Светлой памяти профессора Н.М.Гусева и доцента

В. Г. Макаревича посвящает свой труд

кафедра архитектурной физики МАрхИ

Предисловие

Учебник по архитектурной физике издается под таким названием впервые и является развитием учебника "Основы строительной физики", изданного в 1975 г. проф. Н.М.Гусевым, основателем кафедры строительной физики МАрхИ.

Новое название учебника и кафед­ры не случайно. Актуальность проб­лемы экологизации современной архитектуры ныне признана во всем мире, а поскольку свет, цвет, климат и звук являются основными факто­рами, формирующими комфортность искусственной окружающей среды (архитектуры), вписываемой в естест­венную среду (природу), эта проблема имеет огромное значение для развития качественно нового этапа в капиталь­ном строительстве и массовой ур­банизации.

Естественна поэтому и необ­ходимость экологизации высшего архитектурного образования. По суще­ству, архитектурная физика является второй частью новой дисциплины, ко­торую должен изучать современный архитектор, — "Архитектурная эко­логия". Первая часть этой дисцип­лины — "Архитектурное природополь­зование" ("Охрана окружающей сре­ды") включает основы защиты живой и неживой природы от воздействия на нее урбанистической деятельности человека, принявшей ныне глобальный характер, что вызывает обостренную озабоченность во всем мире.

Архитектурная физика изучает теоретические основы и практические методы формирования архитектуры под воздействием солнечного и искус­ственного света, цвета, тепла, движения воздуха и звука, а также природу их восприятия человеком с оценкой социологических, гигиени­ческих и экономических факторов.

Кроме того, эта наука — фунда­мент, на котором базируются важ­нейшие положения основных строи­тельных документов — СНиПов, рег­ламентирующих комфортность, плот­ность и экономичность застройки.

Архитектурная физика как часть архитектурной экологии (а ныне одной из важнейших и обязательных частей проекта является его экологический раздел) непосредственно помогает определить качество проекта на всех стадиях (а следовательно, и качество архитектуры) по нескольким основным группам критериев¹: 1) комфортность городских пространств и интерьеров зданий и их функциональность; 2) на­дежность (долговечность) сооружений; 3) выразительность (композиция, све­тоцветовой образ, масштабность, пластика и т.п.); 4) экономическая эффективность (особенно при инду­стриальном строительстве).

Все эти критерии в значительной степени предопределяются при про­ектировании профессиональным уче­том светоклиматических и акусти­ческих параметров среды и элементов зданий.

Следовательно, архитектурная физика имеет самые непосредственные

По аналогии с критериями Витрувия "поль­за, прочность, красота'' (обратим внимание на то, что даже Витрувий говорит о красоте здания толь­ко после пользы и прочности).

связи с профилирующими дисцип­линами — "Архитектурное про­ектирование", "Теория, история и критика архитектуры" и "Архитектур­ные конструкции", а также с системой государственной экспертизы проек­тов. Архитектурная физика находится на стыке таких наук, как астрономия, метеорология и климатология, а пос­кольку архитектура служит для обес­печения жизнедеятельности человека и представляет основные материаль­ные и культурные фонды любой стра­ны, эта наука тесно связана с гигиеной, эстетикой, психологией, социологией и экономикой.

Содержание учебника отвечает современному уровню развития этой науки и учитывает многолетний опыт ее преподавания в Московском архитектурном институте, дискуссии, проведенные в последние годы в на­учных изданиях нашей страны и за рубежом, правительственные поста­новления по экологическим и градо­строительным вопросам и программы Академии наук России по биосферным и экологическим исследованиям.

Курс состоит из вводной части "Предмет и место архитектурной физики в творческом методе архитек­тора" и трех основных частей: "Архи­тектурная климатология", "Архитек­турная светология" и "Архитектурная акустика".

В каждой из основных частей учебника приводятся примеры про­ектирования комфортной среды из оте­чественной и зарубежной архитектур­ной и градостроительной практики.

Изучение курса сопровождается выполнением студентами учебно-исследовательских работ, связанных с архитектурным проектированием горо­дов и зданий. Для адаптации расчет­ных работ к реальным условиям твор­ческой работы архитектора в учебнике приведены графические, табличные и справочные материалы.

Основные разделы учебника за­вершаются списками литературы, с помощью которых студенты и аспиран­ты могут расширить свои знания и освоить методы научно-исследова­тельских работ по архитектурной физике.

В учебнике использованы действу­ющие нормативные документы и результаты новейших исследований отечественных и зарубежных ученых в области архитектуры, градо­строительства, архитектурной физики и экологии.

Предисловие, введение и главы 3 и 5 написаны Н.В.Оболенским, главы 1 и 2 — В.К.Лицкевичем, глава 4 — Н.В. Оболенским и Н.ИЛЦепетковым, глава 6 — Й.В.Мигалиной, главы 7 и 8 — А.Г.Осиповым, глава 9 — Л.И.Макриненко.

Авторы выражают признатель­ность Ж.М.Вержбицкому и B.K.Ca-вину за замечания к рукописи.

Введение. ПРЕДМЕТ И МЕСТО

АРХИТЕКТУРНОЙ ФИЗИКИ

В ТВОРЧЕСКОМ МЕТОДЕ АРХИТЕКТОРА

Архитектура, представляю­щая собой один из важнейших аспек­тов жизнедеятельности человека, от­личается от всех других видов и форм этой деятельности тем, что по­стоянно и повсюду воздействует на живую и неживую природу.

От того, насколько комфортно в широком смысле этого слова построен город, здание или сооружение и на­сколько гармонично они вписываются в природу, зависит жизнь человека и само существование природы. Никогда еще в истории человечества этот воп­рос не стоял столь остро. Только XX век с его научно-техническим и демографическим "взрывом", глобаль­ной урбанизацией, миграцией насе­ления и массовым индустриальным строительством беспрецедентно обост­рил эту проблему.

Почему так важно иметь это в ви­ду современному архитектору? Ведь на протяжении тысячелетий архитекто­рам было известно, что "...города и здания на юге следует проектировать и строить сообразно теплому климату, и совсем по другому на севере" (Вит-рувий), что "...ширину улиц, высоту зданий и размеры окон надо выбирать с учетом ориентации и глубины по­мещений" (Альберти, Палладио), что "важнейшими материалами для архи­тектора являются солнце, бетон, ме­талл, стекло, деревья, трава и т.д. При этом последовательность их пе­речисления соответствует их важно­сти" (Корбюзье), что "...вписывать ар­хитектуру в природу необходимо бе­режно л композиционно оправданно" (Жолтовский) и что "для того, чтобы осветить помещение, недостаточно сде­лать отверстие в кровле, а необходимо убедиться в том, что ритм света и тени будет соответствовать компози­ции интерьера" (Кан)...

Все архитектурные и градострои­тельные шедевры создавались с учетом этих вечных истин.

Города южных сухих районов всег­да имели характер "самозатеняющихся структур", а здания — своеобразных "термосов" с массивными стенами, замкнутой компактной планировкой и редкими небольшими окнами. Ярко выраженный образ такой архитектуры был прямым следствием характерных климатических условий и приобретал четкий национальный характер.

Для влажных районов, наоборот, характерны открытая планировка, лег­кие "дышащие" стены и светопроемы, хорошо проветриваемые городские пространства.

Большинство южных районов от­личается большим количеством сол­нечных дней в году, очень высокой радиацией и контрастностью освеще­ния. Это предопределяет специфиче­ский характер архитектурной пласти­ки и цветовых соотношений элементов и деталей зданий: тонкую пластиче­скую модуляцию декора, большую насыщенность цвета и его контрастные сочетания (эти. особенности распрост­раняются также на одежду и утварь).

В северных и большинстве цент­ральных районов преимущественно об­лачное небо обусловливает крупную пластику стен и деталей и нюанси­рованные пастельные цветовые соче­тания, что полностью соответствует

природному окружению и мягкому рассеянному освещению. XX век и здесь оставил следы своей бурной де­ятельности. Появились новые мате­риалы и технические новшества, ка­тастрофически разрослись города, транспорт, промышленность, вредные выбросы в атмосферу и водостоки, го­родской и технологический шум, воз­никли предпосылки для энергетиче­ских, экологических, демографических и даже нравственных кризисов.

В Лос-Анджелесе обнаружен новый невидимый глазом смог, образующийся в современных городах в результате сочетания ультрафиолетовой радиации солнца с выбросами двигателей внут­реннего сгорания и выделениями от ас­фальтовых поверхностей. Оказалось, что этот смог обладает повышенным канцерогенным действием.

Всемирной организацией здравоох­ранения (ВОЗ) зафиксировано откры­тие американских, австралийских и российских ученых, согласно которо­му в результате массовой миграции слабопигментированного населения (людей со светлой кожей) из север­ных городов в южные в последних Слу­чаи заболевания горожан раком кожи возросли в 4 раза. Это объясняется тем, что в современных городах отме­чена повышенная ультрафиолетовая солнечная радиация в микрорайонах с малой плотностью застройки при от­сутствии там солнцезащиты. В то же время исследования показали, что учет архитекторами солнечной радиа­ции при проектировании застройки может снизить радиационный фон в городской среде на 30%.

Как известно, в последнее время многие архитекторы вновь начали ув­лекаться стеклянными поверхностями. Это обусловлено ложным представле­нием о беспредельных возможностях современного солнцезащитного стекла и оборудования для кондиционирова­ния воздуха. Однако даже использо­вание весьма дорогостоящего стекла типа "Кудо-Аурезин" и новейших си­стем кондиционеров не позволяет до­стичь в подобных зданиях комфортно­го освещения и микроклимата без при­менения регулируемой солнцезащиты и колоссальных затрат на эксплуата­цию установок искусственного ох­лаждения помещений. Это особенно важно помнить нашим архитекторам, поскольку у нас мало развита отрасль промышленности, выпускающая подо­бные стекла и устройства.

Опыт некоторых мастеров архитек­туры XX в. не может и не должен служить предметом для подражания, что, к сожалению, осознали еще да­леко не все. Ярко и профессионально сказал об этом современный австра­лийский архитектор Е.Харкнесс¹:

"За малым исключением геометрические формы архитектуры Миса ван дер Роэ просты и прямолинейны. Небольшое число его построек от­личается усложненными формами, обусловленны­ми регулированием солнечной радиации.

Системы светопроемов, по существу, являют­ся выражением его личного философского пред­ставления о структуре. Хотя многое подтверждает его известную заинтересованность технологией и конструкционной детализацией, физические па­раметры окружающей среды не играли значитель­ной роли в его творчестве. Геометрические формы его произведений претерпели бы изменения, если бы он с большим вниманием относился к солнечной геометрии.

Одним их классических примеров недоста­точного понимания или непризнания архитекто­ром влияния физических параметров окружающей среды является Франсуорт Хаус в Плэнс, штат Ил­линойс, США (1950), абсолютно не обогреваемый зимой и невыносимо жаркий летом. Владелец зда­ния даже возбудил дело против архитектора, так как дом непригоден для жилья. Стеклянная короб­ка настолько неудачна с точки зрения выбора ма­териала для оболочки здания, что можно было на­деяться, что она будет отвергнута любым серьезным архитектурным исследованием. Тем не менее в большинстве печатных работ без какого-либо кри­тического комментария ее все еще выдают за ше­девр...

Люди, помещенные в стеклянные жаркие ко­робки, применяли различные солнцезащитные"

Харкнесс Е., Мехта М. Регулирование сол­нечной радиации в зданиях. — М.: Стройиздат, 1984.

приспособления, что привело к беспорядочности и неопрятности архитектуры фасадов. Для решения этой проблемы стали применять полурегулируе­мые внутренние жалюзи с тремя положениями эк­ранирующих элементов: полностью открытым, полностью закрытым и наполовину закрытым. Это привело к чрезмерному снижению освещенности помещения и ограничению обзора при закрытых жалюзи, защищающих от прямого солнечного све­та, хотя стеклянная коробка, обладающая плохи­ми теплоизоляционными свойствами и требующая дорогостоящих отопления и охлаждения, должна была хотя бы обеспечить обзор из здания...

В настоящее время мы осознаем ограничен­ность мировых энергетических ресурсов. Новые поколения архитекторов будут нести моральную ответственность за проектирование зданий, не обеспечивающих комфорта при минимальных энергетических затратах. Возможно, что в буду­щем максимальное количество единиц энергии, которое могут потреблять здания, будет ограничено законом. Основаниями для подобных ограничений могут служить число людей, для которых запроек­тировано здание, его назначение или другие фак­торы.

В течение всей профессиональной карьеры Мис ван дер Роэ не учитывал регулирование сол­нечной радиации. Он никогда не изучал геометрии солнечного движения относительно ориентации здания или же представлял себе ее, но отвергал, так как она не вписывалась в его философию раци­ональной ясности форм, ограниченной эстетиче­скими рамками визуального восприятия.

Простота геометрии, присущая произведени­ям архитектора, редко встречается в природе; при­родный порядок сложен. Живые организмы, взаи­модействуя с природными условиями, усложняют­ся, в противном случае они не выживают. Мис ван дер Роэ не учитывал многие изменяемые парамет­ры окружающей среды, которые оказывали влия­ние на его здания и их обитателей, и не противодей­ствовал конфликтам, возникающим в результате этого влития.

Подражание творчеству Миса ван дер Роэ бы­ло очень значительным и продолжает быть тако­вым — это бесспорно, так же как и то, что это под­ражание нанесло большой вред архитектурному образованию и уважению общества к архитектур­ной профессии.

В хорошей архитектуре оболочка здания дол­жна эффективно объединять все проектные пара­метры, включая планировку, конструкцию, теп­ловой и световой комфорт и технологические фун­кции, при оптимальных капитальных и эксплуата­ционных затратах как в денежном выражении, так и в единицах энергии".

Значение этой проблемы для мас­сового строительства особенно вели­ко: в последнее десятилетие развитие архитектуры во всем мире не соответ­ствует глобальным явлениям, характе­ризующим экономические и социаль­ные условия жизни людей на планете.

В социальном аспекте архитектура в значительной степени утратила свя­зи с национальными, эстетическими, демографическими традициями и тре­бованиями, которые на протяжении тысячелетий определялись конкретны­ми климатическими условиями и ду­ховными потребностями человека.

В экономическом отношении со­временная архитектура в еще большем долгу перед человечеством. В век энергетического кризиса и всемерной экономии энергетических ресурсов и капитальных затрат рациональные проектные решения городов, агропро­мышленных комплексов и отдельных зданий и сооружений обеспечивают значительную экономию материаль­ных и финансовых ресурсов.

Основа рационального с точки зре­ния комфортности и экономичности решения будущего здания закладыва­ется архитектором в самом начале проектирования, когда определяются композиционный замысел и образ бу­дущего сооружения, его ориентация по сторонам горизонта, размеры и про­порции светопроемов и т.п. Было бы грубой ошибкой считать, что совре­менная техника и новые материалы позволяют архитектору реализовать любой его проект (к сожалению, с этим мнением приходится сталкивать­ся в практике реального и учебного проектирования).

Среди архитекторов бытует еще и такое суждение: зодчему не обязатель­но владеть основными методами про­ектирования микроклимата, освеще­ния, инсоляции, солнцезащиты, аку­стики и т.п., так как при необходи­мости он может обратиться к соответствующему специалисту. Меж­ду тем круг таких специалистов весьма ограничен. Следует отметить, что все выдающиеся архитекторы прошлого — Витрувий, Альберта, Аалто, Кан — не только профессионально владели эти­ми методами, но еще и совершенство­вали и развивали их. Достаточно вспомнить знаменитую "аналему Сол­нца" Витрувия, на основе которой по­строены все современные графики для расчета инсоляции и солнцезащиты. Крупнейшие мастера архитектуры хо­рошо понимали формообразующие и гигиенические свойства солнечного света, этого своеобразного инструмента и материала в руках архитектора.

Не меньшее значение имеют эти вопросы и для развития теории и ос­мысления истории архитектуры. Глу­бокий анализ закономерностей формо-, цвето- и пространствообразования под воздействием света выполнен Н.И.Бруновым в его очерках по исто­рии архитектуры. С этой точки зрения Е.Харкнесс продемонстрировал пример подлинно научной критики произведе­ний мастеров Нового движения в ар­хитектуре (Миса ван дер Роэ, Райта, Гропиуса и др.).

В связи с этим нельзя не упомя­нуть о блестящем научном анализе и открытии в области изучения твор­чества Микеланджело, которое сделал патриарх российской ксилографии проф. П.Я.Павлинов в 40-е гг. Он до­казал, что все свои скульптуры, осо­бенно знаменитую "Пьету", Микелан­джело создавал в расчете на главную точку восприятия при определенных условиях освещения. В результате итальянская Академия художеств в 1949 г. приняла решение повернуть "Пьету" на постаменте почти на 40^ и ссютветствующим образом ее осветить.

Нельзя считать, что задачи архи­тектуры и архитектурной науки огра­ничиваются поисками красоты и изя­щества форм, пропорций и линий (что характерно для творческого мировозз­рения Миса ван дер Роэ). Их содер­жание не исчерпывается искусствовед­ческими изысканиями о закономерно­стях композиционных соотношений, спорами о тектонической сущности форм и историей создания архитектур­ных шедевров. Последние, кстати, ста­ли таковыми именно потому, что их создатели понимали: выразительность архитектуры во многом зависит от природных параметров световой среды, иначе никогда не возникло бы разли­чия между глубокой и мощной пла­стикой русской архитектуры и тонким кружевоподобным декором в египет­ском и среднеазиатском зодчестве, между открытым солнцу пространст­вом в городе с умеренным климатом и замкнутыми композициями и само­затеняющими градостроительными структурами в районах с жарким су­хим климатом.

В экономическом отношении зна­чение этих вопросов не менее велико. Достаточно сказать, что при рацио­нальном выборе размеров светопрое-мов и увеличении использования ес­тественного света в зданиях на 1 ч в течение суток государство экономит 3 млн кВт/ч электроэнергии в год только в промышленных зданиях.

При правильном подходе архи­тектора к решению планировочных за­дач с учетом требований к инсоляции зданий можно более рационально ис­пользовать ценные селитебные тер­ритории, повысить плотность застрой­ки на 8—10% и увеличить строитель­ство экономичных домов меридиональ­ного типа с широким корпусом. С учетом масштабов жилищного строи­тельства в нашей стране это позволит значительно сократить градостроитель­ные затраты без снижения объема ввода жилых домов.

При рациональном применении солнцезащитных средств в архитектуре приведенные затраты на здания с уче­том повышения производительности труда, уменьшения бракованной про­дукции и расходов на искусственное регулирование микроклимата снижа­ются на 20—30%.

В настоящее время, когда процесс урбанизации охватил весь мир, а де­ятельность общества в целом оказы­вает возрастающее и все более мно­гообразное воздействие на природу, возникли актуальные социальные про­блемы взаимодействия общества и природы в целях сохранения экологи­ческого равновесия и создания для че­ловечества благоприятной жизненной среды.

В области архитектурной экологии таких проблем множество. Наиболее важные из них связаны с солнечной радиацией, которая, по выражению русского климатолога Воейкова, яв­ляется первым и важнейшим факто­ром, формирующим как климат в це­лом, так и искусственную материаль­ную среду — архитектуру. Недаром Корбюзье ставил солнце на первое место, когда перечислял материалы и средства, с которыми имеет дело ар­хитектор.

Более всего зависит от солнечного излучения световая среда, создаваемая ультрафиолетовой, видимой и тепло­вой радиацией Солнца. Актуальная для нашего времени проблема — эко­номия невозобновляемых энергетиче­ских ресурсов также теснейшим обра­зом связана с радиацией. Потери теп­ла и холода, а тем самым и стоимость эксплуатации зданий в значительной степени зависят от композиции и плотности застройки, ориентации зда­ний по сторонам горизонта, размеров и пропорций светопроемов и интерье­ров, пластики фасадов.

Современная практика показывает, что элементарные требования к архи­тектуре, определяемые экологически­ми факторами, учитываются недоста­точно. Иначе нельзя объяснить распро­странение идентичных планировоч­ных, конструктивных и композицион­ных приемов, а также материалов, размеров и форм светопроемов (в том числе ленточных) в различных кли­матических районах. Последнее вызы­вает особое опасение, так как размеры светопроемов в общественных и про­мышленных зданиях массового строи­тельства сейчас вновь возросли до недопустимых пределов. Некоторые теоретики архитектуры оценивают ленточное горизонтальное остекление фасадов как "огромное завоевание ар­хитектуры", так как оно дало "прин­ципиальную возможность полного ви­зуального раскрытия внутреннего про­странства к внешней среде". Нелишне спросить, нужно ли такое "завоева­ние"? Во-первых, "полное визуальное раскрытие внутреннего пространства" вообще не имеет смысла и невозмож­но, во-вторых, максимальное остекле­ние фасадной стены интерьера допу­стимо как исключение, если этого тре­бует его функциональное назначение или особые композиционные условия в интерьере.

Далеко не случайно здесь уделено такое внимание светоцветовому ком­форту и инсоляции в городах и зда­ниях. Поистине для архитектуры эта область — одна из наиболее важных: известно, что более 80% всей инфор­мации, воспринимаемой человеком, приходится на зрительное восприя­тие, а в творческом методе архитек­тора данная проблема всегда занима­ла ведущее место.

Тем не менее тепловой и акусти­ческий комфорт также обязательны, а в ряде случаев являются определяю­щими в поисках архитектурной ком­позиции, формы и пространства. На­пример, в экстремальных климатиче­ских районах планировка города и осо­бенно архитектура зданий и их композиция прежде всего определяют­ся климатическими и ландшафтными условиями места строительства. А для театра или концертного зала акусти­ческие требования, так же как и ви­зуальные, — основа выбора формы и образа сооружения.

Вся мировая история архитекту­ры — яркое тому свидетельство.