Стремление построить самое высокое здание в мире наблюдалось на протяжении всей истории архитектуры. Тысячи рабочих трудились на пирамидах древнего Египта , соборах Европы и постройке других бесчисленных башен, выполняя замыслы архитекторов, мечтающих создать нечто, внушающее благоговейный трепет.
Люди строят небоскребы , в первую очередь, потому, что они удобны — можно создать большую полезную площадь на относительно малом участке. Но и желание удовлетворить собственное величие тоже играет значительную роль в сфере строительства, как это было в более ранних цивилизациях.
Вплоть до сравнительно недавнего времени, строить высотные здания было невозможно. Конструкции теряли устойчивость после достижения определенной высоты. В конце 1800-х годов новые технологии преодолели эти ограничения. Стало возможным жить и работать в колоссальной башне, в сотнях метров над землей.
Борьба с гравитацией
Главным препятствием для стремления здания вверх – земное притяжение (гравитация ). Представьте себе, что вы несете человека на ваших плечах. Если он достаточно легок, вы можете удерживать его на себе без проблем. Но если поставить еще одного человека на плечи этому человеку (построить башню выше), то нести такой вес в одиночку будет гораздо труднее. Чтобы сделать башню, состоящую из нескольких людей в высоту, вам нужно поставить больше людей в ее основание, чтобы выдержать возросший вес.
Так работают настоящие пирамиды и другие высокие каменные сооружения. У них должно быть много материала внизу, чтобы поддерживать общий вес всех материалов, находящихся выше. С добавлением каждого нового слоя в высоту, суммарная сила на каждую точку ниже этого слоя увеличивается. Если бы пришлось продолжать наращивать основание пирамиды, то строительство могло бы затянуться на неопределенный срок. Строить высокую пирамиду становится невозможным очень скоро, поскольку ее основание занимает слишком много свободной земли.
В обычных зданиях, из кирпичей и строительного раствора , вы должны создавать утолщение в нижней части стены для строительства новых верхних этажей. После достижения определенной высоты, это очень непрактично. Если на нижних этажах почти нет места, то какой смысл в создании высотного здания?
Используя вышеописанную технологию, люди не могли построить дома более 10 этажей — это просто не представлялось возможным. Но к началу 20-го века инженеры смогли преодолеть это «высотное ограничение». Социальными обстоятельствами, которые привели к небоскребам, были растущие американские города, особенно, Чикаго. Все промышленники хотели, чтобы их офисы располагались недалеко от центра города, но там не хватало места. В этих городах у архитекторов возникла необходимость для расширения мегаполиса вверх, а не вширь.
Основными технологическими усовершенствованиями, которые дали возможность массового строительства небоскребов – были железо и сталь . Новые производственные процессы позволили получить длинные балки из литого железа. По сути, это дало архитекторам целый ряд новых строительных элементов для работы. Узкие, сравнительно легкие, металлические балки могли выдержать гораздо больше веса, чем толстые кирпичные стены в старых зданиях, занимающие часть пространства. С появлением бессемеровского процесса, первого эффективного метода для массового производства стали, архитекторы отошли от железа. Сталь, которая легче и прочнее железа, позволила построить еще более высокие здания.
Гигантская сеть из балок и колонн
Центральной структурой поддержки небоскреба является его стальной каркас . Металлические балки заклепываются друг с другом и формируют вертикальные колонны . На уровне каждого этажа эти вертикальные колонны соединены по горизонтали балками . Во многих домах имеются также диагональные балки, для дополнительной структурной поддержки.
В этой гигантской трехмерной сетке, называемой супер структурой , весь вес в здании передается непосредственно на вертикальные колонны. Колонны концентрируют силу тяжести на сравнительно небольшой площади своего сечения. Это концентрированное усилие затем распределяется в фундаменте под колонной.
В типичном фундаменте небоскреба, каждая вертикальная колонна стоит на опоре распространения — железной пластине, которая расположена на вершине ростверка . Ростверк — это ряд горизонтальных стальных балок, выровненных бок о бок в несколько слоев. Ростверк опирается на толстую бетонную подушку, отлитую непосредственно на твердом грунте. После того, как вся конструкция собрана, она покрывается бетоном.
Эта структура расширяется под землей, точно так же, как пирамида расширяется вниз. Вес здания колоннами распределяется на более широкую поверхность фундамента. В конечном счете, весь вес здания оказывается непосредственно на жестком глинистом материале под землей. Очень тяжелые здания покоятся на огромных бетонных опорах, сваях , которые забиваются в грунт вплоть до его прочного несущего слоя .
Основное преимущество стальной скелетной структуры состоит в том, что наружные стены нужны исключительно для защиты помещений от наружного воздуха и несут только их собственный вес. Это позволяет архитекторам открыть здание настолько, насколько они пожелают, в отличие от толстых стен в традиционном строительстве. Во многих небоскребах, особенно тех, которые построены в 1950-х и 1960-х годах, внешние стены выполнены почти полностью из стекла, открывая потрясающий вид на город.
Создание функциональности
Железо и сталь открыли возможность строительства высоких зданий. Но это — только половина картины. Прежде чем высотные небоскребы смогли стать реальностью, инженеры должны были сделать их практичными.
Как только в здании получается более, чем пять или шесть этажей, лестница становится довольно неудобной технологией. Небоскребы никогда не работали бы без появления технологии лифта . С тех пор, как первый пассажирский лифт был установлен в Нью-Йоркском универмаге Haughwout в 1857 году, шахты лифта были главной частью дизайна небоскреба. В большинстве небоскребов шахты лифтов составляют центральное ядро здания.
Лифт со стеклянным полом, расположенный в радио-башне Окленда в Новой Зеландии, поднимает посетителей на высоту 328 метров 70-этажного здания каждые 15 минут. Скорость движения кабины составляет 18 км/час.
Проектирование структуры лифтов небоскреба является, своего рода, решением системы уравнений. Чем больше вы добавляете этажей к зданию, тем больше увеличивается степень «заселенности» здания. Когда у вас появляется больше людей, вы, очевидно, будете нуждаться в большем количестве лифтов, или холлы заполнятся людьми, ждущими своей очереди. Но шахты лифта занимают много комнат, таким образом, вы теряете полезную площадь на каждом лифте, который вы добавляете. Чтобы сделать больше комнат для людей, вы должны добавить больше этажей. Выбор правильного соотношения количества этажей и лифтов является одной из самых важных частей проектирования высотного здания.
Создание безопасности является также основным соображением в дизайне. Небоскребы не работали бы так хорошо без появления новых несгораемых строительных материалов в 1800-х. В наши дни небоскребы также снабжены оборудованием с современным оборудованием пожаротушения, которое тушит большинство пожаров, прежде чем они распространятся очень далеко. Это чрезвычайно важно, когда у Вас есть тысячи людей, живущих и работающих в сотнях метров выше безопасного выхода.
Архитекторы также обращают особое внимание на комфорт жителей здания. Эмпайр Стейт Билдинг, например, был разработан так, его жители всегда будут в пределах 10 метров от окна. У здания Commerzbank во Франкфурте, Германия, есть спокойные внутренние области с настоящим садом, построенные напротив офисных областей здания в поднимающейся спиральной структуре. Здание только тогда становится успешным, когда архитекторы сосредоточились не только на его структурной стабильности, но также и удовлетворении потребностей жителей и удобстве использования.
Сопротивление ветру
В дополнение к вертикальной силе тяжести, небоскребы также должны иметь дело с горизонтальной силой ветра . Большинство небоскребов может легко раскачиваться на несколько метров в любом направлении, как качающееся дерево, не повреждая их структурную целостность. Основная проблема с горизонтальным движением состоит в том, что оно затрагивает людей, находящихся внутри. Если здание перемещается на существенное горизонтальное расстояние, то люди сильно ощущают это воздействие.
Самый основной метод для управления горизонтальным воздействием заключается в ужесточении структуры. В точке, где горизонтальные балки примыкают к вертикальной колонне, строители сваривают их вершины и основания, а также стороны. Это делает всю стальную супер структуру значительно жестче, в сравнении с гибким скелетом.
Для более высоких небоскребов более жесткие связи уже не обеспечивают защиты от раскачивания. Чтобы воспрепятствовать этим сильным колебаниям, инженеры должны построить особенно мощные конструкции, проходящие через центр здания. В Эмпайр Стейт Билдинг, Chrysler Building и других небоскребах той эры, область вокруг центральных шахт лифтов укреплена крепкой стальной связкой, окруженной диагональными лучами. Новые здания имеют одно или несколько железобетонных ядер, встроенных в центр здания.
Создание более жестких зданий защищает их от землетрясения . В основном, все строительные конструкции небоскреба раскачиваются синхронно с горизонтальными колебаниями земли, таким образом, его стальной скелет не искривляется и не напряжен. Это помогает защитить структуру небоскреба, но может довольно сильно сказываться на людях, находящихся внутри и может также нанести большой ущерб мебели и оборудованию. Несколько компаний разрабатывают новую технологию, которая будет противодействовать горизонтальному движению здания, чтобы ослабить силу вибрации.
Некоторые здания уже используют создающие компенсацию ветру демпферы. Центр Citicorp в Нью-Йорке, например, использует настраивающийся массивный демпфер. В этой сложной системе масляные гидравлические системы выдвигают 400-тонный железобетонный груз назад и вперед на одном из верхних этажей, перемещая вес всего здания в горизонтальном направлении. Сложная компьютерная система тщательно контролирует, как ветер перемещает здание и соответственно смещает груз. Некоторые аналогичные системы перемещения веса здания основаны на движении гигантских маятников.
Вертикальные различия
Небоскребы бывают всех форм и размеров. Стальной скелет из колонн и балок делает их структуру чрезвычайно гибкой. Единственный реальный предел — воображение архитекторов и инженеров, которые создают детали небоскреба.
Самые ранние небоскребы, построенные в конце 1800-х, были примитивными коробками со стенами из камня и стекла. Архитекторам, которые построили эти здания, достаточно было их чрезвычайной, по тем временам, высоты. В начале 20 века, эстетика начала изменяться. Здания стали более высокими, и архитекторы добавляли экстравагантные готические элементы, скрывая квадратную стальную структуру внутри.
Движение арт-деко 1920-х, 30-х и 40-х расширило этот подход, создавая здания, которые выглядели как истинные произведения искусства. Некоторые самые известные небоскребы, включая Эмпайр Стейт Билдинг, пришли к нам из этой эры. Утилитарность вернулась снова в 1950-х, когда начал утверждаться интернациональный стиль. Как и у самых ранних небоскребов, у этих зданий был минимальный декор. Они были сделаны, главным образом, из стекла, стали и бетона.
С 1960-х годов много архитекторов применяли небоскреб в новых и неожиданных ракурсах. Одной из самых интересных — была комбинация нескольких вертикальных скелетных секций в одном здании. Сирс-Тауэр в Чикаго, самый известный пример этого подхода, состоит из девяти башен различной высоты.
Вперед и вверх
Право называться «самым высоким в мире» регулярно переходит от небоскреба к небоскребу. Это — один из самых захватывающих конкурсов в строительстве.
По общему мнению, гонка небоскребов далека от окончания. Есть более, чем 50 предложенных проектов, которые побили бы текущий рекорд. Но, на сегодня, эти более амбициозные здания, существуют пока только в теории. Действительно ли они возможны? Согласно некоторым техническим экспертам, реальное ограничение — деньги, а не технология. Супер высокие здания потребовали бы чрезвычайно прочных материалов и глубоко укрепленных оснований. Строительные команды должны были бы разработать системы транспортировки, чтобы поднимать материалы и бетон до высших уровней. Сооружение такого здания может обойтись в десятки миллиардов долларов.
Кроме того, были бы логистические проблемы с лифтами. Чтобы сделать верхние этажи в 200-этажном здании легкодоступными, Вы нуждались бы в большом количестве лифтов, которые займут большую площадь в центре здания. Одно из легких решений этой проблемы состоит в том, чтобы устроить лифты, таким образом, чтобы они проходили только через часть здания. Пассажиры, которые хотят поехать на вершину, доехали бы на одном лифте половину пути, вышли, а затем проехали бы на другом лифте остальную часть пути.
Эксперты разделились в том, как высоко мы можем действительно подняться в ближайшее будущее. Некоторые говорят, что мы могли построить здание высотой в 1609 метров с существующей технологией, в то время как другие говорят, что мы должны были бы разработать более легкие, более прочные материалы, более быстрые лифты и передовые демпферы, прежде чем эти здания стали бы реальностью. Будущие технологические достижения, очевидно, приведут к высотным городам.
Человечество просто вынуждено строить вверх в будущем, чтобы сохранить землю. Когда вы строите вверх, то можете сконцентрировать намного больше городских структур в одной небольшой площади, вместо того, чтобы распространиться в неиспользованные природные зоны. Города небоскребов также были бы очень удобны: Больше компаний и предприятий может быть сгруппировано в городе, уменьшая время на транспортные перевозки между ними.
Но главная сила, заставляющая устраивать гонку небоскребов, это человеческое тщеславие. Где монументальная высота когда-то чтила богов и королей, там она теперь прославляет корпорации и города — все хотят иметь самое большое здание на планете. Этот двигатель был основным фактором в развитии небоскреба за прошлые 120 лет и вряд ли что-то изменится в обозримом будущем.
Скоро выйдет громадная церковь на дереве, теперь небоскрёбы… Но ничего, главное, что это интересно 🙂
Как построить небоскрёб? На самом деле принцип очень прост: организовать фундамент, который способен выдержать миллионны тонн небоскрёба, построить каркас из стальных балок, ну а потом всё вообще элементарно — заполнить промежутки изоляционным и защитным материалом. Ну там окна вставить, двери…
И начнём мы строительство небоскрёба с фундамента. Фундамент — это несущая конструкция, часть здания, которая воспринимает все нагрузки от вышележащих конструкций и передает его на основание. В случае с небоскрёбами основание должно быть как можно более устойчивым. Желательно, чтобы оно было скальным, и в этом случае с фундаментом никаких проблем не возникает. Но что делать, если до скального основания ещё копать и копать? Или же скалы в месте установки небоскрёба вообще не предполагается? Здесь может помочь опыт стоительства высотных зданий в Москве и Нью-Йорке.
Многие считают, что Нью-Йорк стоит на скале. Утверждение по сути верное, но — остров Манхэттен в верхней своей части состоит из морских наносных пород, толщина которых колеблется от 15 до 40 метров, и только под ними уже находится скальное основание, способное удержать вес небоскреба.
Первые высотки пытались строить на деревянных сваях. Но мало того, что сваи гнили, мест, в которых сваи могли достигнуть скалы и передать на нее нагрузку было достаточно мало, да и находились эти места не всегда там, где дом окупился бы. Сплошные, несоставные стальные сваи большой длины не умели еще изготовлять, а скреплять их в продольном направлении не умели. Вычёрпывание всей песчаной массы в основании здания, даже с огораживанием котлована по периметру в условиях плотной застройки невозможно - любая протечка может привести к обрушению соседних зданий.
Проблема была решена достаточно просто, изящно, и с некоторыми дополнениями работает в сложных условиях до сих пор. Её решение предложил инженер-мостовик Чарльз Сойсмит. Например, сейчас так делают колодцы на дачах 🙂
Основной компонент сваеобразующего комплекса — это опускной колодец из бетонных колец. Внутри - или пара рабочих с отбойными молотками, или небольшой экскаватор. Порода вынимается с дна колодца деррик-краном (простейший кран, стрела на шарнире), а колодец под собственным весом, а также под весом специальных грузов, расположенных на его верхней части опускается, сверху надстраивается еще одно бетонное кольцо — и так, пока этот «вертикальный тоннель» не упрется в требуемое скальное основание. Затем экскаватор (и рабочие) извлекаются, и труба заполняется бетоном. Десяток подобных труб способны удержать небоскреб.
На рисунке вид в один из таких бетонных колодцев. Глубина около 30 метров, диаметр около 3 метров.
В местах с глинистыми грунтами (таких как в Чикаго или в Москва)проблемы устройства фундамента решаются гораздо проще. Поскольку глина - более плотный, чем песок, материал, то в этом случае фундаментом может служить монолитная бетонная плита, «плавающая» в грунте.
Итак, фундамент мы возвели. Теперь можно браться за создание каркаса из стальных балок — бимсов. Порядок возведения каркаса очень прост:
- Кран подаёт балку
- Специалист по временному креплению балки временно крепит балку
- Специалисты по клепанию постоянных заклёпок клепают постоянные заклёпки.
Цикл повторяется столько раз, сколько нужно для возведения каркаса. Как видите, всё проще некуда.
Но если всмотреться вглубь, то выплывет немало нюансов. Особенно если мы всмотримся не в современность (где всё примерно так, как описано в последовательности), а в тридцатые годы, в Нью-Йорк, когда возводились самые знаменитые небоскрёбы этого города:
- здание Крайслера
- Wall-Street-40
- Empire State Building
- и другие
Соответственно, вашему вниманию предлагаем небольшой, но поучительный рассказ о том, как возводился каркас небоскрёба в тридцатые годы прошлого века. И начнём наш рассказ со специалистов по временной фиксации балок и поговорим про работу крановой бригады.
Каркас небоскреба состоит из сотен стальных профилей длиной несколько метров и массой в несколько тонн, так называемых beams. Хранить их при строительстве небоскреба негде - никто не позволит организовать склад в центре города, в условиях плотной застройки, на муниципальной земле. Более того, все элементы конструкции разные, каждый может быть использован в одном единственном месте, поэтому попытка организации даже временного склада, например, на одном из последних построенных этажей может привести к большой путанице и срыве сроков строительства. Заказ на бимсы согласовывается с металлургами за несколько недель, грузовики подвозят их к месту строительства минута в минуту, независимо от погоды их необходимо разгрузить немедленно.
Разгруженные балки тут же поднимают к месту установки с помощью деррик-крана (уже упоминавшийся выше простейший кран — стрела с противовесом). Этот кран установлен на самом верху, на последнем завершённом этаже. Выше — только недостроенный верхний этаж, куда, собственно, и будет подаваться балка. Соответственно, оператор крана после определённого этажа просто не видит, что он поднимает — и куда он поднимает.
Единственный ориентир для управления краном - удар колокола, подаваемый подмастерьем по сигналу бригадира. Удар - включает мотор лебедки, удар — выключает. Рядом работают несколько бригад клепальщиков (о них — далее) со своими отбойными молотами, другие крановщики поднимают по командам своих колоколов другие бимсы. Соответственно, шум стоит адский, но ошибиться и не услышать удар нельзя - иначе бимса или протаранит стрелу крана, или сбросит с установленной вертикальной балки монтажников, готовящихся его закрепить и так далее.
Бригадир, управляя дерриком через двух операторов, одного из которых он не видит, добивается совпадения отверстий под клепку на установленных вертикальных балках с отверстиями на поднимаемом швеллере с точностью до 2-3 миллиметров. Только после этого пара монтажников может временно закрепить раскачивающийся, часто мокрый бимс огромными болтами и гайками.
Естественно, для этого монтажникам нужно залезть очень и очень высоко. Что очень и очень опасно. Плюс крановщик не видит, куда он балку суёт… Вот так:
Но всё когда-то заканчивается, и монтажники идут верменно крепить другие бимсы, а к работе над уже закреплёнными балками начинают работать специалисты по клепанию заклёпок, задача которых — создать надёжное соединение балки с балкой. Которое не разрушится и не сорвётся. Вот поэтому клепальщики — самая важная профессия при строительстве небоскреба.
Клепальщики — это каста со своими законами: зарплата клепальщика за рабочий день 15$, больше любого квалифицированного рабочего на стройке; они не выходят на работу в дождь, ветер или туман, они не числятся в штате подрядчика. Они не одиночки, они работают бригадами из четырех человек, и стоит одному из бригады не выйти на работу, не выходит никто. Почему же в разгар Великой депрессии на это смотрят сквозь пальцы все, от инвестора до прораба?
Всё дело в процедуре клёпки. И в том, что заклёпки нужно загонять в предназначенные для них отверстия горячими. Нагревание делает металл более пластичным — и его можно расклепать, то есть расширить высовывающуюся из отверстия часть металлического штыря так, чтобы она стала широкой и не выпадала. А заодно держала балку. С другой стороны, металл при нагревании расширяется, и если нагреть заклёпку слишком сильно… В общем, читаем как это происходило на практике:
На помосте из досок, или просто на стальных балках стоит угольная печь. В печи заклепки — десятисантиметровые в длину и трёхсантиметровые в диаметре стальные цилиндры. Один из бригады клепальщиков, "Повар", "варит" заклепки — небольшими мехами гонит в печь воздух, чтобы разогреть их до нужной температуры.
Когда заклепка прогрелась (не слишком сильно — не влезет в отверстие и придется его высверливать; и не слишком слабо — не расклепается), нужно передать заклепку туда, где она будет скреплять балки. Какая балка когда будет крепиться известно лишь предварительно, да и передвигать горячую печь в течение рабочего дня нельзя. Поэтому часто место крепления балки, куда нужно доставить всё ещё горячую заклёпку, находится от "повара" метрах в тридцати, иногда выше, иногда ниже на 2-3 этажа. Следовательно, остаётся единственный вариант.
Передать заклепку можно единственным способом — бросить. Это происходило следующим образом: "повар" поворачивается к "вратарю" и молча, убедившись, что вратарь готов к приему, щипцами бросает раскаленную докрасна шестисотграммовую болванку в его сторону. Иногда на траектории есть уже сваренные балки или другие рабочие, поэтому кинуть нужно только один раз, точно и сильно.
"Вратарь" — второй член бригады клепальщиков — стоит на узком помосте или просто на голой балке рядом с местом клепки. Его цель — поймать летящую железку обычной жестяной консервной банкой. Он не может двинуться с места, чтобы не упасть. Но поймать заклепку он обязан, иначе она маленькой бомбой рухнет на город.
Далее в дело вступают ещё два члена бригады клепальщиков — "стрелок" и "упор". Они ждут, пока горячая заклёпка не окажется у "вратаря". Далее "вратарь", поймав заклепку, загоняет ее в отверстие. "Упор" с внешней стороны здания, вися над пропастью, стальным стержнем и собственным весом удерживает шляпку заклепки. "Стрелок" 15-килограммовым пневматическим молотом в течение минуты расклепывает ее с другой стороны.
Лучшая бригада проделывает это фокус свыше 500 раз за день, средняя — около 250.
Итак, фундамент у нас есть, каркас тоже — теперь дело за заполнением каркаса. Но это и сейчас просто, и раньше с этим особо не заморачивались:
Страховка, наружу и вперёд, делать дело на благо общества.
Итак, теперь вы в общих чертах знаете, как построить небоскрёб. Остались лишь желание и детали 🙂
« Технология строительства небоскребов, первый небоскреб »
Первый в мире небоскреб имел всего 10 этажей, и его вряд ли можно было бы разглядеть среди современных городских зданий. Сегодня самые высокие небоскребы имеют более 100 этажей, а их высота превышает 400 метров. Уже много веков назад строители могли сооружать высокие соборы, однако небоскребы, предназначенные для размещения квартир и офисов, появились только в конце 19-ого века. Несмотря на потребность в более высоких жилых зданиях в переполненных центрах больших городов, необходимо было решить две проблемы: разработать безопасные методы высотного строительства и найти способ добираться до верхних этажей без одышки.
(Небоскребы образуют неповторимую линию горизонта на острове Манжэттэн, Нью-Йорк. Этот остров состоит из сплошного гранита, который служит идеальным основанием для части самых высоких в мире зданий.)
Каркасная конструкция
Традиционные здания имели несущие стены, поддерживающие всю конструкцию, и поэтому стены первых этажей высоких зданий должны были быть необычайно толстыми. Со времен был разработан новый метод строительства - т. н. каркасная конструкция. Для поддержки здания использовался стальной каркас, так что даже в небоскребах все стены можно было делать относительно тонкими.
(Свайные копры на площадке под строительство небоскребы. Забитые в землю стальные сваи используют для того, чтобы перенести вес здания на сплошное скальное основание под поверхностным слоем грунта.)
Лифты
Но оставалась другая проблема. Трудно было ожидать, что люди станут пешком подниматься на самый верх высокого здания. Пять этажей в домах с лестницами считались пределом. Идея лифта восходит к Древней Греции. Конструкторские разработки привели к появлению лифтов в зданиях в начале Х I Х в., однако первые образцы были крайне несовершенными. Одни лифты оказались раздражающе медленными, а те, что двигались быстрее - небезопасными: их тросы часто обрывались, что приводило к травмам. Поэтому первые лифты в зданиях устанавливались в основном для транспортирования грузов между этажами. Пассажирские лифты появились в 50-х годах Х I Х в. после того, как американский инженер Элайша Отис изобрел автоматическое предохранительное устройство. Оно предотвращало аварию лифта при разрыве тросов. Чтобы продемонстрировать надежность этого изобретения, Отиса подняли в лифте, после чего тросы разрезали. Вместо того чтобы рухнуть вниз, лифт дернулся путь вниз, лифт дернулся, но остался висеть, застопорившись благодаря предохранительному механизму. Эта демонстрация имела большой успех, и вскоре наряду с созданием каркасных конструкций использование пассажирских лифтов позволило начать строительство высоких зданий. Первым зданием, получившим статус небоскреба, был Хоум-иншуренс-билдинг в Чикаго (США). Это 10-этажное здание со стальным каркасом построили в 1885 г., а уже в 1931 г. снесли: к тому времени то, что раньше считалось умопомрачительно высоким, оказалось совсем небольшим. В том же году в Нью-Йорке был открыт Эмпайр-стейт-билдинг. При высоте в 381 метр (плюс 67-метровая антенна на крыше) это 102-этажное здание на протяжении 40 лет оставалось рекордсменом высоты. Небоскребы строят в Чикаго и Нью Йорке, поскольку цены на землю в этих городах настолько высоки, что выгоднее строить «башни», чем покупать больше земли и получать ту же площадь в более низких и широких зданиях. Долгое время казалось, что Чикаго и Нью-Йорк соревнуются за звание города с самыми высокими зданиями в мире, но теперь в эту гонку вступил Дальний Восток, и первое место занимает Куала-Лумпур- Шанхай.
(Стальной каркас для поддержания конструкции используется для того, чтобы стены не несли всей нагрузки и, следовательно, могли быть выполнены относительно тонкими.)
Ограничения
Высоту зданий ограничивают различные факторы. К примеру, «лес» из небоскребов на Манхэттэне (Нью-Йорк) невозможно устроить в Лондоне из-за различий в свойствах грунта. Остров Манхэттэн представляет собой громадную глыбу твердого гранита, а Лондон стоит на пласте мягкой глины, которая не выдержит зданий с высотой более 60 этажей. Еще одним фактором является ветер. Когда сильный ветер ударяет в небоскреб, на основание здания воздействует значительная сила. Чем выше здание, выступающее выступающее в данном случае рычагом, тем больше эта сила. Она возрастает примерно пропорционально квадратурату высоты, то есть сила ветра, действующая на 100-этажное здание, в 4 раза больше, чем на 50-этажное. Архитекторам приходится проектировать здания, которые могли бы противостоять непогоде: например, ураган может воздействовать на боковую сторону высокого небоскреба с усилием 15000 тонн. По этой причине высокие здания нуждаются в более прочных фундаментах. Необходимость перемещаться с этажа на этаж также ограничивает высоту. Небоскребы обычно вмещают большое количество людей, а долгое ожидание лифта в наш век скоростей неприемлемо. Поэтому в высоких зданиях устанавливают большее количество лифтов.
(Строительство офисов Гонконгско-Шанхайской банковской корпорации. Этот небоскреб имеет стальной наружный каркас, балки которого заполнены водой для предотвращения пожара.)
Колебания
Помимо того, что ветер оказывает на небоскреб значительное боковое воздействие, он может вызывать разрушительные колебания. Это часто происходит в местах, где на уровне земли ветры дуют по узким улицам через просветы между небоскребами. Как и любая другая конструкция, небоскреб обладает собственной частотой колебаний. Это тот уровень, при котором здание начинает колебаться под воз действием, например, ветра. Именно поэтому при сильном ветре некоторые небоскребы раскачиваются настолько сильно, что люди, находящиеся на верхних этажах, ощущают движение пола. В экстремальных случаях такие колебания сильно повреждают здания. К примеру, в 1974 г. из 60-этажного небоскреба Джон-Хэнкок-тауэр в Бостоне (США) выпали и разбились оконные стекла, когда здание стало раскачиваться на ветру. Когда здание изгибалось в одну сторону, оконные рамы на внешней части изгиба растягивались и стекла выпадали. При противоположном наклоне, рамы сжимались, и уцелевшие стекла лопались под давлением. Иногда на крышах небоскребов устанавливают массивные грузы, расположенные так, чтобы действовать в качестве противовесов. Когда здание начинает раскачиваться в одном на правлении, грузы движутся по рельсам, изменяя точку своего воздействия и помогая погасить движение здания, когда оно раскачивается в обратную сторону. Обычно это предотвращает опасное увеличение колебаний. Из-за большой площади, занимаемой зданиями, давление ветра, пробивающегося через промежутки между ними, иногда настолько велико, что валит пешеходов с ног. Такие ветры могут также проникать в высокие здания на уровне земли и подниматься вверх по шахтам лифтов, нанося значительный ущерб. Это одна из причин, почему шахты лифтов во многих небоскребах не проходят по всей высоте здания; вместо этого лифты работают парами: один обслуживает нижние, а второй - верхние этажи.
(Высокому зданию нужен глубокий фундамент.)
Ветрозащитные барьеры
Еще одна мера предосторожности заключается в наличии входных дверей-вертушек. Обычные двери могут позволить сильному ветру проникнуть внутрь, тогда как двери-вертушки обеспечивают практически полню воздухонепроницаемость. Перед началом постройки небоскреба архитекторы производят компьютерное моделирование проекта. Значения прочности материалов и деталей конструкции вводятся в компьютер, который может просчитать, как здание отреагирует на сильный ветер и другие внешние факторы - например, толчки при землетрясении. В случае необходимости проект корректируется с тем, чтобы повысить эксплуатационные качества здания, и проводятся дальнейшие исследования на масштабных моделях. Иногда в ходе этих испытаний обнаруживаются неожиданные проблемы. К примеру, в ходе испытания 1,4-метровой модели высокого здания в аэродинамической трубе, верхушка модели начала опасно колебаться. Измерения показали, что верхние этажи настоящего здания ходили бы из стороны в сторону на расстояние более 20 м в течение одной минуты. К счастью, компьютерное моделирование и аэродинамические испытания обычно устраняют основные недоработки проекта еще до начала строительства. Вдобавок эти тесты помогают современным архитекторам уменьшить степень избыточности или чрезмерной конструкционной прочности здания и, тем самым, уменьшают количество средств, затрачиваемых на стальные конструкции.
(Колебания, вызванные ветром, можно уменьшить путем установки на крыше грузов, движущихся по рельсам асинхронно по отношению к движению самого здания. Это нейтрализует опасные нагрузки, вызванные колебаниями.)
Жизнь наверху
Некоторые небоскребы представляют собой довольно мрачные сооружения, где жителей не покидает ощущение, что настоящая жизнь проходит далеко внизу. Однако хорошо спроектированные небоскребы могут предоставить своим обитателям высокий уровень комфорта. Почти во всех из них есть своя служба безопасности, что помогает уменьшить уровень преступности в этих мини-городах. Некоторые здания также предоставляют настолько широкий спектр услуг, что практически все необходимое находится в двух шагах. Вы можете отправиться на лифте в кинотеатр или библиотеку, за покупками в супермаркет на другом этаже или на тренировку в бассейн или спортзал. Некоторые даже ездят в лифте на работу, поскольку и жилье, и офис находятся в одном здании. Иногда за время поездки в лифте может измениться погода - верхушка небоскреба еще залита солнцем, а ниже уже висят тучи и льет дождь.
(Элегантное здание компании IBM в Париже - приятное отклонение от "блочной" формы многих небоскребов.)
Опасность пожара
Потенциальная опасность очень высокого здания заключается в невозмож ности быстрой эвакуации всех обитателей в случае возникновения пожара. Следовательно, небоскреб должен иметь встроенные системы пожаротушения, готовые немедленно сработать при обнаружении опасной концентрации дыма или высокой температуры. Огромные резервуары с водой размещены в верхней части здания для питания спринклерных систем; датчики, установленные по всему зданию, автоматически включают разбрызгиватели воды, расположенные на потолках. Противопожарная система также может закрывать огнестойкие двери, предотвращающие распространение огня из области возгорания на дру гие части постройки. В случае пожара шахты лифтов могут действовать как мощные дымоходы, вытягивая вверх пламя и дым и распространяющие огонь на другие этажи, поэтому лифты приходится отключать.
(Благодаря своему цвету этот небоскреб в Нью-Йорке меньше выделяется на фоне, чем другие здания.)
Компьютерный контроль
Для управления спринклерными системами и пожарной сигнализацией используются компьютеры. Они же управляют освещением, отоплением и системами безопасности в небоскребах. Здания, устроенные таким образом, называются «умными», поскольку управляют своим собственным функционированием и не требуют повседневного вмешательства людей. Многие небоскребы строятся исключительно под офисы. Это облегчает управление некоторыми службами, поскольку большинство работников приходят и уходят в одно и то же время. Например, можно установить простую систему с заданным временем действия для центрального отопления с тем, чтобы в зимнее время она включалась в рабочие часы и выключалась на всю ночь. Лифты, противопожарные системы, отопление и освещение зависят от наличия электроэнергии. При внезапном ее отключении жителям придется выбираться из здания по темным лестницам. Во избежание подобных ситуаций каждый небоскреб оборудован собственным генератором, который включается при отказе основного питания.
(Крайслер-билдинг в Нью-Йорке занимает сегодня 17-е место в списке самых высоких зданий в мире. Сооружение возведено в 1930 году и имеет 77 этажей (319м.), занятых офисами. Высота Сирс-тауэр в Чикаго 110 этажей.)
См. также:
В крупных городах много небоскребов, которые зачастую становятся настоящим украшением города. В большинстве случаев на строительство таких сооружений толкает нехватка свободного места и рост населения крупных городов. Сооружения высотой более 75 метров относятся к числу сложных и опасных, а потому строительство небоскребов существенно отличается от процедуры возведения простых многоэтажных домов.
Участок под строительство небоскреба подобрать непросто, потому, как такое сооружение оказывает на почву большое давление. Специалисты проводят длительные работы по исследованию грунтов, обязательно в расчет специалисты берут и то, что несколько этажей такого здания будут располагаться в подземной части.
Для строительства небоскребов используются современные материалы, обладающие высокими показателями прочности. Такие материалы как кирпич и бетонные плиты не подходят потому, как они не выдерживают высоких нагрузок, и такое строение быстро рухнет. В большинстве случаев при возведении высотных сооружений выстраивают плитно-свайный фундамент, а стены его строят из монолитного высокопрочного железобетона. Используют при строительстве и соединение арматурных стержней .
Внутренняя планировка небоскребов также существенно отличается от планировки в простых многоэтажных домах. Построение их продумывается таким образом, чтобы в случае пожара пламя не перебрасывалось на остальные части высотного сооружения и люди в кратчайшие сроки могли покинуть небоскреб. Для этого еще во время строительства эти сооружения делятся специальными противопожарными преградами на отдельные блоки.
В небоскребе устраивается от четырех шахт лифта, причем, всегда один лифт подключается к источнику бесперебойного питания. Лестничные пролеты располагают таким образом, чтобы в случае пожара в них не попадал дым и не мешал людям покидать небоскреб. В квартиры всегда устанавливаются двойные двери, которые не пропускают сквозняки, образующиеся из-за неравномерного прогревания стен такого здания по высоте.
Не похоже и техническое оснащение небоскребов. При обустройстве системы электроснабжения мастера стараются максимально снизить потребление электроэнергии. С первого этажа небоскреба и до последнего закачать воду не получается, и чтобы все здание получило воду приходится на каждом десятом или пятнадцатом этаже устанавливать насосные станции. Обязательными в небоскребах являются система принудительной вентиляции и автономное кондиционирование.
Современный человек не обходится без автомобильного транспорта, а потому в большинстве случаев в подземной части небоскреба устраивается многоуровневая парковка.
Понравилась эта новость? Тогда жми .
В 1884 году в Чикаго было начато строительство первого небоскреба. В нем было аж целых 10 этажей! Однако уже в начале следующего века 10-этажным домом было никого не удивить, а главное строительство небоскребов в Америке переместилось в Нью-Йорк.
Многие видели фотографию сидящих на балке строителей где-то высоко в небе над городом, она часто встречается на постерах и обложках. И конечно, с замиранием сердца задавались вопросом: как? Как они туда попали и как они могут не дрожать от страха, а преспокойно есть свой ланч? Итак, этот пост о том, как строились небоскребы в Нью-Йорке.
Lunchtime atop a Skyscraper («Обед на вершине небоскреба») - фотография из серии Construction Workers Lunching on a Crossbeam - 1932 фотографа Charles C. Ebbets.
Такое чудо, как небоскреб, не стало бы возможным без изобретения стального каркаса. Сборка стального каркаса здания - самая опасная и сложная часть строительства. Именно качество и скорость сборки каркаса определяет, будет ли проект реализован в срок и в рамках бюджета. Вот поэтому клепальщики - самая важная профессия при строительстве небоскреба.
Клепальщики - это каста со своими законами: зарплата клепальщика за рабочий день - 15 долларов, больше, чем у любого квалифицированного рабочего на стройке; они не выходят на работу в дождь, ветер или туман, они не числятся в штате подрядчика. Они не одиночки, они работают бригадами из четырех человек, и стоит одному из бригады не выйти на работу, не выходит никто. Почему же в разгар Великой депрессии на это смотрят сквозь пальцы все, от инвестора до прораба?
На помосте из досок или просто на стальных балках стоит угольная печь. В печи заклепки - 10-сантиметровые в длину и 3-сантиметровые в диаметре стальные цилиндры. «Повар» «варит» заклепки - небольшими мехами гонит в печь воздух, чтобы разогреть их до нужной температуры. Заклепка прогрелась (не слишком сильно - провернется в отверстии и придется ее высверливать - и не слишком слабо - не расклепается), теперь нужно передать заклепку туда, где она будет скреплять балки. Какая балка когда будет крепиться, известно лишь предварительно, да и передвигать горячую печь в течение рабочего дня нельзя. Поэтому часто место крепления находится от «повара» метрах в тридцати, иногда выше, иногда ниже на два-три этажа.
Передать заклепку можно единственным способом - бросить.
«Повар» поворачивается к «вратарю» и молча, убедившись, что «вратарь» готов к приему, щипцами бросает раскаленную докрасна 600-граммовую болванку в его сторону. Иногда на траектории уже сваренные балки, кинуть нужно один раз, точно и сильно.
«Вратарь» стоит на узком помосте или просто на голой балке рядом с местом клепки. Его цель - поймать летящую железку обычной жестяной консервной банкой. Он не двигается с места, чтобы не упасть. Но поймать заклепку он обязан, иначе она маленькой бомбой рухнет на город.
«Стрелок» и «упор» ждут. «Вратарь», поймав заклепку, загоняет ее в отверстие. «Упор» с внешней стороны здания, вися над пропастью, стальным стержнем и собственным весом удерживает шляпку заклепки. «Стрелок» 15-килограммовым пневматическим молотом в течение минуты расклепывает ее с другой стороны.
Лучшая бригада проделывает это фокус свыше 500 раз за день, средняя - около 250.
Опасность этой работы можно проиллюстрировать следующим фактом: каменщики на стройке страхуются по ставке 6% от зарплаты, плотники - 4%. Ставка клепальщика - 25-30%.
На здании Крайслера погиб один человек. На Wall-Street-40 погибло четверо. На Empire State - пятеро.
Каркас небоскреба состоит из сотен стальных профилей длиной несколько метров и массой в несколько тонн, так называемых beams. Хранить их при строительстве небоскреба негде - никто не позволит организовать склад в центре города, в условиях плотной застройки, на муниципальной земле.
Более того, все элементы конструкции разные, каждый может быть использован в одном-единственном месте, поэтому попытка организации даже временного склада, например на одном из последних построенных этажей, может привести к большой путанице и срыве сроков строительства.
Именно поэтому, когда я писал, что работа клепальщиков самая важная и самая сложная, я не упоминал, что она к тому же самая опасная и тяжелая. Работа тяжелее и опасней, чем у них - работа крановой бригады.
Заказ на бимсы был согласован с металлургами еще несколько недель назад, грузовики подвозят их к месту строительства минута в минуту. Независимо от погоды, их необходимо разгрузить немедленно.
Деррик-кран - стрела на шарнире, находится на последнем построенном этаже, монтажники - этажом выше. Оператор лебедки может находиться на любом этаже уже построенного здания, ведь никто не собирается останавливать подъем и отвлекать другие краны для поднятия тяжелого механизма на несколько этажей повыше для удобства монтажников. Поэтому, поднимая многотонный швеллер, оператор не видит ни саму балку, ни машину, которая ее привезла, ни своих товарищей.
Единственный ориентир для управления - удар колокола, подаваемый подмастерьем по сигналу бригадира, находящегося вместе со всей бригадой десятками этажей выше. Удар - включает мотор лебедки, удар - выключает. Рядом работают несколько бригад клепальщиков со своими молотами (вы слышали когда-нибудь шум отбойного молотка?), другие крановщики поднимают по командам своих колоколов другие швеллеры. Ошибиться и не услышать удар нельзя - швеллер или протаранит стрелу крана, или сбросит с установленной вертикальной балки монтажников, готовящихся его закрепить.
Бригадир, управляя дерриком через двух операторов, одного из которых он не видит, добивается совпадения отверстий под клепку на установленных вертикальных балках с отверстиями на поднимаемом швеллере с точностью до 2-3 миллиметров. Только после этого пара монтажников может закрепить раскачивающийся, часто мокрый швеллер огромными болтами и гайками.
В на 6-й авеню есть памятник этим ребятам, установлен в 2001 году. Моделью стала самая известная фотка, она здесь в превью первая. Так вот, сделали памятник сначала точно так, как на фото, т.е. 11 чуваков сидят на балке. А потом самого крайнего справа убрали под корень. И только из-за того, что у него в руках бутылка виски! Я понимаю, если б это сделали у нас во времена Горбачева, но у них в 2001-м! Видимо, не хотели разрушать легенду про бравых парней. Теперь это десять вполне приличных ребят, сидящих на стальной балке. Нормально. Но как-то обидно.
Памятники отважным строителям
