Инженерные системы: настоящее и будущее

 Архитекторы не в состоянии решить мировые экологические проблемы, но уже сейчас они могут проектировать здания, функциональное назначение и конструктивная гибкость которых позволяют значительно экономить энергоресурсы.

Примеры такого подхода не ограничиваются только зданиями: работая с промышленными объектами, мы создали новое поколение ветровых турбин, энергосберегающие системы облицовки и даже электрический велосипед с солнечными батареями.

Часто имеются определенные связи между экологией здания, которую можно измерить, и эстетической стороной архитектуры, трудно поддающейся численному определению. Например, в определенное время дня пол лондонского аэропорта Станстед покрывается пятнами солнечного света. Этот эффект обусловлен осознанным решением, согласно которому солнечный свет должен быть существенным ингредиентом внутреннего пространства. Воплощение этого решения было тщательно смоделировано и исследовано. Исходило оно из сильного желания повысить качество этого пространства и придать бóльшую «человечность» сооружению.

В последнее десятилетие «устойчивость» стало модным словом. Но устойчивость является понятием не моды, а необходимости. Наиболее простым образом устойчивая архитектура может быть определена как способ достижения максимального минимальными средствами. Мáксима Мизина «Меньшее есть большее» в экологических терминах звучит как известный запрет «Не растрачивай, не желай».

В своем обзоре глобального состояния окружающей среды за 2000 год ООН предупреждала о серии грозящих экологических кризисов, вызываемых все большим дефицитом чистой воды, глобальным потеплением климата и загрязнением окружающей среды. Предполагается, что такие тенденции могут быть приостановлены, только если развитые страны изменят свою экономическую политику, сократив потребление сырья и энергии на 90 процентов.

Архитекторы не в состоянии решить все мировые экологические проблемы, но мы можем проектировать здания, требующие только часть потребляемой ныне энергии. Расположение и функциональное назначение сооружения, его конструктивная гибкость и технологический ресурс, ориентация, форма и конструкция, его системы обогрева и вентиляции, характеристики используемых при строительстве материалов – все эти параметры влияют на количество энергии, требующейся для возведения, эксплуатации и технического обслуживания здания, а также для транспорта, движущегося к нему и от него.

Понятие устойчивой архитектуры связано не только с проектированием отдельных зданий. Предпринятые нами в середине 1970-х годов планировочные исследования для Гомеры (Канарские острова) стали первым примером внедрения устойчивых моделей развития инфраструктуры туризма. Наш клиент Фред Ольсен, занимавшийся круизами на Канарские острова, разделял нашу озабоченность экологическими проблемами. Для уменьшения зависимости островов от ввозимой нефти и для поддержания самостоятельного длительного развития мы рассматривали возможность использования альтернативных источников энергии – ветра и солнца, а также производства метана из бытовых отходов. Эти исследования по существу стали примером «зеленого» проекта задолго до того, как экологические проблемы начали серьезно обсуждаться.

Одной из наиболее важных характеристик устойчивой архитектуры является способность к адаптации. В течение последних двух десятилетий методы работы стали значительно более гибкими. Множество людей работают сейчас дома за портативными компьютерами, взаимодействуя со своими коллегами с помощью электронной почты и факса. Нет сомнения, что под влиянием технологического развития методы работы будут и далее видоизменяться. Мы не можем предсказать точный характер такого развития, но мы можем придать бóльшую гибкость конструкциям наших зданий, чтобы они продолжали быть полезными и в изменившихся условиях.

Например, в здании главного правления фирмы Willis Faber & Dumas, строительство которого завершилось в середине 1970-х годов, впервые были применены фальшполы, использовавшиеся в то время исключительно в компьютерных залах. Фальшполы настилались поверх основной плиты конструкции здания, оставляя промежуток для установки каналов электрических и телекоммуникационных кабелей. Присущая этой простой системе гибкость обеспечивает большие преимущества в экологическом смысле. Такое решение позволило Willis Faber произвести в 1980-е годы всестороннюю компьютеризацию с минимальной ломкой строительных конструкций. Эта фирма стала единственной крупной британской страховой компанией, которая не была вынуждена возводить для этих целей совершенно новое здание.

В настоящее время в рамках проекта многоцелевого использования в Кельне (Германия) мы устанавливаем фальшполы впервые в жилых помещениях, что само по себе приводит задачу многоцелевого использования к своему логическому завершению.

В проекте Gerling Ring жилые квартиры, офисы, магазины и рестораны объединяются в единую структуру, позволяющую легко приспосабливать отдельные модули для различных целей, например, офисы преобразовывать в квартиры, если в будущем возникнет такая потребность.

Немецкое просвещенное законодательство, касающееся условий работы, устанавливает, что любой сотрудник офиса имеет право на дневной свет и на доступ к открывающемуся окну. Это требование предполагает проектирование офисных помещений со сравнительно тонкими плитами настила. На фундаментальном уровне это означает, что между базовыми конфигурациями квартиры или офисного помещения нет большой разницы, за исключением наличия ванной комнаты и кухни. Если, например, через тридцать лет в Кельне не будет такой большой потребности в офисах, вместо их расточительного сноса может быть предложено решение по их эффективному преобразованию в квартиры.

Действительно, постоянный цикл сноса и нового строительства связан с огромными нагрузками на природные ресурсы и источники энергии; в терминах устойчивости снос должен служить лишь в качестве последнего средства. В одной только Великобритании в результате сноса различных сооружений ежегодно образуется 70 миллионов тонн отходов.

На строительство новых зданий приходится приблизительно 4 % всей ежегодно потребляемой в Великобритании энергии; при этом вырабатывается 40 миллионов тонн углекислого газа в год. До 60 % энергии и других используемых в строительстве ресурсов затрачивается на возведение остова и каркаса здания, поэтому сохранение конструкции здания путем его преобразования для других целей с экологической точки зрения имеет прямой смысл.

В настоящее время одним из наиболее важных понятий устойчивой архитектуры стало понятие воплощенной энергии. Проще говоря, здание воплощает энергию, затраченную на изготовление всех его компонентов, и энергию, потребленную при его сооружении. Чем дольше стоит здание, тем большая доля инвестиций, вложенных в его воплощенную энергию, будет возвращена. Это обстоятельство усиливает аргументацию по использованию высококачественных материалов, позволяющих продлить срок службы здания. Но в данном случае числовые выражения для представления воплощенной энергии становятся более сложными.

Например, очистка алюминия от примесей требует таких огромных затрат энергии, что он считается неэкономичным материалом, однако высококачественный алюминий может служить десятилетиями без какого-либо технического обслуживания. Для материалов более низкого качества, которые могут показаться более экономичными, через какое-то время может потребоваться ремонт или замена, что приведет к большим совокупным затратам энергии.

В этих терминах устойчивость может быть приравнена к износостойкости и к удовлетворению, получаемому людьми от качественных вещей. Устойчивость не должна означать отсутствие комфорта или удобства.

Форма и ориентация здания могут также оказывать большой эффект на потребление энергии. Максимальная экономия энергии достигается при минимизации площади внешней поверхности здания, поэтому при выборе формы здания за основу была взята сфера, так как она имеет площадь поверхности на 25 % меньшую площади поверхности куба такого же объема. Проведенные затем преобразования этой чистой формы позволили выявить наиболее оптимальные параметры, в особенности касающиеся поверхности, подвергаемой воздействию прямых солнечных лучей.

Данная стратегия поддерживается множеством пассивных систем контроля окружающей среды: бóльшую часть года в здании действует система естественной вентиляции, во всех офисных помещениях имеются открываемые окна; тепло, вырабатываемое компьютерами, осветительными приборами и людьми, может повторно использоваться внутри здания; для охлаждения здания имеются скважины, по которым могут закачиваться холодные грунтовые воды. Комбинация этих энергосберегающих систем обеспечивает тепловой режим, при котором в течение большей части года для здания правления не требуется дополнительного обогрева, при этом количество потребляемой энергии составляет только четверть от энергии, потребляемой типичным офисным зданием.

Сходную степень геометрической сложности можно отметить в другом проекте – 41-этажном офисном здании лондонского правления Swiss Re в Сити. Профиль этой высокой башни можно сравнить с сигарой – цилиндр, вначале утолщающийся с высотой, а затем сходящий на конус на самом верху. Такая форма отвечает специфическим требованиям малого пространства, на котором расположено здание: в этом случае оно выглядит менее громоздким, чем обычный прямоугольный блок с такой же эквивалентной площадью помещений; двойной изгиб башни уменьшает отражения и улучшает светопроницаемость; тонкий профиль здания максимально увеличивает пространство и степень проникновения дневного света на уровне земли.

Стратегия взаимодействия здания с окружающей средой основана на размещении небесных садов в шести треугольных врезках в краях каждой круглой плиты настила – в плане полы похожи на ступицы автомобильных колес с радиальными спицами. Полы на разных уровнях повернуты по отношению к полам соседних уровней, и, таким образом, сады кажутся поднимающимися спиралью по периферии здания. Сады образуют часть системы естественной вентиляции здания, в них будут высажены растения, интенсивно насыщающие воздух кислородом.

Строительство здания Swiss Re ведется на примере постройки главного правления банка Commerzbank во Франкфурте, при которой впервые было воплощено желание примирить работу и природу в пределах офисного здания. Идеи этого сооружения, в свою очередь, вызывают воспоминания о более ранних проектах, например, о дерновом саде на крыше здания Willis Faber, который был попыткой внедрения «парка» в офис, а также о наших проектах зданий банков в Гонконге и Шанхае, в которых нами были предложены «сады в небе», но которые, к сожалению, не удалось реализовать.

Commerzbank дал нам также возможность спроектировать функционально «зеленое» здание, соответствующее к тому же его расположению в центре города: это первая в мире высотная башня, построенная на принципах максимального учета экологических требований. Также это одна из самых высоких башен в Европе. Важно отметить способ, позволивший нам интегрировать такое высокое сооружение в городскую среду. Оно вырастает из центра большого традиционного городского квартала. При реконструкции стоящих по периметру зданий мы сохранили их меньший размер и, соответственно, характер соседней архитектурной среды на уровне улицы. Банк соединяется с окружающими его зданиями крытой галереей для публики, проходящей сквозь весь район банковского комплекса и служащей определенным социальным центром благодаря размещению в ней кафе, площадок для демонстрационных стендов и других элементов, способствующих приятному времяпровождению.

Тридцать лет назад при проектировании здания Willis Faber в другом месте городского центра, в сотрудничестве с фирмой Buckminster Fuller, родилась идея закрыть весь комплекс стеклянным куполом свободной формы, соорудив тем самым здание с собственным микроклиматом. В то время у нас не было технологической экспертизы для реализации такого перекрытия в пределах графика строительства – было трудно реализовать купол такой сложной геометрии с двойной кривизной. Но сегодня мы обладаем цифровыми технологиями, позволяющими нам проектировать и создавать такие конструкции, как здание мэрии Лондона и Swiss Re значительно быстрее, чем в 1970-х годах.

Одной из таких технологий является математическое моделирование, разработанное вначале для аэрокосмической и автомобильной отраслей промышленности, для проектирования форм со сложной кривизной, и имеющее в настоящее время большое значение при проектировании зданий. Эта технология представляет собой процесс трехмерного компьютерного моделирования, основанный на использовании обычных числовых электронных таблиц. При моделировании может быть видоизменен любой элемент проекта, в результате происходит автоматический пересчет всей модели аналогично тому, как вся электронная таблица пересчитывается при изменении значений отдельных ее элементов.

Однако такие рациональные формы не обязательно требуют сложных современных материалов. Например, в разрабатываемом в настоящее время проекте Chesa Futura в Санта-Морице (Швейцария) мы используем математическое моделирование для проектирования жилой застройки, в которой, несмотря на ее современную форму, используется традиционная техника строительства деревянных домов.

Деревянная конструкция здания является одной из наиболее экологичных. Дерево – полностью возобновляемый ресурс, во время своего жизненного цикла оно поглощает углекислый газ. Наибольшая экономичность деревянных построек обеспечивается при использовании местного дерева, благодаря чему минимизируются затраты на его транспортировку. В Швейцарии строительство из дерева имеет смысл по многим причинам: в культурном отношении оно более приятно, так как отражает местные архитектурные традиции, кроме того, благодаря вырубке стареющих деревьев оно способствует обновлению лесного массива.

Аналогично, в Большом стеклянном доме Национального ботанического сада Уэльса в Гармартеншире используются характерные для этого места экологические условия, в данном случае – для обогрева и обслуживания здания с наиболее эффективным потреблением энергии. Частично обогрев осуществляется при помощи работающего на биомассе котла, представляющего собой современную установку по сжиганию древесных отходов от садовой стрижки и предварительно обработанных отходов, поставляемых подрядчиками, занимающихся сбором мусора. По сравнению со сжиганием нефтепродуктов, в этом процессе в воздух выделяется незначительное количество серы и окислов азота. Более того, количество углекислого газа, выделяющегося в процессе горения, приблизительно равно его количеству, поглощенному растениями во время их роста; благодаря этому обеспечивается близкий к равновесию цикл углекислого газа.

Такой щадящий окружающую среду подход последовательно проводится во всей хозяйственной деятельности: дождевая вода с крыши стеклянного дома собирается в емкостях, техническая вода из которых используется для полива и для туалетов, отходы из туалетов обрабатываются в местной установке биологической переработки отходов, использующей камышовые настилы. Даже образующаяся при горении зола может использоваться в качестве удобрения. Можно сказать, что описанные системы не противодействуют природе, а работают с ней, оказывая минимальное воздействие на экологию.

В других местах мы использовали иные формы производства энергии, не загрязняющие окружающую среду. Ветровые турбины, разработанные нами совместно с немецкой компанией Еnегсоn, производят чистую возобновляемую энергию, причем мощности каждой из них хватает для обеспечения энергией 1 600 домов.

В этих турбинах используется самое современное и высокоэффективное оборудование. В отличие от большинства турбин, в них нет редуктора; генератор приводится в действие непосредственно ротором, поэтому кинетическая энергия ветра непосредственно преобразуется в регулируемый электрический ток. Небольшие крылышки на концах лопастей ротора, похожие на «подкрылки» самолета, уменьшают аэродинамический шум и повышают эффективность лопастей.

Такие формы возобновляемого производства энергии могут быть дополнены встроенными системами для обогрева и охлаждения зданий. Например, в берлинском Рейхстаге, в котором заседает новый немецкий парламент, вместо ископаемого топлива сжигается возобновляемый «биологический дизель» – очищенное рапсовое или подсолнечное масло. В совокупности с интенсивным использованием для освещения дневного света и естественной вентиляции это приводит к сокращению на 94 % углекислого газа, выделяющегося из здания. Благодаря применению подземных резервуаров в здании также может накапливаться и повторно использоваться дополнительная энергия.

Перед установкой новых обслуживающих систем Рейхстаг ежегодно потреблял энергию, достаточную для обогрева 5 000 современных домов. Повышение температуры в его помещениях в типичный день в середине зимы только на один градус требовало дополнительного потребления энергии, достаточного для обогрева десяти домов в течение года. В настоящее время Рейхстаг производит больше энергии, чем потребляет, что позволяет ему функционировать как местная электростанция, обеспечивающая теплом другие здания правительственного квартала. Если здание девятнадцатого столетия может быть настолько эффективно преобразовано из расточительного потребителя в предприятие, подающее в сеть энергию, насколько легче можно спроектировать новые здания, наиболее ответственным образом использующие ценные ресурсы!

Необходимость возрождения наших городов путем улучшения городской структуры и достижения лучшего баланса между людьми и транспортом является ключом в будущее. Только в последнее десятилетие на примере таких городов, как Барселона, Берлин, Париж и Амстердам, можно видеть, как сдерживание транспорта приводит к лучшему качеству городской жизни.

Наша работа в Наймсе показала, как ограничение транспортных потоков и введение новых элементов приятного времяпровождения в городском центре могут способствовать экономическому и культурному возрождению города. Эффект Carre d’Art и соответствующие городские работы на Рlасе de la Маison Carree должны были преобразовать целый городской квартал. Площадь заполнена людьми, возникла новая жизнь в кафе на открытом воздухе, кроме того, появился волновой эффект, расширяющий эти новые явления за границы площади.

Carre d’Art является блестящей демонстрацией того, как отдельный проект, поддержанный просвещенной политической инициативой, может возродить структуру города. Та же цель движет нашим проектом в Гейтсхеде, в результате которого Тайнисайд по праву станет привлекательным для посещения культурным центром.

Архитектура занимается вопросами организации как внешней, так и внутренней структуры. Наилучшие архитектурные решения являются результатом синтеза всех элементов, характеризующих здание: взаимодействие здания с уличным ландшафтом, его контуры на фоне неба, несущая конструкция, служебные средства, обеспечивающие его функционирование, экология здания, используемые материалы, характеристики помещений, использование света и тени, символизм формы и способ, которым здание обозначает свое присутствие в городе или сельской местности. Вероятно, это справедливо как при строительстве бросающегося в глаза объекта, так и в случае, когда архитектор должен считаться с историческим окружением. Успешная, устойчивая архитектура должна учитывать все эти аспекты и, кроме того, множество других.

Если устойчивость должна рассматриваться как нечто большее, чем преходящая мода, архитекторы должны сами себе ответить на некоторые основные вопросы. Например, почему мы настаиваем на использовании зеленых зон, в то время как могли бы производить строительство на восстановленных землях наших городов? Почему мы так упорно придерживаемся искусственного освещения, в то время как могли бы проектировать здания, заполненные дневным светом? И почему мы применяем расточительные системы кондиционирования воздуха в местах, где мы могли бы просто открыть окно? Почему мы разрушаем здания, которые можно было легко преобразовать для других целей?

Статья подготовлена по материалам публикаций архитектора сэра Нормана Фостера.

Источник: цикл публикаций, рассматривающих наиболее характерные нерациональные, малоэффективные, не соотносящиеся с действующими нормативными документами решения при проектировании инженерных систем жилых и общественных зданий, и размещенных на сайте www.abok.ru