А.В. СПИРИДОНОВ, канд. техн. наук, главный научный сотрудник, И.Л. ШУБИН, доктор техн. наук, директор института, Р.В. ГЕРАЩЕНКО, инженер, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), г. Москва
Ключевые слова: биоклиматические фасады, энергетические фасады, световые концентраторы, сценические фасады, динамические фасады, энергосбережение, параметры микроклимата
Keywords: bioclimatic facades, energy facades, light concentrators, stage facades, dynamic facades, energy saving, microclimate parameters
В статье дается обзор новых технологий и решений современных фасадных конструкций, которые образуют пять основных классов: «биоклиматические» («зеленые») фасады, «энергетические», фасады – «световые концентраторы», «сценические» («архитектурные») и, наконец, «динамические» («адаптивные») фасады. Приведены их отличительные особенности; характерные примеры использования. Кроме того, проведена оценка перспектив применения данных фасадов в России.
Окна часто называют «глаза домов», а фасады зданий можно определить как «лицо города». К сожалению, с 1960-х годов – начала строительства домов массовых серий («хрущевок») – советские люди видели вокруг в основном серые одинаковые панельные здания. Откровенно говоря, и сегодня, несмотря на некоторые исключения, российский городской пейзаж достаточно однообразен и уныл. Психологи между тем утверждают, что скопление серых и неинтересных зданий негативно влияет на человека – лишает инициативы и надежды.
Конечно, основная функция фасадов (наружных ограждающих конструкций) зданий – это защита от неблагоприятных климатических условий. И подавляющая часть применяемых в нашей стране ограждений эту функцию выполняет.
Однако взрывообразное развитие строительных и смежных технологий привело к появлению очень большого количества новых фасадных решений, которые не были возможны ранее.
Современные архитекторы используют фасады для творческого отображения ритма, баланса, пропорций, экспериментов. Им стало проще обеспечить баланс между технологичностью и эстетикой в своих проектах. Конечно, необходимо учитывать и инженерную роль фасада (тепловая защита и энергосбережение, естественное освещение, вентиляция, звукоизоляции), но иногда, следуя красивому замыслу, наши коллеги это забывают.
В связи с огромным многообразием уже выполненных проектов фасадов во многих странах мы решили ввести некоторую их классификацию, основываясь на основной заложенной в них функции (как правило, таких функций несколько).
Мы предлагаем пять основных классов современных нетрадиционных фасадов:
1) «биоклиматические» (или «зеленые») фасады, в которых основной идеей является защита окружающей среды (использование растений [1], защита зданий от смога [2], производство биогаза [3], использование дождевой воды [4] и прочее);
2) «энергетические» фасады, в которых основная функция – сбор дополнительной энергии для обеспечения эксплуатации здания (фотоэлектрические панели различной модификации [5-10], использование ветрогенераторов [5, 6], использование пассивных геотермальных установок [10] и многое другое);
3) фасады, которые мы назвали «световые концентраторы», где основной функцией является максимальное и рациональное использование естественного освещения за счет различных современных инновационных технических решений [11-16];
4) «сценические» или «архитектурные» фасады, которые больше предназначены для оживления городской среды за счет различных оптических или иных решений [17-22];
5) «динамические» или «адаптивные» фасады, в которых за счет изменения внешнего вида фасада решаются вопросы регулирования микроклимата в помещениях здания (светового режима, локального или общего кондиционирования и естественной вентиляции, множество других задач) [10, 23-31].
В настоящей статье мы приведем по одному-два примера зданий, фасады которых мы отнесли к классам 1-4, и более подробно остановимся на «динамических» фасадах.
Биоклиматические фасады
Наиболее впечатляющий – вертикальный сад, выполненный в соответствии со схемой, разработанной Патриком Бланком [32]. Сад состоит из 3-х основных частей: металлического каркаса, ПВХ-листа толщиной в 1 см и слоя искусственного негниющего войлока/фетра с использованием полиамида.
Каркас с смонтированным ПВХ устанавливается на стену с некоторым относом, что обеспечивает дополнительную тепло- и звукоизоляцию помещений, на ПВХ крепят искусственный войлок. Его высокая капиллярность обеспечивает равномерное распределение воды. Растения высаживаются на этот войлочный слой в виде семян, черенков или уже подрощенных кустов – около тридцати растений на квадратный метр. Верхний полив и удобрение автоматизированы. Вес вертикального сада, включая растения и металлический каркас, составляет менее 30 кг на квадратный метр. Таким образом, вертикальный сад может быть реализован на любой стене, без ограничений по размеру или высоте.
Конечно, такая экзотика (рис. 1) в наших климатических условиях вряд ли найдет широкое применение, разве что в Крыму и Краснодарском крае. Но в южных регионах Европы таких зданий появляется все больше.
Значительно более интересное решение для российских мегаполисов, отличающихся высокой загрязненностью воздуха, – специальный фасад, поглощающий значительное количество вредных примесей в воздухе [2].
На здании больницы Torre de Especialidades (Мехико) были смонтированы панели Prosolve370e, разработанные немецкой фирмой Elegant Embellishments на основе технологии, созданной компанией Alcoa в 2011 году. Материал содержит диоксид титана, который эффективно очищает воздух от токсинов и других вредных веществ.
Энергетические фасады
Зданий с такими фасадами появляется все больше с развитием технологий и повышением эффективности фотоэлектрических модулей. Вероятно, этому должна быть посвящена отдельная обзорная статья.
Здесь же мы приведем только один из примеров (возможно, несколько шокирующий) – Музей современного искусства Kunsthaus (рис. 3) в австрийском Граце [7].
Основой здания является железобетонная конструкция, а внешняя оболочка представляет собой акриловые панели со встроенными фотоэлектрическими элементами, позволяющими вырабатывать энергии достаточно для эксплуатации музея. Конечно, странно видеть подобное в центре старинного города, но многим туристам, а главное, жителям города это здание нравится.
«Световые концентраторы»
После некоторого перерыва в конце 1980-1990-х годов стали вновь появляться здания, в которых основной идеей архитекторов является максимальное использование естественного освещения. Это связано как с энергосбережением, так и с положительным влиянием его на человека. Среди множества зданий мы выбрали недавно построенный Музей искусств Ордос (рис. 4) [14] (Внутренняя Монголия, КНР).
Поверхность здания состоит из полированных изгибающихся металлических панелей-жалюзи, помогающих музею Ордоса быть устойчивым к суровому пустынному климату и частым песчаным бурям. Основной свет проникает через стеклянную крышу и распространяется по зданию с помощью светоотражающих стен, а жалюзи обеспечивают в том числе и естественную вентиляцию.
«Сценические» («архитектурные») фасады
Такие фасады используют по различным поводам – чтобы разнообразить городскую среду, обеспечивать донесение какой-либо информации, и, как нам кажется, иногда архитекторы просто хулиганят. Но и это в скучных городских пространствах дозволено.
Среди многих примеров мы выбрали здание больницы Eskenazi Hospital (Индианаполис, США) [20]. В этом здании был применен оригинальный подход, основанный на оптическом эффекте: иллюзия подвижности (на самом деле неподвижного) фасада создается во время движения пешеходов или автомобильных поездок. Для достижения желаемого эффекта использовались панели разных размеров, каждая из которых была согнута под определенным углом. Выбранная цветовая схема была довольно простой: одна сторона панелей была окрашена в золотисто-желтый, а другая в темно-синий. Но благодаря углам наклона поверхностей и отражению света создается иллюзия различных оттенков, что делает спектр цветов гораздо более разнообразным (рис. 5).
«Динамические» («адаптивные») фасады
На этом типе фасадов мы хотели бы остановиться более подробно, так как (по нашему мнению) именно он показывает в наибольшей степени необходимость и возможность в обозримые сроки перехода от идеологии «защиты помещения от воздействия окружающей среды» к идеологии «использования в помещениях окружающей среды». Таких проектов и уже осуществленных объектов появляется, к счастью, все больше. О некоторых из них сказано ниже.
В проекте «The Gate Residence» [10] (Египет) предполагается использовать массу новинок. В частности, так называемые wind catchers, – вертикально расположенные устройства, которые будут распределять воздушные потоки в требуемом направлении; пассивные геотермальные установки, предназначенные для охлаждения и/или отопления здания; инновационные солнечные фотоэлектрические батареи, которые могут преобразовывать и ультрафиолетовую часть солнечного спектра в электричество (их устанавливают вместо обычных стекол и помещают поверх их); водонагревательные стеклометаллические трубы, работающие от солнечной энергии; вертикальные ветровые турбины; вертикальные сады. Да и выглядит этот проект очень впечатляюще (рис. 6).
Построенное в 2014 г. здание SDU Campus Kolding (г. Колдинг, Дания) [30] – один из наиболее ярких примеров таких фасадов (рис. 7).
На фасаде установлено около 1600 треугольных перфорированных стальных жалюзи таким образом, чтобы они могли регулировать поступление естественного света в помещения в зависимости от его интенсивности. Вся система оснащена датчиками, которые непрерывно измеряют освещенность и температуру в помещениях и управляют жалюзи с помощью небольших двигателей. Когда ставни закрыты, они находятся точно вдоль фасада. В полуоткрытом состоянии они ломают плоскость стены, придавая зданию дополнительную выразительность. Таким образом, здание кампуса Kolding оснащено системой защиты от солнца, которая адаптируется к конкретным климатическим условиям.
Здание выставочного зала компании Kiefer Technic расположено в Штайермарке (Австрия) [27] (рис. 8).
Работа динамического фасада осуществляется с помощью электронных средств управления внутри здания, которые могут управлять каждым из 54 двигателей внутри фасада. Это простая технология, которая не включает в себя какого-либо вида регулирования в зависимости от показаний датчиков климатических условий, а реагирует только на использование входных данных от людей, находящихся в здании. Сам фасад функционирует как затеняющее устройство, но дает пользователям возможность контролировать угол панели и количество света, передаваемого во внутреннее пространство.
При проектировании и строительстве Башен Аль Бахр в ОАЭ [23] (рис. 9) была поставлена цель – создание в этих экстремальных условиях благоприятного микроклимата в помещениях без больших затрат электроэнергии.
Для решения поставленной задачи были созданы подвижные решетки. Кинетические элементы спроектированы таким образом, что меняют свое положение в зависимости от времени суток и движения солнца. Эта решетчатая конструкция создает эффект двойной оболочки и как будто окутывает здание. Гигантский экранирующий фасад состоит из более чем 1000 подвижных элементов и имеет прямую аналогию с фасадом Института арабской культуры Жана Нувеля [15].
Створы подвижных панелей регулируют климат офисных помещений и одновременно образуют геометрические фигуры, которые придают зданию дополнительную художественную выразительность. В качестве прототипа орнамента конструкции были использованы традиционные арабские ажурные решетки машрабия, пропускающие свет, но не позволяющие сильно нагреваться воздуху внутри помещения.
Фасады здания школы дизайна RMIT (Мельбурн, Австралия) [24] выполнены из тысяч маленьких стеклянных кругов с пескоструйной обработкой, каждый из которых прикреплен к центральной штанге (рис. 10). В зависимости от влажности и температуры внутри здания эти стержни автоматически поворачиваются, чтобы облегчить (или заблокировать) поток воздуха через фасад.
В настоящее время разрабатывается масса новых технических решений оболочек зданий, которые в ближайшие годы выйдут «на фасады»: кинетическая мембрана FLARE [29], термо-биметаллические жалюзийные решетки [25], мембрана Sabre, работающая как кондиционер с нулевой потребляемой энергией [26], многое другое. Фактически мы живем в эпоху, когда в традиционно консервативном строительстве кардинально меняется не только внешний вид зданий, но и идеологические подходы к их эксплуатации и поддержанию параметров микроклимата в помещениях.
Конечно, стоимость таких фасадов выше (иногда значительно выше), чем стандартных. И некоторые из них никогда не окупятся за счет энергосбережения и других заложенных в них новшеств (авторы «сценических» фасадов и не ставили себе такой цели). Главное в них – создание комфортной и интересной среды и полномасштабная отработка технологических новинок.
В нашей стране облик новых зданий (даже типовых) тоже меняется в лучшую сторону, но, к сожалению, он основан в большинстве своем на уже давно придуманных и многократно отработанных у нас и за рубежом решениях. Нет, в России работают очень хорошие архитекторы, инженеры, проектировщики. И чисто визуально можно отметить многие новые здания. Но «пионерских» технологических решений практически нет.
Это связано, на наш взгляд, с сидящим в нашей подкорке понятием – «срок окупаемости капитальных затрат». У большинства приведенных выше примеров он превышает все представления инвесторов и чиновников «о добре и зле». Именно поэтому мы очень скептически относимся к возможностям и перспективам появления в России по-настоящему прорывных технологий в строительстве и, соответственно, нового поколения фасадов.
Нет, имеются новые идеи и у наших ученых, но все это пока, как говорится, «сделано на коленке», до применения на практике практически не доходит ничего.
Хотя, очень хочется надеяться, что мы неправы.
Библиографический список
1. http://www.earthtimes.org
2. https://www.archilovers.com
3. http://www.morethangreen.es
4. https://khyatirajani.wordpress.com
5. https://inhabitat.com
6. http://architime.ru/specarch/top_10_smart_house/smart_houses.htm
7. https://ru.wikipedia.org
8. https://museudoamanha.org
9. http://materiability.com
10. https://aasarchitecture.com
11. http://architime.ru/specarch/top_10_shopping_center/shopping_center.htm
12. https://archi.ru/projects/world/660/nacionalnaya-biblioteka-chekhii
13. https://varlamov.ru/379642.html
14. https://novate.ru/blogs/240911/18848/
15. https://nosviatores.com/institut-arabskogo-mira-institut-du-monde-arabe/
16. https://www.sahmri.org/
17. http://www.crous-toulouse.fr/logement/olympe-de-gouges/
18. https://architime.ru/specarch/charles_sowers_studios/windswept_installation.htm
19. http://charlessowers.com/wave-wall
20. http://architime.ru/specarch/rob_ley/eskenazi_hospital.htm
21. https://iart.ch/en/-/die-kinetische-fassade-des-megafaces-pavillons-olympische
22.http://www.architime.ru/specarch/urban_art_projects_studio/brisbane_airport_parking.htm
23. https://arttravelblog.ru/dostoprimechatelnosti/bashni-bliznecy-al-baxar-v-abu-dabi-oae.html
24. https://www.archdaily.com/335620/rmit-design-hub-sean-godsell
25. https://www.masterstudies.ru
26. https://www.pinterest.ru
27. https://www.archdaily.com/89270/kiefer-technic-showroom-ernst-giselbrecht-partner
28. https://www.archdaily.com/256766/flashback-signal-box-herzog-de-meuron
29. http://architime.ru/specarch/paul_rudolph/intiland_tower.htm
30. http://architime.ru/specarch/henning_larsen_architects/sdu_campus_kolding.htm
31. https://architime.ru/specarch/white_void/flare.htm
32. https://www.verticalgardenpatrickblanc.com/
