Взаимосвязь облика и конструктивного решения высотных зданий

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Академия архитектуры и искусств

И. А. Москаленко, А. И. Москаленко 

ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБЛИКА И КОНСТРУКТИВНОГО 

РЕШЕНИЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2018

М82

УДК 725
ББК 38.71
       М82

Печатается по решению кафедры строительной механики и конструкций
 Южного федерального университета 
(протокол № 6 от 31 января 2017 г.)

Рецензенты:

зав. кафедрой «Железобетонные и каменные конструкции» 
Академии строительства и архитектуры ДГТУ, профессор, 
доктор технических наук Д. Р. Маилян;

профессор кафедры «Строительная механика и конструкции» ЮФУ, 
кандидат технических наук О. А. Кудинов

Москаленко, И. А.
Взаимосвязь облика и конструктивного решения высотных зданий : учебное пособие / И. А. Москаленко, А. И. Москаленко ; 
Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : 
Издательство Южного федерального университета, 2018. – 129 с. 
ISBN 978-5-9275-2746-5

Архитектурный облик высотных зданий весьма разнообразен. Также не менее разнообразны их конструктивные решения. Часто облик и 
габариты здания требуют определенного конструктивного решения. Для 
увеличения высоты здания необходимо применение иной конструктивной 
схемы, а новые конструкции предполагают изменение архитектурно-планировочных решений и облика здания. В данном пособии авторы рассматривают их взаимное влияние на примере существующих зданий. 
Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению подготовки 07.03.01 «Архитектура», 07.03.02 «Ре- 
конструкция и реставрация архитектурного наследия», 07.03.03 «Дизайн 
архитектурной среды», 07.03.04 «Градостроительство».

УДК 725
ББК 38.71
ISBN 978-5-9275-2746-5   
 
 © Южный федеральный университет, 2018
© Москаленко И. А., Москаленко А. И.,  2018
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................................... 5

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫСОТНЫМ ЗДАНИЯМ ...... 8
1.1. Основные проблемы ............................................. 8
1.2. Общие требования к архитектурнопланировочным решениям ........................................ 11

2. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ 
НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ ............................................ 15
2.1. Виды нагрузок .................................................. 15
2.2. Ветровые нагрузки на высотные здания ............... 17
2.3. Сейсмические воздействия.................................. 20

3. НЕСУЩИЕ СИСТЕМЫ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОТНЫХ 
ЗДАНИЙ .................................................................... 24
3.1. Типы конструктивных систем 
высотных зданий ..................................................... 24
3.2. Колонны ........................................................... 34
3.3. Наружные стены ............................................... 35
3.4. Перекрытия ...................................................... 42
3.5. Опоры зданий в уровне земли. ............................ 56

4. РАБОТА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ ПОД НАГРУЗКОЙ .... 62
4.1. Здания с несущими стенами ............................... 62
4.2. Системы со стволами (ядрами) жесткости ............ 67
4.3. Рамные здания с жесткими узлами ..................... 72
4.4. Конструкции зданий с безбалочными 
плитами перекрытий ................................................ 76
4.5. Несущие конструкции из балок-стенок 
(чередование и шахматное расположение ферм) .......... 77
4.6. Рамно-связевые конструкции зданий ................... 78
4.7. Взаимодействие рамно-связевого каркаса 
и аутригерных этажей .............................................. 83
4.8. Здания коробчатой конструкции ......................... 84

4.9. Применение комбинированных конструкций 
в высотных зданиях ................................................. 96
4.10. Сравнение систем несущих конструкций 
высотных зданий ..................................................... 98

5. СОЗДАНИЕ ОБЛИКА ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ 
ОГРАНИЧЕНИЯ ЕГО ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ 
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ .......................................................103
5.1. Эффективные формы зданий ..............................103
5.2. Механические методы ограничения 
перемещений и колебаний .......................................109

6. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ НЕКОТОРЫХ 
СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ ......................114

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ....................................124

ЛИТЕРАТУРА ...........................................................127

ВВЕДЕНИЕ

Высотные здания появились в последней трети XIX века. 
Сначала они были построены в США (Нью-Йорк, Манхэттен), 
а затем и в других городах и странах. Первоначально это были 
здания высотой 10 этажей и выше. Позже высота зданий стала расти. Но, несмотря на мировой опыт строительства, до сих 
пор отсутствуют единые международные понятия или характеристики высотных зданий.
Современное высотное здание (небоскреб) представляет собой сложнейший инженерный объект и особую среду обитания. 
Уровень ответственности и класс надежности высотных 
зданий во всех странах значительно выше, чем в зданиях 
обычной застройки. Соответственно, и затраты на строительство таких зданий гораздо выше, чем в обычных (в пересчете 
на единицу объема). Это обусловлено как конструктивными  
и техническими решениями, так и повышенными требованиями к безопасности (и на стадии принятия проектных решений, и на стадии строительства, и при его эксплуатации). 
Аварии в высотных зданиях имеют гораздо более серьезные 
экономические и социальные последствия.
Ниже приведен сравнительный анализ затрат на строительство и расходов страховых компаний по возмещению ущерба 
для различных вариантов обеспечения безопасности объектов 
высотного строительства [1; 2]. За базовые приняты решения, 
основанные на «анализе потенциально возможных повреждений конструкций» и обеспечивающие различные по характеру последствий уровни устойчивости к прогрессирующему 
разрушению при развитии аварийной ситуации:
1) конструкции не достигают предельных состояний несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации;
2) конструкции не достигают предельных состояний несущей способности и не теряют устойчивости, при этом предельное состояние по пригодности к нормальной эксплуатации достигнуто и может быть даже превышено;

Введение

3) конструкции достигают предельных состояний по несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации, 
но при этом сохраняется возможность эвакуации людей.
По данным В. О. Алмазова (см. таблицу), самый дорогой 
вариант является самым надежным. В этом варианте расходы на восстановление после возможных аварий минимальны. 
Второй вариант дешевле (на 10 %), но затраты на восстановление после возможных аварий выше в 1,5 раза. Третий вариант самый дешевый (на 13 %) и с минимальными гарантиями 
надежности, но затраты на восстановление после возможных 
аварий выше в 4 раза. Но и этот вариант гораздо надежней 
(почти в два раза), чем вариант с отсутствием гарантий надежности.
Затраты по обеспечению устойчивости высотных зданий 
в чрезвычайных ситуациях

Наименование

Вариант технического решения 
несущей системы

1
2
3

без ограничения 
прогрессирующего разрушения
Полная стоимость здания, 
млн руб.
30
27
26
25

Стоимость каркаса, млн руб.
15
12
10
10
Стоимость ограждающих 
конструкций и коммуникаций, млн руб.
15
15
15
15

Стоимость каркаса, %
150
120
110
100
Стоимость здания, %
120
108
104
100
Расходы страховых компаний, млн руб.
100
153
399
684,5

Из этих данных ясно, что в высотных зданиях особенно 
важны гарантии соблюдения конструктивной и технической 
безопасности и повышения эксплуатационной надежности 
зданий, несмотря на увеличение финансовых (и многих дру

Введение

гих) вложений. Именно это обеспечивает безопасность жизни 
людей и сохранность материально-технических ценностей.
Конструктивные решения высотных зданий сильно отличаются друг от друга. Типовые или повторно применяемые 
проекты высотных зданий пока отсутствуют. Но при анализе 
конструктивных решений высотных зданий их можно классифицировать и выделить отдельные принципиальные направления (отличия), их базовые решения (конструктивные схемы).
При эксплуатации и в процессе строительства на высотные 
здания в целом и на их отдельные конструкции прилагаются такие нагрузки (и в них возникают дополнительные усилия), которые значительно превышают внешние воздействия 
на обычные здания. Например, нагрузки от ветра многократно возрастают по мере увеличения высоты здания. При этом 
особенно сильно увеличиваются динамические характеристики нагрузок. Для большей части небоскребов, несмотря на их 
огромный вес, именно горизонтальные нагрузки (в том числе 
ветровые) являются наиболее значимыми.

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫСОТНЫМ ЗДАНИЯМ

1.1. Основные проблемы

Несущие системы высотных зданий ведут себя иначе, чем в 
обычных зданиях. Это связано не только с повышенным уровнем нагрузок (собственного веса, ветровых и многих других), 
но и с резким повышением уровня надежности принимаемых 
проектных решений, а также с эксплуатационными требованиями.
Из результатов сравнения построенных в разных странах высотных зданий становится ясным, что их архитектурно-планировочные и конструктивные решения в основном 
определяются высотой объекта [4; 5; 11; 14]. Не менее важным является учет природных условий района строительства: 
сейсмическая активность, инженерно-геологические условия, 
атмосферные (в частности, ветровые) воздействия. Кроме этого, необходимо соблюдение архитектурно-планировочных требований, обусловливаемых местом расположения объекта и 
другими факторами.
В целом можно сказать, что обеспечение жизнедеятельности высотных зданий – задача гораздо более сложная, чем 
жизнедеятельность обычных зданий. Особенно обращают на 
себя внимание следующие проблемы: 
1. Ветер. С увеличением высоты здания и при большой площади фасадов скорость обтекающих здание ветровых потоков 
возрастает в несколько раз. Бывают случаи, когда ветер на 
нижних этажах дует сильнее, чем на верхних. Мощные воздушные завихрения порой вызывают колебания, сравнимые 
с 4–5-балльном землетрясением. Иногда ветер «завывает» вокруг здания. Однако ветер не только поднимает мусор и пыль, 
но и очищает воздух, «застоявшийся» в закрытых дворах. Он 
с большой силой давит на прямоугольные здания и создает 
завихрения, но легко обтекает округлые здания.
Нагрузка на здание от ветра зависит от формы небоскреба. 
Наилучшая – круглая: воздух обтекает здание, не создавая 
завихрений. На втором месте – овал, капля, треугольник со 

1. Общие требования к высотным зданиям

скругленными углами. На третьем – квадрат, ромб. На четвертом – спаренные высотки (обычно круглые). На пятом –  
Г- и Н-образные формы. Хуже всего форма пластины или волны: создается чрезмерная парусность здания.
2. Фундаменты. В высотных зданиях чаще всего устраивают плитные фундаменты в виде сплошной железобетонной 
плиты (иногда коробчатого сечения). Часто (особенно при слабых грунтах) коробку опирают на сваи (свайное поле).
Плитные фундаменты применяются на устойчивых грунтах (скальные, крупнообломочные). Они представляют собой 
сплошную железобетонную плиту или «коробку» толщиной 
(высотой) до 5 м.
Свайные фундаменты устраивают на неустойчивых (слабых) грунтах. Сваи бывают разного типа длиной до 30–40 м  
и более и диаметром до 6 м. Сваи погружают в грунт до уровня плотных (прочных) пород.
3. Материалы несущих конструкций высотных зданий. Это 
в основном сталь и железобетон. Железобетонные конструкции обладают большой огнестойкостью и большой собственной 
инерцией. Вследствие значительной массы они быстро гасят 
сейсмические воздействия и колебания от ветровых нагрузок. 
Несущие конструкции здания (например, колонны) могут изготавливаться из более эффективных материалов (например, 
из трубобетона). 
При этом требования к зданию часто противоречивы: для 
противодействия ветру требуется жесткость здания, а для гашения сейсмических колебаний – гибкость. Кроме того, здание должно быть устойчивым даже при локальном разрушении одной или нескольких несущих конструкций.
4. Ограждающие конструкции фасадов. Это в основном 
стальные профили и легкие навесные панели из особо прозрачного стекла, алюминия, полимеров. Также модны вентилируемые фасады, отделанные натуральным или искусственным камнем, металлическими листами, фибробетоном (бетон 
с волокнами из металла и полимеров). В последнее время в 
фасадах часто применяют боросиликатное стекло (в нем вме

1. Общие требования к высотным зданиям

сто щелочи содержится окись бора – для пожароустойчивости 
стекла), панели из металлической пены, нанокомпозитные 
материалы, стеклянные панели с водоотталкивающим само- 
очищающимся слоем и др.
5. Системы жизнеобеспечения (инженерные системы). Их 
более тридцати, а включая последние достижения электроники – более шестидесяти. Для создания комфортных условий  
и обеспечения безопасности предназначены системы отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, водоотведения (канализация), электроснабжения, мусоро- и дымоудаления, автоматизированного диспетчерского управления, 
системы охраны, пожаротушения и др.
По высоте здание обязательно разделяется на блоки с противопожарными преградами; инженерные системы тоже делятся на участки. Например, для обеспечения вентиляции и 
ликвидации хаотичных потоков воздуха внутри дома (вследствие разного нагрева стен по высоте), в промежуточных технических этажах предусматривают воздушные преграды (гермодвери), шлюзы на лестничных клетках и в лифтовых холлах, а также и на входах в здание и многое другое.
Водоснабжение здания производится при помощи промежуточных насосных (примерно каждые 10–15 этажей). Мусоропроводы оборудуются перемычками, которые разбивают 
воздушные потоки (не дают бумажкам и перышкам парить по 
мусоропроводу) и тормозят падение тяжелого мусора.
Вентиляция выполняется отдельно для каждого блока. На 
больших высотах применяют глухие окна (они имеют клапаны и форточки-створки), а здание обеспечивается принудительной приточно-вытяжной вентиляцией и кондиционированием.
6. Системы комплексной безопасности. В зданиях преду- 
сматривают компьютерный контроль систем безопасности 
(чтобы уменьшить риск человеческой ошибки при управлении в экстремальных условиях десятками систем одновременно). Например, даже при пожаре все инженерные системы 
должны оставаться работоспособными.