Глава 4. Моделирование условий строительства и эксплуата­ции зданий повышенной этажности в г. Костанай

1. Учет ветрового и климатического режима в строительстве

Прежде чем перейти к изложению учету моделирования не­обходимо оговорить вопросы, которые решались в данной главе. Природно-климатические факторы определили ряд типологических требований к массовому индустриальному жилищу города Костанай. Это также определило постановку задач рассматривае­мых в гл.4. Для оценки существующих и выработки новых архитек­турно-планировочных решений, а также их сравнительной оценки по параметрам адаптированности к местным условиям были проведены:

• оценка применяемых на практике реально существующих архитектурно-планировочных решений организации жилой застройки города Костанай;

• на основе анализа зарубежного и отечественного опыта в проектировании жилища в сходных условиях разработаны и предло­жены новые архитектурно-планировочные решения жилой застройки.

Для количественной оценки ветрового режима всей территории застройки ее ветрозащитных качеств определялся коэффициент проду­ваемости (методика НИИСФ)» по формуле:

где: ViSi - скорость ветра в соответствующей зоне и ее площадь

V₀ - скорость набегающего потока;

S - площадь застройки, численно равная площади много­угольника, описанного вокруг зданий.

Рис.4.1. Опыт моделирования обтекания зданий, имеющих форму параллелепипеда воздушным потоком.

Для наглядности по полученным фотографиям строилась карта полей скорости ветра в застройке, где вся территория жилых групп была разделена по скорости ветра на следующие зоны:

1. - зона малых скоростей 0 ≤ V₁ / V₀< 0,4

2. ^{- зона умеренных скоростей 0,4} ≤V₂/ V₀^{< 0,6}

3. - зона средних скоростей 0,6 ≤ V₃ / V₀^{< 0,8}

2. - зона повышенных скоростей 0,8 ≤ V₄ / V₀^{< 1,0 и выше}

Здесь V - скорость набегающего потока;

V₁, V₂, V₃, V₄ - скорости потока в соответствующих зонах.

По описанной методике были определены коэффициенты проду­ваемости исследуемых жилых групп для господствующего направления ветра.

2. Ветрозащитные качества планировок зданий повышенной этажности застройки г. Костанай

Исследованиям на гидролотке подвергались различные плани­ровочные решения жилой застройки г. Костанай. Для сравнения раз­личных вариантов застройки и их ветрозащитных качеств были отоб­раны наиболее характерные примеры:

• микрорайон № I КЖБИ (застройка начала 60-х годов);

• характерная планировочная организация жилой группы в застройке 60-х годов;

• микрорайон № 8 (застройка 80-х годов);

• жилая группа (современная застройка).

Следует особо оговорить, почему оценке по ветрозащитным качествам подвергали именно указанные планировочные решения в целях обоснования данного выбора. Так, микрорайон № I г. Костанай выбран потому, что он является типичным планировочным решением свободной застройки 60-х годов, а также перед фронтом застройки этого микрорайона со стороны господствующих ветров нет никакой застройки, которая бы искажала характер набегающего воздушного потока. Все это необходимо для того, чтобы сопостав­лять результаты, полученные в результате моделирования с натур­ными наблюдениями.

Выбор планировочной организации жилой группы также выте­кает из массовости подобного планировочного решения в организа­ции дворовых и околодомовых территорий в застройке 60-х годов.

Выбор третьего варианта связан с состоянием в организации жилой среды на существующем уровне, что конечно тоже требует сравнительной оценки.

Перед тем как приступать к экспериментам, необходимо было определить наиболее опасные направления ветров в зимний период. В основу комплексной оценки температурно-ветрового режима города Костанай были положены: роза повторяемости ветров по направлениям, скоростные розы ветров, температурные розы ветров. Исходя из этого определялась максимальная величина ветроохлаждения( Н ) в условных единицах для каждого из восьми румбов по формуле:

где: V - скорость ветра;

t- температура воздуха при ветре

Для г.Костаная наиболее опасными по величине ветроохлаждения (Н) являются направления ветра с сектора ЮЗ - Ю (180­-225°С), Повторяемость для января ЮЗ – 27%, Ю – 28%; среднеме­сячная скорость ветра по направлениям ЮЗ - 5,8 м/сек, 10-5,2 м/сек; температура воздуха при соответствующих направлениях вет­ра ЮЗ -14,3° , Ю -12,8°С.

Анализ результатов привел к необходимости раздела территории города Костанай на три группы в зависимости от направлений ветра и величины ветроохлаждения (рис.4.2 и 4.3).

Далее были определены коэффициенты продуваемости для пере­численных вариантов застройки (табл.4.1).

Таблица 4.1

Коэффициенты продуваемости застройки

Примеры	Площадь в усл.ед.	Направле­ние ветра	Коэффициент продуваемо­сти
Микрорайон № 1	172	юз-ю	0,57
Жилая группа 60-х годов	384	юз-ю	0,41
Микрорайон № 8	394	юз-ю	0,48
Жилая группа	318	юз-ю	0,32

Из анализа полученных данных следует, что принцип свобод­ной планировки жилых образований массовой застройки 60-х годов полностью не отвечает условиям повышенного ветрового режима Костаная. По карте полей скорости ветра на территории микрорайона № 1 (рис.4.4) видно, что ни одно здание застройки не защищено от прямого воздействия ветра. Кроме того, на территории микрорайона отмечаются значительные площади полей скорости ветра превышающие скорости свободного потока вне застройки. Зоны повы­шенных скоростей ветра отмечаются даже на территории придомовых детских игровых площадок, рекреационных участках детских садов и школ, что в условиях повышенного ветрового режима является не­допустимым.

Следующим характерным элементом массовой жилой застройки 60-х годов анализировалось планировочное решение внутридворового пространства, в какой-то степени это планировочное решение явля­ется типичным (рис.4.5). Территория таких дворов, как показали исследования на модели не защищены от ветра. По диагонали внут­реннего пространства дворов проходят зоны со значительными ско­ростями, превышающими скорости ветра на свободных от застройки участках. Все это затрудняет планировочную и функциональную ор­ганизацию внутридворовых пространств.

Рис.4.2. Анализ территории города Костанай по условиям ветроохлаждения

Рис.4.3 Анализ территории города Костанай по условиям ветроохлаждения

Микрорайон № 8, постройка 80-х годов (рис.4.6). Здесь широ­кой применялись поворотные секции (угол 135⁰), которые позволили значительно расширить возможности планировочных решений в орга­низации ветрозащитной застройки. Но этот тип плани­ровочной организации жилой застройки также имеет ряд недостатков. В застройке, как видно на фотоснимках макета, имеются вытянутые участки (коридоры) с большими скоростями ветра, что вызвано ря­дом планировочных ошибок в расположении зданий относительно гос­подствующих ветров. Они искусственно создали два ветровых потока с повышенной скоростью, которые пронизывают территорию микрорайона. В планировочной структуре этого микрорайона есть замкнутые дворовые пространства, которые защищены от ветров других направ­лений. Это решение представляется ошибочным, так как в летний период на территории микрорайона будут образовываться застойные зоны.

Следующий из рассматриваемых вариантов застройки представ­ляет из себя ветрозащитную жилую группу (рис.4.7). В этом проект­ном предложений автора предпринята попытка учесть множество фак­торов включая недостатки перечисленных выше планировочных реше­ний. В результате исследований на макетах и анализа существующих решений и натурных наблюдений выдвинута следующая концепция пла­нировочной организации жилой группы в условиях г. Костанай, которая должна отвечать следующим требованиям:

• максимальная защищенность от ветра в зимний период (ЮЗ-Ю, сектор 180-225°);

• максимальная защищенность внутреннего дворового прост­ранства жилой группы, исключающая возможность образования на ее территории зон с повышенными скоростями ветра;

• основную нагрузку от ветра берут на себя ветрозащитные дома-экраны, тем самым на остальные здания в жилой группе дейст­вует ослабленный ветровой поток;

• возможность проветривания жилой группы с других не опас­ных направлений ветра, особенно в летний период;

• размеры жилой группы по глубине 10-12 Н домов-экранов, определялись как наиболее эффективные в целях ветрозащиты зда­ний и придомовых территорий, дальнейшее увеличение размеров при­водит к снижению ветрозащитных характеристик.

Рис.4.4 Моделирование ветрового режима в жилой застройке

Рис.4.5 Моделирование ветрового режима в жилой застройке

Рис.4.6. Моделирование ветрового режима в жилой застройке

Рис.4.7. Моделирование ветрового режима в жилой застройке.

В результате исследований определен коэффициент продуваемости К_п предложенного планировочного решения жилой группы, который показывает, что ее ветрозащитные качества лучше чем у микрорайона № 8 и почти в два раза выше чем у микрорайона № 1 ( табл.4.1).

Следует отметить, при разработке планировочной концепции учитывалось то, чтоб она не ограничивала, творческих возможностей в поиске разнообразных планировочных решений, оставляя возможность для поиска многообразных решений, которые могут включать смешан­ную многоэтажную, среднеэтажную, одно-, двухэтажную и другие типы застройки.

3. Образования ­заносов снега на территории застройки.

Территория города Костанай характеризуется одной из самых больших величин снегопереноса в стране 600-1500 м³/п.м.

Активный ветровой режим, характер рельефа и подстилающая поверхность местности во многом способствуют этому. Причем наи­больший объем снегопереноса для Костаная приходится при низовых метелях и поземке. Способность к сдуваемости у неуплотненногоо сухого снега довольно высока и начинается при отно­сительно небольших скоростях ветра 2,5-3,5 м/сек (порог дефля­ции). Поэтому при рассмотрении вопросов снегозаносимости терри­торий необходимо определять основные направления тех ветров, ко­торые создают снегоперенос. Преобладающий снегоперенос для Костаная по румбам совпадает с розой наибольших средне­месячных значений скорости ветра.

Анализ образования снегозаносов в селитебных территориях показывает, что характер застройки, ориентация зданий, улиц ока­зывают решающее влияние на распределение снежного покрова в зас­тройке. Так как большие сугробы и зоны сплошного снеговыдувашя образуются в результате обтекания воздушного потока зданий и других препятствий.

В экспериментах рассматривались два примера застройки: решение внутридворового пространства в застройке 60-х годов и современная жилая группа (предложение автора), с целью исследования процессов образования снегозаносов натерриторий жилой застройки.

Для количественной оценки защиты территории жилой застрой­ки от снегозаносов подсчитывались коэффициенты снегопокрытости по формуле

где: К₁ - учитывающий площади максимальных снегоотложений (более 30 см); К₂ - равномерные снегоотложения (до 30 см); Кз - сплошного снеговыдувания; S₁, S_2, S₃ - соответствующие площади; S₀ - площадь застройки, численно равная площади много­угольника описанного вокруг зданий.

Эти коэффициенты дают возможность количественно иллюстри­ровать соотношение указанных площадей в застройке, В результате наблюдений получены следующие результаты:

- вариант застройки 60-х годов (рис. 4.8)

K₁ = 0,48; К₂= 0,31; K₃ = 0,21

- жилая группа (рис.4.9)

K₁ = 0,21; К_г= 0,71; K₃ = 0,08.

В первом варианте обращает на себя внимание большие зна­чения коэффициентов K₁ и K₃, что указывает на то, что 48% территории застройки приходится на площади с максимальными иснегоотложениямии 21% на площади со сплошным снеговыдуванием (зоны сплошного выдувания наблюдаются в местах срыва ветрового потока с граней зданий). Во втором варианте наибольшее значение имеет коэффициент К₂ = 0,71.

Рис.4.8. Моделирование образования снегоотложений в жилой застройке

Рис.4.9. Моделирование образования снегоотложений в жилой застройке

Сравнивая два варианта планировочных решений следует отметить, что в первом варианте только 31% тер­ритории внутридворового пространства находится в благоприятных условиях, во втором 71% территории. Внутридворовое пространство застройки 60-х годов практически не поддается функционально-планировочной организаций. Те части двора где отсутствуют снего­заносы совпадают с зонами повышенных скоростей ветра, а те зоны где скорости ветра понижены совпадают с зонами максимальных снегоотложений. Особые трудности в таких условиях возникают с орга­низацией внутридворовых транспортных и пешеходных коммуникаций. В первом варианте около 40% их протяженности приходится на зоны максимальных снегоотложений. Необходимо при проектировании транс­портных и пешеходных коммуникаций вести разбивку внутридворовых проездов с учетом их наибольшего совмещения с зонами выдувания S_{3 и} наименьшего их совмещения с зонами максимальных снегоотложений S₁.

Те участки трасс, которые совпадут с зонами сплошного снеговыдувания, практически не потребуют затрат на их сне­гоочистку.

Во втором рассматриваемом варианте жилой группы, сделана попытка учесть защиту территории застройки от ветра, но и довести до минимума образование зон с максимальными снегоотложениями. В практике отсутствует методика оценки жилых территорий по защищенности от снегозаносов из-за многообразия факторов влия­ющих на формированиеснегозаносов. Для региона города Костанай эта проблема является одной из важнейших, так как снего­заносы осложняют функциональное состояние жилой среды в целом.

Отсюда вытекает необходимость определения оптимальных зна­чений коэффициентов K₁, К₂, K₃ для различных планировочных ре­шений в заданных климатических условиях. В результате экспери­ментов были установлены следующие их значения:

K₁ - не более 0,25;

К₂- не менее 0,65;

K₃ - ие более 0,1.

дальнейшее уменьшение значений коэффициентов K₁ и K₃ связано с ухудшением других санитарно-гигиенических параметров жилой застройки.

4. Сочетание новых типов зданий с ветрозащитной застройкой

Внедрение рыночных отношений в сферу жилищного строитель­ства привело к изменению структуры жилищного фонда городов. Пред­почтение отдается новым типам городского жилища. К ним в первую очередь нужно отнести индивидуальные жилые дома.

Учитывая эти тенденции автором предлагается вариант смешан­ной ветрозащитной застройки с индивидуальными отдельно стоящими домами (рис.4.10). Отдельно стоящие жилые дома являются наиболее незащищенными от воздействия ветра и снегозаносов. Жилые группы и территории застроенные отдельно стоящими индивидуальными жилы­ми домами также обладают низкими ветрозащитными качествами. Соответственно для данного типа застройки в условиях города Костанай характерны высокие теплопотери от выхолаживающего эффек­та ветров в сочетаний с низкими температурами воздуха. Выхола­живающий эффект от воздействия ветра также связаны с планировоч­ными особенностями этого типа жилища - малой шириной корпуса, большим периметром и площадью соприкосновения с окружающей сре­дой, большими разрывами между зданиями в застройке.

Как показали опыты на моделях, ветрозащитный эффект от 9-этажного дома-экрана протяженностью не менее 60 м равен 10-12 высотам, это порядка 300-400 м. Поэтому предлагается застройка чередующая через определенное расстояние ветрозащитные дома-экра­ны (ориентированные перпендикулярно господствующим ветрам) и индивидуальную застройку (рис.4.10).

Здесь же предложены оптимальные размеры разрывов. Где L₁ -ширина корпуса дома-экрана 12-15 м,L₂~ ширина дворового про­странства перед домом-экраном 50-60 м,L₃- полоса индивидуаль­ной застройки 250-300 м,L₄ -пространство перед следующим до­мом-экраном для озеленения и транспорта - 30 м. Увеличение раз­меров ведет к снижению ветрозащитных характеристик указанной застройки.

Рис.4.10 Организация ветрозащиты малоэтажной застройки.

Следующий вариант смешанной ветрозащитной застройки пред­ложен в сочетании со среднеэтажными жилыми домами.

Рис.4.11 Организация ветрозащиты малоэтажной застройки.

Среднеэтажные жилые дома хоть и обладают ветрозащитными характеристиками выше чем у индивидуальных домов, но значительно уступают протяженным домам-экранам. Для сравнения глубина ветрозащитной зоны дома-экрана в среднем равна 800-400 м, то у среднеэтажных в условиях ветрового режима города Костанай не превышает 100 м. Кроме того, среднеэтажные дома не имеют большую протяженность, поэтому не могут сформировать ветрозащитного фронта перед защищаемыми территориями.

Далее на рис.4.11 автором предлагаются варианты сочетания ветрозащитной и среднеэтажной застройки, где также предложены оптимальные размеры разрывов. Где L₁ - ширина корпуса дома-экра­на 12-15 м,L₂ - ширина дворового пространства перед домом-экра­ном 50-60 м,L₃ - полоса средне этажной застройки 300-400 м, L₄-пространство перед следующим домом-экраном для озеленения и транс­порта - 30 м. Здесь, по сравнению с первым вариантом, увеличен об­щий разрыв между домами-экранами с 400 до 500 м. Это связано с тем, что среднеэтажные дома сами обладают ветрозащитными свойст­вами глубиной от 80 до 100 м.

Таким образом, можно заключить, что смешанная застройка имеет более высокие ветрозащитные свойства по сравнению с одно­родной среднеэтажной и однородной малоэтажной застройкой. Приме­нение смешанного типа застройки снизит степень воздействия отри­цательных факторов местного климата, повысит санитарно-гигиеничес­кие характеристики околодомовых территорий жилой среды в целом.

Выводы по главе

1. Предложена планировочная организация жилых групп в ус­ловиях повышенного ветрового режима города Костанай, осно­ванная на применений протяженных ветрозащитных домов-экранов. Наиболее приемлемой для рассматриваемых условий, в результате сравнительных оценок на моделях признана полузамкнутая планиро­вочная организация жилой группы, обеспечивающая ветрозащиту с наиболее агрессивных, ярковыраженных направлений ветра по усло­виям ветроохдаждения и воздействия пыльных бурь.

2. Установлено, что одним из основных факторов сопутствую­щих повышенному ветровому режиму в зимнее время является снегоперенос, вызывающий накопление больших снежных масс на территорий жилой застройки. В связи с этим разработана и предложена методи­ка приблизительной оценки защищенности от снегозаносов жилых тер­риторий в условиях города Костанай. Определены оптимальные соотношения и значения коэффициента снегопокрытости территории жилой застройки.

3. Предложены варианты планировочной организации смешанной ветрозащитной застройки. С использованием новых перспективных типов городского жилища, индивидуальных малоэтажных и среднеэтажных жилых домов, в сочетании с ветрозащитными домами-экранами.

4. Обосновано применение ветрозащитного протяженного дома-экрана, располагаемого перпендикулярно господствующему направле­нию ветров (дом имеет диагональную ориентацию - северо-запад, юго-восток). Функционально-планировочная организация квартир проведена в соответствии с фазами и цикличными максимумами отри­цательных воздействий основных климатических факторов, как в холодный, так и в теплый периоды. Использование 3-4-комнатных квартир в доме-экране также согласуется с данными социально-демографического анализа, который отмечает дефи­цит указанного типа квартир в жилом фонде города.