Небоскребы: история и технологии

 

Skyscraper по-английски - это и есть дословный перевод нашего "небоскреб". До 1885 года небоскребами считались здания высотой в 6 этажей. В них не было лифтов, а водяные насосы не могли подавать воду выше, чем на 15 метров.

Здание Страховой Компании, Чикаго, 1885 г.

 

Однако уже в 1885 году в Чикаго архитектор Уильям Ле Барон Дженни разработал проект 10-ти этажного здания страховой компании. Он предложил следующую технологию: использовать в качестве несущей - каркас здания, который поддерживал бы и внутренние и наружные стены. В обычной архитектуре роль несущих выполняли наружные стены. Благодаря этому предложению вес здания уменьшился почти на 30%. Однако, архитектор побоялся возложить все функции несущей на металлический каркас и для подстраховки оставил в качестве несущей также заднюю стену здания и колонны из гранита. Здание простояло до 1931 года, после чего  его снесли, а землю использовали как часть общего сторительства LaSalle National Bank .

 

LaSalle National Bank в наше время

 

Само здание LaSalle банка было закончено в 1934 году и имело 163 метра в высоту. Википедия сообщает, что это было последнее из «немаленьких» офисных зданий, построенных в Чикаго в промежуток после Великой Депрессии и Второй мировой. Следующий небоскреб построили только в 1955 г.. Практически все в этом строении было новым и "неизведанным". Высокоскоростные лифты, система воздушного кондиционирования. И самая главная зюминка - бронзовый рельеф, в виде формы здания, расположеный в «отделе справок».

Башня Уэйнрайта,Сент-Луис, 1891 год, 10 этажей

 

Вторым зданием, на котором стала полностью использоваться технолгия "несущий каркас", является Башня Уэйнрайта («Wainwright Building», Сент-Луис, архитекторы Луис Салливан и Денкман Адлер, 1891 год, 10 этажей. Построено на Каштановой улице в дайнтауне Сент-Луиса, Миссури. Названо в честь местного барыги (local financier) Эллиса Уэйнрайта). Здание считается (американцами, естественно) главным претндентом на звание "первый небоскреб в мире".

Между прочим, «Эйфелева башня», построенная в 1889 г.,  также один из первых небоскребов. Ее высота на тот момент составляла 313 м.

 

Equitable Life Building, первое здание с лифтами, окончательно построено в 1915 г.

 

Ещё одним архитектурным элементом, без которого невозможно представить себе современный небоскрёб, является использование лифта. Первые лифты в офисном здании появились в Эквитабл Лайф Билдинг (Equitable Life Building) в Нью Йорке.

 

Вулворт, Нью Йорк,1913г, 241 метров, 57 этажей.

 

Первым небоскрёбом, наиболее близким к сегодняшнему пониманию термина, можно считать Вулворт в Нью Йорке.

 

Вулворт, Нью Йорк, процесс строительства

 

Его строительство было завершено в 1913 году, высота здания 241 метр, этажей — 57, на 58 этаже находится площадка для обозрения. Выполнен в стиле неоготики, имеет фронтально-центральную башню и множество шпилей по периметру. Обожаемый объект для съемок у режсеров фильмов ужасов. Во всяком случае, можно назвать пару фильмов, где это здание играет не последнюю роль, да в том же «Cloverfield» или «12 злых мужчин», 1957 года. (статья на Википедии)

Вот, что писал журнал Fortune в cентябре 1930 года:

Крановые бригады

 

Проектировать стальные балки, торговаться с поставщиками о лучшей цене, подвозить их на строительную площадку, и совсем иная, настоящая работа наступает, когда балки нужно поднимять на высоту. Опасная и, часто смертельная работа.

 

Ее нужно выполнять, стоя на шатком дощатом помосте, наброшенном на стальные швеллера на отметке 100, 200, 300метров. И самое страшное — рабочие не видят балку, которую они поднимают.

 

Кран-деррик, одиночная стрела на шарнире, закреплен на балке 25 этажа. Его погрузочная бригада — на 26 м. Оператор крана — возле лебедки на 10 уровне. Он управляет краном по сигналу колокола, который заглушают десятки пневматических клепальных молотов. Удар — включил мотор. Удар — выключил. Он не видит  ни машину, что привезла балку, ни самой балки, ни товарищей по бригаде.

 

Бригада монтирует балку, фиксируя ее болтами. Начальник бригады руководит оператором стрелы крана, доставляющей груз в точку назначения, и его подмастерьем, подающим колоколом сигнал оператору лебедки. Требуется совместить отверстия под клепку с точностью до 1/10 дюйма. Человек, управляющий лебедкой — шестнадцатью этажами ниже. Двое монтажников в нужный момент соединяют  раскачивающийся на ветру швеллер огромными болтами и гайками. Смертники. Эти двое погибают чаще всех других.

 

Остается отцентровать деталь строго по вертикали и горизонтали и заклепать ее. На момент монтажа, клепальщики — самые знаменитые люди Небоскрёба — работают тремя этажами ниже.

 

Почему не бывает строек без крови

Клепальщик в строительстве небоскреба — это не одиночка, это звено из 4-х работников — «повара», «вратаря», «упора» и «стрелка».

 

Клепальщики нанимаются и увольняются четверками. Если один не вышел на работу, трое оставшихся к работе не допускаются. Люди в звене приходят, уходят, погибают — звено остается. Есть звенья, делающие за день 525 клепок, есть звенья, делающие 250. Разница — в координации движений четверки.

 

Строительство небоскреба, звено клепальщиков

 

На фотографиях — звено Игла, ветераны Уолл-Стрит,40, лучшие в городе. Основатель бригады - Игл (фото 1 — «повар»), происходит из Балтимора. Злые языки утверждали, что вообще-то Игл человек не бедный, работа для него была опасным спортом. Есть мифы и о братьях Бауэрс (фото 3 — «стрелок» и 4 — «упор»). И только о вратаре (фото 2) ничего неизвестно.

Процесс клепки с виду прост

 

Заклепки к месту работы подносит подмастерье — мальчишка, который, если выживет, может стать одним из четверки. На дощатом помосте, наброшенном на голые балки (не всегда склепанные), стоит печурка на угле, в которой «повар» подогревает заклепки. Когда требуется очередная заклепка, «повар» (термист) мехами поддает жару в топку, заклепки быстро разогреваются до каления. Надо знать, когда прекратить нагрев, так как перекаленные заклепки будут проворачиваться в креплении — работу придется переделывать.

 

Когда заклепка прогрелась, «повар» поворачивается лицом к «вратарю», который может быть в восьмидесяти футах от него — выше или ниже. О том, чтобы поднести заклепку, не может быть и речи — надо ее бросить. Молча, лишь убедившись, что «вратарь» тоже смотрит на него и готов принять бросок. Щипцами. Мягко. Но если между печуркой и «вратарем» уже собранные поточные балки — надо попасть в просвет между ними, то есть кидать и точно, и с большой силой. «Вратарь» ловит заклепку обычной жестяной банкой — лучшего пока не придумали. Он стоит в самом неудобном месте — на узком дощатом помосте рядом с местом клепки. Или на голой балке. Его цель — поймать летящую полуторафунтовую железку, раскаленную докрасна. Шаг влево или вправо — смерть. Не пойманная болванка, падающая вниз — смерть случайному прохожему.

 

В это время «стрелок» и «упор» подготовили посадочное отверстие — совместив, если нужно, тяжелые балки пневматическим молотом. «Вратарь», поймав заклепку, вынимает ее щипцами из банки, сбивает окалину и загоняет в отверстие. «Упор» упирается в шляпку заклепки всем телом через массивный стальной стержень. При работе на внешних колоннах он нередко висит над улицей. «Стрелок» поднимает пневматический молот и расклепывает заклепку с обратной стороны (50-60 секунд). Это самая тяжелая физически работа. Обычно, «вратари» и «упоры» время от времени подменяют «стрелка». Вес молота (35 фунтов) — еще одна, косвенная, причина смертей. Наконечник молота удерживается тяжелой скобой. Рабочие ее снимают, заменяя легкой проволокой — но когда она ломается, либо «стрелок», либо «вратарь», либо оба они гибнут.

 

Как строят небоскребы?

Начиная с первых высотных зданий, процесс был практически одинаков. Построили этаж, положили сверху настил, «деррик-кран». (Деррик-кран - основной вид подъемно-транспортного оборудования в строительстве небоскребов и в мостостроении. Применяется из-за того, что грузоподъемность крана сохраняет постоянное значение в широком диапазоне вылета стрелы. «Зацепив» (заанкернировав) кран на собираемую конструкцию или специальные фундаменты, применяют в подъеме тяжелых грузов на больших вылетах стрелы.  К тому же, кран обладает относительно низким собственным весом. Благодаря этому усилия в монтируемых конструкциях (то есть нагрузка на строение от веса крана)- сравнительно невысока. Недостатки — высокая стоимость и трудоемкость их монтажа и демонтажа).

Поднимали на второй этаж и продолжали строительство там, далее на третий, потом на четвертый и так далее. процесс — медленный, плохо контролируемый по времени (непогода, сильный ветер, гроза- увеличивали время постройки). Под строительство выделяется достаточно маленький участок земли, и чаще всего, стройка ведется в окружении жилых домов. Хранение стройматериалов осложнено, подвоз необходимых компонентов - почти конвейерный (строители должны расходовать материал до следующих поставок, иначе работа останавливается, не из чего строить). Сильный ветер, проблемы со страховкой и медицинскими учреждениями, слабые профсоюзы.

Основная технология, используемая в постройке не супер высоких небоскребов, до 25 этажей - это чугун в виде каркаса, к которому прикрепляются стены. Основная нагрузка идет на каркас и, следовательно, на фундамент, что значительно облегчает вес здания, потому что основная задача строителей — уменьшить вес сооружения., большинство строений-небоскребов имеют несущий стальной каркас. Однако высота все растет и растет, а сталь ( а тем более чугун), какие бы в него добавки не включали, не справляется. Постепенно строители переходят на строительство с использованием усиленного бетона.

«Усиленный бетон», просто модный термин, которым можно похвастаться перед инвесторами. Добавляя в бетон композиты, мы изменяем его прочность, жаростойкость, гибкость, смотря, что добавить. Добавим стальную арматуру - получим железобетон, имеющий прочность много выше, чем «просто сталь» или «просто бетон», а по научному — «воспринимающий различные продольные, поперечные, переломные нагрузки более эффективно и имеющий нормируемую усадку». В настоящее время, наловчились добавлять армирующее стекловолокно, экспериментируют с различными углепластиками и т.д. То, что даст экономический эффект - дешевизну, или придаст  необычную прочность, то добавкой и будет.

Современные технологии для постройки небоскребов от 50 этажей- базируются на использовании скелета из «сильнонапряженной» стали и бетона, конечно с «базой» - массивным основанием.

 

Небоскреб в разрезе, видно массивное основание

 

Считается, что эта технология позволяет строить высотки высотой от 1 километра и выше.

Сильнонапряженная сталь получается путем фонтанирования расплавленного металла под давлением. Это дает возможность сразу из литейного чугуна или стали получать тонкую проволоку, минуя стадии проката и многократного волочения ее через фильтры. Благодаря быстрому охлаждению в воздухе струи металла получают поверхностную закалку. На них образуется сильно напряженная пленка, обеспечивающая кускам проволоки высокую прочность. В таких условиях даже чугунный волос получает прочность на растяжение, в 10 раз большую, чем у обычного массивного чугунного литья.

Также учитывается влияние 3-х стихий: земли, ветра и огня.

Земля — месторасположение здание, геология места.
Ветер — аэродинамика, прочность и устойчивость конструкций.
Огонь -  безопасность сооружения и его надежность.

Так как высокое здание очень сильно закручивается и раскачивается под влиянием атмосферных явлений (ветер, например, или торнадо),  активно продвигают идею создания вращающихся небоскрёбов.  Напрмер, в 2009 году в Дубае планировали строить первый в мире вращающийся вокруг свое оси небоскреб, башню Таймс Резиденс.

 

Вращающийся небоскреб "Таймс Резиденс", Дубаи.

Скорость  вращения башни будет составлять 5 мм/секунду. Полный оборот зданием будет завершаться в течении недели. Здание- сейсмоустойчиво и спосбено вырабатывать энергию путем  солнечных батарей, установленных на внешней облицовке здания. И именно солнечная энергия, которой, как известно, в арабском эмирате очень много, будет использоваться на вращение здания. Разработана новая  технология строительства, которая планируется применяться в новых постройках - установка центрального железобетонный штыря, на который будут одеваются уже готовые этажи.

Cуществуют проекты относительно замкнутых комплексов внутри высоких небоскребов, которые представляют собой «город в городе», со своими магазинами, театрами и т.д. Например X-Seed 4000. Разрабатан для столицы Японии, вмещает до 1 миллиона жителей. В отличие от обычных небоскребов, X-Seed 4000 будет защищать своих обитателей от перепадов давления и смены погодных условий по всей высоте здания. Его конструкция предусматривает использование солнечной энергии для энергообеспечения всей системы поддержания микроклимата в здании. Лифты рассчитаны на 200 пассажиров и доставляют на верхний этаж за 30 минут. Помимо тысяч квартир и офисов в X-Seed 4000 будут и развлекательные центры, и парки, и леса.

x-seed4000, город в городе

Реально строящийся небоскреб, представляющий город в горде - Бурдж Дубай напоминает по форме сталагмит. С 21 июля 2007 года — самое высокое строение в мире. C 19 мая 2008 года — самое высокое когда-либо существовавшее сооружение в мире (до этого рекорд принадлежал упавшей в 1991 году Варшавской радиомачте).

Бурдж Дубай

 

Дубайская башня» станет городом в городе — с собственными газонами, бульварами и парками. Скорость пострйки 1—2 этажа в неделю. Согласно проекту, на 37 нижних этажах разместится отель, а 700 роскошных квартир займут этажи с 45 по 108.

Бурдж Дубай. Строительство, Май 2008. Те же краны-деррики, что описывались в начале статьи.

Большинство же площадей будет отведено под офисные помещения. Исключение составят 123 и 124 этажи, на которых будут расположены вестибюль и смотровая площадка, соответственно. А искусственная башня, которая будет воздвигнута над основным зданием, будет нести, помимо декоративной функции, ещё и коммуникационную, поскольку будет оборудована необходимой телекоммуникационной техникой. Строительство проходит по обычным технологиям, массивное основание в бетоне, краны-деррики в подъеме  заготовок, напряженная сталь в конструкциях, облегченный бетон (с кремазитом в качестве наполнителя) для облицовки.