Гонка за облаками: почему небоскребы не падают

В Саудовской Аравии близится к завершению строительство башни JEC Tower в Джидде. Если работы пойдут по графику, то уже в 2028 году человечество впервые в истории увидит здание, официально преодолевшее километровый рубеж высоты. 

Сейчас самое высокое здание на планете — небоскреб «Бурдж-Халифа» в Дубае (ОАЭ) высотой 828 м. Он удерживает этот титул с 2010 года, но новая башня может его превзойти. Этот проект заставляет задуматься: как такие гиганты вообще стоят, почему их не строят везде и есть ли у нас предел в стремлении к небу?

Как начали строить небоскребы

История небоскребов началась в Чикаго в середине 1880-х годов. Именно там архитектор Уильям Ле Барон Дженни построил Home Insurance Building — десятиэтажное здание высотой 42 м. Сегодня оно показалось бы невыдающимся, но в 1885 году это была революция.

Секрет заключался в стальном каркасе. До этого стены сами несли вес здания — чем выше строили, тем толще они должны были быть. Дженни предложил использовать несущий каркас из чугунных опор и кованых балок. Прочность стали примерно в десять раз выше, чем у самого качественного бетона или кирпичной кладки, поэтому общий вес сооружения удалось уменьшить почти на треть.

Именно эта технология — стальной скелет здания — сделала возможным высотное строительство. В 1891 году здание надстроили еще двумя этажами, доведя высоту до 55 м. Первый небоскреб не дожил до наших дней — его снесли в 1931 году, чтобы освободить место для 45-этажного небоскреба Field Building, который сейчас известен как здание Банка Америки.

Почему небоскребы строят не везде

Высотки можно встретить не везде. Например, их почти нет в странах Европы и в России. А в октябре 2021 года было издано распоряжение, согласно которому в китайских городах с населением менее 3 млн человек запрещено строить небоскребы высотой более 150 м. Вот основные причины: 

• Геология. Небоскреб можно построить далеко не на любом грунте. Под здание высотой более 100 м нужен либо скальный грунт, либо очень мощные и дорогие сваи.

• Экономика. Строительство небоскреба обходится значительно дороже обычного здания. По сравнению со зданием высотой до 100 м, построенным из таких же материалов, стоимость небоскреба на 30–40% выше в пересчете на квадратный метр. Это связано со сложностью проектирования, обслуживания и большим количеством рисков. Небоскреб окупается только при сверхвысокой стоимости земли. В Нью-Йорке, Токио или Дубае это работает, потому что место на вес золота. В провинциальном городе строить 100-этажный дом экономически бессмысленно.

• Инфраструктура. Высотка создает колоссальную нагрузку на транспорт, энергосети, водоснабжение. В Москве строительство «Москва-Сити» потребовало прокладки новых магистралей и дублеров, на что ушли годы и миллиарды рублей.

• Политика и традиции. Например, во многих европейских городах действуют строгие правила по сохранению исторического облика, и высотные здания там просто запрещены. В странах Скандинавии, где ценят равномерный доступ к солнечному свету, высотная застройка также не приветствуется. Поэтому небоскребов там мало.

Любое высотное здание сталкивается с двумя главными инженерными вызовами: фундаментом и ветром. Вот как их решают.

Фундамент

Фундамент — основа всего: грунт должен выдерживать нагрузку. И если в одном месте природа помогает строителям, то в других приходится искать сложные и дорогостоящие инженерные решения.

Пример удачного стечения обстоятельств — Нью-Йорк, где скальные породы подходят очень близко к поверхности. Это позволило построить на Манхэттене много небоскребов. Схожая ситуация и в «Москве-Сити»: деловой центр стоит на отложениях четвертичной, юрской и каменноугольной систем, которые, благодаря своим свойствам, выдерживают огромную нагрузку. Помимо этого, при строительстве применялись различные типы фундаментов, включая буронабивные сваи большой несущей способности. 

При этом петербургский «Лахта-центр» — самое высокое здание в Европе (462 м) — стоит на слабых, водонасыщенных грунтах, которые традиционно считались непригодными для высотного строительства. Чтобы обеспечить устойчивость башни весом около 670 000 тонн, инженеры использовали 264 железобетонные сваи диаметром 2 м, уходящие вглубь на 72–82 м — до твердых глин, которые по прочности не уступают скальным породам. Суммарная длина всех свай превышает 20 км. Поверх них смонтирован 17-метровый коробчатый фундамент, включающий две плиты общей толщиной 5,6 м. Отклонение всей конструкции от вертикали не превышает 6 мм — такой точностью может похвастаться не каждый малоэтажный дом.

Борьба с ветром

На большой высоте ветер раскачивает здание. Чтобы бороться с этим, инженеры используют специальные устройства — динамические гасители колебаний.

Внутри здания размещают массивный груз (иногда весом в сотни тонн), который может двигаться. Когда ветер раскачивает здание в одну сторону, груз смещается в противоположную, гася колебания. Исследования показывают, что такие системы способны снижать горизонтальные ускорения и напряжения в элементах здания до 50% по всей высоте.

Самый известный пример такого устройства — 660-тонный стальной шар внутри тайваньского небоскреба Тайбэй 101 в столице Тайваня. Он подвешен между 87-м и 92-м этажами и работает как гигантский маятник. Благодаря этой системе отклонение башни снижается до 40%, что позволяет ей выдерживать тайфуны с ветром до 160 км/ч и частые землетрясения. 

Есть ли предел по высоте

Технически современные материалы (сверхпрочные стали, углеволокно) позволяют строить здания и в два, и в три километра. Но есть практические ограничения.

Лифты. Чем выше здание, тем больше места занимают шахты лифтов. На верхних этажах может просто не остаться полезной площади. Решение — многосекционные лифты с пересадками: скоростной лифт до небесного вестибюля, оттуда — местный.

Ветровые нагрузки. С каждым метром ветер становится сильнее и турбулентнее. Бороться с этим можно, но цена растет.

Экономика. Себестоимость строительства возрастает с каждым дополнительным этажом. Экономисты заметили зависимость между строительством высоток и экономическими циклами (так называемый «индекс небоскребов»). Крупные проекты задумываются во время бума, а завершаются или замораживаются уже в кризис. Так было с башнями-близнецами «Петронас» в Куала-Лумпуре, открывшимися после азиатского кризиса 1997–1998 годов, и с «Бурдж-Халифой», которую достраивали на фоне кризиса 2008 года.

Какие существуют небоскребы

Современные небоскребы чаще всего строят из высокопрочного железобетона и стали. Сталь обеспечивает гибкость и легкость конструкции, а бетон — жесткость и устойчивость к сжатию. Вместе эти материалы образуют стальной каркас и прочное внутреннее ядро здания. Однако сегодня архитекторы все чаще экспериментируют с формами и материалами, доказывая, что небоскребы бывают не только стеклянными великанами, но и деревянными, и даже хранящими на своей крыше настоящий лес.

• Небоскреб-ракета в Марокко: в окрестностях Рабата построили Башню Мухаммеда VI высотой 250 метров, формой напоминающую ракету. Здание, вдохновленное визитом миллиардера в NASA в 1960-х, имеет золотой сертификат экологичности LEED, а его устойчивость обеспечивает система демпфирования колебаний.
• Небоскреб-решетка в Нью-Йорке: строящийся на Парк-авеню, 175, «Проект Коммодор» высотой 470 м. Его уникальность — внешняя стальная решетка, которая берет на себя всю несущую нагрузку, что позволит создать внутри максимально открытые пространства.
• Небоскреб с лесом на крыше в Ванкувере: 315-метровая башня, ставшая первым сверхвысоким зданием в городе. На ее верхнем этаже появится общедоступная смотровая площадка, которую авторы проекта задумали как «лес в небе».

Кстати, деревянные небоскребы тоже бывают. В 2019 году в Норвегии построили 18-этажный Mjøstårnet высотой 85,4 м — на тот момент самое высокое здание из дерева в мире. При его строительстве использовалась перекрестно-склеенная древесина, а все материалы были произведены в радиусе 15 км.

Такие примеры показывают, что строительство небоскребов — это не только погоня за метрами, но и постоянный творческий поиск инженеров и архитекторов.