Особенности высотного домостроения

Системы автоматизации и диспетчеризации.

Современная технология строительства  зданий подразумевает наличие большого количества инженерных систем: освещения, противопожарных, охраны и безопасности, вентиляции и кондиционирования  и т.д. Средства автоматизации и  диспетчеризации обеспечивают надежную и безотказную работу этих систем. Кроме того, указанные средства позволяют  обеспечить снижение расходов на эксплуатацию за счет уменьшения энергопотребления  и повышения надежности работы оборудования. По оценкам специалистов, срок окупаемости  систем автоматизации и диспетчеризации  составляет от 3 до 5 лет. 

Большое количество инженерных систем в высотных зданиях требует  принятия взвешенных и грамотных  решений еще на стадии проектирования. Для достижения хороших результатов  и постройки качественного здания требуется участие всех специалистов на самых ранних этапах. Такой подход позволяет учитывать и решать все возникающие проблемы, выполнять  проектирование на качеств. уровне.

Высотные здания. Особенности  проектирования, строительства и  мониторинг фундаментов

11.02.2010 

Владимир  Кравцов

Архитектура и строительство №1 (212) 2010 г.

Введение

С момента принятия ТКП 45–3.02–108–2008 “Высотные здания. Строительные нормы проектирования” (далее ТКП 108) прошло не так много времени, чтобы документ смог получить серьезную проверку практикой и объективную оценку заложенных в него принципов. Однако уже сегодня ясно, что основные его положения оказались очень важными и оправданными.

Взметнувшийся в небо высотный силуэт – не только яркая отличительная и запоминающаяся особенность архитектуры любого города, но и символ успеха, экономической мощи и уровня технологического прогресса. Поэтому во всем мире, включая Беларусь, интерес к строительству высотных зданий, в том числе высотных жилых и многофункциональных комплексов, не ослабевает. В ряде случаев (для таких городов, как Нью-Йорк, Токио, Шанхай и др.) он вызван экономическими, но чаще политическими соображениями, т.к. вложенные в эти сооружения средства, как правило, не окупаются [1, 2]. Немалую роль здесь играют такие факторы, как амбиции, имидж и престиж. Это касается не только отдельных компаний-монополистов, но и стран, претендующих на техническое лидерство в современном мире. В то же время активная тенденция к строительству высоток в жилом секторе отсутствует и в Европе, и в США [1, 2]. По своему назначению новые высотные объекты Европы – в основном здания общественного назначения: административные, офисно-деловые, торговые центры.

Единого определения понятия “высотный дом” в настоящее время не существует. На I Международном симпозиуме СИБ (1971 г.) к высотным решено относить здания выше 100 м (или 30 этажей), в РФ – от 75 до 150 м, а согласно skyscraper.com – от 30 м (7–10 этажей). Международная практика показывает, что исходя из технических, экономических возможностей, условий охраны природы и здоровья людей в разное время, в разных странах понятие “высотное здание” имеет разное значение.

Согласно ТКП 108 высота жилых  зданий в Беларуси определена 75–100 м, общественных и многофункциональных – 50–200 м.

Ограничение высоты в жилом  секторе в первую очередь обусловлено  тем, что 100 м – это нижняя отметка над городами страны облачности и смога, которые существенно ухудшают условия проживания в этой зоне по причине “морской”, или высотной, болезни, чреваты ростом заболеваемости от концентрирующихся в верхней части высотных сооружений вредной бактериальной и канцерогенной сред.

По сложности, проблематичности проектирования, возведения, эксплуатации, влияния на окружающую среду и  людей высотки можно отнести  к строениям повышенной опасности  и сложности [1–3]. Здания выше 75 м требуют совершенно иных подходов к проектированию. Не зря в этой специфической отрасли работает небольшое количество компаний: немногим более десятка – в США и около десяти – в Европе и Азии (в основном в Японии).

Но даже у западных фирм с большим опытом высотного строительства  возникает множество проблем  и неувязок, которые приходится постоянно  решать на всех стадиях строительства. К ним, в частности, относятся конструктивно-технологические и организационно-экономические аспекты: сложности с устройством оснований, фундаментов, лифтов и сетей, подачей воды, энергии, отводом канализационных отходов, мусора, перемещением материалов, людей, их эвакуацией и др. В этом плане показателен пример самого высокого (более 800 м) в мире здания (г. Дубаи), возведение которого тормозилось не только по экономическим, но и по техническим причинам.

Сегодня в мире нормативы  по высотному строительству отсутствуют. Поэтому разработанные в России, Украине, а теперь и в Беларуси нормативные документы являются неординарным событием не только в отечественной, но и мировой практике. В них заключен как современный мировой опыт, так и опыт бывшего СССР.

До 1990-х гг. 7 московских высоток (здание МГУ – до 239 м) не имели себе равных в Европе. Уникальны высотные сооружения, возведенные в Москве по Калининскому проспекту, здания СЭВ, Дом правительства, “Триумф Палас”, Останкинская телебашня, а также плотины, гидро- и атомные электростанции, домны, элеваторы, вышки и др., построенные в свое время в СССР, которые по нагрузкам и сложности возведения не уступают высотному домостроению. Опыт, проверенный практикой, нашел свое отражение в нормативной базе бывшего Советского Союза, правопреемником которой наряду с другими республиками является и наша страна.

В Беларуси имеется и собственный  современный опыт проектирования и  возведения зданий повышенной этажности  до 75 м включительно и уникальных сооружений, в числе которых Национальная библиотека, Минск-Арена, Летний амфитеатр  в Витебске и др. По конструкциям, материалам и технологиям возведения они соответствуют мировому уровню.

Но, как показывает практика, наработанный опыт и знания не могут  на 100% оградить от неопределенности и  риска непредвиденных затрат, конструктивно-технологических  проблем, природных, техногенных и  террористических вызовов, которые  ожидают всех участников строительного  процесса (инвесторов, проектировщиков, строителей, эксплуатационщиков) при строительстве каждого нового высотного здания. Потому что всякий раз оно возводится в новых условиях, требует индивидуального подхода и учета, как указано в Еврокоде, национальных особенностей законодательства и нормативной базы при проектировании.

При разработке ТКП 108 коллектив  авторов, сформированный Минстройархитектуры РБ, руководствовался главным принципиальным требованием – надежность и безопасность проектируемых конструкций “нулевого цикла” (основания, фундаменты, подземная часть, котлованы) и надземной части высотных зданий. Особое внимание при проектировании, возведении и эксплуатации ВЗ должно уделяться обеспечению надежности оснований и фундаментов в связи с большой изменчивостью и неопределенностью свойств грунтов, влиянием природных факторов.

1. Инженерные  изыскания для высотного строительства

Полнота (объем, состав) и  качество инженерных геотехнических изысканий (ИГИ) напрямую связаны с надежностью  проектируемого высотного здания (ВЗ) и вытекают из их основных уникальных геотехнических особенностей. Это:

1 – большие комбинированные нагрузки на основание (горизонтальные, вертикальные, моментные), как правило, приложенные со значительным эксцентриситетом, до млн кН; большая площадь фундамента (до 10 000 м²) и наличие подземной многоэтажной части (глубина котлованов до 20 м и более), вовлекающие в зону их влияния большие неравномерно сжимаемые массивы грунта (давление на основание от 0,5 до 1,5 МПа);

2 – неоднородность напряженно-деформированного состояния (НДС) основания (толщина сжимаемого массива грунта до 100 м, зона воронки оседания за пределами контура ВЗ до двух ширин здания); неравномерная сжимаемость основания, вызывающая неоднородные деформации несущих конструкций и фасада здания, и др.;

3 – значительное влияние природных и случайных факторов (повышенные ветровая и сейсмическая нагрузки, солнечная радиация, удары молний, взрывы, пожар и др.), в т.ч. наличие в составе оснований потенциально опасных во времени специфических и слабых грунтов (карст, известняк, биогенные, тиксотропные, пылевато-глинистые и др.), а также гидрогеологических явлений и др.

Цель инженерных и геотехнических изысканий (ИГИ) – получение всей необходимой информации (в т.ч. по изысканиям прошлых лет) на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации ВЗ для надежного и рационального проектирования, подготовки территории, исключения рисков от негативных процессов и необратимых изменений, связанных с баражным эффектом, подтоплением, суффозией грунтов, неоднородностью НДС основания, сейсмическими, ветровыми и другими воздействиями на его конструкции.

В процессе ИГИ необходимо также выявить и изучить все  факторы, имеющие определяющее значение при оценке устойчивости основания  от сейсмических и геодинамических  воздействий, динамики подземных вод, наличия слабых глинистых и суффозионно-неустойчивых песчаных грунтов и др. Должны быть определены прочностные и реологические  характеристики грунтов, дана оценка устойчивости основания и склона, а в необходимых  случаях организованы стационарные наблюдения.

Вышеуказанные особенности  предопределяют специфику и задачи ИГИ по получению информации о  геологическом строении, составе, свойствах  грунтов, протекающих природных, техногенных  процессах и обусловливают необходимость  корректировки традиционных методов  инженерных изысканий по СНБ 1.02.01 [4], разработанных и сложившихся  в эпоху массового типового строительства  зданий (не выше 12–20 этажей, передающих на грунтовое основание нагрузки, как правило, не более 0,2–0,3 МПа с активной зоной влияния, не превышающей 15–20 м), в сторону их ужесточения.

В связи с этим в ТКП 108 предусмотрено, что техническое  задание (ТЗ) разработчика проектной  документации согласовывается не только заказчиком, но и государственной  экспертизой и инвестором, а для  составления ТЗ, программы и проведения изысканий рекомендуется привлекать специализированные и научно-исследовательские  организации.

Кроме того, объем и состав изысканий следует уточнять в процессе их выполнения в сторону ужесточения по требованию заказчика экспертизы или специальных технических условий по разделу 1 ТКП 108 и согласно 4.3.12 СНБ 1.02.01.

Уже на стадии инвестиций в  строительство (предпроектной стадии) необходимо предъявлять повышенные требования к детальности обследования оснований, назначению состава и объема инженерных изысканий. Для этого программу следует разрабатывать с использованием предварительного архитектурно-планировочного решения, а затем уточнять объемы и состав изысканий по мере разработки проектной документации и появления новых данных при последующих изысканиях. Для получения более точной информации о строении, состоянии и физико-механических свойствах грунтов основания ВЗ в ТКП 108 предусмотрено увеличение числа и глубины инженерно-геологических скважин (до 100 м) и уменьшение расстояния между ними (не более 20 м), обязательное выполнение статического и динамического зондирования, включение в состав изысканий геофизических исследований.

Именно на стадии инвестиций в строительство (предпроектной), определяющей условия проектирования и жизни высотных зданий, необходимо затратить не менее 60% от всех средств на изыскания и проводить геотехническую экспертизу материалов изысканий, проекта и мониторинг строительства согласно приложениям Г и Д ТКП 108.

На последующих стадиях  ИГИ (проектная и рабочая документация) глубину разведочных скважин  допускается назначать не более  глубины активной зоны фундаментов  Н_с с отбором образцов для лабораторных исследований и проводить полевые испытания грунтов (частично со дна котлована) с целью получения необходимых расчетных характеристик грунтов для оценки возможной осадки и устойчивости массива грунтов основания и др.

Как отмечалось, фундаменты ВЗ имеют значительные размеры и  передают на грунт большие нагрузки. В связи с этим в активную зону их влияния попадают грунты с различной  сжимаемостью, что приводит к неравномерным  осадкам в 3–5 см при средней общей осадке в 20–30 см, которые могут вызывать наклон здания, превышающий допустимый предел отклонения от вертикали 1/500:1/600. Это обстоятельство обусловило необходимость существенного сгущения сетки горных выработок для оценки сжимаемости массива грунта как по глубине, так и по простиранию ниже подошвы фундамента.

Количество скважин для  обоснованной оценки ИГИ площадки зависит  от типа фундамента (плитный, свайный, плитно-свайный), его размера и  прилегающей территории. Учитывая это, в ТКП 108 в пределах контура фундамента буровые скважины предусмотрены  с шагом не более 20 м и общим  количеством не менее 5, а за пределами контура застройки на расстоянии порядка 20–30 м от грани фундамента и не менее 4. В то же время глубина разведочных скважин должна быть такой, чтобы охарактеризовать грунты в активной зоне воздействия здания на массив грунта и вскрыть ниже активной зоны Н_с толщу грунтов (в т.ч. тектонические плиты), могущих повлиять на условия строительства или проявиться негативным образом в процессе эксплуатации здания (например, за счет наличия растворимых, закарстованных грунтов, известняков, возможности появления наведенной сейсмичности и т.п.).

Предельные  дополнительные деформации существующих сооружений