Мир инженерных идей

Прогноз погоды для небоскребов
М. С. Мягков, кандидат технических наук, начальник отделения экологического моделирования НИиПИ экологии города

№ 1 за 2006  год

Электронная версия научно-популярного журнала "Архитектура и строительство Москвы".

Владимир Ресин:
«Это только начало пути...»

Р. П. Алдонина, заслуженный архитектор РФ
Школа XXI века

Ф. А. Петров, доктор исторических наук
Татьяна Федоровна Саваренская

М. С. Мягков, кандидат технических наук, начальник отделения экологического моделирования НИиПИ экологии города
Прогноз погоды для небоскребов

Интервью первого заместителя главного архитектора Москвы, директора ГУП МНИИТЭП академика архитектуры Ю. П. Григорьева
«Мы не квадратные метры возводим, а формируем облик города...»

В. А. Соловьев
Ходынка

Ю. Р. Л. Коган, руководитель отделения "Академическое" корпорации "ИНКОМ-недвижимость"
Юго-Запад Москвы: округ равных возможностей

А. М. Младковская
"Архитектура - это состояние духа"

Художник Игорь Ревенко: поэзия русской усадьбы

НАШИ ПОЗДРАВЛЕНИЯ

Рано или поздно любой крупный город начинает испытывать дефицит свободных площадей под застройку и оказывается вынужденным идти по пути ее уплотнения, в частности, за счет увеличения этажности. Высотное строительство влечет за собой появление не только инженерно-технических проблем, связанных непосредственно с возведением и эксплуатацией многоэтажных объектов, но и резкое изменение экологической обстановки на прилегающих к ним территориях, в том числе изменение микроклиматической ситуации, в первую очередь ( деформацию воздушных потоков. Кстати, среди инженеров-конструкторов есть мнение, что "небоскребом" следует считать здание, для которого жесткость конструкции определяется именно ветровыми нагрузками, а не силой тяжести (хотя более широко распространено определение "небоскреба" как жилого или административного здания высотой более 150 м). В любом случае высота здания и скорость ветра - величины тесно взаимосвязанные.
Многие москвичи уже привыкли к тому, что в большинстве районов столицы не только гулять ( даже просто ходить неуютно: шум, загазованность, то дует, то накатывает духота... Поэтому мы даже не возмущаемся отсутствием скамеек, скажем, на основных магистралях города ( все равно на этих скамейках никто не стал бы сидеть. Со строительством высоток ко всем прочим видам экологического дискомфорта добавляется еще и ветровой. За счет чего он возникает?
В общих чертах картина обтекания здания воздушным потоком (ветром) выглядит следующим образом. На подходе к зданию ветер тормозится, создавая положительное давление (зона подпора воздуха). При этом воздушные потоки, обтекающие преграду сверху и с боков, ускоряются, компенсируя вызванное последней уменьшение площади своего сечения. Разделение потока по вертикали происходит примерно на отметке 2/3 высоты здания, с подветренной (или, как иногда говорят, "заветренной") стороны которого, как известно из школьного курса физики, образуется зона отрицательного давления (разрежения воздуха), имеющая приблизительно треугольную форму. Здесь формируются мелкие воздушные вихри; движение воздуха носит турбулентный характер. Разница давления с наветренной и подветренной сторон создает дополнительную горизонтальную нагрузку на несущие конструкции, требуя усиления их прочности, о чем говорилось в самом начале.
Турбулентность возникает там, где ламинарный поток отрывается от препятствия (зона отрыва). Ее возникновение можно ожидать не только с подветренной стороны, но и по углам, и у кровли. Чем выше здание, тем более объемные воздушные массы его обтекают и тем, следовательно, выше скорость обтекающих потоков. В результате вокруг высоток формируется ветровой режим, отличающийся от ранее существовавшего на данной территории повышенными скоростями воздушных потоков и даже образованием зон, где они носят порывистый характер. Размер этих зон зависит от, как уже сказано, размеров здания, скорости естественного атмосферного ("градиентного") ветра и характеристик шероховатости подстилающей поверхности, определяющих изменение (сдвиг) скорости ветра в зависимости от высоты. Указанное отличие бывает настолько сильным, что зачастую вызывает крайне неблагоприятные последствия. Например, после появления двух первых небоскребов в деловом районе Токио Камаматсу-чо, ранее застроенным 2-3-этажными традиционными японскими домами - с использованием деревянных рам, обтянутых бумагой и тканью, возникли довольно серьезные проблемы, связанные с изменением ветрового режима на прилегающей территории. От резкого порывистого ветра рамы начали так сильно вибрировать, что возникла реальная угроза разрушения ограждающих конструкций. В расположенных по соседству магазинах резко упало число покупателей. На железнодорожной станции, находящейся в 600 метрах от небоскребов, у пассажиров ветром вырывало из рук билетики, а порой и их самих грозило сдуть с платформы под поезд. Кроме того, резко возросли запыленность воздуха и теплопотери жилых домов. Все это вынудило муниципальные власти Токио в 1976 году ввести требование для всех новых зданий высотой более 6 этажей и общей площадью более 3 тыс. м2 на стадии проекта выполнять аэродинамические испытания с учетом прилегающей застройки.
Порывистость - вот главная беда. Если к ветру, дующему с постоянной, пусть даже высокой скоростью, можно привыкнуть, то порыв всегда содержит элемент неожиданности. Пешеход в подобных случаях вынужден хвататься за головной убор, придерживать полы длинной одежды, "бороться" с зонтом и из-за этого рискует не заметить препятствия на своем пути или угодить под машину. Опасность порывов ветра заключается еще и в возможности совпадения их частоты (частоты турбулентных пульсаций) с резонансной частотой колебаний конструкций зданий и сооружений, что может привести к разрушению последних. Такой ветер способен сломать или сильно повредить крупное дерево.
Расчеты показывают, что при интенсивности турбулентности (ее значение для типичных городских условий составляет 0,3-1,4), равной 1/3, турбулентные потоки "градиентного" ветра, имеющего среднюю скорость 3 м/сек., по своему воздействию оказываются эквивалентными ветру, дующему на открытом пространстве с постоянной скоростью 6 м/сек., то есть в два раза более сильному. Данное обстоятельство необходимо учитывать, размещая вблизи высотных зданий такие элементы благоустройства, как, например, детские площадки, трибуны, открытые кафе.
Москва не относится к числу городов с сильными ветрами: их среднемесячная скорость, например, для января составляет 3.1 м/сек., среднегодовая ( 2.8 м/сек. Этот показатель существенно ниже принятого в архитектурной климатологии порога (5 м/сек.), требующего уже ветрозащиты. Но при планировке территории следует учитывать порывистость. По данным наблюдений на метеостанциях Москвы, сила порывов ветра, средняя скорость которого равна 5(10 м/сек., составляет (3 м/сек. (соответственно, при скорости 11-15 м/сек. ( (5-7 м/сек. Важно также и то, что частота возникновения порывов в среднеплотной застройке составляет 0.1 Гц (то есть, один порыв в 10 сек.), а вблизи высоток она, как правило, повышается до 0.5 Гц.
В зависимости от скорости и порывистости ветер может существенно затруднять действия человека. Для оценки степени этих затруднений в мировой практике используются так называемые критерии ветровой комфортности. Приведем некоторые из них, имеющие наиболее полное научно-практическое обоснование и широкое применение.
В Германии для целей проектирования городских открытых пространств с учетом ветрового режима существует система критериев, определяющих допустимые скорости ветра с учетом вероятности повторения максимальных порывов. Эта система, как видим, учитывает повторяемость скорости ветра в порывах, но не его среднюю скорость.
В США, Великобритании и Канаде используются критерии ветровой комфортности, предложенные Н. Изюмовым и А. Дэвенпортом в 1975 году. Они разработаны по отношению к определенным видам деятельности на открытых городских пространствах и основаны на частоте повторяемости той или иной средней максимальной скорости ветра. Подобный подход удобен тем, что, в отличие от значения средней максимальной скорости ветра, информация о силе ветра в порывах не всегда доступна из стандартных метеорологических наблюдений.
Свои системы критериев ветровой комфортности есть в Японии, Австралии, Китае и ряде других стран. В России они впервые были введены в МГСН4.04-94 "Многофункциональные здания и комплексы" и учитывают не средние или средние максимальные скорости ветра, а скорости максимальных порывов в зависимости от их повторяемости.
Обратимся к "ветровой комфортности" Москвы. На ее территории скорость ветра в порывах достаточно часто достигает критических для жителей значений. По данным метеорологической обсерватории МГУ, порывы силой 10 м/сек. и более наблюдаются в столице ежемесячно. Пик средней скорости максимальных порывов приходится на холодное время года (январь ( 16 м/сек.), а наибольшая максимальная скорость (28 м/сек.) зафиксирована в июле. При обтекании ветром отдельных зданий и сооружений больших размеров эти скорости могут усиливаться в 2 и более раза, а вероятность порывов с критическими скоростями может составлять 1,5-2%. Следовательно, вопрос ветрозащиты территорий городской застройки, особенно вблизи высоток, для Москвы является чрезвычайно актуальным.
Что же в данной связи наработано архитекторами в странах, раньше нас столкнувшихся с проблемой ветрового дискомфорта на территориях, прилегающих к высотным зданиям? И в первую очередь: каким образом прогнозируется ветровая обстановка вокруг подобных зданий? В большинстве случаев проблема решается ещё на предпроектной стадии путем метаматематического моделирования и натурных экспериментов. Этим, как правило, занимаются специализированные инжиниринговые компании. Для целей математического моделирования используется класс моделей, получивших название CFD (computitional fluid dynamic). В зависимости от степени своего "развития" они способны решать задачи не только аэродинамики, но и более сложные ( тепло- и влагопереноса, лучистого теплообмена, расчета ряда микроклиматических параметров (автором статьи уже выполнено около 10 таких прогнозов в составе градостроительных обоснований размещения зданий повышенной этажности в Москве).
Математическое моделирование дает больше возможностей, чем натурное, однако решение уравнений аэро- гидро- и термодинамики для значительного количества объектов в застройке требует довольно много времени даже при современном уровне развития вычислительной техники. Натурные эксперименты позволяют быстрее и нагляднее выполнить аэродинамическое моделирование, особенно если речь идет о крупных городских территориях с множеством зданий. Недостатком указанного метода является отсутствие возможности учета переноса тепла и влаги, лучистой энергии, термической конвекции и микромастшабных процессов, обусловленных с шероховатостью подстилающей поверхности.
Одновременно с прогнозом изменения микроклиматической обстановки путем моделирования архитекторы при принятии проектного решения используют некоторые общие принципы, проистекающие из опыта, накопленного за всю историю существования высотных зданий. Один из таких принципов: застраивать высотками отдельные, достаточно крупные части города, в идеальном случае ( его центр. Наименьшего ветрового дискомфорта следует ожидать именно в том случае, если город в продольном разрезе будет иметь профиль "холма". При этом объекты высотного строительства следует размещать в шахматном порядке. Если же здания стоят вдоль магистрали, необходимо ( рекомендуется обеспечивать разрыв между ними не менее пятикратной ширины их фасадов, выходящих на красную линию.
Увеличение этажности от окраин к центру должно происходить постепенно. Не рекомендуется строить отдельные здания, которые выше соседних в 1,5 раза. Высотки могут возводиться в составе отдельные градостроительных ансамблей на обособленных участках города - здесь удачным примером служит комплекс МГУ на Воробьевых горах.
Далее. В Москве широко распространен прием застройки жилых кварталов, когда более высокие здания расположены по периметру, а внутри "прячутся" малоэтажные детские сады, школы, поликлиники и так далее. С точки зрения обеспечения микроклиматической - в частности, ветровой - комфортности это наиболее неудачное композиционное решение. На рисунках приведен пример математического моделирования аэрационного режима двух кварталов, суммарный строительный объем которых примерно одинаков. В первом случае по периметру размещены 17-этажные дома, внутри ( 3-этажное здание. Во втором случае периметр 12-этажный, а в середине ( 25-этажная башня со стилобатом. Моделирование велось для юго-западного ветра, дующего со скоростью 5 м/сек. Сравнение показывает, что в первом варианте поле скорости ветра имеет гораздо более контрастный характер, чем во втором: на отдельных участках скорость возрастает до 10 м/сек. (200% от модельной), в то же время внутри квартала формируется много зон с плохими условиями аэрации. Второй же вариант, как мы видим, оказывается более благоприятным с точки зрения "ветровой комфортности" (подробности см. на рисунке).
Вышесказанное реабилитирует идею высотного строительства, давая понять, что в случае принятия правильных градостроительных решений его объекты не ухудшают, а даже улучшают состояние воздушной среды на прилегающих территориях.
Архитектурно-строительные приемы, как правило, направлены на создание не столько комфортных, сколько безопасных для находящихся вблизи здания пешеходов ветровых условий. Примеры некоторых таких приемов, а также проектных ошибок в данной сфере приведены на рисунках.
В заключение хотелось бы добавить, что ветер ( не единственный микроклиматический фактор, с которым возникают проблемы на территории высотной застройки. За счет перераспределения потоков солнечной радиации высотные здания могут создавать также зоны теплового дискомфорта. Скажем, какой-то участок возле "небоскреба" со сплошным остеклением фасада при определенном угле падения солнечных лучей будет получать практически удвоенное количество солнечной радиации. Если здесь разместить площадку, покрытую асфальтом, хорошо ее поглощающим, температура покрытия в условиях плохой аэрации может подняться до 80(С. А если здесь водитель припаркует автомобиль или пешеход остановится передохнуть?
Так что вскоре, возможно, мы не будем удивляться, слыша по радио или телевизору после обычной метеосводки: "А теперь ( прогноз погоды для небоскребов..."

Литература
Молодкин С. А. Исследование влияния ветровых нагрузок при проектировании и строительстве высотных энергоэффективных жилых зданий // Строительный эксперт. 2005. № 13 (200).
Bosselmann P. et. all. Urban form and climate - cfse study, Toronto // J. of the American planning association. 1995. Vol. 61/2, p 226(239.
Kamei I., Maruta E. Study on wind environmental problems caused around buildings in Japan // J. of industrial aerodynamics. 1979. Vol. 4, p. 307(331.
Climat booklet for urban development: references for zoning and Planning. Baden-Wurttemberg Innen Ministerium. Stuttgart, 2004.
Isyumov N., Davenport A.G. The ground level wind environment in built-up areas. Wind effects on buildings and structures. London, 1975.
Исаев А. А. Справочник эколого-климатических характеристик г. Москвы. М., 2003. С. 307.
Leighton Cochran. Design features to change and/or ameliorate pedestrian wind conditions. Cermak Peterka Petersen inc. 2004.