George Jones, BSc C.Eng MICE MIEI, Wielka Brytania
W ostatnich latach na całym świecie obserwuje się stały rozwój budownictwa wysokiego. Różnorodność wykorzystania budynków wysokich jest niezwykła – od ekskluzywnych hoteli i apartamentów po lokale w przystępnej cenie. W miarę jak świat zmaga się z rosnącą liczbą populacji, kurczącymi się zasobami i migracją ludności z obszarów wiejskich do miast, nieunikniony jest wzrost gęstości zaludnienia. To wiąże się z potrzebą bardziej efektywnego wykorzystywania ograniczonego terenu i wszystkich pozostałych zasobów. Nieuchronną konsekwencją takiego podejścia są wyższe budynki. W budynkach wysokich można stosować różne rodzaje materiałów do tworzenia szkieletu i fasady. Materiały te miesza się w celu stworzenia optymalnego rozwiązania budowlanego odpowiadającego wymaganiom klienta, takim jak rodzaj konstrukcji, jej przeznaczenie, wizja architekta, przystępna cena, czas budowy, zrównoważony rozwój i jakość. Prefabrykaty betonowe są jednym z takich materiałów, używanym od konstrukcji szkieletowych po fasady i elementy zespolone z konstrukcją stalową i betonem in situ.
W związku z obecną popularnością budynków wysokich powstało wiele publikacji na temat projektowania budynków wysokich o konstrukcji stalowej uzupełnionej betonem konstrukcyjnym. Komisja fib nr 6 ds. prefabrykacji betonu uznała jednak, że brakuje aktualnej publikacji na temat wykorzystania prefabrykatów betonowych w budynkach wysokich, która zebrałyby w jednym dokumencie nowoczesne zastosowania prefabrykatów betonowych w konstrukcjach budynków wysokich. W związku z tym powołano Grupę Zadaniową 6.7 (TG6.7), która miała zająć się tą kwestią i przygotować „Raport o stanie techniki” na ten temat. Raport koncentruje się na sposobach integracji prefabrykatów betonowych w budynkach wysokich i ma na celu zainteresowanie specjalistów z branży i wszystkie strony uczestniczące w realizacji budynków wysokich poprzez jeden prosty dokument, bez nadmiernie teoretycznego podejścia. Cieszymy się również z bliskiej współpracy z PCI w całym procesie opracowywania dokumentu oraz z tego, że Biuletyn będzie publikowany zarówno przez fib, jak i PCI.
Biuletyn 101 jest podzielony na cztery części. Pierwsze cztery rozdziały wprowadzają czytelnika w korzyści, jakie można osiągnąć dzięki prefabrykatom betonowym, oraz w jaki sposób można je zintegrować z każdym budynkiem jako pojedyncze elementy w połączeniu z innymi formami konstrukcyjnymi lub jako całe systemy prefabrykowane. Szyby windowe, klatki schodowe i trzony serwisowe, ściany działowe, stropy i fasady to elementy każdego budynku wysokiego, które można wykonać z prefabrykatów betonowych, pełniących również funkcję szkieletu konstrukcji.
Korzyści, które można osiągnąć dzięki zastosowaniu prefabrykatów betonowych w konstrukcjach budynków wysokich, wykraczające poza korzyści wynikające z zastosowania betonu jako takiego, to m. in.:
- Produkcja zewnętrzna, niezależna od warunków na budowie;
- Większa wytrzymałość i bardziej zaawansowane materiały;
- Możliwość produkcji elementów poza placem budowy, jeszcze przed jej rozpoczęciem;
- Większe tempo budowy, a co za tym idzie skrócenie czasu budowy poszczególnych kondygnacji (kluczowe przy budowie budynków wysokich)
- Pewność dotrzymania harmonogramu i budżetu (zminimalizowany wpływ warunków atmosferycznych i logistyki w miejscu realizacji projektu);
- Zapewnienie jakości i wyższa jakość;
- Mniejszy bałagan na ciasnych kondygnacjach podczas budowy;
- Mniejsza liczba robotników na budowie i wynikające z tego korzyści w zakresie BHP;
- Łatwy demontaż i ponowne użycie;
- Większa odporność na trzęsienia ziemi;
- Zautomatyzowane procesy produkcyjne, zapewniające dużą dokładność i mniej odpadów;
- Formowanie złożonych kształtów w warunkach przemysłowych w celu łatwiejszej realizacji założeń wizualnych architekta.
W kolejnych czterech rozdziałach omówiono poszczególne prefabrykowane elementy konstrukcyjne, tj. stropy, słupy, ściany i schody. Opisano ich zastosowanie w konstrukcjach budynków wysokich, zwracając szczególną uwagę na projektowanie, detalowanie i technologię produkcji. Następne trzy rozdziały poświęcono obszarom szczególnego zainteresowania. Są to fasady budynków, konstrukcje prefabrykowane w strefach sejsmicznych oraz ogólnie proces budowlany.
Biuletyn kończą liczne przykłady zrealizowanych budynków. Grupa położyła szczególny nacisk na zebranie jak największej liczby przykładów z różnych regionów i wierzymy, że udało nam się osiągnąć ten cel dzięki przykładom z Europy, Ameryki Północnej i Południowej, Australii, Japonii, Bliskiego Wschodu i Chin. Przykłady ilustrujące zastosowanie i korzyści płynące z zastosowania prefabrykatów betonowych obejmują:
Breaker Tower, Bahrajn – w pełni prefabrykowany szkielet
Konstrukcja ta ma szkielet zbudowany w całości z prefabrykatów betonowych, na który składają się płyty ścienne, słupy, belki i sprężone płyty kanałowe.
Budynek ma 35 kondygnacji i wysokość 165 m. Składa się z dwóch podstawowych brył. Wyższa i smuklejsza z brył ma kształt przypominający ustawiony pionowo podłużny wkład zamka bębenkowego. Lokale mieszkaniowe zajmują 28 kondygnacji i są usytuowane w okrągłej części budynku. Każda kondygnacja ma wysokość 4,2 m, a mieszkańcy apartamentów mają wyjątkowy widok na okolicę. Prostokątna część przekroju pełni funkcję stabilizującego „kręgosłupa” budynku i mieści windy oraz trzony klatek schodowych. Niższa z brył budynku ma kształt prostokątny i mieści pięciokondygnacyjny parking oraz salę wystawową.
Słupy zostały rozmieszczone na okrągłym obwodzie budynku, aby umożliwić swobodne ustawienie ścian działowych. Ściany usztywniające znajdują się z tyłu budynku i tworzą konstrukcję zapewniającą odpowiednią stabilność boczną. Połączenia pionowe łączą poszczególne ściany przenoszące siły ścinające w punktach styku. Ściany usztywniające działają razem jako trójwymiarowe konstrukcje stabilizujące.
Produkcja elementów prefabrykowanych zawsze wyprzedzała o co najmniej dwie kondygnacje harmonogram montażu, dzięki czemu wszystkie elementy prefabrykowane zostały dostarczone na czas. Wykonawca realizował montaż elementów prefabrykowanych ze średnią prędkością 2,5 kondygnacji na miesiąc, co dało cykl kondygnacji wynoszący 13 dni. Na ustawienie, montaż i uzupełnienie zaprawą prefabrykowanych belek, sprężonych płyt kanałowych i schodów przeznaczono siedem dni. Następnie sześć dni zajęło zamontowanie prefabrykowanych słupów i ścian kolejnej kondygnacji.
Erasmus Medical Centre, Rotterdam, Holandia – szkielet z prefabrykowanych ścian z innowacyjną metodą konstrukcyjną
Budynek ma 35 kondygnacji i wysokość 120 m. Ma szkielet wykonany całkowicie z prefabrykatów betonowych. Fasada składa się z izolowanych ścian warstwowych w jakości architektonicznej o masie do 34 ton na element, wewnętrzne ściany pełne tworzą szyby serwisowe i wentylacyjne, a stropy są wykonane z płyt kanałowych. Wszystkie ściany są nośne i działają razem jak rura w rurze, zapewniając stabilność boczną.
Tempo budowy można zmaksymalizować, jeśli zmaksymalizuje się również masę elementów prefabrykowanych. Często to właśnie udźwig żurawi i ich podatność na silne wiatry hamują korzyści związane z prędkością, jakie można osiągnąć dzięki konstrukcjom prefabrykowanym. W tym przypadku wykonawca zdecydował się na zastosowanie systemu wspinania ze zintegrowaną osłoną do przenoszenia i montażu elementów prefabrykowanych zamiast konwencjonalnej metody z użyciem żurawia wieżowego. Elementy były montowane na wysokości danej kondygnacji, a po jej ukończeniu system wspinania przestawiano na kolejny poziom. Dzięki temu możliwe było rozdzielenie transportu pionowego i poziomego elementów, podczas gdy przy użyciu żurawia wieżowego są one zazwyczaj łączone. Dzięki rozdzieleniu transportu pionowego i poziomego, wykonanie kondygnacji o powierzchni 43 m x 19 m trwało zaledwie pięć dni. Ponadto zadaszona osłona zapewniała ochronę przed warunkami atmosferycznymi i zwiększała bezpieczeństwo pracy. Pogoda, zwłaszcza wiatr, miała niewielki wpływ na postęp robót, a prace wykończeniowe można było rozpocząć wcześniej.
Wewnątrz osłony pracowała suwnica bramowa, która mogła podnosić także cięższe prefabrykaty niż byłoby to możliwe przy użyciu tradycyjnych żurawi.
Urban Dock Park City Toyosu, Japonia – prefabrykowany szkielet odporny na wstrząsy sejsmiczne
Większy blok mieszkalny ma 52 kondygnacje i wysokość 180 m. Na tym samym terenie znajduje się również drugi budynek o wysokości 32 kondygnacji.
Budynek został zaprojektowany i wykonany przy użyciu systemu budownictwa SQRIM (Sumitomo Mitsui Quick RC Integration Method). Powyższy system budownictwa został opracowany z myślą o przekształceniu wszystkich głównych elementów konstrukcyjnych w prefabrykaty betonowe. W metodzie tej wykorzystuje się wszystkie elementy szkieletu do przenoszenia sił poprzecznych. Konstrukcję wyposażono w system tłumienia wstrząsów sejsmicznych, a niektóre z elementów konstrukcyjnych zostały wyprodukowane z betonu o wytrzymałości na ściskanie 120 N/mm2. Czas budowy wyniósł 33 miesiące, a cykl konstrukcyjny stropu z zastosowaniem systemu budownictwa SQRIM trwał 3 – 4 dni. Ustawiono siedem żurawi wieżowych o udźwigu 15 ton każdy. Zamontowano łącznie 24 035 prefabrykatów, wyprodukowanych w dwunastu zakładach prefabrykacji betonu. Odsetek elementów betonowych zaprojektowanych w technologii monolitycznej a zamienionych na prefabrykaty wyniósł: słupy – 100%, belki – 95%, płyty stropowe – 74%. Dzięki temu zapotrzebowanie na robociznę na placu budowy zmniejszyło się o 95% w przypadku robót deskowaniowych i o 97% w przypadku robót zbrojarskich.
Premier Tower, Melbourne, Australia – konstrukcja mieszana wykonana w technologii prefabrykacji i monolitycznej
Jeden z najwyższych i najbardziej prestiżowych projektów w Melbourne jest najbardziej znany ze swojej inspiracji: teledysku Beyoncé „Ghost”, w którym występują wijące się tancerki owinięte w tkaninę.
Elegancka, amorficzna bryła budynku, zaprojektowana przez Elenberg Fraser, stoi na wyspie naprzeciwko głównego terminalu kolejowego w Melbourne, Southern Cross Station. Po ukończeniu budowy obiekt ma liczyć 78 kondygnacji (249 m wysokości) i zawierać 780 lokali jedno- i dwupokojowych oraz 180 apartamentów hotelowych, a także szereg obiektów rekreacyjnych.
Branża budowlana w Melbourne jest silnie oparta na betonie, a prefabrykowane elementy pionowe (słupy i płyty ścienne) w połączeniu z płaskimi sprężonymi płytami stropowymi stanowią powszechny system budownictwa.
Aby utrzymać ruch budynku spowodowany wiatrem w akceptowalnych granicach, prefabrykowane megasłupy na fasadzie maksymalizują szerokość konstrukcji stabilizującej. Są one połączone z trzonem budynku za pomocą dwu- lub trzykondygnacyjnych wsporników ukrytych w ścianach działowych oraz wsporników drugorzędnych na wysokości kondygnacji obsadzonej roślinami.
Prefabrykowane megasłupy są dostosowane do przenoszenia zarówno obciążeń grawitacyjnych, jak i od wiatru. Siły generowane przez wiatr mogą być równe ciężarowi podtrzymywanemu przez słup. Ze względu na ciężar własny megasłupów, inżynier budowlany ściśle współpracował z zakładem prefabrykacji betonu w celu opracowania takiej konstrukcji słupa, która mogłaby być bezpiecznie podnoszona przez żurawie wieżowe na placu budowy.
W rezultacie powstał kompozytowy słup o przekroju skrzynkowym, który nie tylko ma wymaganą nośność na siły działające w pionie, ale także umożliwia łatwe wykonanie połączeń wspornikowych w budynku.
Conjunto Paragon, Santa Fe, Meksyk – prefabrykowana fasada z betonu architektonicznego
Ten 27-piętrowy hotel znajduje się na najwyższym wzniesieniu w niedawno zagospodarowanej okolicy, co czyni go charakterystycznym punktem orientacyjnym. Fasada budynku została wykonana z prefabrykatów z betonu architektonicznego i składa się z 520 elementów prostych i łukowych, zarówno wklęsłych, jak i wypukłych.
Stosunkowo masywna bryła budynku została optycznie wysmuklona dzięki falistej konstrukcji fasady, w której prefabrykowane płyty połączono z dużymi oknami zapewniającymi rozległy widok na otoczenie.
Budynek ma kręty kształt przypominający literę „S”, który udało się uzyskać dzięki precyzyjnej i powtarzalnej produkcji prefabrykowanych płyt fasadowych, które były kluczem do zdefiniowania tej unikatowej geometrii. Wysokiej jakości produkcja poza placem budowy pozwoliła zrealizować skomplikowaną geometrię fasady złożonej z zakrzywionych płyt, skomplikowanych medalionów, wystających sześciennych kształtów i balkonów.
Płyty były montowane kolejno na obwodzie budynku wokół każdej kondygnacji. Umożliwiło to szybkie ukończenie osłony na każdym poziomie kondygnacji oraz udostępnienie dużych fragmentów fasady w celu zamocowania przeszkleń i ochrony ekip pracujących przy wykończeniu wnętrz. Wczesne zamknięcie stanu surowego oznaczało również, że właściciele hotelu mogli dostosować wnętrza do swoich wymagań.