Высотные здания Москвы

ОСТОВ ИЗ МЕТАЛЛА И БЕТОНА

Перейдем к описанию важнейшей наземной конструкции, играющей самую ответственную роль в общей инженерной схеме высотного здания. Речь идет о каркасе, назначение которого обычно сравнивают с назначением костного скелета в организме животного. Такое сравнение вполне справедливо, но, как мы увидим, в высотном здании каркас призван не только служить скелетом для «мяса» здания, но и выполнять другие серьезные функции.

Для того чтобы яснее представить себе роль каркаса вообще и особенно его роль в высотном здании, расскажем о назначении так называемых несущих конструкций здания.

Всем хорошо известно, что главным элементом любого дома являются стены. Они несут на себе нагрузку этажей, крыши, лестниц и они же являются ограждением, защищающим проживающих в доме людей от неблагоприятных атмосферных условий.

Присмотревшись к построенным в старину большим домам, мы заметим, что их стены, выложенные из кирпича, отличаются большой толщиной. Стоит, например, дом высотой в три-четыре этажа, нагрузка от этих этажей, казалось бы, не так уж велика, а в то же время толщина стен доходит чуть ли не до метра.

Что заставляло строителей придавать стенам такую толщину?

Конечно, в первую очередь - необходимость воспринимать вес всех конструкций и эксплуатационных нагрузок: на каждый участок стены давит вес вышележащих участков стен, а также вес балок, передающих тяжесть всего, что находится внутри здания - перегородок, мебели, людей и т. д. Опасаясь, что эти нагрузки не всегда могут быть точно заранее предусмотрены, в старину строитель для перестраховки назначал толщину стен заведомо преувеличенной, с запасом.

Дело, однако, не только в нагрузках. Чрезмерная толщина стен назначалась строителем также из соображений теплоограждения здания, причем очень часто он определял толщину стен, заботясь именно о том, чтобы они не пропускали в здание холода и удерживали тепло внутри помещений.

Даже в сравнительно недавнее время стены невысоких, двух-трехэтажных зданий обычно выкладывались толщиной в 2,5 - 3 кирпича. При такой толщине стены свободно могли бы вынести нагрузку значительно большего количества этажей, но чрезмерная толщина им придавалась исключительно из соображений тепло-ограждения. Объясняется это тем, что прочность кирпича достаточно велика, а его теплозащитные свойства не очень высоки. Поэтому-то в кирпичных зданиях несущая способность стен, т. е. их прочность, оставалась неиспользованной, а стало быть, и экономически неоправданной.

С развитием строительного искусства строители пришли к мысли о необходимости расчленить те несущие и теплозащитные функции, выполнение которых испокон веков возлагалось только на стены. Тогда-то и появился каркас, назначение которого было ограничено единственной задачей: он должен воспринимать на себя только нагрузки здания. Что же касается теплоограждения здания, то эти функции строитель переложил на стены, стремясь выкладывать их из материала менее прочного, но зато более «теплого» и более легкого, чем кирпич.

Каркас здания стали делать из металла или железобетона. Будучи значительно более прочными, чем кирпич, эти материалы позволили очень ощутительно уменьшить размеры несущих конструкций. Вместо толстых, громоздких сплошных несущих стен появилась легкая, ажурная, сетчатая конструкция, составленная из колонн, продольных прогонов и поперечных балок.

Однако с увеличением высоты зданий к каркасу стали предъявляться требования уже не только прочности, но и жесткости. Это - не одно и то же. Металл, например, является очень прочным материалом, но далеко не всякое изделие из металла жестко. Мы неоднократно видели, как, например, рельсы или длинные трубы при перевозках на автомашинах покачиваются не меньше, чем обычные доски.

Каждое сооружение, как известно, испытывает на себе действие ветра, которое тем больше, чем сооружение выше. Ветровые нагрузки бывают очень значительными, и их действие порой видно даже на глаз. Так, например, и в сравнительно тихую погоду дымовые фабричные трубы раскачиваются так, что на их верхушке трудно стоять.

Вполне естественно, что перед строителями высотных зданий встал вопрос о придании несущему каркасу такой жесткости, при которой действие ветра не вызвало бы у проживающих и работающих в этих домах никаких неприятных ощущений. Решить эту задачу пытались и американцы, строившие свои небоскребы, но их попытки полного успеха не имели.

Технические нормы [1] США допускают, чтобы под действием ветра вершина здания отклонялась от его вертикальной оси на величину до 1/500 высоты здания. Иначе говоря, если, к примеру, высота здания 200 метров, то американцы считают допустимым, чтобы под действием ветра верхний этаж отклонялся на 40 сантиметров, при высоте в 300 метров - на 60 сантиметров и т. д. Такими техническими нормами американцы как бы признают, что еще большее увеличение жесткости каркаса, а стало быть, и уменьшение прогибов зданий невозможно либо не нужно.

[1 Техническими нормами называются правила, официально издаваемые в каждой стране и обязательные для применения всеми инженерно-техническими работниками.]

Как же ощущается подобное нормирование жесткости, когда сооружение уже выстроено?

В США были зарегистрированы неоднократные случаи, когда под действием ветра верхние этажи небоскребов раскачивались так, что штукатурка стен и потолков растрескивалась.

Американцы долгое время считались единственными «законодателями» в области проектирования и возведения высотных домов. Советские строители, однако, не пошли по пути американской небоскребо-строительной техники, отвергли ее законы и в создании каркасов высотных домов также обратились к изысканию новых, передовых приемов, обеспечивающих сооружению ту жесткость, при которой обитателей здания не беспокоили бы ни раскачивания, ни непрерывные потрескивания.

Советские инженеры сумели разработать новую конструкцию жесткого каркаса, при которой вершина высотного здания, к примеру на Котельнической набережной, даже в самые сильные ветры не сможет отклоняться более чем на 1/3000 его высоты.

С первого взгляда может показаться, что сделать каркас здания жестким довольно просто, надо лишь придать металлоконструкциям большие размеры, утяжелить их, сделать более массивными. Все это, конечно, увеличило бы жесткость каркаса, но такое решение нельзя было бы считать передовым и прогрессивным. Во-первых, массивные металлические конструкции отняли бы у здания непомерно большую часть полезного пространства, а во-вторых, на них ушло бы очень много металла, и экономически такое решение было бы расточительным.

Действительно, в американских небоскребах даже при допускаемых колебаниях в 1/500 высоты расход металла на конструкции каркаса превышает 30 килограммов на кубометр здания! В наших же высотных зданиях, обладающих неизмеримо большей жесткостью, расход металла на кубометр здания составляет примерно 20 килограммов, а в 32-этажном здании на Котельнической набережной - даже 16 килограммов. Стало быть, придать каркасу жесткость можно и без утяжеления металлоконструкций.

В чем же заключается сущность тех новых конструктивных решений, которые, в отличие от методов, применяемых в Америке, были осуществлены советскими строителями в создании каркаса высотных домов?

Во всех наших высотных зданиях применен металлический каркас. Сейчас его уже не видно, но каждый москвич помнит, как в начальные этапы строительства в небо поднимались эти величественные ажурные конструкции. И хотя с первого взгляда наши каркасы мало разнятся от американских, все же по своей технической сущности и рациональности они в корне отличаются от них.

Каркас американских небоскребов представляет собой конструкцию, в которой металлические колонны, прогоны и балки, лишь в некоторых местах усиленные подкосами, вручную соединены заклепками. При проектировании американский конструктор рассчитывает, что прочность и жесткость здания должны быть обеспечены именно таким клепаным металлическим каркасом.

Ни в одном из наших каркасов не нашла применения кустарная, ручная и технически несовершенная клепка конструкций. Заклепок в наших каркасах нет. Если бы у нас был принят вариант клепаного каркаса, то на каждом здании пришлось бы поставить вручную не менее полумиллиона заклепок.

Каркасы всех наших высотных зданий сварные. На специальных заводах толстые стальные листы, уголки, швеллеры соединялись при помощи высокосовершенных.автоматических электросварочных аппаратов в мощные колонны и прогоны, которые доставлялись на площадку в готовом виде. На строительной площадке эти конструкции соединялись в каркас, но опять же не заклепками, а при помощи электросварки. Москвичи помнят, как на возводившихся каркасах наших высотных зданий днем и ночью светлячками вспыхивали дуги электрической сварки.

Сваривать металлоконструкции неизмеримо легче, чем клепать их. Труд советского монтажника-сварщика во много раз легче и производительнее труда американского монтажника-клепальщика. Да и сами сварные соединения технически более совершенны, чем соединения на заклепках: они и прочнее, и жестче их. Значит, и сварной каркас прочнее и жестче клепаного каркаса.

Как известно, электросварка была изобретена еще в 1886 году талантливым русским инженером Н. Г. Славяновым на пермских заводах.

Установка первых металлических колонн крестового сечения каркаса высотного здания Московского государственного университета.

Но в царские годы это изобретение не нашло себе в России достойного применения. Под названием «славяновской» она стала известна за границей и, в частности, в Америке. В советские годы и особенно в годы пятилеток электросварка получила у нас очень широкое распространение. Методы электросварки непрерывно совершенствуются, и важнейшим усовершенствованием явилась созданная академиком Е. О. Патоном полная автоматизация сварки металла. Металлоконструкции, прибывавшие на высотные стройки со специальных заводов, сваривались там на патоновских аппаратах, полностью устранивших ручной труд электросварщика.

Но не только этим отличаются каркасы наших высотных строек. На ряде зданий у нас были применены конструкции, вообще не имевшие примера в мировой и, в частности, в американской строительной практике. Так, обычным, общепринятым типом несущей конструкции является колонна двутаврового [J] сечения. Конструкторы здания Московского университета впервые применили колонны крестового сечения, составленного из толстых - до 50 миллиметров - стальных листов, соединенных автоматической электросваркой.

[1 Двутавровым называется сечение, составленное из стенки с двумя полками - верхней и нижней. По виду оно напоминает букву «Н».]

Конструкции металлических каркасов наших высотных зданий одеты в бетон. Значение этого мероприятия огромно прежде всего с противопожарной точки зрения. Известно, что металл, будучи сам по себе прекрасным строительным материалом, в то же время с точки зрения пожарной устойчивости является далеко1 не идеальным. Под влиянием высоких «пожарных» температур он сильно деформируется, и, как показывают опыты, здания при пожарах часто разрушаются не столько оттого, что они сгорают, сколько потому, что несущие металлические конструкции под действием огня размягчаются и, очень скоро оказываясь неспособными нести нагрузки, рушатся. В этом отношении даже дерево, как это ни покажется странным, является лучшим материалом, чем металл: объятая пламенем деревянная балка не рушится значительно дольше, чем металлическая.

Чтобы уберечь металлические конструкции высотных зданий от пагубного действия пожара и одновременно также от коррозии (ржавления), их одевают в бетон. Металл конструкций оказывается как бы целиком утопленным в массе бетона, и сечение любой конструкции каркаса получается составным: внутреннее ядро металлическое, а все тело бетонное.

Ряд советских конструкторов - К. К. Антонов, А. П. Васильев, Л. М. Гохман и другие решили использовать особенность этого строения, во-первых, для экономии металла, а во-вторых, для придания конструкции каркаса повышенной жесткости. Работы, проведенные в этой области, нашли уже практическое применение на строительстве большей части высотных зданий (Смоленская площадь, Котельническая набережная, Красные ворота, площадь Восстания) и являются значительным достижением оригинального советского инженерно-конструкторского творчества. В строительную технику это нововведение вошло под названием «жесткого» или «несущего» армирования, сущность которого мы проиллюстрируем на простейшем примере.

Представим себе, что нам нужно поставить две металлические стойки, на которые концами опирается балка, несущая определенную нагрузку. Зная величину этой нагрузки, любому технику нетрудно рассчитать, какой толщины или, как говорят, какого сечения должны быть металлические стойки, чтобы выдержать эту нагрузку.

Представим себе также, что в силу каких-либо соображений, например архитектурных, металлические стойки пришлось бы облицевать бетоном или обложить кирпичом. Такая обетонировка или обкладка, естественно, увеличит общее сечение стойки, и нетрудно простейшим расчетом убедиться в том, что стойка увеличенного сечения сможет выдержать нагрузку уже значительно большую, чем первоначально, когда она была сделана только из металла.

Действительно, хотя обкладка металлических стоек применена только по архитектурным соображениям, она в то же время принимает на себя часть нагрузки и заставляет работать не только1 металл, но и все сечение стойки. Стало быть, первоначальное сечение металлической стойки было назначено с излишним, ненужным запасом, и если бы проектировщик предварительно учел совместную работу металла и обкладки, то мог бы поставить металлическую стойку значительно меньшей толщины и сэкономить на этом изрядное количество металла.

Это соображение положено и в основу жесткого армирования каркаса ряда наших высотных зданий.

Будучи прочным, добротным материалом, бетон принимает на себя большую часть нагрузки и, помогая металлу, значительно разгружает его. Значит, проектируя несущий каркас в виде металлических обетонированных конструкций, проектировщик имеет право учитывать работу всего сечения - и металла, и бетона.

Так именно и делают советские проектировщики, определяя сечения конструкций каркаса высотного здания. Они рассчитывают, что металлическая основа каркаса должна выдержать не будущие эксплуатационные нагрузки, а только производственные, или, как их называют, монтажные. Металлические конструкции должны быть прочными и устойчивыми, чтобы не согнуться под собственной тяжестью, выдержать вес подвешиваемой к ним опалубки, устанавливаемых во время работы кранов и т. д.

Но поскольку все эти нагрузки, возможные лишь во время строительных работ, значительно меньше будущих постоянных эксплуатационных нагрузок, постольку и сечения металлических конструкций - колонн, прогонов и балок - подбираются значительно меньшими. Металл расходуется экономичнее, металлический каркас получается облегченным.

Что; же касается постоянных эксплуатационных нагрузок будущего здания, то проектировщик учитывает, что в каркасе их будут воспринимать уже не чисто металлические, а обетони-рованные конструкции, и хотя эта обетонировка первоначально предусматривалась только в противопожарных целях, конструктор - проектировщик смело ее загружает. Таким образом, конструкции каркаса получаются уже не металлическими, а железобетонными, и самый каркас называется жест-коармированным.

Такой каркас отличается значительно большей жесткостью, чем чисто металлический, и в то же время расход металла на него значительно меньше, чем в обычных металлических каркасах.

Оголенный узел каркаса высотного здания. Видно, как металлические конструкции обетонировкой превращаются в жестко-армированный железобетонный каркас.

Благодаря превращению металлического каркаса в жестко-армированный железобетонный, строителям удалось сэкономить от 30 до 50% того металла, расход которого был бы неминуем, если бы каркас рассчитывался как чисто металлический.

При строительстве высотного здания на Смоленской площади строители сэкономили 1 600 тонн металла, у Красных ворот - 1 200, на площади Восстания - 1 700 и на Котельнической набережной - 1 500 тонн. Иначе говоря, на этих четырех стройках ученые помогли государству сберечь 300 вагонов металла. В этом заключается то отличие, которое внесли наши конструкторы и ученые в конструкцию каркаса, отличие, позволившее возвести наши высотные здания технически и экономически более совершенно и добротно по сравнению с американскими небоскребами.

Читателю теперь ясно, что ажурные металлические конструкции, которые он видел в начальный период строительства высотных зданий, являются, в сущности, не конструкциями металлического каркаса, а лишь своеобразной арматурой железобетонного каркаса. В этом основное и разительное отличие каркасов наших высотных домов от каркасов американских небоскребов. Каркас в наших высотных зданиях служит одновременно прочности, устойчивости, жесткости, а также противокоррозийной и противопожарной защите сооружений.

Оригинальность советского конструкторского творчества в создании каркаса высотных зданий выразилась и в разработке так называемой пространственной системы стенок-связей. Эта система, уже примененная в зданиях на Котельнической набережной, отчасти на площади Восстания, является дальнейшим шагом в усовершенствовании несущей конструкции.

Ее особенность состоит в том, что повышенная жесткость несущей конструкции обеспечивается не так называемой рамной системой, составляемой из отдельных «стержней» - колонн, балок и раскосов, а сплошными, сравнительно тонкими железобетонными стенками - диафрагмами.

Технико-экономические преимущества этой системы несравнимы ни с чем, что до сих пор было известно строительному миру. Ее авторы - И. М. Тигранов и Л. М. Гохман - удостоены Сталинской премии. Небезин-тересно отметить, что И. М. Тигранов, проведя тщательный сравнительный анализ этой системы с применяемой в США конструкцией стального каркаса, установил, что американский «вариант решения несущих конструкций в виде стального рамного каркаса обнаружил свою полную несостоятельность». Применение его потребовало бы перерасхода многих тысяч тонн металла.

Мы познакомились с теми оригинальными особенностями, которые внесли наши инженеры в конструкцию каркаса и несущих частей высотных зданий. В неменьшей степени оригинальны примененные у нас методы монтажа.

Ведущим монтажным механизмом является кран. От того, насколько он прост и удобен в работе, зависит успешное осуществление всех монтажных работ. Для монтажа металлоконструкций американские строители применяют краны-деррики, широко разрекламированные как наилучший монтажный механизм. Однако, проанализировав конструкцию этих кранов и особенности их работы, советские инженеры убедились в том, что краны-деррики не отвечают требованиям, которые предъявляются современным строительством.

Американские краны-деррики.

Что собой представляет кран-деррик и как он используется в США на строительно-монтажных работах? Представьте себе два мощных решетчатых металлических стержня, из которых один поставлен вертикально, а другой, имеющий общую опору с первым, способен вращаться вокруг него, наклоняться вниз или же подниматься вверх. Первый стержень - мачта - служит упорной частью крана, а второй - стрелой, к которой подвешивается крюк для груза.

Радиус действия таких кранов невелик, и для того, чтобы обслужить монтаж всего: строящегося здания, на каждом объекте приходится устанавливать слишком много кранов. При установке мачта крана раскрепляется несколькими оттягиваемыми в разные стороны стальными канатами - вантами, из-за чего строительно-монтажная площадка оказывается как бы опутанной густой стальной паутиной, сильно стесняющей работу.

Стесненность площадки, громоздкость дерриков и их конструкция таковы, что для будки машиниста нет места, и поэтому управление краном отделено от него самого. Система тросов, при помощи которых производится поворот крана и подъем груза, протягивается сквозь возводимые этажи вниз, в подвал, где размещаются лебедки, натягивающие эти тросы. В этом же подвале находятся машинисты-крановщики. Управляя работой кранов, машинисты их не видят и действуют лишь по командам, подаваемым световой или звуковой сигнализацией. Такое, по существу, «слепое» управление кранами зачастую приводит к авариям и несчастным случаям.

Большим неудобством является и то, что краны-деррики могут обслуживать весьма ограниченный участок по вертикали. Когда же работа на нем заканчивается, деррик необходимо разобрать и перенести на другие этажи строительства. Так, пои монтаже конструкций американских многоэтажных зданий все краны-деррики приходится по нескольку раз демонтировать, перемещать с этажа на этаж и вновь монтировать.

Наши строители отказались от использования американских дерриков. Советские конструкторы П. П. Велихов, И. Б. Гитман, Л. Н. Щипакин и другие создали новый кран - «УБК» (Универсальный башенный кран), который нашел применение на всех высотных стройках столицы. «УБК» вошел в парк строительных машин, как замечательное изобретение, лишенное всех недостатков, свойственных американским деррикам, и позволяющее успешно обслуживать строительство самых сложных высотных объектов. Изобретателям «УБК» присуждена Сталинская премия.

Что же представляет собой кран «УБК»?

Это ажурная металлическая башня высотой около 25 метров, к которой, образуя Г-образную фигуру, присоединена горизонтальная решетчатая стрела - ферма длиной до 37 метров. Стрела может вращаться вокруг башни, описывая полную окружность. По горизонтальной стреле движется тележка с крюком, на который подвешен груз весом до 15 тонн.

Основа крана - башни - прочно опирается и закрепляется на конструкциях возводимого дома и для своей устойчивости не требует никаких дополнительных канатных расчалок. Возвышаясь над обслуживаемой зоной, кран совершенно не стесняет площадки. А так как при большом вылете стрелы (до 37 метров) площадь, обслуживаемая каждым краном, также значительно увеличивается (один кран может обслужить участок площадью примерно от 2 до 4 тысяч квадратных метров), то количество кранов, обслуживающих каждое высотное здание, значительно меньше количества дерриков, обслуживающих в США монтаж конструкций небоскреба. На Смоленской площади металлоконструкции были смонтированы всего тремя кранами. Даже на строительстве высотного здания Московского университета, отличающегося очень сложной конфигурацией, работало семь кранов «УБК».

Компактность крана позволила разместить будку машиниста-крановщика наверху, на одном уровне со стрелой. Поэтому поле действия крана постоянно находится у машиниста перед глазами и, в отличие от американцев, управляющих кранами вслепую, по сигналам и командам, наш крановщик всегда видит, что он поднимает, как движется поднимаемый груз, куда надо его подать и как управлять его перемещением.

Но наиболее интересная особенность крана «УБК», привлекающая к нему интерес не только строителей, но и многих непричастных к строительному делу людей, заключается в том, что по: мере возведения здания кран не надо демонтировать, перемещать и монтировать на новом месте. Отработав на одном участке,«УБК» сам себя поднимает и сам себя устанавливает на новом месте. В строительном быту краны «УБК» получили выразительное название «ползучих».

Кран «УБК» на высотной стройке.

Как же происходит «ползание» крана и как он сам себя поднимает?

Эти механические «чудеса» обеспечены конструкцией самого крана. На башню крана надета металлическая решетчатая обойма, способная свободно перемещаться вдоль, по высоте башни. Обойма снабжена откидными лапами, которые во время работы служат крану дополнительными опорами, увеличивающими его устойчивость.

Когда монтаж на одном участке заканчивается и крану надо перейти выше, на следующий ярус, опорные лапы складываются, обойма высвобождается и, подтягиваемая лебедкой, свободно скользит по башне вверх. Такая несложная, но остроумная конструкция позволяет крану поднимать самого себя, как бы переползать с этажа на этаж.

Кран «УБК», «переползший» вверх для монтажа очередных этажей.

Представим себе, что кран стоит на каком-то этаже и монтирует металлические конструкции. В этот момент своим основанием он опирается на нижележащие, ранее смонтированные конструкции. Этажом выше на них опираются также выпущенные из обоймы лапы. Кран поднимает снизу многотонные элементы, подает их под монтаж и держит навесу, пока они не будут установлены и закреплены. Высота башни (около 25 метров) позволяет крану наращивать внизу под собой и вокруг себя металлоконструкции двух этажей.

Когда монтаж этих этажей закончен, кран оказывается как бы в колодце, из которого надо выбраться наверх. Для этого лапы обоймы высвобождаются, и кран остается опертым лишь на основание своей башенной части. Обойма же по башне уползает вверх, на высоту уже смонтированных этажей. Здесь лапы обоймы вновь выпускаются для того, чтобы опереться и закрепиться на конструкциях, только что смонтированных этим же краном.

Вслед за уползшей обоймой, подтягиваясь при помощи лебедок, переползает на два этажа и башня крана. На новом монтажном месте она закрепляется так, как это было на только что покинутом посту, и кран приступает к монтажу очередных конструкций.

Образно выражаясь, ползучий кран подобен как бы человеку, который, находясь в шахте с решетчатыми стенками, поднимает сначала локти, опирается ими на стенки, а затем подтягивает вверх всего себя.

Практика показала, что советские краны «УБК» во много раз удобнее, производительнее и экономичнее американских дерриков. И эти удобства оказались тем большими, что в ряде случаев кранами «УБК» удалось не только монтировать металлические конструкции, но и подавать наверх различные строительные материалы.