Проектирование систем ОВК высотных общественных многофункциональных зданий

Автор: Дональд Росс (Donald Ross)

НП "АВОК" при поддержке компании "Арктика" готовит к выходу в октябре новую книгу - "Проектирование систем ОВК высотных общественных многофункциональных зданий". Автор книги, Дональд Росс (Donald Ross), на протяжении многих лет занимается проектированием и строительством высотных общественных многофункциональных зданий по всему миру.

В книге подробно изложены особенности проектирования систем ОВК высотных общественных многофункциональных зданий, указаны их отличия от соответствующих систем других типов зданий, приводятся альтернативные решения проектирования систем ОВК в высотных зданиях, рассматриваются различные варианты систем ОВК, проводится их сравнительный анализ и объясняется, чем обусловлен выбор каждого из них. Особое внимание в книге уделено взаимодействию систем ОВК с другими инженерными системами, такими как водоснабжение, канализация, спринклерные системы, системы вертикального транспорта и т. д. Широко освещаются вопросы акустики систем ОВК.

В книге публикуются чертежи, наглядно демонстрирующие конкретные особенности проектирования систем ОВК.

Информация, изложенная в книге, будет интересна в первую очередь проектировщикам систем ОВК, а также широкому кругу специалистов в этой области.

Предисловие к российскому изданию

Неконтролируемое расползание городов является одной из основных проблем, с которыми сталкивается в настоящее время мировое сообщество. Так как наши города растут по горизонтали в большей степени, чем по вертикали, поглощая все большие земельные площади, для проезда на работу и домой людям приходится преодолевать все большие расстояния. Например, в период с 1990 по 2000 годы среднее расстояние, проезжаемое за один день одним человеком в Великобритании, увеличилось с 2,4 до 40 км. Существует прямая корреляция между плотностью городского населения и затратами на энергообеспечение - в более плотных городах затраты на энергообеспечение ниже, т. к. протяженность тепловых и электрических сетей меньше.

Необходимо признать, что высотные здания стали характерными контурами городского ландшафта многих городов США, Японии, Канады, Китая и Европы. Сегодня строительство высотных зданий не является проявлением амбициоза государственных или городских руководителей или воплощением честолюбивых замыслов архитекторов и сверхбогатых бизнесменов, а представляют новый закономерный этап развития городского строительства и являются экономически выгодными элементами городского хозяйства. По мнению современных архитекторов, большая этажность зданий или большая плотность городского населения, при которой жилье, работа и учреждения социальной сферы и отдыха расположены близко друг к другу, ведет автоматически к более высокому качеству жизни.

Проблема целесообразности строительства высотных зданий постоянно обсуждается в острых дискуссиях между архитекторами, инженерами, социологами, психологами, экологами, медиками и специалистами по безопасности. Нам представляется, что ответ на вопрос о целесообразности строительства высотных зданий содержится в концепции понимания высотного здания как нового этапа развития среды обитания человека. Эта концепция лежит в основе проекта токийской "Башни тысячелетия", предложенного выдающимся современным архитектором Норманом Фостером. "Башня тысячелетия" представляет собой вертикально расположенный традиционный горизонтальный городской квартал со всеми его жилыми зданиями, магазинами, ресторанами, кинотеатрами, музеями, спортивными сооружениям, зелеными насаждениями и транспортной системой, образуя тем самым сверхвысокое сооружение многофункционального назначения. Высота этого 170-этажного здания должна составить 800 м - в два раза больше созданного до сих пор сооружения. В нем смогут проживать до 60 тысяч жителей. Это на 20 тысяч больше населения Монако. Причем башня будет занимать всего 0,013 км2 по сравнению с 1,95 км2 площади Монако. Это сооружение представляет собой фактически самодостаточное, долговечное, живущее в небе сообщество. Все это звучит как фантастическое описание будущего, но современная строительная индустрия обладает всеми средствами для создания таких сооружений.

Несмотря на то что строительство высотных зданий имеет более чем 100-летнюю историю, в мировой технической литературе практически отсутствуют материалы, обобщающие практику инженерных решений высотных зданий. В журналах можно встретить отдельные статьи, посвященные в целом архитектуре, конструктивным и инженерным решениям высотных зданий. В то же время имеется большое количество монографий и популярных изданий, относящихся к архитектуре этих зданий. Мировую известность получили высотные здания, построенные в Москве в 50-е годы ХХ века и символизирующие своими архитектурными образами победу советского народа в Великой Отечественной войне. Попытки найти в журналах или других специальных изданиях обобщающие материалы по системам ОВК и аэродинамике этих зданий положительных результатов не дали. Однако точно известно, что такие исследования проводились! К моменту выхода настоящей книги в нашей стране, за исключением нескольких журнальных статей, книги "Энергоэффективные здания" (М.: АВОК-ПРЕСС, 2003) и нормативного документа Москомархитектуры "Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м", опубликованного в 2002 году, других материалов по высотному строительству нет.

Не умоляя важности архитектурных и конструктивных проблем при проектировании высотных зданий, отметим следующие, не менее серьезные проблемы, которые имеют место при проектировании систем ОВК:
- проектирование систем ОВК высотного здания принципиально отличается от проектирования этих же систем для многоэтажных зданий, т. к. для высотных зданий влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания является по своей значимости экстремальными;
- каждое высотное здание является уникальным произведением архитектурно-инженерного искусства, и применяемые в нем решения не могут быть тиражированы в других проектах без серьезного переосмысления и глубоких дополнительных исследований, включающих методы физического и математического моделирования.

Последнюю проблему поясним следующим примером. В связи с увеличением воздействия ветрового давления на верхние этажи высотного здания чрезвычайно затруднено использование естественной вентиляции (проветривание помещения путем открывания окон). Окна традиционной конструкции при использовании в высотных зданиях не обеспечивают требуемого сопротивления воздухопроницанию, поэтому в высотных зданиях необходимо разрабатывать специальные конструкции заполнения световых проемов. Так, для зданий "Commerzbank" и "Main Tower" во Франкфурте-на-Майне были разработаны специальные, раннее не встречавшиеся в практике конструкции заполнения световых проемов, которые не только обеспечивают требуемое сопротивление воздухопроницанию, но что особенно замечательно - возможность использования естественной вентиляции посредством открывания окон.

Учитывая, что, с одной стороны, масштабы строительства высотных зданий ежегодно значительно возрастают во всем мире и, с другой стороны, имеет место ощутимый дефицит основополагающих материалов - нормативных, справочных, методических документов по проектированию инженерного оборудования высотных зданий, американская ассоциация ASHRAE поручила своему комитету в рамках исследовательского проекта осуществить работу по созданию руководства "Проектирование систем ОВК высотных общественных многофункциональных зданий". Работу возглавил Дональд Росс (Donald Ross), обладающий богатым опытом проектирования таких зданий во многих странах мира. Например, он участвовал в конструировании "Сирс Тауэр" (Sears Tower) в Чикаго (самое высокое здание в Соединенных Штатах), здания Банка Китая (Bank of China Tower) в Гонконге (самое высокое из всех зданий, построенных вне Соединенных Штатов и одновременно самое высокое здание в Азии на момент его возведения), здания "MesseTurm" во Франкфурте, Германия (самое высокое здание в Европе на момент его возведения). Он внес решающий вклад в проектирование более чем 200 офисных зданий, отелей, больниц, лабораторий и ряда других проектов на пяти континентах.

Представляется замечательным, что автор книги уже во введении указывает на то обстоятельство, что в последнее десятилетие в обществе существенно изменилось отношение к экологии и потреблению энергии, и это изменение повлияло на архитектурное проектирование, потребовало применения энергоэффективных систем теплоэнергоснабжения и ОВК, в том числе использование нетрадиционных возобновляемых экологически чистых источников энергии, интеллектуализации зданий на основе компьютерной техники. Главным здесь автор считает осознание в профессиональной среде проектировщиков необходимости учета направленного действия наружного климата на оболочку здания и выбора такой формы здания, чтобы максимально использовать положительное и нейтрализовать отрицательное воздействие наружного климата. Архитектурное и инженерное проектирование здания с учетом направленного действия наружного климата позволяет без дополнительных затрат повысить энергетическую эффективность здания, качество микроклимата и решить задачу сохранения природной окружающей среды. Следует отметить, что точное решение задачи оптимизации формы здания с учетом направленного действия солнечной радиации и ветра впервые было получено М. М. Бродач и опубликовано в 1987 году (Теплоэнергетическая оптимизация ориентации и размеров здания // Науч. тр. НИИСФ. М., 1987), а также в монографии "Mathematical Models of Thermal Conditions in Buildings", изданной в США в 1993 году издательством CRC Press, и книге "Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий" (М.: АВОК-ПРЕСС, 2002).

Основные достоинства книги Дональда Росса, по нашему мнению, заключаются в следующем:
- представленная в книге методология рассматривает проектирование систем ОВК высотных зданий как процесс изучения, обсуждения и осмысления альтернативных вариантов при условии, что окончательное решение будет принято с учетом интересов заказчика, архитектора, инженера-конструктора, технолога, специалистов в области водоснабжения, вертикального транспорта, безопасности зданий, т. е. с учетом интересов всего творческого коллектива;
- материал, содержащийся в книге, охватывает не только вопросы, связанные с проектированием систем ОВК высотных зданий, но также и вопросы взаимосвязи систем ОВК с системами водоснабжения, канализации, электроснабжения, вертикального транспорта и системами безопасности. Такое содержание книги является по-своему уникальным, и поэтому книга представляет интерес для широкого класса специалистов-проектировщиков;
- материал книги убедительно демонстрирует то положение, что любой раздел проектирования не может быть выполнен на высоком уровне, если проектировщик не овладел глубоким пониманием специфики процессов в высотном здании и не учитывает в равной степени интересы смежников и важность совместных усилий всего коллектива. Достаточно отметить, что в проектировании здания "Commerzbank" во Франкфурте-на-Майне участвовало, помимо проектных фирм, более 400 научно-исследовательских организаций.

Важнейшей проблемой при проектировании высотных зданий является исследование аэродинамики здания и застройки. В результате строительства высотного здания изменяется аэродинамика городской застройки и возникают сильные воздушные вихревые потоки на прилегающих улицах. Поэтому при проектировании высотного здания требуются исследования не только аэродинамики самого здания, но также исследования влияния высотного здания на аэродинамику городской среды. Аэродинамика здания в значительной степени влияет на воздушный режим внутри здания, на расположение приточных и вытяжных вентиляционных устройств, на расчетные значения скорости ветра и температуры наружного воздуха вблизи поверхности здания. Аэродинамика здания и застройки, а также научные основы моделирования подробно изучены в фундаментальных работах В. В. Батурина, Э. И. Ретера, Ф. Л. Серебровского. В американской литературе эти исследования относятся, как правило, к изучению влияния воздействия ветра на проектирование и расчет инженерных конструкций зданий и сооружений (см., например, монографию E. Simiu, R. Scanlan "Wind Effects on Structures", выпущенную издательством "John Wiley & Sons"). Видимо, по этой причине в книге Дональда Росса этим важнейшим вопросам не уделено необходимого внимания.

Несмотря на то что в книге часто встречаются ссылки на нормативные, справочные и методологические документы США, это нисколько не снижает ее ценности, т. к. эти ссылки не нарушают целостности материала и в настоящее время, в связи с возможностью использования Интернета, легко доступны российским специалистам.

Предлагаемая читателю книга Дональда Росса представляет значительный интерес не только для специалистов в области ОВК, но также для архитекторов, инженеров-конструкторов, специалистов по вертикальному транспорту, системам водоснабжения, канализации, электроснабжению и системам безопасности высотных зданий и заказчиков. Особый интерес материал книги представляет для преподавателей и студентов высших учебных заведений.

Заказать книгу