Когда здание достигает сотен метров в высоту, горизонтальные ветровые нагрузки становятся критическим фактором проектирования.
Современные города стремятся ввысь, и небоскрёбы стали символом многоуровневого развития. Но вместе с высотой приходят ветровые нагрузки — силы, которым должен сопротивляться небоскрёб, чтобы быть безопасным и комфортным как для жителей, так и для окружающих улиц. Эта статья объясняет, как инженеры проектируют небоскрёбы в условиях сильного ветра, почему стандартная «роза ветров» — только начало анализа, и почему в некоторых районах — например, в Москва-Сити — ветер ощущается особенно остро.
Почему ветер важен при проектировании небоскрёбов
На большую высоту ветер воздействует сильнее: воздушные потоки ускоряются с увеличением высоты над поверхностью земли, и на фасады действует значительное давление, вызывающее сдвиги, вибрации и потенциальный дискомфорт для людей внутри. Инженеры учитывают это с помощью расчёта ветровой нагрузки и аэродинамических испытаний.
Один из ключевых аспектов — взаимодействие ветра с формой здания: чем острее углы и чем более прямолинейная форма, тем сильнее ветер может создавать так называемые вихри и колебания. Для борьбы с этим используют аэродинамические формы, сглаживание острых углов, ступенчатые фасады и даже демпферы, гасящие колебания.
Давид Худоян, генеральный директор компании Optima Development:
«В России учет розы ветров при строительстве небоскребов (зданий выше 75 м) носит обязательный характер, регламентируется правовыми нормами. Это логично, ведь отсутствие контроля за ветровой нагрузкой снижает устойчивость, надежность и срок службы башен. При этом решения для “укрощения” стихии могут применяться разные, например, применение аутригеров и демпферов, придание зданиям обтекаемых и закрученных форм. Следует отметить, что сам факт строительства небоскребов на характер розы ветров в локации практически не влияет даже в случае квартальной высотной застройки. Средняя скорость ветра в районе Москва-Сити чуть выше среднего значения в столице — около 3,5 м в сек. на протяжении года. Большое число небоскребов создает ветровую тень, и иногда показатель может усиливаться относительно местности с невысокой застройкой, но максимум на 0,08 м в сек. Это может быть ощутимо и для некоторых людей некомфортно, однако для здоровья не вредно».
Как современные небоскрёбы «строят без розы ветров»
Фраза «строить без розы ветров» означает не игнорирование климатических данных, а оптимальное проектирование формы здания и механических систем для устойчивости к ветру во всех направлениях, не только на основе усреднённых больших карт розы ветров.
Чтобы минимизировать воздействие ветра, современные проекты используют:
- Торцевые срезы, закруглённые формы и ступенчатое сужение — помогают рассеивать энергию ветра, уменьшая образование устойчивых вихрей на поверхности.
- Повороты и закручивающиеся формы — например, в Shanghai Tower скрученная форма уменьшает давление ветра до 24 % по сравнению с прямой башней.
- Встроенные демпферы, которые противодействуют колебаниям. Эта технология широко применялась в небоскрёбе Taipei 101.
Примеры удачного проектирования
Burj Khalifa (Дубай) — используемый Y-образный план и ступенчатое сужение по высоте эффективно разрушают вихревые потоки, снижая их влияние на здание и людей внутри.
Pearl River Tower (Гуанчжоу) — необычный пример, где ветровые потоки не только учитываются, но используются для генерации энергии: здание направляет ветер через встроенные турбины.
One World Trade Center (Нью-Йорк) — аэродинамическое сужение и мощный бетонный каркас обеспечивают устойчивость даже в условиях сильных ураганных ветров.
Неудачные примеры и уроки проектирования
Даже по всему миру архитектурные решения в прошлом могли не учитывать влияние ветра в полной мере.
Citicorp Center, Нью-Йорк
Изначальный проект этого здания оказался в опасном положении из-за ветров, направленных по диагонали к фасадам. Лишь после того, как инженер У. ЛеМэсюрьер обнаружил потенциальную структурную нестабильность, были проведены скрытые работы по усилению конструкции. Этот случай подчёркивает: ветер в различных направлениях должен быть учтён комплексно, а не только в рамках стандартной розы ветров.
Александр Иванов, главный архитектор проекта архитектурного бюро «Крупный план» (KPLN):
«Строить небоскреб, не подумав о ветре, — все равно что планировать балкон на двенадцатом этаже без перил. Вид, может, и красивый, но жить страшно. Для архитектора роза ветров — то же, что рецепт для повара: можно попробовать обойтись и без нее, но результат окажется непредсказуемым. Ветер — главный “незримый сосед” высотки, и с ним лучше договориться заранее. В грамотном проекте ветер не ломится напролом, а лавирует. “Бурдж-Халифа” или лондонский “Огурец” не спорят с воздушными потоками, а заставляют их мягко обтекать форму. Именно поэтому современные башни все чаще делают со скруглениями, закручивают по спирали или сужают кверху — чтобы ветер не бил сокрушительным прямым потоком в плоскую стену. В отличие от обычных прямоугольных коробок, чье противостояние со стихией может быть опасным и неприятным зрелищем. История архитектуры полна поучительных курьезов. Башня Джона Хэнкока в Бостоне в 1970-х превратилась в кошмар, достойный пера Стивена Кинга. Здание сильно раскачивалось, и стеклянные панели массово вылетали из рам. На масштабную реконструкцию ушло дополнительных 75 миллионов долларов. А лондонский “Уоки-Токи” (20 Fenchurch Street) и вовсе прославился как “палящий небоскреб”. Его вогнутый фасад фокусировал солнечные лучи с такой силой, что плавил бамперы машин и опалял ковры в соседних магазинах. Но и это не все: форма здания создавала ураганные порывы, которые буквально выталкивали пешеходов на проезжую часть. Так что перила для балкона — не просто формальность. А роза ветров для небоскреба — не просто красивая диаграмма. Это вопрос безопасности, экономии и, в конечном счете, здравого смысла. Ветер в Москва-Сити действительно ощущается заметнее. Это часто связывают с его открытой локацией на высоком берегу и масштабом застройки, что закономерно влияет на движение воздуха. Некоторые отмечают, что такой динамичный фон даже добавляет этому месту особый, современный характер. В целом, многие видят в самом комплексе — с его впечатляющей архитектурой и панорамой — яркий и узнаваемый образ новой Москвы».
Почему вокруг небоскрёбов бывает сильный ветер
Часто возникает недоразумение: небоскрёбы «создают ветер», будто бы в вакууме. На самом деле это эффект взаимодействия ветра с городской структурой.
Эффект «городского каньона»
Высокие здания формируют узкие «урбан-каньоны» между собой. Когда поток ветра движется через такой каньон, он может ускоряться — подобно эффекту Вентури — потому что воздух вынужден проходить через суженное пространство. Это приводит к локально усиленным потокам на уровне улиц.
Ещё один момент — ветер часто отклоняется вниз по фасадам небоскрёбов и затем направляется вдоль улицы, где сталкивается со встречными или боковыми потоками, создавая турбулентные и ускоренные участки на уровне земли.
Москва-Сити: почему там сильный ветер?
В деловом центре Москва-Сити ветер ощущается довольно остро, особенно около оснований зданий. Причин несколько:
1. Урбан-каньоны между небоскрёбами
Тесная компоновка высоток создает узкие пространства, через которые ветер проходит с ускорением, особенно когда он дует перпендикулярно улицам и проспектам. Это классический эффект городских «ветровых туннелей», который наблюдается в любой плотной застройке с высокими зданиями.
2. Встречные потоки на уровне земли
Воздух, поднимаясь и огибая стены небоскрёбов, опускается вниз и может накладываться на основные ветровые потоки, что создаёт локальные зоны ускорения и турбулентности.
Стандартная роза ветров — это распределение направлений и скоростей ветра в данной области за длительный период, используемое в основном для ориентировочных инженерных расчётов. Но она не учитывает локальные изменения потока, вызванные формой зданий, их расположением и микроклиматом улиц. Даже при умеренном природном ветре между небоскрёбами могут возникать локальные усиления потока. Небоскреб формирует сильные вертикальные завихрения, при достижении уровня земли скорость ветрового потока может вырастать втрое.
В СМИ сообщалось, что для решения проблем ветров в Москве-Сити планировались проекты по ветрозащите территории.
Можно ли избежать ветра вокруг небоскрёбов?
Полностью «убрать ветер» невозможно, но можно снизить его негативные эффекты:
Архитектурные решения
- Аэродинамические формы зданий;
- Закруглённые углы;
- Размещение и ориентация небоскрёбов с учётом доминирующих ветров.
Градостроительные меры
- Расширение улиц и открытых пространств между зданиями;
- Зелёные пояса, водные элементы и низкорослая растительность для рассеивания потока (деревья существенно изменяют профиль ветра);
- Платформы и навесы на уровне улиц, которые смягчают прямой поток воздуха.
Технологические элементы
- ТМD-демпферы для уменьшения колебаний самого здания;
- Cмарт-датчики и мониторинг ветровой нагрузки в реальном времени.
Небоскрёбы проектируются не «без розы ветров», а с учётом реальных аэродинамических явлений, микро- и макроклимата, а не только усреднённых карт ветра. Микросреда между высотками имеет огромное влияние на то, как мы ощущаем ветер внизу, и именно определенное сочетание плотности зданий, отсутствия плана «ветрозащиты» и геометрии улиц может создавать локально сильный ветер, как в Москва-Сити.
Правильный подход включает:
- Комплекс аэродинамических расчётов;
- Оптимизацию формы зданий;
- Градостроительные меры;
- Технические системы для контроля вибраций.
Тогда небоскрёбы действительно смогут сосуществовать с городским климатом комфортно и безопасно — даже при сильных ветрах.
Ранее мы также писали о том, как начиналось строительство комплекса Москва-Сити, рассказывали о том, сколько зданий в Москва-Сити и писали о строительстве Москва-Сити-2: новом этапе в развитии столицы.