Эмираты достучались до небес. Часть 2. Успешен ли проект самого высокого здания в мире?

Объединенные Арабские Эмираты находятся примерно на полпути между европейскими и восточными странами и имеют богатейшие запасы нефти, а значит и денег, что способствует превращению этого государства в международный коммерческий, деловой и туристический центр. И дальновидное правительство ОАЭ действительно не жалеет средств на создание новых и новых «чудес света». На сегодняшний день наиболее впечатляющим из них является самое высокое сооружение и самое многоэтажное здание в мире – «Бурдж-Халифа» (рис. 1).

Рис. 1a. Небоскреб «Бурдж-Халифа» в г. Дубае [1, 2]

Рис. 1б. Небоскреб «Бурдж-Халифа» в г. Дубае [1, 2]

В предыдущей части статьи [3] мы рассмотрели общую информацию об этом 163-этажном небоскребе со 180-метровым шпилем, об инженерных изысканиях для его строительства и о создании его свайно-плитного фундамента. Но кое-какие вопросы остались открытыми. Например, почему поперечное сечение этой 828-метровой башни и, соответственно, ее свайное поле и фундаментная плита-ростверк (рис. 2) имеют Y-образную форму?

Рис. 2а. Строительство свайно-плитного фундамента небоскреба «Бурдж-Халифа» [4, 5]

Рис. 2б. Строительство свайно-плитного фундамента небоскреба «Бурдж-Халифа» [4, 5]

Чем объясняется форма башни

Если говорить о красоте здания, то авторов проекта вдохновил такой «цветок пустыни», как панкраций западный из семейства амариллисовых (рис. 3), хотя количество «лепестков» было уменьшено и поперечное сечение здания стало трехлопастным (рис. 4, 5).

Рис. 3. Цветок пустыни – панкраций западный (англ. hymenocallis, лат. Pancratium occidentale) [6]

Рис. 4. Поперечный разрез здания «Бурдж-Халифа» [7]

Рис. 5. Трехмерная аналитическая модель одного из этажей здания «Бурдж-Халифа» [7]

Но самое главное, что благодаря такой форме повышается устойчивость башни, уменьшается воздействие на нее ветра и увеличивается площадь поверхности, что позволяет разместить на стенах больше окон.

Каждое крыло с его собственной высокой несущей способностью является дополнительной опорой для двух соседних крыльев и для шестиугольного центрального ядра жесткости за счет общего железобетонного каркаса – несущих стен коридоров с еще более мощными торцовыми стенами и периметральных колонн (см. рис. 5). То есть небоскреб как бы состоит из четырех «сросшихся» башен, причем три наружных с высотой ступенчато уменьшаются в поперечных сечениях не только с носовой части, но и с одного из боков, в итоге спирально обвиваясь вокруг центрального ядра. В конце концов остается только ядро, переходящее в телескопический шпиль из металлокострукций.

Здание ориентировано по отношению к сторонам горизонта так, чтобы преобладающие по направлению и силе ветры дули крыльям в «нос», а не между ними, то есть не со стороны «хвостов» (рис. 6). Это повышает обтекаемость башни воздушными потоками и, соответственно уменьшает силу ветрового воздействия на нее. А к тому же благодаря красивой спирально-ступенчатой конструкции удается «запутать ветер», который на каждом новом уровне встречает другую форму здания и, обтекая его, не образует с подветренной стороны единые сильные вихри, а разбивается на множество мелких (см. рис. 6).

Рис. 6. Поперечное сечение башни и воздействие на нее преобладающего ветра [7]

Точная геометрия и каркас здания

Точная геометрия небоскреба была рассчитана после многочисленных испытаний его физических моделей в аэродинамической трубе и всестороннего конечноэлементного анализа его виртуальных моделей при вертикальных, горизонтальных, торсионных и опрокидывающих нагрузках, а также с учетом ползучести, усадки и изменений жесткости бетона с течением времени.

Несмотря на спирально-ступенчатую структуру, каркас здания устроен так, что вертикальные нагрузки передаются вниз до самого фундамента плавно. В частности, при каждом отступе спирального рисунка расположенные выше колонны располагаются соосно с несущими стенами под ними. Колонны и стены точно подогнаны друг к другу по толщине и возникающим в них напряжениям, чтобы усадка бетона происходила в них с одинаковой скоростью. Фундаменты подиума вокруг подножия башни дополнительно помогают «заанкерить» ее в грунте.

Соединению всех несущих элементов «Бурдж-Халифы» в единую надежную каркасную систему помогают технические этажи, располагающиеся по два или по три на семи уровнях. Они являются горизонтальными поясами жесткости и «пронизаны» аутригерными системами из балок и композитных стен, связывающими ядро башни с ее торцовыми стенами и периметральными колоннами (рис. 7). Кроме того, технические этажи содержат подстанции для электроснабжения, резервуары для воды, насосы, вентиляционные установки и другое оборудование, необходимое для бесперебойной работы систем здания.

Благодаря своей тщательно просчитанной конструкции башня может выдерживать большие гравитационные, ветровые и сейсмические нагрузки, причем с течением времени все большая часть напряжений переходит с бетона на стальную арматуру, что уменьшает возможное отрицательное влияние ползучести и усадки бетона.

Рис. 7. Аутригерные системы технических этажей соединяют все элементы каркаса башни в единую надежную систему [7]

Пожарная безопасность

Пожарная безопасность и скорость эвакуации были одними из основных факторов в проектировании «Бурдж-Халифы». Несгораемый «пожарный» лифт имеет самую высокую в мире шахту, охватывающую все этажи здания, и может за один раз перевозить до 60 человек. Бетон окружает все лестницы, а размер их таков, что 35 000 людей имеют возможность покинуть башню пешком. Поскольку вряд ли не поместившиеся в лифт люди смогут пройти все 163 этажа за один раз, примерно через каждые 25–30 этажей имеются безопасные помещения для отдыха или ожидания спасения, защищенные железобетоном и огнеупорными покрытиями и оборудованные отдельными системами вентиляции и кондиционирования.

Строительство

Специально для «Бурдж-Халифы» была разработана особая марка высокопрочного самоуплотняющегося бетона, который выдерживает температуру до +50 °C и больше. При строительстве надземной части небоскреба было использовано около 320 тыс. куб. м бетонной смеси (классов от C60 до C80) и 60 тыс. т стальной арматуры. Для нагнетания бетонной смеси на высоту до 601 м применялись крупнейшие бетононасосы в мире (Putzmeister). Чтобы устранить вероятность появления трещин в результате усадки при заствердевании, в бетонную смесь добавляли лед и заливали ее только ночью при более низкой температуре. Каждая ее партия тщательно тестировалась перед заливкой.

Бетонные работы были завершены после возведения последнего этажа. Телескопический шпиль башни был построен внутри нее из металлических конструкций и поднят на полную высоту с помощью системы домкратов и гидравлического насоса.

Поверхность здания по площади примерно равна 7 футбольным полям. Снаружи оно отделано особыми тонированными стеклянными термопанелями (в обрамлении стальных и алюминиевых конструкций), пропускающими свет, но уменьшающими нагревание помещений от солнца и, соответственно, снижающими затраты на кондиционирование (рис. 8). Все эти 26 000 панелей наружных стен жесткие, но имеют подвижные соединения между собой, чтобы были возможны микросдвиги при раскачивании здания от ветра, изменениях температуры и т.д.

Для мойщиков окон предусмотрены специальные конструкции с люльками, которые выдвигаются на разных уровнях изнутри здания.

Рис. 8а. Поверхность «Бурдж-Халифы» отделана тонированными стеклянными термопанелями и металлическими конструкциями [1, 8]

Рис. 8б. Поверхность «Бурдж-Халифы» отделана тонированными стеклянными термопанелями и металлическими конструкциями [1, 8]

Как мы уже писали в первой части статьи [3], при строительстве башни одновременно участвовало от 7 500 до 12 000 рабочих, которые приехали в основном из Южной и Юго-Восточной Азии. Далеко не все они знали официально использовавшийся на проекте английский язык, поэтому пришлось пригласить большое количество переводчиков и менеджеров, знавших по 3–4 языка.

В проекте применялись критерии «зеленого» строительства: это и высокотехнологичное остекление фасадов, и система утилизации теплоты вытяжного воздуха, и использование морской воды для кондиционирования, и система сбора конденсата из системы кондиционирования воздуха, и энергоавтономность, и специальные водопроводы не только для ежедневного использования воды обитателями здания, но и для обеспечения противопожарной безопасности.

Участники и строительства

«Бурдж-Халифу» проектировала и строила поистине международная команда. Инвестором и владельцем выступила эмиратская инвестиционная компания Emaar Properties. Авторами проекта были архитектор Эдриан Смит и проектировщик Билл Бейкер, которые работали вместе с американским архитектурным бюро Skidmore, Owings and Merrill (SOM). В качестве генерального подрядчика застройки была выбрана южнокорейская компания Samsung Engineering & Construction, ее основными субподрядчиками были бельгийская компания Besix и эмиратская фирма Arabtec. Руководили строительством американская фирма Turner Construction Company и ее эмиратское подразделение Turner Construction International. Британская компания Hyder Consulting была геотехническим консультантом, выполняла инженерные изыскания и проектирование фундаментной системы, а также осуществляла авторский надзор за всем проектом, в чем ей помогала эмиратская фирма NORR Group Consultants International Limited. Независимую экспертную оценку изыскательских и фундаментных работ проводила австралийская фирма Coffey Geotechnics. Подрядчиками по строительству фундамента были эмиратские компании NASA Multiplex, Middle East Foundations и немецкая фирма Bauer AG. В качестве независимой экспертной организации по проверке качества бетонных и стальных конструкций была приглашена международная многопрофильная консалтинговая фирма GHD. Геодезическую съемку выполняло совместное предприятие Samsung/Besix/Arabtec. Независимую экспертную верификацию испытаний проводило эмиратское агентство GHD Global. Наружной отделкой занимались китайские специалисты. Систему лифтов создавала американская компания Otis. Консультантом по технологиям виртуализации выступала международная фирма Lerch Bates.

У всех перечисленных и многих других участвовавших в проекте предприятий уже был богатый опыт по возведению самых известных в мире небоскребов. Интересно, что интерьерами занимались в том числе известнейшая итальянская компания Armani и международное брендинговое агентство Brash Brands.

Согласно закону ОАЭ генеральный подрядчик и инженер по авторскому надзору несли солидарную ответственность за качество построенного здания.

Использованные стандарты

Если судить по публикациям, то при строительстве небоскреба использовались в основном международные (ISO и др.) и американские (ACI, AISC и др.) стандарты, а также стандарты стран тех компаний, которые участвовали в строительстве, но если они не противоречили местным нормативным документам, за чем эмиратские партнеры и эксперты тщательно следили.

Успех или неудача?

В публикациях о «Бурдж-Халифе» чаще всего можно встретить только восхищенные слова о том, что это уникальное здание явилось результатом использования последних достижений в области ветроэнергетики, строительной техники, конструкционных систем, строительных материалов, методов и технологий, что оно явилось ярким примером международного сотрудничества, сочетания человеческих амбиций, использования точных наук и жестких международных стандартов, а также примером надежного управления рисками.

Однако существуют разные мнения о том, был ли этот проект успешным. Если внимательно рассмотреть три таких основных критерия успеха проектов, как стоимость, время и качество, и измерить разницу между начальными планами и фактическими результатами, то ситуация получается неоднозначной.

По первоначальному плану расходы по проекту должны были составить 876 млн долларов, однако конечная стоимость достигла 1,5 млрд долларов. Почему? Прежде всего, конечно, значительно выросли цены на сырье из-за спада мировой экономики в 2008 году. Но даже несмотря на это, завышенные амбиции владельцев и руководителей проекта еще больше повысили финансовые риски: например, уже после начала работ проект был изменен в сторону увеличения высоты здания на 100 м, а на финальных стадиях на оформление интерьеров было потрачено гораздо больше запланированного. Кроме того, рабочие на стройке получали крайне низкую зарплату (всего 5–8  долларов в день в зависимости от квалификации), жили и работали в очень плохих и опасных условиях. В результате возникали протесты, которые также приводили к финансовым потерям (только 21 марта 2006 года они составили 915 000 долларов).

Все это повлияло и на время выполнения проекта, увеличив его на 9 месяцев. Не говоря уже о том, что расчеты фундамента и надфундаментной части велись очень консервативно – со слишком большими коэффициентами запаса. Например, при испытаниях пробных и рабочих свай эти коэффициенты составляли от 1,5 до 5, да и то ориентировочно, т.к. ни разу не удалось достичь предела несущей способности сваи. Измеренные характеристики элементов уже построенного здания также превысили все ожидания.

Таким образом, мало того что проект сам по себе не был оптимальным в экономическом плане, да еще на его реализацию было потрачено гораздо больше денег и времени, чем было запланировано изначально. То есть из трех критериев успеха остался выполненным только один – качество.

Но этот проект все равно в целом рассматривают как успешный, поскольку он не просто быстро окупился, а принес (и продолжает приносить) своим инвесторам колоссальные доходы. Кроме того, он оказывает огромное положительное влияние на экономику и престиж Дубая и ОАЭ в целом, являясь эмблемой процветающего Ближнего Востока, привлекая туристов со всего света, повышая доверие международного сообщества к возможностям страны и вызывая желание с ней сотрудничать [8–21].

Список литературы и других источников

1. http://www.whydubai.ru/articles/burdzh-halifa-inzhenernoe-i-ekonomicheskoe-chudo-dubaya/ (фото на заставке и др.).

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Бурдж-Халифа.

3. Эмираты достучались до небес. Часть 1. На чем стоит самое высокое здание в мире // Geoinfo.ru. 9 июля 2018 г. URL: http://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/ehmiraty-dostuchalis-do-nebes-chast-1-na-chem-stoit-samoe-vysokoe-zdanie-v-mire-37925.shtml.

4. Baker W.F., Brown Ch., Pawlikowski J.J., Rankin D.S. Tall buildings and their foundations: three examples // Proceedings of the 7-th International conference on case histories in geotechnical engineering, Missouri University of Science and Technology, Scholars' Mine, 29 April – 8 May 2013. URL: http://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3242&context=icchge.

5. http://faculty.arch.tamu.edu/media/cms_page_media/4433/BurjKhalifa.pdf.

6. http://en.wikibedia.ru/wiki/Pancratium_occidentale.

7. Baker W.F., Korista D.S., Novak L.C. Engineering the world’s tallest – Burj Dubai // Proceedings of the 8-th World сongress CTBUH. 2008. URL: file:///C:/Users/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D1%8F/Downloads/engineeringtheworldstallestburj%20dubai.pdf.

8. http://www.tpm.in.ua/2017/02/uae-technologies-Burj-Khalifa.html.

9. https://www.dw.com/ru/burj-khalifa-вавилонская-башня-на-новый-лад/a-5086749.

10. http://www.nat-geo.ru/uae-the-future-is-now/936197-v-dubae-nachalos-stroitelstvo-novogo-samogo-vysokogo-zdaniya-v-mire/.

11. https://theconstructor.org/structures/structural-details-burj-khalifa-concrete-grade-foundations/20512/.

12. https://www.civilax.com/burj-khalifa-burj-dubai/.

13. http://grandstroy.blogspot.com/2011/01/blog-post.html.

14. http://blogbyalexandra.com/pobyvat-v-dubae-i-ne-uvidet-burzh-khali.html.

15. http://qa.answers.com/Q/How_much_is_the_cost_of_Burj_Khalifa.

16. https://www.ukessays.com/essays/economics/analysis-of-the-burj-khalifa-tower-project-economics-essay.php.

17. https://www.eface.in/burj-khalifa-tallest-tower-in-the-world/: http://www.aces-int.com/content/burj-khalifa.

18. A seminar report on Burj Khalifa submitted in partial fulfillment of the requirement for the award of degree of civil // StudyMafia. Last access date: 05.07.2018. URL: www.studymafia.org.

19. Burj Khalifa // Civil Engineering Seminar. 13 September 2011. URL: http://civilenggseminar.blogspot.com/2011/09/burj-khalifa.html.

20. Baker W.F. Burj Khalifa // Timeline Item. Last access date: 08.07.2018. URL: http://www.engineering-timelines.com/scripts/engineeringitem.asp?id=1440.

21. Aldred J. Burj Khalifa – a new high for high-performance concrete // Civil Engineering. 2010. Vol. 163. P. 66–73. URL: https://www.researchgate.net/publication/245407762_Burj_Khalifa_-_A_new_high_for_high-_Performance_concretej.