Строительство с сохранением рельефа и почвенно-растительного слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строительство с сохранением рельефа и почвенно-растительного слоя

"Почвенно-растительный слой исключительно ценен: именно в нем происходит ряд важнейших процессов экологического цикла, связанных с кругооборотом веществ - переработка всех попадающих в почву биоотходов, именно в нем живут многочисленные животные, перерабатывающие эти отходы, в результате чего здесь зарождается ветвь регенерации естественных отходов. Через почву происходит обмен веществ - воды и пр., в почвенно-растительном слое укореняются все растения. Его сохранение -- одно из необходимых условий устойчивого развития".

Строить с сохранением почвенно-растительного слоя

Напомним, что в соответствии с постулатами экологии градостроительное освоение территорий должно быть "мягким", природосберегающим и природовосстанавливающим. К "мягкому" освоению относится строительство с сохранением почвенно-растительного слоя и естественного рельефа. В истории строительства известны небольшие здания на сваях, в какой-то степени, сохраняющие почвенно-растительный слой (хотя целью такого строительства не было его сохранение), а также и проекты (и отдельные построенные объекты) зданий, поднятых над поверхностью почвы с целью сохранения рельефа и растительности. Известные способы застройки позволяют сохранить почвенно-растительный слой только там, где нет зданий и инженерных сооружений. Обычные, массовые здания и инженерные сооружения отторгают площадь почвенно-растительного слоя, он исчезает, и на его месте строится объект. Этот объект почти герметично изолирует грунт, исключая существование в нем любой флоры и фауны. Если снять многолетний слой асфальта и основания под ним, то откроется полностью мертвый грунт. Таков же грунт под зданием (он еще и обжат весом здания, вес больших зданий современного города существенно обжимает грунт основания). Потому отсутствие в городах почвенно-растительного слоя и покрытие его гладким и непроницаемым покрытием ведет к гибели ландшафта, к его неспособности усваивать загрязнения, улучшать среду. Исключается важнейший этап экологического цикла - усвоение и регенерация естественных отходов. Гладкие асфальтированные улицы и площади приятны для автомобилей (допустима большая скорость, нет грязи, вибрации), отчасти - для людей (невозможно загрязнить обувь), для дворников (не требуется уход за растительностью, уборка листьев). Но они исключительно негативны в целом для жителей, так как ландшафт перестает выполнять множество "здоровых" функций.

Как строить, не застраивая при этом самую ценную часть ландшафта - почвенно-растительный слой вместе с растительностью? Можно применить бионическое решение: здания должны быть подобны деревьям. Предусмотрительная природа создала широкую и высокую крону с множеством ветвей и листьев, и широкую (иногда и глубокую) корневую систему, разветвляющуюся в грунте. В уровне же почвенно-растительного слоя, там, где находится экологическая ниша множества живых организмов, где растут трава, кустарники, молодые деревца, дерево занимает самую минимальную площадь. В этом уровне находится ствол, по которому поступают питательные вещества от корней к ветвям и листьям. Кроме того, даже в этом уровне, где площадь "застройки" минимальна, покрытый корой ствол предоставляет ниши для проживания многих мелких животных. Одно из важнейших направлений экологизации в строительстве - сохранение естественной поверхности земли вместе с почвенным слоем, растительностью и другими компонентами ландшафтов, и сохранение естественного сложившегося в течение миллионов лет рельефа (то есть в итоге незаполнение (сокращение строительной экспансии) и сохранение для живой природы территории Земли).

Здесь нужно выделить особую, совершенно исключительную, ценность почвенно-растительного слоя: именно в нем происходит ряд важнейших процессов экологического цикла, связанных с кругооборотом веществ - переработка всех попадающих в почву биоотходов, именно в нем живут многочисленные животные, перерабатывающие эти отходы, в результате чего здесь зарождается ветвь регенерации естественных отходов. Через почву происходит обмен веществ - воды и пр., в почвенно-растительном слое укореняются все растения. Поэтому роль почвенно-растительного слоя в городе невозможно переоценить. Увеличивая площадь этого слоя в городе, не занимая его при застройке и освобождая от застройки при реконструкции, строители "возвращают" часть застроенной природной среды в более естественное состояние.

Для этого можно применить ряд решений: кроме надземно-подземного и подземного строительства, нужно просто исключить застройку наиболее ценных, самых лучших ландшафтов в городе, которые были ранее застроены. Максимум объектов, допустимых для этого, нужно перевести под землю. Если еще освоить все неудобья, то есть те территории, которые ранее считались непригодными для застройки, то можно практически полностью решить проблему нового строительства с сохранением и восстановлением (экологической реставрацией) наиболее ценных городских ландшафтов. Например, если все железнодорожные линии, ведущие к центру Москвы, разместить под землей при неглубоком заложении, то эти территории будут выполнять важнейшую функцию зеленых коридоров, ведущих от загородных лесов к центру.

Если убрать под землю "плоскостные" автопредприятия со стоянками автобусов и автомобилей, занимающие сотни га городской территории рядом с жилыми кварталами, то будет получен положительный эффект для всех сторон. Город и жители получат дополнительные озелененные территории. Автопредприятие не будет платить налог за землю, снизится оплата отопления, существенно сократятся возможные потери от хищения ценного имущества, все автомобили будут защищены от осадков, вызывающих коррозию. архитектурный строительный почвенный

Таков эффект от любого экологичного архитектурно-строительного мероприятия, направленного на сохранение и восстановление почвенно-растительного слоя в городе. Наиболее нагруженные автомагистрали в центральной части города также можно переместить на 3-4 м ниже дневной поверхности, а над ними оставить световые проемы, прерываемые "зелеными" пешеходными мостами. Невозможно поднять все построенные здания, размещенные на земле. Здесь может идти речь только о постепенной замене устаревающих зданий новыми, биопозитивными, поднятыми над почвенно-растительным слоем. Но можно также подумать над разработкой новых технологий, позволяющих поднять здание домкратами на нужную высоту, подвести под него одноэтажную железобетонную этажерку, и затем опустить его на этажерку. Вид города, поднятого над поверхностью земли на высоту небольших деревьев, необычен для жителя (рисунок такого многоэтажного города имеется в книге Ле Корбюзье). Свободные территории под зданиями существенно увеличивают свободное пространство, улучшают его визуальное восприятие. Отсутствие непроходимых границ в виде стен зданий благоприятно влияет на организацию пешеходного движения, велодорожек, зеленых коридоров. Под зданиями останутся небольшие застроенные участки - лестничные клетки, шахты лифтов (они же могут играть роль вертикальных опор, хотя можно выполнить и специальные колонны с большим шагом - не менее 6-9 м). При этом способе застройки исключается возможность устройства привычных уютных дворов, огражденных стенами зданий. Для создания границ между кварталами и домами можно использовать более естественные озелененные преграды в виде полос деревьев и кустарников, или же средства малой архитектуры с озеленением.

Вся остальная территория под зданиями должна быть свободна от застройки, ее нельзя ничем занимать в дальнейшем, хотя она очень привлекательна для этого. Эта задача должна быть решена путем экологического воспитания жителей: дело в том, что небольшой опыт возведения поднятых над землей зданий в Москве оказался скорее негативным. Так, в Зеленограде был возведен длинный жилой дом, поднятый на несколько метров над землей на козловых опорах. Территория под зданием была постепенно занята магазинами (достаточно было возвести простейшие стеклянные стены - и магазин готов), а затем - гаражами и стоянками легковых автомобилей. В настоящее время вся территория, освобожденная при возведении оригинального здания, полностью занята, и почвенно-растительный слой исчез. Такова обычная судьба свободной и ничьей территории: экологически невоспитанный человек стремится занять ее для какого-либо использования.

Одним из наиболее древних способов сохранения ровных и удобных территорий от застройки является строительство на неудобьях (склонах, лощинах, оврагах и т.д.). Застройка склонов давно известна в странах, расположенных в горах - там иначе просто невозможно строить. Поэтому одно-двухэтажные террасные здания широко применялись в практике строительства на горных склонах. Сейчас эти решения существенно расширены и улучшены, повышена этажность, увеличен набор неудобий, пригодных для освоения. И, наконец, не застраивать почвенно-растительный слой Земли можно, возводя некоторые сооружения на неглубоком шельфе, над водой и в подводном пространстве. В будущем ряд объектов человек начнет возводить и в Космосе, сначала - в ближнем, а затем, по мере совершенствования техники, и в дальнем - на других планетах.

Застройка крутого склона: здание на берегу моря, поднятое над склоном на опорах (арх. Канчели).

Наиболее применимым архитектурным и конструктивным решением для многих зданий и сооружений с сохранением почвенно-растительного слоя являются разнообразные пространственные конструкции: с одной стороны, они наиболее визуально экологичны и природоподобны, с другой - хорошо воспринимают интенсивные равномерно распределенные нагрузки, отличаясь минимальной материалоемкостью (и, следовательно, более полной экологичностью). Пространственные конструкции зданий и инженерных сооружений с заполнением отдельных объемов почвенно-расти-тельным слоем позволяют озеленить кровельные покрытия и стены, а также и другие поверхности (такие конструкции носят название грунтозаполненных).

Строительство на неудобьях

Использование так называемых "неудобий" для нового строительства (участков территории, которые не могут служить сельскохозяйственными угодьями, рекреационными территориями, заповедниками, лесохозяйственными или иными участками, требующими небольших уклонов местности), позволяет сохранить более пологие территории с продуктивными экосистемами. При этом можно получить оригинальные и архитектурно выразительные решения, вписать здания в рельеф, повысить их стойкость к ряду внешних воздействий (сейсмика, оползни и др.). В зависимости от инженерно-геологической характеристики грунтов площадки строительства, а также от угла наклона территории возможны различные варианты конструктивных решений: обычные здания, применяемые для ровных участков (при небольших уклонах - до 10°), террасные здания разнообразных типов (при уклонах 20...50°), здания на столбовых опорах и прикрепляемые к крутому склону напряженными анкерами при более крутых уклонах. Террасные здания из монолитного железобетона целесообразно устраивать на участках с уклонами более 20...25°, сложенных любыми грунтами, в том числе с оползнями, используя приведенные ниже конструктивные решения.

Здание, устраиваемое без подрезки склона. После планировки склона на его поверхности монтируют перекрестные ленты фундаментов, на которые можно опирать стены, а в местах пересечения - колонны. Система перекрестных лент передает на основание только нормальную силу, а наклонная составляющая воспринимается специальным упором в нижней части склона. Упор выполняют в виде свайного ростверка из буронабивных свай диаметром 0,6... 1 м или в виде подземного эксплуатируемого удерживающего сооружения (оно может быть использовано, например, для гаражей).

Здание, устраиваемое с подрезкой склона уступами, с обычными фундаментами на естественном основании в пределах каждого уступа. При этом вся нагрузка от здания передается на склон. Возможна частичная передача нагрузки на подземную удерживающую конструкцию (например, в виде подземного эксплуатируемого сооружения).

Рис. 6.5. Типы зданий на склонах: а, е - без подрезки склона; б - с подрезкой; в поднятое над склоном; г, д - на клиновидных и ломаных фундаментах; сне...и - на крутых склонах; 1 -грунт; 2 - свайный ростверк; 3 - стены, колонны; 4 - перекрытия; 5 - озеленение террас; 6 - решетка из перекрестных лент; 7 - подземное сооружение; 8 - диафрагма; 9 -клиновидный фундамент; 10 -ломаная плита; 11 - колонна, подкос; 12 - ванты.

Здание, устраиваемое без подрезки склона при прочных грунтах основания и отсутствии оползней. Фундаменты выполняют в виде железобетонных лент с уступами, ориентируя их в направлении уклона. Выше фундаментов располагают продольные железобетонные стены в виде наклонных диафрагм, к которым крепят поперечные вертикальные диафрагмы и плиты перекрытий, причем поперечные диафрагмы и перекрытия расположены выше поверхности откоса, находящегося в естественном состоянии.

Склон можно также застраивать отдельными (точечными) малоэтажными зданиями (до трех-четырех этажей) на рельефе разной крутизны (до 26….30°). Здания для малоэтажной застройки могут быть выполнены индустриальным или хозяйственным способом.

Опыт проектирования и строительства свидетельствует о возможности применения двух типов зданий: террасных с различным расположением отдельных террас по отношению друг к другу, и отдельно стоящих на склонах. Террасы рекомендуется располагать отдельно друг от друга при небольших уклонах, с примыканием наружных стен при увеличенных уклонах и с надвижкой - при больших. Для удержания здания на крутом склоне целесообразно устраивать колонны под нижней террасой. Отдельно стоящие здания на склонах проектируют в зависимости от уклона местности: обычными - для местности с ровным рельефом; с террасной подземной частью; с опиранием на колонны той части здания, которая расположена ниже по склону; с устройством подкосов; с поддержанием здания вантами, крепящимися выше по склону. Доступ людей в помещение возможен традиционно, через покрытие или лифтом от основания склона (см. рис. 6.5, ж - и).

Конструкция зданий в лощинах. Лощины, уступы, овраги, русла бывших рек характеризуются резким уклоном (уклонами) поверхности в одном, двух или трех направлениях. Нередко эти участки территории не только не используются, но и мешают освоению, так как захламляются различными отходами, зарастают сорной и малоценной растительностью. Земли в этих районах характеризуются высоким уровнем грунтовых вод, имеются участки с оползнями. В условиях лощин, уступов, русел бывших рек (или глубоких лощин с руслами ручьев) рационально строительство зданий, позволяющих одновременно переводить территории в разряд используемых для рекреационного назначения путем отсыпки горизонтальных участков на месте лощин (рис. 6.6). Для этого проектируют откосоудерживающие здания, которые представляют собой пространственную систему в виде коробчатой арки, опирающейся на прочный грунт боковых склонов лощины. Конструкция может быть выполнена: прямоугольной в плане (в пределах высоты откоса вписана железобетонная арка, соединенная вертикальными диафрагмами с наружными стенами); арочной формы в плане, как коробчатая арка с диафрагмами-стенами; арочно-террасной формы, когда лощина имеет крутой уклон и отдельные здания располагаются близко друг к другу.

Арочное здание в лощине должно воспринимать вертикальные нагрузки от его веса и трения грунта засыпки и передавать их на основание, а также воспринимать горизонтальные нагрузки от активного давления грунта и передавать их на боковые склоны лощины. Для этого фундамент должен опираться на грунты естественного сложения и достаточной прочности. Если в основании здания в лощине - переотложенные или насыпные грунты, то предусматривают прорезание их фундаментами, либо вертикальную и горизонтальную нагрузки должны воспринимать устойчивые склоны лощины.

Рис. 6.6. Основные типы зданий в лощинах: а - арочные откосоудерживающие здания высотой до верха откоса; б - то же, высокие здания; в, г - многоволновые арочные и складчатые здания; д - террасные здания по склонам лощины; е - то же, с пропуском ручья; 1- стена здания; 2 - арка; 3 - склон лощины; 4 - насыпной грунт; 5 - многоэтажное здание; 6 - упор (жесткое ядро); 7 - гидроизоляция; 8 - солнечные коллекторы; 9 - перекрестные ленты на склоне; 10 -террасное здание; 11 - водопропускная труба.

При таком решении здание в вертикальном направлении работает как коробчатая балка, опирающаяся на фундаменты по торцам. Арки или складки в плане могут быть многоволновыми (см. рис. 6.6, в, г), при этом опоры располагают на прямой линии или на окружности. Как правило, высота таких зданий не должна быть больше высоты откоса грунта, а по верху целесообразны обваловка и озеленение. Рекомендуется также устройство эксплуатируемой кровли. В узлах соединения отдельных арок могут быть вертикальные ядра жесткости в виде цилиндрических оболочек. Они служат упорами для арок при действии горизонтальной нагрузки и одновременно выполняют функцию коммуникационных связей, а также могут иметь видовые площадки (кафе и др.) в верхней части оболочки.

Другой способ освоения лощин - проектирование террасных зданий на их склонах (см. рис. 6.6. д, е). При этом террасы ориентируют под углом к поверхности склона или нормально к ней, Для уменьшения просмотра террасного здания из противолежащего здания или со стороны вертикальные диафрагмы располагают таким образом, чтобы они закрывали боковые стороны террас, выступая над ними на 1 ...2 м. Фундаменты упираются друг в друга в середине лощины через распорки. Если ширина лощины невелика, здание может быть террасным или обычным многоэтажным (рис. 6.6, е). При этом фундамент с водопропускной трубой располагают поперек лощины. Труба, которую рекомендуется выполнять из железобетона, должна воспринимать вертикальные нагрузки. В месте опирания на склоны лощины подошва фундамента должна быть наклонной или ступенчатой.

Возможны следующие варианты фундаментов арочных зданий в лощинах: плитный, "стена в грунте", свайный, плитно-свайный (рис. 6.7.). Применение того или иного решениясвязано с инженерно-геологическим строением лощины и формой ее поверхности. Так как на здание действуют значительные горизонтальные нагрузки при сравнительно невысоких вертикальных (если над откосоудерживающим зданием не располагают многоэтажное), необходимо проектировать специальные фундаменты для восприятия горизонтальных нагрузок. При прочных грунтах основания и склонах рекомендуется плитный фундамент с уступами, препятствующими горизонтальным перемещениям здания.

По торцам здания параллельно склону располагают железобетонные диафрагмы и опирают на коренной грунт. При заделке в основание их выполняют вертикальными, а без заделок в основание они могут передать горизонтальную нагрузку за счет упирания наклонных поверхностей диафрагм в поверхности склона лощины. При слабых поверхностных грунтах в основании лощины целесообразны фундаменты типа "стена в грунте" (щелевые), заглубленные в прочный грунт. По их верху конструируется горизонтальная плита, на которой располагается арочное здание. Торцевые диафрагмы также упираются в прочные грунты боковых склонов лощины (см. рис. 6,7,6).

Если в боковых склонах лощин слабые грунты, то для надежной передачи усилий от арки ее торцевые диафрагмы необходимо крепить к свайным фундаментам, опирающимся на прочный грунт, подстилающий слабые грунты. Сваи можно проектировать наклонными, лучший тип - буронабивные сваи с уширением ствола. Под зданием также устраивают свайное поле, по которому выполняют сплошную железобетонную плиту ростверка (см. рис. 6.7,в). Толщину стены, воспринимающей давление грунта засыпки, рекомендуется делать ступенчатой, с ее уменьшением кверху здания. Иногда естественный рельеф лощины характеризуется перепадами дна (высота перепада до 4...6 м; см. рис. 6.7,г). В этом случае можно предусмотреть секущиеся сваи, которые будут удерживать естественный откос грунта и одновременно служить частью фундамента, состоящего из сплошной плиты, опертой одним концом на сваи, а другим - на естественный грунт. Вблизи свай рекомендуется засыпка из несжимаемого материала (щебня, гравия). Один из вариантов крепления торцевых диафрагм арочного здания - применение наклонных и горизонтальных гибких предварительно напряженных грунтовых анкеров.

Конструкция коммуникационных зданий. При застройке крутых склонов возникает проблема обеспечения доступа ко всем уровням террас (этажам) или к отдельно стоящим зданиям малоэтажной высокоплотной застройки на склоне. Чаще всего в известных решениях коммуникации обеспечивались лестницами, расположенными на склоне. Однако доступ с их помощью затруднен; кроме того, необходим второй путь. При объединении коммуникационных путей и зданий на склоне в специальные коммуникационные здания, их предлагается возводить в сравнительно небольшом количестве (одно на группу террасных зданий). Коммуникационный путь в здании может быть вертикально - горизонтальным, горизонтально - вертикальным, наклонным или криволинейным. Возможны также их комбинации в группе коммуникационных зданий (рис. 6.8).

Наиболее приемлемым может быть здание, в котором у основания склона, где имеются подъездные пути для транспорта и тротуары, имеется вход в лифт. Лифт сообщается не только с этажами, но и с горизонтальным коммуникационным проходом, расположенным в уровне верхнего этажа или на эксплуатируемой кровле. При этом здание должно иметь такую высоту, чтобы горизонтальный коммуникационный путь обеспечивал проход жителей к самому верхнему уровню расположения террас или отдельно стоящих зданий на склоне. Кроме того, такие здания рекомендуется строить при небольшой длине и высоте склона и наклоне его поверхности до 40...50°.

Рис. 6.8. Типы коммуникационных зданий: а, б - с вертикально - горизонтальными коммуникационными путями; в с горизонтально - вертикальными путями; г, д - с наклонными коммуникациями; е с криволинейными коммуникациями; 1 - лифт; 2 - горизонтальный проход; 3 - здание; 4 - грунт склона.

При большой длине склона коммуникационный путь необходимо сделать не одноступенчатым, как описано выше, а с двумя и более ступенями, чтобы не увеличивать этажность здания, обеспечить доступ жителей на уровне промежуточных террас (см. рис. 6.8,6). Количество ступеней обычно обусловливается высотой одного здания. Если оно не выше 4...5 этажей, лифт может выполнять функции коммуникационного сооружения, а жители смогут подниматься на этажи по лестницам. Более трудоемка конструкция с горизонтальным участком коммуникации, выполненным в грунте с помощью какого-либо метода проходки тоннелей (см. рис. 6.8,в). В конце тоннеля, а при необходимости и по его длине устраивают входы в лифт, сообщающиеся с вершиной склона или с террасами здания. Учитывая, что стены тоннеля и лифтов обладают большой жесткостью, их предлагается использовать для восприятия наклонной составляющей от веса террасного здания. Рациональны решения коммуникационных зданий с наклонным путем движения специальных лифтов, перемещающихся на рельсовых тележках по наклонному пути или на монорельсах аналогично кабинам подвесной дороги (см. рис. 6.8, г, д). В основании склона (параллельно направлению падения рельефа) прокладывают наклонный тоннель, заканчивающийся у основания склона выходом наружу. Жесткие конструкции тоннеля могут включаться в работу аналогично элементам фундамента, воспринимающим вертикальные и наклонные нагрузки от веса здания. Подобную конструкцию целесообразно использовать в наклонном террасном здании на столбовых опорах (см. рис. 6.8,д). Недостаток этого коммуникационного здания - в коротких участках дополнительных лестниц, располагающихся в невысоких столбовых опорах. В случае если склон имеет вогнутый рельеф, то террасное здание коммуникационное здание можно построить без столбовых опор.

Наиболее сложно эксплуатировать коммуникационное террасно-арочное здание с криволинейным движением лифта (см. рис. 6.8,е). В этом случае лифт должен перемещаться по криволинейному монорельсу на гибких подвесках, с сохранением в течение всего пути вертикального положения кабины. Однако конструкции террасно-арочных и террасных коммуникационных зданий с движением лифта вдоль террас весьма рациональны, так как при этом минимальны пешеходные расстояния между низом склона, его верхом и квартирами.

Рис. 6.9. Конструктивные схемы коммуникационных зданий (планы и разрезы): а - с упором в основании склона; б - с напряженно-анкерным креплением; в -с жестким ядром и креплением его к склону; г - коммуникационное башенное здание; 1 - упорная конструкция; 2 - фундамент из перекрестных лент; 3 - шахта лифта; 4 - напряженные анкеры; 5 - жесткое ядро; 6 - сваи; 7 -здание башенного типа; 8 - коммуникационный путь.

Конструктивные решения зданий для устройства коммуникаций должны наряду с обеспечением функций доступа жителей ко всем уровням террас или этажей не изменять рельефа склона (рис. 6.9).

Этим предложениям наилучшим образом отвечают арочно-террасные и террасные здания на столбовых опорах, подробно описанные ниже. Кроме того, эти здания эффективны при действии сейсмических нагрузок, так как отличаются более простой конструктивной схемой. Более сложна работа многоэтажных коммуникационных зданий, так как они имеют разную этажность по длине. При сейсмических воздействиях вертикальные и горизонтальные диафрагмы жесткости будут испытывать сложные формы колебаний. Рассмотрим конструктивное решение коммуникационного здания с упорной конструкцией в основании склона (рис. 6.9,а), воспринимающей наклонную составляющую от веса здания; на ней также проектируют жесткое ядро, внутри которого находится шахта лифта и лестничная клетка. На спланированной поверхности склона монтируют фундамент в виде перекрестных лент, опирающийся на упорную конструкцию в основании склона. Диски перекрытий жестко связаны с ядром жесткости в торце здания и шарнирно оперты на фундаментные балки на склоне. Узел опирания плит перекрытий на фундаментные балки должен быть выполнен таким образом, чтобы допускать повороты перекрытия при колебаниях. Для этого плиту можно опирать на фундаментные балки через сталефто-ропластовые опоры. При такой конструктивной схеме, если в здании имеется только одно невысокое жесткое ядро, а все остальные вертикальные несущие конструкции представляют собой нежесткие колонны, здание при землетрясениях испытает колебания основного тона. Все диски перекрытий будут одновременно перемещаться вместе с жестким ядром в горизонтальном направлении.

Другой вариант здания - конструкция, напряженно заанкеренная в основании склона (см. рис. 6.9,6). Аналогично описанной выше, она не только не передает наклонные, сдвигающие усилия на поверхность склона, но и стабилизирует его грунт (например, при оползне). Фундамент в виде перекрестных лент прижимает неустойчивый грунт к коренным породам, препятствуя его оползанию. Гибкие напряженные грунтовые анкеры в этом случае должны быть закреплены в прочном и устойчивом грунте, их можно крепить в середине пролета фундаментных балок, что позволяет снизить изгибающий момент в середине балки. Натяжение и потери усилия предварительного напряжения выбираются с учетом будущей осадки фундамента, причем усилие предварительного напряжения анкеров считается внешней нагрузкой. Анкеры выполняют с наклоном к нормали к поверхности склона, чтобы учесть наклонную составляющую от веса здания. В этой конструкции можно выполнить жесткие вертикальные диафрагмы, прикрепленные к фундаментам. Жесткое ядро может быть запроектировано в середине здания, если грунты склона позволяют надежно закрепить фундамент ядра (см. рис. 6.9,в). Фундамент может быть оперт на буронабивные сваи, а при крутом склоне дополнительно заанкерен с помощью гибких грунтовых анкеров. Диски перекрытий жестко крепятся к вертикальному ядру и к балкам перекрестно-ленточного фундамента. Такая конструкция здания не рекомендуется для оползнеопасных склонов. На крутом склоне коммуникационное здание предусматривают в виде башни на одной опоре или здания на столбовых опорах, причем жители дома из лифта проходят в коммуникационную галерею или же через галерею с вершины склона опускаются на лифте к его основанию (см. рис. 6.9,г).

Описанные выше конструктивные решения зданий на неудобьях в значительной степени были разработаны автором и под его руководством и при участии - коллективом кафедры строительных конструкций Крымского института природоохранного и курортного строительства [105]. В соответствии с этими разработками, отмеченными патентами на изобретения, были запроектированы и построены отдельные полифункциональные железобетонные здания на неудобьях. Строительству предшествовали испытания конструкций на железобетонных моделях в грунтовых лотках, в том числе с моделированием сейсмических воздействий. Были возведены отдельные уникальные объекты, каждый из них отмечен зарубежными патентами.

Первым можно отметить климатопавильон для сна у берега Черного моря, представляющий собой здание - подпорную стену, удерживающее откос высотой около 7м, оползень, а также обеспечивающее восприятие сейсмических нагрузок (рис. 6.10). Здание построено у крутого откоса и поддерживает задней глухой стеной вертикальный откос грунта; кроме того, у одной из сторон здания имеется оползень, который также удерживается полифункциональным зданием. В связи с действием больших распределенных нагрузок - активного давления грунта - климатопавильон в плане выполнен в виде трехарочного здания из коробчатых арок, которые опираются на жесткие коммуникационные башни, установленные в пересечениях. Фундамент здания - сплошная железобетонная плита. Проектный институт, запроектировавший здание (Алуштинский отдел Крымниипроекта) предусматривает при очередной реконструкции устроить озеленяемую кровлю и установить на ней гелиоколлекторы. Особый интерес представляет то, что здание полностью вписано в рельеф, и оно при достаточно больших размерах (длина -около 150 м, ширина -11м) совершенно незаметно со стороны. Почти не потребовалось проведения земляных работ и переформирования исторически сложившегося рельефа. При традиционном освоении крутого рельефа потребовалось бы построить высокую подпорную стену и недалеко от нее - возвести здание (такие решения широко применены в Крыму).

Рис. 6.10. Откосо - и оползнеудержимающее сейсмостойкое биопозитивное полифункционалъиое здание: а - план, разрезы, б - общий вид.

В г. Ялте на крутом склоне построен школьный комплекс, частично заглубленный в грунт склона и упирающийся специальной наклонной конструкцией фундамента (расположенной в самой нижней части здания) в прочные грунты. Школьный стадион выполнен на обвалованной кровле заглубленной в грунт части здания (рис. 6.11). Проект здания выполнен Ялтинским филиалом института Крымниипроект. Там же заканчивается строительство уникального по конструктивному решению здания профилактория на 300 мест на достаточно крутом склоне - 32° (рис. 6.12). Совершенно необычен фундамент здания: для исключения террасной разработки склона (традиционной при строительстве зданий обычными методами и вызывающей, кроме больших и трудоемких земляных работ, возможную активизацию оползней и переформирование рельефа) на плоско спланированный склон уложена железобетонная решетка, упирающаяся в нижней части склона в свайный ростверк.

Рис. 6.11. Школьный комплекс на крутом склоне с подземным этажом и стадионом на обвалованной кровле части здания: а - сечение 1-1; б - план фундаментов; в - общий вид объекта.

Рис. 6.12. Здание профилактория на 300 мест на крутом склоне: в начале возведения (а) и конце строительства (б). Видны наклонные балки, свободно лежащие на склоне и опирающиеся на упор в основании склона.

Железобетонные диски перекрытий прикреплены к этой решетке, и опираются на колонны, установленные в местах пересечения наклонных и горизонтальных лент.

Таким образом, плиты перекрытий имеют очень высокую жесткость в горизонтальном направлении (по сути дела это - жесткие горизонтальные диафрагмы, прикрепленные к фундаментам и заменяющие обычные вертикальные диафрагмы). Сейсмические усилия воспринимаются не вертикальными диафрагмами, как в обычных железобетонных зданиях, а горизонтальными, прикрепленными также к фундаментам. Это практически исключает действие горизонтальных нагрузок на вертикальные элементы (колонны), что позволяет выполнить их достаточно тонкими, а узлы - нежесткими. Это конструктивное решение обеспечило надежное восприятие сейсмических нагрузок, стабилизацию возможного оползня (здание прижимает оползень к поверхности скольжения вместо его подвижки под весом здания при традиционном решении).

Подземное и полуподземное строительство

Широкий комплекс вопросов подземного строительства, начиная от выбора места, его инженерно-геологического исследования, и кончая методами строительства, рассмотрен в целом ряде работ, описание которых имеется, например, в [108]. Подземное строительство издавна привлекало внимание строителей как возможность размещения разнообразных объектов с временным или длительным пребыванием людей. Первыми подземными сооружениями были естественные пещеры, служившие для обитания людей и из защиты от непогоды и нападения зверей и враждебных племен. Затем это были объекты для хранения продуктов, использующие постоянство температуры под землей, для добычи полезных ископаемых, для защиты ценностей.

Рис. 6.13. Освещенный сверху вход в древний подземный город в Африке.

Подземное пространство издавна привлекало внимание как место размещения разнообразных объектов с временным или длительным пребыванием людей (рис. 6.13). Вначале его использовали для устройства жилья и хранения продуктов (пещеры, землянки, подземные поселки), защиты от врагов и климатических воздействий, затем - для добычи полезных ископаемых. Характерными примерами подземного строительства прошлого являются древние города: Каппадокия (Турция), расположенный на восьми подземных этажах, рассчитанных на 50 тысяч человек; Чуфут-Кале и Мангуп-Кале (Крым); подземные храмы в Индии и многие другие города.

Обычно древние подземные города устраивали в прочных сухих грунтах, не требующих какого-либо укрепления после создания выработок. Качество среды в таких подземных жилищах было чрезвычайно низким (рис. 6.14). По мере развития и совершенствования типов наземных зданий в современных городах интерес к подземному строительству несколько сократился (хотя большинство обычных наземных зданий имело подвальную часть, представляющую собой небольшое подземное сооружение; подвалы как части производственных зданий или даже как отдельные производственные объекты получили широкое распространение [4]).

Рис. 6.14. Вид примитивного подземного жилища изнутри.

Много столетий специальные подземные здания почти не возводили, а подземное пространство использовали сравнительно редко; в подземных выработках после добычи полезных ископаемых также не размещали какие-либо объекты, кроме складов и хранилищ. Первые крупные проекты подземного строительства решали в первую очередь транспортные проблемы. Уже в начале XX века под современным городом предлагалось расположить транспортные коммуникации и стоянки для растущего автотранспорта, а также разнообразные трубы коммуникаций. Считалось, что такое решение позволит перенести под землю транспортные и связанные с ними пассажирские потоки, и даст возможность освободить улицы для пешеходов (рис. 6.15). Сейчас и в России, и во многих зарубежных странах специалисты все чаще размещают здания под землей при мелком или глубоком заложении. Для этого, с одной стороны, специально разрабатывают котлованы или делают выработки, с другой - используют имеющиеся горные выработки. Подземное строительство жилых, общественных и производственных зданий в последние годы получает все большее распространение, а постоянное появление новых методов строительства, патентов на конструкции и способы сооружения подземных зданий подтверждает перспективность этого направления

Однако, застройка подземного пространства под городами не должна быть чересчур интенсивной. Иначе будет герметично изолирована вся поверхность естественного грунта, растения будут существовать на тонком слое кровли - газона с искусственным поливом, исчезнет естественный круговорот воды и других веществ, что приведет к гибели флоры и фауны.

Поэтому сплошного освоения всего подземного пространства под городами не должно быть, подземные здания должны иметь форму структуры в плане с регулярными разрывами для контакта почвенно-растительного слоя с грунтом подземного пространства. В настоящее время в мире накоплен опыт возведения подземных и полуподземных зданий и сооружений самого различного назначения - от производственных цехов до общественных центров, от спортивных залов до жилых зданий.

Сечение одной из крупнейших в мире подземной выработки для сооружения хоккейного стадиона. Цифрами 1-5 показана последовательность ее раскрытия.

Опыт строительства и эксплуатации подземных объектов подтвердил многочисленные положительные аспекты освоения подземного пространства, возможность успешной и экономичной эксплуатации зданий под землей. Интересные объекты возведены в России, США, Франции, Англии, Норвегии, Финляндии, ряде других стран. Перечень достигнутых размеров и номенклатуры подземных сооружений впечатляющ: так, к Олимпийским играм 1994г. в Норвегии был возведен подземный хоккейный стадион длиной 91, пролетом 61 и высотой 23,5 м.

Площадь подземного спорткомплекса в Холмлиа составляет 6800 м 2, а объем сооружений - 53 тыс. м 2. В подземном спортивном центре Хельсинки имеется три зала пролетами 28,6, 18,7 и 15м. Подземный каток в Тампере имеет пролет 32 м и объем 37 тыс. м 2. Под центром Парижа есть огромный подземный общественный центр. В г. Тромсе возведено крупнейшее подземное убежище на 8 тыс. чел., длиной 130 и пролетом 26м, площадью 30 тыс. м 2 и объемом 150 тыс. м 3. В г. Зальцбурге построен подземный гараж на 1500 автомобилей. В России и других странах имеются примеры строительства очень крупных, защищенных от военных воздействий, подземных промышленных объектов военного назначения, например, заводов. Сейчас в практике подземного строительства все большее развитие получают гражданские объекты. Так, в Москве построен крупный подземный (скорее - полуподземный, обвалованный сверху с устройством кровли - газона) торговый комплекс на Манежной площади (рис. 6.18); в настоящее время продолжается строительство подземной части будущего делового центра Москвы "Москва - Сити", которая может стать самым большим подземным сооружением в мире: площадь подземных этажей составит около 100 тыс. м 2. Правда, это будут в основном развитые в плане и по глубине многоярусные подвальные части обычных наземных зданий.

В Москве возводятся подземные стоянки и гаражи для автомобилей: например, в ее центральной части, у гостиницы "Москва", возведена подземная четырехъярусная автостоянка. При подземном строительстве в Москве чаще всего используют плоскостные конструкции, и только в сооружениях метро применяют различные типы оболочек. В связи с высоким уровнем грунтовых вод в городе на одно из первых мест выходит проблема обеспечения водонепроницаемости подземных зданий. Не менее важной проблемой является высокая стоимость возведения подземных зданий и сооружений: в зависимости от методов возведения и глубины расположения стоимость одного и того же объекта может отличаться на порядок.

Недалеко от Кремля строится многофункциональный комплекс "Царев сад", в состав которого входят четыре подземных яруса. Он интересен не только тем, что система гидроизоляции предусматривает постоянную защиту по типу "бассейна", без выполнения дренажа, но и устройством озеленения (садов на кровле).

Много лет подземное пространство использовали в сравнительно редких случаях, например, для размещения транспортных и других коммуникаций; в подземных выработках после добычи полезных ископаемых обычно не размещали какие-либо объекты, кроме складов. В современном строительстве на первый план выдвинулись сложные противоречивые проблемы, которые сделали актуальным рациональное использование подземного пространства:

- необходимость нового строительства в условиях исключительного дефицита незастроенных территорий;

- сохранение окружающей природной среды, создание биопозитивных сооружений; восстановление ранее занятых ландшафтов после перевода объектов под землю;

- экономия энергии при эксплуатации зданий и сооружений;

- необходимость реконструкции исторических центров с возведением новых зданий и устройством современных коммуникаций;

- использование неудобных для наземной застройки территорий;

- необходимость размещения прецизионных производств, требующих отсутствия вибраций, колебаний температуры;

- обеспечение защиты населения в особый период.

Указанные проблемы решают, размещая здания под землей при мелком или глубоком заложении. При этом, с одной стороны, специально разрабатывают котлован или делают выработки с использованием способов подземной разработки грунта (горный и щитовой способы; опускные колодцы и др.). С другой стороны, используют имеющиеся горные выработки. Подземное строительство жилых, общественных и производственных зданий в последние годы получило большое распространение, а постоянное появление новых патентов и авторских свидетельств на конструкции и способы сооружения подземных зданий позволяет судить о большой перспективности этого направления строительства. Современные подземные здания можно классифицировать по назначению, глубине заложения, этажности, освещению. По глубине заложения подземные здания и сооружения делятся на полузаглубленные (обвалованные), мелкого заложения (обычно не ниже 10 м от дневной поверхности грунта) и глубокого заложения (как правило, глубже 10 м). У полузаглубленных зданий крыша расположена не ниже дневной поверхности грунта, основными нагрузками являются боковое давление грунта и вес засыпки на кровле. Чем больше глубина заложения, тем большую роль играет давление грунта, от которого зависят типы конструкций и размеры пролетов. Конструктивные решения подземных зданий определяются способами производства работ, а также глубиной заложения и назначением зданий. Работы можно производить открытым и закрытым (горным) способами.

По условиям расположения подземные здания могут быть отдельно расположенными под незастроенными участками, под застроенными участками, а также входящими в состав наземных зданий. По этаэюности они могут быть одно- и многоэтажными (чаще применяется термин "многоярусные"), по числу пролетов - одно - и многопролетными, по конструктивным решениям - каркасными и бескаркасными. В качестве материала конструкций чаще всего применяют железобетон, бетон. Частично используют прочный грунт. По назначению здания делятся на такие виды:

- жилые дома (только обвалованные);

- производственные объекты, особенно требующие защиты от вибрации, пыли, переменных температур;

- складские объекты - холодильники, овощехранилища, склады, резервуары, книгохранилища, архивы;

- зрелищные, спортивные здания - кинотеатры, выставочные залы, музеи, клубы, спортзалы, тиры, плавательные бассейны, общественные центры;

- административные здания и центры;

- объекты коммунально-бытового обслуживания - мастерские, бани, прачечные, почты, сберкассы, ателье, комбинаты бытового обслуживания,

- торгово-бытовые центры;

- транспортные объекты - станции и тоннели подземного транспорта, вокзалы, гаражи, стоянки, транспортные центры;

- объекты торговли и общественного питания - столовые, рестораны, магазины, рынки, торговые центры;

- учебно-воспитательные сооружения - детские сады, школы, вузы, учебные центры.

По способу освещения здания могут быть: с естественным боковым освещением, устраиваемым через окна с приямками, внутренние дворики и др.; с верхним зенитным освещением через проемы или фонари в кровле; с комбинированным естественным и искусственным освещением иногда в сочетании со световодами и рассеивателями; с полностью искусственным освещением. Основные типы подземных обвалованных, мелкого и глубокого заложения жилых, общественных и производственных зданий можно размещать на территории с крутыми уклонами, со спокойным рельефом местности, на свободных или застроенных участках, отдельно стоящими или являющимися подземной частью всего объекта. Жилые дома возводят только при условии естественного освещения, в общественных и производственных зданиях допускается искусственный свет. Один из важных вопросов для подземных зданий - создание у людей ощущения, что здание расположено выше уровня земли. Это достигается:

- односторонним естественным боковым освещением в обвалованных объектах;

- естественным верхним освещением в полузаглубленных зданиях;

- естественным освещением через световоды в сооружениях мелкого и глубокого заложения;

- ярким искусственным освещением в сочетании с окраской в светлых тонах помещений;

- устройством криволинейных покрытий и перекрытий в форме оболочек со значительной подъемистостью;

- выполнением фальшивых оконных проемов с размещением за ними ярких фотопейзажей (с развитием техники голографии -голографических картин).

Рис. 6.20. Типы и схемы освещения жилых, общественных и производственных зданий: а, б - жилые обвалованные; в - мелкого заложения; г - е - на склонах; ж - м -общественные; н - гараж; п - р - производственные многоэтажные; с - в горной выработке; т - ф - глубокого заложения; 1 -здание; 2 - шахта для ввода освещения; 3 -окно; 4 - отражающий цилиндр; 5 - вход в кинотеатр; 6 - надземное здание; 7 - армирование целика породы; 8 - обделка из железобетона, стали, чугуна.

При экономическом обосновании необходимо сопоставлять первоначальные затраты на строительство обычных и заглубленных зданий и расходы на энергию, содержание, ремонт (т. е. эксплуатационные расходы), а в ряде случаев учитывать и особенности эксплуатации (отсутствие вибрации и др.). Для подземных зданий характерны преимущества при эксплуатации в результате экономии электроэнергии, отсутствия вибрации, колебаний температуры. Первоначальные затраты на строительство могут быть ниже, чем для наземных зданий, если используют готовые выработки, созданные в прочном грунте, или выше, если разрабатывают грунт и затем устраивают фундамент, стены, перекрытия, подобные конструкциям наземных зданий. Так, первоначальная стоимость жилых полузаглубленных домов на 30 % выше, чем при наземном размещении. Однако в результате снижения расхода энергии на отопление эффективность полуподземного здания постепенно повышается.

С целью исключения фильтрации грунтовых вод в подземное здание и защиты железобетона от действия агрессивных грунтовых вод устраивают гидроизоляцию. Ее предусматривают в виде наружного покрытия, внутренней гидроизоляции или закрепления грунта силикатизацией, цементацией, смолизацией, битумизацией. Необходима также изоляция от проникновения в подземное помещение газов (особенно радона) и мероприятия по очистке воздуха. Для экономической оценки городских земель и эффективности подземного строительства служит комплекс градостроительной оценки территорий по двум показателям - инженерно-экономическим и социально-экономическим. Сэкономленные в результате подземного размещения зданий территории оценивают инженерно-экономическими и экологическими показателями.

Общественные здания, в которых не требуется естественное освещение, можно выполнять заглубленными, без естественного освещения, с различной степенью заглубления: например, кинотеатры - при минимальном заглублении, обеспечивающем создание озеленяемого пространства над покрытием; другие учреждения, предприятия (например, гаражи) - при глубоком заложении. Как показывает опыт строительства, в том числе имеющего и массовый характер, в конструкциях жилых зданий успешно используют железобетон (сборный и монолитный), кирпич, дерево, сталь; применяют плоскостные и пространственные конструкции. Чаще в конструкциях стремятся создать пространственную форму, легче вписывающуюся в рельеф склона, обеспечивающую впечатление легкости покрытия. Интересным решением является бетонирование куполов на обвалованных жилых зданиях в надувной опалубке или методом торкретирования по пластмассовой опалубке на ребрах жесткости из проката.

Рис. 6.21. Общий вид полу заглубленных жилых зданий: а - возвышающиеся; б - сквозные; в - атриумные; г - на склонах.

Одна из особенностей конструктивных решений заглубленных зданий - в учете повышенной теплозащиты из-за обваловки грунтом. Поэтому на большей части наружной поверхности не требуется такая же толщина стен, как и для наземной части из условия теплотехнического расчета, или такая же толщина слоя теплоизоляции на покрытии. Достаточна уменьшенная толщина железобетонных или кирпичных стен с устройством эффективной дополнительной наружной теплоизоляции, обычно в верхней части заглубленного здания. Возможно и традиционное решение стен заглубленного жилого дома, когда они имеют постоянную толщину, вычисленную из расчета верхней части стен, контактирующей с наружным воздухом. Тогда отпадает надобность в выполнении вертикальной теплоизоляции по обвалованным наружным стенам, устраивают только гидроизоляцию и слой дренажа. Это решение менее экономично, чем проектирование стен с перепадом толщины с эффективной теплоизоляцией. Поэтому в описанных ниже узлах даны решения вертикальных наружных поверхностей с теплоизоляцией.