Фундамент под небоскреб строят с учетом его огромной массы и высоты, что требует надежного и прочного основания. Для этого проводятся геологические исследования, чтобы определить характеристики грунта, после чего создаются глубокие свайные фундаменты или плитные фундаменты, которые распределяют нагрузку на большую площадь. Сваи забиваются или бурятся в грунт на значительную глубину, обеспечивая устойчивость конструкции.
В процессе строительства фундамента также используются армированные бетонные конструкции, которые усиливают его прочность и долговечность. Завершив этапы выемки грунта и заливки бетона, рабочие следят за тем, чтобы фундамент одинаково реагировал на нагрузки и не допускал деформации, что критично для стабильности всего здания в будущем.
Небоскребы растут из-под земли
За устойчивость здания отвечает глубокий фундамент. Считается, что небоскребы помогают построить — и продать — побольше там, где уже почти не осталось для этого места.
Небольшая площадь основания по периметру фасада и внушительный метраж всего здания оказались кстати в условиях дефицита земли на Манхэттене, в самом престижном районе Нью-Йорка, где в начале XX века стартовало активное строительство высоток. Это правило не изменилось до сих пор, но не везде его легко применить. Технологические сложности, традиционно сопровождающие высотное строительство, могут стать препятствиями на неподходящей почве. Для преодоления давления на грунт в таких условиях приходится углублять подземную часть до четверти высоты небоскреба.
Мягкие грунты, сейсмологическая активность, дорогие, по сравнению с обычными домами, проектировочные решения нисколько не охладили интерес к строительству небоскребов. За прошедшие десять лет их стало в три раза больше: сейчас в мире 1378 зданий высотой более 200 м (данные Knight Frank). Первые небоскребы работали как офисы, современные здания используются так же, но и спрос на квартиры в них оказался значительным — небоскребы можно строить на небольшом участке, современные технологии позволяют делать это в условиях любого грунта, а покупатели ценят виды из окон на огромной высоте. И теперь более трети высоток — жилые, частично или целиком.
По словам партнера архитектурного бюро "Крупный план" Андрея Михайлова, долгое время одним из главных препятствий для строительства небоскребов было колоссальное давление на грунт: "Конструкция тяжелая, под ее давлением грунт выходит за рамки линейной работы, наступают стадии упругопластической деформации".
Архитектура сталинских высоток в Москве продиктована как раз сложностями, связанными со строительством правильного фундамента. "Широкая нижняя часть, увеличенная глубина позволили минимизировать дополнительное по сравнению с естественным давление грунта на глубине заложения фундамента",— продолжает Андрей Михайлов. В Нью-Йорке таких проблем не было: помимо другого темпа развития экономики, урбанизации, роста цен на землю массовому строительству небоскребов способствовала геологическая особенность местности. "Город практически стоит на скальном, прочном грунте, и даже если сверху присутствуют осадочные породы, их толщина незначительна",— объясняет архитектор.
Сверхсильное давление на грунт высотки сейчас перестало быть проблемой — накоплен огромный опыт, быстро идет прогресс в отрасли строительных материалов
В Москве при строительстве высотных зданий приходится решать более сложные инженерные задачи, связанные с фундаментом,— кроме давления на грунт, это существенная усадка, возможноя неравномерность, крены. "Основные расходы при строительстве фундамента возникают, когда идут инженерно-геологические изыскания, благодаря им закладываются определенные параметры конструкции, отвечающие компрессионным характеристикам грунта, определяется усадка здания",— говорит исполнительный директор Capital Group Михаил Хвесько. Ориентируясь на эти расчеты, проектировщики определяют жесткость будущей конструкции. "При неравномерной усадке все перекосы должны быть компенсированы жесткостью конструкции здания,— объясняет он.— Чем больше усадка, тем выше жесткость, больше армирование и дороже фундамент".
По словам заместителя директора по научной работе АО "НИЦ "Строительство"" Олега Шулятьева, сверхсильное давление на грунт высотки сейчас перестало быть проблемой — накоплен огромный опыт, быстро идет прогресс в отрасли строительных материалов. "Это просто данность, с которой приходится работать",— говорит он. Основной принцип строительства небоскребов не меняется: давление можно уменьшить за счет роста площади фундамента и глубины его залегания. "В санкт-петербургском "Лахта-центре" фундамент шире контура здания более чем в три раза, а глубина свай 85 метров",— приводит в пример Олег Шулятьев. Если приходится учитывать сейсмическую активность, как, например, в Чечне, где строится небоскреб "Ахмат тауэр", претендующий на звание самой высокой башни в Европе (после башни "Лахта-центра"), нужно учитывать не только давление на грунт, но и его перемещение. "При подземных толчках здание может крениться в разные стороны, его фундамент должен воспринимать эти нагрузки",— объясняет специалист: верхняя конструкция небоскреба тоже должна адекватно воспринимать эти колебания. Для их снижения используют различные устройства для гашения или предотвращения колебаний, которые называются "демпферы".
В Москве большинство высотных зданий тоже строится с участием свай. "При строительстве дома высотой 20 этажей проектировщик может выбирать, использовать сваи или нет. При проектировании небоскреба сваи обязательны, если, конечно, скальные породы не залегают прямо под фундаментной плитой",— говорит Михаил Хвесько.
Глубина свай может достигать 50 метров, а их диаметр — полутора метров. Например, в ММДЦ "Москва-Сити" особый грунт. "Это аллювиальные (речные) отложения (на глубине 6-15 метров), а со стороны района Камушки есть русла исчезнувших притоков Москвы-реки (палеодолина).
Глубже — известняки верхнего каменноугольного возраста, в которых могут быть полости (карсты)",— перечисляет Михаил Хвесько. Задача геолога — находить такие полости, а проектировщика — устранять риски при разработке фундамента в районе таких полостей. "В таких грунтах при строительстве небоскребов, как правило, используются свайные или свайно-плитные фундаменты.
Толщина фундаментной плиты при этом может достигать четырех метров",— делится опытом девелопер. Выбор вида свай осуществляется индивидуально — или с помощью тестов, или на стадии разработки проекта в сотрудничестве с научными организациями, которые специализируются на новых видах свайных фундаментов. "Отсюда удорожание строительства — фундамент 50-этажного здания может стоить втрое дороже фундамента 20-этажного дома",— подчеркивает он.
Все это учитывается в проекте. Существуют разные варианты установки свай: ее можно бурить, заливать бетоном, опускать внутрь сердечник (стержень, который выдавливает бетон в поры грунта по длине сваи и создает более жесткую сцепку, такие сваи могут быть короче и меньше в диаметре, их и нужно меньше). Сваи с сердечником могут выдержать до 30-40% больше нагрузки, чем сваи без него. В одном из проектов Capital Group стоимость погонного метра сваи диаметром 1 метр составляет около 40 тыс. руб. Средняя глубина свай — 15-30 метров, но может доходить и до 50 метров.
Особенности фундамента, помимо качества грунта, определяет каркас небоскреба.
"Это вторая важная особенность строительства небоскребов",— говорит Андрей Михайлов. В зданиях высотой более 100 этажей стандартный бетон не выдерживает нагрузки, которая возникает на колонны первых этажей. "Приходится использовать специальные бетоны повышенной прочности — с ними технологически сложно работать на стройплощадке — и специальную арматуру",— продолжает он. А при строительстве особенно высоких зданий на первых этажах могут применяться цельностальные колонны.
При проектировании каркаса и его внутренних систем приходится еще учитывать турбулентность ветрового потока, которая возникает из-за высоты здания. "Представьте себе трубу высотой более 500 метров и разницу в давлении на первом и последнем этаже. Без специальных решений здание будет работать как дымовая труба,— приводит аналогию Андрей Михайлов.— Снаружи равномерно распределять давление помогают специальные фасадные системы. Для решения проблемы сквозняков в первых небоскребах стали ставить вращающиеся двери. По этой же причине в небоскребах не бывает естественной вентиляции и нельзя открывать окна, чтобы не нарушить работу механических инженерных систем".
Искусство управления лифтом
Со сдачей небоскреба в эксплуатацию инженерные сложности не заканчиваются. О способах их преодоления рассказал президент ПАО "Сити" (управляет ММДЦ "Москва-Сити") Алексей Гаврилов.
Одна из главных ежедневных проблем небоскреба — вертикальный транспорт. Если это бизнес-центр, по нему в течение дня передвигаются десятки тысяч человек, и эффективно распределить пассажиропоток в лифтах — одна из главных задач повышения комфортности. Естественно, что самые напряженные моменты приходятся на часы пик, связанные с рабочим расписанием: утром, в обед и вечером.
Определенная модель распределения пассажиропотока в высотном здании закладывается уже на этапе проектирования, но в процессе эксплуатации часто выясняется, что она не совпадает с фактическим трафиком в лифтах.
Эту проблему можно решить, отрегулировав распорядок дня сотрудников по этажам, например, разнеся время обеда и окончания дня. Но это возможно, только если небоскреб целиком занимает одна корпорация.
Во всех других случаях приходится использовать технические решения. Например, в некоторых небоскребах в "Москва-Сити" установлены автоматизированные системы досрочного вызова лифта на первом этаже — лифт на нужный этаж заранее получает сигнал вызова уже при сканировании пропуска на турникете на входе. Это сокращает время его ожидания.
Современные программные продукты позволяют собирать статистику трафика и анализировать пассажиропоток. Программа определяет, сколько пассажиров на каком этаже ждут лифт, и отправляет на этажи загруженную или пустую кабину. Чтобы не вводить систему в заблуждение, не нужно несколько раз нажимать на кнопку в ожидании лифта. Система может распознать этот сигнал как от нескольких человек, и поиск свободной кабины займет больше времени. В лифтах есть возможность групповых вызовов — для автоматической подачи пустого лифта.
Межэтажный трафик в небоскребах можно распределять и с помощью совмещения лифтов и эскалаторов.
Так как в небоскребах эксплуатируются высокоскоростные лифты, скорость которых достигает 8 м/с, большое внимание уделяется их безопасности. Ее обеспечивают многочисленные системы мониторинга и контроля. Если трос оборвется, сработают ловители плавного торможения и не позволят кабине упасть. Для обеспечения энергоэффективности работы лифтов используется система рекуперации энергии. Лифты и эскалаторы могут переходить в спящий режим, если не нужны пассажирам, что экономит электроэнергию.
- "Наука". Приложение №45 от 31.10.2018, стр. 26
На железобетонном основании
Знаете, что из себя представляет дом? Возможно, с первого взгляда этот вопрос кажется нелепым — все мы в детстве (да и не только в детстве, если вспомнить нейросетевые эксперименты Google) рисовали домики. Сначала, конечно, это простые квадратики с треугольником двускатной крыши сверху, но потом на рисунках появляются и панельные пятиэтажки (количество этажей, конечно, условность), а иногда и дома повыше. Со временем рисунки становятся все более детальными, на них появляются подъезды и даже занавески в окнах — не успеете оглянуться, как вы уже взрослый человек.
Вы больше не рисуете домики цветными карандашами для развлечения, но знаете о строительстве домов гораздо больше, чем в детстве, даже если вы и не строитель вовсе. Теперь вы можете отличить кирпичный дом от панельного и с первого взгляда распознаете девятиэтажки серии II-49, даже если сами эти цифры вам ничего не говорят. Только одно, скорее всего, не изменилось с детства — вы смутно себе представляете устройство современной сваи, не говоря уже о таком технологически сложном процессе, как тестирование свай. Да-да, сваи тестируют, причем прямо на строительной площадке. Мы попросили специалистов Level Group рассказать нам на примере одного из своих строящихся объектов — жилого комплекса «Level Амурская» — о том, какие сваи они используют, как их строят и испытывают на прочность.
О компании
- Компания Level Group работает на рынке с 2016 года, позиционируется как девелоперская компания нового уровня.
- Основным акционером компании является владелец холдинга «РусАгро», бизнесмен и филантроп Вадим Мошкович.
- В портфеле компании — три крупных проекта на территории Москвы: апартаментный комплекс бизнес-класса «Level Павелецкая» в Жуковом проезде (метро «Павелецкая»), жилой комплекс комфорт-класса «Level Амурская» у метро «Черкизовская», клубный дом бизнес-класса «Level Кутузовский» на улице Гришина (Кутузовский проспект).
- Level Group участвует в крупном благотворительном проекте Мошковича — строительстве школы «Летово» (Новая Москва). Уникальная школа и кампус, готовые принять детей со всей России, откроются в сентябре 2018 года.
Итак, что мы строим? Это жилой комплекс «Level Амурская» в Москве. Несколько зданий будут стоять на общем фундаменте, причем самые высокие дома будут самыми настоящими жилыми небоскребами — 130 метров в высоту.
«В условиях Москвы необходимо использовать сваи — никакая плита разумной толщины не сможет нести такую нагрузку и распределить ее должным образом».
В Москве и Московской области плотные слои грунта находятся на глубине 40-60 метров, и в данном случае это оказался известняк, до которого пришлось дотягиваться буронабивными сваями длиной 36-48 метров и диаметром 100 и 120 сантиметров. Выбор длины и диаметра конкретной сваи зависит от глубины залегания известняка и нагрузки, которая приходится на этот участок фундамента. Буронабивные сваи выдерживают приблизительно в 10 раз больший вес, чем готовые железобетонные сваи, вколачиваемые в землю, что удобно, если вы решили строить тяжелые высотные дома.
Тут стоит, конечно, уточнить, что глобально сваи делятся на два вида по принципу взаимодействия с грунтом: они бывают висячие и сваи-стойки (они же опорные сваи). Висячие сваи ни на что не опираются и удерживают постройку на месте за счет трения об грунт. Проще говоря, чем больше количество свай или площадь их поверхности, тем тяжелее «выдернуть» здание из земли.
Сваи-стойки представляют собой «ножки» фундамента, главная цель которых — опереться на твердое основание под землей. Со стороны может казаться, что тут все работает так же, как и с висячими сваями: «Они воткнуты в землю, и поэтому дом стоит», — но на самом деле дом на опорных сваях стоит на них как на длинных «ножках» на скале (или другом прочном основании) глубоко под землей. А грунт вокруг ножек не особо влияет на происходящее.
«Мы привыкли, что свая — это некая конструкция, которую привезли на площадку и забивают, как в мультике „Ну, погоди!“. В данном случае такие сваи не проходят — сваи длиной 36-48 метров невозможно привезти и забить, поэтому мы используем метод буронабивных свай».
В данном случае используются буронабивные опорные сваи, и постройка такой сваи — совершенно отдельный технологический процесс, особенно в том виде, в котором это реализовано Level Group. Сначала свая вообще существует только в виде модели с заданными характеристиками, и в зависимости от нужных параметров из арматуры в цехах варятся 12-метровые сегменты каркаса сваи (ограничение по длине существует исключительно для удобства перевозки каркасов). В это время на стройплощадке бурится скважина, причем бурение идет с обсадной металлической трубой — чтобы земля не осыпалась внутрь. Когда бур дошел до известняка, скважина готова. Сегменты каркаса сваи свариваются в единое целое, каркас поднимается краном в вертикальное положение и аккуратно опускается в скважину, после чего все заливается бетоном (в данном случае это тяжелый б-40), а обсадная труба вытаскивается.
«Почему вообще мы используем железобетон, а не из бетона все делаем? Бетон — отличный материал, который хорошо работает на сжатие. Но в конструкции любого здания существуют не только сжимающие, но и растягивающие движения [. ] Арматура отлично работает на растяжение и дает гибкость конструкции, поэтому железобетон сейчас лучший материал для любой стройки».
Любопытно что в центре каркаса при этом оставляют три трубки, которые идут до самого низа сваи и нужны для цементации грунта под подошвой сваи.
«Известняки, которые находятся на глубине, неоднородные — из-за активного движения грунтовых вод вымываются соли, формируются трещины и включения глины. Если мы видим, что основание недостаточно прочное, чтобы опереться, то его надо дополнительно укрепить. Мы строим жилой дом и на авось полагаться не можем, поэтому под подошвой каждой сваи, ниже 50 метров, мы делаем дополнительное укрепление — три цементации».
Через эти трубки с помощью цементационных установок опускают монитор на штанге, который вращается и подает воду под давлением, вымывая и перемешивая грунт под сваей. Затем туда же закачивается цемент, который одновременно и увеличивает площадь опоры сваи и укрепляет грунт.
«По сути, под каждой сваей получается упрочненное основание, и это технологически серьезная, сложная и дорогая технология. Но дорогая, если мы говорим в принципе о технологии, а в данном случае она позволила нам сократить количество свай раза в два».
При заливке свай из той же партии бетона заливаются кубики, которым дают застыть и проверяют их на прочность под прессом через 7 и 28 суток — это популярный метод контроля качества, который позволяет проверить прочность непосредственно использовавшегося бетона. Кроме того, все построенные сваи тестируются ультразвуком — в трубки для цементации опускаются ультразвуковые датчики, которые «прозванивают» сваю по всей длине и позволяют выявить, посторонние включения, полости и другие дефекты. Конечно, «разобрать» или вытащить уже готовую буронабивную сваю практически невозможно (на самом деле просто дорого), поэтому если вдруг в свае обнаружится дефект, то рядом с ней построят новую.
Еще при строительстве свай под подошву закладывают датчик давления, также на каркас накручивают датчики, определяющие сдвиг пластов — за их показаниями на протяжении всего срока эксплуатации здания будет следить Система мониторинга инженерных конструкций.
В общем, с отдельно взятой сваей все понятно, но как убедиться в том, что все идет по плану и соответствует расчетам? Строительство жилых небоскребов — дело ответственное, поэтому кроме типовых тестов с ультразвуком, которым подвергаются все сваи, одной из ста «везет» по-настоящему и ей уделяют пристальное внимание. Для нее сооружают специальный стенд, который прямо на стройплощадке проверяет, как свая справляется с нагрузкой, превышающей расчетные показатели.
Для испытаний используют сразу пять свай — четыре опорные, и одну тестовую. На опорные анкерные сваи приваривается испытательный стенд, под центральной частью которого находится строительный домкрат и испытываемая свая. Домкрат давит на сваю с огромной силой и фактически пытается поднять испытательный стенд, но поскольку его удерживают четыре анкерные сваи, все давление приходится на единственную тестовую сваю. Вообще буронабивные сваи комплекса «Level Амурская» должны выдерживать 1,5–2 тысячи тонн каждая, но тестировали их с запасом, при еще большей нагрузке: «Мы нагружаем испытуемую сваю, как будто на ней сидит кусок дома и этот кусок весит три тысячи тонн». Под таким давлением оголовок 50-метровой сваи может просесть не больше чем на 40 миллиметров — именно настолько может сжаться железобетонная конструкция.
Испытательные сваи после тестирования не «хоронятся». Поскольку они изначально строятся с небольшим запасом по высоте над землей, то после испытаний стенд разбирается, бетон оголовка сваи разбивается и арматурные выпуски замоноличиваются в тело фундаментной плиты.
Кстати, кроме статических испытаний проводятся и динамические: «У сваи делается специальный ударопрочный оголовок, подъезжает кран с такой большой бобышкой металлической и просто ее бросает. В момент удара свая дает какую-то деформацию или просадку, и датчики фиксируют эти изменения».
Всего под фундаментом комплекса «Level Амурская» построено в общей сложности 500 буронабивных свай. Сами по себе использованные при строительстве свайного основания методы не новы, но их сочетание уникально для стройки в Московском регионе — специалисты Level Group говорят, что такие технологии и нагрузки при тестировании могли использоваться разве что при строительстве небоскребов «Москва-Сити».
Кстати, объект примечателен не только сложным свайным основанием, но и необычной структурой фундамента — дело в том, что это не единая плита. Толстый фундамент и большое количество свай используются только для самых тяжелых построек, а для пятиэтажных корпусов поменьше и подземной парковки заливается отдельное основание. Впрочем, отдельное оно лишь условно — эта более тонкая плита сцеплена с основным фундаментом с помощью деформационного шва.
Да, именно так — два фундамента с постройками сцеплены друг с другом резинкой. Конечно, это специальная высокотехнологичная и очень толстая эластичная полоска, но суть от этого не меняется. Благодаря такому подходу разные части фундамента с разной нагрузкой могут немного «ходить» друг относительно друга, и при этом ничего нигде не лопнет и не треснет. В общем, люди в небоскребах будут спать спокойно.
«Далеко не на каждой стройке такие технологии используются. Мы строим высотный дом, небоскреб, который требует довольно высокого уровня ответственности, серьезных коэффициентов запаса».
