Считается, что небоскребы помогают построить и продать намного больше квадратных метров жилья и офисных помещений на небольших участках земли. Это действительно так, но не везде это легко сделать. Технологические сложности, традиционно сопровождающие высотное строительство, могут стать препятствиями на неподходящей почве. Для преодоления давления на грунт в таких условиях приходится углублять подземную часть до четверти высоты небоскреба.
Мягкие грунты, сейсмологическая активность, дорогие, по сравнению с обычными домами, проектировочные решения тем не менее не влияют на количество строящихся и уже построенных небоскребов.
Первые небоскребы работали как офисы, современные здания используются так же, но и спрос на квартиры в них оказался значительным — небоскребы можно строить на небольшом участке, современные технологии позволяют делать это в условиях любого грунта, а покупатели ценят виды из окон на огромной высоте. И теперь более трети высоток — жилые, частично или целиком.
Долгое время одним из главных препятствий для строительства небоскребов было очень серьезное давление на грунт. Работа грунта выходит за рамки линейной работы и наступает стадия упругопластической деформации.
Архитектура сталинских высоток в Москве продиктована как раз сложностями, связанными со строительством правильного фундамента. Широкая нижняя часть, увеличенная глубина позволили минимизировать дополнительное по сравнению с естественным давление грунта на глубине заложения фундамента. Например, в Нью-Йорке таких проблем не было, город практически стоит на скальном, прочном грунте, и даже если сверху присутствуют осадочные породы, их толщина незначительна.
Критическое давление на грунт небоскребов сейчас перестало быть проблемой, так как накоплен огромный опыт, быстро идет прогресс в отрасли строительных материалов
В Москве при строительстве высотных зданий приходится решать более сложные инженерные задачи, связанные с фундаментом,— кроме давления на грунт, это существенная усадка, возможная неравномерность, крены. Основные расходы при строительстве фундамента возникают, когда идут инженерно-геологические изыскания, благодаря им закладываются определенные параметры конструкции, отвечающие компрессионным характеристикам грунта, определяется усадка здания.
Ориентируясь на эти расчеты, проектировщики определяют жесткость будущей конструкции. При неравномерной усадке все перекосы должны быть компенсированы жесткостью конструкции здания. Чем больше усадка, тем выше жесткость, больше армирование и дороже фундамент.
Основной принцип строительства небоскребов не меняется: давление можно уменьшить за счет роста площади фундамента и глубины его залегания.
В Москве большинство высотных зданий тоже строится с участием свай. При строительстве дома высотой до 20 этажей проектировщик может выбирать, использовать сваи или нет. При проектировании небоскреба сваи обязательны, если, конечно, скальные породы не залегают прямо под фундаментной плитой.
Глубина свай может достигать 50 метров, а их диаметр — полутора метров. Например, в ММДЦ "Москва-Сити" особый грунт. "Это аллювиальные (речные) отложения (на глубине 6-15 метров), а со стороны района Камушки есть русла исчезнувших притоков Москвы-реки (палеодолина). Глубже — известняки верхнего каменноугольного возраста, в которых могут быть полости (карсты).
Задача геолога — находить такие полости, а проектировщика — устранять риски при разработке фундамента в районе таких полостей.
В таких грунтах при строительстве небоскребов, как правило, используются свайные или свайно-плитные фундаменты. Толщина фундаментной плиты при этом может достигать четырех метров.
Выбор вида свай осуществляется индивидуально — или с помощью тестов, или на стадии разработки проекта в сотрудничестве с научными организациями, которые специализируются на новых видах свайных фундаментов.
Отсюда удорожание строительства — фундамент 50-этажного здания может стоить втрое дороже фундамента 20-этажного дома.
Все это учитывается в проекте. Существуют разные варианты установки свай: ее можно бурить, заливать бетоном, опускать внутрь сердечник (стержень, который выдавливает бетон в поры грунта по длине сваи и создает более жесткую сцепку, такие сваи могут быть короче и меньше в диаметре, их и нужно меньше). Сваи с сердечником могут выдержать до 30-40% больше нагрузки, чем сваи без него. . Средняя глубина свай — 15-30 метров, но может доходить и до 50 метров.
Особенности фундамента, помимо качества грунта, определяет каркас небоскреба.
В зданиях высотой более 100 этажей стандартный бетон не выдерживает нагрузки, которая возникает на колонны первых этажей. Приходится использовать специальные бетоны повышенной прочности — с ними технологически сложно работать на стройплощадке — и специальную арматуру. А при строительстве особенно высоких зданий на первых этажах могут применяться цельностальные колонны.
При проектировании каркаса и его внутренних систем приходится еще учитывать турбулентность ветрового потока, которая возникает из-за высоты здания.
Без специальных решений здание будет работать как дымовая труба. Снаружи равномерно распределять давление помогают специальные фасадные системы. Для решения проблемы сквозняков в первых небоскребах стали ставить вращающиеся двери. По этой же причине в небоскребах не бывает естественной вентиляции и нельзя открывать окна, чтобы не нарушить работу механических инженерных систем.