Влияние природно-климатических условий на высотные здания

Большое влияние на формирование архитектуры высотных зданий имеют природно-климатические условия строительства – горизонтальные ветровые нагрузки, температурно-влажностный и солнечный режим окружающей среды. Так, фасады современных высотных зданий отличаются друг от друга в зависимости от ориен­тации по странам света, наружные конструкции здания должны вос­принимать разницу в температуре, атмосферном давлении и влаж­ности между внешней и внутренней средой.

Важным критерием при разработке проекта высотного здания представляется оценка определения ветровой нагрузки и расчета зданий на воздействие ветра, и не только с точки зрения статической надежности, но и с точки зрения реакции здания на те или иные воз­действия (образование завихрений, возникновение шумов и т.п.).

Первые высотные здания, возведенные из кладки, не были так подвержены ветровому воздействию, как современные здания из стекла, металла и бетона. Большие открытые пространства внутри здания, балки большого пролета, внутренние перегородки и навес­ные фасады, все большая высота зданий существенно уменьшили несущую способность здания. Отсюда учет горизонтальных воздей­ствий на здание становится одним из основополагающих факторов при расчете здания на прочность. Воздействие ветра на высотное здание определяется рельефом местности, наличием зданий и со­оружений, деревьями, а также объемно-пространственной структу­рой самого здания. При расчете учитываются такие характеристики, как скорость, направление и характер ветра.

Известно, что средняя скорость ветра, как правило, возрастает с высотой здания (рисунок ниже).

Обобщенная схема изменения вектора скорости ветра с высотой: а – спираль Экмана; б – вертикальный профиль над ровной поверхностью

Большое влияние при ветровой нагрузке имеет наличие ароч­ного проема в здании, который создает возможность перемещения воздушного потока с высоким давлением в заветренную сторону здания, где преобладает зона низкого давления. При этом скорость ветра под аркой и вблизи нее в два раза превышала скорость ветра на исследуемой территории. При воздействии ветра на здание по­мимо прямого ветрового потока возникают потоки повышенной скорости – турбулентные потоки и завихрение воздуха. Вихри с высокой скоростью вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи здания, из-за чего возникают небольшие ощущаемые колебания здания. Кроме колебаний при завихрении возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов, проникновения таких потоков через щели в окнах, а также «завыва­ние» вокруг здания. Такие колебания отрицательно воспринимаются людьми и поэтому должны учитываться при проектировании высот­ных зданий.

За рубежом основным инструментом определения распро­странения ветрового давления на высотное здание и влияние возве­денного здания на окружающую застройку является специальная аэродинамическая труба. В такой трубе в зависимости от поставленных задач принимаются модели различного масштаба, на­пример М1:1250, M1:1500 или М1:500 и др., определяются парамет­ры давления на здание, влияние на окружающую среду, шум от вет­ра и другие показатели. Результаты, полученные при испытании в аэродинамической трубе, переносятся на реальный объект с различ­ными коэффициентами точности.

При воздействии ветра на здание помимо прямого ветрового потока возникают потоки повышенной скорости – турбулентные потоки и завихрение воздуха. Вихри с высокой скоростью вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи здания, из-за чего возникают небольшие ощущаемые колебания здания. Кроме колебаний при завихрении возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов, от проникновения таких потоков через щели в окнах, а также «завыва­ние» вокруг здания.

Такие колебания отрицательно воспринимаются людьми и по­этому должны учитываться при проектировании высотных зданий.

Наиболее оптимальной следует считать форму, которая позво­ляет получить минимальные ветровые нагрузки по направлениям преобладающих ветров. Это поможет уменьшить динамические на­грузки на здание и его колебания, влияющие на комфорт, а также оптимизировать конструктивное решение.

Объемно-пространственное решение высотного здания долж­но выполняться с учетом возможного воздействия ветра. Это отра­жается на принимаемой за основу форме здания.

Схемы объемно-пространственных решений с анализом вет­ровых потоков вокруг них, которые используются при проектирова­нии высотных зданий, приведены в таблице ниже.

Объемно-пространственные решения высотных зданий

№	Название схемы	Схема внешней формы здания	Пример реального объекта	Наименование объекта
1	2	3	4	5
1	Пластина			«Оверси-Чайниз Бэнкинг Корпорэйшн Сэнтр» (Сингапур) Арх.: Я.М. Пэй энд Партнерс 52 этажа
				«Хесперия хотэл» (Барселона, Испания) Арх.: Ричард Роджерс Партнершип энд Алонсо Балагер 32 этажа
				«Джон Хэнкок сэнтэр» (Чикаго, Иллинойс, США) Арх.: Скидмор, Оувингс энд Меррилл ЛЛП 100 этажей
				«Осака Ворлд Трэйд центр билдинг» (Осака, Япония) Арх.: Никкен Сэккей Лтд энд Манчини Даффи Эссошиэйтс 55 этажей
2	Башня квадратная			«Ла Тур» (Вэствуд, Лос- Анджелес, Калифорния, США) Арх.: Старкманн Видал; Кристенсен; Шепард Нель­сон энд Уиллер 24 этажа
				«Глориэтта Оаквуд» (Макати, Филиппины) Арх.: Архитекчур Интер­нешнл, Лтд 26 этажей
3	Башня круглая			«Австралия Сквэа» (Сидней, Австралия) Арх.: Хэрри Сейдлер энд Эссошиэйтс 45 этажей
				«Марина-Сити» (Чикаго, США) Арх.: Бертран Голдберг Эссошиэйтс 64 этажа
4	Башня треугольная			Коммерцбанк (Франкфурт-на-Майне, Германия) Арх.: Фостер энд Партнэрс 53 этажа
				«Нэшнл Коммершиал Бэнк» (Джеда, Саудов­ская Аравия) Арх.: СОМ Скидмор, Оуингс & Мерилл 27 этажей
5	Башня многолучевая			«Лэйк Пойнт тауэр» (Чикаго, США) Арх.: Джорж Шиппорейт, Джон С. Хейн- рих 65 этажей
				Здание на Котельнической набережной (Москва, Россия) Арх.: Д. Чечулин, А. Ростковский 32 этажа

Из рассмотренных в приведенной таблице форм особенно сле­дует отметить цилиндрическую и треугольную как имеющие пре­имущества по следующим критериям:

1. наименьшая поверхность сопротивления ветровому давле­нию (по сравнению со зданиями прямоугольной формы расчетное давление снижается на 20-40%);
2. обеспечение пространственной работы конструкций, обла­дающих высокой экономичностью и технологичностью.

Также возможно использование зданий в форме пластин или эллипса при возможности совместить благоприятную ориентацию по странам света и относительно преобладающих ветров, с учетом наименьшего сопротивления ветру или, если это требуется, ветровой защиты дворовой территории.

С целью снижения природно-климатических воздействий на высотные здания большие работы проводят по оптимизации форм.

Помимо рассмотренных объемно-пространственных решений уменьшение влияния ветровой нагрузки на здание может быть дос­тигнуто с помощью применения следующих архитектурных приемов: выполнения зданий в виде усеченной пирамиды, пристройки объемов меньшей высоты.

Также используется разделение здания на два объема, разде­ление верха здания. Однако следует учитывать, что наряду с умень­шением общей ветровой нагрузки на здание возникает эффект уве­личения скорости ветра между разделенными объемами. Поэтому требуется оценка возможности использования этих двух приемов в каждом конкретном случае с учетом ориентации здания по отношению к преобладающим ветрам и других факторов.

Варианты рассмотренных приемов приведены в таблице ниже.

Оптимизация внешних форм высотных зданий

№	Вид формы	Схема внешней формы здания	Пример реального объекта	Наименование объекта
1	Усеченная пирамида			«Аль Фейзалия» (Эр-Рияд, Сау­довская Аравия) Арх.: Фостер энд Партнерс 40этажей
				«Трансамерика Корпорэйт Хэдквотэрс» (Сан- Франциско, Ка­лифорния, США) Арх.: Уильям Л. Перейра Эссо­шиэйтс. 48 этажей
2	Ступенчатый объем			Главное здание МГУ (Москва, Россия) Арх.: Руднев Л.В., Чернышов С., Абросимов П., А. Хряков 36 этажей
				Здание на Ко­тельнической набережной (Москва, Россия) Арх.: Д. Чечу­лин, А. Ростковский. 32 этаж
3	Разделение здания на два объема			«Умеда Скай билдинг» (Оса­ка, Япония) Арх.: Хироши Хаара Ателье 100 этажей
				«Сэнтрал Чайнес Телевижион Хэдквотэс» (Пекин, Китай) Арх.: Р. Кулхаас, О. Ширен 56 этажей
4	Разделение верха здания			«Токио Сити холл»(Токио, Япония) Арх.: К. Танге энд Эссоши­эйтс 48 этажей
				«Кингдом сэнтр» (Эр- Рияд, Саудов­ская Аравия) Арх.: Консор­циум Эллерб Беккет, Инк., Миннеаполис и Ормания энд Эссошиэйтс 38 этажей

При выполнении высотного здания в виде усеченной пирами­ды влияние ветровой нагрузки снижается, значение его горизон­тального прогиба (крена здания) уменьшается на 10-50%. Это дает возможность уменьшить сечение несущих конструкций, что, несо­мненно, влияет и на экономичность строительства.

При проектировании высотных зданий следует использовать следующие архитектурные приемы для снижения скорости призем­ного ветра на уровне пешеходных зон:

1. организация подиумов вокруг высотных зданий. Подиумы разбивают воздушные потоки, в том числе ниспадающие, тем самым уменьшают силу ветровых потоков на нижнем уровне;
2. благоустройство прилегающего участка с размещением ма­лых архитектурных форм, посадка деревьев с низкой кроной, задер­живающих ветер.

По мере увеличения высоты зданий многие проблемы обост­ряются. Одной из таких важнейших проблем является опасность от­клонения от вертикальной оси под влиянием ветровых нагрузок. Выходом из положения стало решение разместить на верхнем тех­ническом этаже одного из филадельфийских небоскребов достаточ­но большой груз, который мог перемещаться по двум перпендику­лярным направляющим. Этот же прием, более усовершенствован­ный, применен в нью-йоркском Корпентерцентре. Ветровая нагрузка просчитывалась компьютером, сообщение передавалось на пульт, и груз смещался в необходимую точку плана.

Правильный учет природно-климатических факторов, влияю­щих на высотные здания, обеспечит:

• безопасность эксплуатации высотного объекта;
• создание рациональных объемно-пространственных решений;
• разработку фасадов современных высотных зданий, отличаю­щихся друг от друга в зависимости от ориентации по сторонам света;
• создание требуемого температурно-влажностного режима в помещениях;
• принятие оптимальных мероприятий по эвакуации людей из высотных зданий.