CC BY
42Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 69.032.22
А.А. МАГАЙ, заслуженный архитектор, канд. архитектуры, директор по научной деятельности (magay_1@mail.ru)
АО «ЦНИИЭП жилища — Институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий» (АО «ЦНИИЭП жилища»)
(127434, Москва, Дмитровское ш., 9, стр. 3)
Моделирование функциональных структур
высотных зданий
Освещены вопросы моделирования высотных зданий. Небоскребы являются сложной многоуровневой системой, состоящей из разных функциональных структур, подчиненных трем основным видам жизнедеятельности - жилью, работе, отдыху. Для обеспечения указанных видов деятельности высотные здания включают в свой состав типообразующие, дополнительные и эксплуатационно-технические структуры, на основе которых определяют функциональное назначение здания. При разработке архитектуры высотного здания большое значение имеют природно-климатические условия, особенно ветровые нагрузки. Такое же важное значение имеет выбранная конструктивная система, обеспечивающая безопасность эксплуатации здания. Построение модели вертикального зонирования высотного здания обеспечит правильное расположение функциональных структур, их взаимодействие и взаимосвязь, что повысит эксплуатационные качества здания.
Ключевые слова: функциональные структуры, внешние и внутренние факторы, информационная, динамическая, статическая модели, этапы моделирования.
A.A. MAGAY, Honored Architect, Candidate ofArchitecture, Director of research (magay_1@mail.ru) AO «TSNIIEP zhilishcha» — institute for complex design of residential and public buildings» (AO «TSNIIEP zhilishcha») (9/3, Dmitrovskoe Highway, Moscow, 127434, Russian Federation)
Simulation of Functional Structures of High-Rise Buildings
Issues of the simulation of high-rise buildings are covered. High-rise buildings are a complex multilevel system consisting of various functional structures subordinated to three main types of livelihood - housing, work, and rest. To provide these types of activity, high-rise buildings include type-forming, additional, and operational-technical structures on the basis of which functional purposes of the building are determined. When developing the architecture of the high-rise building, natural-climatic conditions, wind loads especially, are of great importance. Equally important is the chosen structural scheme ensuring the safety of operation of the building. The simulation of vertical zoning of the high-rise building provides the correct location of functional structures, their interaction and interconnection that improves operational qualities of the building.
Keywords: functional structure, external and internal factors, informational, dynamic, static models, simulation stages.
Все возрастающая глобализация населенных мест, ускоренные темпы урбанизации городов, бурный рост населения, высокая цена на землю в мегаполисах, необходимость эффективного использования территорий, стремление к развитию инфраструктуры, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, повышение требований к комфорту проживания предопределяют необходимость возведения высотных зданий [1-5].
В мире возникло течение «эгомания», которое заключается в стремлении достичь высоты и выразить ее в виде высотного здания как сочетание сложных архитектурно-конструктивных и инженерных структур. Небоскребы в современном мире выступают в качестве символов главных архитектурных, инженерных и экономических достижений.
Высотные здания представляют собой сложную систему объемно-пространственных структур, заполненных различными функциями [5-10], которые оказывают прямое влияние на их функциональное зонирование, распределение тех или иных функций в здании, а в сочетании с другими показателями - этажности, вместимости, градостроительной значимости вариантность архитектурных решений получает огромную вариабельность. Для выявления совокупности характеристик структур, составляющих высотное здание,
а также учета взаимосвязей и взаимозависимостей между структурами объекта и между объектами и средой необходимо создание информационных моделей различного назначения.
Поскольку в соответствии с функциональным назначением здания имеют различные помещения, например для жилья предназначены жилые квартиры, для офисов проектируют кабинеты, рабочие комнаты, все эти помещения составляют типообразующие структуры, которые подразделяются на основные, вспомогательные и эксплуатационно-технические.
К основным типообразующим структурам относятся:
- для постоянного или временного проживания - квартиры, апартаменты, гостиничные номера;
- для работы и учебы - офисные помещения, учебные аудитории, медицинские, библиотечные, транспортные, технологические помещения, помещения для выращивания сельскохозяйственной продукции и т. п.
В состав вспомогательных структур включены предприятия и учреждения обслуживания:
- торгово-сервисные: супермаркеты, магазины, бутики, рестораны, кафе, отделения банков, стоянки для автомобилей и т. п.;
Высотное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
- культурно-развлекательные: игровые площадки, аква-парки, боулинг, кинотеатры, помещения с бильярдом, смотровые и танцевальные площадки и др.;
- физкультурно-оздоровительные: фитнес-клубы, салоны красоты, спортзалы, солярии.
В качестве эксплуатационно-технических структур рекомендуются - диспетчерские, помещения служб эксплуатации, технические, лестнично-лифтовые группы, помещения пожаробезопасных укрытий и т. д.
Когда определено функциональное назначение здания, его основные характеристики, далее определению подлежат так называемые обязательные помещения эксплуатационно-технических структур (лестнично-лифтовые узлы, помещения служб эксплуатации и т. п.). Размещение таких помещений может быть на технических этажах, частично в первом и подземных этажах. На первых этажах эти помещения могут занимать до 40% площади (основную площадь занимают лифты, лестницы и эскалаторы). Совокупность площадей таких помещений может достигать 10-20% общей площади здания. Выявлено, что от рационального размещения инженерных систем, особенно лифтов, во многом зависит «выход» полезной площади высотного здания. Помимо этого значительную часть площадей здания занимают помещения систем обслуживания, так называемые вспомогательные структуры, размещаемые, как правило, на нижних этажах, - супермаркеты, рестораны, кафе, бассейны, спортзалы, рекреации, кинотеатры, катки и т. п.; некоторые вспомогательные структуры располагаются на последних этажах - рестораны, кафе, смотровые площадки. В совокупности площади таких структур занимают около 15-20%, т. е. общая площадь, занимаемая вспомогательными и эксплуатационно-техническими структурами, составляет примерно от 20 до 40% общей площади здания. На основании этого определено, что практически полезная площадь основных типообразующих структур с одинаковыми функциями составляет от 60 до 80%.
Исходя из вышеизложенного может быть определена следующая систематизация типов высотных зданий: в случае, если одна типообразующая структура преобладает и занимает 60% и более общей площади здания, следует относить их к специализированным. Здания, в которых размещены помещения не менее трех различных типообразую-щих структур, составляющих каждая 15-30-40%, рекомендовано считать многофункциональными.
Структурная информационная модель любого высотного здания представлена на рисунке.
При разработке архитектуры высотного здания большое значение имеют природные условия, т. е. внешние характеристики - ветровые нагрузки, температурно-влаж-ностный и солнечный режим, окружающая среда. Наружные конструкции здания должны воспринимать разницу в температуре, атмосферном давлении и влажности между внешней и внутренней средой. От природных воздействий в значительной мере зависит объемно-пространственное решение высотного здания, применение той или иной конструктивной системы, решение наружных ограждений и инженерных систем, поэтому может быть создана модель воздействия природных факторов на формирование архитектуры высотного здания.
При расчете на ветровые нагрузки учитываются такие характеристики, как скорость, направление и характер ветра. При воздействии ветра на здание, помимо прямого
18| -
ветрового потока, дополнительно наблюдаются потоки повышенной скорости, от которых ощущаются колебания здания. Указанные недостатки могут быть устранены на стадии проектирования путем продувки макета здания через аэродинамическую трубу или компьютерным построением модели и соответствующей корректировкой объемно-пространственного решения здания.
Сила воздействия ветра на высотное здание определяется объемно-пространственной структурой самого здания, рельефом местности, наличием существующих зданий и сооружений, деревьями и другими условиями. Объемно-пространственными и архитектурно-планировочными решениями высотного здания могут быть оптимизированы ветровые воздействия на него.
При разработке объемно-пространственного и архитектурно-планировочного решения высотного здания всесторонний учет ветровых нагрузок позволяет снизить их воздействие, выбрать оптимальную ориентацию здания с учетом ветрового воздействия, принять наиболее рациональные конструктивные и инженерные решения, что в конечном итоге положительно отразится на экономических показателях.
Выбор конструктивного решения высотного здания зависит не только от архитектурного решения, но и от других факторов: природно-климатических воздействий, различных нагрузок, противопожарных требований, планируемой долговечности объекта или конструкции и т. п. Наличие большого числа конструктивных систем для высотных зданий - с несущими стенами, со стволами жесткости, рам с жесткими узлами и других обеспечивает возможность выбора рациональной системы.
В состав современных высотных зданий и комплексов входят основные функционально образующие объемно-планировочные элементы - квартиры, офисы, банковские и другие помещения, а также значительное количество обслуживающих помещений - гаражи, магазины, спортивные залы, зимние сады, медицинские пункты, частные школы, колледжи.
Рассматривая высотное здание с точки зрения формирования архитектуры объекта, можно выделить несколько существенных факторов, влияющих на него. Все факторы с точки зрения архитектуры можно классифицировать на внешние и внутренние. К внешним можно отнести такие существенные характеристики, как функциональное назначение, объемно-пространственные и архитектурно-планировочные решения, к внутренним - функциональное назначение, конструктивную систему, инженерные системы и оборудование и др. (табл. 1).
Расширение функционального назначения высотных зданий и комплексов проявляется в более сложных планировочных решениях, где могут применяться различные конструктивные решения, в изменении требований к комфортности различных по функциональному назначению помещений.
Для объективного рассмотрения объекта в виде модели в первую очередь необходимо создание иерархической информационной модели, где каждый элемент объекта может быть рассмотрен в статическом состоянии и послужит для фундаментального исследования в части выявления различных свойств и качеств, взаиморасположения и взаимозависимости, т. е. определения взаимосвязи элементов друг с другом, объекта в целом и его места в градостроительном контексте. При этом для точного определения и реализации тех или иных качеств объекта необходимо создать адекватную модель, соответствующую оригиналу по
^^^^^^^^^^^^^ И22016
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Таблица 1
Основные факторы, влияющие на формирование архитектуры высотных зданий
ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ
1. Природно-климатические условия (ветер, сейсмика, снег, солнце, тепло земли) 1. Функциональное назначение (специализированные и многофункциональные)
2. Условия жилой среды 2. Вертикальное и горизонтальное проектирование высотных зданий зонирование здания
3. Градостроительная ситуация 3. Энергоэффективность
4. Взаимосвязь между объектами (визуальная, стилевая, функциональная, композиционная) 4. Морфология
5. Взаимовлияние друг на друга 5. Наличие атриума
6. Фасадные системы 6. Конструктивная система
7. Внешние возобновляемые источники энергии (гелиосистемы, ветровые двигатели) 7. Инженерные системы и оборудование
тем свойствам, которые будут существенны для дальнейшего проведения анализа функциональной организации объекта, - высотное здание (табл. 2).
Наличие в объекте большого числа функциональных структур требует их классификации и расположения их относительно друг друга. При этом известно, что любой объект в зависимости от поставленной цели можно представить несколькими информационными моделями, отличающимися набором параметров и способом их представления.
Высотное здание как архитектурное сооружение можно рассматривать в виде системы из различных составляющих: функционального назначения, архитектурного и конструктивного решения, применяемых инженерных систем и оборудования. Решение объекта (функциональное назначение, архитектурное и конструктивное решения) и режим его эксплуатации зависят от внешних и внутренних факторов, таких как природно-климатические условия, объемно-пространственные и конструктивные решения и др.
Поскольку в моделировании имеются динамические и статические модели, основные факторы можно представить как иерархическую систему, состоящую из основных факторов - внешних и внутренних, а также подсистемы 1 - динамической модели, включающей внешние факторы, и подсистемы 2 статической модели - внутренние факторы. Далее по иерархии следуют классы, включающие многофакторные данные, такие как природно-климатические условия, функциональное назначение объекта, после чего в модели рассматриваются однофакторные данные - снеговые или ветровые нагрузки, специализированные или многофункциональные здания. При этом динамическая модель позволит увидеть изменение объекта во времени, например при расчете знакопеременной ветровой или сейсмической нагрузки, в случае надстройки высотного здания, перепрофилирования объекта из гостиницы в жилое здание, также конструктивной системы здания и фасадной системы, изменяющихся в процессе эксплуатации и т. п.
В статической модели, где нет процессов изменений, можно учитывать внутренние факторы - функциональное назначение здания, анализировать архитектурно-планировочные, объемно-пространственные решения объекта.
В статической модели можно совершенно определенно выявить функциональное назначение здания, структуры и элементы, взаимосвязь и взаимозависимость друг от друга, определить функциональное зонирование внутри здания.
В свою очередь, из многофакторных данных можно построить функциональную статическую модель объектов -
Таблица 2
Этапы моделирования
Постановка проблемы
Описание проблемы Определение цели и задач исследования Анализ объектов
Исследование факторов
Внешние и внутренние факторы Функциональное назначение Природно-климатические факторы
Разработка модели
Информационная модель Функциональное назначение Динамическая модель Внешние факторы Статическая модель Внутренние факторы
Компьютерное построение модели
Объемно-пространственные модели Модели архитектурно-композиционных решений Модели фасадных решений
Выработка критериев отбора и оценки качества решений
Метод структурного анализа Таксономия Систематизация Квалиметрия
Анализ результатов моделирования
Выбор рациональных решений Номенклатура типов зданий Градостроительные ситуации Архитектурно-композиционные качества Фасадные системы Разработка методики проектирования
специализированных и многофункциональных высотных зданий.
Этапы моделирования можно представить в следующем виде:
- постановка проблемы;
- исследование факторов;
- разработка информационной модели;
- компьютерное построение модели;
- выработка критериев отбора и оценки качества архитектурно-технических решений;
- анализ результатов моделирования.
Метод моделирования высотного здания как объекта позволяет ранжировать факторы, влияющие на формирование архитектурной типологии; четко определить функциональное назначение здания; на основе структурного анализа, таксономии и других научно-практических методов
Высотное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
Структурная информационная модель любого высотного здания оценить принятые решения и на их базе разработать методику проектирования.
На выбор проектного решения высотного здания основное влияние оказывает его функциональное назначение. Функциональность может выражаться в архитектурном, конструктивном и инженерно-техническом смысле. Определено, что выполнение условий функционального назначения зданий, включая вспомогательные службы и создание оптимальных условий, с учетом архитектурных требований приводит к основному решению пространства с привязкой конструкции к планировочному решению.
Учитывая подход градостроителей к классификации высотных зданий и традиции отечественной архитектурной науки, типология рассматриваемых объектов может быть выполнена, основываясь на их функциональном назначении с учетом архитектурно-планировочных и архитектурно-художественных решений. Функциональное назначение здания определяется характером помещений, размещаемых в нем. Следовательно, для разработки вопросов типологии высотных зданий прежде всего требуется анализ их функционального состава, классификация помещений, входящих в него, выявление функционально-образующих элементов, их размещение в здании, взаимосвязи и взаимовлияние.
Помимо этого на объемно-пространственные решения высотных зданий большое влияние имеют ветровые нагрузки, температурно-влажностные воздействия, кроме того, необходимо учитывать вопросы установки и размещения инженерного оборудования, а также мероприятия по снятию или снижению психологического воздействия высоты на работающих или проживающих в высотных зданиях.
Рассматривая высотное здание с точки зрения формирования архитектуры объекта, можно выделить несколько существенных факторов, влияющих на него. Все факторы с точки зрения архитектуры можно классифицировать на главные и
второстепенные. К главным можно отнести такие существенные характеристики, как функциональное назначение, объемно-пространственное и архитектурно-планировочные решения, к второстепенным - конструктивную систему, инженерные системы и оборудование.
Архитектурное решение определяет композицию объемов и размеры, ритм форм, цветовое и световое решения, конструктивное решение, сочетание с окружающей застройкой, природой и ландшафтом, создание среды для человека. Поэтому учет функциональных требований является актуальной задачей при разработке проектного решения высотного здания.
Инженерные системы и оборудование обеспечивают комфортные условия пребывания в высотном здании (температурный, гигиенический, акустический режим). Размещение большого числа инженерных систем и оборудования, особенно лифтового хозяйства, требует значительных площадей и помещений. От рационального размещения инженерных систем во многом зависит «выход» полезной площади. Внутренние вертикальные транспортные средства в высотных зданиях являются дорогостоящими и занимают значительную часть площади застройки (около 18%).
Важным аспектом проектирования является энергетическая концепция здания - разработка проекта самодостаточного небоскреба, который вырабатывает столько энергии, сколько потребляет через оболочку здания и энергетического источника, расположенного в грунте. В здании «Коммерцбан-ка» во Франкфурте-на-Майне, например, оптимизация температурного комфорта достигается за счет компактных конструкций, оснащенных климатической оболочкой, что приводит к значительной экономии затрат при эксплуатации.
К важнейшим факторам обеспечения безопасности людей, находящихся внутри высотного здания, относится противопожарная защита. Требования к противопожарной защите могут значительно варьироваться в зависимости от функционального назначения здания, его высоты, конструктивных решений, средств и оборудования, применяемых при пожаре. Особенность эксплуатации для находящихся в высотных зданиях людей заключается в значительном затруднении их эвакуации при пожаре и трудностях при борьбе с пожаром. Единственным путем эвакуации в высотных зданиях являются лестницы, в которых с возрастанием числа этажей увеличивается опасность задымления. Таким образом, проектирование предполагает создание морфологической организации объемно-пространственной структуры высотного здания.
Список литературы
1. Магай А.А. Архитектурно-композиционные особенности высотных зданий // Академический вестник УралНИИпроекта РААСН. 2015. № 4. C. 25-30.
2. Коротич М.А., Коротич А.В. Систематизация архитектурных форм высотных зданий: композиционный аспект // Академический вестник УралНИИпроекта РААСН. 2009. № 1. С. 68-70.
3. Коротич А.В. Перспективные тектонические особенности построения объемов высотных зданий // Академический вестник УралНИИпроекта РААСН. 2014. № 3. С. 68-70.
4. Коротич А.В. Актуальные аспекты развития современной высотной архитектуры // Градостроительство. 2013. № 2. С. 49-59.
5. Магай А.А., Дубынин Н.В. Архитектурно-художественный облик высотных зданий // Архитектура и строительство России. 2009. № 4. С. 22-29.
20
12'2016
Научно-технический и производственный журнал
6. Магай А.А. Архитектура высотных зданий мира. Новосибирск: Карт Мастер, 2008. 140 с.
7. Граник Ю. Г. Строительство высотных зданий. М.: ОАО «ЦНИИЭП жилых и общественных зданий», 2010. 480 с.
8. Николаев С.В., Травуш В.И., Табунщиков Ю.А., Колубков А.Н., Соломанидин Г.Г., Магай А.А., Дубынин Н.В. Нормативная база высотного строительства в России // Жилищное строительство. 2016. № 1-2. С. 3-7.
9. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Особенности теплотехнического проектирования высотных зданий в соответствии с требованиями СП 50.13330.2012 «СНИП 2302-2003 Тепловая защита зданий» // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2016. № 6 (982). С. 62-64.
10. Травуш В.И., Зенин С.А., Конин Д.В., Назаров Ю.П., Одесский П.Д., Попов Н.А., Соколов Б.С., Шулятьев О.А., Шулятьев С.О. К общественному обсуждению глав нового свода правил «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования», посвященных проектированию несущих конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 3. С. 31-37.
References
1. Маgаi A.A. Architectural and composite features of high rise buildings. Akademicheskii vestnik UralNIIproekta RAASN. 2015. No. 4, pp. 25-30. (In Russian).
2. Korotich M.A., Korotich A.V. Systematization of architectural forms of high rise buildings: composite aspect. Akademicheskii vestnik UralNIIproekta RAASN. 2009. No. 1, pp. 68-70. (In Russian).
3. Korotich A.V. Perspective tectonic features of creation of amounts of high rise buildings. Akademicheskii vestnik
UralNIIproekta RAASN. 2014. No. 3, pp. 68-70. (In Russian).
4. Korotich A.V. Urgent aspects of development of modern high-rise architecture. Gradostroitel'stvo. 2013. No. 2, pp. 49-59. (In Russian).
5. Magai A.A., Dubynin N.V. Architectural and art image of high rise buildings. Arkhitektura i stroitel'stvo Rossii. 2009. No. 4, pp. 22-29. (In Russian).
6. Magai A.A. Arkhitektura vysotnykh zdanii mira [Architecture of high-rise buildings of the world]. Novosibirsk: Kart Master, 2008. 140 p. (In Russian).
7. Granik U.G. Stroitel'stvo vysotnykh zdanii [Construction of high-rise buildings]. Moscow: ОАО «ZNIIEP zhilykh i obshchestvennykh zdanii», 2010. 480 p.
8. Nikolaev S.V., Travush V.I., Tabunshchikov Yu.A., Kolub-kov A.N., Solomanidin G.G., Magai A.A., Dubynin N.V. The regulatory base of high-rise construction In Russia. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2016. No. 1-2, pp. 3-7. (In Russian).
9. Umnyakova N.P., Butovskii I.N., Chebotarev A.G. Features of heattechnical design of high-rise buildings according to requirements of the set of rules 50.13330.2012 «Construction Norms and Regulations 23-02-2003 Thermal protection of buildings». BST: Byulleten' stroitel'noi tekhniki. 2016. No. 6 (982), pp. 62-64. (In Russian).
10. Travush V.I., Zenin S.A., Konin D.V., Nazarov Yu.P., Odes-skii P.D., Popov N.A., Sokolov B.S.. Shulyat'ev O.A., Shulya-t'ev S.O., To public discussion of chapters of the new set of rules «Buildings and complexes high-rise. Rules of design», the bearing designs devoted constructions. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. No. 3, pp. 31-37. (In Russian).
МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ: КОНТАКТЫ; SSBBKSr'
ВДНХ€ШЕ0 (f) -7(347)246 42 37 STR0V@BVK£XP0.RU
ул.Менделеева, 15В ^ +7С347)246-42-38 WWW.BVKEKPO.Ftlf
122016
21
