Эксперименты с «воздушными замками»

Только представьте: к моменту окончания строительства высота башни «Восток» многофункционального комплекса «Башня „Федерация“», расположенного в современном деловом центре Москва-Сити, составит 373,7 метра (по данным citynext.ru). Современные архитекторы и строители создают поистине «воздушные замки» — причудливые сооружения самой изощренной формы, доминирующие над привычным городским ландшафтом. Но с ростом высотности этих объектов растет и актуальность вопроса: как сделать их устойчивыми в воздушном потоке и безопасными для человеческой среды?

В понимании большинства людей ЦАГИ — центр авиационной науки, занимающийся исследованием летательных аппаратов для улучшения их характеристик. Но экспериментальная база института применима не только для воздушных судов. В ЦАГИ изучают и более «приземленные» объекты — строительные сооружения — которые, тем не менее, обладают большой высотностью и на языке специалистов называются «плохообтекаемыми». Речь идет о зданиях и монументах, которые, наряду с мостами, вентиляторами, трубопроводами и др., исследуются в плоскости промышленной аэродинамики.

Испытаниями подобных сооружений в ЦАГИ начали заниматься уже в первые годы после его основания. Одним из первых примеров таких исследований стал эксперимент с моделью крыши корпуса, в котором помещается первая аэродинамическая труба института — Т-1-2 (Москва, ул. Радио). В дальнейшем в Московском комплексе ЦАГИ были исследованы известнейшие архитектурные объекты — скульптура Ленина для проекта Дворца Советов (Москва), монумент «Родина-мать зовет!» (Волгоград), целый ряд творений Зураба Церетели — Монумент Победы на Поклонной горе (Москва), статуя Колумба (Севилья) и похожий проект для Майами; Новая Соборная мечеть (Москва), скульптура «Рабочий и колхозница» (Москва) и другие объекты. Кстати, известнейшая работа Веры Мухиной — «идеал и символ советской эпохи», созданный в 1937 году, не случайно упомянута в последнюю очередь. Вопреки распространенным представлениям, выдающийся монумент не проходил испытания в ЦАГИ в годы создания. Его «подвергли» экспериментам уже в 2003 году на этапе реконструкции.

Помимо объектов культурно-исторического наследия, учеными института испытывались более утилитарные сооружения — Алма-Атинская телебашня, упомянутая ранее «Башня „Федерация“», целый ряд многофункциональных комплексов Москвы и Санкт-Петербурга, многоствольные трубы дымоудаления нового поколения районных тепловых станций и т.д. Любопытный факт: самые современные высотные строительные объекты проходят проверку в старейшей установке ЦАГИ, которая сделана из дерева.

«Небо над столицей уже совсем не то, что в 1971 году, когда я пришел работать в Московский комплекс института на улице Радио, 17», — рассказывает Александр Борисович Айрапетов, ведущий эксперт ЦАГИ в области аэродинамики зданий, архитектурных и строительных сооружений. «Сегодняшняя городская среда существенно отличается от той, что существовала в советское время. Сравните: отдельно стоящая хрущевская пятиэтажка и комплекс высоток „Москва-Сити“. Явления, которые мы можем обнаружить в сегодняшнем архитектурном пространстве мегаполиса, дают почву для дискуссии о пересмотре правил, регулирующих городскую застройку», — отмечает ученый.

Причудливый архитектурный облик порождает новые сложные вопросы для ученых. В качестве примера А.Б. Айрапетов приводит проект современного многофункционального комплекса «Китайский деловой центр „Парк Хуамин“» (Москва): «По сути это высотка, сечение которой напоминает профиль авиационного крыла. А такие необычные для архитектуры формы обнаруживают нестандартные аэродинамические явления, которые не учтены в действующих строительных нормах».

За последнее десятилетие (с 2005 года, когда были введены временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в Москве) все архитектурно-строительные сооружения столицы, имеющие высоту свыше 75 метров, были исследованы в институте. «Накопленный научно-практический задел нередко позволяет безошибочно определить способ решения проблемы даже без модельных экспериментов. Но это в том случае, когда высота объекта превышает величину диаметра его основания не более чем в семь раз», — подчеркивает Александр Борисович. Если же этот показатель больше (а в последние годы такая тенденция в архитектуре мегаполиса наблюдается все чаще) — испытание модели на аэродинамическую неустойчивость необходимо. Подобные эксперименты наглядно показывают, какие явления могут происходить с высотным сооружением под воздействием ветрового потока.

Но есть еще важный аспект, который находится в фокусе внимания ученых, — взаимное влияние строительных сооружений. Плотная группа высотных зданий создает свой «климат»: к примеру, на территории делового центра «Москва-Сити», где небоскребы стоят близко друг от друга, ветренее, чем на прилегающей местности. В качестве иллюстрации того, насколько опасным может быть влияние сооружений друг на друга, А.Б. Айрапетов приводит эксперимент с моделями труб дымоудаления. Согласно нормативам, принятым еще в 1950-х годах, расстояние между ними должно составлять не менее пяти их диаметров. А что произойдет, если это правило нарушить и переместить трубы ближе друг к другу? «Мы стали сдвигать модели труб в нашей экспериментальной установке, и в определенный момент, когда расстояние между ними сократилось вдвое, одна из них стала совершать такие сильные колебания, что испытания пришлось остановить в экстренном порядке», — рассказывает Александр Борисович. Так что локальная метеорология воздушного бассейна мегаполиса — отдельная новая наука.

Несмотря на многолетний практический опыт, и сегодня специалистам удается обнаружить необычные явления, которые ранее не наблюдались. Александр Борисович упоминает испытания, проводившиеся при строительстве Соборной мечети в Москве: «Ее модель с двумя башнями-минаретами была установлена в аэродинамической трубе, при этом одному из минаретов, помещенному на шарнире колебательной установки трубы, специально сообщали небольшую амплитуду колебаний. Мы отмечаем, что колебания не затухают, как хотелось бы, а продолжаются с постоянной амплитудой. Мы увеличиваем амплитуду — башня „захватывает“ ее и начинает колебаться с новой, уже большей амплитудой и также без тенденции к затуханию. Еще одна попытка — эффект тот же. Это — новое явление, которому пока даже не существует утвержденного названия».

Зачастую вопрос о проведении экспериментов встает не на ранних этапах проектирования и строительства, когда можно предотвратить нежелательные явления, связанные с ветровым воздействием и взаимным влиянием объектов в городской застройке, а уже в период сдачи или даже после окончания проекта. «Георазведку, которая помогает исключить просадку грунта под фундаментом дома, строители осуществляют в обязательном порядке, так как в ином случае здание «поплывет». А явления аэродинамического характера, о которых предупреждаем мы, могут возникнуть не сразу, они могут обнаружить себя, допустим, через 50 лет. Но от этого они не становятся менее опасными. Если бы архитекторы и строители обращались к нам на этапе создания эскизного проекта — как это на самом деле и происходит, но реже, чем хотелось бы — многих негативных последствий можно было бы избежать, — подчеркивает Александр Борисович. — И, с другой стороны, с учетом возможностей аэродинамики есть способы обеспечить более длительные сроки эксплуатации здания по существу «бесплатно», скажем, правильно ориентируя здания по местной «розе ветров».

В большинстве случаев исправить проблемы, связанные с аэродинамической неустойчивостью здания или сооружения, можно путем установки специальных устройств — гасителей колебаний. Принцип этого устройства схож с амортизатором в автомобиле: в гасителе колеблется тяжелая масса в вязкой среде. Установленный на высотное сооружение, он вместе со зданием формирует другую колебательную систему. «Главная помощь, которую мы можем оказать современным строителям высотных объектов, — предоставить данные, которые помогут спроектировать гасители колебаний для конкретного случая», — отмечает А.Б. Айрапетов.

Сегодня специалисты по промышленной аэродинамике ЦАГИ широко применяют численное моделирование. Как отмечает ученый, провести эксперимент можно не во всех случаях: «Это невозможно сделать корректно, если, например, речь идет об исследованиях, направленных на обеспечение комфортности пешеходных зон. Сегодня они зачастую плотно окружены застройкой, насыщены рекламными щитами и т.д. Мы просто не сможем поместить всю исследуемую зону в трубу — масштабы отдельных объектов будут настолько минимизированы, что о достоверности эксперимента можно будет забыть. В подобных ситуациях нам и помогают расчеты». Кроме того, численное моделирование бесценно в деле проектирования моделей с окружающей застройкой — оно позволяет определить количество и масштаб зданий на ситуационном плане, масштаб исследуемого здания с точки зрения загромождения рабочей части трубы и обеспечения необходимого режима обтекания всего комплекса моделей.

Исследования дают возможность увидеть последствия непродуманного проектирования высотных сооружений, находящихся в непосредственной близости от человека, а потому такие объекты должны отвечать всем требованиям безопасности, быть устойчивыми в воздушном потоке и в плотном массиве «каменных джунглей». По мнению А.Б. Айрапетова, застройка города высотными сооружениями без учета данных факторов — предпосылка к техногенной катастрофе. «Техногенная катастрофа — это явление, имеющее сверхобъектовые масштабы мегаполиса, а следовательно, ведущее к неисчислимым жертвам», — отмечает он. И это не гипотеза, памятуя о таких событиях, как, например, Чернобыльская авария и трагедия 11 сентября 2001 года в Нью-Йорке.

По словам ученого, накопленного опыта уже сейчас достаточно для того, чтобы модернизировать правила, применяемые сегодня в градостроительстве. А это — верный путь к повышению безопасности и комфортности городской среды. Специалисты по аэродинамике высотных зданий готовы к содействию в этом вопросе, дело — за волеизъявлением руководства строительной отрасли и властей больших городов.