Секретное оружие или зачем небоскребам шпили

Что находится на самой верхушке небоскреба? Очень часто – ничего, вернее шпиль, без которого вполне можно было бы обойтись, если бы не гонка по вертикали между архитекторами, где для победы иногда не хватает считанных сантиметров. Впрочем, это не относится к башне Лахта Центра, у которой шпиль – неотъемлемый элемент архитектуры, за эстетикой которого скрываются важные инженерные системы.

Стремление вверх характерно для архитектуры фактически всех эпох. Башни готических средневековых соборов, шпили колоколен должны были отражать устремленность к Богу. При этом самые высокие храмы — даже с тысячелетней историей — вполне вписываются в современные критерии, переводящие обычную высотку в разряд небоскребов. Например, высота Северной башни Страсбургского собора – 142 м. Ажурный 42-метровый шпиль из песчаника, венчающий башню, – яркий пример подхода, который средневековые архитекторы использовали для придания легкости своим более чем масштабным творениям.

Страсбургский собор, Франция. Шпиль собора — самый высокий на протяжении 4 столетий. Сегодня такой рекорд невообразим

Сооружение высокого, но легкого шпиля, по высоте порой превосходящего саму башню, при средневековом уровне строительных технологий, действительно оказывалось наиболее эффективным способом приблизиться к господу. Этот способ с блеском использовали в Руане, возводя в 1557 году над собором Руанской Богоматери башню Сен-Ромен. Деревянный шпиль, покрытый оловянными пластинами, возвышался над нефом на 82 м при общей максимальной высоте Notre-Dame de Rouen 151 м. Правда, дерево имеет свои изъяны, один из которых – горючесть. Прямого попадания молнии в 1822 году шпиль не пережил, и в середине XIX века его заменили на металлический, массой 1200 тонн.

Руанский собор, Франция. Уже с металлическим шпилем. Благодаря шпилю, четыре года постройка удерживала пальму первенства среди высочайших зданий мира

Не надо далеко ходить за примерами использования такого подхода и в отечественном храмостроительстве. Даже несмотря на то, что традиционная русская православная архитектура сооружения шпилей не предполагала – для нее свойственны византийские сферические или более поздние шлемовидные купола и шатры. Но с приходом больших архитектурных стилей – в данном случае барокко – все уже совсем иначе. 40-метровый шпиль позволял Петропавловскому собору до 2012 года сохранять статус самого высокого здания Санкт-Петербурга.

Петропавловский собор, Санкт-Петербург, Россия. Когда шпиль – символ города

Не потеряли своего значения шпили и в гонке по вертикали, развернувшейся в эпоху настоящих небоскребов. Соревнование высот порой перерастало в настоящую битву. Такую, как противостояние Уильяма Ван Алена, проектировавшего знаменитое здание Крайслера в Нью-Йорке и Крэга Северанса – архитектора Уолл-стрит 40, сейчас гораздо более известного как Трамп-билдинг.

Крайслер-билдинг, США. Фото David Shankbone Retouched

Трамп-билдинг, США. Шпиль подвел.

Изначально предполагалось, что Крайслер-билдинг должен был достигнуть отметки 281, 84 м, поэтому в проекте Уолл-стрит 40 появился флагшток, высотой чуть более 15 м, делавший будущую башню Трампа, пусть менее чем на метр, но выше конкурента (282, 55 м). План провалился. У Уильяма Ван Алена имелся козырь в рукаве – стальной шпиль, который секретно собирался под куполом строящегося небоскреба и вознесший его в 1930 году на высоту 319, 43 м.

Возведение шпиля Крайслер-билдинг.

Впрочем, самым высоким зданием мира Крайслер-билдинг оставался меньше года – уже весной 1931-го завершилось строительство знаменитого Эмпайр Стейт Билдинга. Правда и этот небоскреб был выше Крайслера всего на 60 см – но без шпиля. А 60-метровый шпиль Эмпайр Стейт в отличие от предшественников, даже имел вполне осмысленный функционал. Вернее, в то время казалось, что осмысленный – это была мачта для швартовки дирижаблей. Но ни один дирижабль к небоскребу так и не причалил, и позднее на месте мачты установили телевизионную антенну.

Многофункциональный шпиль Empire State Building

А впрочем, кое-какие дирижабли тут все же швартуются. Нью-йоркские рекламщики красиво обыгрывают историю со шпилем

Сегодня Совет по высотным зданиям и городской среде (The Council on Tall buildings and Urban Habitat, CTBUH) при оценке высоты зданий использует понятие «конструктивной высоты» — в нее не попадают антенны, мачты, флагштоки. Но четкого разграничения между «неконструктивными элементами» и шпилями все же нет. Например, 124-метровый шпиль Башни Свободы Всемирного торгового центра 1, построенного на месте разрушенных башен-близнецов в Нью-Йорке, — сооружение внушительное, но отнюдь не выглядящее неотъемлемой конструктивной частью небоскреба. Тем не менее, именно за счет этого элемента здание стало самым высоким в США (541, 3 м).

Freedom Tower и самолеты.

Впрочем, законодатели мод в строительстве супертоллов сегодня совсем не американцы. По-настоящему на высоте Ближний Восток и Китай, а там не размениваются на мелочи, выигрывая пару метров за счет антенн и флагштоков. Высота Королевской Часовой Башни в комплексе Абрадж аль-Бейт в Мекке — 601 м вместе с 45-метровым шпилем.

Без шпиля же это гигантское сооружение представить себе достаточно сложно. Верхушка здания украшена самым большим в мире полумесяцем массой 107 тонн и диаметром 23 м.

Примечательно, что при его создании инженеры сумели обойтись без силового каркаса. В полумесяце разместились служебные помещения и комната для молений, а на самом шпиле установлены 160 мощных громкоговорителей, транслирующих призыв к молитве на 7 км.

Самая высокая молельная комната в мире – в шпиле Часовой башни

По поводу конструктивной принадлежности шпиля к самому высокому зданию в мире – 828-метровой Бурдж-Халифа в Дубае, — вопросов не могло возникнуть у самого критически настроенного «эксперта по небоскребам». Обнаружить границу между обитаемой зоной, заканчивающейся на высоте 643,3 м и почти 185-метровым шпилем из металлических конструкций, невооруженным взглядом невозможно.

Шпиль Бурдж Халифа

Герой крупным планом

Подшпилевое пространство. Есть люди, которые поднимаются по этой лестнице…

Конструктивно именно это решение наиболее близко к тому, которое применяется при строительстве Лахта Центра.

Визуализация небоскреба Лахта Центр. Угадайте где начинается шпиль.

В петербургском супертолле шпиль – также не способ прибавить лишние метры, а стилистически и функционально неотъемлемая часть проекта. Кроме того, эта часть здания – базовая станция для не менее уникальной чем сама башня системы обслуживания фасадов (СОФ) — своеобразного поезда-подъемника, передвигающегося по рельсам, проложенным в ребрах башни между фасадными панелями и позволяющий мыть или заменять стекла даже в труднодоступных местах сложного по форме небоскреба.

Кроме того, внутри шпиля расположено оборудование для обслуживания самых верхних уровней башни Лахта Центра, и, как и во всех сверхвысоких зданиях — системы связи и навигации, эффективность работы которого за счет высоты расположения вырастает многократно.

В шпиле расположится навигационное оборудование, которое исключит столкновение воздушных судов с башней даже в условиях нулевой видимости — за счет GPS-сигналов система избегания столкновения с землей на ВС точно идентифицирует «рельеф местности» — то есть, башню. Фото Виктора Гусика

Что касается конструкции шпиля Лахта Центра — это остроконечная пятигранная пирамида, расположенная вокруг и над центральным железобетонным ядром башни. Она опирается на перекрытие 83 этажа на отметке 344,25 м в местах расположения колонн здания. Высота шпиля 117,75 м, ширина грани у основания пирамиды — 16 м. Перекрытия, отделяющие нижнюю эксплуатируемую зону шпиля от верхней, технической расположены на отметке 87 этажа (368,8 м) и 88 уровня (377,35 м).

Силовые элементы шпиля – колонны — выполнены из круглых труб диаметром 1020 мм, завершение (от отметки 427,87 м) – также стальная труба, но диаметром 1420 мм. Общий вес металлоконструкций шпиля превышает 2 тыс. тонн.

Подшпилевые колонны-«трубы» окружают ядро башни Лахта Центра. Силовые элементы такого типа начинаются с 83 этажа

Место установки: последний отрезок композитной колонны состыкуют с трубой:

Вот таким образом:

Соединение еще не обетонировано, но скоро будет.

Та же труба, на земле:

В роли строителя — главный человек, проектирующий комплекс — начальник управления по проектированию Юлия Гуляк. Смотрит на практике, легко ли воплотить все архитектурные замыслы. В руках — ключ на 130, резьба — м90

А вот остекления здесь не будет: стены шпиля – это ажурная металлическая сетка, которая крепится на силовые элементы с помощью стальных ригелей, расположенных с шагом 4,2 метра по высоте шпиля. Все дело в климате.

Финский залив – не Персидский. Перепад температур у подножия и на вершине Бурдж Халифа, пусть и вдвое большего по высоте чем башня на Лахте, составляет порядка 10 градусов. То есть даже в самую суровую аравийскую зиму это всегда будут положительные значения. Для шпиля Лахта Центра обледенение – одна из главных проблем. Расчетная усредненная гололедная нагрузка на гранях шпиля может достигать 50 кг на квадратный метр.

Готовых решений этой проблемы на рынке нет до сих пор: стандартная общемировая практика — временные конструкции, которые устанавливаются у подножия небоскреба для защиты пешеходов от падения льда.

Строительство временной пешеходной галереи для защиты от сосулек – вокруг World Trade Center, Нью-Йорк

Базовым решением проблемы в Лахта Центре стала замена стекла сеткой, что, во-первых, сократило площадь поверхности, где могут образовываться наледи, а во-вторых обеспечило продуваемость шпиля. При этом правильный подбор фактуры и цвета сетки позволяет создать визуальное единство шпиля и стеклянных фасадов, расположенных ниже. Кроме того, в металлические конструкции шпиля встраивается кабель нагрева, а сетка будет очищаться ото льда с помощью вибрации, в нужный момент создающейся короткими электрическими импульсами.

В отличие от борьбы со льдом, технологии снижения ветровой нагрузки отработаны уже достаточно хорошо. После скрупулезных расчетов проводятся обязательные модельные испытания в аэродинамической трубе. Как показала продувка башни Лахта Центра, наиболее неблагоприятные углы атаки с точки зрения усилий в элементах и деформаций для санкт-петербургского небоскреба – 190o и 270o. При таких условиях смещение здания от вертикальной оси на уровне подножия навершия шпиля (428 м) составляет от 437 до 462 мм. Но это все еще очень далеко от предельных значений.

Несмотря на визуально пугающий рисунок, цифры отклонений очень низкие.

А вот для проведения собственно работ по монтажу шпиля, критичная ветровая нагрузка куда ниже. До учета углов атаки даже не доходит. Скорость ветра превысила 15 метров в секунду? Работа кранов останавливается. А для Петербурга, тем более для побережья Финского залива – это легкий бриз. Так что собрать «лего» шпиля из металлического конструктора весом в пару тысяч тонн – задача нетривиальная. Как раз сейчас строители приступают к ее решению. На высоте в четыре сотни метров.