CC BY
22
УДК 711.4, 711.1 DOI: 10.24412/1816-1863-2021-4-47-52
ОСОБЕННОСТИ А. Е. Коробейникова, ст. преподаватель
ФОРМИРОВАНИЯ
тз о ш о
кафедры «Градостроительство» т
Национальный исследовательский "§
и
-I
CD
О-
Г> -I 03
о
АЭРАЦИОННОГО РЕЖИМА Московский государственный
ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ строительный университет,
^ [email protected], Москва, Россия
НА СКЛОНОВЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
_ о
Статья посвящена оценке и особенностям формирования аэрационного режима жилой застрой- и ки на склоновых территориях АЗРФ. В условиях нехватки резервных территорий для роста по- о селений Арктической зоны РФ (АЗРФ) вопрос освоения неудобных территорий стоит достаточ- в но остро. Портовые города Северного морского пути, которые располагаются на территории н АЗРФ, в большинстве случаев располагаются в АЗРФ на сложном рельефе — склоновых терри- е ториях, застройка которых представляет собой градостроительную задачу по формированию ^ комфортной и безопасной городской среды. Одними из самых интересных с точки зрения ар- ш хитектурно-строительного освоения являются склоновые территории, которые имеют значительное распространения в портовых городах Северного морского пути (СМП) (Мурманск, Архангельск, Певек, Владивосток и др.). Приемы планировки жилых зон городской застройки, а также ее внешнего и внутреннего благоустройства, рассчитанные на равнинную местность, не
могут быть применены без снижения качества городской среды, что обуславливает необходи- 5
г>
О-
Г> X
X н
мость проведения научных исследований по разработке градостроительных решений жилых зон, располагаемых на склоновых территориях. Качество жилого пространства формируется из множества факторов, одним из них является аэ- i рационный режим территории. Аэрационным режимом называется ветровой режим приземного ы слоя воздуха в условиях городской застройки. Однако единых комфортных значений скорости X ветра для любой застройки не существует, поскольку ветровой режим — это ветровые условия, у происходящие на определенной территории, а значит, что различные территории со своими лан- н дшафтными и климатическими характеристиками имеют свои особенности формирования аэ- Т рационного режима. Таким образом, аэрационный режим одной территории м ожет значительно В отличаться от другой. Так как территория АЗРФ характеризуется сложными климатическими условиями — низкими температурами, высокими скоростями ветра и сложным ландшафтом, то определение аэрационного режима таких территории требует особого внимания и учета всех особенностей, в частности, изменений температурного и аэрационного режимов, что неизбежно сказывается на качестве жилой среды.
The article is devoted to the assessment and features of the formation of the aeration regime of residential development in the sloping territories of the Russian Arctic. According to Resolution No. 484 of March 30, 2021, a comprehensive program for the socio-economic development of the Arctic zone (AZRF) begins in Russia, which includes the strategic task of urban development. The port cities of the Northern Sea Route, which are located on the territory of the Russian Arctic, in most cases are located in the Russian Arctic on a difficult terrain — sloping territories, the development of which is an urban planning task to form a comfortable and safe urban environment. The techniques of planning residential areas of urban development, as well as its external and internal landscaping, designed for flat terrain cannot be applied without reducing the quality of the urban environment, which necessitates scientific research on the development of urban planning solutions for residential areas located on sloping territories.
The quality of the living space is formed from many factors, one of them is the aeration regime of the territory. The aeration regime is called the wind regime of the surface layer of air in urban conditions. However, there are no uniform comfortable values of wind speed for any development, since the wind regime is the wind conditions occurring in a certain territory, which means that different territories with their landscape and climatic characteristics have their own characteristics of the formation of the aeration regime. Thus, the aeration regime of one territory may differ significantly from another. Since the territory of the Russian Arctic is characterized by difficult climatic conditions — low temperatures, high wind speeds and a complex landscape, the determination of the aeration regime of such territories requires special attention and consideration of all features, in particular, changes in temperature and aeration regimes, which inevitably affects the quality of the living environment.
Ключевые слова: аэрационный режим, АЗРФ, склоновые территории, Мурманск, комфортность жилой застройки, ветрозащита, CFD-моделирование.
Keywords: aeration regime, Russian Arctic, slope territories, Murmansk, comfort of residential development, wind protection, CFD modeling. 47
О
IX
X с
X
X
ф
с
ф
и о
X
X ^
и
ф
и ф
X X
о
о ^
X
о
с с
о
т
I-
и
ф
IX
о
I-
и о а
о ^
Введение
Градостроительное освоение территории АЗРФ — одна из важнейших стратегических задач Российской Федерации. Указ Президента РФ от 26.10.2020 № 645 «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года» определяет развитие поселений и территорий АЗРФ как национальный приоритет РФ. Таким образом, градостроительное освоение Арктической зоны РФ становится одной из наиболее актуальных тем для нашей страны, что во многом связано с реализацией проекта Северного морского пути [1]. Сложность задачи заключается в том, что АЗРФ характеризуется непростыми природно-климатическими условиями, а также сложным в плане градостроительного освоения рельефом [2, 3]. Согласно СП 20.13330.2016 и картам ветрового районирования, АЗРФ относится к 2—6 ветровому району, это значит, что Арктическая зона РФ характеризуется повышенными скоростями ветра, что в условиях низких температур становится достаточно опасным и значительно снижает комфортность проживания [4, 5]. Также важно отметить, что при застройке склоновых территорий аэрацион-ный режим по сравнению с равнинным значительно изменен. На это влияет м ор-фология, ориентация и уклон склона, а также образование различных физических явлений при обтекании воздушным пото-
ком склона, таких как подгорный ротор, турбулизация, отрыв потока и динамический восходящий поток [6, 7].
Методы и материалы
Проведя анализ территории поселений АЗРФ при помощи ГИС-технологий, были выявлены особенности формирования аэрационного режима жилой застройки на склоновых территориях АЗРФ. Исходя из анализа существующего отечественного и зарубежного опыта, выявлены особенности формирования аэрационного режима застройки на склоновых территориях АЗРФ. Анализ показал, что особенности формирования аэрационного режима на склоновых территориях АЗРФ представлены в виде групп аэрационных, геоморфологических и градостроительных факторов (рис. 1) [8]. Особенности аэра-ционного режима территории поселений требуют выбора параметров застройки с учетом всех параметров аэрационного режима, а также применение ветрозащитных мероприятий. Особенности геоморфологических параметров территории АЗРФ требуют выбора оптимальной экспозиции склона для жилой застройки с наименьшей долей дискомфортных зон.
Особенности градостроительных параметров АЗРФ требуют подбора плотности, этажности и морфотипов в совокупности с аэрационными и геоморфологическими параметрами для снижения доли дискомфортных зон жилой застройки. Эти особенности можно выразить в виде групп
48
Рис. 1. Система факторов, влияющих на аэрационный режим жилой застройки на склоновых
территориях АЗРФ
Х1
Х2
Х3
У = ](Х1, Х2, Х3, ..., хк)
Рис. 2. Теоретическая модель аэрационного режима жилой застройки на склоновых
территориях АЗРФ
факторов: аэрационные факторы (Х1), геоморфологические факторы (Х2), градостроительные факторы (Х3) (рис. 2).
Исходящим параметром будет являться коэффициент дискомфортности выраженный в площади дискомфортных зон — У. Параметр У представляет собой функцию, где аргументами будут являться все перечисленные выше факторы Х, и, г. Основным оптимизационным параметром является полученный из У и дворовой территории процент площади дискомфортных зон к.
Результаты
Проектный эксперимент жилой застройки на склоновой территории был проведен для города Мурманска. Мурманск обладает территориями с наибольшим процентом склоновых территорий в границах поселения (80 %) и большим процентом жилых зон на склонах (68 %) (рис. 3).
Для проектного эксперимента был выбран 403-й микрорайон города Мурманска, «Скальный» (рис. 4). Данный микрорайон расположен на склоновой территории с уклоном 5 до 220 %% и имеет смешанный вид застройки — жилые группы имеют групповую, периметральную и строчную композицию. Строчная и групповая застройка с юго-западной стороны микрорайона расположена по вектору движения господствующего дискомфортного зимнего юго-западного ветра. Плотность застройки 16,9 %, характеризуется средней этажностью 9 этажей.
Для выбранной застройки были подсчитаны основные градостроительные факторы, такие как плотность, средняя этажность, морфотипы застройки. Плот-
ность рассматриваемого микрорайона 16,9 %, средняя этажность 9. Морфотип застройки микрорайона представляет собой смешанный тип, с преобладанием группового, строчного и периметрального типов (рис. 3). Строчная застройка расположена преимущественно на участках с самым большим уклоном.
Территория участка имеет юго-западную экспозицию склона, расположена с наветренной стороны относительно дискомфортного юго-западного ветра. Уклон рассматриваемого участка варьируется от 5 до 220 %. На участках с наибольшим уклоном размещена строчная застройка (С1, С2), с наименьшим — периметральная (П1, П2, П3). Для определения граничной комфортной скорости необходимо получить основные параметры аэраци-онного и температурного режимов города Мурманск для наиболее дискомфортного периода.
Для Мурманска самым дискомфортным периодом является зимний, для данного периода преобладает юго-западное направление ветра. Участок микрорайона располагается с наветренной стороны от-
Мурманск
Мурманск
20%
80%
68%
32%
I 5 не склоновых территорий Я склоновых территорий
I 5 жилых территорий, расположенных не на склоне
5 жилых территорий, расположенных на склоне
Рис. 3. Соотношение склоновых территорий к равнинным в городе Мурманске
ТЗ
а ш
О г>
-I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
о
а л
X
ТЗ
О
03
а л
а>
с
а>
О-
Г> ^
X н
а
г> а>
а> т т
у
-I
о
03
49
№4, 2021
О
i-^
X
X с
X X
CD С CD U D X
X ^
и
CD U
CD X X D m
О ^
S X D С С
X
о
m i-
U
CD iX
О ^
I-
u о a D
"NT
0 100 200 :
Рис. 4. Проект застройки микрорайона 403, в г. Мурманск с указанием изолиний рельефа
и господствующего направления ветра
носительно господствующего направления ветра в зимний период. Жилые группы строчного типа расположены вдоль ветрового потока господствующего юго-западного ветра. Часть групповой застройки открыта дворовыми территориями к основному вектору движения ветрового потока. Для дальнейших расчетов и аппробации было решено выделить пять различных жилых групп, так как даже если жилые группы имеют одинаковый морфотип, располагаются они на различных уклонах.
Для определения процента дискомфортных зон было проведено математическое CFD моделирование при помощи программного комплекса ANSYS Fluent, а также визуализация и обработка результатов на расчетной платформе ANSYS Workbench. Моделирование в ANSYS Fluent имеет ряд преимуществ перед другими способами оценки аэрационного режима — моделирование в программе позволяет не ограничивать габариты модели и получать данные о скорости ветра в любой точке м одели [9, 10]. Для д альнейше-го моделирования и исследования была создана solid-модель застройки и расчет-
ная сетка с геометрией застройки микрорайона и мезорельефа территории [11, 12]. Этажность всех зданий микрорайона «Скальный» была сохранена.
Далее были заданы граничные и начальные условия расчета. Граничные условия определены также как для теоретического исследования. Кроме граничных условий, требовалось задать начальные параметры в каждой ячейке внутри расчетной области. В данном расчете начальные условия — это входная скорость, которую мы принимаем как среднюю скорость самого дискомфортного периода города Мурманска в зимний период — 4,9 м/с и направление вектора потоков — это господствующее направление — юго-западное.
После проведения моделирования в программе ANSYS Fluent были проведены экспорты полученных данных в виде базы данных и визуализация полученных результатов в виде карт ветрового зонирования (изополя скоростей) (рис. 5).
На визуализации результатов расчетов (изополя скоростей) в ANSYS Workbench отчетливо видно, что зоны значительного
Таблица 1
Природно-климатические характеристики зимнего периода города Мурманска
Средняя температура воздуха дискомфортного периода Средняя скорость ветра за период со средней суточной температурой воздуха £ 8 °С Преобладающее направление ветра за декабрь — февраль
-18 °С 4,9 м/с ЮЗ
50
О_ 0,045 0,090 м
а)
X
0 0,045 0,090 м г..
— --Z
б)
Рис. 5. Изополя скоростей полученные в результате моделирования: а — срез на уровне 1; б — срез на уровне 2
усиления скоростей ветра наблюдаются в зоне строчной и групповой застройки. Дворовые территории в периметральной застройке П1, П2, П3 хорошо защищены от ветра, однако между домами благодаря эффекту аэродинамической трубы (П1, П2) образуются наиболее дискомфортные участки. Так как на в этих зонах расположены важные элементы благоустройства, такие как д етская площадка м еж-ду домов П2, им необходима дополнительная ветрозащита. Также дискомфортные участки формируются между главными длинными сторонами домов строчного морфотипа С2. Однако для домов строчного морфотипа С1 ускорение ветровых потоков очевидно ниже. Значительное ускорение застройки С2 обосновывается
тем, что она находится у подножья склона, а С1 — посередине склона, ближе к вершине. Снижение скорости для С1 обусловлено тем, что перед жилой группой расположены другие здания, выполняющие в данном случае ветрозащитную функцию.
Заключение
Результаты исследований могут быть применены на этапе подготовки проектов планировки жилых территорий. Оценка аэрационного режима планировочных решений позволит обеспечить комфортность среды жизнедеятельности населения в суровых холодных климатических условиях АЗРФ.
тз о ш
о
Г) -I
тз
о
-I
CD
о-
Г> -I 03
о
0
1 X
тз
о
03
0
1 X
CD
с CD
О-
Г> X
X н
О
Г) CD
CD X X
У
X -I
О
03
Библиографический список
1. Гайнанов Д. А., Кириллова С. А., Кузнецова Ю. А. Российская Арктика в контексте устойчивого развития // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. — 2013. — № 6. — С. 79—88.
2. Путинцев Э. П. Комплексная концепция северного градостроительства: Северное градостроительство в I климатическом районе: автореферат дис. доктора архитектуры. — М.: МАРХИ, 2005. — 301 с.
3. Демина Д. М., Кандор И. С., Ратнер Е. М. Тепловое состояние человека как основа санитарно-климатического зонирования территории СССР. — М.: Медицина, 1974. — 176 с.
4. Крогиус В. Р., Эббот Д., Полит К. Градостроительство на склонах. — М.: Стройиздат, 1988. — 328 с.
5. Blocken B., Stathopoulos T., Van Beeck J. P. A. J. Pedestrian-level wind conditions around buildings: Review of wind-tunnel and CFD techniques and their accuracy for wind comfort assessment // Building and Environment, — 2016. — No. 100. — С. 50—81.
6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1974. — 712 с.
7. Оленьков В. Д. Исследование ветрового режима нарушенных территорий // Вестник ЮжноУральского государственного университета. — 2014. — Т. 14. — № 1. — С. 9—12.
8. Коробейникова А. Е. Особенности формирования аэрационного режима склоновых территорий предназначенных для градостроительного освоения в условиях АЗРФ // Инновации и инвестиции. — 2019. — № 8. — С. 125—128.
9. Hu K., Cheng S., Qian Y. CFD Simulation Analysis of Building Density on Residential Wind Environment // Journal of Engineering Science & Technology Review. — 2018. — Vol. 11. — No. 1. — С. 35—43.
51
№4, 2021
10. Franke J., Hellsten A., Sch^nzen H., Carissimo B. Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment // Meteorological Inst. — 2007. — С. 71—80.
11. Вальгер С. А., Федоров А. В., Федорова Н. Н. Моделирование несжимаемых турбулентных течений в окрестности плохообтекаемых тел с использованием ПК ANSYS Fluent // Вычислительные
m
О
I-
х
^ технологии, - 2013. - Т. 18. - № 5. - С. 27-40.
12. Оленьков В. Д., Колмогорова А. О., Сапогова А. Е. Компьютерное моделирование аэрационного режима жилой застройки с целью проветривания и ветрозащиты // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. — 2021. — Т. 21. — № 1. — С. 5—11.
X X
CD ^
CD U O X
* SPECULARIRIES OF AERATION REGIME IN RESIDENTIAL AREAS ¡3 ON SLOPING TERRITORIES
CD
u A. E. Korobeinikova, senior lecturerof the Department of "Urban Planning» of Moscow State CD s
X
o
^ References
University of Civil Engineering (MGSU), [email protected], Moscow, Russia
1. Gajnanov D. A., Kirillova S. A., Kuznecova Yu. A. Rossijskaya Arktika v kontekste ustojchivogo razvitiya [The Russian Arctic in the context of sustainable development] // Economic and social changes: facts, trends, forecast. 2013. No. 6. P. 79—88 [in Russian].
2. Putincev E. P. Kompleksnaya koncepciya severnogo gradostroitel'stva: Severnoe gradostroitel'stvo v Iklimat-2 icheskom rajone: avtoreferat dis. doktora arhitektury [Complex concept of northern urban planning: North-u ern urban planning in the I climatic region: abstract of the dissertation of the Doctor of Architecture]. g Moscow: MARKHI, 2005. 301 p. [in Russian].
!= 3. Demina D. M., Kandor I. S., Ratner E. M. Teplovoe sostoyanie cheloveka kak osnova sanitarno-klimat-
O icheskogo zonirovaniya territorii SSSR [The thermal state of a person as the basis of sanitary and climatic
^ zoning of the territory of the USSR]. Medicine, 1974. 176 p. [in Russian].
q 4. Krogius V. R., Ebbot D., Polit K. Gradostroitel'stvo na sklonah [Urban planning on the slopes]. Stroyizdat,
a 1988. 328 p. [in Russian].
^ 5. Blocken B., Stathopoulos T., Van Beeck J. P. A. J. Pedestrian-level wind conditions around buildings: 1— Review of wind-tunnel and CFD techniques and their accuracy for wind comfort assessment // Building
and Environment. 2016. No. 100. P. 50—81 [in English].
6. Shlihting G. Teoriyapogranichnogosloya [Theory of the boundary layer]. M.: Nauka, 1974. 712 p. [in Russian].
7. Olen'kov V. D. Issledovanie vetrovogo rezhima narushennyh territorij [Investigation of the wind regime of disturbed territories] // Bulletin of the South Ural State University. 2014. Vol. 14 (1). P. 9—12 [in Russian].
8. Korobeynikova A. E. Osobennosti formirovaniya aeracionnogo rezhima sklonovyh territorij prednaznachen-nyh dlya gradostroitel'nogo osvoeniya v usloviyah AZRF [Features of the formation of the aeration regime of slope territories intended for urban development in the conditions of the Russian Arctic] // Innovations and investments. 2019. No. 8. P. 125—128 [in Russian].
9. Hu K., Cheng S., Qian Y. CFD Simulation Analysis of Building Density on Residential Wind Environment // Journal of Engineering Science & Technology Review. 2018. Vol. 11 (1). P. 35—43 [in English].
10. Franke J., Hellsten A., Schltnzen H., Carissimo B. Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment // Meteorological Inst. 2007. P. 71—80 [in English].
11. Val'ger S. A., Fedorov A. V., Fedorova N. N. Modelirovanie neszhimaemyh turbulentnyh techenij v okrest-nosti plohoobtekaemyh tel s ispol'zovaniem PK ANSYS Fluent [Modeling of incompressible turbulent flows in the vicinity of poorly streamlined bodies using PC ANSYS with freely] // Computational Technologies. 2013. Vol. 18 (5). P. 27—40 [in Russian].
12. Olen'kov V. D., Kolmogorova A. O., Sapogova A. E. Komp'yuternoe modelirovanie aeracionnogo rezhima zhiloj zastrojki s cel'yu provetrivaniya i vetrozashchity [Computer simulation of aeration regime of residential buildings for the purpose of ventilation and wind protection] // Bulletin of the South Ural State University. Series: Construction and Architecture. 2021. Vol. 21. No. 1. P. 5—11 [in Russian].
52
