Небоскреб Лахта Центр — этапы строительства самого высокого здания России
Небоскрёб Лахта Центр спроектирован как самое высокое здание России и Европы. Башня строится с 2013 года «с нуля». Работы началось с производства строительно-монтажного оборудования — оно уникально, как и сам небоскрёб.
Для его устойчивости понадобилась установка мощных буронабивных свай, и только затем строители возвели коробчатый фундамент. Следующим этапом стало создание котлована — о нём следует рассказать отдельно в связи с применением оригинальной строительной технологии.
Стена в болоте
Судьба Лахта Центра складывается типично для большинства зданий в Санкт-Петербурге: его приходится строить на болотистой местности. Опыта подобного строительства в Северной столице накоплено за века немало. Но одно дело — построить обычный жилой дом или даже дворец екатерининской эпохи.
И совсем другое — сверхвысокое здание, каких в городе ещё не было. Как уберечь небоскрёб от коварства зыбкого болотного грунта, способного в любой момент осыпаться или «поплыть»?
Глубже под фундаментом будущего небоскрёба залегают твёрдые, принесённые ледником моренные породы, на которых твёрдо держится подземная стена.
Лишь после строительства защищающей от подтопления стены появилась возможность откопать котлован глубиной более 20 метров. Он был выкопан в 2014 году.
На прочной основе
Фундамент — основа любого здания. Но каким он должен быть, если речь идёт о таком здании, как Лахта Центр? Согласно проектным данным, величина суммарной нагрузки на фундамент питерского небоскрёба должна составить 670 миллионов тонн. Это больше, чем весят все африканские слоны, обитающие в природе. Трудно даже представить конструкцию, способную выдержать такую исполинскую массу. И, тем не менее, она уже существует не только на чертежах строительного проекта.
Лахта Центр представляет собой многофункциональное здание и является комбинацией различных архитектурных стилей. Под здание и предусмотренную проектом арку строители установили 848 свай, каждая из которых имеет диаметр 1,2 метра. Под расположенную на нижних уровнях парковку установлено 968 свай 0,6 метров в диаметре. В составе коробчатого фундамента — три плотно армированные плиты, нижняя из которых в толщину достигает 3,6 метров. Арматура диаметром 3,2 сантиметра и шагом армирования 16,5 сантиметров образует 15 уровней металлической сетки. Сетка уходит вниз более чем на трёхметровую глубину.
Довольно сложной задачей стало проектирование и строительство подземных этажей, находящихся между плитами фундамента. При огромной массе, давящей на основание небоскрёба, важно правильно распределить нагрузку на элементы конструкции этажей — иначе произойдёт катастрофа.
В конструкцию нижнихэтажей входят горизонтальные аутригеры, которые придают небоскрёбу прочность.
Бетонный рекорд
Лахта Центр относится к так называемым монолитным зданиям. Это означает, что в основу большинства его конструкций составляет монолит из бетона, залитого в металлическую арматурную сетку. Арматурные прутья, связанные между собой, придают прочность конструкции, в то время как жидкий, быстро затвердевающий бетон наполняет её. Пока бетон застывает, его форму помогает поддерживать временная оболочка из недорогих материалов — опалубка, которая затем снимается.
Проблема состоит в том, что такая технология требует подавать жидкий бетон непрерывно, без остановок, пока он не заполнит весь арматурный каркас. Когда речь идёт о фундаменте обычного многоэтажного здания, это не вызывает трудностей. Но как осуществлять непрерывную заливку элементов огромного основания Лахта Центра? Работы по бетонированию фундамента привлекли всеобщее внимание новым мировым рекордом.
Огонь не страшен
После того, как был готов фундамент, башня стала расти в высоту. Согласно проекту, строительство началось с железобетонного ядра, которое постепенно покрывают стены и перекрытия. Помимо того, что с помощью ядра обеспечивается устойчивость башни, оно также служит сосредоточием коммуникаций здания, технических помещений и зон безопасности. Перемещаться по этажам здания можно будет с помощью 34 вместительных, быстрых и максимально безопасных лифтов.
Главное требование к ядру небоскрёба — обеспечение максимальной противопожарной безопасности.
Трудно даже предположить, что в таких условиях может угрожать безопасности людей, в том числе и при наиболее масштабном из возможных возгораний.
К ядру постоянно прирастают новые элементы конструкций. Происходит это достаточно быстро, благодаря круглосуточной непрерывной работе на объекте. На строительстве Лахта Центра заняты 4 тысячи строителей и работников других профессий. Первые 16 этажей небоскрёба состоят из 22 тысяч компонентов, соединённых 200 тысячами болтов.
На стройке работает 16 кранов производства компании «Либхер» с вылетом стрел до 60 метров и грузоподъёмностью, достигающей 64 тонн. Они способны перемещать груз на высоту до 176 метров в течение минуты.
Стеклянное царство
Проект Лахта-Центра предусматревает застекление всех этажей ниже семидесятого. Фасад небоскрёба — настоящее царство прочного и удивительно красивого стекла.
Стекло имеет не плоскую, а изогнутую форму, поскольку само здание представляет собой спираль. Для производства этого стекла под Санкт-Петербургом был создан специальный завод, работающий по немецким технологиям. Гнётся стекло холодным способом, никак не ухудшающим его свойства. Площадь стеклянного фасада — 72 500 квадратных метров, вес — 13 тысяч тонн.
Процесс строительства онлайн
Строительство не останавливается ни на секунду. Многочисленные бригады трудятся круглые сутки.
Посмотреть видеотрансляцию строительства онлайн можно посмотреть с помощью установлено вебкамеры.
Самое высокое здание в Европе. Часть 4. Строительство надфундаментных частей зданий комплекса «Лахта Центр»
В конце октября 2018 года планируется ввод в эксплуатацию крупнейшего общественно-делового комплекса «Лахта Центр» на берегу Балтийского моря в Санкт-Петербурге, башня которого стала самым высоким зданием в Европе (рис. 1). Там разместятся офисы компаний корпорации «Газпром», а также обширные общественные пространства.
Общая информация об этом гигантском проекте приведена в первой части статьи [2]. Об инженерных изысканиях для него рассказано во второй части [3], о геотехнических решениях и ходе строительства фундаментов – в третьей [4]. Здесь мы рассмотрим создание надфундаментных частей зданий комплекса (прежде всего его башни), учитывая то, что они работают вместе с фундаментами и грунтовыми основаниями как единое целое.
Напомним, что до начала строительства была создана трехмерная (если учитывать время, то четырехмерная) BIM-модель «Лахта Центра», которая использовалась для контроля каждого этапа развития проекта путем сопоставления реально созданных конструкций с виртуальными. Выполнялись также виртуальные и натурные аэродинамические испытания моделей небоскреба, а также отдельных элементов его несущих конструкций и фасада для создания оптимального каркаса здания и определения наилучшего расстояния между башней и многофункциональным зданием.
Строительство надземной части небоскреба началось в августе 2015 года. В нем ежедневно участвовало до 3 500–12 000 человек (из которых 10% составлял инженерно-технический персонал). Если учитывать заводское производство материалов и элементов конструкций и т.п., то можно сказать, что в строительстве в общей сложности участвовало 20 тысяч человек ежедневно.
Отметим, что площадь поперечного сечения башни значительно меньше площади фундамента для снижения удельной нагрузки на грунт основания (рис. 2).
Всего на строительство надфундаментной части башни ушло 43 000 куб. м бетона и 189 000 уникальных металлических деталей общей массой 30 000 т.
Жесткость и устойчивость небоскреба против гравитационных, ветровых, сейсмических и опрокидывающих нагрузок обеспечивает каркас здания, основой которого является монолитное железобетонное ядро в форме толстостенной трубы, поэтому оно возводилось в первую очередь (напомним, что его возведение было начато еще в подземной части – на этапе строительства фундамента [4]).
Ядро имеет наружный диаметр 28,5 м в фундаментной части и 28 м на минус 1-м и 1-м этажах башни, расположенных над коробчатым фундаментом. Далее с набором высоты диаметр ядра уменьшается до 21 м на 87-м этаже (перед шпилем). Толщина его наружной стены многоступенчато уменьшается с 2,5 м в пределах фундамента и 2 м в нижней части башни до 0,4 м на этажах с 81-го по 87-й. Его внутреннее пространство предназначено для размещения вертикальных коммуникаций – лифтов, лестниц, труб, кабелей, технических помещений, зон безопасности на случай пожара и пр.
Начиная с третьего этажа при строительстве ядра жесткости использовалась самоподъемная опалубка, разделенная на две половины и перемещающаяся вверх по рельсам на наружной поверхности уже изготовленной части ядра с помощью гидравлических домкратов (рис. 3).
С отставанием на два этажа по периметру будущего фасада здания с 1-го по 82-й этаж устанавливались или наращивались сегменты стальных сердечников несущих колонн длиной по 8,4 м (что соответствует высоте двух типовых этажей небоскреба). Сердечники в виде «мальтийского креста» изготавливались в заводских условиях из двух двутавров (рис. 4). На нижних этажах их было установлено 15, выше их осталось 10 (рис. 5).
Основание башни имеет сечение в виде правильного пятиугольника с диаметром описанной вокруг него окружности около 60 м (напомним, что фундаментная часть шире и составляет 98 м в поперечнике). Этот пятиугольник уменьшается по площади, изменяет форму и поворачивается по мере увеличения высоты (в сумме на 89 градусов) (см. рис. 5). Таким образом, ребра башни закручиваются вокруг башни и сходятся в одну точку на вершине ее шпиля (см. рис. 1, а). Интересно отметить, что среди спиралевидно закручивающихся небоскребов «Лахта Центр» занимает второе место по высоте в мире (после «Шанхайской башни»).
С опозданием на три этажа сердечники периметральных колонн соединялись системой стальных балок с ядром башни (рис. 6). На эти балки укладывали профилированные стальные листы (рис. 7) и монолитный железобетон, создавая перекрытия между этажами (рис. 8).
В железобетон «одевали» также стальные сердечники периметральных колонн, в результате чего их поперечное сечение становилось квадратным с длиной стороны 1,5 м (рис. 9). Такие композитные колонны в 5 раз прочнее обычных железобетонных и в 2 раза дешевле стальных.
Для строительства использовались постепенно наращиваемые подъемные краны, «пристегнутые» к периметральным колоннам башни, а также «самоподъемный» кран, вмонтированный в лифтовую шахту внутри ядра (рис. 10). В конце строительства они были разобраны. Использовались также мини-краны, установленные на перекрытиях между этажами.
За вертикальностью ядра и соблюдением расчетных наклонов окружающих его конструкций следили 30 геодезистов с помощью 7 ультрасовременных систем лазерного и оптического геодезического оборудования, в том числе с использованием спутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС (дублирование помогало перепроверять показания приборов). Максимальное разрешенное суммарное отклонение ядра от вертикальности составляло всего 6 мм. Отметим, что контролировать это было очень сложно из-за раскачивания сооружения от ветра [7–15].
Для обеспечения дополнительной жесткости каркаса здания примерно через каждые 70 м (через каждые 14 этажей) было создано 4 сдвоенных аутригерных уровня, напоминающих по структуре двухэтажный коробчатый фундамент [7]. Ядро и периметральные колонны в них соединяются десятью композитными радиальными стенами (диафрагмами жесткости), которые намного массивнее и прочнее стен на обычных этажах (рис. 11–14).
Эти пояса жесткости передают нагрузки с внешнего контура здания на ядро. Одновременно они являются техническими этажами, то есть предназначены для размещения узлов коммуникаций и другого технического оборудования, обеспечивающего работу инженерных систем здания.
Можно насчитать еще пятый пояс жесткости, который является самым верхним и представляет собой железобетонную плиту толщиной 1,5 м по всему сечению небоскреба выше которой располагаются предшпилевые уровни и шпиль.
Пояса жесткости надежно фиксируют и включают в работу каркаса периметральные композитные колонны (рис. 15), которые имеют некоторый наклон, обеспечивающий не только уменьшение площади пятиугольных этажей здания с высотой, но и их спиралевидное закручивание вокруг фасада (в целом на 89 градусов). Однако на самих аутригерных уровнях внешние колонны строго вертикальны.
Таким образом, башня как бы состоит из поставленных друг на друга пяти отдельных зданий, прочно соединенных между собой, так как каждый аутригерный уровень похож по структуре и функциям на фундамент. Даже при сильных порывах ветра аутригерные системы будут надежно сохранять связь между ядром башни и ее периметральными колоннами.
Даже при форс-мажорных обстоятельствах и 30%-ном удалении опорных конструкций небоскреб не разрушится. Он имеет кратный запас прочности по сравнению с обычным деловым зданием.
Более того, башня спроектирована таким образом, что может держаться на одном ядре. Даже в случае террористической атаки с воздуха она в состоянии противостоять прогрессирующему обрушению. Кроме того, ядро имеет высшую степень огнезащиты и способно выдерживать огонь в течение 4 часов без изменений свойств бетона и стали [7, 11, 16–20].
Этажи 83–87 представляют собой переходные предшпилевые уровни, пока еще обитаемые и отапливаемые. От расположенных ниже этажей они отличаются тем, что по их периметру располагаются не композитные несущие колонны, а обычные трубчатые стальные колонны-стойки (10 штук), причем меньшего поперечного сечения, чем первые (рис. 16).
Перекрытие между 87-м этажом и 88-м уровнем (377,35 м) можно считать кровлей здания. Выше нее располагаются технические уровни, предназначенные для размещения оборудования систем обслуживания фасадов, связи и навигации.
На уровнях 88–100 располагается нижняя часть шпиля, где число стальных колонн уменьшается до пяти. Шпиль, весящий около 2 000 т, имеет пирамидальный каркас (рис. 17, 18). Его основные несущие конструкции – периметральные колонны-стойки из стальных труб метрового сечения, которые продолжают спирально закручиваться вокруг центральной оси. Через каждые 8,4 м эти ребра скреплены горизонтальными и диагональными связями (кольцевыми балками и балками-раскосами соответственно) – также трубчатыми, но меньшего диаметра. Пять внешних углов шпиля создают фахверковые балки, образующие в плане треугольники.
Выше (начиная с 420 м), когда шпиль максимально сужается, вместо пяти периметральных колонн появляется центральная трубчатая колонна-стойка диаметром 1,42 м.
Шпиль покрыт сетчатой стальной облицовкой (рис. 19), которая не портит внешний вид башни и при этом препятствует парусности, а также сильному обледенению и формированию на элементах конструкции пластов снега. Кроме того, предусмотрено подключение к нему нагревательных элементов [7 –22].
Самые верхние 13 метров шпиля занимает цельная конусообразная завершающая конструкция.
Когда верхняя часть небоскреба еще строилась, снизу уже началось его остекление, общая площадь которого составила 72 500 кв. м, что равно 85% от общей площади фасада (площадь остекления фасадов всего комплекса достигла 130 000 кв. м). При этом под возводимыми этажами устанавливались защитные сетки для предотвращения падения вниз строительных инструментов и материалов.
Для облицовки фасада использовалось особо прочное многослойное стекло толщиной 4,2 см. Оно состояло из следующих слоев (изнутри наружу): закаленное стекло толщиной 8 мм, не образующее крупных и острых осколков в случае повреждения; пустое пространство толщиной 16 мм, заполненное аргоном; термоупрочненное стекло толщиной 8 мм; связующая пленка толщиной 1,5 мм; термоупрочненное стекло толщиной 8 мм; термоотражающее напыление, которое придает стеклу синий оттенок при ярком солнце и голубом небе и серо-голубой, серый или даже бронзовый оттенок в пасмурную погоду.
Из-за уникальной закручивающейся формы башни и изменений формы ее поперечного сечения с высотой почти все стеклопакеты отличаются друг от друга (точные места их установки определялись по индивидуальным штрих-кодам). Всего для башни было использовано 16 505 стеклопакетов. Большинство из них имеет форму гнутого параллелограмма (рис. 20), массу 740 кг, ширину 2,8 м и высоту 4,2 м (что эквивалентно высоте одного этажа).
Стеклопакеты делались гнутыми, чтобы остекление в целом выглядело гладким, а не ребристым. Для придания нужной формы их еще до монтажа помещали в алюминиевые рамы и подвергали воздействию силы тяжести под давлением грузов (рис. 21).
Фасадные панели (стеклопакеты в рамах) не прикреплялись жестко к каркасу здания, а навешивались на специальные скобы, расположенные на перекрытиях между этажами, чтобы избежать их деформирования при перепадах температуры, а также при усадках и осадках башни и ее раскачивании от ветра. При этом обеспечивалась герметичность стыков за счет специальных уплотнителей по периметру каждой панели.
Панорамное остекление фасада позволит оптимально использовать естественное дневное освещение. Само стекло с высокими теплоизоляционными свойствами, специально разработанное для Санкт-Петербургского климата, также позволит сократить потребление энергии при эксплуатации здания и внесет свою лепту в обеспечение комфортности пребывания в нем людей.
Повышению эффективности работы системы климат-контроля башни (а значит, энергосбережению) поспособствуют и так называемые буферные зоны в углах между «лепестками» с офисами. В этих зонах остекление выполнялось в два ряда (рис. 22, 23). С их помощью будет осуществляться естественное проветривание помещений в дополнение к механической вентиляции (между прочим, впервые в мире для супервысотного здания), поскольку на ребрах башни, примыкающих к буферным зонам, предусмотрены специальные клапаны, которые будут автоматически открываться или закрываться при определенных условиях.
Эти зоны занимают по высоте сразу два этажа, поэтому нижний ряд наружных фасадных панелей навешивался не на плиту перекрытия, а на направляющие рамы.
Интересно, что для сотрудников офисов будет возможность выходить в буферные зоны, как на застекленные лоджии, чтобы отдохнуть.
Для работы людей при мытье и ремонте фасадов будут использоваться специальные платформы, передвигающиеся снизу вверх по рельсам на ребрах башни вплоть до высоты 369 м с помощью лебедок, установленных на высоте 369 м. Выше будут работать промышленные альпинисты с использованием специальных электрических подъемников.
Автоматические датчики единой интеллектуальной системы управления микроклиматом, установленные по всему зданию, будут делать замеры освещенности, температуры воздуха, содержания в нем влаги, углекислого газа, пыли. На основе этих данных будут автоматически вноситься соответствующие изменения в работу систем отопления, вентиляции, кондиционирования, очистки и увлажнения воздуха, а также в работу клапанов и жалюзи в буферных зонах (см. рис. 23).
Интересным является использование размещенных под землей «аккумуляторов холода», помогающих беречь электроэнергию при поддержании комфортной температуры в здании в жаркую погоду. В теплое время года ночью, когда потребление энергии и ее цена ниже, будет намораживаться лед, который днем будет помогать кондиционерам справляться с нагрузками.
Напряжения и деформации конструкций башни будет отслеживать система мониторинга отечественной разработки. Для этого по всему зданию установлено около 3 000 датчиков.
Отметим, что башня «Лахта Центра» (как и весь комплекс) является одной из самых пожаробезопасных в мире. Проектом предусмотрены различные технические решения:
Напомним, что в «Лахта Центре» предусмотрено использование более ста инновационных «зеленых» технологий, обеспечивающих энергоэффективность (до 40% экономии энергии) и экологичность эксплуатации на основе комплексного подхода. Например, в дополнение к описанным выше технологиям предусмотрены:
Отметим, что работы по возведению башни, многофункционального здания, стилобата и входной арки шли одновременно (рис. 25).
Многофункциональное здание «Лахта Центра» из двух изогнутых корпусов высотой от 22 до 85 м (рис. 26) является конструктивно даже более сложным, чем башня. Из-за протяженности фасадов его называют «горизонтальной доминантой» или «лежащим небоскребом». Здание имеет огромную площадь основания, крупнейший в России крытый атриум между двумя его корпусами, фасады с отрицательными углами наклона, огромный шарообразный планетарий, подземный логистический проезд и другие сложные решения.
Стилобат, представляет собой трехэтажную (вместе с поземным уровнем) цокольную (подиумную) часть вокруг подножий башни и многофункционального здания и имеет в плане размер 77 м х 135 м (см. рис. 26).