Superwysokie drapacze chmur - współczesne wieże Babel

W latach 30. najwyższy budynek mierzył nieco ponad 70 metrów. Od tamtej pory zmieniło się praktycznie wszystko - struktura konstrukcji, materiały, projekty i technologia. To doprowadziło do narodzin nie tylko wyższych budowli, ale do powstania całkowicie nowej kategorii - superwysokich drapaczy chmur. Obecny rekord świata należy do Burj Khalifa w Dubaju, którego wysokość to ponad 820 metrów. A według serwisu PopSci - kolejne dziesięciolecia, co  przyniosą jeszcze bardziej zdumiewające rekordy.

Kategoria "superwysokich" została zdefiniowana przez Radę Wysokich Budynków i Środowisk Miejskich i obejmuje wszystko, co swoim wzrostem przekracza 300 metrów. To kryterium spełniają starsze konstrukcje, np. 381-metrowy Empire State Building czy nieistniejące już World Trade Center - wybudowane w 1966 roku mierzyły po około 416 metrów (co ciekawe, Sky Tower we Wrocławiu ma 212 metrów). Ale w ciągu ostatnich kilkunastu lat inżynierowie zaczęli postrzegać superwysokie budowle jako zupełnie nową kategorię i przede wszystkim - wyzwanie.

Przez osiągnięcie szczytu możliwości konstrukcyjnych budowniczy mieli związane ręce aż do lat 60. Nową erę zapoczątkował dopiero Fazlur Khan i nowy system strukturalny o nazwie "the tube". Zakładał on zastąpienie stalowego wewnętrznego szkieletu serią kolumn, znajdujących się na zewnątrz budynku, połączonych ze sobą i z rdzeniem wieżowca. W ten sposób najsilniejszą część budowli udało się umieścić na zewnątrz.

Na efekty nie trzeba było długo czekać. Jeszcze w latach 60. i 70. zaczęły się pojawiać potężne drapacze chmur, w tym John Hancock Center, Sears Tower i wspomniane World Trade Center. Rozwiązanie - w kwestii wysokości budynku - dawało architektom praktycznie nieograniczone możliwości, ale wieżowiec musiał spełniać jeden kluczowy warunek - jego podstawa musiała rosnąć proporcjonalnie do wysokości. To nie zdawało egzaminu w przypadku superwysokich konstrukcji. 150-piętrowy kolos musiałby mieć 1-2 mln metrów kwadratowych powierzchni biurowych - większość głęboko wewnątrz budynku.

Ograniczenia związane z rosnącą w nieskończoność powierzchnią obiektów przestały mieć znaczenie dopiero w latach 90. Pierwszym czynnikiem, który pchnął je ku niebu, okazała się ekonomia. Drapacze chmur, początkowo przepełnione powierzchniami biurowymi, stały się łakomym kąskiem dla hoteli, galerii handlowych, restauracji, a nawet - idealnym miejscem na własne mieszkanie. Zasada jest prosta - im wyżej, tym lepiej i przede wszystkim drożej. W 2000 roku wielofunkcyjnością cechowało się tylko 5 na 20 drapaczy chmur". W 2020 roku tylko 5 nie będzie.

Wraz ze zmianą przeznaczania powierzchni zmieniła się koncepcja całych konstrukcji. Miasta potrzebowały budynków wysokich i smukłych. Z pomocą przyszyli wówczas Bill Baker i Adrian Smith oraz ich rewolucyjny projekt chicagowskiego 7 South Dearborn. Zamiast rozwiązania the tube, architekci wykorzystali strukturę “stayed mast", opierającą się na centralnym rdzeniu, otoczonym przez osiem ogromnych kolumn. Budowla ukończona w 2005 roku mierzy 610 metrów, ma 71100 metrów kwadratowych powierzchni biurowych na 32 piętrach, apartamenty na 43 piętrach oraz wiele, wiele innych - w sumie 112 kondygnacji.

Baker i Smith spotkali się jeszcze raz, aby zaprojektować coś znacznie większego - Burj Khalifa w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Tutaj inżynierowie wykorzystali strukturę "buttressed core", opierającą się na centralnym sześciokątnym betonowym trzonie, podpartym trzema trójkątnymi podporami. To pozwoliło osiągnąć kosmiczną wysokość rzędu 820 metrów i miano najwyższego budynku świata.

Nowe budownictwo coraz mniej przypomina to sprzed dziesięcioleci. Wtedy wieżowce opierano na stali, ale później została ona wyparta przez beton. - Dzisiejszy beton to nie cement, woda i kamienie, których używał twój dziadek - komentuje Leonard Joseph, inżynier z Thornton Tomasetti. Teraz tworzy go mieszanina związków chemicznych i zaawansowanych materiałów - włączając w to mikrowłókna, które doskonale zastępują kłopotliwe stalowe zbrojenia.

Stal konstrukcyjna upora się z siłą nacisku rzędu 250 megapaskali, podczas gdy beton wykorzystywany w latach 50. charakteryzowała wartość 21 megapaskali, co uniemożliwiało stawianie budynków wyższych niż 20 pięter. Dzisiejszy beton to już 130 megapaskali, a obecność mikrowłókien może podwoić tę liczbę. Za betonem przemawia również fakt, że wykonany z niego budynek ma większą masę niż jego stalowy odpowiednik. Dzięki temu może być smuklejszy, a jednocześnie równie skutecznie opierać się sile wiatru.

Trudno się dziwić, że entuzjaści nowoczesnych rozwiązań spojrzeli w stronę włókien węglowych - skoro idealnie nadają się do produkcji samolotów, mogą również tworzyć drapacze chmur. Ludzie mogliby jednak czuć pewne obawy. Beton jest ciężki i solidny, a włóko lekkie. Stąpając po czymś lekkim na wysokości kilkuset metrów można czuć się nieswojo. To zagadnienie wciąż wymaga wielu badań i ma jeden zasadniczy problem - jest szalenie kosztowne.

Drapacze chmur poddawane są wielu różnym silom. Tą podstawową i najbardziej oczywistą jest wiatr. Kiedy na poziomie 1 lub 2 piętra jego prędkość jest znikoma, to kilkaset metrów wyżej może osiągać przeszło 65 km/h. Z tym związane jest zjawisko powstawania wirów na ostrych krawędziach budynku. Te mogą targać konstrukcją w różnych kierunkach.

Nietrudno sobie wyobrazić, że kilkadziesiąt lat temu - kiedy nie istniały modele komputerowe i tunele  powietrzne - inżynierowie musieli przewidywać takie problemy i radzić sobie z nimi na etapie projektu. Efekt można było zaobserwować dopiero, kiedy konstrukcja była gotowa.

Skomplikowane modele komputerowe, niezliczone testy i symulacje są w stanie wskazać newralgiczne miejsca budynku. Dzięki temu inżynierowie nauczyli się reagować na czynniki środowiskowe. Z pomocą przyszły zaokrąglone krawędzie, rowki w narożnikach i amortyzatory. - Bez stosowanych obecnie technologii 800-metrowy budynek kołysałby się dziko, a nawet jeśli nie ucierpiałaby jego struktura, to przebywanie wewnątrz byłoby nie do wytrzymania - jakbyś był na szczycie rozgotowanego makaronu - wyjaśnia obrazowo Joseph.

Architekci mogą projektować nieprawdopodobnie wysokie wieżowca, a obecna technologia pozwoli je wykonać. Wiele wyzwań leży jednak wewnątrz takiej struktury, a jednym z nich jest transport ludzi pomiędzy piętrami. Najnowocześniejsze windy nie mogą poruszać się zbyt szybko, a dodatkowe ograniczenie stanowi szybko zmieniające się ciśnienie w kabinie i okablowanie dźwigu. - Jeśli wybierasz się naprawdę wysoko, to musisz pozbyć się kabli. Praktyczna granica dla konwencjonalnego dźwigu to około 450 metrów - wyjaśnia Leslie Robertson, główny inżynier budowlany oryginalnego World Trade Center.

Z idealnym rozwiązaniem wyszła w ubiegłym roku firma MagneMotion. Jest nim bezkablowa winda magnetyczna, której schemat działania przypomina magnetyczne pociągi Maglev. Technologię opracowano dla Marynarki Wojennej z myślą o transporcie broni na okrętach, ale firma jest zdania, że z powodzeniem można ją przystosować do transportu pasażerów.

Już w 1906 roku idea wysokiego budownictwa spotkała się ze stanowczą krytyką. Konstruktorom wieżowców zarzucano próżność, działanie przeciwko prawom ekonomii. Od tamtej pory niewiele się zmieniło. Przeciwnicy są zdania, że drapacze chmur nieprzypadkowo wyrastają w takich miejscach jak Chiny czy Zatoka Perska. Są tam swego rodzaju architektonicznymi kwiatami szklarniowymi, rosnącymi w sztucznym klimacie bogactwa i złego gustu.

Ale czy na pewno? Supernowoczesne metropolie potrafią wywołać zachwyt nie mniejszy niż wiekowe miasta historyczne. Czasami spotykamy idealne połączenie obu form. Doskonałym przykładem jest Tokio, w którym wszechobecne beton i szkło kryją wspaniałe relikty przeszłości.

Szacuje się, że do 2050 roku populacja osiągnie liczbę 9 mld, z czego 70 proc. zamieszka w miastach. Być może jednym sposobem rozwiązania problemu przeludnienia będą ekstremalnie wysokie drapacze chmur, które już teraz nazywane są pionowymi miastami. W niektórych zamieszkają ludzie, a inne staną się miejskimi szklarniami, w których hodowane będą warzywa i owoce. Choć brzmi to jak element scenariusza filmu sci-fi - podobne projekty są już realizowane.

Niezależnie od naszego widzimisię drapacze chmur będą wyrastać jak grzyby po deszczu - coraz wyższe i coraz bardziej zdumiewające. Wspomniany  Burj Khalifa z Dubaju już za cztery lata odda tytuł najwyższego budynku świata Królewskiej Wieży w Jeddah. Ta powinna osiągnąć wysokość prawie 1 km (dokładnie 999,74 metra).

Jakub Płaza