Футуристичная инженерия: что нужно знать об анатомии небоскребов

ТАСС, 19 июня. Еще недавно наиболее осмотрительные покупатели квартир старались приобретать жилье не слишком высоко. Это объяснялось не только страхом стать жертвой воров, которые, как Карлсон, могут спуститься к ним с крыши, но и заботой о своей безопасности на случай пожара. Благодаря современной инженерии эти опасения стали пережитком прошлого. По словам Дмитрия Вишнякова, число поклонников жизни в небоскребах растет, при этом "особенной популярностью пользуются пентхаусы — как правило, они располагаются на верхних этажах, откуда открываются самые впечатляющие виды на мегаполис".

"При строительстве высотных зданий используются конструкции повышенной огнестойкости и исключительно негорючие материалы, — заявил он ТАСС. — Также законодательство строго регламентирует оснащение высоток активными системами пожаротушения, сигнализациями и противодымной защитой". По словам эксперта, в экстремальных ситуациях крайне ценно то, что автоматическая система пожаротушения имеет преимущественно механическую конструкцию и минимальное количество электроники, что делает ее особенно надежной в случае отключения электроэнергии.

Безопасность при эвакуации обеспечивается конструктивными решениями здания — выходы в высотках всегда проектируются шире, чем в обычных многоэтажных домах. "Именно этот факт позволяет жителям и гостям высотных комплексов чувствовать себя уверенно и спокойно", — отмечает специалист.

Помимо более широких выходов в небоскребах существуют зоны безопасности. "В случае пожара люди в них могут находиться до нескольких часов, после чего будут спасены пожарными подразделениями, — добавляет Павел Иванов. — Иметь пожарные машины с лестницами высотой в 300–400 м сегодня вовсе нет необходимости, вопросы тушения и предупреждения пожаров решены на очень высоком техническом уровне".

Почти космолеты

Качество жизни и работы в небоскребе напрямую зависит от того, насколько быстро можно подняться на нужный этаж. Современные лифты развивают впечатляющую скорость. Рекордсменом является лифт, установленный в Шанхайской башне в Китае, — он развивает скорость до 20,5 м/c (почти 74 км/ч). Самые быстрые лифты в России эксплуатируются в башне "Федерация" (Москва) и "Лахта центре" (Санкт-Петербург) — почти 30 км/ч. Кстати, "Лахта центр" является самым высоким небоскребом в России (высота 462 м, 87 этажей) и входит в топ-20 мировых высоток.

Однако за счет чего вертикальное перемещение на таких впечатляющих скоростях остается комфортным и безопасным? Лифты в небоскребах оснащены специальными приводами (электрическими тросовыми, гидравлическими или магнитными) и компенсационными тросами. "В высотных зданиях масса троса может существенно влиять на баланс системы. Компенсационные тросы, соединяющие кабину и противовес в нижней части, решают эту проблему, обеспечивая плавность движения", — объясняет Дмитрий Вишняков.

Для того чтобы снизить сопротивление воздуха и акустический дискомфорт, кабинам придают обтекаемую форму, устанавливают обтекатели в верхней и нижней частях, а также используют воздуховоды для циркуляции воздуха. Для снижения шума и вибрации на высоких скоростях используются роликовые башмаки вместо направляющих башмаков скольжения. Чтобы выдерживать аэродинамическую ударную нагрузку при прохождении кабины мимо дверей, применяются усиленные направляющие, кронштейны и двери. 

Вибрационные волны, которые могут возникать из-за колебаний небоскреба от ветра или землетрясений, гасятся специальными системами стабилизации. Для предотвращения дискомфорта у пассажиров из-за перепадов давления на больших высотах (например, заложенности ушей) используются системы компенсации давления. Интеллектуальные системы управления оптимизируют маршруты, сокращая время ожидания.

Наконец, системы безопасности включают автоматические тормоза, датчики перегрузки, защиту от падения, противопожарные режимы и системы экстренного торможения, которые срабатывают, если скорость превышает номинальную на 15%. 

"Современные лифты оснащаются системами, которые минимизируют дискомфорт (например, компенсация давления, плавный старт и остановка), но полностью исключить риски для уязвимых групп населения невозможно", — признает Дмитрий Вишняков. По этой причине такими лифтами не рекомендуется пользоваться людям, имеющим проблемы с давлением и сердечно-сосудистой системой, заболевания вестибулярного аппарата или нарушения координации. Резкие изменения давления также потенциально опасны для беременных женщин.

Впрочем, как говорит Павел Иванов, в подавляющем большинстве высотных зданий скорости лифтов ниже экстремальных значений, и пользование ими безопасно для большинства граждан: "Влияние перепадов и изучение жизни в небоскребах в целом — это предмет изучения медицинской науки. Здания будут становиться только выше, а значит, наша общая задача — проектировать и строить их все более безопасными и удобными".

Вентиляция и кондиционирование

Интересный факт: системы отопления, вентиляции и кондиционирования в небоскребах устроены таким образом, что небоскреб делится по высоте как бы на несколько "отдельных зданий" высотой от 50 до 100 м с помощью разделения на пожарные отсеки. "Это происходит при помощи блоков технических этажей (по два-четыре технических этажа, которые выделяются противопожарными перекрытиями, где располагается инженерное оборудование), и уже каждое такое "отдельное здание" обслуживается как обычное", — рассказывает Вишняков.

При этом в отличие от стандартного здания также учитывается стак-эффект — изменение температуры воздуха окружающей среды по высоте здания, высокое статическое давление в гидравлических системах и необходимость устройства каскадных теплообменников, промежуточных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) и хладоцентров (ХЦ).

"В небоскребах преимущественно используются механические приточно-вытяжные системы, так как естественная вентиляция на большой высоте неэффективна из-за ветровых нагрузок, перепадов давления и отсутствия возможности открывать окна (в целях безопасности)", — говорит эксперт.

Кстати, окна в небоскребах не открываются, как правило, начиная с 20–25-го этажа. "Это связано с тем, что на большой высоте скорость ветра и величина ветрового давления гораздо выше, чем на нижних этажах, — объясняет Павел Иванов. — Также открытые окна могли бы вызвать нарушение механических систем здания, создавали бы эффект тяги, приводящей к выходу из строя дверей лифтов и невозможности открытия входных дверей из-за значительной разницы давлений воздуха".

Тем не менее жители верхних этажей не страдают от отсутствия кислорода. Скорее, наоборот: современные системы вентиляции проводят всю необходимую подготовку воздуха: фильтрацию, нагрев или охлаждение, осушение или увлажнение — в зависимости от сезона и пожелания пользователя.

Что касается кондиционирования, здесь, по словам Павла Иванова, наиболее распространенной системой является центральное холодоснабжение, когда теплоноситель охлаждается в центральном оборудовании (холодильном центре), а затем по системе трубопроводов поставляется к потребителям, где с помощью устройств (фан-койлов) климат в помещениях доводится до нужных пользователю показателей температуры.

Канализация и нагрузка на город

Обывателя нередко интересует вопрос: как часто в небоскребах возникают проблемы со снабжением водой верхних этажей. "Вероятность возникновения такой проблемы в высотках, скорее, даже ниже, чем в малоэтажных зданиях, так как к системам высотных зданий предъявляются повышенные требования по надежности и резервированию, чего нет в обычных жилых зданиях высотой до 75 м", — утверждает Дмитрий Вишняков.

При проектировании канализации небоскребов учитывается несколько моментов. Во-первых, сопротивление движения засасываемого воздуха по стояку. Во-вторых, риск повышения напора при засоре. Для исключения этого риска используется двухтрубная схема с перемычками между стояками. "Стояки канализации прокладываются попарно с возможностью перетекания стоков из одного стояка в другой по специально предусмотренным перемычкам. Таким образом, при засоре одной трубы ни один пользователь здания не чувствует перебоя в работе системы, а служба эксплуатации имеет время на реагирование и устранение засора", — поясняет Павел Иванов. В-третьих, применяются усиленные соединения и крепления в местах перехода из стояков в горизонтальные участки.

Для решения проблемы нагрузки на городские системы в "Метрополисе" рекомендуют применять энергоэффективные технологии. "За счет применения регуляторов давления можно снизить напор прибора и, соответственно, расход воды. Водоразборную арматуру следует использовать с пониженным расходом воды. Для пожаротушения мы рекомендуем использовать тонкораспыленную воду. Насосные установки с частотным управлением позволяют снизить потребление электричества. За счет всего перечисленного фактическая потребность в воде и объем сбрасываемых стоков становятся ниже, за счет чего снижается и нагрузка на городские сети", — объясняет Вишняков.

Энергосбережение и самообеспечение

Современные инженерные решения позволяют экономить не только воду, но и электроэнергию. По словам эксперта, применяемые в небоскребах комплексные энергоэффективные технологии позволяют снизить потребление энергии на 20–30% и более по сравнению с типовыми зданиями.

Снижению теплопотерь способствуют как компактные формы зданий, так и ориентация по сторонам света. Так, например, квадратные формы без выступов считаются наиболее энергоэффективными. Для теплоизоляции фасадов используются особые материалы — в частности, экструдированный пенополистирол и минеральная вата нового поколения (они обладают высокими теплоизоляционными свойствами), а также технологии типа "мокрого фасада", которые предотвращают появление мостиков холода (участков, которые охлаждаются сильнее, чем другие, снижая общую теплозащиту здания). 

Остекление небоскребов также энергоэффективно: тройные стеклопакеты с аргоном (инертный одноатомный газ) вместо воздуха снижают теплопотери на 40–60%. Также используются солнцезащитные устройства и интеллектуальные системы управления светопропусканием. 

Системы смешанного отопления позволяют комбинировать разные режимы — дежурный (для поддержания минимальной температуры) и эксплуатационный (для подогрева до комфортной температуры). Это особенно актуально для экономии энергии в ночное время. 

Также активно применяются автоматизированные системы: "умные" термостаты, системы диспетчеризации и мониторинга параметров сети, автоматическое регулирование освещения и климатизации в зависимости от присутствия людей и внешних условий.

Небоскребы используют даже тепло от парковок и мест общего пользования для нагрева воды или преобразования его в электричество. А специальные тепловые насосы извлекают энергию из окружающего воздуха или земли. 

Окупаемость в российских реалиях

Энергоэффективное оборудование обычно дороже традиционного на 10–15% и более, однако некоторые решения, например светодиодное освещение с датчиками движения или приборы учета ресурсов, окупаются за один-два года. Наиболее долгосрочными инвестициями со сроком окупаемости от семи до 25 лет являются современные окна, системы адаптивной вентиляции, солнечные панели.

"Окупаемость солнечных панелей в Центральной России составляет 10–14 лет без учета индексации тарифов, а с учетом сезонности генерации — до 18–25 лет при добавлении аккумуляторных батарей", — уточняет Дмитрий Вишняков. По его словам, в российских реалиях на окупаемость влияют несколько факторов. Один из них — относительно невысокие тарифы на электроэнергию по сравнению с западными странами. Этот фактор сроки окупаемости увеличивает.

В то же время в холодных регионах (Сибирь, Дальний Восток) инвестиции в теплоизоляцию и системы отопления окупаются быстрее за счет существенной экономии на отоплении. В российских условиях также важно учитывать необходимость регулярного обслуживания и потенциальной замены оборудования до окончания срока окупаемости. 

"Таким образом, энергоэффективные решения в небоскребах позволяют существенно снизить энергопотребление, но требуют значительных начальных инвестиций. Окупаемость зависит от комплекса факторов, и в российских условиях она часто растягивается на годы. Для ускорения окупаемости критически важна государственная поддержка и тщательный выбор технологий с учетом климатических и экономических особенностей региона", — подчеркивает эксперт.

Павел Иванов добавляет, что целесообразность применения сложного и дорогостоящего энергоэффективного оборудования нужно очень тщательно просчитывать: "От бездумного повсеместного использования сложных систем проектировщики и застройщики переходят к обдуманному и технически обоснованному их применению только в случаях, когда оно ведет к увеличению надежности или экономической эффективности".

Утилизация мусора

Система мусороудаления в небоскребах реализуется по-разному в зависимости от проекта, его назначения и требований нормативных документов. Это могут быть традиционные мусоропроводы (в новых проектах их уже нет), контейнерные системы и вакуумные технологии.

"Если мусоропровод традиционный, то толщина его ствола больше — порядка 500 мм, плюс устанавливаются дополнительные рассекатели для гашения скорости падения мусора, а мусороприемные устройства в подвальной части здания имеют большую вместимость, или применяется специальный компактор, который прессует мусор и позволяет осуществлять утилизацию раз в несколько дней", — рассказывает Вишняков.

В новых — проектирующихся и строящихся — небоскребах в России традиционные мусоропроводы не используются, поскольку считаются источниками санитарных проблем и пожарной опасности. "Поэтому сейчас вопросы удаления мусора из современного здания решаются путем устройства помещений для временного хранения мусора в герметичных контейнерах на этажах, с вывозом в мусорокамеру на сервисных лифтах", — рассказывает Павел Иванов.

Подземная часть "айсберга"

Точное соотношение подземной и надземной частей небоскреба индивидуально для каждого объекта. Для примера: в башне "Восток" комплекса "Федерация" ("Москва-Сити") — 5 подземных этажей при 95 надземных.

"В среднем подземная часть может составлять от 3 до 15% и более от общей высоты здания. Например, если небоскреб имеет высоту 300 м и 5 подземных этажей (при средней высоте этажа 3–4 м), то подземная часть составит около 15–20 м, что примерно равно 5–7% от общей высоты. Однако в случаях, когда требуется глубокий фундамент, например при слабых грунтах или высокой сейсмичности, мы говорим о свайном фундаменте, доля подземной части может быть несколько выше", — объясняет эксперт.

Таким образом, на соотношение надземной и подземной частей влияют тип грунта (в мягких или неустойчивых грунтах требуется более глубокий фундамент), высота здания (чем оно выше, тем больше нагрузка на основание, что может потребовать увеличения глубины заложения) и инженерные решения. Например, использование технологий вроде "стены в грунте" или анкерных систем позволяет строить в сложных условиях, но и увеличивает объем подземных работ.

"Вообще, нужно понимать, что глубина фундамента мало зависит от количества подземных этажей, — продолжает Павел Иванов. — В Москве для небоскребов повсеместно применяется свайный фундамент, сваи достигают глубины 100–150 м и упираются в скальные геологические породы, в известняки, обладающие достаточными физико-механическими свойствами для восприятия нагрузок от здания".

Они раскачиваются?

По словам эксперта, современная инженерия позволяет спроектировать здание, рассчитанное на любое ветровое давление. Устойчивость зданий проверяется в ходе испытаний в аэродинамической трубе. "К примеру, в Московском государственном строительном университете есть аэродинамическая труба, которая позволяет моделировать скорость ветра до 32 м/с", — говорит он. Пиковые ветровые нагрузки самого высокого российского небоскреба — "Лахта центра" — рассчитаны на уровень около 500 паскалей, что соответствует скорости ветра примерно 30 м/с.

"Небоскребы могут раскачиваться под действием ветра, но инженеры ограничивают амплитуду колебаний, чтобы обеспечить комфорт и безопасность. Считается, что максимальное допустимое отклонение верхушки здания от оси не должно превышать 1/500 от его высоты", — отмечает Дмитрий Вишняков.

Для снижения ветровой нагрузки используются различные технологии: асимметричная форма и ступенчатая конструкция, срезанные углы и отверстия в конструкции, аутригеры (горизонтальные металлические конструкции) и демпферы (устройства, гасящие механические колебания). Для определения ветровой нагрузки для зданий выше 300 м и тех, что имеют сложную форму, проводятся специальные аэродинамические испытания. Для остальных ветровая нагрузка определяется нормативами.

Защита от землетрясений

Современные небоскребы в сейсмоактивных зонах рассчитаны на землетрясения значительной магнитуды. Конкретные значения зависят от проекта и региона строительства. "Москва расположена в зоне низкой сейсмической активности — 5 баллов по шкале Рихтера, Санкт-Петербург — 6 баллов. При проектировании небоскребов добавляется 1 балл либо проводится микросейсморайонирование для определения сейсмической активности на конкретной площадке строительства", — рассказывает Вишняков.

Для повышения сейсмостойкости также применяются различные технологии. В первую очередь, это сейсмоизолирующие фундаменты — например, свинцово-резиновые опоры, которые действуют как амортизаторы. При землетрясении нижняя часть опоры перемещается вместе с почвой, а верхняя остается на месте.

Диафрагмы жесткости распределяют энергию между вертикальными несущими конструкциями. "Качающаяся внутренняя стена" — усиленный стержень в районе первых этажей — принимает на себя колебания, в то время как внешние стены остаются подвешенными на амортизационных подушках. Применяются и системы активного контроля — например, датчики, измеряющие горизонтальное смещение нагрузки на здание, и механизмы, корректирующие положение конструкции.

Защита от дронов

Теракт 11 сентября 2001 года заставил задуматься о защите небоскребов от летательных объектов. В последние годы эта проблема снова стала актуальна. Сегодня небоскребы в России оснащены пассивными и активными системами защиты от беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). К пассивным относятся, например, защитные сетки, которые натягивают на опоры вокруг периметра здания или над ним. Они гасят кинетическую энергию дрона при столкновении, предотвращая его проникновение внутрь здания. 

Также это могут быть металлические решетки, например, на окнах и других проемах или каркасные купола, которые перехватывают дрон при попытке вертикального сброса опасных предметов. Еще одно решение — стальные купола. Они могут свисать на креплениях к механизмам чистки окон. Кинетическая энергия атакующего дрона компенсируется противовесом с другой стороны здания, что в 98% случаев предотвращает срабатывание взрывателя.

По словам Дмитрия Вишнякова, своего рода защитой здания могут стать архитектурные решения сами по себе: "Например, заглубленные окна, окна маленького размера с частым делением на импосты, многослойные фасады или фальшфасады могут усложнить доступ дронов к зданию".

Помимо всего перечисленного, для защиты небоскребов используются и активные методы. Это средства радиоэлектронной борьбы (подавляют сигналы управления дроном, нарушают его навигацию или заставляют приземлиться), акустические системы (обнаруживают БПЛА по шуму двигателей), оптические, в частности, стереоскопические системы (выявляют дроны в верхней полусфере и анализируют степень угрозы), а также пневмопушки (физически уничтожают БПЛА при обнаружении).

На практике, как правило, применяются гибридные решения, сочетающие пассивные и активные методы. Так, защитные сетки могут дополняться радиолокационными радарами или устройствами обнаружения радиоизлучения.

Безопасность защитных ограждающих конструкций (ЗОК) для людей регламентируется в России специальными стандартами. В частности, по правилам проектирования ЗОК от дронов, такие конструкции должны обеспечивать бесконтактный подрыв взрывчатого вещества на безопасном расстоянии либо предотвращение поражения объекта и людей осколками. По словам Павла Иванова, в силу того, что защита от дронов приобрела особую актуальность, сфера активно развивается, предлагаются все новые технические разработки, а неэффективные решения отсеиваются.

Кстати, беспокоиться о том, что небоскреб стоит на пути обычных самолетов, также не стоит. "Еще до строительства высотного здания обязательно рассматриваются пути движения воздушных судов, проводятся исследования, не попадают ли их маршруты на место расположения здания", — развеивает последний миф Дмитрий Вишняков.