новая архитектурно -
строительная система

Развитие жилищного строительства в крупных городах в
условиях существенного уменьшения площадей под застрой-
ку, обусловило значительный интерес к строительству многоэ-
тажных и высотных зданий, нашедший свое выражение, в част-
ности, в принятой Правительством Москвы, программе «Новое
кольцо Москвы», по которой предусматривается возведение бо-
лее 200 зданий высотой от 30 до 50 этажей в 60-ти комплексах,
рассредоточенных между 3-им и 4-ым транспортными кольца-
ми, что может дать столице около 10 млн. м2 жилья и объектов
соцкультбыта.
Возведение высотных зданий, обладающих значительной
массой и парусностью, в частности, в условиях достаточно сла-
бых московских грунтов в сочетании с жесткими климатически-
ми условиями и значительными ветровыми нагрузками, пред-
полагает ужесточение требований к строительно-техническим
свойствам применяемых конструкций, изделий и материалов,
особым требованиям к выразительности и долговечности фаса-
дов.
Важное значение для возведения многоэтажных зданий и вы-
соток приобретает конструктивная схема здания, включающая
несущую часть и ограждающие конструкции. Увеличение высо-
ты здания многократно увеличивает нагрузки на несущие кон-
струкции. В высотном строительстве за рубежом применяются
различные варианты конструктивных схем зданий: каркасная,
рамно-каркасная, поперечно-стеновая, ствольная, коробчатая,
ствольно-коробчатая и другие /1/. Несущая часть высотных зда-
ний в Москве и других городах в настоящее время выполняется в
2-х основных вариантах: монолитной оболочки из железобетона
или каркаса из железобетонных колонн с горизонтальными же-
лезобетонными перекрытиями.
Все построенные и строящиеся в Москве высо¬тки име-
ют одну общую черту /2/: «несущие конструк¬тивные элемен-
ты (колонны, стены) выполнены из монолитного железобетона.
Применение железо¬бетона в качестве строительного материа-
ла со¬пряжено с необходимостью увеличения геомет¬рии (се-
чений) элементов строительных конструк¬ций, что сопрово-
ждается потерей полезных пло¬щадей, коэффициент «выхода»
которых составля¬ет порядка 70%. По мере роста этажности и
высо¬ты он будет снижаться, что крайне невыгодно для участ-
ков застройки с ограниченными площадями.
Следует иметь в виду и прогрессирующее увели¬чение веса
конструкций высотных зданий, что также немаловажно для про-
ектирования и надеж¬ности конструкций «нулевого цикла»,
особенно на участках с изменяющейся геологической средой.
Необходимость применения в современном вы¬сотном строи-
тельстве высокопрочных бетонов класса В60-В100, производство
и поставка кото¬рых на строительные площадки Москвы пока
про¬блематичны, также, по всей видимости, уже в бли¬жайшие
годы станет фактором, ограничивающим возможности примене-
ния железобетона в несу¬щих конструкциях высотных зданий.
С ростом этажности зданий этот фактор будет проявляться все в
большей степени».
Выпущенные Временные московские городские строительные
нормы МГСН-19.05 (Многофункциональные высотные здания и
комплексы) характеризуются весьма небольшим учетом отече-
ственных и зарубежных достижений в стоительстве, специфики
высотного домостроения, если не сказать, что они большей ча-
стью отражают вчерашний день строительства. Так на конструк-
тивные решения высотных зданий, включая основания, фунда-
менты и подземные и наземные части зданий, отведено … 7стр.,
требованиям по обеспечению безопасности 4стр. машинописно-
го текста из 75 стр. Временных норм при общем стиле изложе-
ния всех норм не столько в рекомендательном, сколько в запре-
тительном плане.
К сожалению, проекты отечественных архитекторов и, в част-
ности, ЦНИИЭП жилищ, отличает вышеуказанные перестраховка
и боязнь ответственности: «Эдельвейс» спроектирован и постро-
ен с монолитной несущей оболочкой из железобетона, толщи-
на стен почти 1 метр, строящийся «Континенталь» - те же самые
устаревшие технические решения, утяжеляющие отдельные зда-
ния до веса в более 100 000 тн, радикально увеличивающие ма-
териалоемкость строительства, вызывающий двойной перерас-
ход бетона и металла. Высотные здания в России проектируются
организациями, давно не имеющими подпитки в плане новых
конструктивных и технологических решений, передовых мате-
риалов, изделий и конструкций от научно-исследовательских
технологических институтов, доживающих свой век в России. Не
случайно наблюдается существенное ослабление интереса инве-
сторов к строительству высоток в Москве (даже с московскими
ценами на жилье!).
Изложенным объясняется и то, что для проектирования вы-
сотных зданий в Москве и других городах России сегодня все
больше привлекаются иностранные специалисты – архитекторы
и проектировщики. Иностранные специалисты мало поражают
пока своими технологическими достижениями при работе в Рос-
сии. Так, в строящемся в настоящее время в г. Москве высотном
здании комплекса Федерации в Сити высотой в 89 этажей несу-
щие конструкции спроектированы американскими проектиров-
щиками и строятся: в центральной части густоармированных из
длинномерных железобетонных монолитных стен с сечением до
(20х4) м, а по периферии – из 23 железобетонных монолитных
прямоугольных колонн сечением (4,0х1,4) м и 3-х круглых ко-
лонн диаметром около 3м.
Описание найденного нами, впервые в мире, нового техни-
ческого решения по обеспечению пожарной безопасности и эф-
фективной эвакуации людей из высотных зданий при пожарах
проиллюстрировано нами на примере разработанного с при-
менением трубобетона высотного здания каркасно-ствольного
типа по архитектурно-строительной системе «ИМЭТ» /3/.
Такая конструкция может быть базой для высотных зданий с
любой архитектурой, с развитием трубобетонных колонн по пе-
риферии в нужном направлении, со свободной планировкой,
большим шагом между колонн, с оригинальными фасадами
(рис.3,4).
Ключевым требованием, которое приходится решать проек-
тировщикам и строителям при возведении высотных зданий и
сооружений, являющихся достаточно сложными как при стро-
ительстве, так и эксплуатации, является безопасность. Люди
должны находиться, работать, жить в высотном здании безопас-
но и комфортно.
Для решения проблем безопасности высотных зданий и соо-
ружений необходимо связывать вопрос сочетания несущей кон-
структивной системы зданий с ее стойкостью и надежностью в
экстремальных условиях ветровых нагрузок, сейсмических воз-
действий, пожаров и возможных террористических актов.
Не вдаваясь в достаточно широко освещенные в прессе
архитектурно-строительные системы, применяемые при возве-
дении высотных зданий, необходимо отметить, что наиболь-
шее распространение в мире получают не несущие монолитные
оболочки или колонны из железобетона, а комбинированная
каркасно-ствольная система с несущим стволом из монолитного
железобетона и каркасом в виде периферийного несущего кон-
тура колонн, сочетающегося с горизонтальными аутригерами-
ростверками, расположенными через каждые 15-25 этажей зда-
ния. По указанной системе, построены, в частности, известные
башни Petronas в столице Малайзии Куала-Лумпуре, считавшиеся до недавнего времени самыми высокими в мире, башня Sear
Tawer в Чикаго, США, высотка Jin Mao Tower в Шанхае, КНР и
многие другие. Весьма важным является применение в указан-
ных примерах передовых несущих конструкций в виде колонн
из трубо- и стале-бетона, не находящих пока применения в Рос-
сии.
Одной из важнейших особенностей трубо- и стале-бетонных
конструкций является высокая надежность и безопасность зда-
ний на их основе.
Для высотных зданий особенно существенным является тот
факт, что трубо-и стале-бетонные несущие конструкции отли-
чаются от стальных и железобетонных колонн тем, что в экстре-
мальных условиях значительных нагрузок они длительное вре-
мя способны такие нагрузки выдерживать, тогда как стальные
и железобетонные несущие конструкции, теряют несущую спо-
собность мгновенно (Трансвааль-парк, Бауманский рынок и т.п.
грустные примеры).
Помимо указанного достоинства трубо- и стале-бетонные
конструкции обладают всеми преимуществами металлических
конструкций в плане скорости монтажа, отличаясь при этом от
последних значительно более высокой несущей способностью и
огнестойкостью, возможностью строительства больше - пролет-
ных помещений и свободной планировки.
Наиболее широко в последние десятилетия трубобетон начал
применяться в КНР, где создана нормативная база его массово-
го применения в строительстве, также как в США, Японии, Вели-
кобритании, Германии и Австралии /3/. Ее нет, к сожалению, в
России. Опыт китайских строителей, во-многом, базируется на
научных работах российских, украинских и белорусских инже-
неров и ученых.
По опубликованным данным, в течение последних десяти лет
с применением каркасов из трубобетона в КНР построено уже
более 100 небоскребов. Преимущества таких каркасов уже бес-
спорны.
Трубобетон в несущих конструкциях
Выдающиеся свойства трубобетона нашли свое подтверж-
дение в наиболее многочисленных в мире исследованиях таких
конструкций в СССР и последние десятилетия в России, Белорус-
сии и Украине.
К настоящему времени накопленный потенциал включает:
1. Результаты исследований теории применения трубобетона
в строительстве, экспериментальных работ, методов расчетов,
инженерных и проектных решений конструкций из трубобетона.
опубликованных в более 300 трудах и патентах, около полусотни
кандидатских, десятке докторских диссертаций и более 30 мо-
нографий.
2. Практический опыт применения в России и странах СНГ тру-
бобетонных конструкций в условиях значительных несущих и из-
гибаемых нагрузок при строительстве мостов, промышленных
цехов, спортивных комплексов, зданий и сооружений, а также
жилья с прекрасной экономической эффективностью.
3. Не ограниченную материально-техническую базу реализа-
ции трубобетона для массового строительства жилья – наличие
необходимого сортамента стальных труб и высокопрочных бето-
нов, отечественного оборудования и комплектующих.
4. Существенный прогресс последних лет в России по полу-
чению и подаче на большие высоты бетонных смесей с высокой
подвижностью для высокопрочных, быстротвердеющих и напря-
гающих бетонов.
5. Использование трубобетонных конструкций санкциони-
ровано существующими строительными нормами и правилами
России, выбор трубобетонных конструкций определяется мето-
дом расчета и может быть применен для любых зданий и соору-
жений. Применение трубобетонных конструкций предусмотрено
недавно принятыми Московскими городскими строительными
нормами для высотного строительства.
Трубобетон обладает исключительно высокой несущей спо-
собностью при небольших поперечных сечениях колонн, явля-
ясь прекрасным примером оптимального сочетания выдающих-
ся способностей металла и бетона (табл. 1). При этом стальные
трубы выполняют роль несъемной опалубки при бетонирова-
нии, обеспечивая как продольное, так и поперечное армирова-
ние бетона, ею воспринимаются нагрузки по всем направлениям
и под любым углом. Бетон в трубобетоне находится в условиях
всестороннего сжатия и в таком состоянии выдерживает напря-
жение, существенно превышающее его призменную прочность.Особенно эффективны трубобетонные конструкции при
больших напряжениях с относительно малыми эксцентриси-
тетами.
Для высотных и большепролетных сооружений и зданий
особенно существенным является тот факт, что трубобетонные
конструкции отличаются способностью в экстремальных усло-
виях длительное время выдерживать значительные нагрузки,
в отличие от конструкций стальных и железобетонных, теряю-
щих, в таких условиях, несущую способность мгновенно.
Эта особенность трубобетонных конструкций позволяет
считать реальной при их применении возможность исключе-
ния катастроф, связанных с обвальным разрушением зданий
и сооружений.

 

Так в заключении о причинах катастрофы в «Трансвааль–
парке» проф. А. Лещенко /3/ сделал вывод, что «перед ката-
строфой произошла местная потеря устойчивости элемента
оболочки 11-й колонны, что повлекло ее складывание и обру-
шение купола покрытия. Элемент оболочки колонны мог по-
терять чисто-крутильную, сдвиговую или изгибную форму по-
тери устойчивости. Проверка на крутильно-сдвиговые формы
потери устойчивости СНиПами не предусмотрены. Если бы та-
кая проверка была, то проектировщики обязательно заполни-
ли бы полую колонну бетоном и катастрофы могло бы не быть.
По этой же причине произошло обрушение крыши на авто-
стоянке гипермаркета «Метро» по Дмитровскому шоссе: по-
теря местной устойчивости полой колонны повлекла склады-
вание самой колонны ... Чтобы избежать подобных трагедий
в будущем, необходимо пересматривать и менять существу-
ющие строительные нормы ... При восстановлении покрытия
аквапарка необходимо заменить полые опорные колонны на
трубобетонные прежнего диаметра. Отказаться от практики
строительства тяжелых ж/б оболочек … По данным статисти-
ки, 45% аварий и катастроф в строительстве происходит из-за
потери устойчивости металлических конструкций.»
В отличии от этого, каркас здания «Водопад чудес» в
г.Магнитогорске построен с применением трубобетона в виде
основных несущих колонн, что конечно исключает их обваль-
ное разрушение в условиях любых экстремальных воздей-
ствий на конструкции.
Помимо всех конструкционных достоинств трубобетонные
конструкции обладают достоинствами металлических кон-
струкций в плане монтажа, отличаясь при этом от последних
более высокой несущей способностью и огнестойкостью.
Прекрасные конструкционные и строительно-технические
свойства трубобетона позволяют строителям США, Франции,
Германии, КНР эффективно применять его в самых различных
областях строительства – и, в частности, таких ответственных,
как мостостроении, строительстве метро, а также торговых,
культурных, промышленных и жилых зданий.
Так в г. Сиэтл (США) в 1988г. построено 58-этажное здание
из трубобетона (рис. 1), в котором основными вертикальными
несущими конструкциям являются четыре массивных колон-
ны из стальных труб, наполненных высокопрочным бетоном
(прочность на сжатие 133 МПа в 56 суток твердения), образу-
ющие центральный ствол, а по периферии здания вдоль на-
ружных стен располагаются 14 трубобетонных колонн диаме-
тром от 91 до 136см в нижней части до 41см в верхней части
высотки.
Совместная работа ствола и наружных стен обеспечена
стальными диагональными связями в уровнях 35 – 38 этажей,
а также сталежелезобетонными конструкциями балок и плит
межэтажных перекрытий.
где - , - колонны из трубобетона.
Новая конструктивная система, названная по наиме-
нованию разработавшей ее фирме SWMB (Skilling Word
Magnusson Berkshire Inc.) позволила построить еще более де-
сятка высотных зданий в США, продемонстрировавших эф-
фективность трубобетона. Так по вышеописанному зданию
в Сиэтле, фирме удалось снизить затраты на строительство
для высотки подобной этажности из железобетонных колонн
на 30%, в частности, расход стали оставил 58кг на 1м2 пло-
щади против 122кг затрачиваемых обычно для зданий такой
этажности. Применение трубобетона позволило бетонирова-
ние конструкций высоток осуществлять со скоростью 4 этажа
в неделю /4/. Специалисты США отмечают также, что приме-
нение трубобетонных колонн с высокопрочным бетоном обе-
спечивает значительную устойчивость высоток к сейсмиче-
ским воздействиям.
Низкую материалоемкость, высокую огнестойкость трубо-
бетона, возможность сочетания с различными конструкциями
перекрытий отмечают французские специалисты, разрабаты-
вающие каркасные конструктивные системы зданий с несущи-
ми колоннами из трубобетона /5/.
Первое в Австралии жилое здание из трубобетона в 46-
этажей построено в 1990г. в Мельбурне. План стандартного
этажа приведена на рис. 2.
где, колонны из трубобетона.
Рис. 2. План жилого здания из трубобетона в
г.Мельбурне, Австралия
Ядро здания образовано прямоугольными сталебетонными
центральными шахтами, состоящими из лифтовых и инженер-
ных отсеков, а также лестничного пространства. Каждое пере-
крытие представляет собой комплекс плит из монолитного бе-
тона и стальных балок. По периферии здания расположено 24
трубобетонные колонны. Длина каждой секции трубы равна
8м (в два этажа).
На двух концах стальных труб в каждой секции на внутрен-
ней поверхности прикреплены кольца для оказания сопро-
тивления срезу и для обеспечения совместной работы сталь-
ных труб и бетонного ядра. Толщина стенки стальной трубы
на каждом этаже снижается от 16мм до 8мм на самых верх-
них. Соответственно, прочность бетона в трубах уменьшает-
ся от 70 МПа на нижних до 30 МПа на верхних этажах. Бетон
внутри стальных труб заполнялся сразу на четыре этажа с по-
мощью бетононасоса без вибратора. Трубобетонные колонны
покрывались противопожарным торкрет – покрытием. Отме-
чена значительная экономия сроков и средств при строитель-
стве высотки.
В Японии с применением трубобетона также начато строи-
тельство жилья. Высотное здание в 57 этажей высотой 185,8м
построено в г.Кавагучи, недалеко от Токио. Площадь участка
застройки составила 1982 м2, общая площадь здания 66057
м2, в нем расположены 650 квартир (рис. 3).
где, колонны из трубобетона.
Рис. 3. План жилого высотного здания из трубобетона в
г.Кавачуги, Япония
Основой здания является каркас из трубобетона, стальные
трубы с 1-го по 21-й этаж имеют диаметр 812.8мм толщиной
стенки 22–40 мм, с 22-го по 42-й этаж –диаметр 711.2 толщи-
ной стенки 12–28 мм, с 43-го по 55-й этаж – 609.6 толщиной
стенки 12–22 мм. По прочности бетон внутри труб, соответ-
ственно, составлял: 60; 54 и 48 МПа.
Стальные трубы делятся на секции на каждом этаже. Бетон
подавался с верхней части труб свободным падением. Пере-
крытие заполняли бетоном по этажам. Строительство высот-
ного здания заняло 15 месяцев.
Трубобетон, безусловно, относится к наиболее устойчи-
вым конструкциям. Специальное исследование французских
ученых /5/ и работа Б.Н. Нурадинова /6/ показали, что ог-
нестойкость трубобетонной колонны диаметром 400 мм око-
ло 2 часов без какой-либо защиты, а при нанесении защитной
оболочки можно обеспечить практически любую требуемую
огнестойкость. Так во время проектирования здания мэрии
г. Wuppertal (Германия) была поставлена задача о возведе-
нии неразрушаемых несущих колонн. Эта задача была реше-
на применением колонн из трубобетона, диаметром не более
600мм, обладающих противопожарными свойствами и спо-
собные передавать нагрузку в 8000 kN. В качестве несущих
колонн каркаса здания были применены двойные трубобетон-
ные колонны, при этом трубы внешних слоев имели диаметр
558, а толщину стенки 12.5 мм. Трубы внутренних слоев име-
ли диаметр 406.4, а толщину стенки 17.5 мм. В случае даже
сильного пожара разрушение и ослабление колонн исключе-
но - нагрузку на себя примет внутренняя труба и ее бетонное
ядро.
Специалисты НИИЖБ, ЦНИИСК, ЦНИИС и многих других
институтов бывшего СССР в своих трудах (А.А. Гвоздев, В.А.
Росновский, Л.И. Стороженко, А.К. Кикин, Р.С. Санжаровский
и другие) заложили основы мировой нормативной базы по
трубобетонным конструкциям.

(Продолжение в следующем номере)