История создания и реконструкций Большой спортивной арены стадиона «Лужники»

Введение

В данной работе рассказывается о создании и реконструкции главного стадиона страны. В статье объясняются причины проведения всех реконструкций стадиона, объясняются способы изготовления и монтажа покрытия над стадионом, а также мероприятия при проведении реконструкции к Кубку мира по футболу в 2018 году для удовлетворения требований Международной федерации футбола (FIFA).

Цель

Показать процесс создания покрытия над трибунами арены и создания стадиона, удовлетворяющего требованиям FIFA для стадионов, на которых проводятся матчи открытия и финала Кубка мира по футболу.

Сооружение стадиона «Лужники»

Решение о строительстве комплекса спортивных сооружений «Лужники» принято Советом Министров СССР в 1954 году. Архитекторами стадиона были А. В. Власов, И. А. Рожин, Н. Н. Уллас и А. Ф. Хряков. Инженерами являлись В. Н. Насонов, И. М. Резников, В. М. Поликарпов. Причем В. Н. Насонов был в то время директором ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко.

Проектирование комплекса завершилось за 90 дней, 31 июля 1956 года стадион был открыт. Его строительство осуществилось за 450 дней.

Первоначальная вместимость стадиона составляла 110 тыс. зрителей, но в качестве посадочных мест были сплошные деревянные лавки (рис. 1).

Первым спортивным мероприятием, состоявшимся на стадионе, был футбольный матч между командами РСФСР и КНР. А несколько дней спустя на БСА стартовала первая Спартакиада народов СССР.

Первая реконструкция БСА состоялась перед Олимпиадой 1980 года. Были смонтированы четыре осветительные башни, обеспечивающие освещенность арены порядка 2000 люкс, что позволяло вести с Олимпиады телепередачи в цветном формате, также была установлена чаша олимпийского огня (рис. 2).

На БСА прошли соревнования по различным видам спорта, включая футбольные матчи олимпийского турнира, а также церемонии открытия и закрытия Олимпийских игр 1980 года (рис. 3).

Создание покрытия над трибунами БСА стадиона «Лужники»

Вторая реконструкция состоялась из-за того, что Международная федерация футбола (FIFA) выпустила требования о том, что все зрители, присутствующие на стадионе, должны быть защищены от атмосферных осадков. Необходимо было над зрительными местами создать покрытие.

После длительного конкурса принято решение его создать в форме стержневого стального купола, причем покрытие должно опираться на колонны, отстоящие от конструкций стадиона на 5 м.

Авторами проекта покрытия над стадионом «Лужники» были архитекторы А. Г. Оспенников, Г. Е. Ермилина, Т. В. Катунина; инженеры В. В. Ханджи, А. В. Ханджи от МНИИП «Моспроект-4»; сотрудники ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко В. Б. Микулин, М. И. Фарфель.

В результате запроектировано и затем осуществлено большепролетное покрытие с наибольшим в мире безопорным пролетом для такого класса сооружения, который составил 310 м.

Перед началом проектирования в аэродинамической трубе была осуществлена продувка модели будущего покрытия, т. к. в нормах [1] отсутствовали данные по значениям атмосферных нагрузок. Это позволило определить реальные значения снеговых и ветровых нагрузок для проведения расчета покрытия и проверки несущей способности входящих в его состав стальных элементов [3][4][9] (рис. 4).

Кроме того, была испытана большепролетная модель покрытия, на которой выяснялась работа системы от действия на нее разнообразных нагрузок (рис. 5) [4].

На этой же модели проведена попытка смоделировать осадку опор, опирающихся на основание. Были удалены из работы одна, две и три колонны. Такая схема, кроме своего первоначального назначения, явилась прообразом моделирования испытаний для проверки устойчивости конструкции от прогрессирующего обрушения (рис. 6).

Кроме модели сооружения испытывались отдельные модели фрикционного соединения, а также выяснялась работа нового типа кровли из светопрозрачного поликарбоната. Испытания проведены в лаборатории испытаний ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко (рис. 7) [4].

После проведения всех испытаний и выпуска проекта покрытия, в состав которого входил и расчет с проверкой несущей способности всех конструкций системы [9], на двух заводах металлоконструкций были изготовлены элементы покрытия, которые затем были доставлены на строительную площадку для их сборки в пространственный каркас покрытия.

Отметим особенности каркаса покрытия стадиона. Купол покрытия шарнирно оперт на колонны, которые, в свою очередь, шарнирно прикреплены к фундаменту, что позволяет колоннам воспринимать только сжимающие продольные усилия при отсутствии изгибающих моментов. Этот прием позволяет сократить материалоемкость колонны и облегчить создание узлов прикрепления колонны к покрытию и к фундаменту.

Монтаж колонн покрытия изображен на рис. 8 [4].

Осуществление шарнирного опирания выполняется при помощи отфрезерованных торцов опорных элементов.

Далее расскажем о монтаже. Он представлял сложную техническую задачу, т. к. нужно было собрать два контура – наружный и внутренний. Периметр наружного опорного контура – более 900 м, а внутреннего контура – около 600 м длиной [4].

Поясним, как собирался наружный опорный контур. На предварительно установленные и выверенные в проектное положение колонны устанавливались монтажные отправочные марки, которые имели длину, соответствующую транспортному габариту, т. е. около 12 м, и высоту не более 3,6 м. Каждый последующий монтажный элемент соединялся с предыдущим при помощи фрикционных соединений на высокопрочных болтах.

Для обеспечения полной сборки наружного опорного контура в овальное кольцо были предусмотрены четыре компенсационных стыка, в которых устранялись неточности монтажа. На рис. 9 показан процесс монтажа наружного опорного контура.

Вернемся к узлу опирания колонны на фундамент и напомним, что он запроектирован и выполнен шарнирным. Узел и общий вид колонны показаны на рис. 10.

Далее перейдем к монтажу и сборке внутреннего контура. Он по проекту имел сложное сечение в виде пространственной фермы, которая состояла из верхнего, двух средних и нижнего поясов, объединенных с помощью крестовой решетки из широкополочных двутавров в единую пространственную систему [4][7][8].

Сборка внутреннего контура осуществлялась на специально организованных подмостях, которые показаны на рис. 11. Сборка кольца велась симметрично с двух сторон. Собранный полностью внутренний контур показан на рис. 12 [4][7][8].

Возможность неточной сборки поправлялась по данным измерений, которые выполнялись специалистами ООО Фирма «ЮСТАС», представители которой находились на заводе металлоконструкций, где помогали осуществлять контрольную сборку отправочных элементов, и на строительной площадке, а также участвовали в соединении отправочных элементов в овальное сплошное кольцо. Соединение отправочных элементов велось с помощью фрикционных соединений на высокопрочных болтах. Такой тип соединения при монтаже всего каркаса был основным и позволил намного сократить сроки возведения покрытия. Для его осуществления понадобилось 360 тысяч высокопрочных болтов на всем покрытии.

После окончательной сборки внутреннего контура, которая благодаря специалистам ООО Фирма «ЮСТАС» завершилась с прецизионной точностью, идеально совпали отверстия для установки высокопрочных болтов в последнем монтажном стыке, несмотря на то что периметр овального кольца внутреннего контура составлял около 600 м.

Далее полностью собранный внутренний контур весом 4500 кг был поднят на проектную отметку – высоту 50 м. Процесс подъема осуществлялся в течение трех дней при помощи предварительно установленных на специальных стойках мощных домкратов. После достижения внутренним контуром проектной отметки внутренний контур был закреплен на монтажных стойках (рис. 12 и 13).

Следующим этапом был монтаж криволинейных радиальных балок, которые одним концом опирались на наружный опорный контур, а другим – на внутренний (рис. 14).

Монтаж радиальных балок осуществлялся в строгой последовательности, чтобы избежать нежелательных деформаций двух контуров.

После установки всех радиальных балок между ними были смонтированы кольцевые фермы. Совокупность всех установленных элементов обеспечивала необходимую жесткость, устойчивость и неизменяемость покрытия БСА. Вид на стадион во время монтажа показан на рис. 15.

После полной сборки каркаса впервые в строительной практике нашей страны проведено устройство светопрозрачной кровли из поликарбоната немецкой фирмы «Макролон». Ее монтаж показан на рис. 16.

На рис. 17 и 18 показаны фасад и интерьер стадиона после возведения покрытия над трибунами [4][7][8].

Реконструкция стадиона к Кубку мира 2018 года

Следующий этап в истории стадиона «Лужники» – это реконструкция стадиона к чемпионату мира по футболу в 2018 году в России. Стадион был выбран главной ареной чемпионата, на которой должны быть проведены матчи открытия и финала.

Однако он не удовлетворял строгим требованиям FIFA для проведения таких мероприятий. Для этого нужно было провести реконструкцию. Назовем отдельные требования, которым не удовлетворял стадион:

• вместимость. Она должна была составлять 89 тысяч зрителей;
• расстояние в плане от углового флажка до крайнего ряда должно составлять 190 м для обеспечения максимальной комфортности и видимости для зрителей при проведении спортивных мероприятий. На стадионе эта величина была 240 м;
• ширина ступени гребенки трибун должна составлять 80 см для свободного прохода зрителей к своему месту;
• отсутствие скай-боксов, в которых располагались VIP-места для зрителей;
• отсутствие на стадионе зон для прессы и другие требования, которые мы не будем здесь перечислять.

Требование по вместимости удалось решить в результате переговоров московской администрации с президентом FIFA. Оно было снижено до 80 тысяч зрителей.

В ходе подготовки к реконструкции предлагалось либо снести существующий стадион и на его месте построить новый, либо демонтировать старое покрытие и заменить его новым. Варианты реконструкции приведены на рис. 19.

Однако нынешний стадион является одним из символов города Москвы, находится на золотой оси города, на нем было проведено множество знаковых спортивных мероприятий. Поэтому удалось убедить руководство города оставить неизменным его внешний вид. В этом большую роль кроме автора статьи сыграли нынешний директор ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко И. И. Ведяков, известные специалисты нашего института М. Р. Урицкий, П. Д. Одесский, П. Г. Еремеев при поддержке вице-президента РААСН В. И. Травуша.

Авторами реконструкции являлись: архитекторы, работающие в ООО «Спич», А. А. Шубкин, С. О. Кузнецов и А. Э. Чобан. Инженеры реконструкции стадиона «Лужники» – сотрудники ООО «Метрополис» А. В. Любарцев и А. Е. Кущенко; сотрудник ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» М. И. Фарфель.

Реконструкция заключалась в сохранении существующего стального купольного покрытия с увеличением его площади и фасадных трибун, а также полной заменой трибун с удовлетворением требований FIFA при сохранении несущей способности несущих конструкций, что представляло собой сложную инженерную задачу, которая была успешно решена [5][10].

Устойчивость покрытия была обеспечена установкой крестовых трубчатых связей между колоннами стадиона (рис. 20).

На рис. 21 показан демонтаж старых трибун. Для обеспечения устойчивости исторической фасадной стены в последних пролетах старых трибун установлены временные вертикальные связи (рис. 22).

Для определения нагрузок от снега и ветра проведены продувки модели реконструируемого покрытия в аэродинамической трубе ООО «Фирма «Уникон» М. М. Березиным и М. А. Березиным (рис. 23), которые использовались при проведении прочностных расчетов нового покрытия [11], по результатам которых специалистами ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» И. В. Лебедевой и Д. С. Богачевым составлены рекомендации по назначению этих нагрузок.

В ходе выполнения работ по реконструкции были проведены испытания, в которых выяснялось влияние температурных воздействий на несущую способность высокопрочных предварительно напряженных болтов, а также проведены испытания реальных узлов соединения старой части покрытия с новой консольной частью, увеличивающей площадь уникального большепролетного покрытия БСА. Это показано на рис. 24 и 25.

В проведении испытаний, обследовании покрытия перед проведением монтажа, научно-техническом сопровождении реконструкции на стадии изготовления, монтажа и осуществлении реконструкции трибун, при сохранении исторической фасадной стены стадиона, принимали участие специалисты ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко М. И. Гукова, Д. Ю. Коняшин, Д. В. Кондрашов, С. В. Гуров, О. И. Пономарев, А. А. Минасян.

На рис. 26 показан консольный элемент, увеличивающий площадь покрытия БСА, и его вид при сборке в кондукторе. Установленные на покрытие элементы консольной части показаны на рис. 27.

В процессе реконструкции осуществлялся мониторинг напряженно-деформированного состояния элементов покрытия по специально разработанной в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко системе. Приборы системы защищены патентом. Этот процесс показан на рис. 28, где изображено проведение измерений непосредственно на самом покрытии и на временных вертикальных связях [6]. Продолжаются работы по мониторингу деформированного состояния покрытия под руководством и непосредственно специалистами ООО Фирма «ЮСТАС» А. И. Вдовенко, М. В. Марковым, А. Р. Артемьевым, Я. В. Грицишиным.

Стадиону «Лужники» Европейской международной федерацией (УЕФА) присвоен статус «Элит». Он признан одним из лучших стадионов по комфортности в мире (по оценке президента международной федерации Д. Инфантино). Сертификат изображен на рис. 29.

Окончательный вид реконструированных трибун показан на рис. 30.

Также во время реконструкции была проведена полная замена кровли из поликарбоната на новую. Она не поддерживает горение, снижает величину инфракрасного излучения и изготовлена фирмой «Макролон», которая изготавливала поликарбонат при сооружении покрытия БСА, что изображено на рис. 31.

Вид стадиона и его интерьер после проведения реконструкции показан на рис. 32 [4][5][10].

Одной из новых архитектурных особенностей реконструируемого покрытия явилось устройство медиакровли, работу которой можно оценить, рассматривая рис. 33.

Фасад стадиона во время проведения Кубка мира приведен на рис. 34.

На рис. 35 показаны церемонии открытия и финала матчей чемпионата мира по футболу 2018 года, состоявшиеся на Большой спортивной арене стадиона «Лужники».

На рис. 36 изображено вручение Кубка мира по футболу победителю турнира, сборной Франции, президентом РФ В. В. Путиным, а на рис. 37 показан праздничный салют, состоявшийся во время закрытия соревнований.

Выводы

Принципы реконструкции стадиона большой вместимости на примере усовершенствования Большой спортивной арены стадиона «Лужники» можно использовать для удовлетворения требований FIFA на других аренах с вместимостью не менее 80 000 зрителей, чтобы на них можно было проводить матчи открытия и финала Кубка мира по футболу и другие знаковые спортивные мероприятия по футболу, в том числе финал Лиги чемпионов и матчи чемпионата Европы, включая его финал.