arrows Betonové konstrukce staveb arrowsSoučasná silueta šanghajské čtvrti Pchu-tung (Pudong)
grafické podklady archiv autora
text Vlastimil Šrůma
číslo: 08/15
Současná silueta šanghajské čtvrti Pchu-tung (Pudong)

· Kompozice hmot dokončené Šanghajské věže a starších věží Ťin Mao a SWFC
Šanghajská věž (Shanghai Tower), která doplnila dva mrakodrapy tyčící se v srdci nového finančního a obchodního centra šanghajské čtvrti Lujiazui, na výjimečnou, doslova ikonickou trojici, představuje prototyp supervysoké budovy výrazně nové koncepce.
odeslat odeslat    tisk tisk
Ing. Vlastimil Šrůma, CSc., MBA
Absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze, obor konstrukce a dopravní stavby. Projektoval v SUDOP Praha, později učil na FSv ČVUT, 1994?1999 byl technickým ředitelem firmy Stavby mostů Praha. V období 1999 až 2014 řídil Českou betonářskou společnost ČSSI, 2001?2006 vydavatelství BETON TKS. Od roku 2004 řídí společnost ACONSE CZ. Hlavní náplní odborné činnosti jsou konstrukční beton, betonové mosty a výškové budovy; věnuje se také popularizaci staveb a publikační činnosti. E-mail: sruma@aconse.eu
Nový mrakodrap je umístěn v těsné blízkosti věží Ťin Mao (Jin Mao Tower) a Šanghajského světového finančního centra (Shanghai World Financial Center – SWFC), svou výškou 632 m je však výrazně přesahuje a díky zakřivené, šroubovicovité fasádě na sebe v současnosti strhává hlavní pozornost. Zatímco na věž Ťin Mao dokončenou v roce 1999 lze pro její tvar připomínající tradiční pagody nahlížet jako na evokaci čínské minulosti a na postmodernistický monolit SWCF z roku 2008 jako na ztělesnění současného ekonomického vzestupu nejlidnatějšího státu světa, Šangajská věž se svou sofistikovanou strukturou a dynamickým tvarem chce být považována za symbol budoucích aspirací Číny. Důvodů pro její vybudování bylo hned několik:

  • demonstrovat sebevědomí dnešní Číny, navíc v období panující finanční krize;
  • posílit váhu Šanghaje jako jednoho z nejmocnějších finančních center světa, protože v budově budou sídlit především banky a další finanční instituce;
  • ukončit „nadvládu Japonska nad městem“, neboť dosavadní nejvyšší budovu SWFC jako investici japonského developera Mori Building mnozí Číňané stále vnímají jako nežádoucí dominanci odvěkého ostrovního rivala.

Věž, která bude mít po otevření různorodé využití, není jen novým monumentem současných možností výstavby výškových budov, ale i zásadním příspěvkem k možnostem realizace udržitelného života v tzv. vertikálním městě – promyšleném, urbanisticky řešeném mixu kancelářských, hotelových i společenských prostor rozmístěných porůznu po výšce jediné budovy, doplněných restauracemi, obchody a širokou, „uliční“ nabídkou občanské vybavenosti. „Megavysoká“ budova (Megatall Buildings je nově zaváděná kategorie budov o výšce 600 m a více) Šanghajské věže je navíc v celé svojí výšce doslova „obalena“ prostory pro veřejnost a visutými zahradami. Právě mimořádný důraz, který se u ní klade na prostory, kde se mohou lidé setkávat, zastavit se a pobýt, a na provozovny praktických služeb strategicky rozmístěných po budově jsou tím, co věž významně posouvá při hledání optimálního uspořádání vertikálního města, pozitivně přijímaného uživateli.

Vizualizace Šanghajské věže ve skupině s mrakodrapy Ťin Mao (Jin Mao Tower) a Šanghajským světovým finančním centrem (Shanghai World Financial Center)

V budově je odspodu umístěno nákupní centrum a kancelářské prostory třídy A, které zabírají převážnou část mrakodrapu. Nad nimi je situován luxusní hotel a v nejvyšších patrech potom společenské prostory – restaurace a vyhlídková patra. Nákupní centrum v nejnižší části věže přesahuje i do navazujícího pódia, v němž se budou nacházet i moderní konferenční prostory. Současně s budovou se budují i podzemní prostory v její těsné blízkosti, mj. koridory, kterými bude napojena na sousední budovy Ťin Mao a SWFC, novou stanici metra a rozsáhlé třípodlažní podzemní parkoviště. Ke vstupu do Šangajské věže přiléhá na úrovni terénu otevřená plaza – malé náměstí přístupné veřejnosti. Budova je obklopena veřejným parkem.

Koncepce budovy
Vzhledem ke své mimořádné výšce je Šanghajská věž kromě seizmického zatížení ohrožena především silnými tajfuny, kterými je město známé. Tyto větry vanoucí rychlostmi až 200 km/h jsou významným faktorem ohrožujícím věž poškozením nebo alespoň nadměrným rozkýváním. Velká pozornost byla proto při návrhu koncepce budovy věnována právě její spolehlivosti s ohledem na účinky větru. Projektanti vyšli z toho, že účinky prudkého větru na budovu sníží tři zásadní faktory: asymetrie tvaru věže, její s výškou se zužující profil a důsledné zaoblení rohů vnějšího pláště.

Šroubovicovitý tvar vnějšího pláště budovy

Při procesu hledání optimálního tvaru věže se upustilo od dříve neopominutelného zkoušení mnoha malých modelů budovy ve větrném tunelu, což je pracovně, finančně i časově vždy velmi náročná činnost. Místo toho byly tvarové varianty budovy konstruovány jen virtuálně (AutoCAD) a jejich odezva na vítr byla pak testována rovněž jen počítačově pomocí speciálního dynamického modelu proudění tekutin a plynů (Fluid Dynamics Model). Zcela jasně se při tom prokázalo, že zkroucený tvar pláště je – kromě působivého vzhledu – velmi efektivní také po technické a ekonomické stránce. Při výsledném, optimálním zkroucení vnějšího pláště o 120° bylo prokázáno 24% snížení odporu vůči větru ve srovnání s budovou obdélníkového tvaru stejné výšky. Bylo přitom propočteno, že v případě Šanghajské věže znamená každé 5% snížení namáhání větrem úsporu stavebních nákladů ve výši 12 mil. amerických dolarů. Tento optimalizační postup umožnil architektům a projektantům nalézt tvar budovy významně snižující namáhání větrem ještě před tím, než byl vůbec vyroben její první model. Ten byl pak zhotoven v měřítku 1 : 85 (měl výšku 7,5 m) a prošel obvyklými fyzickými zkouškami ve větrném tunelu, kterými byly předchozí počítačové výsledky ověřeny a doplněny.

Schéma členění mrakodrapu na zóny

Ve zkratce by se dalo říci, že věž tvoří devět samostatných válcových budov postavených na sobě, nebo že její tvar připomíná štíhlý a vysoký svatební dort o devíti patrech. Technicky řečeno je budova výškově uspořádána do devíti stavebně rozčleněných a účelově vymezených zón. Každá ze zón je tvořena souvrstvím několika standardních podlaží a – s výjimkou nejnižší zóny, kterou tvoří pětipodlažní pódium – spočívá na jedné z osmi megadesek, které budovu v průběhu její výšky ztužují a zároveň ji rozčleňují na jednotlivé úseky. Megadesky členící budovu na zóny jsou tvořeny vždy dvěma podlažími atypické výšky. Jsou v nich soustředěny potřebné technologie TZB (MEP – Mechanical – Electrical – Plumbing) a obsahují rovněž únikové prostory pro případ požáru nebo jiných mimořádných situací. Zóny 2 až 6 obsahují kancelářské prostory, přičemž každá z těchto zón je v rámci budovy do značné míry samostatnou jednotkou. V zónách 7 a 8 jsou umístěny pokoje pětihvězdičkového hotelu, jeho společenské a administrativní prostory jsou situovány v pódiu budovy. Ještě nad hotelem, v několika horních podlažích zóny 8, jsou umístěny luxusní kanceláře. V nejvyšší zóně 9 se nacházejí mj. atraktivní prostory přístupné veřejnosti – restaurace a kryté vyhlídkové patro. Nad nimi je ve výšce 561 m situována nejvyšší otevřená vyhlídková plošina světa, kam návštěvníky vyváží nejvyšší výtah světa (578,5 m). Průměr válce budovy v patě činí 82,2 m, ve vrcholu pak 46,5 m.

Každé z těchto vertikálních pásem vytváří jakousi malou městskou čtvrť samu o sobě vyrůstající z vlastního lokálního „přízemí“, umístěného vysoko nad povrchem země. Toto přízemí tvoří vždy trojice srpkovitých visutých malých prostranství se zelení (sky lobby) – ve skutečnosti ovšem okrajových částí jedné z megadesek vykonzolovaných z dříku jediné obří budovy. Zatímco povrch budovy je v rozsahu běžných podlaží jednotlivých zón uzavřen vnitřním pláštěm kruhového půdorysu (interior skin), zvnějšku je povrch celé budovy zahalen vnějším pláštěm (exterior skin) trojúhelníkového půdorysu. Tento vnější plášť po výšce budovy pomalu rotuje tak, jak to určují orientace postupně rotujících trojúhelníkových megadesek.

Schéma megadesky vymezující dvě sousedící zóny budovy

Právě prostor mezi oběma transparentními plášti v každé ze zón 2 až 8 vytváří celkem sedm trojic prosvětlených a vzdušných atrií. Vzhledem k tomu, že oba pláště budovy jsou z čirého, transparentního skla, je zajištěno kvalitní vizuální propojení interiéru budovy a městského prostředí, které ji obklopuje, a to i po setmění – díky sofistikovanému, počítačově řízenému osvětlení a nasvícení budovy. K atraktivitě dynamického tvaru budovy přispívá kombinace několika základních geometrických tvarů v jejím půdorysu: čtvercové jádro, kruhový tvar podlaží a vnitřního pláště, zaoblené trojúhelníky technických podlaží a vnějšího pláště a eliptický tvar pódia.

Zelená atria, tj. „visuté zahrady“ (sky gardens), nad každým sky lobby mají ambici dotvořit kultivovaný komunitní prostor a kulisy každodenního života místních obyvatel a návštěvníků, včetně palety stravovacích možností a možností odpočinku. Účelem těchto sky lobby je totéž, co bylo a je účelem tradičních městských prostranství a náměstí – poskytnout prostor pro setkávání a komunikaci lidí v průběhu dne. V čínském prostředí navíc tyto prostory evokují dlouhou tradici hutongů – dožívajících komunitních jednotek, pro které je příznačné mnohotvárně strukturované propojení otevřeného nádvoří a sdílených prostor s uzavřenými místnostmi jednotlivých členů komunity. Velké části budovy včetně atrií budou přístupné veřejnosti.

Půdorysné schéma sky lobby v zóně 3 (22.NP)

Konstrukční řešení

Koncepční řešení nosné konstrukce budovy

V případě Šanghajské věže byla zvolena nosná konstrukce současné nejprogresivnější koncepce nazývané Core-Outrigger Mega Frame. Používat se začala při výstavbě sousední věže Ťin Mao před dvaceti lety a používá se ve stále sofistikovanější podobě u naprosté většiny nejvyšších mrakodrapů dnešní doby. Systém kombinuje robustní železobetonové/ocelobetonové jádro s obvodovými železobetonovými/ocelobetonovými megasloupy a doplňuje tyto vertikální prvky vodorovnými megapříčlemi (outriggers) a obvodovými ztužujícími pásy (belt trusses) do mimořádně odolných prostorových megarámů.

Typické sky lobby budovy

Centrálním prvkem konstrukčního systému je železobetonové jádro čtvercového půdorysu o straně 31,5 m rozčleněné vnitřními stěnami na devět čtvercových buněk. Beton jádra je kromě běžné betonářské výztuže v celé své výšce vyztužen zabetonovaným robustním skeletem z konstrukční oceli, v nejnižších zónách jsou masivními svařenci z ocelových plechů vyztuženy i stěny jádra. Kolem jádra je při kruhovém obvodu půdorysu rozmístěno celkem dvacet ocelobetonových megasloupů. Jsou uspořádány symetricky, vždy čtyři dvojice v hlavních osách jádra a zbývající čtyři sloupy v diagonálních osách. I tyto megasloupy obsahují mohutné svařence z konstrukční oceli spřažené pomocí spřahujících trnů s masou okolního železobetonu. Ocelová jádra megasloupů jsou jejich primární nosnou a konstrukční částí. Betonová „obálka” je doplněna až následně, po montáži ocelového skeletu jednotlivých podlaží. Megasloupy tak působí svým kompletním spřaženým průřezem až s jistým časovým odstupem. Megasloupy jsou propojeny s jádrem prostřednictvím megapříčlí, a to v úrovni ztužujících megadesek mezi jednotlivými zónami budovy obsahujícími vždy dvanáct až patnáct podlaží.

Megapříčle jsou tvořeny mohutnými příhradovinami z oceli Q345GJ a jejich výška sahá přes obě technická podlaží megadesek. Jsou ohybově tuze napojeny na jedné straně na ocelový skelet zabetonovaný do jádra budovy a na druhé straně na ocelová jádra megasloupů. Nad každou megadeskou se skokově zmenšuje průměr vnitřního válce budovy. Systém jádra, megasloupů a megapříčlí je ještě doplněn mohutnými ztužujícími robustními obvodovými příhradovinami (belt trusses), které jsou v případě Šanghajské věže zdvojené. I ty jsou, podobně jako megapříčle, z oceli Q345GJ a jsou ohybově tuze napojeny na ocelová jádra megasloupů, které tím propojují a ztužují.

Schéma nosného systému budovy

Příčnou i svislou odolnost věže zajišťuje vnitřní válcová část budovy. V příčném směru je odolnost primárně zajištěna jádrem a megasloupy propojenými v několika úrovních systémem megapříčlí. Tento základní systém je doplněn odolností megaskeletu celé budovy, do něhož jsou zapojeny i diagonální megasloupy, obvodové příhradové pásy a megadesky v jednotlivých zónách.

Svařence z ocelových plechů zabetonované v megasloupech jsou klíčovým prvkem k zajištění potřebné geometrie a tuhosti spojení jednotlivých prvků megaskeletu budovy a tím také jejího požadovaného chování.

Konstrukce budovy byla navržena metodou, která zohledňuje její požadované užitné vlastnosti (PBD: Performance-Based Design) podle ustanovení nové čínské normy China Seismic Design Code (GB50011-2008). Součástí návrhu byl i nelineární výpočet určující charakter chování nejdůležitějších prvků konstrukce a jejích styků v rozhodujících zatěžovacích stavech. Vlastní 3D nelineární výpočet MKP byl proveden programem Abaqus, který umožňuje nejen modelovat ocelové průřezy zabetonované v jádře a megasloupech, ale i železobetonové části průřezů tuto tuhou ocel obklopující. Uvedená čínská norma stanoví, jaké má být uvažováno chování oceli a betonu v nepružných oblastech, i to, v jakých oblastech pracovních diagramů se má pohybovat chování průřezů různých konstrukčních prvků za specifikovaných podmínek, mj. při různých úrovních zemětřesení.

Skutečná podoba hlavních prvků nosného systému budovy

Svařence ocelových sloupů zabetonované v průsečnicích stěn jádra budovy usnadňují ohybově tuhé napojení megapříčlí na jádro budovy. Pro návrh a posouzení spolehlivosti styků byl použit 3D nelineární výpočet MKP. Nejprve byly stanoveny pružnoplastickou analýzou ve variantách závislosti působících momentů a osových sil na narůstajícím pootočení. Tyto profily byly potom použity v programu Abaqus Perform 3D pro Performance-Based Design spolu s grafy modelujícími historii seizmických zatížení a geotechnickými parametry základové půdy v místě staveniště budovy. Celkem bylo takových modelů kombinujících parametry a chování základové půdy a historii intenzity zemětřesení v dané lokalitě vytvořeno a použito sedm.

Výsledkem analýz provedených podle zásad metody navrhování PBD byly tyto závěry o chování Šanghajské věže při velmi silném zemětřesení (uvažovaná doba návratu je 2475 let).

  • Maximální výkyv kteréhokoliv místa budovy v kterémkoliv směru vyšel menší než 1/130 (tj. ve vrcholu do 4,85 m). To vyhovuje s rezervou hodnotě 1/100 dané příslušnou čínskou technickou normou.
  • Stěny jádra budovy zůstanou v pružné části pracovního diagramu, zplastizovány budou jen jejich velmi omezené oblasti. To vyhovuje ustanovením normy, neboť ta už připouští vznik limitovaných plastických kloubů.
  • Většina stěnových nosníků jádra bude sice zplastizována, velikosti natočení ve vzniklých plastických kloubech vycházejí však pod mezními hodnotami danými normou a z hlediska bezpečnosti tedy vyhovují.
  • Všechny obvodové ztužující pásy a naprostá většina megapříčlí zůstane v pružné oblasti. To splňuje požadavek normy na zachování pružného chování obvodových pásů, u megapříčlí norma dokonce připouští vznik limitovaných plastických kloubů.
  • Všechny ocelové svařence zakomponované do betonu jádra a megasloupů zůstanou v pružné oblasti chování.
  • Podle kritérií uvedené čínské normy si Šanghajská věž jako celek s rezervou zachová i v této mimořádné návrhové situaci úroveň odezvy bezpečnou pro zachování života jejích uživatelů (tj. Life Safety).


Řešení detailů
Pro to, aby nosná konstrukce budovy skutečně fungovala tak, jak výpočty a celý její návrh předpokládají, je kriticky důležité, aby podle předpokladů fungovaly styky mezi jednotlivými prvky nosného systému. Od spojení ocelové konstrukce vrcholu věže se svařenci ocelových sloupů uvnitř jádra až po napojení megasloupů na megapříčle a na ztužující obvodové pásy – všude se kladl důraz na plynulý tok a kvalitní přenos gravitačních i příčně působících sil. Zabetonované tuhé ocelové profily megasloupů mají svoje hlavní osy v osách připojovaných megapříčlí, což jednak usnadňuje konstrukční řešení styků, ale také zamezuje vzniku druhotných momentů v důsledku excentrických připojení. Jisté systémové problémy s žádoucím ortogonálním napojením nastaly u styků megasloupů a obvodových příhradových pásů, protože ty mají v půdorysu tvar kružnice.

Napojení obvodových ztužujících pásů a stropů na ocelové svařence zabetonované v megasloupech

V praxi je styk vyřešen tak, že byla na svařence v megasloupech navařena příčná žebra a k nim se obvodové pásy připojily ohybově tuze. Pokud došlo při montáži k mírné odchylce mezi orientací těchto žeber a připojované příhradoviny pásu, byl styk ztužen příložkami přivařenými uvnitř svařence megasloupu, aby mohla být zachována výztuž a geometrie železobetonové části megasloupu. Obdobně se postupovalo v několika případech u napojení megapříčlí na svařence sloupů ocelového skeletu betonového jádra. Dalším klíčovým požadavkem bylo dodržení kontinuity vyztužení jádra ve všech směrech. Za tím účelem byly např. v místech napojení megapříčlí na jádro budovy vkládány napříč celým jádrem do odpovídajících stěn souosé tažené ocelové prvky, a to jak v úrovni os horního, tak i dolního pásu příhradoviny megapříčlí.

Hlubinné založení
Podobně jako u jiných supervysokých budov i v případě Šanghajské věže bylo její založení na pilotovém roštu mimořádnou inženýrskou výzvou vzhledem k obrovské tíze věže a velikosti příčných sil od větru a seizmicity. Šanghaj je kromě tajfunů a zemětřesení navíc specifická i tím, že je zde skalní podloží v hloubce 150 m pod povrchem a níže, tedy hluboko pod hranicí rozumných technických možností hlubinného zakládání. I v geologickém profilu v místě staveniště se střídají místně obvyklé vrstvy prachovitých jílů (siltů), místy rozbředlých nebo zahumusených, s vrstvami ulehlých jílovitých písků. Do hloubky 17 m pod povrchem leží vrstva rozměklých znečištěných siltů, z čehož plyne zařazení staveniště do nejhorší kategorie IV podle kritérií platné čínské normy na seizmické geotechnické navrhování.

Betonáž základové desky v otevřené kruhové stavební jámě

Geotechnický průzkum provedl v roce 2008 Shanghai Geotechnical Investigation & Design Institute. Z jeho doporučení opřít piloty o relativně kvalitní vrstvu ulehlých písků v hloubce 80 m pod terénem vyšel realizovaný návrh hlubinného založení budovy. Nejdříve byla vybudována kruhová těsnicí železobetonová stěna opsaná budoucí pažené jámě tak, aby se mohla odčerpat podzemní voda, která je jen 0,5 až 1 m pod terénem. Segmenty kruhové milánské stěny sahají do hloubky 50 m, mají tloušťku 1,2 m a jsou vyztuženy armokoši výšky přes 40 m. Následně byly z terénu vyvrtány a zabetonovány piloty průměru 1 m uspořádané po ploše základové desky nepravidelně, respektive s koncentrací pod jádrem budovy, a megasloupy. Celkem bylo zhotoveno 947 pilot rozmístěných po ploše do čtyř zón tak, aby byla zajištěna požadovaná tuhost desky. V zónách A sahaly piloty do hloubky 82 m a byly vybetonovány na průměrnou výšku 56 m, v zónách B až D sahaly vrty do hloubky 78 m a výsledné piloty mají průměrnou délku 52 m. Nejdelší pilota sahala do hloubky 87 m. Paty pilot byly následně ještě injektovány, aby se zvýšila jejich únosnost a omezilo sedání. Výpočet předpokládá, že celkové sednutí budovy dosáhne po pěti letech hodnot mezi 100 a 120 mm.

Základová deska
Základová deska má tloušťku 6 m a průměr 121 m. Její spodní úroveň je v hloubce 31,4 m pod terénem. Otevřená kruhová stavební jáma měla hloubku až 33,5 m, odtěženo bylo přes 360 000 m2 zeminy. Potřebných 61 000 m3 čerstvého betonu se vyrábělo souběžně v osmi různých betonárnách, k jeho dopravě na staveniště bylo nasazeno 450 autodomíchávačů. Kapacita simultánního ukládání betonu osmnácti pumpami činila cca 1000 m3/h, beton byl uložen najednou během 63 hodin. Deska je z SDC betonu (Smart Dynamic Concrete) třídy C50R90. Použit by čínský šedý portlandský cement PO42,5 se středním vývinem hydratačního tepla, a to ve směsi s elektrárenským popílkem a mletou vysokopecní granulovanou struskou. Teplota čerstvého betonu byla držena pod 23 °C. Vzhledem k nedostatku vhodného přírodního písku se do směsi přidával z 50 % písek vyráběný průmyslově. Použitý beton SDC je jednou z mnoha variant cenově schůdného kompromisu mezi běžným hutným a betonem samozhutnitelným. Principem je zachování relativně obvyklého složení betonu s prakticky nezvýšeným množstvím cementu. Do směsi se přidává větší množství superplastifikátorů a popř. i dalších speciálních přísad (v tomto případě ztekuťovač Rheoplus 325 a stabilizační přísada MasterMatrix SDC 100 firmy BASF). Výsledkem je čerstvý beton s prodlouženou dobou zpracovatelnosti (120 a více min.), vysokou tekutostí a stabilitou směsi, s výslednou pevností nejčastěji 30 až 40 MPa.

Hybridní nosná konstrukce Šanghajské věže

Podzemní podlaží
Pět podzemních podlaží je konstrukčně řešeno podobně jako nadzemní část budovy. Základním prvkem je robustní jádro, jehož stěny jsou bez výjimky ocelobetonové. Do středních částí stěn jsou osazeny svařence z válcovaných plechů řazených často i v několika vrstvách a ty jsou pomocí trnů spřaženy s okolním železovým betonem pevnosti 60 MPa. Beton je ukládán prostřednictvím vyztužených otvorů ve svařencích do všech jejich vnitřních dutin a samozřejmě i po obou jejich bocích, takže tvoří viditelnou vnější obálku stěn a zabudovanou ocel chrání, mj. i proti požáru. Při ukládání betonu po bocích zabudovaných svařenců stěn i megasloupů se systémově postupovalo současně z obou stran, aby jednostranný tlak čerstvého betonu nemohl vychýlit svařence z přesné polohy.

Rozsah použití ocelových svařenců v jádrech betonových stěn a megasloupů Šanghajské věže dalece překonává i jediný zatím srovnatelný rozsah aplikace tohoto typu prvků, jenž byl použit u 442 m vysoké věže KK100 v Šen-čenu dokončené v roce 2011. Podzemní smykové stěny jádra Šanghajské věže vytváří téměř 27 m vysoký svisle orientovaný robustní ocelový tubus profilu 30 × 30 m z devíti komůrek cca 10 × 10 m uspořádaných do rastru 3 × 3. Přestože geometricky tvoří stále převážnou průřezovou plochu tohoto tubusu železový beton, posun k masivnímu použití oceli u takto relativně štíhlého patního průřezu megavysoké budovy je zřejmý. V podmínkách Šanghaje k tomu přispívá kromě vlastní výšky budovy i vysoké namáhání větrem a snaha budovu maximálně odlehčit vzhledem ke špatným základovým poměrům. Ocelové výstelky osmi křižujících se stěn v podzemí budovy jsou tuze provázány s výztuží základové desky a tvoří jakási mohutná žebra roznášející soustředěnou tíhu budovy na větší plochu desky. To ve výsledku umožnilo snížit tloušťku desky v centrální části o 1,5 m a realizovat ji i v tomto místě ve výsledné konstantní tloušťce 6 m.

Osazování skleněných panelů vnějšího a vnitřního pláště budovy

Betonové jádro
Půdorysné rozměry jádra v patě věže jsou 31,5 × 31,5 m (992 m2), betonové jádro dosahuje výšky 561 m. Tloušťka hlavních, obvodových stěn betonového jádra klesá s výškou budovy ze 1,2 až na 0,6 m. Tloušťka vnitřních stěn jádra klesá z 0,9 na 0,5 m. V celém rozsahu věže je jádro z betonu M60 (pevnost 60 MPa). Jádro má až do 51.NP rastr 3 × 3, tj. devět buněk, potom čtyři rohové buňky zmizí a až do 83.NP z nich zůstanou jen části smykových stěn. Od 84. do 117.NP už má pak jádro jen pět buněk uspořádaných do kříže. V plném průřezu jádra je soustředěno až 44 výtahových šachet.

Megasloupy
Diagonální megasloupy procházejí až po sekci 5. Rozměry klesají od 2,4 × 5,5 m na 1,2 × 4,5 m. V sekcích 1 až 3 je použit beton pevnosti 70 MPa, v sekcích 4 a 5 beton pevnosti 60 MPa. Hlavní dvojice megasloupů procházejí až po sekci 8. Rozměry klesají od 3,7 × 5,3 m na 1,9 × 2,4 m. V sekcích 1 až 3 je použit beton pevnosti 70 MPa, v sekcích 4 až 6 beton pevnosti 60 MPa, v sekcích 7 a 8 beton pevnosti 50 MPa. Megasloupy jsou ukloněné o 1,5° od svislice, sledují zužující se tvar vnitřního pláště budovy. V jádrech megasloupů jsou po celé jejich výšce osazeny výše zmíněné ocelové svařence. Zaujímají 4 až 6 % celkové plochy megasloupů a jejich celková hmotnost činí 13 000 t.

Konstrukce fixující vnější plášť budovy Shanghai%20Tower%2013.jpg

Běžné stropní desky

Standardní stropy běžných pater tvoří spřažené ocelobetonové desky tloušťky 155 mm, složené z vlnitých plechů tloušťky 75 mm a spřahující železobetonové desky tloušťky 80 mm. Jejich protipožární odolnost činí dvě hodiny. Stropy technických podlaží mají tloušťku 200 a 250 mm, spřahující desky mají tloušťky 125 a 175 mm. Spřahující beton je třídy M35 (pevnost 35 MPa).

Plášť budovy

Vnější plášť

Šanghajská věž má jako první budova obdobného rozměru na světě dva nezávislé obvodové pláště. Vnější plášť má v půdoryse tvar jakési vačky, kytarového trsátka, tedy rovnoramenného trojúhelníku s výrazně zaoblenými rohy, který těsně obepisuje kruhový profil vlastní budovy. Ve středu stran trojúhelníku se vnější plášť přimyká k vnitřnímu plášti vlastní kruhové budovy. Směrem vzhůru se kromě postupného natáčení zmenšují i rozměry tohoto trojúhelníku, což vytváří při pohledu vzhůru v jednotlivých atriích budovy dojem jemně ukloněné a spirálově zakřivené skleněné klenby směřující k vrcholu věže. Vnější plášť se tím stává hlavním vizuálním prvkem, který vytváří vpravdě ikonický tvar celé budovy.

Šanghajská věž v pokročilé fázi výstavby

Konstrukčně je skleněný vnější plášť podpírán segmenty prostorových prutových konstrukcí se styky smíšené ohybové tuhosti, přičemž na každou výškovou zónu budovy připadají vždy tři takové konstrukce – nad každým z paprskovitých sky lobby. Hlavním nosným prvkem těchto konstrukcí jsou tyčová táhla, pomocí nichž je celý segment stěny zavěšen na spodní okraj obvodu megadesky nad příslušnou zónou. Na táhlech jsou zavěšeny ocelové trubky, jakési „obruče“ paralelně opisující obvod v každém z podlaží, a na ně jsou následně montovány vlastní skleněné tabule vnějšího pláště. Obruče se vůči sobě postupně natáčejí a navíc zmenšují svou délku měřenou po obvodě, což určuje výsledný tvar pláště. Řady oken v nižších podlažích (výšky 4,5 m) jsou vzájemně pootočeny o cca 1° ve směru pohybu hodinových ručiček. Ve vyšších podlažích je pootočení o něco menší, v technických podlažích naopak o něco větší (1,25°) – úměrně menší nebo naopak větší výšce podlaží (4,3 a 5,35 m). Nadzemních podlaží je celkem 128, tomu odpovídá celkové natočení pláště budovy o výsledných 120°.

Zatímco montáž obvodových nosných trubek probíhala z pomocných lávek v rozsahu příslušné zóny vždy shora dolů, skla byla osazována naopak zdola nahoru, a to postupně po jednotlivých vrstvách v rozsahu celého obvodu budovy. Tabule skel přitom nevytvářejí ve směru spádnice jednu rovinu, jednotlivé řady skel jsou uspořádány kaskádovitě a s výškou budovy postupně ustupují dovnitř. Odstup vnějšího pláště od vlastní budovy zajišťuje soustava ocelových trubkových vzpěr ? kyvných prutů vedených vodorovně ve výšce jednotlivých podlaží. Tuhosti konstrukce vnějšího pláště je dosaženo křížovým zavětrováním těchto vzpěr vloženým na třech místech obvodu.

Montáž prostorové ocelové příhradoviny vrcholku věže

Realizace dvou nezávislých plášťů budovy je provázána s celým systémem opatření k regulaci přijímaného tepelného zatížení a intenzity potřebného chlazení. Vzhledem k obvykle mírným šanghajským zimám je vnější plášť sestaven poměrně jednoduše ze skleněných panelů a jako celek vnitřek budovy v případě okolního chladu nijak speciálně neizoluje. Osazené skleněné panely mají tenké hliníkové rámy a je v nich použito vrstveného nízkoželezitého skla tloušťky 26 mm se speciální spektrálně definovanou nízkoemisní vrstvou (Low-E Glass) odrážející sluneční záření větších vlnových délek. Vzhledem k její poloze a výšce představuje pro Šanghajskou věž sluneční ultrafialové a tepelné záření značnou zátěž, a proto je na budově použito i dalších opatření, které dopad tohoto záření snižují. Jedním z nich je použití skel s fritovanou úpravou povrchu, která jsou osazena v horní části budovy na cca 25 % povrchu vnějšího pláště. Nanesený porézní frit má schopnost pohlcovat a tím dále odclonit sluneční záření. Další opatření je spjato s již zmíněným kaskádovitým uspořádáním pásů skleněných panelů. Toto uspořádání totiž umožnilo vložit mezi jednotlivé pásy skel hliníkové římsy vykonzolované ven na šířku 0,6 m, které napomáhají ke stínění.

Vnitřní plášť
Ani vnitřní skleněný plášť není navržen tak, aby izoloval proti venkovnímu chladu. Podobně jako vnější plášť je osazen pásy skleněných panelů s rámy z tenkostěnných hliníkových profilů. Použité vrstvené nízkoželezité sklo má tloušťku 30 mm a je rovněž opatřeno nízkoemisní vrstvou odrážející sluneční záření vlnových délek nad 780 nm. Rovněž u vnitřního pláště bylo navrženo několik opatření snižujících nepříznivé sluneční záření. Jedním z nich je fritování skla v pásech při podlahách místností až do výšky 0,6 m – tedy jen do výšky, kdy nemají zhoršen výhled z okna ani sedící osoby. Všechny místnosti jsou dále vybaveny elektrickými samonavíjejícími žaluziemi.

Vizualizace výsledného řešení zakončení věže

Aspekty udržitelnosti
Dominujícím vizuálním prvkem budovy je její transparentní externí plášť trojúhelníkového půdorysu, který ovíjí celou budovu a je přitom v průběhu její výšky zkroucen o 120°. Výše zmíněné snížení účinků větru významně uspořilo náklady na stavební materiál a práci, snížení spotřeby skla o 14 % oproti obvyklému kvádrovému tvaru budov představuje i prosté snížení povrchu zaobleného tvaru vnějšího pláště. Tento plášť z vnější strany uzavírá jednotlivá větratelná atria, která jsou svými tepelně izolačními schopnostmi sama o sobě mocným nástrojem efektivního hospodaření budovy s tepelnou energií. Atria slouží jako vyrovnávací prostor mezi podmínkami prostředí vně a uvnitř budovy, který budovu přirozeně izoluje od vnějšího chladu v zimě a naopak z ní v létě odvádí teplo.

Pohled do nitra koruny věže na temeno osazeného pohlcovače kmitání (mass damper)

Spotřeba energie na svislý transport osob a materiálu je u budovy dimenzí Šanghajské věže obrovská. V důsledku rozčlenění budovy na zóny „vertikálního města“ a vybavení atrií jednotlivých zón obchody, restauracemi a službami se předpokládá významně snížená potřeba vertikální přepravy osob po výšce celé budovy, a tím i adekvátní energetické úspory. Předpokládá se, že by se mělo z tohoto důvodu ušetřit až 22 % elektřiny, která by byla spotřebována za tímto účelem při konvenčním řešení. Každá z výškových zón budovy je technologicky obsluhována z megadesky, která se nachází nad danou zónou. Tam jsou soustředěny mj. ventilační a klimatizační jednotky, trafostanice a jednotky vodního hospodářství. Odtud je před dodáním do prostor zóny upravován, čištěn a dávkován venkovní vzduch.

Budova je také vybavena moderní trigenerační jednotkou, v níž je část tepla vzniklého při kogenerační výrobě elektřiny a tepla využita k efektivní výrobě chlazené vody a ledu určených pro klimatizaci budovy a některé její technologické provozy. Šanghajská věž má dvě chladicí centra. Jedno je umístěno na 2.PP a je velmi sofistikovaným kombinovaným zařízením sestávajícím z trigenerační jednotky na zemní plyn, standardní jednotky na chlazení vody, duálního zařízení vyrábějícího led i chlazenou vodu a ze zásobníku ledu. Spodní chladicí centrum obsluhuje spodní část věže až po 65.NP. Druhé chladicí centrum je situované na 82. a 83.NP a obsluhuje zbytek budovy. Toto centrum sestává ze šesti vysoce účinných odstředivých chladičů vody. Skutečnost, že má věž dvě chladicí centra, významně redukuje energii nutnou k čerpání studené vody po výšce budovy a spoří i půdorysnou plochu podlaží, kterou by bylo jinak třeba věnovat pro chlazení vody. Trigenerační jednotka s výkonem 2200 kW dodává elektřinu a teplo spodním zónám věže, takže se spotřebovává tato energie z městských rozvodných sítí jen pro horní části věže.

Hra barev a tvarů trojice šanghajských supermrakodrapů

V budově jsou zavedeny i v současnosti už víceméně obvyklé systémy hospodaření s použitou a srážkovou vodou, která slouží mj. k zavlažování a splachování na toaletách. Spirálově vedené parapety svádějí dešťovou vodu a ta se po pročištění následně využívá i v systémech vytápění a klimatizace. Jímání a čištění použité a srážkové vody údajně snižuje potřebu externích dodávek vody o 38 %. Nádrže na jímanou srážkovou vodu jsou rozmístěny v jednotlivých technických podlažích, podobně jsou po výšce budovy, v pódiu i v podzemí rozmístěny i malé čističky vod. V maximální míře se využívá rozvodu vody samospádem a nízkotlakého kaskádovitého čerpání do relativně malých výšek. Tím vším se snižuje energie nutná k čerpání vody.

Věž má být vybavena také několika lokálními zdroji obnovitelné energie. V koruně věže bude např. umístěno 270 malých větrných turbín se souhrnným ročním výkonem 54 000 kWh. Vyrobená elektřina se spotřebuje bez transportních ztrát hned na místě, bude využita k osvětlení pláště budovy a podzemních garáží.

Zajímavosti

Jeřáby a jejich demontáž

Hlavními prostředky vertikální přepravy materiálu byly při výstavbě věže čtyři samošplhací věžové jeřáby – tři typu Favco M1280D a jeden typu ZSL2700 čínské firmy Zhongsheng Construction. Jejich souhrnná maximální nosnost dosahovala 2450 t. Tyto jeřáby byly kotveny ke středům vnějších stěn jádra a pohybovaly se vzhůru pomocí hydraulických lisů systémem vkládání dílů nahoře pod výložníkem a obdobným odebíráním dílů zdola. Každých pět podlaží bylo třeba přemístit nižší z obou konstrukcí kotvících jeřáb k betonu jádra do polohy o deset podlaží výše.

Složitou operací byla závěrečná demontáž jeřábů. Po smontování příhradoviny obvodového pásu nad zónou 8 ve výšce cca 550 m byly dva jeřáby demontovány a zbývající konstrukce vrcholku věže až pod korunu byla smontována už jen pomocí zbývajících dvou jeřábů. Potom byl na vrcholku věže smontován pátý, menší věžový jeřáb uchycený uvnitř „jádra“ vrcholové ocelové konstrukce. Ten demontoval zbývající dva původní velké jeřáby a posloužil k montáži vrcholové koruny věže. S jeho pomocí byl pak na vrcholku smontován šestý, ještě menší jeřáb a ten pak demontoval tento pátý jeřáb. Tento krok s nahrazením většího jeřábu menším byl ještě jednou zopakován, až bylo možné poslední, už dostatečně malý sedmý jeřáb po spuštění toho šestého rozebrat a po částech spustit na zem výtahy.

Adrenalinový vpád nočních návštěvníků

Ke kuriózní situaci během výstavby došlo 2. února 2014, kdy dvojice mladých ruských odvážlivců pronikla po půlnoci na nekvalitně střežené staveniště a nerušeně se dostala po schodišti nejen na vrcholek už téměř dokončené hrubé stavby věže, ale vylezla až na konec výložníků jeřábu. Mladíci pak pořídili z těchto míst, tj. z výšky přes 650 m, adrenalinové, velmi kvalitní snímky vrcholku Šanghajské věže a jejího okolí. Snímky a dokonce i pořízený videozáznam byly vzápětí umístěny na internet. Kromě jisté ostudy to způsobilo stavitelům věže i potíže v tom smyslu, že bylo následně nutné pečlivě prohledat celé staveniště, zda se něco neztratilo, nepoškodilo, nebo zda na něm dokonce nebylo zanecháno něco, co by mohlo stavbu ohrozit.

Závěr
Šanghajská věž je novou nejvyšší budovou v Číně a po věži Burdž Chalífa druhou nejvyšší budovou na světě. Její vybudování bylo výzvou hned v několika směrech: v Šanghaji jsou častým jevem tajfuny, jedná se o aktivní zemětřesnou oblast a základové poměry jsou tu typické pro deltu velké řeky – jde o mocné jílovitohlinité vrstvy, jež jsou pro zakládání vysokých budov velmi nepříznivé. To vše vedlo ke snaze zvolit pro Šanghajskou věž robustní, ale zároveň přehledné, transparentní řešení nosné konstrukce budovy. Jedním z důležitých cílů bylo také maximální odlehčení nosných prvků budovy – i za cenu většího použití relativně drahé oceli na úkor levnějšího betonu. Ve výsledku je tak konstrukce Šanghajské věže materiálově smíšená a představuje další výrazný krok k široké aplikaci spřažených ocelobetonových prvků při výstavbě moderních velmi vysokých budov.

Šanghajská věž se také prezentuje jako jedna z environmentálně nejprogresivnějších výškových budov světa. Autoři projektu, firmy Gensler a Thornton Tomasetti, vypracovali spolu se specialisty TZB, firmou Cosentini Associaties, komplexní koncepční řešení budovy, do nějž se snažili implementovat prakticky všechny dostupné environmentální aspekty a šetrné technologie. Budova Šanghajské věže se uchází o hodnocení LEED Gold renomované instituce, Americké rady pro šetrné budovy (U. S. Green Building Council), a nejvyšší úroveň hodnocení udržitelnosti, tj. Tři hvězdy obdobné domácí Čínské komise pro šetrné budovy.

Nakolik v praxi uspějí ambice investorů a autorů mrakodrapu vytvořit úspěšný prototyp moderního „vertikálního města“, ukáže až reálný provoz budovy a spontánní chování jejích uživatelů. Autor tohoto článku, který měl možnost zúčastnit se prohlídky budovy v průběhu její výstavby, je ke vzletným proklamacím architektů v tomto směru dost skeptický. Už jen proto, že ve skutečnosti mají vyzdvihovaná sky lobby překvapivě malou plochu a navíc jejich proklamovanou vzdušnost opticky sráží poměrně hustý rastr vzpěr fixujících vnější plášť. Lze jen doufat, že ve výsledné podobě a se zelení budou sky lobby přece jen lákavějším místem k posezení a společenskému kontaktu.

Přesné datum otevření budovy není zatím známo. Mrakodrap je stavebně už téměř rok dokončený, probíhají náročné práce na vybavení interiérů. Slavnostní zahájení provozu se všeobecně očekává na konci léta 2015. ?

Základní údaje o stavbě
Investoři:  konsorcium Shanghai Tower Construction & Development Co., Ltd., založené v prosinci 2007, členy jsou tři státní organizace, které společně stavbu připravily, řídí
a financují:

– Shanghai Chengtou Corporation (podíl 45 %);

– Lujiazui Finance & Trade Zone Development Co., Ltd. (podíl 51 %);

– Shanghai Construction Group (podíl 4 %)

Koncepční a architektonické řešení:
šanghajská kancelář firmy Gensler (sídlo v San Franciscu, USA), hlavní autoři – Marshall Strabala, dříve hlavní projektový ředitel fy Gensler, od roku 2010 šéf vlastní kanceláře 2DEFINE Architecture, a Jun Xia, regionální projektový ředitel šanghajské kanceláře Gensler

Výkonný architekt a projektant:
Architectural Design and Research Institute of Tongji University

Koncepční inženýrské řešení a statické analýzy:
šanghajská kancelář firmy Thornton Tomasetti (sídlo v New Yorku, USA), hlavním inženýrem projektu byl Dennis Poon, místopředseda fy Thornton Tomasetti a výkonný ředitel její šanghajské kanceláře

Technické zařízení budovy (MEP Engineers):
firma Cosentini Associates (sídlo v New Yorku, USA)

Generální dodavatel:
Shanghai Construction Group (SCG)

Dodavatel výtahů:
Mitsubishi Electric Group (sídlo v Tokiu, Japonsko)

Doba výstavby:
11/2008–09/2015 (předpoklad)

Náklady:
2,42 mld. amerických dolarů





Licence Creative Commons

www.casopisstavebnictvi.cz podléhá licenci Creative Commons
Uveďte autora | Neužívejte dílo komerčně | Nezasahujte do díla 3.0 Unported
.

RSS
© 2007