RESEARCH OF THE PROBLEM OF APPLYING TECHNOLOGIES OF VERTICAL GARDENING ON THE DESIGNS OF TRANSLUCENT BUILDING ENVELOPES

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО ОЗЕЛЕНЕНИЯ НА КОНСТРУКЦИЯХ СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ЗДАНИЙ

Научная статья

Сергеева Н.Д.¹, Ковалев Р.Б.^2,*, Голотина И.А.³

^{1, 2, 3}Брянский государственный инженерно-технологический университет, г. Брянск, Россия

* Корреспондирующий автор (rkowalev[at]yandex.ru)

Аннотация

В настоящее время активно используются технологии вертикального озеленения при строительстве общественных, жилых зданий с элементами стеклянных ограждающих конструкций. В то же время отсутствуют рекомендации применения технологий вертикального озеленения на   высотных зданиях различного функционального назначения со светопрозрачными стеклянными оболочками, увеличивающие инсоляцию и освещенность. Однако, из-за повышения температуры внутри помещений, интенсивно возрастает нагрузка на системы вентиляции и кондиционирования. Таким образом, возникает необходимость в разработке решений по улучшению естественного микроклимата помещений в период высоких климатических температур. Решением проблемы может стать использование технологий вертикального озеленения на поверхностях светопрозрачных оболочек зданий, которое актуально и обычно воспринимается как технология повышения эстетических и экологических преимуществ.

Ключевые слова: стеклянные оболочки, ограждающие конструкции, температурный режим, системы вертикального озеленения, эстетические и экологические преимущества.

RESEARCH OF THE PROBLEM OF APPLYING TECHNOLOGIES OF VERTICAL GARDENING ON THE DESIGNS OF TRANSLUCENT BUILDING ENVELOPES

Research article

Sergeeva N.D.¹, Kovalev R.B.^2,*, Golotina I.A.³

^{1, 2, 3} Bryansk State Engineering and Technology Academy, Bryansk, Russia

* Corresponding author (rkowalev[at]yandex.ru)

Abstract

Vertical gardening technologies are currently actively used in the construction of public and residential buildings with the elements of glass building envelopes. At the same time, there are no recommendations on the use of vertical gardening technologies on high-rise buildings of various functional purposes with translucent glass envelopes that increase insulation and illumination. However, due to the increase of indoor temperature, the load on the ventilation and air conditioning systems is intensively increasing. Thus, there is a necessity to develop solutions to improve the natural microclimate of rooms during high climatic temperatures. The solution to the problem might be related to the use of vertical landscaping technologies on the surfaces of translucent building envelopes, which is relevant and usually perceived as a technology for enhancing aesthetic and environmental benefits.

Keywords: glass shells, enclosing structures, temperature conditions, vertical landscaping systems, aesthetic and environmental benefits.

В целом экологическая ситуация Нечерноземья, в частности Брянской области сложная. Причин множество, среди них наличие экологически грязных производств активно развивающейся промышленности (например, сталелитейный завод). Рост численности населения г. Брянска, активно приобретающего легковой автотранспорт привел к резкому повышению загазованности, а также концентрации тяжелых металлов и токсичных элементов в воздухе. Нормы озеленения городской территории составляют не менее 6 кв.м. зеленых насаждений общего пользования на человека для таких городов как г. Брянск и 7 кв.м. – для малых районных центров Брянской области.

В настоящее время эти нормы отменены ввиду невозможности их выполнения. Плотность городской застройки становится настолько высокой, что стандартные решения по озеленению и благоустройству становятся попросту не актуальными, поэтому возникает необходимость поиска новых методов улучшения экологической ситуации. Одним из таких методов является технология вертикального озеленения зданий.

В мировой практике решения экологических проблем, особенно в мегаполисах, при строительстве высотных зданий все чаще используют светопрозрачные оболочки. Чаще это относится к зданиям культурно-бытового, административного и спортивного назначения, реже жилого. Этому способствует наличие у светопрозрачных ограждающих конструкций множества достоинств, соответствующих современным направлениям развития градостроительства и архитектуры: эстетичность, высокая освещенность внутренних помещений здания; энергоэффективность при организации систем освещения и кондиционирования.  При этом стоит отметить практически неограниченные возможности по созданию зданий уникальных форм и реализации нестандартных дизайнерских решений для  улучшения архитектурного облика города.

Цель исследования – решение актуальной проблемы применения технологий вертикального озеленения на поверхностях светопрозрачных оболочек зданий, которое  обычно воспринимается как технология повышения только эстетических и экологических преимуществ. Современные конструкции светопрозрачных оболочек зданий представлены в таблице 1.

При выборе варианта конструктивного решения строительства общественных, жилых зданий с элементами стеклянных ограждающих конструкций, а также высотных зданий со светопрозрачными стеклянными оболочками различного функционального назначения, учитываются не только основные преимущества, но и недостатки.

 

Таблица 1 – Прогрессивные конструктивные решения светопрозрачных оболочек зданий и сооружений

Светопрозрачная оболочка	Конструкция	Стоимость
Стоечно–ригельная	Каркас системы формируется при помощи стоек, к которым крепятся ригели. Фиксация стеклопакетов к несущему каркасу осуществляется при помощи прижимных планок, на которые затем устанавливаются декоративные элементы.	5020–11500 руб./м2
Структурная	Технология крепления секлопакеты на силиконовый герметик двухсторонним (на структурный силиконовый герметик, воспринимаюший подвижную нагрузку, разделяемую на две стороны) и четырехсторонним (с помощью герметика склеиваются все стороны стеклопакета). Наружное стекло в таких стеклопакетах на 10–15 мм больше, чем внутренне (для минимизации наружного шва и надежного крепления остекления к каркасу).	9450–12500 руб./м2
Полуструктурная	Технология крепления фасадной системы с видимыми элементами в вертикальном или горизонтальном направлении. Преимущество – возможность встраивания скрытых створок с возможностью открывания снаружи.	9300–10250 руб./м2
Спайдерная	Технология безрамного сплошного стеклянного покрытия, состоящее из стеклянных панелей. Фиксация кронштейнами (в виде спайдеров, фиксируемых болтами от 1 до 4 шт.). Известны четыре вида подсистем: по существующим несущим конструкциям; по стеклянным ребрам; по металлическим трубам; по вантам.	13000–15200 руб./м2
Двойной фасад	Совокупность традиционного стеклянной фасадной оболочки, которая с внешней стороны имеет второй слой. Двойной фасад стеклянной оболочки состоит из следующих элементов: – фасадное остекление из  закаленного, многослойного стекла. – внутренний слой фасада из нескольких непрозрачных элементов; – внутреннее межконтурное пространство может иметь естественную или регулируемую вентиляцию или быть полностью герметичное. Ширина пространства зависит от конструкции – от 20 см до 2 метров.	9360–11070 руб./м2

 

 Все виды конструкций, приведенных в таблице 1 увеличивают инсоляцию и улучшают освещение внутренних помещений. Однако, ввиду повышения температуры внутри помещений, интенсивно возрастает нагрузка на системы вентиляции и кондиционирования. Таким образом, возникает необходимость в разработке решений по улучшению естественного микроклимата помещений в период высоких климатических температур. Решением проблемы может стать использование систем вертикального озеленения на поверхностях светопрозрачных оболочек зданий, которое обычно воспринимается как технология повышения эстетических и экологических преимуществ.

Кроме того, в высотных зданиях полная прозрачность фасадов имеет нежелательный психологический эффект, а именно – вызывает стрессовую реакцию у людей с акрофобией, поэтому они реже используются в проектах высотных жилых зданий.

Таким образом, возникает необходимость как в улучшении естественного микроклимата в таких помещениях, так и в снижении негативного психологического эффекта. В качестве варианта решения сразу двух этих проблем предлагаем использование вертикального озеленения светопрозрачных оболочек.

По технологиям вертикальное озеленение делят на две группы:

– сплошное вертикальное озеленения – озеленение, которое часто используется для того чтобы скрыть дефекты здания или замаскировать глухие стены и фасады, на которых практически нет других декоративных элементов;

– частичное озеленение – озеленение, которое несет декоративную функцию, располагается в местах отсутствия оконных и дверных проемов.

Сравнительный анализ четырех технологий вертикального озеленения зданий со светопрозрачной оболочкой по показателю стоимости работ типового этажа многоквартирного дома серии КОПЭ–башня (таблица 2).

 

Таблица 2 – Результаты сравнительного анализа основных характеристик систем вертикального озеленения

Система вертикального озеленения	Конструкция	Достоинства и недостатки	Затраты на материалы
Войлочная	В основе конструкции лежит рама, прикрепленная непосредственно к фасаду. На металлический каркас устанавливается пластины ПВХ  (толщиной 10 мм), на них закрепляется слой с войлоком полиамидного волокна и фиксируется карманами размерами 20х20 см. Далее устраиваются системы  дренажа и  автоматического капельного полива.	Достоинства: Экологический эффект очистки воздуха; простота ухода. Недостатки: Необходимо  устройства  дренажной системы.	718 923 руб.
Модульная	На фасаде устанавливается рама, к ней крепятся вертикальные стойки с кронштейнами для фиксации модулей. Далее устраивается гидропонная система орошения. В модулях устанавливаются заранее выращенные растения.	Достоинства: Экологический эффект очистки воздуха; простота ухода. Не нужна система дренажа; Возможно изменения декораций. Недостатки: Необходимость предварительной подготовки модулей (узоры и орнаменты из растительности, которые проектируются заранее).	7 038 295 руб.
Контейнерная	Основа конструкции – несущий гидроизолированный металлический каркас. На каркасе фиксируется трубчатая система полива и горшки с почвенным субстратом для высадки растений. Для каждого горшка проводится личная оросительная трубка для подачи воды и удобрений.	Достоинства: Экологический эффект очистки воздуха; отсутствует дренажная система; возможность изменения декораций. Недостатки: Сложность  эксплуатационного ухода.	1 110 862 руб.
Многослойная	Конструкция состоит из трех элементов: внутренний слой (раздвигающееся створчатое окно), промежуточный зеленый слой (вертикальная растительная система), внешний слой (регулируемая реечная решетка). Промежуточный зеленый слой -  вертикальная система со следующими компонентами: -металлическая коробка с иммерсионной системой само–полива и таймером, -стальные спиральные кабели как направляющие для растений; -алюминиевая оконная рама с металлическими винтами.	Достоинства: Экологический эффект очистки воздуха; не осуществляется система дренажа; эстетическое изменение декораций; устойчивость к изменению внешней температуры. Недостатки: Сложный эксплуатационный уход.	–

На рисунке 1 показан пример использования модульной системы вертикального озеленения здания со стеклянной оболочкой фасада.

 

Рис. 1 – Пример использования модульной системы вертикального озеленения здания со стеклянной оболочкой фасада

 

Разработка рекомендаций по применению растений в системах вертикального озеленения потребовала отбора видов, наиболее пригодных к климатическим условиям Нечерноземья, которые хорошо переносят длительные периоды низких температур.

В результате проведенных исследований авторами были отобраны для использования морозостойких и вечнозеленых видов растений, среди которых рекомендуется:

– для контейнерной системы озеленения – морозостойких лианы (кампсис; плющ колхидский; гортензия черешковая и др.);

– для модульных систем – вечнозеленые карликовые растения (можжевельник; кустовые туи различных сортов; кустовые карликовые ели и др.);

– для войлочных систем – разнообразные виды мхов;

– для систем многослойных фасадов нет ограничений при отборе растений, так как они растут комфортно в пространстве с возможностью регулирования климата по температуре и влажности.

В сфере строительной индустрии оценка качества здания по критерию экологичности, определяется существующими рейтинговыми системами.

Среди них известные системы – LEED (США); BREAM (Великобритания); DGNB (Германия); Green Star (Австралия); CASBEE (Япония); Minergie (Швейцария). В РФ сравнительно недавно появилась аналогичная рейтинговая система оценки качества «Зеленые стандарты», разработанная некоммерческим партнерством «Центр экологической сертификации.

Рейтинговая система оценки качества РФ призвана стимулировать застройщиков, архитекторов и проектировщиков, строителей и эксплуатирующие организации внедрять ресурсосберегающие, энергоэффективные технологии, использовать экологически чистые материалы с целью снижения негативного воздействия объектов недвижимости на здоровье людей и  городскую среду. Кроме того, фасадная система озеленения позитивно отражается на показателях уровня энергопотребления – повышает теплоизоляцию и снижает теплопотери через ограждающие конструкции, обеспечивает солнцезащиту и охлаждение за счет испарения влаги и снижения скорости ветра. Также затенение растениями снижает температурный градиент на внутренней и внешней поверхности ограждающих конструкций. Следовательно, снижается теплопроводность конструкций и инфильтрация воздуха внутрь помещений, что обеспечивает уменьшение потребления электроэнергии зданием [5].

Зеленые стены и фасады способствуют увеличению биоразнообразия. Наиболее характерные виды – мхи, папоротники, очиток едкий, печеночный мох, травы, лианы и даже некоторые хвойные (тис, ель). Эти виды растений хорошо приспосабливаются к жизни на вертикальных поверхностях стен благодаря их неприхотливости.

Отметим также эксплуатационные преимущества внутреннего озеленения, а именно   в высотных зданиях позволяет решить проблемы, связанные с недостаточной работой систем вентиляции или кондиционирования. Растения в данном случае влияют на снижение количества патогенных летучих соединений, увеличение кислорода, меняют физическое состояние молекул, ионизируя воздух. Внутренние озелененные пространства также являются местами отдыха и психологической разгрузки для людей. Обычно под них отводятся отдельные помещения, а иногда и целые этажи, атриумные пространства [6].

Для максимизации эффекта от вертикального озеленения на зданиях со светопрозрачными фасадными оболочками необходимо установить возможные сочетания используемых конструктивных систем (таблица 3).

Таблица 3 – Применение систем вертикального озеленения для конструктивных систем светопрозрачных оболочек зданий

Конструкция	Войлочная система	Модульная система	Контейнерная система
Стоечно-ригельная КСНФ	локально путем  установки вместо  одного или нескольких стекол	рекомендуется   вместо выступающих вертикальных и горизонтальных защитных накладок на стойки и ригели	рекомендуется использование в качестве  озеленения, внутреннего пространства здания
Структурная КСНФ	локально путем установки вместо одного или нескольких стекол	рекомендуется путем креплением в промежутках между стеклами и заходом на светопрозрачное заполнение конструкции	рекомендуется использование в качестве озеленения, внутреннего пространства здания
Полуструктурная КСНФ	локально путем установки вместо одного или нескольких стекол	рекомендуется путем  крепления в промежутках между стеклами и заходом на светопрозрачное заполнение конструкции	рекомендуется использование в качестве  озеленения, внутреннего пространства здания
Спайдерная КСНФ по существующим несущим конструкциям	локально путем установки вместо одного или нескольких стекол, но присутствуют сложности в креплении системы к несущим конструкциям	рекомендуется путем крепления в промежутках между стеклами и заходом на светопрозрачное заполнение конструкции	рекомендуется использование в качестве  озеленения, внутреннего пространства здания с возможностью использования вьющихся растений, путь роста которых пролегает по несущим конструкциям
Спайдерная КСНФ по стеклянным ребрам	не рекомендуется ввиду особой сложности крепления к несущим конструкциям	не рекомендуется  ввиду особой сложности крепления к несущим конструкциям	рекомендуется использование в качестве  озеленения, внутреннего пространства здания с возможностью использования вьющихся растений, путь роста которых пролегает по несущим конструкциям
Спайдерная КСНФ по металлическим трубам	не рекомендуется ввиду особой сложности крепления к несущим конструкциям	не рекомендуется ввиду особой сложности крепления к несущим конструкциям	рекомендуется использование в качестве  озеленения, внутреннего пространства здания с возможностью использования вьющихся растений, путь роста которых пролегает по несущим конструкциям
Спайдерная КСНФ по вантам	не рекомендуется ввиду особой сложности крепления к несущим конструкциям	не рекомендуется ввиду особой сложности крепления к несущим конструкциям	рекомендуется использование в качестве  озеленения, внутреннего пространства здания с возможностью использования вьющихся растений, путь роста которых пролегает по несущим конструкциям
Двойной фасад	не рекомендуется ввиду ухудшения эстетики внешнего облика  здания	рекомендуется в пространстве между стеклами и заходом на светопрозрачной конструкции в виде наружного озеленения на внешнем контуре	рекомендуется в качестве внутреннего озеленения, располагаемого между наружным и внутренним контурами фасадного остекления здания

Стекло, как элемент светопрозрачных фасадных систем, обладает рядом свойств, отличающих его от традиционных оконных в силу необходимости решения ряда архитектурных и конструктивных задач, а именно: светопроникновение для естественного освещения внутренних помещений, шумоизоляция, прочность, теплозащита, защита от перегрева в жаркое время, требования к эстетическим свойствам и др. [3],[8],[9].

Обзор и анализ научно–технических источников, в том числе проведенный патентный поиск позволяет систематизировать и произвести сравнительную характеристику инновационных видов стекла. Они предоставляют возможности достижения энергоэффективности, поскольку они функционируют как солнечные батареи, обладают свойствами самоочищения, что особенно важно для высотных зданий со светопрозрачными фасадными системами наряду с использованием эффекта пассивного отопления и снижением затрат на кондиционирование.

Авторами разработаны рекомендации по результатам сравнительного анализа эксплуатационных свойств различных видов инновационного стекла и стеклопакетов с целью оценки выбора варианта вертикального озеленения при устройстве на зданиях со светопрозрачными оболочками (таблица 4).

 

Таблица 4 – Результаты сравнительной оценки видов инновационного стекла и стеклопакетов в фасадных оболочках зданий при устройстве систем вертикального озеленения

Заключение

Информационный и патентный поиск выявил отсутствие рекомендаций по применению технологий вертикального озеленения на высотных зданиях различного функционального назначения со светопрозрачными стеклянными оболочками, увеличивающие инсоляцию и освещенность.  Цель исследования- решение актуальной проблемы применения технологий вертикального озеленения на поверхностях светопрозрачных оболочек зданий, которое обычно воспринимается как технология повышения только эстетических и экологических преимуществ.

Исследованиями установлено, что наиболее подходящими для устройства вертикального озеленения являются стоечно–ригельная светопрозрачная оболочка зданий и система двойной светопрозрачной оболочки с модульной и контейнерной системами вертикального озеленения соответственно.

Также хорошо сочетается контейнерная система вертикального озеленения со всеми типами спайдерных светопрозрачных оболочек, кроме вантовой. Среди разнообразных вариантов озеленения стеклянных оболочек наиболее целесообразными системами авторы рекомендуют модульную и многослойную системы.

Изучение вариантов видов растений для использования в технологиях вертикального озеленения установлено, что наиболее подходящими для озеленения стеклянных оболочек в условиях климата Нечерноземья являются вечнозеленые карликовые кусты (ель и тис), морозостойкие лианы и мхи, ввиду способности этих растений переносить длительное воздействие низких температур.

Авторами дана сравнительная оценка видов инновационного стекла и стеклопакетов в фасадных оболочках зданий для учета при устройстве систем вертикального озеленения.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. СП 42.13330.2011 Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. Актуализированная редакция СНиП 2.07.01–89* [Текст]: введен 20.05.2011г.; нормативно–технический материал. – М.: Минрегион России, 2011. – 84 с.
2. СНиП 2.07.01–89* Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений [Текст]: введен 01.01.1990г.; нормативно–технический материал. – М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2002. – 72 с.
3. Плотников А.А. Архитектурно–конструктивные принципы и инновации в строительстве стеклянных зданий // Вестник МГСУ. 2015. №11. С. 7–15.
4. Хуснутдинова А.И. Технология вертикального озеленения / А.И. Хуснутдинова, О.П. Александрова, А.Н. Новик // Строительство уникальных зданий и сооружений. ISSN 2304–6295. №12 (51). 2016. стр. 20–32.
5. Бродач М.И. Рынок зеленого строительства в России – Здания высоких технологий– зима 2013. с. 27.
6. Дорожкина Е.А. Влияние растений на микроклимат помещений и организм человека – Международный научный журнал «Символ науки» – № 4 – 2015.
7. Сергеева Н.Д. Методология организационно–технологической подготовки на объектах примагистрального шумозащитного озеленения: Монография / Н.Д. Сергеева, В.В. Цыганков. – Брянск, БГИТУ, 2018 – 146 с.
8. Poirazi Н. Double Skin Façades for Office Buildings. Lund University, 2004.
9. Schüco Алюминиевая оконная системаAWS / [Электронный ресурс]. URL: http://www.yarmak.ru/images/alyuminievaya–okonnaya–sistema–AWS.pdf. (дата обращения 23.05.2020)
10. Wood A. Bahrami P. Safarik D. Green Walls in High–Rise Buildings – HK: Everbest Printing Co Ltd – 2014.

Список литературы на английском языке / References in English

1. SP 42.13330.2011 Gradostroitel'stvo. Planirovka i zastrojka gorodskih i sel'skih poselenij. Aktualizirovannaja redakcija SNiP 2.07.01–89* [Town planning. Planning and development of urban and rural settlements. Updated version of SNiP 2.07.01-89]: vveden 20.05.2011g.; normativno–tehnicheskij material [introduced 20.05.2011; Regulatory and technical material]. – M.: Minregion Rossii, 2011. – 84 p.
2. SNiP 2.07.01–89* Gradostroitel'stvo. Planirovka i zastrojka gorodskih i sel'skih poselenij [Town planning. Planning and building of city and rural settlements it is entered 01.01.1990; Regulatory and technical material]: vveden 01.01.1990g.; normativno–tehnicheskij material. – M.: Gosstroj Rossii, GUP CPP, 2002. – 72 p.
3. Plotnikov A.A. Arhitekturno–konstruktivnye principy i innovacii v stroitel'stve stekljannyh zdanij [Architectural and constructive principles and innovations in the construction of glass buildings] // Vestnik MGSU [Journal of MGSU]. – 2015. №11. P. 7–15.
4. Husnutdinova A.I. Tehnologija vertikal'nogo ozelenenija [Vertical greening technology] / A.I. Husnutdinova, O.P. Aleksandrova, A.N. Novik // Stroitel'stvo unikal'nyh zdanij i sooruzhenij [Construction of unique buildings and structures]. ISSN 2304–6295. №12 (51). 2016. P. 20–32.
5. Brodach M.I. Rynok zelenogo stroitel'stva v Rossii – Zdanija vysokih tehnologij– zima 2013 [Brodach Market of green construction in Russia - Buildings of high technology - winter 2013]. P. 27.
6. Dorozhkina E.A. Vlijanie rastenij na mikroklimat pomeshhenij i organizm cheloveka [Impact of Plants on the Microclimate of Premises and the Human Body] – Mezhdunarodnyj nauchnyj zhurnal «Simvol nauki» [International Scientific Journal "Symbol of Science"] – № 4 – 2015.
7. Sergeeva N.D. Metodologija organizacionno–tehnologicheskoj podgotovki na obektah primagistral'nogo shumozashhitnogo ozelenenija: Monografija [Methodology of organizational and technological preparation at the facilities of offshore noise protection greening: Monography] / N.D. Sergeeva, V.V. Cygankov. – Brjansk, BGITU, 2018 – 146 p.
8. Poirazi N. Double Skin Façades for Office Buildings [Double Skin Façades for Office Buildings]. Lund University, 2004.
9. Schüco Aljuminievaja okonnaja sistema AWS [AWS Aluminum Window System] / [Electronic resurs]. URL: http://www.yarmak.ru/images/alyuminievaya–okonnaya–sistema–AWS.pdf. (accessed 23.05.2020)
10. Wood A. Bahrami P. Safarik D. Green Walls in High–Rise Buildings – HK: Everbest Printing Co Ltd – 2014.