«Бурж Дубай»: возведение самого высоко
В марте 2008 г. в Дубае (ОАЭ) состоялся VIII Международный конгресс Совета по высотным зданиям и городской среде (CTBUH). Учитывая место проведения конгресса, его участников в первую очередь интересовало строительство здания «Бурж: Дубай» (Башня Дубая), заявленного как самое высокое здание в мире. Обсуждению проектирования и строительства этого уникального сооружения была посвящена одна из секций конгресса. Его участники посетили строительную площадку. В данной статье мы предлагаем читателям ознакомиться с краткой информацией о проекте «Бурж Дубай», основанной на докладах его авторов Эдриана Смита, Уильяма Ф. Бейкера, Д. Стэнтона Хориста, Лоуренса С. Новака (Skigmore, Owings & Merrill LLP (SOM).
Общие сведения
Заказчик-застройщик проекта «Бурж Дубай» — компания EMAAR ведет застройку района на площади около 200 га, где планируется построить более 2,8 млн м² площади различного функционального назначения. Этот район должен стать центром города, поэтому нуждается в эффектной знаковой доминанте. Высотная башня призвана не только придать неповторимость генеральному плану, но и стать достопримечательностью всего Дубая.
Окончательная высота здания до сих пор держится в строгом секрете. Однако уже никто не сомневается, что по завершении возведения в 2008 г. «Бурж Дубай» будет самым высоким зданием в мире.
Официально высоту зданий оценивает Совет по высотным зданиям и городской среде (The Council on Tall Buildings and Urban Habitat, CTBUH). Высота здания измеряется от уровня тротуара у главного входа по четырем категориям: до уровня последнего этажа; до крыши сооружения; до верха конструктивных элементов здания; до архитектурной вершины сооружения (верхней точки шпиля, мачты, антенны, флагштока). В настоящее время первенство по первым трем категориям удерживает башня «Тайбэй 101» (Taipei 101)(Китай), 439, 449 и 509 м соответственно, в четвертой категории рекорд принадлежит башне «Сире Тауэр» (Sears Tower)(CLUA) — 527 м. Самой высокой среди отдельно стоящих конструкций, которая не попадает под определение «здание», является «Си-Эн Тауэр» (CN Tower) (Канада) — 553 м.
3578
«Бурж Дубай» — многофункциональный комплекс, включающий примерно 600 кондоминиумов класса «люкс», два спа-салона и конференц-залы; 200 гостиничных номеров с бальным залом и вспомогательными помещениями, 350 гостиничных кондоминиумов; 50 тыс. м² офисных помещений с огромным спа-центром и спортивно-оздоровительным клубом; 7 ресторанов; самую высокую обсерваторию в мире, открытую для общественного доступа, 3 этажа различных коммуникаций, 6 технических этажей и 3 тыс. мест для парковки автомобилей. Общая площадь башни составит более 300 тыс. м² над уровнем земли, а включая подземные уровни — 450 тыс. м².
Архитектурный проект
При разработке архитектурного проекта «Бурж Дубай» использованы элементы местной архитектуры. На Ближнем Востоке преобладают луковичные купола и стрельчатые арки, имеются также свойственные данному региону узорные схемы, такие как цветки с тремя и шестью лепестками и т. д. Некоторые идеи были навеяны спиралевидными образами и философией, воплощенными в иконографической архитектуре Ближнего Востока.
В плане здание имеет геометрическую форму, которая начинается тремя ветвями (лепестками). Ветви по функциональности являются блочным, а по форме — органическими и биоморф-ными. Такая форма характерна для цветочных лепестков, листьев, различных плодов, встречается в животном мире. Вся композиция представляет собой вертикальный объект, который утончается кверху за счет того, что ветви укорачиваются по спирали до тех пор, пока не «оголится» центральный ствол, который продолжает «разматываться», пока не останется один шпиль. В результате создается образ растения, произрастающего из земли и тянущегося к солнцу.
Эта типология является неопределенной в размерах, возможно увеличение по вертикали за счет добавления модулей в основание или дальнейшего дробления шпилевого элемента. В системе фундамента и у нижних этажей здания есть резерв для увеличения высоты, если это окажется необходимым.
Наблюдаемые в силуэте ступени (как бы отдельные башни) связывают «Бурж Дубай» с городом. Башни-выступы нижней части соотносятся с имеющимися зданиями малой и средней высоты, которые определяют современный ландшафт. По мере развития региона будут строиться более высокие здания, обрезы стены на верхних этажах будут обеспечивать сочетание башни с окружающей архитектурой.
В плане здание напоминает контур цветка, а план каждой секции — купола мусульманских храмов. Стрельчатая куполовидная форма в плане стала идеальной формой для проектирования больших эркерных окон в каждом модуле, чтобы обеспечить максимально выигрышный панорамный вид на город и Персидский залив.
На нижнем этаже базового уровня башни располагается комплекс водоемов с фонтанами и искусственными островами, соединенными между собой переходами. На этом уровне находится главный вход в офис, он располагается со стороны озера. Между нижним и средним уровнями находится спортивно-оздоровительный центр отеля, спа-салоны, теннисные корты и открытый плавательный бассейн. На среднем уровне находится вход в жилую часть здания. Далее по часовой стрелке вокруг башни в сторону третьего, самого верхнего уровня находится вход в отель, площадка для подъезда автомобилей и служебный вход в офисную часть здания. Этот базовый уровень носит, если можно так выразиться, условный характер, поскольку он поднимается над парковкой по спирали таким образом, что вход в каждый из вестибюлей-павильонов находится с разной высоты базового уровня.
Каждый павильон вестибюля согласуется с геометрией башни. Вестибюли полностью прозрачны, тогда как башня отражает свет. Конструкция вестибюлей подвешена на тросах. Внешняя оболочка вестибюлей представляет собой двойную стену. Солнечное тепло будет задерживаться между двумя остекленными поверхностями при помощи специальных солнцезащитных устройств.
Внешние стены башни
Внешние стены башни являются массивными и светоотражающими. Они защищают внутреннее пространство от солнечного света. Фасад выполнен из нержавеющей стали с высокоэффективным энергосберегающим двойным остеклением и межэтажными перекрытиями, которые оптимально заслоняют от света внутреннее пространство в то время, когда солнце бьет в потолочное стекло. Таким образом, достигается максимально возможный обзор на большой высоте.
Отражающий стеклопакет спроектирован так, что внешний слой стекла толще внутреннего слоя. Это сделано для того, чтобы уменьшить так называемый эффект подушки, когда давление воздуха в пространстве между слоями выше или ниже давления воздуха снаружи. При использовании более толстого внешнего слоя стекла внутренний слой деформируется раньше внешнего слоя, и таким образом исключается деформация внешнего стекла. Внешняя оболочка однотипна на всех поверхностях башни выше третьего этажа до основания шпиля.
На технических этажах использование нержавеющей стали увеличивается до 70%, остекление составляет всего 20%. Также на фасаде этих этажей по периметру выведены полированные трубки из нержавеющей стали диаметром 200 мм, которые являются частью оборудования для мытья окон.
Верхушка шпиля сделана из конструкционной стали и отделана нержавеющей сталью. Одной из важнейших задач при проектировании внешней стены было избежать каких-либо горизонтальных поверхностей, на которых может скапливаться песок и пыль пустыни.
Внутреннее оформление
Внутренний вид помещений настолько же важен для успеха проекта, как и расчет конструкций. Работами по созданию интерьера отеля руководил лично Джорджо Армани. Интерьеры жилых помещений разрабатывала дизайнер Нада Эндрич (фирма SOM); Маршал Страбала, глава «Бурж Дубай студио», возглавлял разработку интерьеров офисного вестибюля.
Нада Эндрич полагала, что внутреннее оформление должно быть продолжением волнообразного наружного оформления, и предложила выполнить ряд помещений в свободном природном стиле. В результате в оформлении этажей появились элементы арабского шрифта, что тесно связало проект интерьера с контекстом города и дизайном башни.
Разработка проекта фойе офиса представляла иную задачу, поскольку большинство людей, пользующихся этим входом, будут водить машины и парковаться в подземном гараже. Поэтому автомобильное движение было направлено к парадной двери ниже уровня земли по проезду с естественным освещением. Место высадки освещается с помощью широкого круглого окна наверху.
Важной особенностью фойе офиса является свободная форма деревянного потолка и система мостов, связывающих находящееся выше пространство отеля с верхним уровнем строения вестибюля. Эта особенность распространяет органическую природу объекта на офисную обстановку, в точности как криволинейные стены при входе в жилую часть и местах общего пользования. Эта скульптурность стала характерной особенностью, отличающей данный вестибюль от всех остальных.
Здание «Бурж Дубай» будет отличаться инновационной системой сбора конденсата. Высокая температура и влажность, а также необходимость охлаждения воздуха внутри здания приводят к конденсации значительного количества влаги, которая будет собираться и использоваться для полива ландшафтных насаждений башни. Данная система будет давать около 57 тыс. м³ воды в год.
Конструктивная система здания
Здание «Бурж Дубай» спроектировано блочным с центральным шестиугольным стволом или ядром и тремя ветвями, отходящими под углом 120° друг к другу. На этих ответвлениях с интервалом 9 м расположены стеноподобные колонны, которые постепенно «отпадают» по мере роста здания и образования уступов. Ступенчатость здания обеспечивается за счет совмещения по вертикали вышележащих колонн с нижележащими стенами, что позволяет обеспечить равномерную нагрузку и избежать сложных дорогостоящих структурных переходов.
Каждое крыло с периметральными колоннами и коридорами с бетонными стенами служит контрфорсом для других через центральное ядро.
Преимущество ступенчатой формы состоит в том, что ветровые вихри не способны принять упорядоченную структуру, поскольку с каждой ступенью здания его форма меняется.
Расчет и проектирование строительных конструкций
Стены центрального шестигранного железобетонного сердечника обеспечивают сопротивление скручиванию здания подобно закрытой трубе или оси. Они укрепляются стенами крыльев и одностолбчатыми стенами, которые служат перемычками и полками балки для сопротивления сдвигу ветром и для сопротивления крутящим моментам. Боковые опоры технических этажей позволяют колоннам участвовать в сопротивлении боковой нагрузке конструкции.
Заданная марка по прочности при сжатии бетона стен С80-С60. Для его производства используется портландцемент, зола-унос, местные заполнители и специальные добавки. Бетон С80 для нижней части конструкции имеет модуль упругости 43800 Н/мм².
Толщина стен и размеры колонн рассчитаны таким образом, чтобы снизить напряжения ползучести и сжатия отдельных элементов, которые составляют конструкцию. Размер колонн по периметру был определен таким образом, чтобы нагрузка от собственного веса на колонны по периметру соответствовала нагрузке на внутренние стены коридора. Пять комплектов боковых опор, распределенных по зданию, связывают вместе все элементы, несущие вертикальную нагрузку, что обеспечивает её равномерное распределение. Поскольку усадка бетона происходит быстрее у более тонких элементов, толщина периметральных колонн, равная 600 мм, соответствовала толщине стен коридора. Благодаря этому обеспечивалась одинаковая усадка колонн и стен.
Расчет нагрузки от собственного веса здания, а также ветровой и сейсмической нагрузок проводился при помощи программного комплекса ETABS 8.4. Трехмерная расчетная модель включала железобетонные стены, перемычки, плиты, основания, сваи, систему стальных конструкций шпиля и состояла из 73,5 тыс. деталей каркаса и 75 тыс. узлов. Расчет показал, что при данной конструкции здания отклонения стены под воздействием боковых ветровых нагрузок, характерных для данного региона, существенно ниже допустимых.
Муниципалитетом Дубая для проектирования железобетонных конструкций здания «Бурж Дубай» за основу был принят стандарт ACI 318-02 Американского института бетона. Согласно классификации Единых строительных норм и правил США (UBC97) Дубай относится к сейсмической зоне 2а с фактором сейсмической зоны Z=0,15 и почвенным профилем Sc. Специалистами Компании инженеров-консультантов строительной механики и динамики (Австралия) под руководством М. Ирвина были проведены соответствующие исследования сейсмических характеристик площадки, включая анализ сейсмической опасности.
Фундамент башни состоит из плиты, опирающейся на висячие сваи. Фундаментная плита имеет толщину 3,7 м. Она была залита из самоуплотняющегося бетона (SCC) С50. Бетонирование фундаментной плиты состояло из четырех отдельных заливок (три крыла и центральное ядро). Каждая отливка плиты происходила с интервалом не менее 24 ч.
Арматура фундаментной плиты стандартно располагается с шагом 300 мм. В данном случае она была уложена таким образом, что каждый десятый стержень в каждом направлении был пропущен с целью создания так называемых участков оптимизации бетонирования по площади плиты.
Поскольку фундаментная плита башни имеет толщину 3,7 м. одним из важнейших показателей кроме прочности является температура саморазогрева бетонной смеси при твердении. Бетонная смесь для плиты включала 40% золы-уноса, водоцементное отношение составляло 0,34. Для проверки параметров заливки были сформованы необычные образцы-кубы со стороной 3,7 м. Для контроля за повышением температуры бетона в них были размещены термопары, а затем был проведен петрографический анализ.
Фундаментная плита башни опирается на 194 висячие сваи диаметром 1500 мм и длиной около 43 м. Расчетная несущая способность каждой сваи 3 тыс. т. Испытание несущей способности свай башни нагрузкой выдержало 6 тыс. т. Самоуплотняющийся бетон SCC С60 был уложен способом вертикально перемещаемой трубы. Висячие сваи удерживаются в естественным образом сцементированных пластах кальцисильтита. Сила трения составляет 250-350 кПа.
При установке арматурного каркаса свай особое внимание было уделено тому, чтобы в дальнейшем нижний арматурный профиль фундаментной плиты мог быть продет через многочисленные арматурные каркасы свай.
На основании результатов инженерно-геологических изысканий и испытаний несущей способности свай компанией Hyder Consulting Ltd. (Великобритания) был проведен подробный трехмерный расчет осадки фундамента. Установлено, что максимально длительная осадка составит примерно 80 мм. Осадка будет представлять собой постепенный прогиб верхней части профиля по всей площади. Когда строительные работы дошли до уровня 135-го этажа, средняя осадка фундамента составляла 30 мм. Независимая экспертиза инженерно-геологических изысканий была проведена К. Бейкером из STS Consultants, Ltd. (США) и Г. Пулосом из Coffey Geosciences (Австралия).
Грунтовые воды в месте расположения подземной части сооружения отличаются особой жесткостью: концентрация хлоридов достигает 4,5%, а сульфатов — 0,6%, что превышает концентрацию аналогичных веществ в морской воде. Меры по антикоррозийной защите включали: специальную систему гидроизоляции, увеличение толщины защитного слоя бетона, добавление ингибиторов коррозии в бетонную смесь, строгое соблюдение критерия трещиностойкости конструкции и систему катодной защиты с наложением тока при помощи титановой сетки. При изготовлении фундаментной плиты применялся специальный опалубочный вкладыш, что привело к созданию более прочного и менее проницаемого защитного слоя арматуры. С целью повышения плотности бетона в него было добавлено 7% микрокремнезема и специальные добавки.
Учет ветровых нагрузок
Для здания такой высоты, как «Бурж Дубай», ветровые нагрузки и вызываемые ими колебания, особенно на верхних этажах, являются доминирующими факторами при проектировании строительных конструкций. Были проведены испытания в аэродинамической трубе и другие исследования под руководством П. Ирвина из компании Rowan Williams Davies and Irwin Inc.’s (США). Программа испытаний в аэродинамической трубе включала испытание равновесия сил жесткой модели, полные исследования аэроупругой модели с разной степенью свободы, измерения локального давления, исследования ветровых условий пешеходных зон и климатические исследования ветра. Исследования проводились в основном на моделях масштаба 1:500. На основании результатов испытаний был проведен расчет динамической реакции башни, а также совокупного эффективного распределения ветровой нагрузки в полном масштабе.
Результаты исследований преобладающих ветров, их силы и влияния на конструкцию были учтены при выборе ориентации башни относительно сторон света.
Порядок выполнения строительных работ
Как правило, инженеры-проектировщики рассчитывают поведение бетонных конструкций при помощи метода конечных элементов или путем суммирования вертикальных нагрузок на колонны. По мере увеличения высоты здания результаты традиционных методов расчета могут значительно отличаться от действительного поведения конструкций. Деформации, которые происходят в течение длительного времени по мере завершения очередных этапов строительства, а также в результате ползучести и усадки, могут привести к перераспределению нагрузок и вызвать горизонтальное смещение от собственного веса, которые не могут быть выявлены традиционными методами. Для того чтобы учесть зависящие от времени воздействия на бетон, в конструкции башни «Бурж Дубай» был проведен комплексный анализ последовательности выполнения строительных работ, включающий расчет ползучести и усадки, осуществленный при помощи модели Гарднера-Локмана (GL2000). Также использовались дополнительные уравнения, чтобы учесть фактор изменения параметров армирования и сложного нагружения с течением времени.
При строительстве башни уделяется внимание как её вертикальному, так и горизонтальному выравниванию. Для вертикальной компенсации каждый этаж строится с небольшим увеличением типовой высоты этажа, с тем чтобы после уменьшения размера конструкции под влиянием ползучести и усадки с течением времени её конечная высота была не менее проектной.
Горизонтальное выравнивание обеспечивается за счет постоянной корректировки здания по центру при каждом последующем этапе создания центрального шестигранного ядра. Это компенсирует упругое горизонтальное смещение, вызванное весом конструкции, осадкой фундамента, ползучестью и усадкой, которое происходит к началу строительства каждого следующего этажа.
Рассчитать упругое горизонтальное смещение под действием силы тяжести существенно сложнее, чем вертикальное укорачивание. Вызванный силой тяжести горизонтальный прогиб можно представить как разницу между вертикальным укорачиванием в различных точках здания, что приводит к искривлению всей конструкции. При вычислении разницы между двумя переменными величинами получается еще одна переменная с еще большей вариативностью.
Для «Бурж Дубай» прогноз упругого горизонтального смещения под воздействием силы тяжести проводился на основе последовательного анализа строительных работ, интервалов времени, упругости, ползучести, сжатия и осадки фундамента.
Железобетонные перемычки служат для переноса нагрузки силы тяжести на уступы и связывают между собой стены жесткости, воспринимающие поперечную нагрузку. Перемычки были спроектированы согласно требованиям ACI 318-02, Приложение А, для моделирования кронштейнов и узлов. Опорно-соединительное моделирование показало, что перемычки могут быть относительно тонкими.
Проектирование бетона
Проект бетона для вертикальных элементов определен требованиями прочности при сжатии 10 МПа за 10 часов, чтобы обеспечить цикл строительства и проектную прочность. Также учитывалась необходимость обеспечения удобоперекачиваемости и удобоукладываемости. Климатические условия в Дубае меняются с прохладной зимы до очень жаркого лета, максимальная температура иногда превышает 50°С. Для того чтобы учесть различные скорости нарастания прочности и потерю удобоукладываемости, проектировалась бетонная смесь для каждого времени года.
Обеспечение удобоперекачиваемости бетона при строительстве здания такой высоты является одной из самых сложных задач. В целях снижения давления нагнетания по мере увеличения высоты здания были разработаны четыре базовые смеси. Чтобы установить фактическую удобоукладываемость этих составов и определить коэффициент трения, в феврале 2005 г. была проведена экспериментальная укладка бетононасосом до высоты 600 м.
На данном этапе строительства применяется бетонная смесь, содержащая 13% золы-уноса и 10% микрокремнезема, максимальный размер зерен заполнителя 20 мм. Смесь самоуплотняющаяся, осадка конуса составляет около 600 мм. Эта смесь будет использоваться до тех пор, пока давление нагнетания не превысит 200 бар.
Выше уровня 127-го этажа требования к бетону конструкции снижаются до 60 МПа и может быть использована смесь с заполнителем крупностью до 10 мм. На строительстве «Бурж Дубай» применяются бетононасосы Putzmeister, причем два из них самые большие в мире, способные обеспечивать давление нагнетания бетона до 350 бар при укладке бетона через трубопровод диаметром 150 мм.
Строительство
Реализация проекта «Бурж Дубай» осуществляется с применением передовых технологий строительства и использованием самых современных материалов. Для формирования стен применяется самодвижущаяся подъемно-переставная опалубка фирмы Doka’s SKE 100, для круглых «носовых» колонн — специальные стальные формы, а для плит перекрытия — опалубка MevaDec. Бетон распределяется при помощи бетонораспределительных стрел, которые крепятся к системе разборно-переставной опалубки. Арматура стен сваривается на земле в 8-метровые секции, чтобы ускорить установку.
Последовательность выполнения строительных операций: отливка центрального ядра с плитами перекрытия, затем стены ответвлений с плитами перекрытий, после чего следуют носовые колонны крыльев с плитами перекрытий.
Ввиду ограничений традиционных технологий съемки была разработана специальная система мониторинга GPS, чтобы контролировать вертикальность постройки.
После завершения работы «Бурж Дубай» будет самым высоким зданием в мире. Над её созданием рука об руку работали архитекторы, проектировщики, инженеры-технологи. Башня является большим достижением во многих научных направлениях и, конечно, в практике строительства. Опыт её создания, несомненно, будет полезен при разработке проектов высотных зданий, в том числе и в России.