В статье рассматривается вопрос воздействия высотного строительства на окружающую среду, как новое явление, имеющее в основном негативную сторону. Приводятся исторические справки о первых зафиксированных негативных воздействий высотных зданий на окружающую среду и влиянии на общественное сознание высотного строительства. Рассказывается о исследованиях вопроса влияния высотного строительства на окружающею среду, проведенных в различных сферах науки за рубежом; приводятся результаты исследований.
Высотное строительство появилось еще в 50-е годы XIX века в Америке на рубеже промышленной революции, когда начало развиваться промышленное производство в быстрорастущих городах, что повлекло за собой большой приток людей в города. В сочетании с промышленным прогрессом, появление новых строительных технологий породило возникновение высотного строительства. Высотные здания имели множество преимуществ перед зданиями малой и средней этажностей и полностью решали проблемы растущих мегаполисов, в связи с чем быстро получили широкое распространение по всему миру.
Вопрос о влиянии высотных знаний на окружающую среду возник тогда же, когда началось и само высотное строительство. Интерес к изучению воздействия высотного строительства на окружающую среду был вызван необычным поведением воздушных масс возле высотных зданий. Самым простым примером воздействия высотных зданий на остужающую среду является изменение скорости воздушных потоков возле зданий, вследствие чего возникают вихревые потоки большой скорости в приземной части, которые негативно влияют на людей, находящихся возле высотных зданий. Более сложным аспектом взаимодействия высотных зданий и окружающей среды является рассмотрение изменения направления и скорости потоков воздуха в масштабах не одного высотного здания, а целого города как системы хаотично расположенных высотных строений.
Последствия изменения воздушных потоков вокруг высотного здания имеют, в основном, негативный характер. Во-первых – это возникновение дополнительной ветровой нагрузки на поле фасада здания, которое может повлечь за собой, как частичное разрушение самого фасада, так и ухудшение теплотехнических показателей высотного здания, тем самым вызвав дополнительные расходы на эксплуатацию. Кроме негативного воздействия непосредственно на высотное здание, изменение течения потоков воздушных масс также негативно сказывается на общем состоянии окружающих зданий и на общей экологической обстановке города в целом. Высотные здания, хаотично расположенные в структуре города, мешают естественному проветриванию и способствуют образованию фотохимического смога вследствие циркуляции отработанных газов от автомобилей и производств по замкнутой траектории вокруг здания. При близком расположении зданий, зоны рециркуляции вокруг них воздушных масс накладываются друг на друга и, в совокупности, формируют значительные территории с замкнутым движением воздуха, препятствующим естественному проветриванию городского пространства. Примерный радиус такой зоны циркуляции вокруг только одного высотного строения – около 500 метров, т.е. площадь образуемой зоны вокруг одного здания составляет около одного квадратного километра.
Много исследований в сфере выявления воздействия высотных зданий на окружающую среду было проведено в Японии. Первые работы над этим вопросом были выполнены в 70-е годы XX века. Об экологических проблемах, вызываемых ветром, сопровождающих сооружение высотного здания, впервые было упомянуто Мельбурном и Юбертом (1971), Лоусоном и Пэнварденом (1973), после чего были проведены многочисленные исследования этих явлений и разработаны методы их оценки (Изюмов и Давенпорт (1975), Пенварден и Вайз (1975), Гандемер (1975, 1978), Хант и др. (1976), Коэн и др. (1977), Джексон (1978), Лоусон (1978), Мураками и др). Растущее понимание общественностью своего права на безопасную и удобную общественную среду также способствовало возникновению большего интереса к изучению вопроса воздействия высотных зданий на окружающую среду. Эта тенденция привела к тому, что специалисты признают необходимость вкладывать больше средств и времени в изучение приземных ветров, помимо прочих аспектов, влияющих на жизнь людей и их пребывание в общественных местах. Кроме того, по мере уплотнения городских районов, важность и необходимость комплексного подхода к вопросам регулирования среды обитания стала очевидной.
В Японии факт отрицательного социального влияния ветра, вызванного антропогенным воздействием, был впервые зафиксирован и стал предметом публичных дебатов в 1968 году. Позднее, сооружение 147-метрового здания Мицуи Касумигасеки в Токио, ставшего первым в Японии зданием, превысившим отметку в 100 м, стало проводом для проведения исследований и разработки методов и способов оценки влияния ветров вокруг высотных зданий на окружающую городскую среду. С октября 1981 года в Токио применяется Муниципальный регламент по вопросам воздействия на окружающую среду (EEAMB). EEAMB требует проведения оценки воздействия ветра исходя из исследований, соответствующим образом проведенных в аэродинамической трубе, или анализа CFD для зданий выше 100 м, общая площадь всех этажей которых больше 10000 м2. В EEAMB рекомендуется два метода оценки для ветровой среды, (Мураками и др. (1983), WEI (1989)), причем, для обоснования оценки, сделанной на этапе проектирования, полномасштабные измерения приземных ветров должны проводиться за один год до начала и спустя один год после завершения строительства.
Также следует отметить, что с октября 1978 года, с целью решения проблем, возникающих между жителями районов, окружающих строительные площадки, и застройщиками был введен Муниципальный регламент о предотвращении споров и посредничестве в спорах, связанных со строительством высотных зданий и зданий средней высоты (PMDMB). Когда городской совет получает просьбу о посредничестве, специальный комитет помогает обеим сторонам в решения вопроса на основе PMDMB, и во многих случаях стороны могут найти компромисс и прийти к соглашению относительно строительства. Тем не менее, в некоторых случаях, переговоры перерастают в судебные процессы.
Сравнительный анализ различных типов споров и жалоб производился исходя из положений PMDMB в период с 1994 по 2002 год. (Фуджи 2004, Голигер и др., 2004). Результаты анализа показывают, что большинство споров и жалоб касаются затенения и вторжения в частную жизнь. На отрицательное воздействие ветров на окружающую среду в результате строительства высотных зданий, как правило, приходится приблизительно 12% споров и жалоб. Посадка деревьев, включая искусственные деревья, навесы, ветровые ограждения, ветрозащитные панели и поручни для пешеходов – примеры различных мер противодействия сильным ветрам, вызванным строительством высотных зданий в г. Токио (Накамура, 2009).
Жителям было очень трудно выиграть споры относительно воздействия ветров на окружающую среду, однако, окружной суд г. Осака 10 октября 2002 года впервые признал и осудил сильное влияние ветров, вызванных сооружения 20-этажного многоквартирного дома высотой 56,9 м в Осаке. (Гологер и др., 2004). Несмотря на то, что об усилении скорости ветра вследствие строительства зданий инженерам известно уже почти 40 лет, обществу тяжело признать факт его влияния на социальные явления и человеческий организм в целом. Право на ветровую среду только недавно было признано обществом.
Интересное предложение о подходе к расчету жизненного цикла здания было предложено директором Исследовательского центра ветрового проектирования Токийского политехнического университета И. Тамурой в 2009 году. Как известно, существует концепция определения оптимального уровня расчетной нагрузки на конструктивные элементы здания (с учетом расчетного срока службы отдельных конструктивных элементов) на основе вероятностного расчета минимальной стоимости жизненного цикла (СЖЦ) здания, включая стоимость выполнения первоначальных строительных работ и планируемых ремонтных расходов за плановый срок службы. Несмотря на то, что большинство зданий являются частной собственностью, они также является составляющими элементами города или страны, тесно связанными между собой также и экономической функцией. Планирование непрерывности бизнеса (ПНБ) является важным вопросом не только для частного сектора, но и для города или страны, и обеспечение ПНБ может быть ключом к безопасности города или страны. В частности, высотные здания являются элементом общественной собственности и их повреждения имеют значительные экономические и социальные последствия для общества. Поэтому, оптимальный уровень расчетной нагрузки должен рассчитываться исходя из СЖЦ всего города (или даже страны) как группы зданий, а не из оптимизации СЖЦ отдельного здания.
Одним из недавно разработанных новых проектов является Инженерно-техническая виртуальная организация «ВОРТЕКС-Виндс» (VORTEX-Winds – Виртуальная организация по снижению отрицательного воздействия ураганного ветра на общество (Карим и Киевски-Корреа, 2008)). «ВОРТЕКС-Виндс» – Интернет-ресурс, обеспечивающий объединение и совместное использование интеллектуальных и физических ресурсов стран и организаций – участников проекта, формируемый в сотрудничестве с Университетом Нотр-Дам (НД). Создание «ВОРТЕКС-Виндс» в сотрудничестве с НД является одним из важных направлений Программы Токийского политехнического университета по формированию научно-образовательных центров «совершенных знаний» (Тамура и др., 2008). Интернет-ресурс «ВОРТЕКС-Виндс» будет включать в себя проектные и аналитические модули, научно-информационные базы данных, содержащие, в частности, базы данных по аэродинамике, базы данных проектов ветроустойчивых конструкций и базы данных факторов ветровых угроз, собранные от разных участников проекта и объединенные вместе, а также специализированную Интернет-энциклопедию «Винд-вики» для накопления знаний и результатов исследований, усовершенствования обучения в Интернет-пространстве. Успешные примеры подобного сотрудничества существуют в различных областях науки, метеорологии и инженерной сейсмологии (Карим и Киевски-Корреа, 2008).
Предложенный проект «ВОРТЕКС-Виндс» состоит из двух частей: электронных проектно– аналитических модулей и научно-информационной базы данных. Первая часть состоит из шести модулей: полномасштабный банк данных испытаний, проектирование с помощью базы данных, моделирование неопределенностей, услуги по проведению дистанционных экспериментов, статистические и стохастические (вероятностные) инструментальные средства и компьютерные платформы. Вторая часть состоит из пяти баз: «Винд-вики» (Wind-Wiki), база данных повреждений, служба поддержки, электронные доски объявлений и сервис-программ обучения. Создаваемый Интернет-ресурс может предложить пользователям не только автоматизированные и интегрированные передовые средства проектирования, но и передовую платформу электронного Интернет-обучения в режиме реального времени. В настоящее время четырнадцать научных и образовательных организаций по всему миру сотрудничают в разработке «ВОРТЕКС– Виндс» с целью совместного использования и дополнения индивидуальных интеллектуальных и физических ресурсов. Таким образом, «ВОРТЕКС-Виндс» охватывает объединенные ресурсы партнеров и сотрудников из разных стран мира для решения научно-технических проблем, связанных с воздействием ветров, с применением Интернет-ресурсов. «ВОРТЕКС-Виндс» способен обеспечить успешную реализацию всего многообразия проектов высотных зданий будущего (Карим и Киевски-Корреа, 2009).
Интересную работу провел Колин Бьюкенен, рассмотрев и показав влияние расположения высотного здания в городе с точки рения экономической выгоды расположения. В докладе Колина Бьюкенена для британского фонда недвижимости (август 2008 года) убедительно показана возможность повышения работоспособности людей в офисных высотных зданиях в зависимости от расположения здания в городе. Исследование было проведено на примере изучения городской инфраструктуры Лондона. Было доказано, что с помощью правильного расположения высотного офисного здания в городской системе с учетом таких факторов, как транспортная доступность, фон окружающей застройки и организация внутреннего пространства здания, можно повысить производительность труда людей, работающих в здании, на 15-20%.
Питер Ирвин в своем исследовании попытался выявить формы высотных зданий и их элементов, наиболее благоприятные с точки зрения воздействия на окружающую среду. В исследовании выявлено несколько направлений создания аэродинамически благоприятных форм высотных зданий: формы поперечного сечения здания со смягченными углами, иглообразная форма с уступами, общая форма здания с различными типами поперечного сечения, пористая структура фасада здания, наличие спойлеров или рассеивателей воздушных потоков на фасаде здания. Все эти конфигурации и детали высотного здания могут снизить негативное воздействие ветра, как на само здание, так и на его окружение.
Доцент университета Конкук Цзун-Су Чу в своей работе раскрывает закономерности, связывающие формообразование высотных зданий и регионального климата территории, в частности, взаимосвязь между строительными формами, размерами окон и ориентацией здания в условиях различных типов климата. Данное исследование показывает, как архитектура высотных офисных зданий в привязке к типу климата может решить проблемы перегрева внутреннего пространства в жаркий период года и способствовать аккумулированию тепла внутри здания в холодный период. Достижение этих задач возможно при правильном выборе поперечного сечения высотного здания и его ориентации по сторонам света в зависимости от типа климата территории, на которой расположено здание. Таким образом, на начальных стадиях проектирования, благодаря комплексному подходу к изучению вопроса, можно решить многие проблемы, связанные с будущими затратами на эксплуатацию высотного здания.
В многочисленных проведенных исследованиях воздействия высотных зданий на окружающую среду выявлена прямая или косвенная зависимость между формой здания, его ориентации по сторонам света, расположением в структуре города и воздействием этого здания на окружающее пространство. Таким образом, можно сделать вывод, что при правильном использовании формы здания в контексте его окружения и правильном расположении высотного здания в городской застройке, можно не только минимизировать негативное воздействие, но и получить пользу от высотного строительства, обратить «минусы» высотного строительства в «плюсы».
В качестве примера, можно привести уже упомянутые зоны рециркуляции воздуха вокруг высотных зданий. Расположив высотные здания правильным образом, можно управлять воздушными потоками и ограждать город от сильных природных ветров, направлять потоки воздуха в нужные направления для более эффективного проветривания городского пространства. Кроме того, повышение скорости движения воздушных масс возле высотных строений можно использовать в качестве дополнительного источника получения энергии.
На основании анализа и синтеза исследований, проведенных в различных отраслях науки, можно построить единую систему комплексного подхода к проектированию высотных зданий, применение которой при проектировании обеспечит строительство экономически выгодных, безопасных для человека и окружающей среды высотных зданий.
Плотникова Л. Особенности загрязнения воздушной среды города при высотном строительстве // Высотные здания. Август/сентябрь, 2007. – С. 68-71.
Кузнецов С.Г. Формирование территории застройки с учетом аэродинамических характеристик высотного здания: автореф. дис. канд. техн. наук. – Макеевка, 1999. – С. 2-4,11.
Лицкевич В. Здоровье и высота // Высотные здания. Октябрь/ноябрь, 2007. – С. 68-71.
Правительство Москвы Комитет по архитектуре и градостроительству г. Москвы МОСКОМАРХИТЕКТУРА ПРИКАЗ 17.05.2002 № 101 Об утверждении «Общих
МГСН 4.192005 Проектирование многофункциональных высотных зданий и зданий – комплексов в городе Москве.
МГСН 1.042005 Временные нормы и правила проектирования планировки и застройки участков территории высотных зданий, высотных градостроительных комплексов в городе Москве.
Стандарт организации СТО 014227890012009 Проектирование высотных зданий, разработанный ОАО ЦНИИЭП жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища)
Tamura Y. Wind and tall buildings. Director, Wind Engineering Research Center, Tokyo Polytechnic. Japan, 2009.
Oppressive Impact of High Rise Office Buildings on Inhabitants through an Istanbul Case Study Hande Ünlü, Kotaroh Hirate and Munakata Jun. Japan, 2008.
Типология форм НИЦ «Стадио».
Peter Irwin – Rowan Williams Davies & Irwin inc, Ontario, Canada; John Killpatrick – RWDI Anemos Limited, Unit 4, Lawrence Way Estate, UK; Andrea Frisque – RWDI AIR Inc., Vancouver, Canada. «Friend or foe, wind at height». CTBUH 8th World Congress 2008. 1-7 pp.
Викторова Л.А. Высотные здания – плюсы и минусы строительства // Архитектура и строительство в России: http://www.asrmag.ru/article/vysotnye-zdaniya/
Покорение высоты // Высотные здания. Ноябрь, 2006: http://www.tallbuildings.ru/
Птичникова Г.А. Архитектура прагматизма: история, теория и практика: http://www.pandia.ru/
Новый подход к проектированию высотных зданий // Высотные здания. Февраль/март, 2007: http://www.tallbuildings.ru/
Мягков М.С., Алексеева Л.И. Особенности ветрового режима типовых форм городской застройки // Международный электронный научно-образовательный журнал "AMIT": http://www.marhi.ru/AMIT/2014/1kvart14/myagkov/abstract.php