超高層ビル

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背景

建物を超高層ビルにする階数や高さの正確な定義はありません。 「それはあなたが持っている階数ではないと思います。それは態度だと思います」と建築家T.J.Gottesdienerはクリスチャンサイエンスモニターに語った。 イリノイ州シカゴのシアーズタワーを含む多数の高層ビルの設計者であるスキッドモア・オーウィングス・アンド・メリルの会社のパートナーであるゴッテスディエナーは、次のように続けています。 、そして見上げる。」

一部のオブザーバーは、「超高層ビル」という言葉を少なくとも20階建ての建物に適用します。他の人は少なくとも50階建ての構造のために用語を予約します。しかし、超高層ビルが100階以上の建物に適合することは広く受け入れられています。 102階建てで、ニューヨークのエンパイアステートビルの占有高さは1,224フィート（373 m）に達し、建物の屋根の上の先細りの部分であるその尖塔はさらに230フィート（70 m）上昇します。尖塔を数えて1,000フィート（300 m）を超える高さの建物は、世界中で25棟しかありませんが、その上にアンテナが立っているわけではありません。

世界で最も高い自立構造物は、カナダのトロントにあるCNタワーで、高さは1,815フィート（553 m）です。テレビアンテナを支えるために建設されたこの塔は、1,100フィート（335 m）にあるレストランと展望台を除いて、人間が使用できるようには設計されていません。世界で最も高い占有構造は、マレーシアのクアラルンプールにあるペトロナスツインタワーで、尖塔を含めて1,483フィート（452 m）の高さに達します。シカゴのシアーズタワーは、最高の占有レベルを誇っています。 110階の屋根は1,453フィート（443 m）にあります。

ある意味で、超高層ビルは実用的ではありません。非常に高い建物を1つ建てるよりも、半分の高さの建物を2つ建てる方が安価です。開発者は、1つの場所で膨大なスペースのテナントを見つける必要があります。たとえば、シアーズタワーは450万平方フィート（415,000平方メートル）を囲んでいます。一方、混雑した都市の開発者は、限られた量の利用可能な土地を最大限に活用する必要があります。それにもかかわらず、劇的に高い建物を建てるという決定は、通常、経済学ではなく、注目を集めて名声を得たいという願望に基づいています。

歴史

19世紀後半にいくつかの技術的進歩が起こり、それが組み合わさって超高層ビルの設計と建設が可能になりました。その中には、鋼を大量生産する能力、安全で効率的なエレベータの発明、構造荷重と応力を測定および分析するための改善された技術の開発が含まれていました。 1920年代から1930年代にかけて、超高層ビルの開発は、電気アーク溶接と蛍光灯の発明によってさらに促進されました（それらの明るい光により、人々は窓から遠く離れて作業でき、白熱電球よりも発熱が少なくなりました）。

伝統的に、建物の壁は構造を支えていました。構造が高いほど、壁を厚くする必要がありました。 1891年にシカゴで建設された16階建ての建物の基部には、厚さ6フィート（1.8 m）の壁がありました。非常に厚い壁の必要性は、堅い鋼の骨格が建物の重量を支え、外壁がカーテンのようにフレームからぶら下がっているだけの鉄骨構造の発明によって排除されました。この設計を使用した最初の建物は、1885年にシカゴに建設された10階建ての住宅保険会社の建物でした。

1913年にニューヨーク市に建てられた高さ792フィート（242 m）のウールワースビルは、最初に真の超高層ビルのすべてのコンポーネントを組み合わせました。その鋼の骨格は、岩盤（建物を支えるのに十分な強さの固い岩の層）まで伸びるコンクリートの柱で支えられた基礎から上昇し、そのフレームは予想される風力に抵抗するために支えられ、その高速エレベーターはローカルとその60階へのエクスプレスサービス。

1931年、エンパイアステートビルはニューヨーク市で1,250フィート（381 m）の感嘆符のように上昇しました。それは41年間世界で最も高いオフィスビルであり続けるでしょう。 2000年までに、世界で他の6つの建物だけがその高さを超えるでしょう。

原材料

鉄筋コンクリートは、超高層ビルの重要な構成要素の1つです。それは、風によって引き起こされる曲げ運動に対して乾燥したコンクリートを強化する鋼棒（鉄筋と呼ばれる）のグリッドワークの周りに注がれるコンクリート（水、セメント粉末、および砂利または砂からなる骨材の混合物）で構成されます。コンクリートは圧縮力の下で本質的に強いです。しかし、ペトロナスタワーの巨大な予想重量により、設計者は通常の2倍以上の強度を持つ新しいタイプのコンクリートを指定することになりました。この高強度材料は、通常のコンクリート成分に非常に細かい粒子を加えることによって実現されました。これらの小さな粒子の表面積の増加は、より強い結合を生み出しました。

超高層ビル建設のもう1つの主要な原材料は、鉄と炭素の合金である鋼です。近くの建物は、建設活動や物資の保管に利用できるスペースの量を制限することが多いため、指定されたサイズと形状の鋼製の梁が、配置に必要なとおりに現場に配送されます。納品前に、梁は石膏とバーミキュライトの混合物でコーティングされています （熱膨張してスポンジ状の粒子を形成した雲母）腐食や熱から保護します。各ビームが所定の位置に溶接された後、新しい接合部に同じコーティング材料がスプレーされます。次に、アルミホイルで覆われたグラスファイバーの中綿などの追加の断熱層を梁に巻き付けることができます。

コンクリートと鋼の最高の品質を最大化するために、それらはしばしば超高層ビルの建設で一緒に使用されます。例えば、支柱は、鋼製の梁の周りにコンクリートを注ぐことによって形成することができる。

超高層ビルのフレームを覆うために、さまざまな素材が使用されています。 「クラッディング」として知られる外壁を形成するシートは、ガラス、アルミニウムやステンレス鋼などの金属、または花崗岩、大理石、石灰岩などの石材で構成されている場合があります。

デザイン

設計エンジニアは、建築家の建物のビジョンを、構造的に健全で構築可能な詳細な計画に変換します。

低層ビルの設計には、自重（デッドロードと呼ばれる）とそれに含まれる人や家具の重量（活荷重）を支える構造を作成することが含まれます。超高層ビルの場合、横方向の風の力は、建物とその中身の重量よりも構造に影響を与えます。設計者は、建物が強風によって倒れないようにする必要があります。また、建物が十分に揺れて、居住者に身体的または精神的な不快感を与えないようにする必要があります。

それぞれの超高層ビルのデザインはユニークです。単独または組み合わせて使用​​できる主な構造要素には、非耐力カーテンウォールの後ろに隠された鋼製スケルトン、外壁を形成するためにクラッドパネルが充填された鉄筋コンクリートスケルトン、中央のコンクリートコア（オープンコラム）が含まれます。 ）エレベーターシャフトやその他の機械部品を収容するのに十分な大きさであり、建物の周囲に水平梁で相互におよびコアに接続されている支柱の配列。

それぞれの設計は革新的であるため、提案された超高層ビルのモデルを風洞でテストして、強風がそれらに及ぼす影響と、新しい建物によって引き起こされる風のパターンが周囲の建物に与える影響を判断します。テストの結果、建物が強風で過度に揺れることがわかった場合、 超高層ビルの1階のデザインと6棟のフレームの例。設計者は、動きを打ち消すか制限する機械装置を追加する場合があります。

上部構造に加えて、設計者は、人をすばやく快適に動かすエレベータ、空気循環システム、配管などの適切な機械システムも計画する必要があります。

建設プロセス

各超高層ビルは、地質や気候などの要因によって課せられる物理的制約に適合し、テナントのニーズを満たし、所有者と建築家の美的目的を満たすように設計された独自の構造です。各建物の建設プロセスも独特です。次の手順は、最も一般的な構築手法の概要を示しています。

下部構造

• 1建設は通常、基礎を保持するピットを掘ることから始まります。ピットの深さは、岩盤がどれだけ下にあるか、および建物の地下階がいくつあるかによって異なります。周囲の土の移動を防ぎ、基礎サイトの周りから水を遮断するために、ピットを掘る前にダイアフラム壁を構築することができます。これは、計画されたピットの周囲に深くて狭い溝を掘ることによって行われます。塹壕が掘られると、壁が崩れないようにスラリー（水っぽい粘土）で満たされます。トレンチのセクションが目的の深さに達すると、鉄筋のケージがその中に下げられます。次に、コンクリートがトレンチにポンプで送られ、軽いスラリーが移動します。スラリーは回収され、トレンチの他のセクションで再び使用されます。
• 2場合によっては、岩盤が地表近くにあります。岩盤の上の土を取り除き、岩盤の表面を十分に取り除いて、建物の基礎を構築するための滑らかで水平なプラットフォームを形成します。基礎（建物の支柱を固定できる穴）は、岩盤に吹き付けまたはドリルで穴を開けます。鉄骨または鉄筋コンクリート柱が基礎に配置されます。
• 3岩盤が非常に深い場合、杭（垂直梁）は、岩盤に埋め込まれるまで土に沈められます。 1つの手法では、鋼管杭の上部に重いおもりを繰り返し落下させて、鋼管杭を所定の位置に打ち込みます。別の手法では、シャフトを土から岩盤にドリルで穴を開け、鉄筋を挿入してから、シャフトにコンクリートを充填します。

  A。ダイヤフラムの壁。 B.足場。 C.超高層ビルの基礎の1つのタイプは、基礎を地面に固定するために鋼製の杭を使用します。 D.コンクリートを注入するスリップフォーム法。

• 4鉄筋コンクリートの基礎プラットフォームが支柱の上に注がれています。

上部構造とコア

超高層ビルの建設が始まると、構造のいくつかの段階での作業が同時に進行します。たとえば、支柱が数階の高さになるまでに、労働者は下の階の床を作り始めます。柱が高くなると、フローリングの乗組員もより高い階に移動し、仕上げの乗組員は最も低いレベルで作業を開始します。これらのフェーズをオーバーラップさせると、時間を最も効率的に使用できるだけでなく、建設中も構造が安定した状態に保たれます。

• 5建物に鉄骨柱とクロスブレースが使用されている場合、各梁はクレーンによって所定の位置に持ち上げられます。最初は、クレーンは地面に座っています。後でそれは鋼の骨格自体の最も高い既存のレベルに配置されるかもしれません。熟練労働者は、梁の端をボルトで固定するか溶接します（1950年代からリベットは使用されていません）。次に、ビームは断熱ジャケットで包まれ、火災の際にビームが過熱して弱くなるのを防ぎます。一部の建物での代替の熱保護対策として、鋼製の梁は中空のチューブで構成されています。上部構造が完成すると、チューブは水で満たされ、建物の寿命全体にわたって継続的に循環します。
• 6コンクリートは、建物のコアを構築するためによく使用されます。また、支柱を構築するためにも使用される場合があります。 「スリップフォーミング」と呼ばれる手法が一般的に使用されます。垂直ロッドをつかむクライミングジャックに接続された鉄骨フレームに、希望の形状の木製フォームが取り付けられています。労働者は、木製のフォームよりも高い鉄筋のセクションを準備します。それから彼らは型枠にコンクリートを注ぎ始めます。コンクリートが注がれると、クライミングジャックはゆっくりと継続的に型枠を持ち上げます。コンクリート混合物の組成と上昇速度は、フォームが上に上がる前にフォームのより低い範囲のコンクリートが固まるように調整されます。プロセスが続くにつれて、作業員は型枠の上に伸びる鉄筋グリッドを伸ばし、クライミングジャックがつかむ垂直ロッドに延長を追加します。このようにして、コンクリート柱全体が、目地のない連続した垂直要素として構築されます。
• 7鉄骨造の建物では、床は水平ブレースの層の上に構築されます。他の建物の設計では、床は建物のコアおよび/または支柱に取り付けられた水平の鉄骨梁によって支えられています。鋼製デッキ（薄い波形鋼のパネル）が梁の上に置かれ、所定の位置に溶接されます。厚さ約2〜4インチ（5〜10 cm）のコンクリートの層をデッキに注ぎ、床を完成させます。

エンパイアステートビル。

エンパイアステートビルは、最も高いビルの競争を終わらせることを目的としていました。それは、マンハッタンの通りから1,250フィート（381 m）上にある102階建ての塔でした。その開発者であるジョン・J・ラスコブとピエール・サミュエル・デュ・ポンは、元ニューヨーク州知事のアルフレッド・E・スミスとともに、1929年8月に世界で最も高い建物を建設する意向を発表しました。彼らは、ウィリアムF.ラムをチーフデザイナーとして、建設会社のスターレットブラザーズとエケン、建築会社のシュリーブ、ラム、ハーモンをプロジェクトに選びました。が5階の上の通りから後退し、その後、途切れることなく1,000フィート（305 m）以上86階まで上昇した場合。外観は石灰岩と花崗岩で、6階から最上部まで垂直のクロムニッケル鋼合金の柱が伸びています。建物には67台のエレベーターと6,500個のガラス窓があり、その上に飛行船用の200フィート（61 m）の係留マストがありました。

エンパイアステートビルは、予定より12日前の1931年4月11日に完成し、1931年5月1日に正式にオープンしました。このビルは、40年以上にわたってこの称号を保持し、史上最高のビルとして歴史に名を残しました。エンパイアステートビルの高さが超えられたのは、1972年に世界貿易センターの高さ1,348フィート（411 m）のツインタワーが完成したときでした。 1974年には、シカゴのシアーズタワーが世界貿易センターを上回りました。このタワーは、1,453フィート（443 mjが世界で最も高いビルになりました）にあります。

外観

• 8ほとんどの高層ビルでは、構造物とその中身の重量は支柱と建物のコアによって支えられています。外壁自体が構造物を囲んでいるだけです。それらは、ガラス、金属、石などの材料のパネルを建物の骨組みに取り付けることによって構築されます。一般的な手法は、床スラブまたは支柱に固定されたアングルブラケットにボルトで固定することです。

仕上げ

• 9建物のストーリーが外壁で囲まれると、内装仕上げの準備が整います。これには、電線、電話線、配管パイプ、内壁、天井パネル、浴室備品、照明備品、および防火用のスプリンクラーシステムなどの要素の設置が含まれます。また、エレベータや空気循環、冷却、加熱用のシステムなどの機械部品の設置も含まれます。
• 10上部構造全体が完成したら、屋根を設置して建物の上部を仕上げます。これは床のように構築され、魅力的で耐候性のあるタイルや金属の層で覆われる前に、ゴムやプラスチックの層で防水されます。

品質管理

品質管理を行う際には、さまざまな要素が考慮されます。超高層ビルの規模が非常に大きいため、屋根まで伸ばすと、ベースでの小さな測位誤差が拡大します。通常の測量機器に加えて、全地球測位システム（GPS）センサーや航空機の爆撃照準器などの珍しいデバイスを使用して、構造部材の配置と位置合わせを確認できます。

建設現場周辺の土壌センサーは、建設活動によって引き起こされた予期しない地球の動きを検出するために使用されます。

副産物/廃棄物

基礎ピットと地下室のレベルを掘削するには、大量の土を取り除く必要があります。 1970年代初頭にニューヨークに110階建ての世界貿易センターの塔が建設されたとき、100万立方ヤード（765,000立方メートル）以上の土と岩がハドソン川に捨てられ、23.5エーカー（95,100平方メートル）になりました。 ）新しい土地の、後に別の超高層ビルが建設されました。

未来

既存の高さの記録を破るいくつかの新しい超高層ビルの計画が作成されました。たとえば、シカゴのサウスディアボーンストリート7番地にある108階建ての建物は、2004年までに完成する予定で、高さは1,550フィート（473 m）になります。わずか200フィート（61 m）の区画に、43エーカー（174,000平方メートル）の閉鎖空間を提供します。

1956年、アメリカの建築家フランクロイドライトは、10万人が働くことができる高さ1マイル（高さ1.6 km）の超高層ビルの計画を発表しました。 1991年、別のアメリカ人建築家、ユージンツイ博士が、100万人の人々の生活、仕事、レクリエーションのためのスペースを提供する高さ2マイル（3,220 m）の建物を設計しました。そのような建物は理論的には建設可能かもしれませんが、現在は実用的ではありません。たとえば、人間の快適さのレベルでは、エレベータの速度は3,000フィート/分（915 m /分）以下に制限されます。ライトの提案した構造で働く10万人を収容するには、エレベータシャフトの数が建物の面積のかなりの部分を占めていたでしょう。

エレベータ技術の改善は、将来の超高層ビルの設計にとって重要になります。水平方向および垂直方向に移動する自走式のケーブルレスエレベータかごが提案されていますが、まだ開発中です。ファジー論理を使用したコンピューター化された自動車発送システムは、目的地が互いに近い乗客をグループ化することにより、人々をより効率的に運ぶように改良することができます。