Эволюция небоскрёбов:
от стальных трубок Чикаго до высотных рекордов Дубая читать ~19 мин.

Небоскрёб — инженерное уравнение, в котором переменными служат ветер, гравитация, материалы и деньги. За полтора столетия, прошедших с момента постройки первого стального каркасного здания в Чикаго, архитекторы и инженеры решали это уравнение снова и снова — каждый раз с новыми условиями и на новой высоте.

Чикагская школа и первый стальной скелет

До 1880-х годов высотное строительство упиралось в физику каменной кладки. Чем выше здание, тем толще должны быть его несущие стены у основания. Многоэтажный офисный корпус в результате превращался в пирамиду с неэффективно использованной площадью нижних этажей — стены просто съедали пространство.

Прорыв наступил в 1884 – 1885 годах, когда Уильям Ле Барон Дженни завершил строительство здания Home Insurance Building в Чикаго. Десятиэтажная постройка высотой 42,1 метра стала первой, в которой нагрузки от перекрытий и кровли воспринимались не стенами, а внутренним металлическим каркасом из стали и железа. Стены превратились в навесные панели — они больше не держали здание, а просто закрывали его от внешней среды. Городские чиновники были настолько обеспокоены такой концепцией, что приостановили строительство и потребовали инспекции.

Вес здания составил примерно треть от веса сопоставимой каменной постройки. Этот факт имел прямые экономические следствия: более лёгкое здание требовало менее глубоких фундаментов и меньших объёмов земляных работ. Железо и сталь — дорогие, но компактные материалы — позволяли строить выше при том же пятне застройки.

Параллельно решалась вторая проблема высотных зданий — вертикальное перемещение людей. Элайша Отис демонстрировал свой гидравлический лифт ещё в 1850-х годах, и к 1880-м годам лифты превратились в стандартное оборудование. Без подъёмника этажи выше четвёртого-пятого теряли коммерческую ценность — арендаторы не хотели подниматься пешком. Сочетание стального каркаса и надёжного лифта открыло путь к настоящему высотному строительству.

Нью-Йоркская гонка высот

Чикаго дал идею, но Нью-Йорк превратил её в соревнование. С конца XIX века до 1970-х годов Нью-Йорк удерживал статус города самых высоких зданий мира на протяжении 66 лет подряд. В 1902 году был построен Flatiron Building (87 метров), в 1909 году — Singer Building (187 метров), затем Metropolitan Life Tower и, наконец, символы межвоенного оптимизма — Крайслер-билдинг и Эмпайр-стейт-билдинг.

Крайслер-билдинг, завершённый в 1930 году по проекту Уильяма Ван Алена, достиг высоты 319 метров — это было первое здание, превысившее Эйфелеву башню. Его характерный шпиль из нержавеющей стали весом 27 тонн подняли на место за 90 минут. Крайслер удерживал звание высочайшего лишь 11 месяцев: 1 мая 1931 года открылся Эмпайр-стейт-билдинг высотой 381 метр (с антенной — 443 метра), и новый рекорд продержался почти 40 лет.

В архитектурном отношении оба здания принадлежат стилю ар-деко с его ступенчатыми силуэтами. Ступенчатость была не только эстетической прихотью: нью-йоркский закон о зонировании 1916 года предписывал отступы верхних этажей от красной линии, чтобы уличные уровни не лишались дневного света. Правило изменило облик целого поколения нью-йоркских небоскрёбов.

Башни-близнецы и структурная революция

После Второй мировой войны строительная индустрия получила новые инструменты: высокопрочные стали, сварные соединения вместо клёпки и первые вычислительные машины для расчёта конструкций. В 1960-е годы идеи о том, как именно должно работать высотное здание под ветровой нагрузкой, были переосмыслены почти полностью.

Фазлур Хан и концепция трубы

Бангладешский инженер Фазлур Рахман Хан, работавший в бюро Skidmore, Owings & Merrill в Чикаго, разработал несколько структурных систем, которые определили облик высотного строительства на десятилетия вперёд. Его центральная идея — «трубчатая» конструкция — состояла в следующем: вместо того чтобы распределять колонны по всей площади этажа, он располагал их плотно по периметру здания, соединяя жёсткими балками на каждом уровне. Таким образом, само здание работало как полый консольный ящик, опирающийся на фундамент.

Система оказалась экономически эффективной: колонны в сердцевине здания больше не нужны, а стальные элементы используются рациональнее. Хан разработал несколько вариантов трубчатой концепции — рамчатую трубу, ферменную трубу и пучковую трубу — и все они нашли практическое применение в реальных зданиях. Современные конструктивные системы до сих пор опираются на его принципы.

В 1972 – 1973 годах в Нью-Йорке были построены башни Всемирного торгового центра (110 этажей, 415 и 417 метров соответственно), в которых применялась рамчатая труба с плотно расставленными периметральными колоннами. Для своего времени это было предельно материалоёмкое решение, зато эффективное с точки зрения использования площади — внутри не было ни одной колонны, только центральный ствол с лифтами.

Willis Tower: пучковая труба в действии

В 1970 году в Чикаго началось строительство здания Sears Tower (сегодня известного как Willis Tower) — самого высокого здания мира на тот момент. Проект разработали архитектор Брюс Грэм и Фазлур Хан, применив здесь свою самую зрелую идею — пучковую трубу.

Конструкция и параметры

Девять стальных трубчатых ячеек размером 23 × 23 метра каждая собраны в матрицу 3 × 3 и работают как единое целое без каких-либо внутренних колонн между ядром и периметром. Две ячейки поднимаются на 50 этажей, две — на 66, три — на 90 и две — на 108 этажей. Эта ступенчатая конфигурация не только создаёт узнаваемый силуэт, но и конструктивно целесообразна: обрывая трубы на разной высоте, инженеры разрушали регулярность ветровых вихрей вокруг здания, снижая аэродинамические нагрузки.

Всё основное сваривание конструктивных элементов выполнялось не на стройплощадке, а на заводе, и готовые секции просто соединялись болтами на месте. Идея пучковой трубы, по словам самого Хана, была подсказана пачкой сигарет, из которой несколько штук выдвинуты на разную длину — образ неравномерно выступающих секций сам собой задавал ступенчатость.

В здании использовалось около 67 000 тонн стали, 1,8 килотонны алюминия и 410 000 квадратных метров бетонных перекрытий. Высота антенны достигла 527 метров, а высота по кровле — 442 метра, что позволило зданию занимать первое место в мире по этому показателю с 1973 по 1998 год.

Строительство было завершено в 1973 году. Фундаментные работы начались ещё в августе 1970 года: был вырыт котлован глубиной 15 метров, извлечено около 5 100 кубических метров грунта, а вокруг участка сооружена шламовая стена из армированного бетона. В основание уходили 201 каиссонная свая, доходившие до скального основания.

Место в истории высотного строительства

Willis Tower стал не просто самым высоким зданием своего времени — он показал, что пучковая трубчатая система позволяет строить высотные здания дешевле на единицу площади, чем любые предшествующие решения. После него инженеры уже не сомневались: принцип Фазлура Хана работает в полном масштабе. Здание оставалось мировым рекордсменом по высоте кровли 25 лет.

Куала-Лумпур и бетонные сверхколонны

К середине 1990-х годов экономика Юго-Восточной Азии росла с такой скоростью, что амбиции в строительстве стали почти измеряться ВВП. В 1998 году в Куала-Лумпуре были открыты башни-близнецы Petronas — на тот момент самые высокие здания в мире высотой 451,9 метра каждая.

Бетон против стали

Проектировщики башен Petronas приняли нестандартное решение: вместо стали основным конструктивным материалом стал высокопрочный железобетон. Причины были прагматичными — импортировать конструкционную сталь в таких объёмах в Малайзию было дорого, а местные подрядчики хорошо умели работать с бетоном. Бетон вдвое эффективнее стали снижает раскачку здания от ветра, хотя и делает конструкцию вдвое тяжелее.

Каждая башня опирается на центральное бетонное ядро размером 23 × 23 метра и кольцо из 16 цилиндрических сверхколонн из того же высокопрочного бетона. Кольцевые балки соединяют сверхколонны, образуя момент-рамную внешнюю трубу — классическая схема «труба в трубе», где обе трубы выполнены из бетона, а не из стали.

Бетонная плита фундамента объёмом 13 200 кубических метров заливалась непрерывно в течение 54 часов для каждой башни. При весе 32 500 тонн этот фундаментный рафт удерживал мировой рекорд по объёму единовременной заливки бетона вплоть до 2007 года.

Примечательно, что первоначально башни проектировались высотой 427 метров. Чтобы превзойти Willis Tower, архитекторы и инженеры пересчитали конструкцию и добавили купол с интегрированным шпилем. В результате Petronas превысили Sears (Willis) Tower примерно на 10 метров.

Taipei 101: маятник весом 660 тонн

В 2004 году звание самого высокого здания мира перешло к башне Taipei 101 в Тайване — 508 метров и 101 этаж. Здание строилось в одном из наиболее сейсмически активных и подверженных тайфунам районов мира, что потребовало специальных конструктивных решений.

Структурная система

Несущая система Taipei 101 сочетает в себе армированное бетонное ядро с восемью стальными сверхколоннами сечением 2,4 × 3 метра, расположенными по периметру. Колонны — стальные коробчатые секции, заполненные бетоном прочностью 69 МПа. Аутриггеры — горизонтальные жёсткие фермы — соединяют ядро с периметральными колоннами на нескольких уровнях, позволяя системе совместно воспринимать горизонтальные нагрузки.

Внешний облик здания воспроизводит мотив восьмиугольника, повторяющегося восемь раз — по числу, традиционно считающемуся счастливым в китайской культуре. Каждый модуль из восьми этажей немного шире своего основания, что создаёт узнаваемый ступенчатый профиль.

Настроенный гаситель колебаний

Главная техническая особенность Taipei 101 — настроенный гаситель колебаний (tuned mass damper, TMD) в виде стальной сферы диаметром около 5,5 метра и массой примерно 660 тонн, подвешенной на тросах между 87-м и 91-м этажами. При раскачке здания шар движется в противофазе, гася колебания. Это решение позволило снизить горизонтальные перемещения верхних этажей при тайфуне примерно на 40%.

Фундамент здания покоится на 380 буронабивных сваях диаметром 1,5 метра, расположенных с шагом 4 метра. Бетонная плита фундамента толщиной от 3 до 4,7 метра перераспределяет нагрузки на всё свайное поле.

Burj Khalifa: предел достигнутого

Строительство Burj Khalifa в Дубае началось в январе 2004 года и завершилось официальным открытием в январе 2010 года. Высота здания по шпилю составляет 828 метров, этажей — 163 (или 160 надземных, в зависимости от методологии подсчёта). Архитектурный проект разработал Эдриан Смит, главным конструктором выступил Билл Бейкер — оба из того же бюро Skidmore, Owings & Merrill, которое прежде проектировало Willis Tower.

Форма, продиктованная ветром

Сечение башни в плане — Y-образное. Такая форма была выбрана по аэродинамическим соображениям: она разбивает образование вихревых дорожек Кармана, которые вызывают резонансные колебания здания. Кроме того, по мере набора высоты секции башни ступенчато сужаются, постоянно меняя расположение и размер «аэродинамически активных» граней. Это означает, что ветровые вихри не успевают синхронизироваться вдоль высоты здания.

Пять основных конструктивных элементов образуют систему: центральное шестигранное ядро из армированного бетона, три «лепестка» жилых и офисных этажей, опирающиеся на периметральные колонны, и отходящие от ядра крыловидные аутриггеры. Бейкер и его команда назвали эту концепцию «контрофорсной ячейкой» (buttressed core): три «лепестка» взаимно подпирают центральное ядро, не давая ему изгибаться под ветровой нагрузкой.

Стройплощадка в цифрах

Строительство потребовало 330 000 кубических метров бетона и 55 000 тонн стальной арматуры. Общая трудоёмкость составила 22 миллиона человеко-часов. На пике работ на объекте одновременно работали около 12 000 человек.

Бетон подавался с помощью специально разработанного насоса Putzmeister BSA 14000 SHP-D с рабочим давлением выше стандартного. В мае 2008 года бетон был закачан на высоту 606 метров — мировой рекорд для насосной подачи бетона на тот момент. Выше 606-метровой отметки структура переходит от армированного бетона к стальному каркасу — более лёгкому и практичному на таких высотах.

Три башенных крана на верхних уровнях могли поднимать грузы до 25 тонн каждый. В среднем на один этаж уходило от трёх до четырёх дней работы. В 2006 году башня достигла 50-го этажа, в январе 2007 года — 100-го, в апреле 2008 года — 160-го.

Фундамент в мягком грунте

Дубайские грунты — не чикагская скала. Под площадкой Burj Khalifa находятся слои известняка, доломита и рыхлых отложений, насыщенных грунтовой водой с повышенным содержанием сульфатов. Это потребовало специального состава бетона с повышенной стойкостью к химической агрессии.

Фундамент здания — монолитная плита толщиной около 3,7 метра, опирающаяся на 192 сваи диаметром 1,5 метра, каждая длиной 43 метра. Несмотря на сложность грунтовых условий, фундаментные работы были выполнены в срок, не превышающий аналогичные операции для высотных зданий на более прочных основаниях.

Сравнение структурных систем

Четыре ключевые постройки, каждая из которых в своё время была высочайшей в мире, демонстрируют последовательное усложнение инженерных решений.

Материалы: сталь, бетон и их сочетания

Ранние небоскрёбы строились преимущественно из стали — лёгкой, прочной на растяжение и сжатие, удобной для заводского изготовления. Но сталь дорога, а при высоте свыше 400 метров её большая гибкость становится недостатком: здание раскачивается сильнее, чем хотелось бы жильцам.

Бетон решает проблему раскачки вдвое эффективнее на единицу площади сечения. Именно поэтому Petronas Towers, Burj Khalifa и многие другие здания XXI века используют высокопрочный бетон в качестве основного конструктивного материала. Для Burj Khalifa был специально разработан бетон с кубиковой прочностью выше 21 МПа в эксплуатационных условиях, с добавлением микросилики и специальных пластификаторов для обеспечения насосной прокачиваемости.

Современная практика — комбинированные системы, где бетон работает на сжатие и обеспечивает жёсткость, а сталь берёт на себя растяжение и упрощает монтаж. Стальные коробчатые колонны, заполненные высокопрочным бетоном, используются в Taipei 101; в Burj Khalifa стальной каркас принимает эстафету от бетонного ядра на больших высотах.

Высокопрочный бетон

Для Petronas Towers был разработан бетон втрое прочнее обычного строительного. Это стало отправной точкой для целого поколения «сверхпрочных» смесей. Башня Merdeka 118 в Куала-Лумпуре (679,9 метра, завершена в 2023 году) использует бетон класса C105 — предел прочности на сжатие составляет 105 МПа. Это примерно в десять раз выше, чем у обычного конструкционного бетона.

Ветер как главный противник

На высоте 400 метров ветровая нагрузка имеет принципиально иную природу, чем у земли. Средняя скорость ветра растёт с высотой, но самую серьёзную угрозу несут не постоянные горизонтальные нагрузки, а вихреобразование — периодическое срывание вихрей с боковых граней здания, создающее знакопеременную боковую силу.

Если частота вихреобразования совпадает с собственной частотой колебаний здания, возникает резонанс. Именно с этим явлением боролись проектировщики всех четырёх рассматриваемых зданий. Willis Tower решал проблему через ступенчатый обрыв труб. Taipei 101 использует массовый гаситель. Burj Khalifa — Y-образное сечение с постепенным сужением по высоте.

Аэродинамические продувки моделей в аэродинамических трубах стали стандартом с 1970-х годов. Для Burj Khalifa было проведено более 40 серий испытаний в нескольких ведущих аэродинамических лабораториях мира. Модели проверяли в различных конфигурациях окружающей застройки, поскольку соседние здания существенно влияют на характер воздушных потоков у основания.

Аутриггерные системы

Идея аутриггеров — горизонтальных жёстких ферм, соединяющих центральное ядро с периметральными колоннами — появилась как логическое развитие трубчатых концепций. Если труба сопротивляется горизонтальным нагрузкам за счёт совместной работы всего периметра, то аутриггер добавляет к этому вертикальный рычаг: периметральные колонны включаются в работу на разгрузку ядра от изгиба.

В практике Taipei 101 аутриггерные фермы размещены на нескольких уровнях и занимают целый технический этаж каждый. В Burj Khalifa три «лепестка» конструкции сами по себе выполняют роль аутриггеров по отношению к центральному ядру — они не позволяют ему изгибаться под ветровой нагрузкой, одновременно неся собственные гравитационные нагрузки.

Хронология мировых рекордов

Звание самого высокого здания на планете переходило от города к городу: 66 лет — Нью-Йорк, затем Чикаго с Willis Tower (25 лет), потом Куала-Лумпур с Petronas Towers (1998 – 2004), затем Тайбэй с башней Taipei 101 (2004 – 2010), и с 2010 года по сей день — Дубай с Burj Khalifa.

Логистика строительства на предельных высотах

Чем выше здание, тем сложнее само по себе его строительство. Три проблемы повторяются на любой рекордной стройке: вертикальный транспорт материалов, работа в экстремальных погодных условиях и обеспечение точности монтажа при тепловом расширении конструкций.

На Burj Khalifa бетон заливался ночью, чтобы избежать воздействия дневной жары Дубая. При высоких температурах водоцементное отношение в смеси меняется, что влияет на набор прочности. Башенные краны на верхних уровнях должны были обеспечивать подъём при ветре, скорость которого на таких высотах существенно превышает приземную.

На Petronas Towers скорость работ составляла примерно один этаж каждые четыре дня, а на пиковых стадиях — ещё быстрее. Башенные краны переставлялись с помощью специальных самоподъёмных механизмов: при этом кран, достигший очередного уровня, сам себя поднимал на следующую позицию.

Точность монтажа при такой высоте имеет прямые конструктивные последствия. Отклонение колонн от вертикали суммируется по всей высоте здания. На Willis Tower допускаемые отклонения задавались в миллиметрах для каждой секции; готовые стальные элементы доставлялись к месту монтажа с завода уже сваренными в секции.

Инженеры как подлинные авторы небоскрёбов

В архитектурной критике авторство небоскрёба почти всегда приписывается архитектору. Между тем форма высотного здания в значительной мере определяется структурным инженером, работающим с конкретными числами нагрузок, периодов колебаний и коэффициентов запаса прочности.

Фазлур Хан сформулировал это прямо: он разграничивал архитектурную функцию здания и его конструктивную логику, настаивая на том, что между ними нет противоречия. Его пучковая труба в Willis Tower диктует не только форму, но и коммерческую планировку: каждая трубчатая ячейка — это независимый блок площадей, который можно арендовать отдельно или объединять с соседними.

Билл Бейкер при проектировании Burj Khalifa исходил из той же логики: Y-образное сечение и система «подпёртого ядра» — это не декоративные решения, а ответ на конкретные нагрузки. Архитектор Эдриан Смит работал вместе с Бейкером, и окончательная форма здания является результатом итеративного диалога, в котором каждый последующий вариант проверялся в аэродинамической трубе.

От стальных каркасов к сверхвысотным системам

Путь от 42-метрового здания Home Insurance Building до 828-метрового Burj Khalifa занял 125 лет. За это время высота рекордного здания выросла в 20 раз, но принципиальная задача осталась той же: построить выше и дешевле, чем прежде, не жертвуя прочностью и комфортом.

Каждый раз, когда инженерная мысль упиралась в новый практический предел, она находила обходной путь. Кладочные стены стали слишком толстыми — появился стальной каркас. Стальной каркас оказался слишком гибким — появились трубчатые системы. Одиночная труба не давала нужной жёсткости — появилась пучковая труба. Ядро без опоры изгибалось от ветра — появились аутриггеры и «подпёртое ядро».

Обмен технологиями между континентами

Характерная черта этой истории — география инноваций. Чикагская школа работала в Иллинойсе, но её идеи через десятилетия воплотились в бетонных башнях Куала-Лумпура. Bangldeshi инженер Фазлур Хан в американском офисе разработал систему, которой воспользовались малайзийские подрядчики при строительстве Petronas. Немецкий производитель бетонных насосов Putzmeister разработал специальный насос для заливки бетона на высоте более 600 метров в Дубае.

Строительство Burj Khalifa объединило американское проектирование (SOM), корейского генерального подрядчика (Samsung C&T), бельгийскую строительную компанию (BESIX), местного подрядчика (Arabtec) и рабочих преимущественно из Южной Азии. Высотное строительство к XXI веку превратилось в глобальную индустрию, где технологические цепочки пересекают несколько континентов.

Сейсмика и ветер: региональная специфика

Willis Tower и Petronas Towers строились в зонах умеренной сейсмической активности. Taipei 101 — в зоне высокой сейсмической опасности и регулярных тайфунов, что напрямую обусловило применение туned mass damper. Burj Khalifa строился там, где сильные землетрясения редки, но преобладающие ветры у морского побережья создают специфические нагрузки.

Каждое из этих зданий — это ответ на местную физическую среду. Инженеры не просто копируют успешные решения, а адаптируют их к конкретным условиям площадки, климату и геологии. Именно поэтому каждый раз появляется что-то новое, даже если базовые принципы остаются теми же.