Строительная механика
Основы строительной механики
В любом высотном здании необходима система вертикального транспорта. Она всегда включает лифты, реже — эскалаторы. Эскалаторы, если они присутствуют, удовлетворяют ограниченные потребности — перемещают людей с входного уровня в основной вестибюль, который находится этажом выше. Они также часто используются для перемещения большого количества людей на уровень, содержащий помещения общественного питания, если они находятся на уровне, расположенном под входным вестибюлем. Кроме этого, эскалаторы необходимы, если переходные лифтовые холлы и двухсекционные лифты, рассматриваемые далее в этой главе, являются архитектурной частью проекта здания. Но в большинстве высотных зданий эскалаторы не нужны.
Выбор лифтов и их компоновка в ядре очень важны для архитектора. Теоретически необходимое количество лифтов определяется площадью здания или количеством людей в этом здании, но практический опыт свидетельствует о том, что в реальных проектах все происходит иначе из-за множества различных типов лифтов, из-за большого количества компоновок этих лифтов, а также из-за внутренней сложности возможных решений, которые могут применяться в проекте. Застройщик, формирующий проектную группу, должен осознавать необходимость привлечения опытного независимого консультанта по вертикальному транспорту. Как только строительство здания с определенной компоновкой лифтов завершится, будет невозможно существенным образом изменить или улучшить производительность установленной системы. Можно изменить какие-либо настройки, но не количество кабин или этажи, обслуживаемые каждой кабиной.
Конфигурация системы вертикального транспорта, включающая определенное количество лифтов и компоновку кабин в блоках лифтов, вместимость каждой кабины, определяемая в соответствии с количеством людей, которые могут одновременно в нее войти, а также скорость перемещения лифтов зависят от ряда критериев. Этими критериями могут быть количество этажей в здании, количество людей на каждом этаже, местонахождение специальных помещений, таких как столовые, и т. д. Кроме того, здание, которое занимает одна организация, может иметь систему вертикального транспорта, отличную от соответствующей системы здания со многими арендаторами.
Консультанты по вертикальному транспорту и компании, занимающиеся производством лифтов, подразделяют здания в зависимости от назначения (например, использование в качестве офисного здания общего вида, наличие организаций с различным характером деятельности, использование помещений административными органами). Такое разделение основывается на полезной площади здания и на анализе характера занятости здания. Исследования показывают, что на одного человека приходится от 14 до 15 м2 полезной площади здания. Более того, проекты в Европе и Азии обычно допускают большую плотность людей, чем в Соединенных Штатах, т. к. на каждого человека приходится меньшей рабочей площади.
Критерий плотности заполнения людьми помещений, используемый для расчета параметров системы вертикального транспорта, отличается от критериев, используемых для расчета систем ОВК. Для определения нагрузок ОВК вместо показателя количества людей, входящих в разнородные группы по всему пространству нескольких этажей, применяется такой показатель, как максимальное количество людей, которые могут находиться в ограниченном пространстве. Это существенная разница, т. к. расчеты нагрузки систем ОВК для офисного помещения обычного типа, как правило, оперируют плотностью, эквивалентной 9,3 м2 на одного человека.
Эмпирические правила, подобные вышеуказанным, которые архитектор может использовать только для предварительной оценки количества необходимых лифтов при разработке концепции ядра проекта, предполагают одну установку лифта на каждые 3 700—4 600 м2 общей площади здания или на каждые 225—250 человек, находящихся в здании. Как уже отмечалось выше, при использовании этих данных необходимо учитывать, что консультант по вертикальному транспорту на основании анализа интенсивности перемещения может получить иной показатель, более точно определяющий количество лифтов.
read comments (0)
В предыдущих главах рассматривались проблемы рынка недвижимости и технические проблемы, имеющие большое значение для высотных общественных многофункциональных зданий. Далее будут обсуждаться системы ОВК, применяемые в высотных зданиях, а также технические вопросы, которые могут относиться не только к высотным зданиям, но заслуживают специального рассмотрения. Эти вопросы должны быть поняты, а методы их решения должны отражаться в конструкциях систем ОВК соответствующего проекта.
Для любого высотного общественного многофункционального здания возможно несколько альтернативных решений, и подход, выбранный для одного проекта, может не подойти для другого. Выбор конструкции зависит от характера проекта, в котором применяются решения, от их использования, местоположения здания, наконец, от заказчика. Только на основании анализа всех возможностей и в результате многократного определения потребностей в здании с точки зрения рынка недвижимости, и учитывая предложенный архитектурный проект, проектировщик систем ОВК может выбрать наиболее подходящее решение.
Этапы проектирования могут меняться в зависимости от проекта или географических зон США, но зачастую они устанавливаются Американским архитектурным институтом (AIA) в стандартном соглашении между заказчиком и архитектором (документ AIA В141). Этот документ или его модифицированная версия регулирует процесс проектирования. В документе фиксируется, что основные задачи архитектора и проектировщиков реализуются на следующих этапах:
• схемное решение,
• разработка проекта,
• составление строительной документации,
• переговоры,
• строительство.
Специалист по ОВК должен иметь необходимые знания для понимания того, что происходит на каждом из этапов, и для надлежащей реализации процесса проектирования.Перед обсуждением каждого из указанных этапов важно понимать, что данный список может быть дополнен другими мероприятиями, разработанными заказчиком, застройщиком или инвестором, имеющим опыт в подобной работе. Кроме того,Комитет по разработке контрактных документов для инженеров (EJCDC) подготовил множество документов, которые могут использоваться инженерными фирмами. Документы EJCDC разрабатываются и публикуются в ходе совместной работы Аме-риканским советом инженерных компаний (АСЕС). Национальным обществом профессионалыIых инженеров (NSPE) и Американским обществом гражданских инженеров (ASCE). Они включают соглашение, называющееся «Стандартная форма координированного с несколькими сторонами соглашения о проектировании, заключаемого между заказчиком и профессиональным проектировщиком для реализации строительных проектов», которое содержит несколько последовательных этапов, отличающихся по названию и функциям от документа AIA В141, но может использоваться инженерами-проектировщиками для осуществления коммерческих и институциональных проектов. В этом случае могут возникнуть определенные неудобства, если взаимоотношения заказчика и архитектора определены соглашением AIA. Контракт!»! EJCDC широко используются в гражданских инженерных проектах, таких как строительство мостов и дорог.
В соответствии со стандартными процедурами и этапами проектирования, определенными в документе AIA, мы будем рассматривать этапы проектирования, используемые архитектурными фирмами и применяемые организациями, проектирующими инженерное оборудование.
Эффект тяги в высотных общественных многофункциональных зданиях представляет значительную проблему. Наиболее часто она проявляется при закрытии дверей лифтов и отоплении нижних уровней здания. Дверь лифта плохо закрывается из-за наличия разности давления вдоль нее. Разность давления заставляет дверь изгибаться в ее проеме до такой степени, что механизму, отвечающему за ее закрытие, не хватает усилия для преодоления этого изгиба. Проблемы с отоплением возникают из-за значительного притока холодного воздуха через двери при входе и через наружную стену здания благодаря тому, что воздухопроницаемость этой тены бывает выше значения, задаваемого в спецификации. Проблема отопления достаточно серьезная. Например, в помещении может быть настолько холодно, что замерзает вода в трубопроводах спринклерной системы и в охлаждающих змеевиках при отсутствии циркуляции охлажденной воды. Национальная ассоциация производителей применяемых в архитектуре металлических изделий задает максимальную воздухопроницаемость на единицу площади наружной стены, равную 300 см3/м2 при разности давления 75 Па, не включая в эту величину воздухопроницаемость через окна. Этот критерий, даже если он включен в спецификацию проекта, в реальной практике строительства не всегда выполняется, вызывая тем самым потенциальные проблемы при эксплуатации здания.
Чтобы лучше понять, какие проблемы может вызвать эффект тяги в зданиях, расположенных в холодном климате, приведем два примера.
Высотное общественное многофункциональное здание в Чикаго было сдано в эксплуатацию в начале осени. В то время как нижние этажи уже использовались, сверху здание еще достраивалось, и поэтому было открыто наружному воздуху. В нижней части здания было занято только около 30 % помещений, но уже возникли эксплуатационные проблемы. Однако самые большие проблемы начались зимой, при температуре наружного воздуха -7 "С и ниже. В это время уровень нулевого давления благодаря открытому верху здания поднялся значительно выше середины здания по высоте. (В действительности этот уровень был около крыши, и на уровне нижнего этажа наблюдалась вся теоретическая разность давления). В результате стало невозможно пользоваться вращающимися дверьми, закрывать двери лифтов и обеспечивать достаточное количество тепла на уровне входа в здание. На уровень входа нагнетался дополнительный подогретый наружный воздух, лестницы были перекрыты на том уровне, где заканчивалась занятая людьми зона, а строительство верхней части здания было ускорено, чтобы можно было закрыть эту часть здания от наружного воздуха. В середине зимы принятые меры позволили снять остроту проблемы, в результате чего нижние этажи начали эксплуатироваться в более привычном режиме.
Архитектурное проектирование ядра любого здания гораздо более трудная задача, чем это может показаться на первый взгляд. При проектировании ядра очень важна организация всех элементов таким образом, чтобы удовлетворялись потребности арендаторов и одновременно облегчалась работа технических служб на арендуемом этаже. Однако часто бывает так, что во время определения и организации ядра архитектором и инженерами потребности арендаторов еще неизвестны. Более того, стоимость ядра и находящихся в нем систем может быть весьма значительна. Наконец, конфигурация ядра влияет на полезную площадь каждого этажа и на стоимость аренды, поэтому она должна быть оптимально организована с точки зрения эффективного использования этажа.Большинство общественных м и о гофу н к ц и о н а л ы t ы х зданий проектируется с центральным ядром, чем обеспечивается максимальная гибкость архитектурного разбиения этажа на отдельные зоны. Особенно это относится к этажу с несколькими арендаторами.
Кроме того, при использовании центрального ядра облегчается разводка воздуховодов системы кондиционирования воздуха, т. к. от этих воздуховодов могут быть сделаны отводы на этаж с обеих сторон ядра, что позволяет уменьшить поперечные размеры и длину воздуховодов. Центральное ядро имеет конструктивные преимущества, выражающиеся в том, что жесткое ядро предоставляет средства для сопротивления ветровым нагрузкам. Оно может также упростить строительство здания, т. к. образует центральный остов, к которому добавляются радиальные конструкции по всем четырем направлениям, благодаря чему монтаж производится более эффективно.
Для некоторых зданий проектируется боковое ядро. Как правило, это здания с небольшими этажами или здания, расположенные напротив брандмауэра существующего здания.Как будет показано в главе 5, это дает возможность подводить наружный воздух непосредственно на этаж, если на каждом этаже здания запланирована установка кондиционирования воздуха.
В зданиях с большой площадью плит перекрытия могут понадобиться несколько ядер для сокращения расстояния до лестниц или туалетов. Недостатком решения с несколькими ядрами является то, что оно более дорого, т. к. обычно требуется установка дополнительных лифтов.
Каждое спроектированное и построенное здание, если его проект изначально предполагался как успешное предприятие, должно учитывать вопросы рынка недвижимости, включающие проблемы собственности, а также проблемы, относящиеся в большей степени к назначению здания. Последнее наиболее важно для высотных общественных многофункциональных зданий вследствие их размеров и необходимости отвечать требованиям, предъявляемым находящимися в здании людьми. Трудно произвести коренные изменения в таком большом здании после завершения его строительства и сдачи в эксплуатацию. Поэтому сфера использования здания и критерии эффективности должны учитываться во время проектирования. Пример информации, которая может быть включена для детализации проектных критериев, приводится в главе 3.
Многие высотные общественные многофункциональные здания являются центральными офисами крупных корпораций. Проект, как правило, подготавливается архитектором совместно с владельцем. Кроме этого, значительный вклад в проект обычно вносит консалтинговая фирма по недвижимости, выбранная владельцем. Разработанная программа задает конкретные требования для группы проектировщиков здания. Например, одним из задаваемых параметров может быть следующий: будет ли в здании информационный центр? Если да, то насколько большой и каков будет его потенциал расширения? Какие предприятия питания будут в здании? Требуется ли выделить помещение для питания ответственных сотрудников, отдельное от обеденного зала остальных сотрудников? Каковы требования к телекоммуникационным службам? Какие поставщики технологического оборудования будут выбраны? В каких зонах, кроме центра обработки данных, работа будет продолжаться после окончания основной работы или на базе круглосуточного режима? Ответы на эти и подобные вопросы программы будут непосредственно влиять на решения ОВК, разрабатываемые в рамках проекта, но другие существенные вопросы также будут иметь большое значение для окончательного проектного решения.
В случае если корпорация планирует дальнейший рост, то для обеспечения будущих потребностей предлагается несколько методов. Первый метод: построить здание, заведомо большее, чем нужно на текущий момент времени, а излишки площади временно сдавать другим коммерческим фирмам, не отаосяшимся к владельцу развивающейся корпорации. Затем, когда будут созданы условия для расширения, корпорация займет помещения, которые освободятся в связи с истечением срока аренды.
Второй метод учета будущего роста корпорации - это проектирование здания, допускающего его дальнейшее расширение. Для высотных общественных многофункциональных зданий такое решение зачастую не представляется возможным. Высотные здания почти всегда строятся в крупнейших городах США на ограниченных земельных участках, полностью используемых во время строительства. Более того, здание обычно строится на максимальную высоту и с максимальными размерами, допускаемыми территориальными нормами того региона, где возводится здание. Если в территориальных нормах отсутствуют определенные модификации, они ограничивают возможность расширения высотного общественного многофункционального здания в городской черте.
Были случаи, когда строительство центрального офиса корпорации было прекращено по окончании первой фазы проекта, на которой были удовлетворены текущие потребности корпорации. Но конструкция здания предусматривала возможность возведения на второй фазе дополнительных этажей, сверх того количества, которые уже построены. Такое решение встречается довольно редко и может быть весьма затратным из-за того, что необходимо решать проблему перемещения расположенного на крыше оборудования, находящегося над этажами первой фазы строительства. В качестве примера перемещаемого оборудования можно назвать градирни, вентиляторы общего назначения и вентиляторы вытяжки из туалетных помещений, машинные отделения лифтов, аварийные генераторы или сухие охладители для центра обработки данных или для телекоммуникационного оборудования.
Основными задачами строительной механики, а точнее механики инженерных конструкций, являются разработка методов для определения прочности, жесткости, устойчивости, долговечности конструкций инженерных сооружений и получения данных для их надежного и экономичного проектирования. Для обеспечения необходимой надежности сооружения, т.е. исключения возможности его разрушения, основные элементы конструкций должны иметь достаточно большие сечения. Экономика же требует, чтобы расход материалов, идущих на изготовление конструкций, был минимальным. Чтобы сочетать требования надежности с экономичностью, необходимо с большей точностью произвести расчет и строго соблюдать в процессе проектирования требования к возведению и эксплуатации сооружения, вытекающие из этого расчета.
В механическом расчете сооружений имеются две основные категории: воздействия и сопротивление.
Воздействиями яыяктгся нагрузки, например, вес здания и оборудования, ветровое давление, динамические нагрузки от движущихся предметов и землетрясений, осадка опор, температурные расширения отдельных частей конструкций, усадка материалов и т.п..
Сопротивление представляет собой основную функцию несущих конструкций, которые должны образовать прочную неподвижную систему, способную противостоять всем действующим на сооружение воздействиям.
В соответствии с этим теория сооружений и инженерных конструкций должна состоять из двух частей: изучение и определение воздействий; определение сопротивления сооружения этим воздействиям.
В настоящее время наука о воздействиях на сооружения недостаточно разработана, что не позволяет ее систематизировано излагать в учебниках. При выполнении практических расчетов часто приходится пользоваться приближенными нормативными данными о величинах нагрузок и воздействий.
Наука же о сопротивлении конструкций, об их прочности и де-формативности развилась в обширную дисциплину — строи-тельную механику, а точнее механику инженерных конструкций и сооружении, независимо от области их применения. Так как общеизвестно, что при решении задач, относящихся к данному предмету в различных областях (строительство, машиностроение, авиационная техника, судостроение и т.д.), применяется идентичный аппарат для их реализации
В строительной механике различают: одномерные задачи, в которых искомыми факторами являются функции от одной пространственной координаты, плоские задачи — решение которых рассматривается в двух измерениях и пространственные задачи — решение которых рассматривается в трех измерениях по пространственным координатам. Обычно пространственные конструкции удается расчленить на плоские элементы, расчет которых значительно упрощается.
Задачи в строительной механике разделяются также на линейные и нелинейные, при этом различаются геометрическая и физическая нелинейности.