Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование природно-климатических историко-экономических и социальных факторов района персидского залива как элементов экологических систем
1.1. Историко-экономические факторы 14
1.2. Природно-климатические факторы 15
1.3. Социальные и демографические факторы 20
1.4. Динамика развитых экосистем и задачи, стоящие перед архитектурой Персидского залива 23
1.5. Анализ актуальных проблем, стоящих перед современной архитектурой Персидского залива. 30
1.6. Формулировка проблем и определение границ исследования 33
1.7. Выводы по главе 34
ГЛАВА 2. Исследование взаимосвязи экологии и архитектуры жилища на различных масштабных уровнях, определение границ исследования
2.1. Логическое соотношение понятий «архитектура», «конструкции», «экология» 37
2.2. Исследование и обоснование понятия «экология жилища» 42
2.3. Масштабные уровни и факторы воздействия в экологии жилища 49
2.4. Выводы по главе 56
ГЛАВА 3. Разработка архитектурно-строительных решений, улучшающих экологию жилища
3.1. Определение локальной области исследований и разработок применительно к факторам воздействия, масштабным уровням и конструктивным элементам 58
3.2. Экологическая оценка конструктивных элементов здания и интерьера помещения 73
3.3. Разработка экологически эффективных светопрозрачных ограждающих конструкций зданий 77
3.4. Выводы по главе 88
ГЛАВА 4. Теоретические и экспериментальные исследования экологической эффективности архитектурно-конструктивных форм на примере формы светопрорачных ограждений
4.1. Общие положения и специфика исследований 90
4.2. Теоретические исследования экологической эффективности светопрозрачных ограждений 92
4.3. Методика и аппаратура экспериментальных исследований 107
4.4. Экспериментальные исследования экологической эффективности принятых архитектурно-конструктивных решений
4.4.1. Влияние характера светопрозрачной поверхности на яркость отражённого от неё света 109
4.4.2. Влияние характера поверхности на отражение звуковых волн 118
4.4.3. Влияние характера поверхности на скорость отражённого от неё потока воздуха 126
4.5. Выводы по главе 135
Общие выводы 137
Список использованных источников 139
- Динамика развитых экосистем и задачи, стоящие перед архитектурой Персидского залива
- Логическое соотношение понятий «архитектура», «конструкции», «экология»
- Определение локальной области исследований и разработок применительно к факторам воздействия, масштабным уровням и конструктивным элементам
- Теоретические исследования экологической эффективности светопрозрачных ограждений
Введение к работе
Экологические исследования, проведённые в последние десятилетия во многих странах мира, показали, что всё возрастающее разрушительное воздействие антропогенных фактов на окружающую среду привело её на грань кризиса. Это стало не следствием научно-технического прогресса самого по себе, но, как отмечается [1], избыточной рационализации жизни, отчуждением и обездушиванием межличностных контактов, безоглядной эксплуатации природы, породившей глобальный экологический кризис, господства агрессивно-деятельной парадигмы. В этом смысле кризис экологический — следствие кризиса духа. Авторы известного учебника — академики Российской экологической академии И.И.Мазур и О.И.Молдованов - с сожалением отмечают, что люди чаще всего сами не ведают, что творят. Математики выводят уравнения и предлагают модели, не заботясь об их применении, инженеры, используя методологический инструментарий, не задумываются над последствиями своих проектов и технологий, а хозяйственные руководители продолжают отслеживать свои прибыли, закрывая глаза на возможные экологические последствия. Поэтому один из главных парадоксов развития научно-технического прогресса сегодня состоит в том, что «приходится развертывать деятельность по ликвидации результатов деятельности». Иными словами, экологически несостоятельный проект, отрицая естественный природный баланс в геотехнической системе, обусловливает необходимость отрицания его последствий через целенаправленную деятельность по восстановлению нарушенного равновесия.
Решение, как указывал Н.Н.Моисеев, лежит на пути поиска компромисса между «невмешательством» и «покорением» природы.
Архитектура, проектирование и строительство не лежат в стороне от научно-технического прогресса, сами вносят немалый «вклад» в антропогенную деятельность, поэтому все сказанное выше относится и к нам. И в архитектуре требуется учёт своей специфики сосуществования и поддержания устойчивого динамического равновесия естественного и искусственного.
Развивая известные принципы экологизации современного научно-технического прогресса [1] в отношении архитектуры скажем, что она, как всякие науки, техника и производство должна оцениваться и развиваться только в ключе экологической состоятельности на текущий момент и перспективу.
Конечно, экология решает другие, более значимые задачи: обеспечение безопасности человека и природы в условиях глобальных антропогенных
изменений, происходящих в гео- и биосфере; обеспечение экологической безопасности при чрезвычайных ситуациях технического характера; подчинение стратегии научно-технического прогресса в области природопользования высокому уровню экологической безопасности; экологизации хозяйственной деятельности в процессе экономического роста и решения социальных проблем и многие другие столь же крупные задачи.
В этом отношении задачи экологии, решаемые в архитектуре, являются лишь небольшой частью указанных выше крупных задач, носят подчинённый характер. Поэтому и мы в настоящем исследовании ставим лишь ограниченный, соразмеренный объёму диссертационной работы, круг задач по подчинению архитектурных решений проблемам экологии. То есть, будем руководствоваться известным принципом «мыслить глобально, действовать локально».
Следует отметить, что намечая для исследования область «экология — архитектура» мы не вступаем на новый путь. Осознание необходимости экологического подхода в архитектуре уже имеет место. Примером могут служить работы Б.Эдвардса в поддержку «эко-дизайна» [2], где приводятся данные о быстром развитии экологической архитектуры и утверждается, что архитектура, вступающая в новый век, более не является принадлежностью стиля, но экологической необходимостью. Указывается, что если «зелёная» архитектура, как природный тип при всех её достоинствах остается рациональным, социально ориентированным, высокотехнологичным методом строительства, то экологическое движение даёт миру новые моральные устои, а в архитектуре - новую цель и этические основы.
Д.Вайнс формулирует некоторые направления «экологической архитектуры» [3] такие как снижение этажности, использование перерабатываемых и возобновляемых материалов, энергосберегающих материалов, дренажных систем, низкие эксплуатационные расходы, переработка зданий, сокращение использования озоно-разрушающих химикатов, охрана естественного ландшафта, солнечная ориентация. Указывается на необходимость становления экологического сознания, влияющего на образ мыслей. Выражается надежда на положительное проявление новых концептуальных идей в архитектуре и градостроительстве.
В материалах А.Г.Шмаля отмечается, что всё больше урбанизированных территорий превращается в зоны экологического бедствия, делается вывод о необходимости создания комфортной искусственной среды обитания, отвечающей биологическим, социальным, медицинским, эстетическим, то есть, утверждает автор, экологическим требованиям. Вместе с тем, указывается на необходимость регламентации понятия «экология» и других, связанных с ним понятий.
Итак, экологический подход к проблемам архитектуры (проектированию, конструированию, строительству и эксплуатации) является необходимым, осознанным и в некоторой степени опробованным. Остаётся позаботиться о регламентации понятий, уяснить основополагающие определения, чтобы не допустить ошибок упрощения экологического подхода. Хорошую возможность в этом направлении открывают нам труды ученых ГУЗа А.А.Варламова и А.В.Хабарова [5]. Данные ими определения мы принимаем за исходные и на их основе строим эколого-архитектурные модели, проверяем закономерность построений и уясняем характер связей между элементами систем.
Начиная с общеизвестного определения Э.Геккеля, данного им ещё в 1869 г. современные учёные указывают [6] на наличие около ста разных определений экологии. Мы в своём исследовании опираемся на следующую формулировку: экология - это наука, изучающая условия существования и взаимосвязи между живыми организмами и средой их обитания [5]. Это определение отличается простотой и строгостью изложения и содержит все необходимые элементы для наших дальнейших построений. Со структурной точки зрения мы будем работать в области аутэкологии, изучающей взаимодействие одного организма, а именно человека, с окружающей средой (внутренней, внешней, естественной и искусственной). Среди множества целей, на достижение которых направлена экология, для архитектуры наиболее близка цель сохранения благоприятной среды для жизни человека
[5].
Под окружающей средой в широком смысле понимают всё, что окружает человека, включая природную среду, искусственно созданные человеком материальные компоненты, явления и процессы. С экологических позиций окружающая среда - это все тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях. При этом среда может быть природной, включающей естественные материальные тела, природные физические, химические, физико-химические и биологические явления и процессы, так и антропогенный, измененный человеком [5]. Относя приведенные выше определения к архитектуре, отметим, что её элементы могут воздействовать на окружающую среду как антропогенная нагрузка. В то же время они могут и сами испытывать на себе воздействие окружающей среды, как природной, так и антропогенной. И то и другое воздействие имеет место. Поэтому для исследования их характера нужно надлежащим образом построить экосистему и выбрать интересующее нас направление взаимодействий в ней.
Следует уделить внимание и масштабным уровням. В общей экологии различают три масштабных уровня экосистем (микросистемы, мезосистемы и
макросистемы), составляющие иерархию систем разных порядков. Аналогично и в архитектуре с экологической точки зрения мы можем рассматривать несколько масштабных уровней, соответствующих помещению, зданию и улице. Можно было бы выделить и другие уровни, но для целей нашей работы достаточно указанных трёх масштабных уровней, которые по аналогии можно будет назвать микро-, мезо- и макроуровнями.
Средствами воздействия внутри экосистем являются экологические факторы. Они определяются как любой элемент среды, способный оказывать влияние на живые организмы. Различают абиотические или физико-химические факторы (например климатические), биотические (живая природа) и антропогенные. Наиболее существенными в наземных экосистемах являются факторы температуры и влажности воздуха, интенсивности солнечной радиации, интенсивности атмосферных осадков и воздушных потоков, антропогенные воздействия [5], например шум [1]. Архитектурные объекты защищают человека от перечисленных воздействий либо полностью (от атмосферных осадков и воздушных потоков), либо частично (от температуры и влажности воздуха, солнечной радиации и шума). С экологической точки зрения, в случаях частичной защиты, важно установить верхние и нижние границы допустимых колебаний экологических факторов. Такие границы могут быть указаны в строительных нормах и правилах, например, допустимые границы инсоляции помещений и уровень звукозащиты, в санитарных нормах - температура и влажность, или определены экспериментально - например этажность зданий.
Необходимо сказать и о связи архитектуры с загрязнением окружающей среды. По общему определению [5] под загрязнением окружающей среды понимают нежелательные изменения физических, физико-климатических и биологических характеристик воздуха, почв, вод, которые могут неблагоприятно влиять на жизнь человека, необходимых ему животных и растений, культурное достояние. Среди всех типов загрязнения и вредных воздействий к архитектуре имеют отношение физическое загрязнение (тепловое, шум), эстетический вред (нарушение ландшафтов, примечательных мест малопривлекательными постройками. Была выявлена связь психики человека и зрительного восприятия. В литературе даже появилось понятие «экология зрительного восприятия», выражающее угнетение нервной системы человека видом больших площадей однообразных стен зданий, унылой застройки улиц. Человек испытывает порой безотчётное безпокойство и быструю утомляемость, если его взгляд не встречает ничего, на чём бы ончмог остановиться, кроме однообразной застройки, ровных нечленённых поверхностей бетона или стекла.
На макроуровне застройки (уровне улицы) имеет место и световое загрязнение, возникающее от отражения большими площадями стен яркого солнечного света. В городах Персидского залива оно бывает настолько сильным, что вызывает слепящий эффект. То есть имеет место прямое изменение окружающей среды с неблагоприятными последствиями для человека.
Об этом же пишет и Ю.Одум [7], указывая, что урбанизация продолжает оставаться в центре внимания экологов. При этом отмечается, что главная беда заключается не в снабжении городов энергией или ресурсами, а в ухудшении качества жизненного пространства. Ю.Одум указывает на снижение качества среды в городах, во-первых, в результате творческой архитектуры отвлечёнными нововведениями и, во-вторых, чрезмерного внимания общественности к экономике в ущерб планированию городов. Подчеркивается, что в городе — этом венце творения человеческой цивилизации, где человек укрывается от неприятных воздействий физической среды, происходит ухудшение качества жизненного пространства. То есть город на макроуровне рассматривается как элемент экосистемы «жизненное пространство - человек» или «жилище - человек», и указывается на ухудшение качества жизненного пространства.
Таким образом, в отношении указанной экосистемы возникает необходимость контроля за качеством окружающей среды и управления им [5]. По нашему мнению это может быть достигнуто как планировочными, так и техническими средствами, улучшающими качество окружающей среды в экосистеме «жизненное пространство - человек».
Разумеется здесь не найдется много универсальных решений, пригодных во всех случаях, независимо от местных условий. На характер урбанизации в каждом отдельном случае накладывает отпечатки множество факторов, каждый из которых в разных местах проявляется по-разному, а их сумма создает совершенно специфические условия.
Рассматривая условия урбанизации с точки зрения экологии на примере района Персидского залива мы убеждаемся в его совершенном своеобразии и делаем вывод о специфичности средств, направленных на улучшение качества окружающей среды. Без сомнения на специфику архитектуры и экологии района в их взаимосвязи накладывают отпечаток исторические, природно-климатические и социальные аспекты. Мы можем говорить о взаимном влиянии природной экосистемы и социоэкономической [8] экологической системы, одним из элементов которой является архитектура среды проживания.
Изучаемый в диссертационной работе арабский район Персидского залива расположен на северо-востоке Аравийского полуострова. Обширная
территория полуострова занимает 3 млн. кв. км. Своеобразие его истории, демографии, культуры и экономики продиктовано в значительной мере изолированностью района. Около 80% его природных рубежей приходится на побережье, которое окаймлено горными цепями. Берега слабо изрезаны и мало извилисты, так что удобных стоянок для морских судов мало. И только 20% границ, приходится на сушу, но и она представляет собой труднопроходимые пустыни. Естественно, что такие географические и топографические особенности затрудняли контакты с другими странами и районами. Полуостров был обособленным на протяжении многих веков, что сказалось на своеобразии развития арабской цивилизации и культуры. Здесь получили свое начало арабский язык, богатая арабская литература и своеобразная арабская архитектура.
С экологической точки зрения можно отметить благоприятные черты древней арабской архитектуры которая в основном развивалась под влиянием исторических, природно-климатических, социальных и культурных факторов, приспосабливаясь к ним и не вступая с ними в противоречие. Этому способствовали в основном два обстоятельства: климатические и экономические.
Жёсткие природные факторы, резко-континентальный климат требовали от архитектуры решений, защищающих человека от вредных физических факторов внешней среды. А слабая материально-техническая база диктовала умеренность, защиты и изобретательности в использовании подсказанной природой форм и применении местных материалов.
На Аравийском полуострове господствует жаркий и засушливый климат пустынь. Средняя годовая температура воздуха выше 20С. Во внутренних районах Аравийского полуострова температура воздуха летом доходит до 50С и более. Амплитуды суточных колебаний температуры воздуха весьма значительны. Большая часть прибрежного района Персидского залива - Эль Хаса представляет собой однообразную песчаную равнину с дюнами. Вдоль побережья тянутся солончаки «себхи», образовавшиеся в результате заполнения песком мелководных морских заливов. Вследствие испарения на поверхности «себхов» откладывается соль, которая цементирует песок, образуя твёрдую корку толщиной несколько сантиметров.
Описанные выше черты природной экосистемы характеризуют Аравийский полуостров в большей его части (за исключением гор и оазисов) как территорию с жёсткими природными факторами: резко-континентальный климат; высокая среднесуточная температура с неблагоприятными с физиологической точки зрения абсолютными значениями максимума температуры; высокая солнечная радиация (более 350 вт/м2);
преимущественно плоскогорный характер внутреннего пространства полуострова; скудная невысокая растительность.
В таких условиях постоянные поселения традиционно размещались лишь в районах с относительно мягкими климатическими условиями - в прибрежных горных местностях, а также в немногочисленных оазисах. Остальные пространства осваивались лишь кочевниками-скотоводами (бедуинами).
Сравнительно небольшое городское население, отсутствие современных транспортных средств, территориальная изолированность в границах оазиса или, самое многое, полуострова, позволяли создавать архитектуру, наиболее согласованную с природными факторами региона. Известное своеобразие арабской архитектуры никогда не являлось самоцелью. Традиционная архитектура изучаемого района представляет собой пример выработанного на протяжении многих веков согласованного сочетания архитектуры жилища с названными факторами природной экосистемы. Древняя арабская архитектура не была вызовом окружающей природе, но всегда смягчала до приемлемого уровня воздействие неблагоприятных климатических условий, не нарушая природного равновесия, не оказывая вредного воздействия на окружающую среду как природную, так и социально-экономическую.
Что касается мезо- и микроуровня, то малоэтажные здания, узкие тенистые улицы, внутренние дворики, особое устройство кухни, возможность по выбору использовать верхний или нижний этажи в зависимости от времени года, подбор местных природных строительных материалов благоприятно сказывались на экологии жилища.
Архитектура Персидского залива сохраняла традиционные черты арабской архитектуры вплоть до середины XX века. Но в настоящее время страны Арабского Востока не остаются в стороне от глобализационных процессов, одной из черт которого является ускоренная динамика урбанизации жизни.
Наличие больших запасов месторождений нефти, которые составляют на Аравийском полуострове свыше 23 млрд. тонн (25,5% мировых запасов), способствовало ускорению темпов урбанизации, усилению влияния экономических факторов на архитектуру и экологию всего Аравийского полуострова и особенно стран Персидского залива. Быстрый рост населения городов, социальное расслоение, появление большого количества транспортных средств и другие социально-экономические факторы резко меняют облик арабских городов с изменениями в худшую сторону экологии жилища и экологии окружающей среды в целом.
В настоящее время прибрежные города Персидского залива заполняют европейские здания со всеми негативными последствиями несогласованности с окружающей средой на всех трёх масштабных уровнях экосистемы. В то же время прежняя традиционная архитектура уже не удовлетворяет современным темпам урбанизации жизни . Перед архитекторами стоит сложная задача найти удовлетворительные средства совмещения современной архитектуры города с социально-экономическими и природно-экологическими условиями стран Аравийского полуострова и особенно прибрежной полосы Персидского залива.
Обоснование актуальности темы исследования. Из изложенного выше вводного анализа мы можем сделать однозначный вывод об актуальности проблемы взаимосвязи архитектурного проектирования и строительства с эффективной заботой о человеке и окружающей среде. Приведённым выше анализом установлено, что мы вплотную подошли к рубежу, чётко определяющему необходимость экологического подхода в решении большой части архитектурных задач. Или мы будем множить вредное воздействие современной урбанизации на человека и окружающую среду, или мы твёрдо станем на научные позиции, учитывающие взаимное влияние архитектуры и экологии жилища. Сказанное особенно актуально, по нашему мнению, для бурно развивающихся районов Персидского залива на фоне жёстких природно-климатических факторов.
Проблема заключается в том, что под влиянием экономических и социальных факторов архитектура района Персидского залива всё более быстро отрывается от древней арабской архитектуры, традиционно присущей этому району. Бурное развитие строительства, с внедрением европейской архитектуры, несогласованной с природно-климатическими условиями района, неизбежно ухудшает состояние экосистемы «человек — окружающая среда». Необходимо вырабатывать архитектурные решения различные по масштабу или по значимости но в строгом экологическом подчинении.
Целью диссертационной работы является исследование взаимосвязи архитектуры и экологии, разработка и опробования методики экологической оценки архитектурно-строительных решений на примере светопрозрачных ограждений зданий в отношении факторов высокой солнечной радияции, шума, ветровых потоков и состояния визуальной среды, как наиболее характерных в условиях стран Персидского залива и разработка предложений, улучшающих экологию жилища.
Для достижения указанной цели мы ставим следующие задачи:
-исследовать природно-климатические, историко-экономические и социальные условия района Персидского залива, как элементи экологических систем;
-исследовать взаимосвязь экологии и архитектуры жилища на различных масштабных уровнях в условиях Персидского залива;
-разработать архитектурно-строительные решения, улучшающие экологию жилища;
-исследовать эффективность новых технических решений по экологии жилища;
-разработать предложения по практическому использованию новых технических решений, улучшающих экологию жилища в районе Персидского залива.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-исследованы природно-климатические, историко-экономические и социальные факторы района Персидского залива как элементи экологических систем;
-исследована взаимосвязь экологии и архитектуры жилища на разных масштабных уровнях в условиях Персидского залива;
-разработаны новые архитектурно-строительные решения, улучшающие экологию жилища;
-выполнены теоретические и экспериментальные сравнительные исследования новых технических решений в области экологии жилища.
Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что она может быть использована при проектировании зданий в условиях Персидского залива с целью улучшения экологии жилища на разных масштабных уровнях.
Результаты диссертационной работы позволяют:
-улучшить экологию жилища в отношении вредного воздействия солнечной радиации;
-улучшить экологию улицы в отношении солнечных бликов;
-улучшить экологию улицы в отношении шума;
-улучшить экологию улицы в отношении воздушных потоков;
-улучшить экологию жилищной застройки в отношении зрительного восприятия.
На защиту выносятся:
-результаты исследования природно-климатических, историко-экономических и социальных факторов района Персидского залива как элементов экологических систем;
-результаты исследования взаимосвязи экологии и архитектуры жилища на различных масштабных уровнях;
-новые архитектурно-строительные решения, улучшающие экологию жилища;
-результаты теоретических и экспериментальных исследований новых архитектурно-строительных решений в отношении солнечной радиации, шума и воздушных потоков;
-предложения по практическому использованию новых архитектурно-строительных решений в связи с улучшением экологии жилища в районе Персидского залива.
Апробация результатов исследований. Результаты исследований доложены и обсуждены на расширенном
заседании кафедры почвоведения и экологии в присутствии специалистов
международного телевизионного канала АльАлам.
По материалам диссертации опубликовано 7 работ и получен патент Российской Федерации на изобретение №2226599, выданный 10.04.2004 г.
Подана заявка на изобретение в патентное ведомство Великобритании №0404653.8 от 3.03.2004 г., по которому выдано положительное решение.
Признание одного из результатов исследований изобретением с выдачей патента на базе патентно-технических исследований на предмет мировой новизны, полезности и существенных отличий свидетельствуют об их достоверности и практической ценности.
Динамика развитых экосистем и задачи, стоящие перед архитектурой Персидского залива
Современные исследователи выделяют в развитии стран Аравийского полуострова и, в частности Персидского залива, два исторических этапа: с 1845 г. до 1945 г. и с 1945 г. до настоящего времени [10]. Соглашаясь с таким делением истории исследуемого района, мы со своей стороны сосредоточим внимание лишь на взаимосвязи экологии и архитектуры [103] в эти периоды на примере отдельных стран, что будет отвечать цели и задачам настоящего исследования. При этом кратко проанализируем изменения внутри самих экологических систем, изменения их взаимного влияния и их связь с архитектурой среды проживания.
Период до 1945 года является периодом традиционного уклада жизни, традиционной экономики, основу которой составляло сельское хозяйство, географической и политической изолированности и традиционной архитектуры. Период с 1945 года связан с разведкой в районе богатейших запасов нефти, началом её добычи, переработки и продажи. В этот период резко меняются все основные экосистемы района, за исключением, пожалуй, природно-климатической. Но в плане взаимного влияния и она претерпевает изменения, и меняется её роль в развитии региона. Прежде всего претерпевают изменения историко-экономическая и социоэкономическая экосистемы, а через техногенные воздействия меняется и природная экосистема. Архитектура уходит от традиционных рамок и с трудом ищет пути модернизации, не удовлетворяя всем требованиям к жилищу, как экологической среде обитания человека.
Экологические аспекты изменений, связанных с добычей и транспортировкой нефти были настолько очевидны, что они обусловили интенсивное участие стран района в международном сотрудничестве по проблемам экологии. Так Объединённые Арабские Эмираты (ОАЕ) подписали: -Договор о защите морской воды от загрязнения (1954 г.); -Договор о защите от вредных насекомых; -Договор о предотвращении и ликвидации загрязнений морской воды нефтью (1969 г.); -Договор об учреждении международного банка финансирования работ по очистке морской воды от загрязнения нефтью (1971 г.); -Договор о предотвращении загрязнения морских вод мусором (1972 г.); -Договор о защите редких животных от истребления (1982 г.); -Договор о защите морской среды (1982 г.) -Договор о не нарушении озонового слоя (1985 г.); -Договор о помощи в случае ликвидации последствий ядерного взрыва (1986 г.); -Монреальский протокол о защите озонового слоя (1987 г.); -Договор о транспортировании и уничтожении опасных грузов, загрязняющих окружающую среду (1988 г.); -Протокол о предотвращении загрязнения прибрежных вод континентальными породами (1989 г.); -Договор о спасении на водах (1989 г.); -Договор о защите окружающей среды от вредных биологических воздействий (1992 г.); -Договор о необходимости регистрации изменений погоды (1992 г.), (раздел океанов- 1998 г.). Изменения в географии, социально-экономических, демографических и природно-экономических условиях района можно проследить на примере Объединённых Арабских Эмиратов (ОАЭ), расположенных с южной стороны Персидского залива (13). Площадь ОАЭ - 86 тыс. кв. км. Около 95% всей территории ОАЭ приходится на княжество Абу-Даби, остальное - на долю Дубай, Шарджи, Рас-эль-Хайма, Эль-Фуджайры, Аджмана и Умм-эль-Кайвайна. Столица федеративного государства - г. Абу-Даби.
Наибольшая плотность населения приходится на побережье (рис. 1.4). Тоже следует сказать и о распределении населённых пунктов на территории ОАЭ.
С географической точки зрения это объясняется более благоприятными природными условиями. Особенно это относится к побережью Оманского залива. Края плоскогорья здесь приподняты так сильно, что образуют горные цепи тянущиеся вдоль всего залива. Здесь выпадает больше атмосферных осадков и имеется возможность для богарного земледелия. Изрезанное побережье Персидского залива имеет множество небольших бухт для судов. Имеются источники воды. Внутренние районы ОАЭ, как и всего Аравийского полуострова, заняты большей частью пустынными плоскогорьями, покрытыми подвижными песками (около 75% территории). Местами встречаются природные оазисы, где и сосредоточено население этих районов, например оазис Эль-Джива.
Благоприятные природно-климатические условия побережья издавна способствовали концентрации населения на этой узкой полосе территории. В новый период распределение населения всё более связывается с бурно развивающимся экономическим фактором - нефтедобывающей промышленностью. Разведанные запасы нефти ОАЭ составляют 2,5 млрд. тонн, а добыча - около 40 млн. тонн ежегодно (свыше 90% добычи падает на Абу-Даби). Поэтому и основная часть населения сосредоточена в районе Абу-Даби и Дубай. Несколько меньше приходится на долю Эль-Фуджайры. На распределение населения оказал влияние и исторический фактор. Размещение населения преимущественно в прибрежных зонах диктовалось соображениями безопасности во время войны. Там же селились прибывающие выходцы из других стран Персидского залива, а также Ирака, Сирии, Ливана, Египта, Иордании.
Особенности экосистем ОАЭ можно проследить и на примере района города Эль-Фуджайра. Он является третьим по численности населения в ОАЭ и расположен на прибрежном склоне большой горной гряды, протянувшейся вдоль всего побережья Оманского залива. Природные условия города благоприятны в экологическом отношении. Район города имеет плодородные почвы, источники воды, удобные для проживания места. Топография района включает низкие прибрежные места, горную гряду и пустынное песчаное плато. Прибрежная полоса имеет абсолютные отметки 2-6 м над уровнем моря, а иногда и ниже нулевой отметки, что при сильном волнении моря приводит к их кратковременному подтоплению. Эти места характеризуются хорошими почвами.
Плато горной гряды, носящей название «огненные скалы», составляет 80% возвышенностей ОАЭ. Ширина плато в разных местах составляет от 12 до 40 км, а высота колеблется от 30 м до 200-900 м. Самая высокая точка имеет отметку 1153 м. В горной местности встречаются небольшие речки с водопадами.
Логическое соотношение понятий «архитектура», «конструкции», «экология»
Значение понятий «архитектура», «конструкции» и «экология» хорошо известны не только специалистам, но и любому грамотному человеку.
Архитектура зародилась в глубокой древности, как способ организации пространства для проживания, деятельности и отдыха человека. Она имеет целые системы классификаций и градаций такие как архитектура сельских населённых мест, ландшафтная архитектура, архитектура промышленных комплексов и зданий и т. п. То есть это ёмкое понятие, чрезвычайно обширное по логическому объёму. Обширна и её научная база от стереометрии и графики до художественного искусства.
Понятие «конструкции» также уходит в глубокую древность. Они также имеют обширную классификацию и опираются на такие науки как сопромат, механика стержневых систем, материаловедение и т.д. Невозможно назвать какое-либо сооружение или его часть, которые не состояли бы из отдельных конструкций: несущих, ограждающих, антисейсмических, светопрозрачных и т.п. Но даже и при таком ограничении понятие конструкции имеет большой логический объём со множеством делений.
Экология как наука появилась сравнительно недавно. Первое определение экологии было сформулировано Э. Геккелем в 1866 году. Экология во многом занимает особое положение среди других наук. Ее объём наращивается по мере осознания человеком глобальной взаимосвязи явлений и процессов в живой природе и техногенной среде. Она выдвигается в число важнейших наук по своему значению, так как подчиняет материальное духовному [1], ясно показывая, что человек может лишиться плодов всех своих усилий по созданию материального достатка; если загубит жизнь на планете. Зародившись как составная часть биологии, экология давно вышла за её пределы, внедрилась во многие другие научные и хозяйственные области деятельности человека, ставя во главу угла заботу об охране окружающей среды, жизни живых организмов и сообществ и, прежде всего, самого человека. К настоящему времени логический объём понятия экология чрезвычайно велик и всё более возрастает.
Каждое из трёх названных выше понятий «архитектура», «конструкции» и «экология» имеет самостоятельное значение, свои входные компоненты и свой логический объём. Вместе с тем, каждое из них употребляется в сочетании с другими понятиями и в сочетании между собой. Мы рассмотрим те из возможных сочетаний, которые связаны с целью настоящей диссертационной работы, а именно сочетания понятий «архитектура - конструкции», «архитектура -экология» и «экология -конструкции».
Сочетание «архитектура - конструкции» является естественным и понятным сочетанием. Есть архитектура без конструкций, например ландшафтная архитектура, или архитектура планировочных решений или выразительности фасадов. Есть конструкции, не связанные с архитектурой, например, отдельные стальные или железобетонные стойки, плиты перекрытия и т.п., но есть архитектура, связанная с конструкциями, выражаемая через ..., и тогда и сами эти конструкции принадлежат к архитектуре. То есть логически речь идет о пресечении понятий «архитектура - конструкции (рис. 2.1,а.). В области пересечения лежат все элементы, которые относятся и к архитектуре и к конструкциям.
Другое возможное сочетание из трех названных выше понятий - это «архитектура - экология». Это сочетание только набирает силу, но уже имеет немало источников [2,3], предмет обсуждения которых посвящен экологической архитектуре. Этот предмет лежит в области пересечения объемов понятий архитектура и экология (рис. 2.1,6). В эту область пересечения попадают все архитектурные решения или архитектурно-строительные решения, улучшающие, например, экологию города или поселка, экологию улицы, экологию жилища и т.п.
Возможно и третье сочетание - «экология - конструкции». Это сочетание еще менее очевидно, но можно себе представить, что на пересечении логических объемов этих понятий (рис. 2.1 ,в) лежат технические решения, относящиеся к конструкциям, но улучшающие окружающую среду. То есть имеющие отношение и к экологии. Примером решения таких технических решений могут служить тепло- и звукоизоляционные ограждающие конструкции зданий, защищающие жилища, как среду обитания человека, от резких перепадов температур и уменьшающие уровень проникающего в помещение звука или шума. Положительную в экологическом отношении роль играют огнестойкие конструкции, светопрозрачные конструкции с жалюзийными решетками. Первые уменьшают риск возникновения или распространения пожара, а вторые уменьшают до приемлемых размеров инсоляцию или солнечную радиацию. Наконец, форма конструкций может улучшать так называемую экологию зрительного восприятия или улучшать ее, но и эти технические решения лежат на пересечении логических объемов понятий «экология -конструкции».
Мы со своей стороны утверждаем, что цели настоящего исследования отвечает еще один вид сочетания логических объемов понятий, когда пересекаются одновременно три понятия «архитектура - конструкции -экология» (рис. 2.2) и предмет исследования лежит на пересечении этих трех понятий. Предмет нашего исследования, таким образом, признаки архитектуры: внешний вид, особенности зрительного восприятия, размещение элементов в пространстве (планировка). Одновременно он должен иметь признаки конструкций, и тогда мы должны называть его техническим решением [16]. Наконец, это техническое решение должно по вполне конкретным признакам улучшать экологию окружающей среды.
Иными словами признаки нашего исследования лежат на пересечении трех пар понятий (рис. 2.2): «архитектура - конструкции», «архитектура -экология», «экология - конструкции».
Таким образом, границы нашего исследования, которые были намечены в главе 1, могут быть представлены наглядно с помощью кругов Моора (рис. 2.2), где предмет нашего исследования лежит в общей области 4 пересечения трех пар понятий: «архитектура - конструкции» 1, «архитектура — экология» 2, «экология - конструкции» 3. Отсюда следует, что это может быть архитектурно-конструктивное (архитектурно-строительное) техническое решение, улучшающее экологию окружающей среды. Более конкретно предмет исследования должен быть определен после анализа ряда экологических факторов, характерных для района Персидского залива и масштабных уровней воздействия каждого из них.
Определение локальной области исследований и разработок применительно к факторам воздействия, масштабным уровням и конструктивным элементам
Из многочисленных факторов воздействия окружающей среды на человека через архитектурные объекты и их конструктивные элементы выберем наиболее существенные для района Персидского залива. Перечень факторов воздействия и их распределение по масштабным уровням экологии жилища приведены в табл.2.1 предыдущей главы. Анализ научных источников, приведённый во введении и в двух предыдущих главах, показывает, что для района Персидского залива наиболее характерными и существенными факторами воздействия, связанными с тремя масштабными уровнями экологии жилища, являются солнечная радиация, воздушные потоки, уличный шум, состояние визуальной среды.
Для целенаправленной и грамотной разработки архитектурно-строительных решений, необходимо подробно проанализировать указанные факторы. Этот анализ составит предмет так называемого предпроектного исследования, необходимого для достижения указанной цели.
Все исследователи отмечают жёсткий характер солнечной радиации в указанном районе. Таблица 3.1 даёт представление о сравнительных уровнях солнечной радиации в различных районах мира [46].
Из таблицы видно, что максимум солнечной радиации из всех средних значений интервалов принадлежит именно району Персидского залива. К нему приближается по этому показателю районы Азии, прилегающие к Индийскому океану, другие районы Ближнего Востока и некоторые районы Африки. Столь высокое значение солнечной радиации в районе Персидского залива имеет место не смотря на то, что он лежит на значительном удалении от экватора, наЗО-х широтах Северного полушария. Такое природно-климатическое явление станет понятным, если учесть что ему способствует сумма таких факторов, как высота солнцестоянья, отсутствие облачности в течение большей части года, продолжительность светового дня, высота над уровнем моря, прозрачность воздуха и ряд других, которые и составляют в районе Персидского залива высокое значение солнечной радиации.
Лучистая энергия солнца, воздействующая на архитектурную среду обитания человека, имеет разные значения в зависимости от положения солнца по отношению к различным её элементам. Это положение меняется в продолжении видимого движения солнца по небосводу в течение дня и года. Положение солнца на небосводе определяется двумя небесными координатами (рис.3.1): азимутом L и альтитудой (меридианальной высотой) J. Азимут L соответствует углу, составляемому горизонтальной проекцией видимого направления на солнце с меридианальным направлением на Север. Альтитуда J соответствует другому углу в вертикальной плоскости между видимым направлением на солнце и его горизонтальной проекцией. Значения азимута L могут быть в интервале от 0 до 360 , а значения альтитуды J - от 0 до 90. При этом центр «0» координатной системы может быть помещён, например, в пределах плана здания, окна, группы зданий или любого другого исследуемого нами архитектурного объекта, с целью определения стереометрии, продолжительности и интенсивности солнечной радиации.
Указанной выше цели отвечает исследование изменения уровня солнечной радиации в зависимости от географической широты местности, времени года и времени суток. Характер такого изменения может быть определён как раз с помощью указанной системы координат. Так на рис.3.2 представлена стереометрия видимого перемещения солнца по небосводу во все времена года и в каждое время светового дня на широте Сирии(34) [47]. Графики, иллюстрирующие упомянутую стереометрию, показывают, что продолжительность самого длинного дня, приходится на июнь, составляет 14 часов. Солнце восходит в 5 часов с азимутом 620 и заходит в 19 часов с азимутом 300. Продолжительность самого короткого дня в декабре составляет 10 часов. Восход в 7 часов с азимутом 117 и заход в 17 часов с азимутом 243. Альтитуда соответственно равна 81 и 34. Из графика также видно, что в дни весеннего (март) и осеннего равноденствия солнце всходит точно на Востоке (L=90) и заходит точно на Западе (L=270), соответственно в 6 часов и в 18 часов. Приведённый пример демонстрирует методику совместного использования данных рисунков 3.1 и3.2. Кроме того, каждая кривая графиков рис.3.2 примерно отражает интенсивность солнечной радиации, которая изменяется от нуля в часы восхода и захода до максимального значения в 12 часов (L=180). Примером практического использования графиков рис.3.2 в экологии жилища может быть расчёт и проектирование средств защиты помещения от прямой солнечной радиации таких как шторы, жалюзи и козырьки, оценка соотношения прямой солнечной радиации и рассеянного солнечного света в помещении, оценка неравномерности освещения помещения в течение дня.
Таким образом графики рис.3.2 позволяют определить продолжительность светового дня в зависимости от времени года и соотношения азимута и альтитуды (небесных координат) солнца в любой момент дня и года. Указанные графики и зависимости претерпевают изменения на разных широтах, что хорошо видно из рис .3.3. С понижением широты кривизна графиков небесных координат увеличивается. Увеличивается продолжительность светового дня зимой и сокращается — летом. В декабре на широте 60 она составляет меньше 6-тичасов, на широте 45 - 8,6 часа и на широте 30-10 часов. Соответствующие азимуты восхода и захода солнца равны 142 - 218, 126 — 234и 119 — 241. В июне на широте 60 продолжительность светового дня составляет более 17 часов (азимуты от 38 до322), на широте 45 - более 15 часов (азимуты от 56 до 304) и на широте 30-более 13 часов (азимуты от 62 до 298). Наибольшие изменения претерпевают альтитуды солнца. В декабре на широте 60 альтитуда равна всего 7, на широте 45 она равна 22 и на широте 30 она равна 37. В июне альтитуды составляют соответственно 54 , 68 и 84 .
Теоретические исследования экологической эффективности светопрозрачных ограждений
В соответствии с целью и задачами диссертации исследованию подлежат следующие основные факты воздействия на экологию жилища: в отношении внутреннего пространства (масштабный уровень помещения) -инсоляция и средства защиты от её чрезмерных значений; в отношении внешнего пространства (масштабный уровень улицы) — отражённый свет, отражённый звук, отражённые воздушные потоки. При этом в обоих случаях рассматриваются только светопрозрачные ограждения.
Основной целью исследований настоящей главы является сравнительная оценка экологической эффективности наиболее распространённого плоского остекления зданий и остекления предлагаемыми нами сферическими светопрозрачными элементами в отношении важных для района Персидского залива экологических факторов: солнечной радиации, звукового воздействия, и ветра и состояния визуальной среды на разных масштабных ровнях экологии жилища.
Для достижения указанной цели мы намечаем решения следующих задач: - теоретически исследовать влияние формы светопрозрачных ограждений на характер светопропускания и светоотражения с экологической точки зрения; выполнить экспериментальную проверку правильности теоретических исследований в отношении экологического фактора светоотражения поверхностями различной формы на масштабных уровнях помещения и улицы; - выполнить аналогичные теоретические исследования в отношении экологических факторов звукового воздействия (звукового давления),ветра и зрительной среды; - произвести экспериментальные исследования влияния формы поверхности на отражённые звуковые волны; выполнить аналогичное предыдущему экспериментальное исследование в отношении отражённых воздушных потоков; - по результатам теоретических и экспериментальных исследований сделать выводы об экологической эффективности сравнительной архитектурно-технических решений светопрозрачных ограждений зданий. Обобщая сказанное выше, можно отметить, что наши исследования направлены на изучение влияния на экологию жилища формы таких важных элементов здания, как светопрозрачные ограждения. Нами специально разработаны новы формы светопрозрачных ограждений, положительно влияющих на экологию жилища как на уровне интерьера жилища, так и на более масштабном уровне пространства улицы, имея в виду, что и помещение и улица являются средой обитания человека. Исследование инсоляции помещений через светопрозрачные ограждения производится теоретически путём построения принятых в таких случаях геометрических схем прохождения солнечных лучей при различном положении солнца на небосводе в течение его дневного перемещения (см. рис. 3.2 и 3.3). Теоретические исследования уменьшения вредного воздействия солнца, шума и ветра на экологию улицы производится нами на основе известных законов отражения [51]. Экспериментальные исследования указанных выше зависимостей производится на базе теоретических моделей на специально разработанных экспериментальных установках по разработанным нами методикам. Ниже приводятся некоторые общепринятые термины и определения, позволяющие получить описание структуры экспериментов на общепринятом научном языке [52]. Фактор - качество, или свойство, в соответствии с которым классифицируются данные. У нас факторами экспериментальных исследований являются солнечная радиация, звуковое давление и ветер (воздушный поток). Каждый фактор имеет несколько различных уровней. Объект наблюдения - отражённый свет (блескость), отражённый звук (уличный шум), отражённый воздушный поток (сквозняки улицы). Уровень фактора - разные условия проявления одного и того же фактора (например, разные углы падения воздушного потока на отражающую поверхность или разная сила света, направленного на эту поверхность). План эксперимента - простейшей формой плана эксперимента является сравнение нескольких уровней одного и того же фактора, когда измеряется один и тот же признак объекта наблюдения [52]. Например, сравниваем силу отражённого воздушного потока при различных углах падения основного потока на отражающую поверхность. Хотя мы можем рассматривать эти несколько уровней фактора как статистическую выборку, нас может интересовать также непосредственное сравнение эффективности конкретных условий [52]. Именно так, сравнивая измеряемые характеристики различных поверхностей отражения, мы можем судить об их экологической эффективности в отношении изучаемых факторов. Модель. В первом случае (статистической выборки) необходимо, чтобы изменчивость между различными уровнями фактора описывалась случайными величинами, а при втором (в нашем случае) требуется использование параметров, В последнем случае модель называется параметрической или моделью с фиксированными уровнями фактора [52]. Примером фиксированных уровней фактора в нашем случае являются заданные как параметры углы падения воздушного потока на отражающую поверхность или разная сила источника света, направляемого на отражающую поверхность. Последняя соответствует в нашем случае разной высоте стояния солнца на небосводе. Теоретические исследования экологической эффективности светопрозрачных ограждений Рассматривая масштабный уровень помещения, отметим, что ограждающие конструкции здания защищают человека, находящегося в помещении от дискомфортных факторов внешней среды: температуры, влажности, шума, ветра, пыли. Особое место занимает фактор солнечной радиации. Ограждающие конструкции должны пропускать дневной свет, обеспечивать визуальный контакт с внешним пространством, сохраняя в тоже время указанные выше защитные функции. Этим требованиям должны отвечать светопрозрачные конструкции зданий, например окна. До настоящего времени стекло (как правило плоское) остаётся самым распространённым материалом светопрозрачных ограждений. Противоречивостью требований, предъявляемых к стеклу светопрозрачных ограждений, объясняется то, что оно не полностью этим требованиям отвечает с точки зрения экологии жилища. Известно, что солнечные лучи, падающие на стекло светопрозрачного ограждения частично проникают в помещение, а частично отражаются. Первые составляют фактор масштабного уровня помещения, называемый в технических источниках инсоляцией, а вторые - принадлежат масштабному уровню улицы и вызывают отражённую блескость, яркость которой представляет собой серьёзную проблему городских улиц в районе Персидского залива.
Обращаясь к масштабному уровню помещения, отметим сложности дозирования, соблюдения норм инсоляции. Для человека дискомфортны как недостаток так и избыток инсоляции [50]. Последний наиболее актуален для района Персидского залива. Чрезмерная инсоляция вызывает повышенную нагрузку на глаза, большие контрасты в освещённости утомляют нервную систему, создают дискомфорт зрительного восприятия, происходит перегрев помещения.
