Общие проблемы проектирования и строительства

Высотное здание как архитектурное сооружение можно рассматривать в виде системы различных составляющих: функционального назначения, архитектурного и конструктивного решения, применяемых инженерных систем и оборудования, все решения принимаются с учетом природных воздействий. Так, функциональное назначение обозначает не только собственно эксплуатацию, а иноке условия для потребителей объекта, объемно- пространственная архитектурная форма включает в себя все эстетические и художественные составляющие (качественного, субъективного характера), от принятых объемно-пространственных и конструктивных решений зависят размеры помещений, их расположение и структуре здания; конструктивное решение представляет совокупность всей материальной системы здания, с помощью которой достигаются цели, поставленные функциональным назначением и архитектурным решением; инженерные системы и оборудование служат для достижения комфортных условий для проживающих или работающих в здании. Большое значение имеют природные условия строительства - горизонтальные ветровые нагрузки, температурно- влажностный и солнечный режимы окружающей среды. Наружные конструкции здания должны воспринимать разницу в температуре. а1моеферном давлении и влажности между внешней и внутренней средой. От природных воздействий в значительной мере зависит применение гой или иной системы наружного ограждения и, в частности, принятие фасадной системы, систем отопления, кондиционирования и холодоснабжения.

Каждый из элементов системы высотного здания взаимосвязан и имеет взаимовлияние относительно друг друга, при этом между ними должны быть достигну ты уравновешенность и гармония. Основным решением при рассмотрении всего высотного объекта должна стать его целостность, образованная этими составляющими.

При этом нельзя говорить о полной свободе выбора объемно- пространственного решения высотного здания без учета многих факторов, обеспечения условий и требований - природных, функциональных, архитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технических, а также мероприятий, связанных с комплексной безопасностью, противопожарными и санитарно-гигиеническими нормами. Необходимость комплексного учета всех факторов, влияющих на формирование архитектуры высотных зданий, их размещение и путей возможного решения, отметил Норман Фостер: «Проблемы окружающей среды воздействуют на архитектуру на каждом ее уровне. Половина потребления энергии в развитых странах приходится на здания и еще четверть - на транспорт. Архитекторы не могут решить все мировые экологические проблемы, но мы можем проектировать здания, требующие только часть потребляемой ныне энергии. Расположение и функциональное назначение сооружения, его конструктивная гибкость и технологический ресурс, ориентация, форма и конструкция, его системы обогрева и вентиляция, характеристики используемых при строительстве материалов - все эти параметры влияют на количество энергии, требующейся для возведения, эксплуатации и технического обслуживания здания, а также для транспорта, движущегося к нему и от него».

Проектирование, строительство и эксплуатация высотных зданий представляют комплекс сложных архитектурно-технических проблем. Для их решения необходим всесторонний учет различных факторов, влияющих на формирование архитектуры высотного здания. Форма, пространство, функции, материалы, конструкции и техника должны взаимодействовать друг с другом и определять единую архитектурно-конструктивную и инженерно-техническую концепцию.

Основным фактором, влияющим на формирование архитектуры высотного здания, является его функциональное назначение, поскольку оно определяет условия для потребителей объекта; архитектурное решение (форма) включает в себя все эстетические и художественные составляющие (качественного, субъективного характера) с учетом природно-климатического воздействия; конструктивное решение, инженерно-техническое оборудование и включает в себя всю материальную систему. Как отмечает Э. Цайдлер, «для любой функции необходимо определенное пространство, где она могла бы развиваться, однако функция не должна быть единственным источником архитектурного выражения формы. До определенной степени одни и те же функции могут быть выражены в разных формах, но встречаются случаи, когда определенная форма может представить оптимальные условия для конкретной функции в физическом, психологическом и эмоциональном аспектах»

В зависимости от состава основообразующих объектов может быть определено функциональное назначение высотного здания. Высотные здания и комплексы проектируют, как правило, многофункционального назначения. Из функционального назначения определяют горизонтальный транспорт, а в высотных зданиях в основном вертикальный транспорт, который в значительной степени влияет па функционирование высотного здания, что, в свою очередь, влияет па объемно-пространственную структуру высотных зданий и комплексов.

Простое функциональное назначение проявляется и в простом планировочном решении, а также в простых конструкциях. Простота объекта прежде всего связана назначением, поэтому в настоящее время, когда необходимо быстро и дешево удовлетворять возникающие потребности, строят объект одного определенного назначения, в основном в области жилищного и гражданского строитель ста при формировании микрорайонов, где каждый объект имеет только одно назначение.

Многофункциональный комплекс состоит из объектов различного назначения - жилого, административного, офисного, объектов торговли и служб быта, гаражей и т.п. Наличие в объекте нескольких функций обуславливает необходимость его зонирования как по вертикали, так и по горизонтали. Обычно функции распределяются в зависимости от их количества, требований, взаимосвязи и взаимовлияния друг на друга. В результате возникают многофункциональные объекты, для которых требуются различные или универсальные конструкции, специальные инженерно-техническое оборудование п различные требования по системам безопасности.

Функциональное назначение высотного здания характеризуется также такими важными параметрами, как тип, структура, форма или объем, соотношение между отдельными частями здания, его помещениями, соотношение общей площади к полезной, соотношение общей площади к объему здания и др.

Форма или объем высотного здания выражается в различных единицах в зависимости от характера эксплуатации здания: в жилых зданиях объем может определяться количеством квартир, в административных зданиях это число сотрудников, в помещениях общественного питания число посадочных мест, в гостиницах число номеров или спальных меч г в больницах число коек и т.д. Как определяет И. Араухо, «форма и содержание взаимозависимые аспекты пространственного единства хотя бы в том отношении, что каждая форма имеет ограниченную возможность «вместить» содержание» [1].

Одним из важных элементов высотного здания является его структура, во многом зависящая от функционального назначения, его определенное планировочное решение разрабатывается е учетом этих требований. Так, жилые здания имеют достаточно мелкое членение и практически постоянное планировочное решение, оснащены недорогим техническим оборудованием, однако к жилым зданиям предъявляются более высокие требования по инсоляции, звуко- и теплоизоляции. Подобные требования предъявляются и к зданиям гостиниц. Вместе с тем наличие в гостиницах системы обслуживания - ресторанов, кафе, развлекательных, спортивных и других общественных структур - диктует необходимость применения смешанных конструктивных схем.

Структура высотного здания построена, как правило, из различных объемно-пространственных функциональных единиц - жилые ячейки, гостиничные номера, офисные помещения, помещения ресторанов или кафе, зимние сады, спортивные залы, бассейны, стоянки автомобилей и т.п. Поэтому объемно-пространственная структура высотных зданий и комплексов должна удовлетворять различным требованиям, таким как:

−универсальность - когда объект соответствует современным разным функциональным назначениям и архитектурным требованиям. Эти требования присущи практически всем высотным зданиям, поскольку они многофункциональны и включают в свой состав раз-личные по функциональному назначению помещения, в одном здании могут размещаться офисные помещения, апартаменты, стоянки для автомобилей, магазины и т.д.. Возможность удовлетворения перечисленных требований создает условия универсального по функциональному назначению применения высотных зданий;

−изменчивость - разнообразие архитектурно-планировочных решений (например, расстановка или возможность перестановки перегородок, возможность комбинировать и соединять разные конструктивные и архитектурные элементы). Для высотных офисных и административных зданий рациональна система со свободным пространством (изменчивостью), которая заключается в возможности разделения площади на разное количество помещений в зависимости от количества и требований арендаторов;

−приспосабливаемость (например, несущей конструкции) возможность приспосабливаться к новым значениям функциональных параметров (например, увеличение нагрузки, другой способ установки оборудования, устройство новых горизонтальных п вертикальных отверстий в конструкциях и т.п.), которые возникают во время эксплуатации здания вследствие новых функциональных или архитектурных требований;

−гибкость - возможность адаптации к функциональным или архитектурным параметрам, которые возникают во время эксплуатации здания (требования динамики развития) вследствие замены оборудования, изменения назначения здания (например, переоборудование квартир в офисные помещения, и наоборот).

Возведение высотных зданий будет означать как количественное, так и качественное изменение не только облика городов, по н уплотнение, и функционирование городской среды, существенное изменение уклада жизни населения в таких районах. Следует отметить, что высотные здания не только учитывают градостроительную ситуацию района строительства, но и сами влияют на нее.

Однако категория высоты не является достаточной для того, чтобы определить здание как высотное. В расчет должны приниматься также форма и архитектура здания. В первую очередь это относится к несущим конструкциям, которые должны проектироваться не только с учетом горизонтальных нагрузок, производимых ветром или землетрясением, но также принимая во внимание постоянное развитие строительных технологий инженерно-технического оборудования и совместимость крупных структур с окружающей и социальной средой.

Многофункциональный высотный комплекс состоит из разновысотных зданий различного назначения (жилого, административного, офисного, объектов торговли и служб быта, гаражей и т.п.), наличие в объекте нескольких функций обуславливаем необходимость его зонирования как по вертикали, так и по горизонтали. Обычно функции распределяются в зависимости от их количества, требований, взаимосвязи и взаимовлияния друг на друга, в результате чего возникают многофункциональные объекты, и здесь, как утверждает Э. Цайдлер, «важно не только удовлетворять требования отдельных функций, но и учитывать тесные взаимосвязи между ними» [38]. Примером такого сочетания может служить размещение ресторана в высотном жилом здании, вместе с тем рядом с рестораном желательно располагать места работы, чтобы служащие могли посещать функционирующий ресторан, в обеденные часы. Не случайно в состав многих высотных зданиях входят рестораны, кафе, столовые. Такое сочетание различных функций - жилье, работа, обслуживание, отдых в едином городском пространстве - может осуществляться благодаря созданию многофункциональных высотных зданий и комплексов.

Важным критерием при разработке проекта высотного здания представляется оценка воздействия природно-климатических условий (в частности, ветрового режима), и не только с точки зрения статической надежности, но и с точки зрения реакции здания на те или иные воздействия (образование завихрений, возникновение шумов и т.п.), а также учет сейсмики, температурно-влажностного режима и т.п. Основным фактором, влияющим на архитектуру высотного здания в условиях строительства в России, является ветровая нагрузка. Первые высотные здания имели довольно большой вес несущих стен из кладки и были устойчивы к ветровым воздействиям, и даже при применении каркаса высотные здания имели массивные фасады из камня с небольшими оконными проемами и тяжелыми стенами-перегородками, поэтому ветровые нагрузки для них не представляли больших проблем. Начиная с 50-х гг. с распространением международною стиля в архитектуре с его оптимальным внутренним открытым пространством и относительно небольшим весом конструкций проектировщики и строители высотных зданий столкнулись со всей сложностью ветровых нагрузок. Уменьшению жесткости зданий способе топало и применение большепролетных балок, легких несущих перегородок и ненесущих ограждающих конструкций. Горизонтальная жесткость высотного здания становится более важным фактором проектирования, чем прочность. Воздействие ветра на высотное здание является динамическим и определяется такими факторами окружающей среды, как рельеф местности, гибкость и особенности фасада здания, расположение соседних зданий. С архитектурной точки зрения уменьшение воздействия ветровых нагрузок может быть достигнуто за счет применения раз личных конфигураций здания - круглая, овальная, треугольная. Снижению ветрового напора может способствовать наличие арочного проема при его размещении в зоне максимального давления, обычно внизу или вверху здания. Как показывают исследования Массачусетского технологического института, скорость ветра, а, следовательно, и его давление не обязательно увеличиваются с повышением высоты, давление является наибольшим посередине высоты здания с аркой или в основании здания без проема.

Проблема по созданию комфортных условий в помещениях является частью широкой программы по созданию благоприятных условий для проживания или работы людей. Одним из главных факторов, влияющих на комфорт помещений, является температурим влажностный режим, от которого во многом зависит работоспособность человека. При низкой или высокой температуре воздуха (ниже 16 °С и выше 24 °С), сухом или влажном воздухе в помещении тру неспособность падает. Поэтому в помещениях необходимо поддерживать нормальный режим, при котором могут быть созданы комфортные условия для труда или проживания.

Важным является - создание комфортных условий для зрения которые зависят от ориентации здания относительно сторон света, от типа освещения (естественное или искусственное), от типа солнцезащитных устройств, жалюзи. С точки зрения комфортных условий для зрения в рабочих и жилых помещениях и с точки зрения экономии энергии следует ожидать, что предпочтение будет отдаваться естественному освещению, поэтому в высотных зданиях желательно основные помещения размещать ближе к фасадным остекленным стенам, не устраивая больших расстояний между наружными стенами, в результате возрастут эксплуатационные возможности здания.

При создании комфортных условий в помещениях приходится решать проблемы акустики обеспечение изоляции от внешних и внутренних воздушных шумов, от ударного шума, от вибраций, вызванных работой машинного оборудования, лифтов или порывами ветра. Поскольку акустические проблемы в большинстве случаев решают с помощью подбора соответствующих конструкций, то важно определить минимальную массу конструкций (например, перекрытий) и способы устранения акустических (звукопроводящих) мостов. Для жилых зданий, гостиниц и больниц предъявляются более жесткие требования к звукоизоляции, чем для административных зданий. В современных зданиях, таких как Коммерцбанк во Франкфурте-на- Майне (Германия), создана система климатизации здания, включающая систему механической вентиляции с утилизацией тепла удаляемого воздуха, конвекторы и обогрев металлических конструкций атриума. Сотрудники банка сами могут контролировать и управлять температурно-влажностным режимом в помещениях благодаря единой «интеллектуальной» системе, работающей в здании.

В архитектурно-планировочном отношении развитие внутренних структур высотных зданий продвигалось по направлению так называемого нанизывания по вертикали однотипных по назначению планировочных единиц и формирования здания в виде отдельно стоящих объемов, особенно этим отличались первые высотные здания в Европе в период экономического подъема в 50-х гг., призванные служить активными акцентами в силуэте городов. Уникальным остается функциональное разделение высотного здания на офисные помещения, гостиничные номера, апартаменты по всей высоте сооружения.

Формальное стремление к получению градостроительной доминанты привело к формированию административных зданий в виде башен с развитыми вертикальными коммуникациями и ограниченной полезной площадью, что. в свою очередь, привело к разработке двухблочных зданий - башни «Петронас тауэр» в Куала-Лумпуре (Малайазия), «Марина-Сити» в Чикаго (США), «Эмиратские близнецы» в Дубае (Объединенные Арабские Эмираты) и др.

Большую роль в выразительности высотного здания играет объемно-пространственная структура. При проектировании и строительстве высотных зданий в большинстве случаев используют как надземное, так и подземное пространство. Подземное пространство используется довольно активно. Обычно используют 5-6 подземных этажей для различных целей. На первых двух подземных этажах могут быть размещены двухсветные торговые залы, зимние сады, рекреации, здесь также могут располагаться транспортные магистрали - автодороги, метро, железные дороги. На более низких этажах, как правило, размещаются стоянки для автомобилей, склады и другие вспомогательные помещения.

Выбор конструктивного решения в значительной степени зависит от функционального назначения, предполагаемой долговечности объекта или конструкции. При строительстве объектов, у которых быстро меняются требовании к его функциональному назначению, или при строительстве объектов длительного и постоянного использования другие требования. Необходимо принимать во внимание, что в зданиях несущие конструкции обычно более долижем мы (100 лет), чем ненесущие конструкции и техническое обору донн мне. Из этого обстоятельства вытекают требования к гибкости и к резервам несущих конструкций.

При проектировании объектов желательно предусматривать также меры по ликвидации объекта, который выполнил свою функцию и не может быть приспособлен для других целей.

Конструктивные решения высотных зданий принимаются в зависимости от назначения здания. Функциональное назначение зданий имеет много параметров. Для соблюдения всех требований функционального назначения, а также архитектурных требований необходимо разработать определенное планировочное решение. Не которым планировочным решениям соответствуют различные конструктивные решения, и только одно определенное решение будет адекватным.

Так как выбор конструктивных схем и материалов напрямую и зияет на архитектуру высотных зданий, решение этих проблем обычно рассматривается совместно.

Для зданий с изменяемым по этажам планировочным решением требуется меньше вертикальных конструкций, но предъявляются более высокие требования к изменчивости и гибкости. Например, для школьных, больничных, складских зданий наиболее рациона и, но применение рамного каркаса.

Комбинированные конструктивные системы принимаются для многофункциональных зданий или зданий одного назначения, но е несколькими функциями. Гак, например, в гостиницах нельзя разделить две основные функции: проживание в гостиничных номерах и обслуживающие службы ресторан, кафе, ресепшн, технический этаж, автомобильная стоянки, когда нижняя часть здания предназначена для помещений общественного назначения, верхняя - помещений однофункционального назначения.

И объектах с двумя функциями, для которых требуются различные планировочные решения, можно выбрать или простое конструктивное решение, или два разных конструктивных решения, адекватных функциональному назначению соответствующих частей объекта. Переход от конструкций одной части здания к конструкциям другой обеспечивается переходными конструкциями.

Важными элементами высотных зданий, влияющими на формирование, объемно-пространственной структуры, являются инженерные системы и оборудование, к ним относят: технические помещения, систему лифтов и других видов подъемников, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, электроснабжения, водоснабжения и водоотведения, слаботочные устройства. В любом высотном здании необходима система вертикального транспорта. Она всегда включает лифты, реже - эскалаторы. Эскалаторы, если они присутствуют, удовлетворяют ограниченные потребности - перемещают людей с входного уровня в основной вестибюль, который находится этажом выше. Они также часто используются для перемещения большого количества людей на уровень, содержащий помещения общественного питания, если они находятся на уровне, расположенном под входным вестибюлем. Кроме того, эскалаторы необходимы, если переходные лифтовые холлы и двухсекционные лифты являются архитектурной частью проекта здания.

При размещении инженерно-технических систем в многофункциональном здании возникает ряд необходимых условий. В небоскребах вертикальные вентиляционные шахты занимают ценное пространство, которое может быть использовано в других целях. В прошлом стратегия заключалась в том, чтобы уменьшить вентиляционные шахты посредством снижения дистанций подачи и тем самым размеров шахт путем создания нескольких технических этажей. Недостаток этого подхода в том, что ценные площади «поглощены» техническими этажами. Сведение к минимуму объемов воздуха до объемов, необходимых по гигиеническим условиям, посредством отработанной воды как охладителя уже дало заметную экономию. Следующим шагом к оптимизации архитектурно-планировочных решений является совмещение воздуховодных шахт и каналов с несущими конструкциями. Таким образом, трубы могут быть встроены в свободные от нагрузки зоны пола/потолка для осуществления подачи воздуха или очистки без необходимости дополнительного увеличения высоты конструкции, как в случае с фальшполами или подвесными потолками. Пустотные потолки обеспечивают пространство для распространения воздуха и минимизируют бесполезный вес в процессе эксплуатации пролета той же ширины. Например, вентиляции из офисных помещений или гаражей не должна объединяться с вентиляцией жилой части здания, так же как входные группы и лифты.

В офисных зданиях при наличии фальшполов, а также размещении системы вентиляции и кондиционирования и потолочном пространстве увеличивается высота всего здания, а необходимость наличия технических помещений, уменьшает полезную площадь этажа.

К важнейшим факторам обеспечения безопасности людей, находящихся внутри высотного здания, относится противопожарная защита. Требования к противопожарной защите высотных зданий могут значительно варьироваться в зависимости от функционального назначения здания, его общей высоты, принятых конструкций, средств и оборудования, применяемых при пожаре. В Германии, например, стандартным считается 40-метровое расстояние между пожарными отсеками, что определяет их максимальную площадь в 1600 м. Пожарные отсеки больших размеров допустимы, и требования в отношении ненесущих конструкций в этих помещениях могуч быть снижены там, например, где разработана соответствующая концепция пожарной безопасности, предусматривающая установку системы спринклеров и подачи сигнала тревоги, а также детекторов дыма на всех этажах здания. В существующих нормах пожарные отсеки определяются высотой 50 м, а площадь пожарного отсека может составлять 2500 м.

Особенность пожарной опасности для находящихся в высотных зданиях людей заключается в значительном затруднении эвакуации людей при пожаре и трудностях при борьбе с пожаром. Практически единственным путем эвакуации в высотных зданиях являются лестницы, в которых, с увеличением числа этажей, увеличивается опасность задымления. Поскольку лестницы являются основным путем эвакуации, для обеспечения безопасности пользования лестничными клетками их делают незадымляемыми. Для этого лестничные марши и особенно выходы наружу проектируются с учетом недопустимости попадания туда огня и дыма, а также быстрого удаления дыма, который попадает в их пространство при эвакуации с этажа на этаж. Одним из средств спасения в высотных зданиях являются противопожарные лифты, после доставки пожарных подразделений они могуч служить для спасения людей, находящихся в здании, особенно малоподвижных групп населения. В Англии противопожарные лифты применяются в зданиях выше 18 м, а Германии - выше 22 м. Помимо противопожарных лифтов и лестниц в высотных зданиях применяйся целый ряд инженерно-технических средств – подпор воздуха на путях эвакуации, системы пожаротушения дождевального типа и система нагнетания газа.

       Системы дождевального типа (спринклерные или дренчерные установки) применяют внутри здания повсеместно в качестве автоматического средства борьбы с огнем и подавления возгорании на начальном этапе. Системы нагнетания газа применяются применительно к каким-то специальным помещениям, например, компьютерным машинным залам и помещениям хранения данных, где дождевальные системы нежелательны.

Таким образом, исходя из анализа закономерностей можно выделить основные факторы, влияющие на формирование архитектуры современных высотных зданий.

Функциональные:

− назначение здания;

− форма или объем здания;

− структура здания;

− обеспечение принципов взаимосвязи и взаиморазделение функциональных единиц - жилых помещений, офисных, административных помещений, помещений системы обслуживания, автостоянок, расположенных в зданиях, спортивных, зрелищных и других помещений.

Природно-климатические:

− ветровая нагрузка;

− сейсмика;

− температурно-влажностные условия.

Градостроительные:

−размещение объекта в структуре города, района;

− доминантное положение в застройке;

− многофункциональность здания.

Архитектурно-планировочные:

− типологические особенности;

− конфигурация в плане;

− этажность здания;

− типизация функциональных единиц;

− универсальность, изменчивость, приспосабливаемость, гибкость высотного здания.

Объемно-пространственные:

− образность высотного здания;

− выявление функций на фасаде здания; композиционная схема;

− композиционная схема;

− конфигурация и формы.

Конструктивные:

− конструктивная система и формообразование здания;

− композиция фасадов и их конструкции;

Инженерные системы и оборудование:

− вертикальные и горизонтальные инженерные коммуникации;

− технические помещения;

− лифты;

− вентиляция, отопление, кондиционирование.

Следует отметить, что все эти факторы взаимосвязаны и взаимозависимы. Так, архитектурно-планировочное решение зависит от функционального назначения, а конструктивное решение - от обоих вышеперечисленных факторов. Кроме того, на архитектурно-планировочное и конструктивное решение влияют инженерные системы и оборудование, они, в свою очередь, тесно связаны е функциональным назначением высотного здания. Помимо этого, при разработке проектов высотных зданий необходимо учитывать вопросы комплексной безопасности, управления и мониторинга, противопожарные, санитарно-гигиенические требования.