Деревянные небоскребы: как это работает

Древесина почти целиком состоит из «скелета» омертвевших клеток растения, точнее — из губчатой структуры, которую образуют их клеточные стенки. Эта конструкция может демонстрировать потрясающую прочность, удерживая многотонный ствол какой-нибудь секвойи, которая уходит на высоту более 100 м, выдерживает груз веток и листьев, противостоит ветрам и ливням. Удельная прочность некоторых видов древесины сравнима с алюминиевыми сплавами и даже легированной сталью. Она легко поддается обработке, комфортна, человечество десятки тысяч лет применяет ее в строительстве. И вместе с тем мы до сих пор не можем полностью использовать все преимущества древесины.

Айрат Багаутдинов, историк инженерии, автор проекта «Москва глазами инженера»: «Все новое — это хорошо забытое старое. В богатой деревом России строить высотные сооружения из него умели давно. Знаменитый Преображенский храм в Кижах, созданный более 300 лет назад, имеет высоту 37 м — это выше самого высокого деревянного здания в мире на сегодняшний день. Примерно в то же время была построена колокольня Петропавловского собора в Петербурге. Ее знаменитый шпиль высотой 30 м на протяжении первых 140 лет имел деревянный каркас. К сожалению, сегодня строительная индустрия в России не слишком наукоемка. Так что к нам композитные деревянные панели придут, вероятно, позже, чем в западный мир. Но когда все-таки придут, это станет возрождением наших старых добрых традиций».

Секвойя уходит на высоту 35- или 40-этажной башни, но надежно соединить отдельные деревянные детали и построить из них дом сравнимой величины пока не удавалось никому. Рекордные здания — такие как знаменитый 13-этажный деревянный сруб архангелогородца Николая Сутягина, сгоревший в 2012 году, или дом его американского единомышленника Горация Берджесса, достигающий высоты 30 м — с инженерной точки зрения выглядят курьезами. Построены они без определенного плана, на глазок, так что все, побывавшие внутри, вспоминают ходящие ходуном этажи не без трепета. Однако несколько кардинальных нововведений, которые архитекторы освоили в последние десятилетия, делают невозможное не просто возможным, но и вполне вероятным. «Я бы сравнил это с чем-то вроде начала «стальной революции», которая случилась 120 лет назад», — объясняет канадский инженер и архитектор Майкл Грин, один из главных проповедников применения древесины в строительстве высотных зданий. По его мнению, современные композитные материалы на ее основе стали достаточно прочны, надежны и огнеупорны. Осенью 2016 года в Ванкувере, на территории кампуса Университета Британской Колумбии по проекту Грина возведено 18-этажное (53 м) деревянное здание студенческого общежития. И похоже, что это действительно только начало: высотные дома из дерева строятся полным ходом по всему миру, а некоторые проекты достигают 80 этажей.

Канадские разработчики общежития Brocks подсчитали, что за счет использования новых материалов здание позволило «сэкономить» более 2500 т углекислого газа, которые были бы выброшены в атмосферу, если б оно возводилось целиком из бетона и стали. Это количество эквивалентно годовому объему выбросов от почти 500 легковых автомобилей.

К звездам

Прочность бывает разная. Способность материала выдерживать нагрузки без разрушения зависит от вида и направления нагрузки, динамической или статической. Но если растяжение и скручивание древесина выдерживает не хуже стали, то сжатие ее пористая структура переносит не так хорошо. Кроме того, она может заметно менять объем, поглощая влагу или высыхая, ее поедают грибки и насекомые, к тому же древесина горит. Все это — а также развитие черной металлургии — около 120 лет назад привело к долгому закату древесины. В качестве основного строительного материала ее потеснили сталь, бетон и стекло, окружающие нас повсеместно. Кажется, их торжеству не угрожает ничто, но в последние годы у древесины появился могучий союзник — клей. Вместе они образуют композитный материал, панели из которого не уступают в прочности железобетонным.

Технологии получения многослойных клееных деревянных панелей (Cross-Laminated Timber, CLT) разрабатывались в 1990-е в Австрии, Германии и Швейцарии. Сильный толчок к развитию они получили в начале 2000-х, когда в моду вошли «зеленые» технологии строительства. В самом деле, производства стали и бетона являются серьезными потребителями энергии и причиной существенных выбросов парниковых газов в атмосферу. В отличие от этого, растущая древесина не выделяет, а связывает атмосферный углекислый газ, накапливая массу: получается, что производство стройматериалов будет не увеличивать, а уменьшать его содержание в воздухе. По подсчетам, которые проделал йельский ученый Чед Оливер, полный переход со стали на древесину в строительстве снизит глобальные выбросы СО₂ на 15−20%. Остается получить из нее материал для «тяжелого» многоэтажного строительства, и технологии CLT стали таким решением.

CLT-плиту формируют из высушенных досок толщиной от 16 до 50 мм и более. Их соединяют шипами в плоские панели и складывают «бутербродом» из трех-семи слоев, волокна которых ориентированы перпендикулярно друг другу. При этом обычно направление внешних слоев выбирают так, чтобы их волокна шли вертикально, повышая жесткость всей структуры. Деревянные слои спрессовывают с полиуретановыми, феноловыми или меламиновыми клеями — и, наконец, шлифуют. Из таких панелей в 2009 году в Лондоне по проекту бюро Waugh Thistleton Architects был возведен 9-этажный жилой дом Murray Grove. И 18-этажное общежитие в Канаде — лишь очередной шаг в стремлении деревянных зданий вверх. Уже в следующем году в Амстердаме построят 21-этажное жилое здание из CLT-панелей, а в 2023-м в Стокгольме по проекту DinellJohnasson будет возведен дом в 34 этажа. Башня River Beach в Чикаго (конструкция которой будет все-таки укреплена диагональными стальными балками) поднимется вверх аж на 80 этажей; это будет уже полноценный небоскреб.

Через тернии

18-этажному зданию в кампусе Университета Британской Колумбии до высокого звания небоскреба далеко. Однако этот проект позволяет рассмотреть все ключевые подходы, которые применяют при создании высотных домов из CLT-панелей. Сооружение установлено на бетонный фундамент, опирается на колонны из твердой цельной древесины и поддерживается каркасом из мощных балок клееного бруса, отдельные детали скреплены стальными соединениями. В соответствии с требованиями сейсмической устойчивости из бетона сделаны также шахты лифта и лестницы — но все остальное деревянное, композитное.

Комбинированный подход с параллельным использованием элементов из бетона, стали и древесины позволяет поднять строительство на новую высоту и новый уровень безопасности. Мало того, что крупные, тяжелые CLT-панели сами по себе не так просто горят. Уже довольно тонкое бетонное покрытие делает их окончательно огнеупорными, а эксперименты, проведенные в Орегонском университете с помощью мощного гидравлического пресса, показали, что с таким покрытием 11-метровые панели выдерживают еще и нагрузку более 37 т, в несколько раз больше, чем требуется. Такими будут панели 133-метрового (40-этажного) жилого небоскреба Trätoppen в центре Стокгольма, который спроектирован Андерсом Беренсоном.

Но не все подсчеты говорят за то, чтобы немедленно переходить к массовой замене стали древесиной. Объемы древесины, необходимые для этого, колоссальны: по данным того же Чеда Оливера, они достигают 40% годового прироста массы деревьев всей планеты и примерно втрое превышают текущий уровень ее потребления. Чтобы не остаться на совершенно «лысой» Земле, нужны новые технологии массового выращивания деревьев, новые масштабные фермерские проекты. Другой проблемой оказывается строительное законодательство, которое до сих пор запрещает возведение деревянных зданий выше определенного уровня — отчего пострадала, кстати, и многоэтажная «изба» Николая Сутягина: после вмешательства властей ее верхние этажи вплоть до пятого пришлось снести.

До сих пор архитекторам разных стран приходится получать особое разрешение на возведение деревянных высоток. Но прежде чем законодательство изменится, требуются всесторонние тесты, и общежитие в Ванкувере поучаствует в них. Здание напичкано датчиками, регистрирующими разные параметры его состояния, начиная от влажности и заканчивая смещением отдельных элементов. Нет сомнений, что орда из более чем 400 студентов, которые заселились в новый дом, сделает испытания очень непростыми. Если деревянное сооружение перенесет их достойно, можно без опаски переходить к небоскребам.