ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ НЕБОСКРЕБЫ

HORIZONTAL SKYSCRAPPERS

Ilyenko Anastasia Grigoryevna

student, Department of Construction Engineering, I.T. Trubilin Kuban State Agrarian University,

Russia, Krasnodar

Vysotskaya Kira Denisovna

student, Department of Construction Engineering, I.T. Trubilin Kuban State Agrarian University,

Russia, Krasnodar

Nikolenko Alexander Yuryevich

Scientific supervisor, Senior Lecturer, Department of Strength of Materials, I.T. Trubilin Kuban State Agrarian University,

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

Настоящее исследование посвящено анализу инженерных принципов, обеспечивающих устойчивость и жесткость горизонтальных небоскребов – сооружений, в которых массивный объем подвешен между опорами на значительной высоте. Цель работы – систематизация конструктивных решений, позволяющих воспринимать статические и динамические нагрузки в условиях иной схемы работы несущей системы.

Практическая часть включает в себя разбор инженерных решений, реализованных в Vanke Center (Шэньчжэнь, 2009) и The Crystal в составе Raffles City Chongqing (Чунцин, 2020). Анализируется роль вантовой подвески в Vanke Center, позволившей поднять здание на восемь опор и освободить землю под общественный ландшафт, а также стальная ферменная система The Crystal массой порядка 12 000 тонн, поднятая на 250 метров на четыре башни. Подчеркивается функциональность маятниковых опор с демпферами и рассматривается метод наземной сборки.

Материалы статьи представляют ценность для студентов строительных и архитектурных специальностей, способствуя пониманию принципов проектирования горизонтальных небоскребов.

ABSTRACT

This study analyzes the engineering principles that ensure the stability and rigidity of horizontal skyscrapers—structures in which a massive volume is suspended between supports at significant heights. The objective of the work is to systematize design solutions that can withstand static and dynamic loads under different load-bearing system conditions.

The practical part includes an analysis of engineering solutions implemented at Vanke Center (Shenzhen, 2009) and The Crystal as part of Raffles City Chongqing (Chongqing, 2020). The role of the cable-stayed suspension at Vanke Center, which allowed the building to be raised on eight supports and freed up land for public landscaping, is analyzed, as well as the steel truss system of The Crystal, weighing approximately 12,000 tons and lifted 250 meters across four towers. The functionality of pendulum supports with dampers is emphasized, and the method of ground assembly is discussed.

The article's materials are valuable for students majoring in civil engineering and architecture, helping them understand the design principles of horizontal skyscrapers.

Ключевые слова: горизонтальный небоскреб; устойчивость; консольная конструкция.

Keywords: horizontal skyscraper; stability; cantilever structure.

Горизонтальный небоскреб является совершенно иным типом несущей системы: объем «подвешен», а не стоит на земле.

Vanke Center (Шэньчжэнь, 2009) и The Crystal (Чунцин, 2020) показывают эволюцию подхода. Например, Vanke Стивена Холла в горизонтали его высота составляет всего 35 метров, но если поставить его вертикально, то оно бы достигло высоты Empire State Building. Здание поднято на восемь опор, подвесная структура – вантовый мост с бетонным каркасом. Идея – освободить землю. А The Crystal – более сложный и поздний случай. Конструкция из стали в длину около 300 метров и весом 13 200 тонн поднята на 250 метров и опирается на четыре башни. Связь – маятниковые опоры скольжения с демпферами.

Объединяет обе конструкции то, что горизонтальный элемент перестает быть «мостом», становится самостоятельным несущим объемом, который меняет работу опорных башен, но все же делает это по-разному.

Первым упоминанием горизонтального небоскреба известен Эль Лисицкий. Именно он разработал проект Wolkenbügel («Небесный крюк»), который стал прототипом для всех современных горизонтальных небоскребов. Одним из них стал Vanke Center штаб-квартира крупной девелоперской компании в Китае. Перед инженерами стояла сложная задача: разместить конструкцию длинной 380 м над парковочной зоной, для ее решения была разработана новая несущая система.

Несущая система небоскреба состоит из трех основных подсистем элементов: вертикальных несущих, системы подвеса и надземной части. Вертикальная наружная подсистема состоит из восьми ядер жесткости, роль которых играют лифтовые шахты. Система подвеса представляет собой наклонные предварительно напряженные канаты, которые передают гравитационную нагрузку от надземной части на вертикально стоящие опоры. Надземная часть – это железобетонный каркас верхних этажей, объединенных со стальными балками первого этажа. Здание имеет нетипичную для гражданских зданий многопролетную схему, так как опоры находятся на расстоянии пятидесяти метров.

Выбор системы наклонных предварительно напряженных канатов был обусловлен невозможностью использования грунтовых анкеров, на которые, в классической вантовой системе при работе канатов на растяжение передаются усилия. В выбранной же системе усилия передаются на ядра и стены. По известным проектным данным при строительстве использовались три вида канатов из высокопрочных стальных прядей: PES(C) 7×265, PES(C) 7×40 и PES(C) 7×499. Суммарная расчетная нагрузка, воспринимаемая канатной системой, является рекордной и составляет 3280 тонн.

Система уникальна своим симбиозом стальных и железобетонных элементов. Железобетонный каркас работает совместно со стальными балками первого этажа, образуя единую систему. Гравитационная нагрузка распределяется между предварительно напряженными канатами и балками первого этажа, после чего передается на вертикальные составляющие конструкции.

Расчет несущей системы Vanke Center осложнялся тремя основными факторами:

1. Статическая неопределимость (из-за наличия наклонных канатов, которые работали только на растяжение, в работе системы появлялась нелинейность)

2. Этапность возведения (напряженное состояние конструкции зависело от последовательности натяжения и монтажа канатов)

3. Совместная работа материалов (сталь, трубобетон и железобетон требовали учета различных диаграмм деформирования)

Строительный процесс являлся многоэтапным. Первыми воздвигались вертикальные конструкции, далее монтировались временные опоры для установки перекрытий верхних этажей, затем шло бетонирование этих этажей, поэтапная установка канатов и демонтаж временных опор. Именно такая последовательность позволила минимизировать начальные деформации в ходе строительных работ.

Из-за уникальности конструкции Vanke Center была разработана система мониторинга напряженно-деформированного состояния уже на этапе строительства небоскреба. Система содержала два основных этапа: натяжение канатов (контроль усилий в канатах, деформации балок, колонн и перемещений всей конструкции) и возведение надстройки (отслеживание напряжений напряженно- деформированного состояния).

Vanke Center является уникальным проектом с точки зрения строительной механики. Именно в ходе его строительства была впервые реализована гибридная система, включающая в себя смешанный каркас и вантовую систему.

Этот проект доказывает, что современная строительная механника позволяет воплощать в жизнь идеи, которые раннее считались лишь архитектурной концепцией.

Небесный мост Crystal в Raffles City Chongqing, расположенный на полуострове Юйчжун в месте слияния рек Янцзы и Цзялин, является ключевым элементом комплекса Raffles City Chongqing. Длинна конструкции составляет приблизительно 300 метров, ширина – 32 метра, высота – около 250 метров, и он соединяет четыре башни. Вес Небесного моста составляет около 13 200 тонн, что сопоставимо с весом Эйфелевой башни.

Суть конструкции заключается в том, что это «многопролетная подвесная конструкция», а не традиционная – консольная. С точки зрения строительной механики The Crystal представляет собой случай, когда горизонтальный элемент по массе и размерам сопоставим с полноценным зданием. Это означает, что его нельзя рассматривать как второстепенную надстройку: он формирует собственные нагрузки и меняет работу опорных башен.

С точки зрения конструкции, главная сложность The Crystal заключается не в сопротивлении изгибу, а в координации распределения нагрузки между многочисленными точками опоры. Каждая из четырех башен имеет разную жесткость, условия закладки фундамента, характеристики вибраций и воспринимает как дополнительную вертикальную нагрузку, так и изгибающий момент, вызванный внецентренным положением горизонтального объема. Когда Небесный мост расширяется и сжимается при изменении температуры (разница температур между летом и зимой в Чунцине иногда достигает более 40ᴼC), длина стальной конструкции может изменяться на десятки сантиметров. В таком случае, если бы все четыре точки соединения были жесткими узлами, температурная деформация создавала бы огромные дополнительные внутренние силы, которых достаточно для разрыва узлов соединения.

Именно по этой причине инженерная группа решила использовать скользящие опоры или же конструкции с возможностью снятия деформаций в некоторых соединениях. Это определяет The Crystal как «полусвободное тело» с заранее заданными возможностями деформации – он «снимает» температурное напряжение и дифференциальную осадку башен со всей конструкции, позволяя относительное смещение в заданных направлениях, обеспечивая контролируемую передачу на башни только вертикальных и ветровых нагрузок.

Ветровая нагрузка является еще одной немаловажной проблемой. За счет того, что скорость ветра на высоте 250 метров существенно выше, чем на земле, массивная наветренная поверхность Небесного моста делает его значительным получателем ветровой нагрузки. Вибрации башни и подвешенной конструкции могут создавать динамическую связь, если частота колебаний башни на ветру совпадает с собственной частотой The Crystal, возникнет резонанс и отклик усилится. Инженеры снизили этот риск за счет добавления демпфирующих устройств и регулировки жесткости опор.

Монтаж The Crystal выполнялся методом укрупненной сборки с последующим подъемом. Конструкцию разделили на крупные сегменты, часть из них собиралась на земле, а затем поднималась на проектную отметку с помощью гидравлических систем. Оставшиеся элементы монтировали непосредственно между башнями.

Данные действия позволяют выполнить наиболее ответственные операции, такие как стыковка и проверка узлов, в наземных условиях, где контролировать качество проще и надежнее, чем на высоте 250 метров. По завершении сборки и проверки сегмент поднимается наверх. Для такой масштабной конструкции это не просто удобство, а способ снизить риск ошибок при монтаже.

Список литературы:

1. Fu X., Gao Y., Xiao C., Tian C., Chen X., Yang X., Wu B., Tang H. Horizontal Skyscraper: Innovative Structural Design of Shenzhen VANKE Center // Journal of Structural Engineering (ASCE). – 2012. – Т. 138, № 6. – P. 663⁠–⁠668.
2. Cui Y., Huang Z., Teng J., Hu W., Lu F. Structural-Performance Tracking to Multitype Members of Shenzhen Vanke Center in Construction Phase // Journal of Aerospace Engineering (ASCE). – 2017. – Т. 30, № 2.
3. Safety Evaluation of Complex Civil Structures Using Structural Health Monitoring // Proceedings of the International Conference on Smart Infrastructure and Construction. – 2016.
4. Steven Holl Architects. Steven Holl Architects. Horizontal Skyscraper – Vanke Center. Project documentation.
5. Vanke Center. LEED Platinum Certification Documentation. – U.S. Green Building Council. – 2010.
6. Холл С. Horizontal Skyscraper. – Richmond, California: William Stout Publishers, 2011. – 143 P.
7. Ван А. Дж., Люонг Э., Квок М. Raffles City Chongqing: A Skyscraper City within a Development // CTBUH Research Paper. – Chicago: Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 2015. – P. 1⁠–⁠10.
8. Ли-Ган Ч. и др. Innovative Design and Practice in Horizontal Skyscraper – Chongqing Raffles // International Journal of High-Rise Buildings. – 2022. – Т. 11, № 3. – P. 199⁠–⁠210.
9. Навигация по сложностям строительства кровельного небесного моста: Raffles City Chongqing // Structures Congress. – Boston: American Society of Civil Engineers, 2014. – С. 1⁠–⁠12.