Сколько весят все здания на Земле? Расчет 606 млн построек показал: городам нельзя расти выше 7 этажей

Суммарная масса всех зданий, построенных людьми на планете, составляет 835 миллиардов тонн. Это число сложно представить, поэтому исследователи приводят конкретный физический факт: масса всей растительности на суше Земли — всех деревьев, кустарников и травы — составляет около 900 миллиардов тонн. Человечество построило из камня, бетона, кирпича и железа почти столько же, сколько весит весь растительный мир планеты.

Примерно четвертая часть этой огромной массы находится в одной стране — в Китае. Причина проста: за последние сорок лет сотни миллионов жителей этой страны переехали из деревень в города. Чтобы расселить людей, строители круглосуточно возводили жилые районы, фабрики, склады и деловые кварталы.

Но строительство не проходит бесследно. Чтобы сделать строительные материалы, заводы сжигают колоссальное количество угля, нефти и газа. Производство бетона и стали дает около десятой части всех мировых выбросов углекислого газа, который нагревает атмосферу. Чем тяжелее здания, тем больше сырья нужно добыть в карьерах и шахтах, тем больше заводов приходится запускать и тем сильнее страдает окружающая среда.

Долгое время инженеры и градостроители не знали точного веса мировой застройки. Существовали лишь приблизительные расчеты для отдельных богатых государств. Исследователи из Мичиганского университета вместе с коллегами из Китая, Дании и Нидерландов решили эту задачу. Они впервые рассчитали массу сотен миллионов зданий на планете и выяснили, какая форма кварталов и улиц позволяет тратить меньше всего сырья. Их статья опубликована в научном журнале Nature Cities.

Как измерили вес 606 миллионов зданий

Взвесить даже один многоквартирный дом на обычных весах невозможно. Чтобы посчитать массу миллионов домов на разных континентах, ученые применили спутниковые технологии и методы компьютерного анализа данных.

Работа строилась в несколько этапов:

1. Спутниковые снимки высокого разрешения. Спутники фотографируют поверхность планеты с детальностью до нескольких десятков сантиметров. По этим снимкам компьютерные программы определили границы 606 миллионов построек. Программа видит контур каждого здания на земле, то есть площадь его фундамента.
2. Определение высоты. Чтобы узнать объем здания, недостаточно знать площадь его основания, нужна высота. Ученые использовали спутниковые радары, лазерное сканирование поверхности и анализ теней, которые дома отбрасывают в разное время суток. По длине тени и положению солнца программа точно рассчитывает высоту каждого строения.
3. Определение типа и материалов. Здания одинакового объема могут весить по-разному. Деревянный каркасный дом намного легче здания из монолитного железобетона. Исследователи использовали городские базы данных, строительные справочники разных стран и исторические сведения о типовой застройке. Они знали, в какие годы и из каких материалов строили жилье в Европе, Азии, Северной Америке и Африке.
4. Итоговый расчет. Зная площадь фундамента, высоту и типичные материалы стен, перекрытий и фундаментов, ученые вычислили физический объем каждого здания и умножили его на плотность материалов.

В результате получилась глобальная база данных, в которой каждое здание имеет свой расчетный вес в тоннах. Это позволило увидеть, как форма городов влияет на реальный расход сырья.

Почему небоскребы требуют слишком много материалов

Главный практический вопрос исследования звучал так: как строить города, чтобы тратить как можно меньше бетона и металла на каждого жителя?

Среди архитекторов и экологов шли споры. Одни утверждали, что нужно строить очень высокие дома, собирая людей на маленьком участке земли. Другие говорили, что лучше строить широкие районы из частных домов.

Расчеты показали: оба этих варианта крайне неэкономны. Самым выгодным решением оказалась плотная застройка зданиями одинаково небольшой высоты — примерно от четырех до семи этажей.

Чтобы понять, почему высокие башни неэкономны, нужно рассмотреть физические силы, которые действуют на здание.

Первая сила — это собственный вес конструкций и полезная нагрузка: мебель, жильцы, оборудование. В низком здании эта нагрузка невелика. Стены и колонны первого этажа держат всего несколько этажей над собой, поэтому их можно делать стандартной толщины. В здании высотой в пятьдесят или сто этажей нижние опоры должны выдерживать вес тысяч тонн бетона, расположенных выше. Сечение несущих колонн приходится увеличивать в разы, а внутри конструкций нужно укладывать огромное количество толстой стальной арматуры.

Вторая сила — это ветер. На уровне земли движение воздуха тормозится деревьями и соседними постройками. Но на высоте ста или двухсот метров ветер дует постоянно и с огромной силой. Ветер давит на фасад башни, пытаясь наклонить или опрокинуть ее.

Чтобы башня не разрушилась и не раскачивалась слишком сильно, инженеры вынуждены тратить колоссальные объемы материалов:

• заливать тяжелый монолитный фундамент толщиной в несколько метров и забивать под него глубокие сваи до коренных скальных пород;
• строить внутри здания мощную центральную шахту из прочного железобетона, которая работает как основной опорный стержень;
• ставить дополнительные стальные балки и решетки по внешнему периметру стен;
• монтировать на верхних этажах тяжелые грузы-маятники, которые гасят колебания при штормах.

Кроме того, в высотном здании резко снижается полезная площадь. Чтобы поднимать людей на верхние этажи, требуются десятки скоростных лифтов. Лифтовые шахты, лестничные клетки, вентиляционные короба и технические этажи для насосов занимают центральную часть здания. Получается замкнутый круг: строители заливают сотни тонн бетона, но этот бетон уходит на служебные помещения, а полезного жилья или офисов на каждый килограмм веса получается мало.

Почему неэкономны одноэтажные пригороды

Другая крайность — низкая, разреженная застройка, когда город состоит из сотен тысяч отдельных частных домов с участками.

С точки зрения конструкции один небольшой дом прост. Ему не нужны тяжелые бетонные каркасы и глубокие фундаменты. Однако в пересчете на одного человека расход сырья оказывается огромным.

В частном доме на одну семью есть собственный фундамент, четыре наружные стены и собственная крыша. Вся эта масса материалов защищает от холода и дождя всего трех или четырех человек.

Вторая проблема — коммуникации и дороги. Чтобы подвести воду, электричество, газ и канализацию к тысяче частных домов, нужно проложить десятки километров стальных и чугунных труб, силовых кабелей, насыпать сотни тысяч тонн щебня и уложить тысячи тонн асфальта.

Если ту же тысячу семей поселить в многоквартирных домах, общая длина труб, кабелей и дорог сокращается в десятки раз. Соответственно, сокращается и общий вес материалов, которые нужно произвести и уложить в землю.

Преимущество средней этажности

Плотные кварталы средней высоты лишены недостатков обоих крайних подходов.

Когда дома высотой в четыре, пять или шесть этажей стоят близко друг к другу, образуя замкнутые или полузамкнутые кварталы, возникает сразу несколько физических преимуществ:

1. Нет экстремальных нагрузок. Пятиэтажный дом практически не испытывает опасных ветровых нагрузок. Его стены не нужно укреплять массивными стальными каркасами, а фундамент остается относительно простым и легким.
2. Меньше внешних поверхностей на человека. У таких домов стены часто примыкают к соседним секциям, а жилые этажи делят между собой один общий фундамент и одну крышу. Теплопотери через стены снижаются, а полезная площадь помещений оказывается максимальной по отношению к массе использованного кирпича или блоков.
3. Компактная инфраструктура. На относительно небольшом участке земли проживает достаточно много людей. Трубы, провода и дороги получаются короткими, они работают с высокой нагрузкой и не требуют постоянной укладки километров новых сетей.

Именно поэтому города вроде Парижа или Барселоны расходуют материалы эффективнее всего. Они дают людям максимум полезных квадратных метров при минимальном общем весе зданий.

Химическая цена бетона и стали

Чтобы понимать, почему ученые уделяют столько внимания весу зданий, нужно знать основы производства главных строительных материалов.

Основу современного строительства составляют бетон и сталь. Бетон делают из щебня, песка, воды и цемента. Песок и щебень почти не требуют переработки, но цемент — это сложный химический продукт.

Чтобы получить цемент, на заводах смешивают известняк и глину, измельчают их и засыпают в гигантские вращающиеся печи. Печи нагревают до температуры около 1450 градусов Цельсия. Для создания такого жара круглосуточно сжигают ископаемое топливо.

Но главная проблема заключается в самой химической реакции. Известняк состоит в основном из карбоната кальция. При сильном нагревании он разлагается на оксид кальция, нужный для связывания бетона, и углекислый газ. Углекислый газ неизбежно выходит в атмосферу. При производстве одной тонны цемента выделяется почти тонна углекислого газа. Никакие фильтры не могут полностью убрать этот газ, потому что он является прямым продуктом реакции.

Похожая ситуация происходит в металлургии. Чтобы выплавить сталь для арматуры, железную руду смешивают с коксующимся углем в доменных печах при температуре более 1500 градусов. Углерод из угля отбирает кислород у оксидов железа, образуя чистый металл и огромные объемы углекислого газа.

Каждая лишняя тонна веса здания означает, что на заводе сожгли уголь, нагрели печь и выбросили в воздух новую порцию газов. Уменьшая физический вес зданий за счет правильной планировки, инженеры напрямую сокращают промышленное загрязнение воздуха.

Мировой дисбаланс: кто владеет материалами

Собранная база данных позволила ученым увидеть резкое географическое неравенство в распределении строительных ресурсов.

Страны с высоким уровнем дохода — государства Северной Америки, Западной Европы, Япония — вмещают только 16% жителей Земли. Но в этих же странах сосредоточено 46% всей массы зданий мира. Здесь на каждого жителя приходятся десятки тонн бетона, кирпича и асфальта.

Лидерами по весу зданий на одного жителя оказались Норвегия и Нидерланды. В этих странах построена качественная, долговечная и тяжелая инфраструктура: защитные дамбы, прочные дома, подземные парковки и развитые сети дорог. Кроме того, более 40% городов в богатых странах уже имеют оптимальную плотную структуру средней этажности. Этим государствам больше не нужно строить жилье ударными темпами: их население почти не растет, а базовая инфраструктура уже создана.

Совершенно иная ситуация наблюдается в странах с низким уровнем дохода — в Тропической Африке и отдельных регионах Южной Азии.

Более 80% городов в бедных странах сегодня застроены неэффективно. Это хаотичные, разреженные поселки из одноэтажных или двухэтажных строений низкого качества. Дома стоят далеко друг от друга, нормальных дорог, водопровода и канализации нет. При этом именно в этих странах наблюдается самый быстрый рост населения на планете.

Ученые рассчитали, каким странам потребуется больше всего строительных материалов в период до 2050 года. В первой двадцатке государств с наибольшей потребностью в новом бетоне и стали девятнадцать позиций заняли развивающиеся страны. Единственным исключением среди богатых государств стали США, где население продолжает увеличиваться из-за притока мигрантов.

Если развивающиеся страны пойдут по пути хаотичного горизонтального расширения городов, им потребуется добыть, переработать и уложить миллиарды тонн сырья. Такое количество стройматериалов нанесет колоссальный удар по экологии всей Земли. Чтобы избежать катастрофических выбросов, новые районы африканских и азиатских городов необходимо сразу проектировать плотными, связными и умеренными по высоте.

Главное противоречие: материалы против территории

Исследователи подчеркивают: сделать все города мира среднеэтажными невозможно и даже вредно. При планировании территорий инженеры сталкиваются с конфликтом двух ограниченных ресурсов — объема строительных материалов и площади свободной земли.

У высотных домов есть один серьезный минус — перерасход стали и бетона на квадратный метр жилья. Но у них есть и неоспоримый плюс — минимальная площадь фундамента.

Небоскреб позволяет компактно разместить тысячи людей и офисов на участке земли размером в один гектар. Вся остальная территория вокруг остается свободной. Ее можно сохранить в виде леса, распахать под пшеничные поля, устроить на ней городской парк или естественную пойму реки для защиты от паводков.

Если заменить все высотные кластеры плотными шестиэтажными кварталами, расход материалов снизится. Но городу потребуется занять фундаментом значительно больше физической территории.

В регионах, где свободной земли мало, горизонтальное расширение городов ведет к опасным последствиям:

• Застройка плодородных сельскохозяйственных земель, что создает угрозу производству продуктов питания.
• Вырубка лесов и уничтожение естественных мест обитания животных.
• Закатывание почвы в асфальт и бетон. Во время сильных дождей вода не может впитаться в грунт, что приводит к разрушительным наводнениям на улицах.

Поэтому перед каждым главным архитектором и проектировщиком стоит сложная расчетная задача. Если в городе есть дефицит земли, строителям приходится идти на перерасход бетона и металла и возводить высотные здания, чтобы спасти природные экосистемы вокруг. Если же земля позволяет развивать связную дорожную сеть без ущерба для природы, предпочтение следует отдавать среднеэтажным плотным кварталам.

Точный расчет вместо догадок

Исследование авторов показало, что урбанистика перестает быть просто искусством создания красивых улиц или распределения транспортных потоков. Городское планирование превращается в точную прикладную физику.

Каждая линия на генеральном плане города, каждый утвержденный высотный регламент и каждое решение о ширине улиц имеют прямое выражение в миллионах тонн добытого известняка, сожженного угля и выплавленной стали.

Ошибки, допущенные при планировании сегодня, невозможно исправить быстро. Здания служат 50, 70 или 100 лет. Если город изначально построен неэффективно — либо слишком высоко, либо слишком широко и рыхло, — он будет десятилетиями требовать повышенного расхода энергии, постоянного ремонта длинных коммуникаций и огромных затрат на поддержание инфраструктуры.

Расчет массы сотен миллионов зданий на планете дает инженерам конкретный инструмент. Теперь при проектировании новых районов можно заранее посчитать их физический вес и выбрать ту высоту и плотность домов, которая обеспечит жителей удобным пространством и потребует от планеты минимального количества ресурсов.

Источник: Nature Cities