СПОСОБ УЧЕТА ИНСОЛЯЦИИ КАК ИНСТРУМЕНТ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В АРХИТЕКТУРНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

СПОСОБ УЧЕТА ИНСОЛЯЦИИ КАК ИНСТРУМЕНТ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В АРХИТЕКТУРНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

В статье рассказывается о разработанном способе учета инсоляции, позволяющем выявить область допустимых объемно-пространственных решений вновь возводимого здания в условиях уплотненной застройки. Также рассматривается применение разработанного способа в области архитектурного формообразования.

Ключевые слова: инсоляция, архитектурное формообразование, уплотненная застройка, реконструкция

Возведение новых или реконструкция старых зданий на территории уже сложившихся жилых районов является актуальной практикой в России. В статье уделено внимание двум проблемам, сопутствующим такому строительству. Первая – возникновение конфликтных ситуаций между жильцами существующих домов и застройщиком из-за несоблюдения последним норм инсоляции [1]. Вторая – использование застройщиком проектов типовых панельных зданий, что негативно сказывается на качестве архитектурной среды, в частности, на ее идентичности. В результате анализа первой проблемы был создан авторский графический алгоритм автоматизированного учета инсоляции с использованием виртуального трехмерного моделирования. Наличие же второй проблемы послужило предпосылкой к выполнению нижеизложенной работы.

Цель работы – выявить потенциал разработанного способа учета инсоляции как инструмента формообразования в архитектурном проектировании точечной застройки и реконструкции.

Разработанный способ базируется на геометрическом смысле инсоляции, представленный на первом рисунке, где h – плоскость горизонта, α – угол наклона плоскости равноденствия, δ – угол склонения, s – коническая лучевая поверхность в летний период, w – коническая лучевая поверхность в зимний период, f – плоскость равноденствия. Инсоляцию изучают с древнейших времен различными отраслями знаний, в ходе чего была изучена и геометрическая составляющая этого процесса [2]. Как видно на рисунке 1, в соответствии с геометрическим смыслом время инсоляции графически выражается как сектор конической поверхности, вершиной которой является расчетная точка окна, а основанием – окружность как траектория суточного движения солнечного диска по небосводу. На основе такой модели инсоляции был разработан описанный ниже алгоритм геометрических построений. Он позволяет еще на начальном этапе проектирования определить область допустимых объемно-пространственных решений вновь возводимого здания, то есть выявить такой максимально возможный объем пространства, располагаясь внутри которого, новое здание любой формы будет обеспечивать минимально необходимую продолжительность инсоляции в расчетных точках существующих зданий и территорий. Указанный подход принципиально отличается от используемых на данный момент в проектировании методов и алгоритмов [1-3], позволяющих определить область допустимых объемно-пространственных решений лишь последовательным приближением, что увеличивает трудозатраты и, следовательно, ограничивает их применение.

Рис. 1. Геометрический смысл инсоляции. а, б – коническая лучевая поверхность

Программная реализация алгоритма осуществлена на языке AutoLISP виртуальной среды платформы AutoCAD [3]. Рассмотрим разработанный алгоритм на примере условного микрорайона (рис. 2). В качестве исходных данных известно следующее: планировка микрорайона, высотность зданий, планировка домов с жилыми помещениями. Требуется разместить на дворовой территории здания таким образом, чтобы их влияние на продолжительность инсоляции существующих домов не вышло за нормативные рамки [1].

В приведенном примере расчет производится на день равноденствия, поэтому конические поверхности, в соответствии с геометрическим смыслом инсоляции, вырождаются в плоскости (рис. 1, а).

Рис. 2. Алгоритм учета инсоляции. а – модель микрорайона, б – предварительный объем, в – сечение предварительного объема исходным сектором, г – размещение минимального сектора относительно центра масс сечения, д – призма минимального сектора, е – результат вычитания одной призмы минимального сектора

Введем некоторые определения:

предварительный объем – прямая призма, основанием которой является контур площад-ка под застройку, а высота равна предполагаемой высоте нового здания;
допустимый объем – область допустимых объемно-пространственных решений вновь возводимого здания, т.е. такая пространственная структура, находясь в рамках которой, новое здание не будет нарушать нормы продолжительности инсоляции в расчетных точках существующих зданий;
исходный сектор – сектор конической поверхности, соответствующий продолжительно-сти инсоляции в расчетной точке до возведения нового здания;
минимальный сектор – сектор конической поверхности, соответствующий минимально-му нормативно требуемому времени инсоляции расчетной точки.

Рис. 3. Допустимый объем. а, б – результат вычитания всех призм минимальных секторов

Разработанный алгоритм состоит из следующих пунктов:

Пункт 1. Создают трехмерную виртуальную модель квартала и, основываясь на исходных данных, отмечают расчетные точки 2 световых проемов существующих зданий 1, которые нужно учесть при проектировании (рис. 2, а). В качестве расчетных световых проемов принимают окна жилых помещений, продолжительность инсоляции которых не ниже нормативной [1], но которая может пострадать при возведении нового здания. Окна помещений, продолжительность инсоляции которых ниже нормативной, в расчетах не участвуют, т.к. возможное уменьшение продолжительности инсоляции в этих помещениях после строительства нового здания не повлечет нарушения норм.

Пункт 2. Задают предварительный объем 4 (рис. 2, б).

Рис. 4. Реализация алгоритма на примере реального микрорайона. а – модель микрорайона, б – предварительный объем, в – допустимый объем, г – оптимизированный допустимый объем, д – объемно-пространственное решение комплекса новых зданий, е – проработка объемно-пространственного решения

Пункт 3. Для одной из расчетных точек 2 строят соответствующее ей сечение 5 предварительного объема 4 плоскостью равноденствия, а также расположенный в этой плоскости исходный сектор инсоляции 6 данной расчетной точки (рис. 2, в).

Пункт 4. Находят центр масс 7 полученного сечения 5 предварительного объема 4 (рис. 2, г ).

Пункт 5. Определяют, с какой стороны от линии, соединяющей центр масс 7 этого сечения и расчетную точку 2, находится наиболее удаленная крайняя образующая исходного сектора инсоляции. Затем минимальный сектор инсоляции 8 располагают внутри исходного сектора 6 таким образом, чтобы крайние образующие обоих секторов совпали (рис. 2, г). При этом, если минимальный сектор инсоляции разбивается на несколько частей, тогда суммарный угол этих частей увеличивают в соответствии с нормами [1]. Такое расположение минимального сектора 8 обеспечивает его совпадение с сечением 5 предварительного объема 4 по наименьшей площади, что обеспечивает в дальнейшем минимальную разницу между предварительным и допустимым объемами.

Пункт 6. Минимальный сектор преобразуют в призму 9, у которой верхнее и нижнее основание идентичны этому сектору и расположены от него на расстоянии, равном половине высоты этажа существующего здания. При этом ребра, соединяющие основания, являются вертикальными прямыми (рис. 2, д).

Пункт 7. Полученную призму 9 вычитают из предварительного объема 4, выделенного под новую застройку (рис. 2, е).

Пункт 8. Вышеуказанные действия повторяют со всеми расчетными точками, в результате чего получают допустимый объем 10 (рис. 3).

Пункт 9. В допустимый объем вписывают объемно-пространственные решения будущего здания. Любое из таких решений, не выходящее за пределы допустимого объема 10, будет обеспечивать нормативную продолжительность инсоляции расчетных помещений существующих домов.

Теперь проанализируем описанный способ расчета инсоляции как инструмент архитектурного формообразования на примере реального микрорайона в г. Челябинске, на дворовой территории которого есть возможность разместить новые здания (рис. 4). Микрорайон состоит из панельных девятиэтажных жилых домов 97-й серии, планировка которых известна. В рамках анализа предлагается найти решение двух задач, которые можно сформулировать следующим образом:

Задача 1. Обеспечить продолжительность инсоляции расчетных помещений существующих домов типового микрорайона в пределах нормы после возведения новых зданий.

Задача 2. Сформировать такое объемно-пространственное решение новых зданий, которое оказало бы положительное влияние на качество архитектурной среды.

В результате осуществления разработанного алгоритма в данном примере в качестве допустимого объема была получена сложная пространственная структура (рис. 4, в). При всей своей сложной и выразительной геометрии она обеспечивает нормативную продолжительность инсоляции во всех расчетных точках существующих зданий. Однако для удобства дальнейшей работы ее следует оптимизировать, т.е. ликвидировать нерациональные с архитектурной точки зрения части этой структуры, уменьшить число вершин и граней. Оптимизированный допустимый объем имеет более наглядный вид и удобен для работы проектировщика (рис. 4, г). Его можно считать успешным решением первой задачи. Теперь в его границы следует вписать объемно-пространственное решение комплекса новых зданий (рис. 4, д). Таким образом, переходим ко второй задаче, при решении которой в рамках поставленной цели следует максимально использовать геометрические особенности и пространственные характеристики оптимизированного допустимого объема (рис. 4, г) при формировании облика зданий и функциональной структуры архитектурной среды (рис. 4, е), рассмотрим основные из них.

Рис. 5. Архитектурная среда после возведения новых зданий

В данном примере на этажности новых зданий сказались высотные отметки допустимого объема, что, в свою очередь, определило назначение зданий. Так, в строениях малой этажности предлагается организовать офисы управляющей компании или каких-либо других учреждений хозяйственно-бытового обслуживания, спорта, торговли, питания и, возможно, досуга, т.е. объектов внутриквартального пользования. В многоэтажных же и высотных зданиях представляется рациональным размещение жилья (рис. 4, е).

Динамика высотных отметок также имеет отражение в объемно-пространственном решении, что определяет выразительность силуэта новых зданий (рис. 4, е, рис. 5).

Наклонные грани допустимого объема, являющиеся следствием наклона плоскости равноденствия, обуславливают скатные кровли большинства новых зданий (рис. 4, е, рис. 5).

Отсутствие вырезов от вычитания призм минимальных секторов в нижнем уровне допустимого объема формирует монолитную его часть значительной площади на уровне земли высотой примерно в 5 м (рис. 4, д), что дает возможность расположения там парковки.

Доведя объемно-пространственное решение новых зданий до определенной степени детализации с проработкой пешеходных зон, озеленения, спортивных площадок, фасадов и применяемых в отделке материалов, можно судить о влиянии вновь возведенных зданий на качество архитектурной среды в данном примере (рис. 5).

По мнению автора, новые здания значительно разнообразили архитектурную среду, задали динамику пространства, поспособствовали появлению эффектных видовых точек внутри микрорайона. Среда приобрела идентичность, а значит, негативное воздействие на психофизиологическое состояние жителей снизилось.

Выводы.

1. Разработанный способ учета инсоляции при проектировании точечной застройки и реконструкции позволяет выявить такое объемно-пространственное решение нового здания, при котором расчетные помещения окружающих домов будут обеспечены нормативно необходимой продолжительностью инсоляции. При этом будет максимально задействовано отведенное под застройку пространство.

2. Программная реализация с применением виртуального трехмерного моделирования дает возможность проектировщику в интерактивном режиме и наглядной форме оперировать результатами расчета.

3. Получаемые в результате расчета пространственные структуры обладают потенциа-лом в области архитектурного формообразования. 4. Применение разработанного алгоритма в процессе архитектурного формообразова-ния положительно сказывается на качестве архитектурной среды, в которой расположен проек-тируемый объект, в частности, на ее идентичность.

Список использованных источников: 1. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01: Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий: утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 19 октября 2001 г. // Бест-строй.ru. – http://best-stroy.ru/gost/r38/311 2. Хейфец, А.Л. Автоматизация расчета инсоляции средствами компьютерного геометрического моделирования / А.Л. Хейфец, А.В. Саморуков // Информационные технологии и технический дизайн в профессиональном образовании и промышленности: Сборник материалов II Всероссийской научно-практической конференции. – Новосибирск: Издат-во НГТУ, 2010. – с. 149-153. 3. Хейфец, А.Л. Программа автоматического расчета инсоляции / Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ №2010613828. Заявка № 2010612286. Дата поступления 23 апреля 2010 г. Зарегистрировано 10 июня 2010 г.