4 ноября 1967 г. начала работу новая радио- и телевизионная станция, расположенная на Останкинской телевизионной башне высотой 533,3 м, которая является самым высоким в мире свободно стоящим сооружением. За создание проекта Останкинской телевизионной башни его авторы удостоены Ленинской премии в области науки и техники за 1970 г., а за возведение сооружения группе строителей присуждена Государственная премия за 1969 г.

Основным этапом проектирования и строительства этого уникального сооружения посвящена книга. В ней описано функциональное назначение объекта, изложены принципы архитектурно-планировочной композиции, основные расчетные данные и конструктивные решения, методы подбора высокопрочных и долговечных материалов для подобных сооружений — морозостойкого бетона и канатной арматуры для создания предварительного напряжения в железобетонном стволе. Рассмотрены вопросы проектирования и строительства инженерных коммуникаций. Описаны способы возведения железобетонных и металлических конструкций башни (фундамента, железобетонного ствола, опоры антенн, высотных обстроек), применявшиеся при этом подъемные механизмы, а также методы геодезического контроля. Приведены результаты наблюдений за работой конструкций телебашни.

Книга предназначена для широкого круга инженерно-технических работников проектных и строительных организаций.

Монография написана под руководством автора — конструктора проекта Останкинской телевизионной башни д-ра техн. наук Н.В. Никитина коллективом авторов, принимавших непосредственное участие в ее проектировании и строительстве.

Авторами введения и глав III—VIII являются д-р техн. наук Н.В. Никитин, инж. Б.А. Злобин, канд. техн. наук В.И. Травуш, инженеры Ю.Г. Фридман и А.В. Юрин; главы I — инж. И.В. Островский; главы II — архитекторы Д.И. Бурдин, Л.И. Баталов, В.В. Милашевский; главы IX — канд. техн. наук Т.А. Мелик-Аракелян; главы X — инженеры В.И. Кувшинов и Д.В. Дмитриев; главы XI — инженеры М.Л. Самовер и С.А. Халезов; главы XII — канд. техн. наук М.А. Шифрин; главы XIII — канд. техн. наук Б.Д. Тринкер; главы XIV — инж. Л.П. Дмитриев; главы XV — инженеры Н.М. Турин, Ю.И. Долгов, Л.В. Слонимский; главы XVI — инженеры Л.Н. Щипакин и Ю.М. Данилевич; главы XVII и приложения — инж. А.М. Гоухберг; главы XVIII — д-р техн. наук Н.В. Никитин и канд. техн. наук В.И. Травуш.

Введение
Глава I. Радиотелевизионное оборудование передающей станции
Глава II. Архитектура
Глава III. Принципы и основные результаты расчета
Глава IV. Фундамент
Глава V. Конструкция нижней конической части
Глава VI. Конструкция и расчет прочности ствола
Глава VII. Внешние и внутренние конструкции
Глава VIII. Антенна
Глава IX. Санитарно-технические устройства
Глава X. Механическое оборудование
Глава XI. Электротехническое оборудование
Глава XII. Предварительно напряженная арматура
Глава XIII. Бетон
Глава XIV. Геодезические работы
Глава XV. Организация и производство работ по возведению железобетонных конструкций башни
Глава XVI. Монтаж стальных и алюминиевых конструкций
Глава XVII. Метеорологический комплекс
Глава XVIII. Результаты наблюдений за сооружением
Приложение
Литература

Введение

В настоящее время телевизионное вещание осуществляется на обширной территории, где проживает более половины населения нашей страны. Число телецентров и ретрансляционных станций в ближайшие годы достигнет 300, и большинство из них будут иметь возможность принимать центральные программы из столицы нашей Родины — Москвы. Чтобы увеличить число телевизионных программ в Москве, повысить качество телевизионного сигнала, значительно увеличить радиус зоны уверенного приема передач, было принято решение запроектировать и построить в районе Останкина технический телевизионный центр (ТТЦ) с радиопередающими станциями, расположенными на башне высотой около 500 м. Одновременно ставилась задача объединить все телевизионные центры страны в единую систему с взаимным обменом программами, обеспечить их связь через международные системы Интервидения и Евровидения с телецентрами других стран.

В период разработки и рассмотрения проекта возникали дополнительные требования и пожелания, которые учитывались на последующих стадиях проектирования. Было предложено, например, расположить на башне центральную метеорологическую станцию, оборудованную многочисленными автоматически действующими приборами дистанционного управления, лабораторию для регистрации и изучения грозовых разрядов в атмосфере, а также другое оборудование. Телевизионная башня постепенно превратилась в сложный объект многоцелевого назначения.

В соответствии с технологическими требованиями и основным назначением сооружения окончательная высота башни была принята равной 533,3 м. Высота сооружения башенного типа определяется расстоянием по вертикали от отметки ±0,00 (обычно пол вестибюля первого этажа) до уровня самой верхней площадки, на которую возможен выход человека для нормальной работы в период эксплуатации. Полная высота Останкинской телевизионной башни с учетом длины флагштока для Государственного флага СССР составит 536,15 м. В настоящее время — это самое высокое свободно стоящее сооружение в мире. При проектировании и возведении башни были широко использованы новейшие достижения советской науки и техники.

Окончательная архитектурно-планировочная композиция и общий вид башни (рис. 1) существенно отличаются от первоначального варианта проекта (рис. 2). С самого начала разработки проекта башни было предложено возвести ее из монолитного железобетона с обжатием стен ствола предварительно напрягаемой канатной арматурой. Была предусмотрена возможность широкого доступа в сооружение посетителей. С этой целью запроектированы три этажа ресторана и смотровая площадка на высоте 337 м. Позднее на башне оборудовали еще две смотровые площадки, расположенные на высоте 147 и 269 м.

Для подъема людей на верхние этажи и смотровые площадки намечалось смонтировать внутри ствола башни грузопассажирские скоростные лифты.

По проекту внутри полого железобетонного ствола в специальных шахтах размещались электрокабели, телевизионные фидеры, инженерные и санитарно-технические коммуникации, надежно защищенные от влияния погодных условий и атмосферных воздействий. Такое решение обеспечивало удобную и бесперебойную эксплуатацию коммуникаций по всей высоте башни в любое время года.

В свободном пространстве ствола имеется некоторый резерв, позволяющий оборудовать в случае необходимости дополнительные этажи. Полезная площадь помещений на всех этажах башни 15 тыс. м², а их объем — около 70 тыс. м³.

Некоторые передающие станции с аппаратными расположены на большой высоте в непосредственной близости от передающих антенн. Это позволяет значительно уменьшить протяженность фидерных систем, соединяющих радиотехническое оборудование с передающими антеннами, избежать больших потерь энергии во время передач и, следовательно, существенно улучшить качество телевизионного сигнала.

За последние 10—15 лет за рубежом построены десятки железобетонных башен различной высоты и функционального назначения (рис. 3). Их строительство связано в основном с развитием телевизионного вещания, хотя архитектурное значение таких сооружений играет также немалую роль.

Прообразом железобетонных радиотелевизионных башен являются ранее построенные сооружения из металла, такие, как Эйфелева башня в Париже, Шуховская радиобашня в Москве и др. Башня Эйфеля высотой 300 м была построена в 1889 г. на территории Всемирной выставки в Париже как символ технического прогресса. Интересно отметить, что в то время на конкурс поступили сотни различных предложений. Лучшим был признан проект башни инженера Г. Эйфеля. За сравнительно короткий срок было разработано 5 тыс. листов чертежей, по которым изготовили около 15 тыс. различных деталей. Отдельные элементы стальных конструкций собирали и укрупняли на земле, а затем поднимали в проектное положение. Общий вес башни 9 тыс. т. В соединениях стальных конструкций установлено около 2500 тыс. заклепок.

На башне Эйфеля оборудованы и функционируют ресторан, смотровые площадки для обзора города и технические помещения. Подъем посетителей на верхние этажи осуществляется с помощью лифта. Ежегодно ресторан и смотровые площадки посещают 2 млн. человек. До 1921 г. башня Эйфеля была только украшением Парижа. Затем на ней установили радиоантенны, и она превратилась в радиобашню. Впоследствии наверху смонтировали передающие телевизионные антенны, вершина которых достигла отметки +312 м.

В течение сорока лет башня Эйфеля в Париже оставалась самой высокой в мире. Позже появились американские небоскребы. На здании «Эмпайр Стейтс билдинг» высотой 388 м установили телевизионные антенны, верх которых находится на отметке 422 м. Построенные в последние годы радиотелевизионные башни в Ленинграде и Токио по высоте также превосходят башню Эйфеля.

Ленинградская стальная радиотелевизионная башня высотой 316 м, предназначенная для установки передающих антенн, сооружена в 1961 г. После окончания строительства телевизионного центра начались регулярные передачи трех программ радиовещания на УКВ ЧM.

Ствол башни представляет собой шестигранную пирамиду решетчатой конструкции со сторонами 30 м в нижнем основании и 7,98 м на отметке 200 м. Основные элементы и решетка ствола выполнены из труб разного диаметра. В верхней части ствола расположена трехэтажная обстройка, где размещаются радиотелевизионная аппаратура, машинное отделение пассажирских лифтов и помещение для обслуживающего персонала. Венчает сооружение четырехгранная конструкция антенны высотой 116 м. Внутри башни проходит шахта для двух лифтов, лестницы и инженерных коммуникаций. Фундаменты башни выполнены из свай, объединенных шестью монолитными ростверками под каждой опорой; один ростверк находится под шахтой лифтов.

Стальная башня в Токио высотой 333 м построена для дальнейшего развития радиотелевизионного вещания. Внизу на уровне четырех опор-ног башня имеет размер в плане 80x80 м. На высоте 120 м расположена двухэтажная обстройка размером в плане 27x27 м. На уровне 225 м сооружена высотная обстройка диаметром 13 м, в которой размещаются технологическое оборудование и верхняя смотровая площадка.

Общий вес сооружения 3600 т, что почти в два с половиной раза меньше веса Эйфелевой башни. Такие результаты достигнуты благодаря применению высокопрочной стали и трубчатых конструкций. Высота главного фахверка башни 253 м. В соединениях элементов установлено 1200 экз. заклепок. Выше главного фахверка смонтирована 60-метровая антенна, а на ней — специальная антенна высотой 14 м. Опоры башни установлены на фундаментах, опирающихся на сваи диаметром 2 м, нижняя отметка которых находится на глубине 20 м. Каждая свая рассчитана на вертикальную нагрузку 500 тс.

При расчете конструкций учитывались основные нагрузки — сейсмическая и ветровая. Нагрузка от ветра определялась с учетом максимальной расчетной скорости ветра 90 м/сек. При этом угол поворота верха антенны от вертикали может достигать 2—3°. Телевизионные передачи принимаются в радиусе 100—110 км.

Примером легкой и весьма оригинальной конструкции высокого сооружения служит ажурная металлическая башня в виде гиперболоида высотой 153 м, построенная в 1922 г. в Москве по проекту выдающегося инженера В.Г. Шухова. На башне были установлены радиоантенны, а позднее и передающие телевизионные антенны двух программ Московского телецентра.

Для телевизионных центров в других городах СССР были разработаны проекты и построены типовые стальные башни высотой 192 и 230 м.

Во многих странах возведены мачтовые радиотелевизионные опоры с оттяжками в нескольких уровнях по высоте. Самые высокие мачты сооружены в Будапеште (ВНР) — 315 м; в Моравии (ЧССР) — 325 м; на мысе Жирардо (штат Миссури, США) — 510 м и в Оклахоме (США) — 550 м.

В последние годы за рубежом сооружаются железобетонные радиотелевизионные башни различного назначения.

Первая радиотелевизионная железобетонная башня с высотной четырехэтажной обстройкой и металлической антенной наверху общей высотой 212 м была построена в г. Штутгарте (ФРГ) в 1956 г. по проекту Ф. Леонгардта. Первоначально предполагали соорудить башню в виде стальной решетчатой опоры для установки телевизионных антенн. Ввиду того что такое чисто инженерное сооружение, выполненное в металле, по своему внешнему виду весьма напоминает мачту для линий электропередач и ухудшает высотный силуэт города, был разработан проект железобетонной башни с техническими помещениями, рестораном и смотровыми площадками наверху. Железобетонный ствол Штутгартской башни представляет собой суживающуюся кверху полую колонну высотой 161 м. Нижний участок ствола до отметки +135,8 м имеет форму конуса с уклоном стен 0,04, а верхний — до отметки +161 м — форму цилиндра диаметром 5,04 м. Железобетонные стены выполнены из монолитного бетона марки 400 и армированы стержнями периодического профиля. Конструкция ствола башни не имеет предварительно напряженного обжатия стен, и при максимальных нагрузках от ветра в поперечных сечениях ствола возникают растягивающие напряжения в бетоне величиной порядка 25 кгс/см2. Такие напряжения в горизонтальных сечениях ствола, хотя и допускаются по немецким нормам DIN, могут привести к образованию трещин в бетоне.

Аналогичные сооружения башенного типа возведены во многих городах ФРГ: Ганновере—высотой 141,2 м, Ауфхаузене — 139 м, Доннерсберге — 200 м, Дортмунде — 220 м, две башни в Баварии и др.

Самыми высокими железобетонными радиотелевизионными башнями в ФРГ являются мюнхенская и гамбургская. Мюнхенская башня высотой 290 м. На ее железобетонном стволе расположены две высотные обстройки. В нижней четырехэтажной диаметром 16 м между отметками 151,9 и 167,7 м размещены радиопередающие станции, кольцевые площадки для установки антенн, административные и вспомогательные помещения. В верхней обстройке диаметром 28,3 м на высоте 181,7 м расположен ресторан на 230 посадочных мест. Выше находятся застекленная смотровая площадка и открытая галерея для обзора города и его окрестностей. Венчает башню стальная мачта-опора высотой 42 м, установленная в верхней диафрагме железобетонного ствола на отметке 248 м.

В 1968 г. в Гамбурге закончено строительство железобетонной башни общей высотой 284 м с металлической антенной наверху. Основное назначение сооружения — обеспечить город и его окрестности телевизионным вещанием по второй и третьей программам. Железобетонный ствол башни высотой 204 м на отметке ±0,00 м имеет наружный диаметр 16,5 м; на отметке 119 м — 8,6 м и на самом верху 6 м. На стволе расположены две высотные обстройки, основные несущие конструкции которых выполнены из предварительно напряженных железобетонных оболочек. В нижней, трехэтажной обстройке диаметром 32,4 м на высоте 127,4 м размещены ресторан, кафе и закрытая смотровая площадка. В верхней обстройке на отметке 150 м расположен основной технический этаж общей площадью 1000 м². Наружный диаметр обстройки равен 39,8 м. На верху башни установлена стальная антенна высотой 80 м. Ее нижний участок представляет собой решетчатую конструкцию из стальных труб диаметром 343 мм. Верхний участок антенны выполнен из стальной трубы.

Интересное архитектурно-планировочное и конструктивное решение найдено при возведении башни в Лондоне. Башня общей высотой 189 м построена в районе сложившейся городской застройки рядом с четырехэтажным зданием центральной телефонной станции. Отличительной особенностью лондонской башни является то, что с наружной стороны ствола по всей его высоте расположены технические этажи и служебные помещения, составляющие единое высотное здание. Нижняя часть башни с отметки 35,0 до отметки +108,2 м имеет семнадцать этажей; наружные стены выполнены из многослойных стеклопакетов. В горизонтальном сечении этажи нижнего участка представляют собой правильный 18-угольник. Над остекленной частью между отметками 108,2 и 143,0 м расположены шесть открытых кольцевых балконов, где установлены приемо-передающие антенны. Выше кольцевых балконов находится шестиэтажная обстройка диаметром 13,7 и 19,8 м. Здесь размещены ресторан, бар, кухня, открытая и застекленная смотровые площадки.

Основным конструктивным элементом сооружения является железобетонный ствол конической формы диаметром 10,6 м внизу и 6,7 м вверху. На нем смонтирована стальная решетчатая конструкция высотой 12 м, предназначенная для установки радиотелевизионных антенн, приборов метеорологической службы, грозозащиты и другого оборудования.

Фундамент башни представляет собой монолитную железобетонную плиту с размером сторон в плане 27,4 x 27,9 м. Глубина заложения его подошвы 6,7 м. Несмотря на то что под подошвой залегают пластичные суглинки и глины, фундамент возведен на естественном основании. Башня высотой 189 м — это первое в Лондоне высотное сооружение, фундамент которого выполнен без применения свай.

В Югославии, на горе Авала под Белградом, возведена железобетонная башня высотой 202 м. Она является одним из крупнейших в Европе телекоммуникационных центров, с помощью которого осуществляется многоканальная телефонная и телеграфная связь между Европой, Африкой и Ближним Востоком. Установленное на башне оборудование обеспечивает прием программ Евровидения и Интервидения.

Основная несущая конструкция — железобетонный ствол башни высотой 140 м решен в виде усеченной треугольной пирамиды, сторона нижнего основания которой равна 7,2 м. Ствол опирается на три наклонные железобетонные опоры-ноги, расположенные в плане через 120°, которые на высоте 20 м плавным переходом монолитно соединяются в единую конструкцию со стволом.

Железобетонные телевизионные башни небольшой высоты построены также в Мишкольце (Венгрия), Кельце (Польша) и в некоторых городах Чехословакии.

Высокие сооружения башенного типа строят не только для радиовещания и телевидения.

Так, в Дунайском парке Вены сооружена железобетонная обзорная башня высотой 252 м. На отметке 150 м размещена смотровая площадка для обзора выставки цветов и живописной Дунайской низменности. На площадке одновременно могут находиться до 400 посетителей. В четырех этажах высотной обстройки между отметками 157,4 и 172,3 м расположены кафе-ресторан, кухня, технические помещения и метеорологическое оборудование. 

В 1969 г. на Александер плац в Берлине построена железобетонная радиотелевизионная башня с металлической антенной (общей высотой 365 м). Башня имеет монолитный железобетонный фундамент в виде кольца наружным диаметром 40 м. Над фундаментом возвышается ствол конической формы высотой 250 м. В головной высотной обстройке, имеющей форму шара диаметром 32 м, расположены технические помещения радиотелевизионных станций, на отметке 207,5 м — кафе-ресторан на 200 посадочных мест, ниже — закрытая галерея для обзора города и другие помещения.

На верхнем участке ствола над обстройкой между отметками 230 и 250 м находятся кольцевые площадки, по периметру которых установлены приемо-передающие антенны радиорелейных линий связи. Венчает башню стальная антенна-мачта высотой 115 м, которая установлена в верхнем диске железобетонного ствола на высоте 250 м.

Для подъема экскурсантов и обслуживающего персонала на верхние этажи башни, смотровую галерею и в кафе-ресторан внутри ствола смонтированы два пассажирских лифта. Третий лифт обслуживает ресторан и производственные помещения.

В Дрездене (ГДР) построена железобетонная башня высотой 247 м. Основное назначение сооружения — обеспечить радиотелевизионными передачами город и его окрестности, а также радиорелейную связь между городами страны.

По своему архитектурно-планировочному решению башня в Дрездене отличается от ранее построенных аналогичных сооружений. Она имеет весьма развитую вверх высотную обстройку в 20 этажей общей полезной площадью 1150 м². В верхнем этаже наружным диаметром 14,9 м расположено кафе на 150 посадочных мест, над которым находится открытая обзорная площадка полезной площадью 115 м².

Основной несущей конструкцией башни является железобетонный ствол высотой 167,1 м, имеющий до отметки 94 м форму полого конуса, выше — форму цилиндра диаметром 4,2 м.

Наружный диаметр ствола в основании 9,4 м. По верху железобетонного ствола выполнена монолитная кольцевая диафрагма, в которой анкерными болтами крепится стальная антенна высотой 80 м. Нижняя часть антенны сварена из стальных труб диаметром 3 м, верхний участок длиной 20 м изготовлен из двух пластмассовых труб. Внутри железобетонного ствола в шахтах расположены два скоростных пассажирских лифта, кабины которых рассчитаны на подъем 10 человек каждая.

Железобетонные радиотелевизионные башни меньшей высоты построены в других городах ГДР: Хельптерберге (203,2 м), Декведе (184,7 м), Шверин-Циппендорфе (136,5 м), Петерсберге (122,8 м).

В США высокие антенные опоры сооружаются, как правило, в виде мачтовых стальных конструкций, которые представляют собой решетчатый ствол, выполненный из стальных труб или прокатных профилей, раскрепленный в нескольких уровнях системой вантовых оттяжек. Мачта — это сравнительно экономичное сооружение, однако для ее установки требуется площадь, вдвое большая, чем для башни. В границах города не всегда удается найти свободную площадь, поэтому мачты стремятся ставить вне городской черты.

В начальной стадии проектирования Общесоюзного телецентра в Останкине предлагалось несколько вариантов стальных башен с решетчатыми конструкциями из труб и прокатных профилей. Однако все они были отклонены в основном из-за того, что их внешний вид не отвечал архитектурным требованиям, предъявляемым к высотным сооружениям.

Из краткого обзора строительства радиотелевизионных башен за рубежом видно, что они находят широкое применение и почти повсеместное распространение. При удачно найденных решениях железобетонные башни многоцелевого назначения успешно конкурируют с металлическими антенными опорами. Архитектурно-планировочная структура железобетонных башен весьма разнообразна. Внешний вид и архитектурный силуэт башни во многом зависят от конструктивного решения основных несущих элементов, обеспечивающих необходимую прочность и устойчивость высотного сооружения.

Московская телевизионная башня в Останкине — это уникальное сооружение многоцелевого назначения, значительно превосходящее зарубежные башни по высоте, разнообразию архитектурно-планировочных и конструктивных решений отдельных ее элементов, технической оснащенности радиотелевизионных передающих станций, а также способам возведения конструкций. Проектирование, строительство, изготовление оборудования и конструкций, их монтаж на месте строительства — труд большого коллектива. В нем принимали участие 33 проектные организации, 40 специализированных строительно-монтажных организаций, а также десятки заводов-изготовителей со своими конструкторскими бюро.