О. В. Бумаженко
16.04.2015 г.

  На главную раздела "Научные работы"


          Говоря о гидрогеологических условиях в связи с радоновой проблемой, нельзя не упомянуть и о растущей актуальности проблемы учета режима грунтовых вод в проектировании.

          Рост стоимости городских земель, с одной стороны, а также хорошие теплотехнические характеристики заглубленных зданий (высокая теплоемкость грунта в сочетании с низкой воздухопроницаемостью может обеспечить сокращение теплопотерь таких зданий на 60-80%) и существенное сокращение стоимости их строительства и эксплуатации (в силу полного или частичного отсутствия фасадов), с другой, предопределили бурное развитие в течение двух последних десятилетий подземной урбанистики. Повсеместное распространение подземного строительства, жестко диктуемое экономическими интересами, привело сегодня к обычаю не считаться с последствиями изменения гидрогеологических параметров грунтов, в частности, в отношении грунтовых вод. Между тем, при наличии высоких и мощных водоносных горизонтов в условиях просадочных грунтов включение в земную кору крупных строительных объемов влечет перераспределение и резкое увеличение плотности водных потоков, сопровождающееся размыванием и деформацией пород, усилением напорных и химических (при высокой агрессивности грунтовых вод) нагрузок на ограждающие конструкции, требует их существенного усиления или устройства мощных дренажных систем (в том числе дренажных водоемов), которые также вызывают деформации грунта в силу снижения их водонасыщенности. В конечном итоге экономическая эффективность строительства заглубленных зданий при таких обстоятельствах может оказаться весьма незначительной, если учесть неизбежность весьма существенных затрат как на изготовление и возведение специальных ограждений, так и на их ремонт.

          Примером, раскрывающим остроту экономических и экологических противоречий в области подземной урбанистики, может быть строительство в Петербурге, в частности, реконструктивная деятельность в его историческом центре, где дефицит площади и жесткие историко-архитектурные ограничения обусловливают социальную необходимость в развитии подземного строительства, а сложные гидрогеологические условия сводят "на нет" его экономическую эффективность, грозят бедами и разрушениями при традиционном подходе к их учету (фактов просадки и даже разрушения зданий в результате подземного строительства в истории города множество, последние из них связаны со строительством отеля "Невский палас" на Невском пр.).

          Некоторые из природно-климатических факторов, к примеру, такие как геомагнитные условия места, а также антропогенные электромагнитные явления и загрязнения крайне поверхностно учитывались в строительстве даже гигиеническими нормами. Между тем научно установлен целый ряд серьезных зависимостей изменения психофизиологических реакций человека (и других организмов) при воздействии электромагнитных волн и полей. Так, наиболее благоприятными для протекания биохимических реакций живых организмов оказываются пространства, ориентированные по магнитной оси Земли: например, в коровниках, ориентированных по оси север-юг отмечаются большие удои; сон человека, отдыхающего на меридианально расположенной кровати, более эффективен; явление ухудшения самочувствия человека при быстром перемещении на большие расстояния, который принято связывать с резкой переменой климата, имеет в основе своей также изменение геомагнитных воздействий.

          Негативное воздействие на живые организмы, как показывают исследования последних лет, в наибольшей степени оказывают низкочастотные электромагнитные колебания, вызывая нарушения сердечного ритма, уровня кровяного давления, активности мозга (эффект повышенной утомляемости), обменных процессов, иммунной активности [14]. Их источниками являются открытые линии электропередачи, радио- и телепередающие устройства, радиолокаторы, а также различные пространственные структуры, сформированные с использованием электропроводящих материалов, например, металлов: бесчисленные арматурные стержни, плотно “облегающие" внутренние пространства современных железобетонных зданий, формируют множество проводящих контуров, при попадании в которые изменяющиеся внешние электромагнитные потоки вызывают хаотическое возникновение магнитных полей, действие которых, пока что чрезвычайно слабо изученное, может быть весьма небезопасным. Кроме того, имеющий место эффект экранирования электромагнитных волн различно расположенными в пространстве поверхностями в сочетании с электропроводящими свойствами материалов, из которых эти поверхности выполнены, также обусловливает высокую вероятность резкого ухудшения качественных параметров среды (особенно при возникновении резонансных электромагнитных явлений) - вплоть до ее полной непригодности для человека. Аналогичные явления могут возникать в условиях не только искусственной, но и природной среды, о чем свидетельствует уже ставшее общепризнанным фактом наличие множества естественных геопатогенных зон в структуре ландшафтов, природу которых составляют, как правило, аномальные электромагнитные явления, возникающие вследствие особенностей устройства и минерального состава земной коры.

          Особую значимость явления геомагнетизма и электромагнитных загрязнений приобретают в силу их физической природы: электромагнитные явления составляют суть и основу всех энергетических процессов в природе, а поэтому, электромагинитные воздействия должны стать одним из важнейших факторов, определяющих процессы пространственной организации, формообразования и конструирования градостроительных и архитектурных объектов, а одним из важнейших направлений исследований в области экологии строительства - глубокое изучение влияния электромагнитных излучений на психофизиологию организмов, в т.ч. в зависимости от объемно-пространственных, конструктивных и материальных характеристик как природной, так и искусственной сред.

          Кроме электромагнитных воздействий весьма заметное место в практике проектирования и строительства должен занять ландшафтный фактор: формы рельефа, водоемы, растительность являются эффективнейшими естественными (т.е."экологически чистыми") средствами регулирования практически всего комплекса микроклиматических параметров среды, в частности, ее температурно-влажностного, ветрового, светового режимов, состава атмосферного воздуха, профилактики шумовых, электромагнитных и многих других видов загрязнений (например, научно доказана высокая эффективность растительности и форм рельефа как поглощающих и экранирующих шумовые и электромагнитные потоки элементов среды)[4,14]. Неоспоримые эстетические и психологические преимущества ориентации на ландшафтный фактор доказывает многовековой опыт садово-паркового строительства, который, безусловно, должен быть положен в основу экологического проектирования.

          В результате анализа природно-климатических факторов важно выявить разновидности и силу их воздействий на искусственные компоненты среды в течение года, имея ввиду, что каждый из факторов оказывает, как правило, и положительные, и отрицательные воздействия: например, солнечная радиация является основным источником света, но прямые солнечные лучи слепят глаза, зимой солнце может быть ценным источником дополнительного тепла, а летом часто вызывает сильный перегрев помещений; ветер - главное средство аэрации пространств и одновременно причина снегозаносов; деревья - при всех их исключительно ценных свойствах часто препятствуют необходимой инсоляции помещений и т.д. Таким образом, учет природно-климатических факторов в проектировании предполагает разработку таких объемно-пространственных, планировочных, конструктивных, инженерно-технологических решений, которые позволяют максимально использовать благоприятные внешние воздействия и избегать неблагоприятные в течение года.

          Ранее энергетические аспекты учета природно-климатических факторов в архитектурно-градостроительном проектировании разрабатывались лишь в свете решения задач по освоению районов с суровыми природно-климатическими условиями, однако, результаты исследований и разработки в этой области формируют сегодня основу общей теории проектирования и строительства, в значительной мере определяя наблюдаемый во многих новейших концепциях и постройках процесс качественного изменения направленности архитектурно-строительного процесса.

          Базовым методом учета природно-климатических факторов (включая внешние антропогенные воздействия) является составление экологической модели пространства, к примеру, в виде круга горизонта, на котором векторно отображаются их основные виды, направления и количественные значения [10] (см. рис.*).

          3. Объективная необходимость достижения энергетически эффективной адаптации искусственных компонентов среды к воздействию комплекса природно-климатических факторов определяет неизбежность использования бионических принципов их организации, формообразования и конструирования, проецирующих на строительные объекты механизмы адаптации к условиям обитания представителей флоры и фауны как выработанные и устоявшиеся в течение длительного эволюционного процесса. Для строительства объектов с отапливаемым внутренним объемом наибольший интерес в этом плане представляют механизмы климатической адаптации теплокровных организмов, жизненной необходимостью которых является поддержание гомеостазиса - постоянства внутренних ("микроклиматических") параметров независимо от изменения внешних условий среды посредством регулирования, главным образом, теплообменных процессов: эта же задача является ключевой и в архитектурно-градостроительном проектировании.

          Природа бионических принципов организации любых материально-пространственных структур предполагает их иерархичность, т.е. дифференцированность на высшие и низшие уровни, главные и второстепенные элементы, и определяется известным законом мини-макса, согласно которому максимальный эффект при решении любой задачи достигается минимумом затрат энергии и материалов.

          Исследования, проводимые в рамках архитектурной бионики, позволяют выделить сегодня следующую группу основополагающих принципов формирования архитектурно-градостроительных объектов [9].

          А - на уровне функционально-пространственной организации.

          1) Принцип структурности - предполагает, что наиболее рациональной будет пространственная организация объекта в виде структуры, состоящей из ограниченного набора повторяющихся элементов (в общем случае можно выделить три типа таких элементов - зоны (ячейки), связи и узлы). Это обеспечивает возможность унифицирования и стандартизации их конструктивных составляющих, а также свободного пространственного развития структуры в целом за счет достройки новых элементов. Структурность - необходимое условие рациональной организации и пространства, и формы, и конструкции (см. рис.*).

          2) Принцип гибкости - определяет функционально-пространственную адаптивность системы к изменению климатических параметров среды и динамики внешних и внутренних жизненных процессов. Гибкость функционально-пространственной структуры выражается в способности системы менять свои количественные параметры (емкость, мощность, пропускную способность) и претерпевать другие "внутренние" преобразования при сохранении функциональной целостности, что обеспечивается объемно-пространственной трансформативностью объекта.

          3) Принцип инвариантности - определяет возможность качественных внутренних преобразований системы (функциональной и планировочной реорганизации) без изменения ее структурной основы, что позволяет эффективно решать проблемы морального старения архитектурных объектов и достигается, в частности, вариантностью использования пространств и архитектурно-конструктивными решениями, обеспечивающими максимальную степень свободы перепланировки (в т.ч. со сменой функции) без изменения несущего остова, наружных ограждений, местоположения основных транспортных и инженерных коммуникаций и т.п.

          4) Принцип функциональной компактности - предполагает, что наиболее эффективной и экономичной будет такая функционально-пространственная организация объекта, при которой площадь и протяженность путей осуществления основных функциональных (главным образом, коммуникационных) процессов имеют минимальные значения. Это достигается, преимущественно, повышением "плотности" функциональных процессов, осуществляемых в единице объема.

          5) Принцип теплового зонирования - определяет интенсивность теплообмена здания с внешней средой и предполагает такую его функционально-пространственную организацию, при которой помещения с минимальными расчетными температурами располагаются в периферийных зонах, а с максимальными - в центральной части, формируя тепловое ядро объекта. В зоне теплового ядра целесообразно размещать вертикали основных инженерных коммуникаций, дополнительные источники тепла (печи, камины) и устройства, утилизирующие тепло вентвыбросов и бытовых стоков (теплообменники), а конструктивные составляющие теплового ядра при этом следует выполнять из теплоаккумулирующих материалов.

          6) Принцип буферных пространств (промежуточной среды) - определяет интенсивность энергообмена между двумя средами с контрастными температурами, является частным проявлением принципа теплового зонирования и предполагает формирование вокруг теплого объема здания двойной оболочки из неотапливаемых пространств с промежуточной (относительно внутренней и наружной) температурой. Известно, что скорость теплопередачи через разделяющую две среды оболочку (а следовательно, интенсивность теплопотерь) тем выше, чем больше амплитуда температур этих сред. Промежуточное пространство со средней температурой существенно сокращает эту разницу в пограничных зонах и тем самым снижает теплопотери. Кроме того, вторая “холодная” оболочка защищает “теплую” от переувлажнения осадками и ветровых воздействий, что еще более существенно улучшает теплотехнические параметры наружных ограждений (см.рис. ).

          7) Принцип комбинированного "дыхания" - определяет интенсивность теплообмена и качество воздухообмена с внешней средой; предполагает такую функционально-пространственную организацию объекта, когда преимущественный приток свежего воздуха в основные помещения может осуществляться в теплое время года в виде поверхностного (непосредственно через отверстия-"поры" наружных ограждений), а в холодное - в виде внутреннего "дыхания"- через центральную зону объекта, где холодный приточный воздух по ходу поступления в основные помещения может "подогреваться" различными тепловыделениями: теплом вытяжного воздуха, посредством теплоотдачи внутренних поверхностей объекта, а также накопленным в других специальных резервуарах-аккумуляторах, как правило, солнечным теплом.

          Б - на уровне формообразования:

          1) Принцип пространственной компактности - определяет масштабы естественного поверхностного энергообмена тела с внешней средой и его энергетическую устойчивость (способность поддерживать постоянный внутренний температурный режим: большие масштабы дисперсионных теплопотерь через наружные ограждения требуют больше энергии на поддержание внутренних температурных параметров). Известно, что тела равного объема, но разной формы могут иметь разную площадь поверхности, и соответственно, чем больше эта площадь, тем выше теплоотдача и тем ниже пространственная компактность (см.рис.*). С другой стороны, известно также, что из двух тел одинаковой формы, но разного объема отношение площади поверхности к внутреннему объему будет меньше, а компактность выше у большего, т.е. чем крупнее тело, тем ниже его теплопотери (см. рис.*). Таким образом, изменение формы и величины тела является важным средством регулирования его теплообмена с внешней средой. Наконец, чем выше компактность здания, тем меньше протяженность его ограждающих конструкций, тем меньший объем материалов требуется для его строительства, тем выше возможности его внутренней планировочной реорганизации. Главным условием достижения высокой пространственной компактности является организация объема посредством структурного членения на основе плотной упаковки небольшого числа элементарных пространственных форм - многогранников-параллелоэдров [10].

          2) Принцип направленности - определяет адаптивные качества системы относительно внешних воздействий и предполагает постоянную или временную объемно-пространственную ориентированность форм объекта в направлении преобладающих воздействий различных факторов природной среды с целью максимального использования их благоприятных свойств или максимальной изоляции от неблагоприятных. Например, направленность по благоприятному солнечно-световому потоку выражается в таком объемно-планировочном решении здания и при таком расположении светопроемов, которое обеспечивает наибольшую облученность его поверхностей и прилегающих территорий прямым солнечным светом и лучшую освещенность его основных помещений (в т.ч. светом рассеянным), т.е. позволяет максимально использовать тепловые и световые солнечные ресурсы данной местности (см.рис.*). С другой стороны, направленность объемных форм здания по неблагоприятному ветровому потоку выражается в таком их пространственном расположении, которое обеспечивает минимальную площадь поверхностей, испытывающих это воздействие, и их повышенные изолирующие качества (см.рис.*).

          3) Принцип обтекаемости - определяет адаптивность жесткой формы, помещенной в динамичную среду, к меняющимся силовым воздействиям последней и предполагает такие пространственные очертания формы, которые обеспечивают ее наименьшее сопротивление силовому (например, воздушному) потоку, устраняя необходимость в дополнительных затратах энергии и материалов на обеспечение конструктивной прочности и устойчивости. Кроме того, при существенном снижении напорного давления на поверхность отпадает необходимость в серьезном усилении изолирующих свойств оболочки (см.рис.*) Наконец, аэродинамичность форм предотвращает скопление осадков (например, снега) на поверхностях, что позволяет уменьшать расчетную несущую способность конструкций покрытий (см.рис.*), а также обеспечивает снижение затененности прилегающих территорий.

          В - на уровне конструирования:

          1) Принцип экономичности - предполагает разработку и применение таких конструктивных решений, которые требуют минимальных затрат энергии и материалов на производство, транспортировку, монтаж и эксплуатацию используемых конструкций при обеспечении необходимых для эффективной жизнедеятельности системы качеств; одним из наиболее эффективных проявлений принципа экономичности является многофункциональный характер организации и использования конструктивных частей и элементов зданий.

          2) Принцип оптимизации массы - определяет материальные и энергетические затраты на создание материальной структуры системы: большая масса конструкций требует их большей несущей способности, больших затрат материалов и энергии на транспортировку и монтаж, оказывает более значительные воздействия на грунт, что может вызвать отрицательные изменения его физико-химических параметров. "Для определения степени рациональности здания достаточно его взвесить", - говорил в свое время гениальный американский инженер Б. Фуллер. Однако, абсолютная минимизация массы конструкций, при всех кажущихся преимуществах такого подхода, ведет к утрате очень важного для поддержания межсредового энергетического баланса качества - теплоустойчивости субсистемы (животного, здания), которая определяется теплоемкостью (т.е. массивностью) составляющих ее компонентов. Поэтому рациональным оказывается определение массы конструкций из условия обеспечения необходимой, т.е. энергетически эффективной, теплоустойчивости системы, но при таком распределении функциональных нагрузок между конструктивными частями и элементами, когда возможна минимизация массы большинства из них.

          3) Принцип гетерогенного размещения материала - является следствием реализации принципа направленности и предполагает, в частности, что различия внешних воздействий, испытываемых различно ориентированными поверхностями ограждений требуют соответствующего отражения в конструктивном решении последних, обеспечивая эффективную защиту при неблагоприятном характере этих воздействий или использование их благоприятных свойств. Например, в сравнении со стенами, длительно облучаемые солнцем, стены, лишенные прямого солнечного излучения, требуют усиленной теплоизоляции и влагонепроницаемости.

          4) Принцип многослойности оболочки - определяет эффективность "работы" ограждающих конструкций под воздействием различных макро- и микроклиматических факторов внешней и внутренней среды; предполагает, что наиболее эффективны многослойные схемы конструкций, где комплекс функций, выполняемых ограждениями, распределяется между составляющими их конструктивными слоями, что позволяет рационально использовать соответствующие свойства различных материалов, а значит, оптимизировать массу конструкции.

          5) Принцип пространственно-временной динамичности - определяет адаптационные свойства конструкций относительно пульсирующих или необратимых изменений функциональных и технических параметров системы, что предполагает обеспечение возможностей трансформации, пространственной подвижности отдельных конструктивных частей и элементов здания (см. рис.*), а также "обновления" и "наращивания" их свойств в процессе эксплуатации без изменения принципиальной конструктивной схемы. Например, объективная неизбежность дальнейшего повышения теплоизоляционных свойств наружных ограждений зданий до истечения расчетного срока их эксплуатации, с одной стороны, и требование минимизации затрат на осуществление соответствующих операций, с другой, обусловливают наибольшую эффективность таких конструктивных решений ограждений, которые позволяют увеличивать мощность теплоизоляционного слоя без замены других конструктивных слоев. (Очевидно, что такая возможность обеспечивается трансформативностью или сборно-разборностью конструкций защитного слоя ограждения.)

          Итак, важнейшим фактором, определяющим качество процессов энергообмена здания с внешней средой, а значит, его базовые эксплуатационные параметры, является оптимальность объемно-планировочной структуры объекта, оценку которой целесообразно осуществлять на основе критериев функциональной, пространственной компактности и направленности, как наиболее комплексно характеризующих первичные функционально-энергетические показатели системы, в т.ч. ее материалоемкость [9].

*Автор не смог прислать рисунки ввиду давности написания отчета.

В начало                               Продолжение
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить