Budowanie na wysokość, czyli o wieżach i wieżowcach
2560 p.n.e. Mniej więcej na ten rok datowane jest ukończenie piramidy Cheopsa. Ów grobowiec egipskiego faraona sięgał na wysokość 146 m, a obecnie - wskutek erozji - mierzy 138,75 m. Budowla imponuje wielkością - ma 2,5 miliona m3 objętości oraz 5,9 miliona ton masy. Do jej wykonania wykorzystano 2,3 miliona bloków kamiennych, o masie od 2,5 tony.
Piramida jest wzniesiona na najbardziej płaskim placu (podstawie), jaki zbudowano (tolerancja odchylenia wynosi 2 cm). Co ciekawe, bloki podstawy ustawione są zgodnie z kierunkami świata z dokładnością do 4 minut kątowych. Choć naukowcy są zgodni, że obiekt stanowi mistrzostwo inżynierii i architektury, to zagadką pozostaje, jak udało się go wykonać starożytnym mistrzom. Piramida Cheopsa pozostawała najwyższym budynkiem świata przez 4 tysiące lat.
601 p.n.e. Powstaje wieża E-temenanki (1), świątynia wzniesiona w centrum Babilonu na zlecenie Nabuchodonozora II. Zbudowana na planie kwadratu o boku długości 90 m, miała ponoć także 90 m wysokości. Mury wykonano z wypalanej i suszonej cegły oraz błękitnej glazury. Między warstwami cegieł zostawiano wąskie kanały wentylacyjne, a jako spoiwo zastosowano muł i smołę bitumiczną. Wieża z przestronnymi tarasami i schodami robiła ogromne wrażenie drogi do nieba, a efekt ten potęgował system coraz większych bram. Zburzono ją ok. 478 r. p.n.e.
ok. III wieku p.n.e. Na terenie El Mirador, prekolumbijskiej osady Majów, zostaje zbudowana piramida schodkowa La Danta (2). Była nie tylko wysoka na 72 m, ale również ogromna (o objętości 2,8 mln m3). Konstrukcja z potężnych kamiennych bloków składała się z trzech platform, a na szczycie znajdowały się trzy świątynie. Majowie do transportu materiałów nie stosowali koła, nie mieli wozów ani zwierząt jucznych. Do dziś pozostaje więc zagadką, w jaki sposób, wykorzystując siłę mięśni oraz kamienne i drewniane narzędzia, wznosili tak strzeliste i majestatyczne budowle.
1311 n.e. Katedra Lincoln (3) w Anglii wznosiła się na wysokość 160 m. Budowana przez dwadzieścia lat świątynia kilkakrotnie ulegała zniszczeniu, a jej bryła była zmieniana. Stało się tak m.in. wskutek trzęsienia ziemi w 1185 r., a w 1237 r. przebudowywana centralna wieża po prostu zawaliła się pod własnym ciężarem. Imponujący wysokością efekt uzyskano dopiero ponad sześćdziesiąt lat później, gdy gotowa była wieża z drewnianymi iglicami pokrytymi ołowiem.
W celu wzmocnienia samej konstrukcji budowniczy zastosowali rodzaj sklepienia z żebrami kalenicowymi, zaś zachowany oryginalny fragment sklepienia nad chórem św. Hugona architekci uznają obecnie za rozwiązanie osobliwe i szalone, choć do pewnego stopnia skuteczne. Już same iglice znacząco obciążały konstrukcję wieży, a dodatkowo umieszczono w nich dzwony. W 1548 r. podczas wichury towarzyszącej burzy obciążona nadmiernie iglica runęła i nigdy nie została odbudowana. Z tego powodu katedra po prawie 250 latach panowania straciła tytuł najwyższego budynku świata.
1549 Za najwyższą budowlę świata uznany zostaje kościół św. Olafa w Tallinie (obecnie Estonia), dzierżący odtąd to miano przez niemal pół wieku. Świątynia miała 159 m wysokości. Jeśli wierzyć legendzie, mistrz Olaf - budowniczy sanktuarium - pod koniec prac spadł z wieży, a to tragiczne wydarzenie upamiętnia rzeźba znajdująca się wewnątrz, w kaplicy Matki Bożej. Tak ogromna wieża była nie tylko symbolem religijnym, lecz stanowiła drogowskaz dla statków handlowych zmierzających do portu w Tallinie. W 1949 r. najwyższa wieża spłonęła od uderzenia pioruna. Po kilku przebudowach całkowita wysokość kościoła wynosi obecnie 123,7 m.
1854 Amerykański wynalazca Elisha Graves Otis prezentuje na Wystawie Światowej w Nowym Jorku pierwszą współczesną konstrukcję dźwigu osobowego. Była to zarazem pierwsza winda zabezpieczona przed skutkami zerwania się liny. Koncepcja opierała się na wykorzystaniu mechanizmu zapadkowego, który w przypadku urwania się liny "łapał" klatkę pasażerską.
Sam konstruktor zaprezentował ten system w sposób dość spektakularny (4). Wsiadł do kabiny i… przeciął liny. Zastosowany hamulec bezpieczeństwa od razu wzbudził zainteresowanie, a pierwszy model napędzanej silnikiem parowym windy Otisa został zainstalowany w domu handlowym E.V. Houghwota w Nowym Jorku. Wynalazek zmienił historię architektury użyteczności publicznej. Odtąd budowle mieszkalne mogły liczyć więcej niż 5-6 pięter, a podróż na wyższe kondygnacje stawała się mniej uciążliwa i bardziej bezpieczna.
1856 Brytyjski inżynier i wynalazca Henry Bessemer ogłosił i opatentował technologię produkcji stali na skalę przemysłową. Opracowana przez niego metoda polegała na usuwaniu z surówki niepożądanych zanieczyszczeń, przede wszystkim nadmiaru węgla. Proces odbywał się w specjalnym piecu o gruszkowatym kształcie, tzw. konwertorze bessemerowskim. Otrzymana tą drogą stal była tańsza, a jednocześnie wytrzymała i sprężysta, co zapewniało branży budowlanej idealny materiał do konstruowania szkieletów wysokich budynków.
1870 Ukończono budowę wież katedry w Kolonii (Niemcy), która dzięki 157,38 m wysokości stała się najwyższą budowlą na świecie. Rekordowy był również czas wznoszenia świątyni - trwał… sześćset lat!
Od wewnątrz katedra sprawia wrażenie obiektu niezwykle wręcz wysokiego. Nawy w hali głównej nie są zbyt szerokie, a wsparte na wysmukłych kolumnach wznoszą się pod samo sklepienie krzyżowe na wysokość 43 m. Ściany nawy głównej, środkowej nawy transeptu oraz prezbiterium mają na górze witrażowe okna.
Aby zapewnić wytrzymałość tej przeszklonej, choć kamiennej konstrukcji, każde przęsło oddzielono łukami przyporowymi. Dzięki temu siły parcia ze sklepienia nad nawą zostały przeniesione nad zewnętrzne filary przyporowe. Wystające ponad dach przypory dodatkowo chroniły kopułę świątyni przed wiatrem.
1884 W parku National Mall w Waszyngtonie staje pomnik pierwszego prezydenta USA, George’a Washingtona. Biały obelisk z marmuru, granitu i piaskowca ma egipskie proporcje 1:10, czyli 169,3 m wysokości oraz 16,8 m szerokości w podstawie. Do umieszczania kamiennych bloków na wysokości wykorzystany został system wysięgników i blokad.
Napędzana parą wodną winda mogła unieść 6 ton kamienia, z którego murarze budowali wokół żelaznego szkieletu. Po wykonanej pracy szkielet przesuwano wyżej i układano kolejny poziom bloków. Szczyt kamiennego monumentu wieńczy aluminiowa piramida. Turyści mogą tam wspinać się wewnętrznymi schodami lub wjechać windą - początkowo był nią dźwig z silnikiem parowym, ale w 1901 r. został on zastąpiony windą elektryczną.
1885 W Chicago staje The Home Insurance Building, pierwszy na świecie drapacz chmur, którego konstrukcja oparta była na stalowej ramie (5). Po wielkim pożarze w Chicago w 1871 r. jedna z firm ubezpieczeniowych szukała projektu budynku odpornego na ogień. Nowatorski projekt biurowca opracował William Le Baron Jenney, amerykański inżynier i architekt.
Zaprojektował budynek oparty na stalowej ramie - stal była bowiem nie tylko ogniotrwała, ale też lżejsza (o 2/3 niż odpowiednia konstrukcja tradycyjnej technologii) i mogła przenosić większe ciężary niż cegła. To pozwoliło powiększyć powierzchnię okien i zaprojektować lepiej doświetlone biura.
Konstrukcja tego typu umożliwiała przede wszystkim budowanie wyżej niż dotąd. The Home Insurance Building miał początkowo 42 m wysokości i 10 pięter, ale szybko dostawiono dwa kolejne poziomy, podwyższając biurowiec do 55 m. Oprócz innowacyjnej konstrukcji i nowych materiałów zastosowano tu również inne rewolucyjne rozwiązania - m.in. hydrauliczne, bezpieczne windy.
1888 Amerykański architekt, Leroy Buffington, ogłosił koncepcję budowy wieżowca o 28 kondygnacjach, opartego na stalowej ramie. Pomysł został wyśmiany i uznany za niedorzeczny oraz niepraktyczny. Buffington jednak jeszcze w tym samym roku przygotował projekty prawdziwych drapaczy chmur, 50- i 100-piętrowego. Wszystkie projekty opatentował, co zajęło mu sześć lat.
1889 Z okazji Wystawy Światowej w Paryżu oddano do użytku wieżę Eiffla (6). 300-metrowa konstrukcja wyznaczyła nowy rekord wysokości i zdobyła niekwestionowany status najwyższej budowli świata. Autorami projektu byli Maurice Koechlin i Émile Nouguier - podwładni, od których Gustave Eiffel odkupił prawa autorskie.
Sam Eiffel był autorem pomysłu połączenia metalowych elementów za pomocą nitów oraz właścicielem patentu na diagonalną konfigurację konstrukcji żebrowej, pozwalającą budować nawet powyżej granicy 300 m. Do wykonania konstrukcji użyto twardej stali pudlarskiej, z której po przekuciu uzyskano żelazo kute (tzw. stal zgrzewną).
Dzięki precyzyjnym obliczeniom udało się rozłożyć równomiernie nacisk konstrukcji o masie 9 tys. ton na podłoże - 4,5 tony na m2. Wykorzystana w wieży winda pochodziła z firmy amerykańskiego wynalazcy, Elishy Otisa.
1930 Powstaje 40 Wall Street, znany obecnie jako Trump Building (7), co zapoczątkowało w Nowym Jorku "wyścig drapaczy chmur". Wieżowiec liczył 70 pięter, miał 282,5 m wysokości i był utrzymany w stylistyce art déco, dzięki czemu zyskał miano "klejnotu w koronie Wall Street".
W momencie otwarcia rzeczywiście nie było wyższej budowli użytkowej na świecie, zaś projekt autorstwa architekta Harolda Craiga Severance’a uznano za arcydzieło. Z powodu osobistej rywalizacji architektów 40 Wall Street szybko przestał być liderem rankingu wysokości.
Jeszcze w maju 1930 r. były wspólnik Severance’a, architekt William Van Alen, zakończył budowę Chrysler Building. Równie piękny, również zaprojektowany w stylu art déco, wieżowiec Chryslera zdetronizował nie tylko swego nowojorskiego rywala, ale i paryską wieżę Eiffla. Wkrótce okazało się jednak, że 319 m wysokości i 77 pięter nie zagwarantowało Chrysler Building dominacji na zbyt długo.
1931 Nowy Jork w kolejnym roku miał już nowego rekordzistę - Empire State Building (8). Drapacz chmur wybudowano w rekordowym tempie, bo wystarczyło do tego zaledwie trzynaście miesięcy, i to za niemal połowę niższy budżet niż planowano.
Empire State Building ma 103 piętra, w tym jedno podziemne, oraz 381 m wysokości (z anteną na dachu 443,2 m). Niekwestionowany odtąd symbol Nowego Jorku był innowacyjnym projektem. Kluczowe elementy, takie jak hydraulika, zsypy pocztowe, windy i system chroniący obiekt przed silnym wiatrem, ulokowano w centrum bryły. Podobnie usytuowano zbiorniki na wodę, które w innych wieżowcach znajdowały się na dachu. Ta zmiana miała ułatwić działania strażakom w przypadku pożaru.
Dodatkowo na każdym piętrze umieszczono specjalny telefon, który był alarmem dźwiękowym ostrzegającym przed ogniem. Stalową ramę budynku pokryto asfaltem i zatopiono w betonie, aby chronić metal przed korozją i zwiększyć wytrzymałość konstrukcji. Empire State Building stracił swój prymat dopiero w 1972 r., na rzecz wież World Trade Center.
1998 W rankingu wysokościowców amerykańskie wieżowce musiały po raz pierwszy w historii ustąpić pierwszeństwa budowli spoza USA. Petronas Towers (9) to wzniesione w malezyjskim Kuala Lumpur dwa bliźniacze drapacze chmur o wysokości 451,9 m. Fundamenty budowli sięgają od 60 do 114 m głębokości, z ulokowanymi tam czterema poziomami.
Konstrukcja naziemna liczy 88 pięter. Łączący wieże między 41. i 42. piętrem most o długości 58,4 m nie jest przymocowany bezpośrednio do żadnej z nich, lecz wsuwa się w wieże, co pozwala stabilizować je podczas podmuchu wiatru. Argentyński architekt César Pelli konstrukcję oparł na żelbetonie, którą przykrywa fasada ze stali i szkła.
2004 Kolejny rekord wysokości - ponad pół kilometra! - należy od tego roku do Taipei 101, biurowca wzniesionego w stolicy Tajwanu. Mierzący 509 m gigant, zaprojektowany przez tajwańskich architektów Chu-Yuana Lee i Wanga Chung-Pinga, był dużym wzywaniem.
Autorzy musieli uwzględnić trudne warunki posadowienia, tajfuny i trzęsienia ziemi. Ze względu na niestabilny grunt zastosowano fundamenty sięgające poziomu skały rodzimej. Odpowiednią konstrukcję - dość sztywną, by była odporna na wiatr i wystarczająco elastyczną ze względów sejsmicznych – uzyskano m.in. dzięki sztywnym stalowym ramom i zastosowaniu kompozytów.
Część stalowych kolumn wypełniono betonem o wysokiej wytrzymałości. Do 25 piętra budowla ma kształt ściętej piramidy, co zwiększa odporność całego obiektu na wahania grożące stabilności konstrukcji. Zawieszona między 88 a 92 piętrem efektowna kula stanowi element systemu tłumienia wiatru - TMD (Tuned Mass Damping), który przekształca energię kinetyczną z kołysania budynku na cieplną. System jest niezwykle wydajny, a efekt amortyzacji proporcjonalny do kwadratu prędkości masy.
2008 Shanghai World Financial Center w Chinach budowano tak długo, że wysokościowiec stracił szansę na rekord. Zbliżył się jednak do granicy pół kilometra wysokości - mierzy 492 m i ma 101 kondygnacji. Zaprojektowaną w kształcie kwadratowej kolumny wieżę wyposażono w aerodynamiczny kształt i lekką konstrukcję. Autorzy projektu, architekci z biura Kohn Pedersen Fox Associates, zamiast betonowej ramy postawili na szkielet z centralnego żelbetowego rdzenia oraz masywnych stalowych kolumn i dźwigarów. Dwa boki budowli ścięto z przeciwległych narożników i stopniowo zwężono je ku górze. Charakterystyczny tunel w formie trapezu mieści dwa balkony widokowe, a także zmniejsza obciążenie budynku na działanie sił wiatru.
2010 W Dubaju zostaje oddany do użytku Burdż Chalifa (10), prawdziwy kolos, rozmiarami zbliżający się do 1 km wysokości - rozciąga się do 829 m i liczy 163 piętra. Łamania kolejnych barier podjęła się amerykańska pracownia Skidmore, Owings & Merrill LLP.
Najwyższy budynek na świecie formą nawiązuje do kwiatu pustyni, rośliny Hymenocallis, zwanej też błonczatką, a w uzyskaniu tego efektu pomógł centralny rdzeń z trzema ramionami. Ten sam rdzeń przechodzi bezpośrednio w 244-metrową iglicę, bez której Burdż Chalifa miałby "ledwie" 585 m. Szkielet wieżowca do 154 piętra wykonano z żelbetonu. Wyżej użyto lżejszych stalowych elementów, a całość pokrywa elewacja z ponad 26 tys. szklanych paneli odblaskowych i aluminiowych.
Szkło zapewnia wydajność słoneczną i cieplną. W wieżowcu zainstalowano system inteligentnego zarządzania, służący do optymalizacji ruchu wind, klimatyzacji, kontrolowania obiegu wody, a nawet do czyszczenia elewacji. Na podstawie analizy warunków pogodowych system uruchamia sieć automatycznych robotów do czyszczenia elewacji giganta.
2015 Powstaje Shanghai Tower, czyli najwyższy spiralny budynek świata i pionierski "zielony wieżowiec". Jest wysoki na 632 m, co przekłada się na 124 kondygnacje. Projekt, przygotowany przez amerykańską pracownię pod kierownictwem chińskiego architekta Jun Xia, wyróżnia spiralna bryła, skręcona o 120 stopni i delikatnie zwężająca się ku górze o 55%. Ten kształt okazał się optymalny ze względu na obciążenia wiatrem oraz efektywne utrzymanie energii we wnętrzach.
Wieżowiec tworzy dziewięć cylindrycznych brył. Każda ma podwójną elewację ze szkła. W przestrzeni między szklanymi ścianami powstało atrium, które zagospodarowano w celach rekreacyjno-wypoczynkowych. Są tam np. kawiarnie, restauracje oraz strefy zielone, poprawiające mikroklimat i pomagające schładzać budynek.
Odbijające światło szklane powierzchnie ograniczają pracę klimatyzacji i zużycie energii. Również cylindryczne samodzielne bryły pozwalają zmniejszyć transport energii. Wieżowiec korzysta też z energii, dostarczanej przez turbiny wiatrowe, umieszczone na dachu. Woda do klimatyzacji jest zbierana np. w zewnętrznych spiralnych parapetach. Dzięki ekologicznym rozwiązaniom projektantom udało się ograniczyć w Shanghai Tower zużycie wody o 40%, a energii o 21%, w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań.
Klasyfikacja wysokich budowli i technik ich wznoszenia
Budynek wysoki jest pojęciem niejednoznacznym, różnie definiowanym. W Polsce prawo określa jako wysokie obiekty sięgające 25-55 m, a te przekraczające górną granicę umieszcza w grupie wysokościowych. W Europie za dolną granicę budynków wysokich przyjmuje się 90-100 m, natomiast w Ameryce 100-120 m.
Klasyfikacja budynków wg polskiego prawa
- niskie - są to obiekty, których wysokość nie przekracza 12 m (licząc od poziomu terenu) lub, inaczej mówiąc, nie mają one więcej niż cztery kondygnacje nadziemne;
- średniowysokie - budynki o wysokości w przedziale 12-25 m lub mające 4-9 kondygnacji nadziemnych;
- wysokie - budynki o wysokości 25-55 m lub mające 9-18 kondygnacji nadziemnych;
- wysokościowce - obiekty o wysokości powyżej 55 m, z liczbą kondygnacji większą niż 18.
Techniki budowy wysokościowców
Metalowe szkielety. Początkowo zarówno forma, jak i konstrukcja obiektów wysokich były tradycyjne. Logika wskazywała na stosowanie konstrukcji murowych, ale coraz wyższe budynki musiały mieć coraz grubsze ściany fundamentowe.
W drugiej połowie XIX w. pojawiły się ramy żeliwne, potem stalowe. Pierwsze wieżowce, takie jak Western Union Building z 1870 r. czy Pulitzer Building (World Building) z 1890 r. miały konstrukcję mieszaną. W Pulitzer Building pojawił się rdzeń wsparty na żeliwnych słupach, a murowane ściany dochodziły w parterze do szerokości 2,7 m. Wprowadzenie stalowego szkieletu umożliwiło przenoszenie obciążeń pionowych bez strat powierzchni. Konstrukcje ramowe ze stali, łączone na sztywno, zapewniały budynkom odpowiednią sztywność.
Technika trzonowa. Wraz ze wzrostem wysokości zwiększały się obciążenia, jakie musiała przenieść konstrukcja. Obciążenie pionowe jest zawsze proporcjonalne do wysokości. Natomiast obciążenia wiatrem (poziome), wykazujące tendencję do przewrócenia budynku, rosną wraz z kwadratem wysokości.
Jedną z najczęściej stosowanych technologii wznoszenia wieżowców stała się technika trzonowa, w której budynek wspiera się na centralnym rdzeniu z żelazobetonu, niekiedy stalowym, skonstruowanym w formie wysokiej i grubościennej rury o prawie dowolnym przekroju. Wewnątrz niej umieszcza się zwykle szyby wind. Fundamentem jest przeważnie masywna żelazobetonowa płyta. Na tej płycie sytuuje się żelbetowy rdzeń, stanowiący podporę dla stalowych bądź żelbetowych kratownic, wspierających kondygnacje budynku.
Z czasem rozwinęła się mieszana technika trzonowo-ramowa, w której trzon musi charakteryzować się sztywnością, zaś obciążenia boczne w trzonie znosi ramowa konstrukcja stalowa, pod warunkiem że uzupełniona jest ona dużą liczbą wzmocnień poprzecznych. Metoda, w której sztywny trzon przenosi obciążenia wiatrem, a przegubowa rama obciążenia pionowe, został zastosowany przy budowie Empire State Building.
Megakolumny. Ostatnio przy wznoszeniu niektórych najwyższych obiektów technologia trzonowa idzie w parze z tzw. systemem megakolumn. U podłoża takiej konstrukcji znajdują się znacznej wielkości kolumny, dochodzące nawet do rozmiarów 5×6 m. Najczęściej są to stalowe skrzynie zalane betonem, umieszczone w obrysie elewacji i w dwóch albo więcej miejscach połączone z trzonem konstrukcji przy pomocy dużych dźwigarów kratowych, usytuowanych w kondygnacjach technicznych. Przykładem zastosowania tej techniki jest budynek Jin Mao Building w Shanghaju.
Technika powłokowa. Idea budynków powłokowych narodziła się w USA, w latach 50. XX wieku. Za twórcę systemu powłokowego uznaje się Fazlura Khana. W technologii tej - obecnie głównej obok trzonowej, wykorzystywanej do budowy najwyższych budynków - chodzi o użycie zewnętrznych ścian jako układów nośnych usytuowanych na obrzeżu wieżowca.
Mają one naśladować zachowanie cienkościennej rury. Konstrukcja taka ma oprzeć się poziomym obciążeniom, zwłaszcza w tych wysokościowcach, w których trzon wewnętrzny jest zbyt wiotki, aby mógł przenosić w całości obciążenia poziome. Dlatego też konstrukcja wymaga, aby system powłokowy miał znaczną sztywność i był głównym układem nośnym, zwalniając przy tym z tej funkcji trzon. Jednym z najbardziej rozpoznawalnych przykładów powłokowego układu ramowego były nieistniejące już nowojorskie wieże WTC, gdzie powłokę ramową stanowiły gęsto rozmieszczone słupy, w rozstawie co 1,02 m, połączone na wysokości każdego piętra sztywnymi belkami.
U podstawy budynku rozrzedzono tę siatkę, dając możliwość uformowania w parterze sześciokondygnacyjnych holi wejściowych. Wariantów rozwiązań konstrukcyjnych w technologii powłokowej jest, rzecz jasna, znacznie więcej. Ponieważ to z jej wykorzystaniem buduje się najwyższe drapacze chmur, stale jest rozwijana i doskonalona. Na jej podstawie powstała np. koncepcja megastruktur, tworzonych przez wiązki powłok modularnych. Dają one możliwość całkowitej rezygnacji z trzonów wewnętrznych, co pozwala zwiększać rozpiętość budynków.
M.U.
