Восход сверхвысоких небоскребов: разработана новая структурная система

Бейкер и Смит придумали совершенно новую структурную систему – «поддерживаемое ядро»

Билл Бейкер – инженер-конструктор в архитекторской фирме Skidmore, Owings and Merrill (SOM). SOM – бесспорный лидер в разработке небоскребов, по крайней мере, в технической стороне разработки. Бейкер – бесспорный талант. За последние 30 лет он координировал или непосредственно работал над созданием 6 из 15 самых высоких зданий в мире.

Билл Бейкер работал и над знаменитым небоскребом, который был разрушен 11 сентября 2001 года, когда из символа профессии Бейкера он превратился в символ террора. Эта дата разрезала время в мире архитектуры на «до» 11 сентября и «после».

Только спустя 18 месяцев после 11 сентября Бейкер возвратился в Нью-Йорк – на сей раз чтобы говорить о проектировании самого высокого здания в мире. Фирма заключила контракт; шесть лет спустя Бурдж-Халифа в Дубае достиг рекордной отметки в 830 метров.

Бурдж-Халифа. Фото с сайта popsci.com

После эры архитектурной скромности десятилетие с 11 сентября отмечено расцветом новой эры небоскребов. За 70 лет до 11 сентября высота небоскребов выросла на 70 метров, а за последние 10 лет она увеличилась еще на 376 метров. И это – не рекорд. Сегодняшние самые высокие небоскребы – это новые технологии во всех отношениях: новые структуры, новые материалы, разработанные и воплощенные в зданиях новыми методами. Результат – не просто более высокие здания, но и совершенно новая категория зданий: сверхвысокий небоскреб.

Технически категория сверхвысоких зданий, как определено Советом по высоким зданиям и городской среде обитания, включает здания высотой от 300 метров или 984 футов. Это в том числе 430-метровый Эмпайр Стейт Билдинг и две башни Всемирного торгового центра, строительство которых началось в 1966 году, их высота достигла 417 и 415 метров.

Но только в прошлые 15 лет архитекторы и инженеры решили рассматривать сверхвысокие небоскребы как отдельный класс с отдельными проблемами и возможностями. «Когда вы преодолеваете отметку Всемирного торгового центра, необходимо фундаментально изменить свой мыслительный процесс», – говорит Бейкер.

Когда открылась культовая 359-метровая башня в 1933 году, венчая бешеную эру строительства, рост зданий вверх приостановился. В течение следующих 30 лет башни стальной конструкции, как, например, Эмпайр Стейт Билдинг, казалось, были так высоки, как архитекторы только могут вообразить.

Фото с сайта popsci.com

Это понимание начало изменяться в середине 1960-х, когда инженер Фазлур Хан, один из предшественников Бейкера в SOM, ввел новую структурную систему, названную «несущей трубой». Хан заменил традиционную внутреннюю стальную конструкцию рядом колонн, расположенных за пределами здания. Колонны связаны друг с другом и с ядром здания, которое предоставляет помещения для лифтов, лестниц и коммунальных модулей здания. Таким образом, самая сильная часть здания находится на внешней стороне, где она способна лучше сопротивляться ветру, который является проблемой, если количество этажей больше 40.

На основе технологии «несущей трубы» в 1960-70-х годах было построено множество зданий, включая Центр Джона Хэнкока, Сирс-Тауэр и Всемирный торговый центр. Но к тому времени, когда Бейкер пришел в SOM, в начале 1980-х, архитекторы и инженеры столкнулись с новыми проблемами. У «трубы» есть серьезное ограничение: здание может быть таким высоким, как захочет архитектор, но только если пропорционально будет увеличиваться основа. «Если вы делаете его вдвое более высоким, вы должны сделать его вдвое более широким и вдвое более глубоким, и объем увеличивается фактором в восемь», – говорит Бейкер.

Башня Аль Хамры – 412-метровое здание в городе Кувейт. Это самое высокое здание с каменным фасадом. Фото с сайта popsci.com

В середине 1990-х годов произошли две вещи, которые помогли решить проблему площади и были важны в развязывании революции сверхвысоких небоскребов. Первая из них была экономического характера. Самые высокие небоскребы раньше представляли главным образом помещения для офисов. Теперь сверхвысокие небоскребы являются родиной отелей, кондоминиумов, торговых центров и ресторанов. Жилые, торговые и, с другой стороны, офисные помещения требуют разных стандартов строительства. В 2000 году только 5 из 20 самых высоких зданий в мире были в смешанном использовании; к 2020 году всего 5 останутся предназначенными только для офисов.

Второе большое изменение в дизайне небоскреба – отказ от самой «трубы». В 1998 году Бейкер и архитектор SOM Адриан Смит, который курировал многие успешные проекты фирмы, выпустили свой план небоскреба в Чикаго 7 South Dearborn. Башня была тонкой супермоделью. Вместо трубы они использовали «опору с оттяжками», которая имеет центральное ядро, окруженное восемью огромными колоннами, и 60 верхних из 108 этажей смешанного использования.

Бейкер и Смит придумали совершенно новую структурную систему – «поддерживаемое ядро». Технология включает центральное шестиугольное цементное ядро, с трех сторон которого располагаются треугольные опоры. Представьте себе ракету с тремя длинными тонкими плавниками стабилизации.

Конечно, недостаточно просто спроектировать высокое здание: архитекторы и инженеры также должны выяснить, как внутри него будут перемещаться люди. Например, даже самые умные лифты могут подниматься на скорости всего приблизительно километр в минуту и опускаться в полтора раза медленнее, иначе из ушей большинства пассажиров польется кровь.

«Если вы сооружаете действительно высокое здание, нужно избавиться от кабелей, – говорит главный инженер-конструктор Всемирного торгового центра Лесли Робертсон. Практический предел обычных лифтов, сказал он, составляет приблизительно 460 метров. – Для высоких зданий нужна машина, которая будет поднимать лифт электромагнитно. Это, конечно, технология будущего».

Королевская Башня в Джидде, Саудовская Аравия. Строительство закончится в 2017 году, ее высота составит примерно 999,7 метров (3280 футов). Фото с сайта popsci.com

В прошлом году компания MagneMotion представила бескабельный лифт, приводимый в действие линейным синхронным двигателем сродни двигателям маглев на некоторых поездах. Лифт MagneMotion, разработанный для американского флота, перемещает боеприпасы по судну, но компания говорит, что такая технология может быть адаптирована для пассажиров.

Сегодняшние сверхвысокие небоскребы отличаются и дизайном, и составом. Когда-то самым предпочитаемым материалом для высотных зданий была сталь, но потом инженеры начали склоняться в пользу бетона. Структурный инженер из фирмы Thornton Tomasetti Леонард Джозеф говорит: «Этот бетон – не цемент, камень и вода, как при вашем прадедушке». Он включает сложные смеси химикатов и инновационных материалов, например, микроволокна, которые могут заменить большой стальной арматурный профиль.

Ухань-центр, 606 метров. Фото с сайта popsci.com

Когда некоторые инженеры еще только движутся к последнему усовершенствованному бетону, другие уже думают вне этих категорий. Их интересуют соединения углеродистого волокна – это самый легкий, самый прочный материал, из которого строят каркасы реактивных самолетов. Но ученые должны будут решить некоторые существенные проблемы. Мало того что углеродистое волокно очень дорого стоит, но и его преимущество, легкость, – это скорее минус для любого здания. Люди привыкли чувствовать твердую опору под ногами. В здании из углеродистого волокна они чувствовали бы, что идут по коже, натянутой на барабан, который висит на высоте в 500 метров.

Конечно, скорость науки и развивающиеся технологии выводят нас на совершенно новый уровень строительства зданий. Только представьте себе: новые материалы, 3D-печать, прорывы в области аэродинамики и многие другие преимущества современных технологий и научных открытий теперь в руках архитекторов и инженеров-конструкторов.

Такие здания, как Бурдж-Халифа и Шанхайская Башня, часто называют вертикальными городами. В 484-метровом Международном торговом центре (I.C.C.) Гонконга есть свое железнодорожное сообщение. В башне есть высококлассный торговый центр, офисные здания и отель, что подразумевает, что посетители могут прилететь в город, провести недели в I.C.C. и ни разу не вдохнуть гонконгского воздуха за пределами башни.