство. Небесные вестибюли и экспресс-лифты занимают значительное пространство и увеличивают время, затрачиваемое на передвижение между этажами. В других зданиях, таких как башни Петронас, используются двухэтажные лифты, позволяющие большему количеству людей помещаться в одном лифте и подниматься на два этажа на каждой остановке. ^{[ 11 ]} В лифте можно использовать даже более двух уровней, хотя это еще предстоит попробовать. Основная проблема двухэтажных лифтов заключается в том, что они заставляют всех пассажиров останавливаться, когда на данном этаже нужно выйти только людям, находящимся на одном этаже.

Другое решение, использованное Шанхайской башней и строящейся (2019 г.) Джиддской башней, заключается в создании зданий смешанного назначения с размещением офисных помещений на нижних этажах, поскольку они занимают больше площади. Многоэтажные пентхаусы и атриумы, требующие небольшой площади поперечного сечения, расположены вверху. ^{[ 12 ]}

Другие трудности при строительстве небоскребов

Строительство небоскребов может быть затруднено не только из-за сложности и стоимости, но и из-за других факторов. Например, в европейских городах, таких как Париж, разница между внешним видом старой архитектуры и современными небоскребами может затруднить получение разрешения местных властей на строительство новых небоскребов. Строительство небоскребов в старом и знаменитом городе может кардинально изменить его облик. В таких городах, как Лондон ^{[ 13 ]} в Великобритании или Сан-Франциско в США, ^{[ 14 ]} Существует юридическое требование, называемое защищенным обзором , которое ограничивает высоту новых зданий в пределах или рядом с линией обзора между двумя рассматриваемыми местами. Это правило также затрудняет поиск подходящих мест для новых высотных зданий.

См. также

Ссылки

^ «Небоскрёб» . madehow.com . Как сделано . Проверено 13 июня 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Университет Лихай: серия выдающихся лекций Фазлура Рахмана Хана» . Lehigh.edu . Проверено 15 августа 2012 г.
^ Любкеман, Крис Х. «Специальные исследования строительных конструкций: карандашные башни, история и развитие высотных зданий» . darkwing.uoregon.edu . Дарквинг. Архивировано из оригинала 26 июня 2012 года . Проверено 17 июня 2012 г.
^ Али, Мир. «Эволюция бетонных небоскребов» . Архивировано из оригинала 5 июня 2007 года . Проверено 14 мая 2007 г.
^ Альфред Свенсон и Пао-Чи Чанг (2008). «строительство зданий» . Британская энциклопедия . Проверено 9 декабря 2008 г.
^ Хок, Рашимул (2012). «Хан, Фазлур Рахман1» . в Сираджуле ; Джамал, Ахмед А. (ред.). Банглапедия: Национальная энциклопедия Бангладеш (второе изд.). Азиатское общество Бангладеш .
^ Jump up to: ^а ^б Бэйли, Стивен (5 января 2010 г.). «Бурдж Дубай: новая вершина тщеславия» . «Дейли телеграф» . Проверено 26 февраля 2010 г.
^ «10 самых высоких стальных зданий в мире» . Constructionweekonline.com . Проверено 15 августа 2012 г.
^ Али, Мир М. (2001), «Эволюция бетонных небоскребов: от Ингаллса до Цзинь Мао» , Electronic Journal of Structural Engineering , 1 (1): 2–14, doi : 10.56748/ejse.1111 , получено 30 ноября 2008 г.
^ «Как работают небоскребы: как сделать их функциональными» . Как все работает . Проверено 30 октября 2008 г.
^ «Лифтовая система башен Петронас» . Башни Петронас . 25 октября 2010 г. Архивировано из оригинала 7 ноября 2009 г. Проверено 2 декабря 2010 г.
^ Дэвидсон, Джастин (14 августа 2011 г.). «Выше: Музей небоскребов — напоминание о том, почему мы продолжаем тянуться к облакам» . Архивировано из оригинала 10 марта 2013 года . Проверено 7 ноября 2019 г.
^ «Лондонская структура управления представлениями» . Администрация Большого Лондона. Архивировано из оригинала 17 марта 2022 года . Проверено 26 мая 2022 г.
^ «Генеральный план Сан-Франциско: Городской дизайн» . Департамент планирования Сан-Франциско. Архивировано из оригинала 21 января 2022 года . Проверено 26 мая 2022 г.

Дальнейшее чтение

Барр, Джейсон М. (9 июня 2016 г.). Строительство горизонта: рождение и рост небоскребов Манхэттена . Издательство Оксфордского университета. п. 456. ИСБН 978-0199344369 .
Маколей, Дэвид (26 октября 1987 г.). Разрушение (Переиздание). Книги Хоутона Миффлина / Уолтера Лоррейна. п. 80 . ISBN 0-395-45425-5 .
Саббах, Карл (1 июля 1991 г.). Небоскреб: Создание здания (Переиздание). Пингвин (Неклассика). п. 400. ИСБН 0-14-015284-9 .
Чу, Майкл Ю.Л.; Майкл Чу Ит Лин (15 февраля 2001 г.). Технология строительства высотных зданий (2 подред.). Издательство Сингапурского университета. п. 436. ИСБН 981-02-4338-3 .

Внешние ссылки

Как все работает, объяснение небоскребов
"Небоскребы будут строиться и дальше, - говорит автор книги о высотных зданиях" . Архивировано из оригинала 25 апреля 2006 года . Проверено 14 мая 2007 г.

[1] «Небоскрёб» . madehow.com . Как сделано . Проверено 13 июня 2018 г.

[lehigh1-2] Jump up to: ^а ^б «Университет Лихай: серия выдающихся лекций Фазлура Рахмана Хана» . Lehigh.edu . Проверено 15 августа 2012 г.

[3] Любкеман, Крис Х. «Специальные исследования строительных конструкций: карандашные башни, история и развитие высотных зданий» . darkwing.uoregon.edu . Дарквинг. Архивировано из оригинала 26 июня 2012 года . Проверено 17 июня 2012 г.

[4] Али, Мир. «Эволюция бетонных небоскребов» . Архивировано из оригинала 5 июня 2007 года . Проверено 14 мая 2007 г.

[5] Альфред Свенсон и Пао-Чи Чанг (2008). «строительство зданий» . Британская энциклопедия . Проверено 9 декабря 2008 г.

[Banglapedia-6] Хок, Рашимул (2012). «Хан, Фазлур Рахман1» . в Сираджуле ; Джамал, Ахмед А. (ред.). Банглапедия: Национальная энциклопедия Бангладеш (второе изд.). Азиатское общество Бангладеш .

[Bayley-7] Jump up to: ^а ^б Бэйли, Стивен (5 января 2010 г.). «Бурдж Дубай: новая вершина тщеславия» . «Дейли телеграф» . Проверено 26 февраля 2010 г.

[8] «10 самых высоких стальных зданий в мире» . Constructionweekonline.com . Проверено 15 августа 2012 г.

[Ali-9] Али, Мир М. (2001), «Эволюция бетонных небоскребов: от Ингаллса до Цзинь Мао» , Electronic Journal of Structural Engineering , 1 (1): 2–14, doi : 10.56748/ejse.1111 , получено 30 ноября 2008 г.

[HSW3-10] «Как работают небоскребы: как сделать их функциональными» . Как все работает . Проверено 30 октября 2008 г.

[11] «Лифтовая система башен Петронас» . Башни Петронас . 25 октября 2010 г. Архивировано из оригинала 7 ноября 2009 г. Проверено 2 декабря 2010 г.

[12] Дэвидсон, Джастин (14 августа 2011 г.). «Выше: Музей небоскребов — напоминание о том, почему мы продолжаем тянуться к облакам» . Архивировано из оригинала 10 марта 2013 года . Проверено 7 ноября 2019 г.

[13] «Лондонская структура управления представлениями» . Администрация Большого Лондона. Архивировано из оригинала 17 марта 2022 года . Проверено 26 мая 2022 г.

[14] «Генеральный план Сан-Франциско: Городской дизайн» . Департамент планирования Сан-Франциско. Архивировано из оригинала 21 января 2022 года . Проверено 26 мая 2022 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]