11040

Рисунок 3-Сады с большими деревьями, 2018 год.

Итак, на основе вышеизложенного были выделены самые популярные и показательные архитектурные объекты цветущего-города Сингапур. Можно выделить много стилей в строи- тельстве, но основное, борьба человека с бетонной застройкой. С развитием строительства по- являются новые и уникальные сооружения неповторимой формы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.https://www.unipage.net/ru/nanyang_technological_university

2.https://archi.ru/projects/world/8949/uchebnyi-centr-nanyanskogo-tekhnologicheskogo- universiteta

3.https://www.archdaily.com/523365/singapore-sportshub-dparchitects

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/Singapore_Sports_Hub

5.https://www.svoiludi.ru/singapour/gardens-by-the-bay-excursion.html

6.https://kupitspining.ru/tehnika-lovli/arhitektura-20-21-veka-v-singapure-arhitekturnyi- singapur.html

480

УДК 624.042.41

АЭРОДИНАМИКА ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ С ВЕТРОГЕНЕРАТОРАМИ

Молева А.А.1

1Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Нижний Новгород, e-mail: alina.moleva52@yandex.ru

При проектировании уникальных зданий и сооружений одной из ключевых задач является прогнозирова- ние их взаимодействия с ветровыми потоками, то есть определение аэродинамических характеристик. В случае, когда здание имеет нестандартную геометрическую форму, эти характеристики устанавливаются на основе результатов численного исследования или аэродинамического эксперимента.

Рассматриваются результаты математического и физического моделирования взаимодействия ветровых потоков и уникального высотного здания с ветрогенераторами.

Методами вычислительной гидрогазодинамики (CFD) проведены исследования оптимальной формы зда- ния, способствующей максимальному увеличению скорости воздушного потока, проходящего через вет- рогенераторы при различных направлениях ветра. Результаты представлены в виде наглядного изобра- жения абсолютных значений скоростей ветрового потока.

В экспериментальной части приводится описание масштабного макета здания и порядок проведения ис- пытаний в аэродинамической трубе. Построены изополя распределения аэродинамических коэффициен- тов по поверхности модели. Полученные данные показали, что результаты предварительной приближен- ной оценки нормативными методами имеют достаточную сходимость, но не учитывают ряд факторов, влияющих на аэродинамические характеристики здания. Также результаты экспериментального иссле- дования говорят об увеличении давления и скорости ветра внутри проемов и, соответственно, эффектив- ном вовлечении воздушного потока к расположенным внутри ветрогенераторным установкам, подтвер- ждая результаты численного исследования.

________________________________________________________________________________________________

Ключевые слова: аэродинамика, аэродинамический эксперимент, численное моделирование, высотное здание, здание с ветрогенераторами, аэродинамический коэфициент.

AERODYNAMICS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH WIND GENERATORS

Moleva A.A.1

1Nizhny Novgorod state University of architecture and construction, Nizhny Novgorod, e-mail: alina.moleva52@yandex.ru

When designing unique buildings and structures, one of the key tasks is to predict their interaction with wind flows, that is, to determine the aerodynamic characteristics. In the case when the building has a non-standard geometric shape, these characteristics are established on the basis of the results of a numerical study or an aerodynamic experiment.

The results of mathematical and physical modeling of the interaction of wind flows and a unique high-rise building with wind generators are considered.

The methods of computational fluid dynamics (CFD) have been used to study the optimal shape of the building, which contributes to the maximum increase in the speed of the air flow passing through wind turbines at different wind directions. The results are presented in the form of a visual representation of the absolute values of the wind flow velocities.

The experimental part describes the scale model of the building and the procedure for testing in a wind tunnel. The isofields of the distribution of aerodynamic coefficients over the surface of the model are constructed. The data obtained showed that the results of a preliminary approximate assessment by standard methods have sufficient convergence, but do not take into account a number of factors that affect the aerodynamic characteristics of the building. Also, the results of the experimental study indicate an increase in pressure and wind speed inside the openings and, accordingly, the effective involvement of the air flow to the wind turbines located inside, confirming the results of the numerical study.

________________________________________________________________________________________________

Key words: aerodynamics, aerodynamic experiment, numerical simulation, high-rise building, building with wind generators, aerodynamic coefficient.

481

Современные высотные здания, число которых непрерывно растёт с развитием техно- логий в сфере строительства, отличаются исключительной гибкостью, легкостью, зачастую обладают слабыми демпфирующими свойствами и повышенной чувствительностью к воздей- ствию ветра. Значительный диапазон изменения форм зданий и рост их высоты стимулиро- вали развитие аэродинамических исследований в интересах строительства [1-7]. При этом речь идёт не только об определении сил, возникающих под действием ветра, но и о возможно- сти использования этих воздействий с пользой для человека и природы.

Высотность зданий позволяет эффективно использовать ветровые потоки в верхних слоях, где скорость ветра выше, в связи с чем появляется возможность интегрировать ветро- вые генераторы непосредственно в архитектуру здания. Использование энергии ветра для вы- работки электричества в перспективе позволит не только обеспечить нужды зданий и соору- жений, но и отдавать излишки энергии во внешнюю сеть.

Наиболее точными методами решения задач, связанных с обтеканием объектов пото- ками жидкости или газа, являются испытание макета сооружения в аэродинамической трубе и численное моделирование. Стоит отметить, что численное моделирование более универ- сально и определяется используемыми численными моделями, методами и алгоритмами.

В качестве объекта исследования рассматривается 67-этажное высотное уникальное здание с ветрогенераторами высотой 304,7 м в городе Новороссийске (Рисунок 1). Ориентация здания выбрана с учетом преобладающего направления ветра для повышения выходной мощ- ности ветрогенераторов [8]. Форма здания имеет воронкообразное очертание в плане для эф- фективного вовлечения ветровых потоков к турбинам. Рассматривались 6 моделей здания с различным углом наклона (α) плоскости фасада к оси симметрии здания при фиксированной площади этажа (Рисунок 2).

Принята модель по типу второй, угол α принят равным 6°, поскольку для малых углов остается высоким коэффициент увеличения скорости ветра для большого диапазона угла атаки при сильном уменьшении продольного размера относительно модели [9].

На рисунке 3 приведены наглядные изображения абсолютных значений скоростей по результатам CFD-анализа для принятой модели.

482

Рисунок 1. Исследуемый проект высотного здания: а) видовая точка, б) ветрогенератор.

Рисунок 2. Исследуемые модели типовых этажей.

Рисунок 3. Абсолютные значения скоростей [м/с] в зависимости от угла атаки для мо- дели №2 по результатам CFD-анализа.

483

Ещё одним надежным способом определения аэродинамических характеристик иссле- дуемого объекта является аэродинамический эксперимент, т.е. совокупность мероприятий и методов, реализующих моделирование течений воздуха и его взаимодействия с исследуемым объектом с целью их изучения с использованием экспериментальных установок.

Такой эксперимент был выполнен в аэродинамической трубе лаборатории кафедры «Отопление и вентиляция» ННГАСУ.

Для проведения исследований в аэродинамической трубе по определению аэродинами- ческих коэффициентов был разработан макет исследуемого высотного здания с ветрогенера- торами в масштабе 1:800, выполненный на 3D-принтере (Рисунок 4). В характерных точках модели выполнена система дренажных отверстий для подключения гибких трубок и измере- ния давления на поверхности модели.

Модель располагалась внутри установки (Рисунок 5), где создавался равномерный по- ток воздуха скоростью 12 м/с. Измерение статического давления на поверхности модели про- изводилось микроманометром. Эксперимент проводился для направления ветра, действую- щего перпендикулярно переднему фасаду здания.

Рисунок 4. Экспериментальная модель здания.

Рисунок 5. Схема экспериментальной установки: 1 – исследуемый макет сооружения; 2 – ветровой поток; 3 – аэродинамическая труба с вентилятором; 4 – подиум-подставка под

модель здания; 5 – направляющие ребра; 6 – гибкая трубка; 7 – микроманометр.

484

После преобразований показаний микроманометра вычислялись значения аэродинами- ческих коэффициентов по формуле:

где рпов – давление, измеренное в изучаемой точке поверхности; р0 – динамическое давление, оказываемое ветровым потоком на вертикальную поверх-

ность.

Также были рассмотрены значения аэродинамических коэффициентов, представлен- ные в приложении В [1], как для эквивалентного по внешним габаритам прямоугольного зда- ния 87,4×27,0×277,2 м (п. B.1.2 «Прямоугольные в плане здания с двускатными покрытиями» [1]) и арочного покрытия эквивалентного размера в плане 87,4×27,0 м с переменной стрелой подъема 27,3…12,6 м (п. В.1.3 «Прямоугольные в плане здания со сводчатыми и близкими к ним по очертанию покрытиями» [1]).

Изополя распределения аэродинамических коэффициентов по результатам экспери- мента и согласно данным СП 20.13330.2016 представлены на рисунке 6. Сравнивая аэродина- мические коэффициенты, полученные в результате эксперимента и взятые из нормативного документа, можно сделать вывод о том, что значения коэффициентов изменяются с преобра- зованием формы здания (исследуемая модель имеет воронкообразное очертание в плане).

Исходя из результатов численного и физического исследований, можно сделать следу- ющие заключения о наиболее эффективном вовлечении ветрового потока к расположенным внутри здания ветрогенераторным установкам:

1.Форма здания должна иметь воронкообразное очертание в плане.

2.Для малых углов наклона (α) плоскости фасада к оси симметрии здания остается высо- ким коэффициент увеличения скорости ветра для большинства случаев, в то же время точки деления потока для моделей с углом α ≠ 0° расположены ближе к краям здания, что показывает более эффективное вовлечение потоков в зону канала. Для исследуемого здания наиболее эф- фективное вовлечение ветрового потока к ветрогенераторам происходит при угле α = 6°.

3.Здание следует располагать с учетом преобладающего направления ветра для повыше- ния выходной мощности турбин.

4.Наличие отверстий или пространств между двумя частями здания значительно снижает ветровое давление, а наличие за зданием зоны отрицательного давления приводит к тому, что даже при неэффективных углах набегающего ветра происходит обдув турбин вовлекаемым в зону пониженного давления потоком воздуха.

485

Рисунок 6. Изополя распределения аэродинамических коэффициентов по результатам эксперимента и согласно данным приложения В СП 20.13330.2016.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* - М.: Минстрой России, 2016. – 80 с.

2.Генералов В.П. Высотные жилые здания и комплексы/ В.П. Генералов, Е.М. Генералова

//Монография. 2013. 398 с.

3.Казакевич М.И. Актуальные проблемы аэродинамики высотных здания/ М.И. Казакевич //Металлические конструкции. 2007. Т.13. №3. С.151-161.

4.Гордеев В.Н. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения / В.Н. Гордеев, А.И.Лантух- Лященко, В.А. Пашинский, А.В. Перельмутер, С.В. Пичугин. - М.: АСВ, 2007. 476 с.

5.Барштейн М.Ф. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М.: Строй-

издат, 1978. 216 с.

6.Сатанов А.А. Экспериментальное исследование распределения аэродинамических ко- эффициентов на высотное здание / А. А. Сатанов, М. Л. Поздеев, А. В. Симонов, А.П. Помазов, П.А. Хазов // Приволжский научный журнал. – 2022. – № 3(63). – С. 43-51.

7.Сатанов А.А. Исследование обтекания потоками воздуха уникального высотного здания ме- тодом аэродинамического эксперимента / А. А. Сатанов, А. Д. Васин // Приволжский научный журнал /Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Нижний Новгород, 2021. – № 3. – С. 38-46.

8.Поздеев М. Л. Оптимальная ориентация энергоэффективных Зданий с ветрогенераторами/ М. Л. Поздеев // XI Всероссийский Фестиваль науки [Электронный ресурс]: сборник докладов. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т; редкол.: Д.Л. Щёголев, И.С. Соболь, Д.В. Монич, А.А. Смыков [и др.] – Н. Новгород: ННГАСУ, 2021 – 1438 с.;

9.Хазов П. А., Поздеев М. Л. Оптимизация форм энергоэффективных зданий с ветрогенера- торами/ П. А. Хазов, М. Л. Поздеев // Приволжский научный журнал /Нижегор. гос. архитек- тур.-строит. ун-т. – Нижний Новгород, 2021. – № 4. – С. 55-63;

486

1Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Нижний Новгород, e-mail: alina.moleva52@yandex.ru

В данной статье поднимается тема актуальности архитектурного направления бионика, которое является компромиссом между развитыми современными технологиями и естественным стремлением человека со- хранить или установить связь с природой, и изучаются перспективы развития стиля в условиях городской среды. Для этого рассмотрены примеры зданий и сооружений, проекты которых реализуются в ближай- шие двадцать лет. Проанализированы три проекта реализуемых в будущем зданий в бионическом архи- тектурном стиле и их выявлены их особенности, на основе которых можно судить об отличительных чер- тах природонаправленных сооружений будущего (к ним относятся: высокая энергоэффективность, мно- гофункциональность, большая площадь озеленения элементов сооружения и возможность влиять на эко- логию городской среды). В статье рассмотрены следующие проекты: проект «New City Flower» китайской фирмы «UA studio 7», парк «Manta Ray» и проект офиса «Semaphore» компании «Vincent Callebaut Architectures». На основании анализа указанных проектов делаются выводы о перспективности развития бионики в условиях городской среды: природонаправленную архитектуру в будущем ждёт стремительное развитие, причём будут создаваться не только бионические здания и сооружения, но и целые парки, сады, природные комплексы, ландшафт которых не будет противоречить естественной среде.

_______________________________________________________________________________________________

Ключевые слова: архитектура, природонаправленная архитектура, бионика, перспективы развития бионики, био- нические здания, объекты архитектурной бионики.

PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF THE BIONIC ARCHITECTURAL STYLE IN AN URBAN ENVIRONMENT

Moleva A.A.1

1Nizhny Novgorod state University of architecture and construction, Nizhny Novgorod, e-mail: alina.moleva52@yandex.ru

This article raises the topic of the relevance of the architectural direction of bionics, which is a compromise between advanced modern technologies and the natural human desire to preserve or establish a connection with nature, and examines the prospects for the development of style in an urban environment. For this purpose, examples of buildings and structures whose projects are being implemented in the next twenty years are considered. Three projects of buildings implemented in the future in the bionic architectural style are analyzed and their features are revealed, on the basis of which it is possible to judge the distinctive features of nature-oriented structures of the future (these include: high energy efficiency, multifunctionality, a large area of landscaping elements of the structure and the ability to influence the ecology of the urban environment). The following projects are considered in the article: the project "New City Flower" of the Chinese company "UA studio 7", the park "Manta Ray" and the project of the office "Semaphore" of the company "Vincent Callebaut Architectures". Based on the analysis of these projects, conclusions are drawn about the prospects for the development of bionics in an urban environment: the nature-oriented architecture will be rapidly developed in the future, and not only bionic buildings and structures will be created, but also entire parks, gardens, natural complexes, the landscape of which will not contradict the natural environment.

________________________________________________________________________________________________

Keywords: architecture, nature-oriented architecture, bionics, prospects for the development of bionics, bionic buildings, objects of architectural bionics.

Бионическая архитектура предполагает создание зданий и сооружений, являющихся естественным продолжением природы, не вступающих с ней в конфликт. Согласно принципам

487

этого архитектурного направления: «Дом — это живой организм, а не всего только сочетание мертвых материалов; дом живет весь в целом и во всех своих частях. Он как бы служит обо- лочкой для человеческой жизни». [1, c. 105] С развитием науки и появлением новых материа- лов возможности использования в строительстве форм и элементов, заимствованных у при- роды, становятся практически безграничными. Архитектурная бионика активно развивается с начала XXI века, а потому уже несколько десятилетий во всём мире проектируются и возво- дятся природонаправленные здания и сооружения, количество которых постоянно увеличива- ется. [2, с. 19] Это свидетельствует о развитии бионики и становлении её как всемирно рас- пространённого архитектурного стиля. Как любое развивающееся явление, архитектурная бионика имеет благоприятные перспективы. Изучить их можно, рассмотрев примеры зданий и сооружений, проекты которых будут реализованы в будущем.

1.Архитектурный проект «New City Flower». Китай. Фирма «UA studio 7».

Китайский архитектурная компания «UA studio 7» представила проект 280-метрового небо- скреба «New City Flower», вдохновившись формой цветка розы. (Рисунок1.) В проекте здание имеет шесть светопрозрачных «лепестков», которые поднимаются от основания и завиваются вокруг конструкции в форме цилиндра. Предполагается, что в высотном здании разместятся офисные помещения, зоны питания, апартаменты и два этажа подземной парковки. При стро- ительстве предполагается использование современных строительных материалов: сталь, бе- тон, стекло. [3]

Рисунок1. Визуализация «New City Flower».

Проектируемый небоскрёб планируется возвести к 2040 году. Он станет примером уникаль- ного высотного сооружения, гармонично вписывающегося в окружающую городскую среду,

488

но имеющего форму нераскрывшегося цветка розы, заимствованную у самой природы. Огром- ный бутон, возвысившийся над крупным городом, поможет людям почувствовать себя частью природного ландшафта.

2.Парк Manta Ray. Южная Корея. Компания «Vincent Callebaut Architectures».

Идея парка, имеющего в проекте название «Manta Ray» («Луч Манта») (Рисунок2.), состоит в том, чтобы создать экологический лесной массив, усилить его естественное орошение, прове- сти берегоукрепление и восстановить городские экосистемы, которые утратились или стали фрагментированными в результате активного технологического развития Сеула. Стратегия с преобладанием растительности также нацелена на уменьшение влияния глобального потепле- ния, которое город испытывает в связи с изменением климата в течение последних десятков лет. Ландшафтный план парка состоит из озеленения берега реки, создания плавучего паром- ного терминала, развития верхнего яруса и культурного комплекса, в котором будет разме- щаться детский научный центр.

Рисунок2. Модель парка «Manta Ray».

Проект «Manta Ray» стремится полному генерированию своей энергии с помощью инноваци- онных энергетических стратегий, воплощённых в различных элементах его проектного пред- ложения. Материалы для строительства планируется получать из биологических источников, эти материалы будут полностью перерабатываемы и пригодны для вторичной переработки.

[4]

3.Проект офиса «Semaphore». Франция. Компания «Vincent Callebaut Architectures».

489