Taipei 101

Wieżowiec w strefie sejsmicznej, przy tym nawiedzanej przez tajfuny, to wyzwanie dla inżynierów. A zaprojektowanie i wdrożenie systemów przeciwpożarowych to zadanie szczególnie trudne, jeśli zachodzi konieczność importu wiedzy i doświadczenia spoza kraju.

Wieżowiec Taipei 101 to ikona stolicy Tajwanu. Został zbudowany w latach 1999-2004. Do 2010 r., kiedy to oddano do użytku Burj Khalifa w Dubaju, Taipei 101 zajmował w rankingach pozycję najwyższego na świecie. Projekt budynku, ale też i jego realizacja, to szczególne wyzwanie ze względu na współwystępowanie w tym rejonie dwóch zagrożeń: trzęsień ziemi i tajfunów. Aby zapewnić należyty poziom bezpieczeństwa użytkowania, budynek został zrealizowany z zachowaniem najwyższych standardów, przy uwzględnieniu doświadczeń zebranych na całym świecie. W to wlicza się przygotowanie i wyszkolenie służb ratowniczych… czyli w dużej części straży pożarnej.

Warunki naturalne

Tajfuny występujące w rejonie Tajwanu to wiatry wiejące z prędkością do 200 km/h (szósty, najwyższy poziom skali). Oznacza to, że parametry sztywności bryły budynku oraz jego aerodynamiki muszą spełniać zasadniczo inne normy niż te, które wystarczyłyby w innych częściach globu. Ciekawy aspekt stanowi to, że o ile siła wiatru jest zasadniczo przewidywalna, o tyle jego kierunek już nie. Wynika to z natury tajfunów, które mają kształt wiru i mogą nasunąć się nad wyspę Tajwan zasadniczo od zachodu, ale przynosząc wiatry wiejące pod dowolnym, niemożliwym do przewidzenia kątem.

Zwiększanie odporności wieżowców na wiatr to cała gałąź inżynierii. Teoretycznie budynek o konstrukcji żelbetowej o sylwetce zbliżonej do Taipei 101 powinien przejawiać wychylenie trwające ok. 9 s. Modele projektantów pokazywały, że w przypadku tajwańskiego wieżowca będzie to zaledwie 7 s. Konieczne było zastosowanie systemu aktywnego tłumienia wychyleń. Jego praca polega na zamianie energii mechanicznej wychyleń na energię cieplną siłowników.

• Realizacja - 1999-2004
• Wysokość całkowita - 509 m
• Najwyższe używane piętro - 439 m
• Prędkość wind szybkobieżnych - 16,83 m/s
• Plan i realizacja - C.Y. Lee & Partners

Wieżowce mające po kilkaset metrów bujają się nawet bez potężnych tajfunów, co może powodować nudności u pracujących i przebywających na wyższych piętrach ludzi. Aby zminimalizować bujanie, stosuje się specjalne wygaszacze wiatru (ang. wind dumpers). Na fot. 2 widzimy ten z Taipei 101. Sfera ma średnicę 5,5 m i waży 660 t - 0,35% wagi całego budynku. Wygaszacz ulokowano na 88-89 piętrze, a składa się on z 41 warstw stalowych sztab. Jest drugim co do wielkości na świecie i jednym z dwóch udostępnionych dla turystów. Otaczający go system siłowników wygasza do 40% oscylacji.

Wygaszacz pozwala głównie na aktywną redukcję zjawisk związanych z naporem wiatru, ale to nie jedyna jego funkcja. Drugim żywiołem zagrażającym budynkowi są trzęsienia ziemi. Nawet te stosunkowo niewielkie sprawiają, że wieżowce potrafią się bujać jeszcze długo po kilkunastosekundowej serii wstrząsów. Efekt da się odczuć nawet w dwudziestopiętrowych apartamentowcach. Taipei 101 zaprojektowano tak, aby oparł się wstrząsom o sile do 9 w skali Richtera. A wygaszacz wahań sprawdza się świetnie i w czasie trzęsień ziemi.

System swój chrzest bojowy przeszedł w 2013 r., gdy uderzył tajfun Soulik - budynek został poddany wiatrowi o sile 14 w skali Beauforta. Sześćsettonowa bryła odchylała się o rekordowe 70 cm we wszystkich kierunkach. Budynek pokazał też swoją odporność na trzęsienia ziemi. W 2019 r. trzęsienie ziemi o sile 6,1 z epicentrum oddalonym o 130 km wychyliło kulę stali o 20 cm.

Ta podwójna odporność jest godna podziwu, jako że konstrukcja odporna na wiatr powinna charakteryzować się dużą sztywnością, a odporna na wstrząsy sejsmiczne musi być elastyczna, łatwo przewodząc ruchy tektoniczne. W rozwiązaniu dylematu konstrukcyjnego pomogły doświadczenia architektów z sąsiadującej z Tajwanem Japonii. Główną rolę odgrywa jednak nietypowa geometria ośmiu „pudeł”. Ich skośne ściany sprawiają, że obciążenia ścinające ram usztywniających elewację są przekazywane na konstrukcję trzonu na poziomie każdego cofnięcia.

Osobny wygaszacz wahań zainstalowano na konstrukcji szczytowej -  tzw. pinaklu. Jemu z kolei zagrażały drgania wywołane przez wiatry o małej prędkości. Projektanci zdecydowali, że dwa mechanizmy tłumiące, każdy ważący 4,5 t, zlikwidują zagrożenie.

Fundamenty konstrukcji

Tak jak w przypadku wielu miast na świecie, Tajpej ulokowane jest na wielometrowej warstwie osadów. Słabej nośności gruntu towarzyszy inna lokalna cecha. Nasączona wodą niecka zapada się - nie aż tak alarmująco szybko, jak grunt pod Mexico City, ale zjawisko to tym bardziej wymusza opalowanie fundamentów aż do głęboko położonej skały macierzystej.

W przypadku rejonu Taipei 101 gliny i warstwy koluwialne mają 40-60 m. Pale wpuszczone są w skałę macierzystą na dodatkowe 30 m. Projektanci zdecydowali, że wystarczające zabezpieczenie przed osiadaniem budynku da aż 550 pali. Spośród nich 380, każdy o średnicy 1,5 m, unosi żelbetową płytę, na której wspiera się cały ciężar budynku.

Po obrysie całej konstrukcji wpuszczono w grunt tzw. ścianę szczelinową. Sięgająca 47 m głębokości konstrukcja ma za zadanie m.in. odciąć dopływ wód gruntowych.

Siły oddziałujące (wiatr, wstrząsy tektoniczne) są redukowane przez masę betonowego wypełnienia kolumn nośnych oraz kratownice obwodowe, które je łączą. Newralgicznym miejscem wszystkich wysokich budynków są ich dolne sekcje. Siły ściskające i rozciągające słupy trzonowe i obwodowe są redukowane przez wspomniany wcześniej kształt ściętej piramidy oraz wybrane rozwiązanie konstrukcyjne: tzw. megaramę, połączoną kratownicami ze strukturą megasłupów na obwodzie.

Cechy szczególne i ciekawostki

Skalę trudności budowy jakiejkolwiek infrastruktury w terenach sejsmicznych dobrze obrazuje ilość stali potrzebnej do fundamentów tzw. półtunelu na szosie górskiej, co pokazuje fot. 3. Widzimy na nim realizację tzw. półtunelu w miejscu narażonym na lawiny błotne i kamienne.

Bryła wieżowca ma formę ośmiu „pudeł”. Ich kształt nawiązuje do wyglądu historycznych sztab kruszców, ale jednocześnie usztywnia konstrukcję i uodparnia na wiatry. Widoczne na fot. 4 wcięcia w narożnikach redukują skutki turbulencji. Drogą żmudnych eksperymentów projektanci odkryli, że uskokowe ukształtowanie narożników, z głębokością uskoku 2,5 metra, zapewni optymalne usztywnienie konstrukcji. Dolna sekcja budynku ma kształt ściętej piramidy, co dodatkowo uodparnia budynek na wychylenia - zwiększa sztywność boczną.

Tajwańczycy to kulturowo Chińczycy, a więc nie oparli się zastosowaniu symboliki liczby 8, będącej homofonem słowa „bogacić się”. Segmentów jest właśnie osiem. Restauracja i zamknięty hermetycznie pasaż widokowy dla turystów - jakże by inaczej - zajmuje 88 piętro. Budynek nie uniknął też standardowej japońskiej praktyki „ewaporacji” (to nawiązanie do powieści „1984” George’a Orwella) piętra 44. Czwórka to homofon słowa „śmierć”, a w szpitalnych i hotelowych windach nie znajdziemy zwykle przycisku czwartego piętra - to zwykle piętro techniczne lub magazynowe, niedostępne dla gości. W Taipei 101 brak piętra 44 jest rekompensowany przez „poziom 43” oraz „42A”.

Windy

Wysokościowce stawia się z dwóch powodów: braku miejsca i cen gruntu, jak w Hongkongu, oraz z przyczyn prestiżowych, jak w Dubaju, dla którego Burj Khalifa jest symbolem bogactwa i magnesem dla inwestycji. Dumni właściciele budynku starają się wyróżnić w architektonicznym wyścigu zbrojeń jakimś detalem lub parametrem.

W przypadku Taipei 101 oprócz wysokości samego budynku wyróżnikiem była winda wożąca turystów na taras widokowy. Porusza się ona w górę z prędkością 16 m/s. Informacje promujące wieżowiec podają jednak wartość 1010 m/min - podkreślając dumnie przekroczenie bariery 1000 m.

Rekordowe osiągnięcia mają swoją cenę i ukryte skutki uboczne. Gwałtowny ruch windy w górę jest mniej niedogodny dla pasażerów niż ruch w dół. Podobnie jak w innych wieżowcach, winda zwozi turystów znacznie wolniej. W przypadku Taipei 101 - z prędkością 540 m/min.

Zabezpieczenia ewakuacyjne

Ćwiczenia ewakuacyjne dla wynajmujących i obsługi budynku odbywają się dwa razy w roku. Rozmaite scenariusze pożarów są omawiane, a następnie ćwiczone. Ta praktyka nie odbiega od procedur powszechnie realizowanych na całym świecie. Rozbawił mnie - jak najbardziej rozsądny - wymóg organizatorów ćwiczeń, aby użytkownicy budynku samodzielnie schodzili aż na parter, nawet jeśli ich biura znajdują się powyżej 60 piętra. Taka przechadzka znakomicie sprzyja oswojeniu się z drogą ewakuacyjną i może zająć do 25 min.

Interesujące są zabezpieczenia przeciwpożarowe i ekwipunek będący do dyspozycji zarówno użytkowników, jak i służb ratowniczych. W skład zawartości zawartość saszetki osobistej wchodzi m.in. latarkę z kompletem baterii i powszechnie używane na Tajwanie rękawiczki robocze izolujące od gorąca i uszkodzeń skóry.

W wieżowcach takich jak Taipei 101 najistotniejszą kwestią zdaje się być sposób odprowadzania dymu. W razie pożaru dym wysysany jest przez dukty rozmieszczone przy ścianach zewnętrznych, a następnie wytłaczany poza obręb budynku przez szczeliny na platformach zewnętrznych na piętrach technicznych.

Nad prawidłowo realizowaną ewakuacją czuwa zespół ratowniczy, którego członkowie są przeszkoleni do udzielania pierwszej pomocy, kierowania tłumem i utrzymywania porządku w czasie sytuacji zagrożenia.

Piętra techniczne

Za szczególnie interesujące uznałem piętra techniczne, które wbudowano pomiędzy osiem segmentów wieżowca. Mieszczą się na nich szafy ze sprzętem ratunkowym i pakietami ratunkowymi, a nawet kran z wodą pitną.

Na każdym piętrze technicznym znajduje się zbiornik na wodę do gaszenia pożarów (patrz fot. 5). Największy z nich mieści 62 t wody, a najmniejszy - ulokowany na 94 piętrze - jedynie 2,5 t. Zbiorniki są oczywiście rozmieszczone tak, aby ich ciężar równomiernie rozkładał się na konstrukcję budynku. Woda do nich pobierana jest z wodociągów publicznych, a do poszczególnych zbiorników wynoszona przez trzy pompy, po jednej na jednym z wyznaczonych pięter technicznych. Ciekawe rozwiązanie, którym pochwalili się oprowadzający mnie inżynierowie, stanowi to, że każdy ze zbiorników obsługuje nie segment bezpośrednio pod nim, ale ten poniżej. Dzięki temu systemy gaśnicze otrzymują wodę pod dodatkowym ciśnieniem.

Na fot. 6 widzimy panoramę miasta Tajpej - widok rozpościerający się z jednego z tarasów ewakuacyjnych na wysokości piętra technicznego. Panorama w kierunku północnym w stronę miasta Danshui (inaczej Tamsui). Tam też uchodzi do morza rzeka przepływająca przez Tajpej.

Ochrona przeciwpożarowa podstawy wieży

W podstawie wieży, także w piętrach podziemnych, znajdują się luksusowe sklepy i restauracje, w ostatnich latach licznie odwiedzanych przez wycieczki z Chin Kontynentalnych (tak lokalnie nazywa się ChRL). Platforma techniczna ponad główną promenadą wyposażona jest w kilka działek wodnych, sterowanych automatycznie.

Prestiż międzynarodowy brzmi jak nie do końca racjonalny powód do inwestowania olbrzymich kwot w budowę imponującego wieżowca. Jednak brak rozsądku jest moim zdaniem pozorny. Inżynieria to potężne narzędzie, a zdolność do sfinansowania i wzniesienia potężnego drapacza chmur jest często komunikatem potęgi gospodarczej i przewagi cywilizacyjnej. Konstrukcje takie jak wieża Eiffla w Paryżu, Empire State Building w Nowym Jorku czy wieżowce Szanghaju to pokazy narodowej siły i zarazem żywe świadectwo potęgi techniki i nauki, które stworzył naród, ale i ludzkość jako całość. W mojej książce o filozofii i praktyce wywierania wpływu na bieg zdarzeń przytoczyłem niepozorną kwestię z filmu „Alita: Battle Angel” (2019). Pasuje ona tonem do aspiracji i budowniczych średniowiecznych katedr oraz współczesnych wieżowców. Bohaterka filmu na widok potężnego, majestatycznie lewitującego pośród chmur powietrznego miasta pyta: „Co trzyma je w górze? Magia?”. „Nie” - pada odpowiedź. „Coś silniejszego. Inżynieria”.

Piotr Plebaniak jest ekspertem od kultury i historii Chin, a także autorem nowego przekładu traktatu „Sztuka wojny” oraz książki „Chiny. Zrozumieć imperium”