Архитектурная физика оболенский. Базовые светотехнические понятия и законы

На природе человек практически всегда находит очередной, новый для глаз зрительный элемент, на котором можно «задержаться» на короткое время до очередной саккады (визуальные элементы расположены довольно плотно и, как указывалось ранее, они отличаются друг от друга). В городе же при наличии больших гомогенных полей для глаза нет очередного визуального объекта. В результате мозг человека не получает нужной информации, могут наступить неприятные ощущения. Поэтому гомогенные поля неприятны для глаз. Зрительные поля «агрессивны», когда на рассматриваемой поверхности (стен, тротуара, пола, обоев, ткани и др.) расположено множество одинаковых повторяющихся элементов (окон, плиток, швов, рисунков и др.). После каждой саккады глаз видит такой же элемент, какой уже был рассмотрен, что отрицательно сказывается на состоянии нервной системы и на здоровье человека.

Такое объяснение не полностью обосновано. Так, в природе встречаются большие однородные пространства (поверхность спокойного озера, небо, пустыня и др.) без каких-либо деталей, воспринимаемые глазом вполне позитивно. Так же воспринимаются покрытые тонированным стеклом небоскребы, не имеющие деталей на фасадах (огромный цветной кристалл).

Архитектурная физика пока не отвечает на некоторые актуальные вопросы, связанные со светологией: о позитивно воспринимаемых экологически обоснованных размерах помещений, зданий, городов; о формах помещений и зданий; о предпочтениях в архитектурных стилях, деталях, отделке. Можно отметить, что, во-первых, красивы и приемлемы для человека пространственные криволинейные формы (волнистая линия - линия красоты), во- вторых, необходимо стремление к разнообразию, подобному биоразнообразию в природе (архитектурное разнообразие размеров, форм, деталей, цвета с учетом природоподобия), в-третьих, желательно соответствие размеров зданий размерам компонентов ландшафта (в первую очередь, деревьев) и тела человека.

Живая природа не подчиняется законам симметрии. Кажущиеся симметричными левая и правая половина лица и тела, ноги, руки, а также крылья животных в действительности несимметричны. Можно предположить, что здания и сооружения также не должны быть абсолютно симметричными. Большую роль в позитивности или, напротив, негативности визуального восприятия зданий и сооружений играют индивидуальные особенности людей. Известно, что некоторым архитекторам нравятся небоскребы, огромные площади, широкие проспекты с потоками автомобилей и др. Это является одним из проявлений разнообразия.

Агрессивными для человека можно предварительно считать любые поля, отличающиеся от привычных для его органов чувств (например, монотонные визуальные поля, сильные и резкие шумы и вредные запахи и др.). Агрессивные звуковые и запаховые воздействия при постоянном контакте с органами слуха и обоняния могут вызвать болезненные состояния. Как отмечал Н. Ф. Реймерс, человек исторически более приспособлен к жизни в сельской местности, поэтому городская среда вызывает в нем стресс.

С глубокой древности люди стремились к приятной сенсорной среде в зданиях. Так, известны «медовые кирпичи», «благовонная штукатурка», «музыкальные колонны». В центральной части острова Шри-Ланка находится храм, построенный более пяти веков назад. Глина для кирпичей замешивалась с медом диких пчел, которых было много на острове. После долгой сушки под знойным тропическим солнцем «медовые кирпичи» становились очень прочными и надолго сохраняли аромат. Для создания приятного аромата в XII в. в марокканском городе Кутубия при строительстве башни в глину и штукатурный раствор добавили около тысячи бочек благовоний, запах которых можно ощутить даже сейчас. В мечети индийского города Карид, называемой мечетью запахов, средневековые строители замешали в штукатурный раствор 3 500 кг шафрана. В Индии гранитные колонны в древних храмах Витала, Махшвара и других еще и поют: если по ним ударить ладонью, они издают звук, напоминающий звук духовых инструментов. Умельцы, ударяя ладонями и пальцами по колоннам, извлекают мелодии. Для создания таких колонн устраивали пористые фундаменты из плит обожженной глины и песчаника.

Среда современных городов зачастую агрессивна для человека. Возможно, механизм ее агрессивности таков: в мозгу человека под воздействием предшествующей естественной многовековой среды и условий жизни сложился личный опыт (личная среда), который определяет его структуру поведения и биопсихологическое состояние; создался природоподобный образ окружающей среды, ее компонентов (места расселения, дома, улицы), соответствующий этому предыдущему опыту. Новые сенсорные воздействия не соответствуют этому опыту и создают напряженность в психофизиологическом состоянии: современная агрессивная среда требует создания нового образа города, новой структуры поведения. Но предыдущий опыт складывался в течение длительного исторического развития и не может быть быстро заменен другим; требуется очень длительное время.

В учебнике рассматриваются теоретические основы формирования комфортной светоцветовой, тепловой и акустической среды в городах и зданиях. Излагаются методы нормирования, расчёта и проектирования ограждающих конструкций, освещения, инсоляции, солнцезащиты, цветового решения, акустики, звукоизоляции зданий и борьбы с городскими и производственными шумами. Для студентов архитектурных вузов и факультетов.

Предисловие.5

Введение. Предмет и место архитектурной физики в творческом методе архитектора... 7

Часть I. Архитектурная климатология. . 12

Глава 1. Климат и архитектура...12

Глава 2. Климатический анализ.15

Часть II. Архитектурная светология..46

Глава 3. Светоцветовая среда - основа-восприятия архитектуры.46

3.1. Свет, зрение и архитектура..46

3.2. Основные величины, единицы и законы...63

Глава 4. Архитектурное освещение..71

4.1. Системы естественного освещения помещений..73

4.2. Световой климат. 87

4.3. Количественные и качественные характеристики освещения.96

4.4. Нормирование естественного освещения помещений.99

4.5. Расчет естественного освещения помещений.110

4.6. Оптическая теория естественного светового поля..121

4.7. Источники искусственного света и осветительные приборы...129

4.8. Нормирование и проектирование искусственного освещения.158

4.9. Совмещенное освещение помещений.173

4.10. Нормирование и проектирование освещения городов..177

4.11. Моделирование архитектурного освещения. 196

Глава 5. Инсоляция и солнцезащита в архитектуре.205

5.1. Основные понятия...205

5.2. Нормирование и проектирование инсоляции застройки.209

5.3. Солнцезащита и светорегулирование в городах и зданиях..219

5.4. Моделирование инсоляции. 238

5.5. Экономическая эффективность нормирования инсоляции

И солнцезащиты.242

Глава 6. Архитектурное цветоведение. . 244

6.1. Основные понятия...244

6.2. Систематизация цветов. Колориметрическая система МКО... 254

6.3. Воспроизведение цвета...258

6.4. Нормирование и проектирование цвета.. 266

Часть III. Архитектурная акустика 286

Глава 7. Звуковая среда в городах изданиях.286

7.1. Основные понятия...286

7.2. Звук и слух.292

7.3. Основные закономерности распространения звука и шума. 297

Глава 8. Шумозащита и звукоизоляция в городах и зданиях..304

8.1. Источники шума и их характеристики.304

8.2. Нормирование шума и звукоизоляции ограждений..313

8.3. Проектирование шумозащиты и звукоизоляции.321

8.4. Моделирование шумозащиты и звукоизоляции.364

8.5. Технико-экономическая эффективность мероприятий по шумозащите и звукоизоляции. . . 366

Глава 9. Акустика залов..368

9.1. Основные акустические характеристики залов.371

9.2. Оценка акустического качества залов.378

9.3. Общие принципы акустического проектирования залов.384

9.4. Залы для речевых программ. 398

9.5. Залы для музыкальных программ..404

9.6. Залы с совмещением речевых и музыкальных программ..411

9.7. Моделирование акустики залов. . 418

9.8. Системы озвучания залов..425

Приложения..430

Предметно-именной указатель.438

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник по архитектурной физике издается под таким названием впервые и является развитием учебника «Основы строительной физики», изданного в 1975 г. проф. Н. М. Гусевым, основателем кафедры строительной физики МАрхИ.

Новое название учебника и кафедры не случайно. Актуальность проблемы экологизации современной архитектуры ныне признана во всем мире, а поскольку свет, цвет, климат и звук являются основными факторами, формирующими комфортность искусственной окружающей среды (архитектуры), вписываемой в естественную среду (природу), эта проблема имеет огромное значение для развития качественно нового этапа в капитальном строительстве и массовой урбанизации.

Естественна поэтому и необходимость экологизации высшего архитектурного образования. По существу, архитектурная физика является второй частью новой дисциплины, которую должен изучать современный архитектор, - «Архитектурная экология». Первая часть этой дисциплины - «Архитектурное природопользование» («Охрана окружающей среды») включает основы защиты живой и неживой природы от воздействия на нее урбанистической деятельности человека, принявшей ныне глобальный характер, что вызывает обостренную озабоченность во всем мире.

Архитектурная физика изучает теоретические основы и практические методы формирования архитектуры под воздействием солнечного и искусственного света, цвета, тепла, движения воздуха и звука, а также природу их восприятия человеком с оценкой социологических, гигиенических и экономических факторов.

Кроме того, эта наука - фундамент, на котором базируются важнейшие положения основных строительных документов - СНиПов, регламентирующих комфортность, плотность и экономичность застройки.

Архитектурная физика как часть архитектурной экологии (а ныне одной из важнейших и обязательных частей проекта является его экологический раздел) непосредственно помогает определить качество проекта на всех стадиях (а следовательно, и качество архитектуры) по нескольким основным группам критериев¹: 1) комфортность городских пространств и интерьеров зданий и их функциональность; 2) надежность (долговечность) сооружений; 3) выразительность (композиция, светоцветовой образ, масштабность, пластика и т.п.); 4) экономическая эффективность (особенно при индустриальном строительстве).

Все эти критерии в значительной степени предопределяются при проектировании профессиональным учетом светоклиматических и акустических параметров среды и элементов зданий.

Следовательно, архитектурная физика имеет самые непосредственные связи с профилирующими дисциплинами - «Архитектурное проектирование» , «Теория, история и критика архитектуры» и «Архитектурные конструкции», а также с системой государственной экспертизы проектов. Архитектурная физика находится на стыке таких наук, как астрономия, метеорология и климатология, а поскольку архитектура служит для обеспечения жизнедеятельности человека и представляет основные материальные и культурные фонды любой страны, эта наука тесно связана с гигиеной, эстетикой, психологией, социологией и экономикой.

Содержание учебника отвечает современному уровню развития этой науки и учитывает многолетний опыт ее преподавания в Московском архитектурном институте, дискуссии, проведенные в последние годы в научных изданиях нашей страны и за рубежом, правительственные постановления по экологическим и градостроительным вопросам и программы Академии наук России по биосферным и экологическим исследованиям.

В каждой из основных частей учебника приводятся примеры проектирования комфортной среды из отечественной и зарубежной архитектурной и градостроительной практики.

Изучение курса сопровождается выполнением студентами учебноисследовательских работ, связанных с архитектурным проектированием городов и зданий. Для адаптации расчетных работ к реальным условиям творческой работы архитектора в учебнике приведены графические, табличные и справочные материалы.

Основные разделы учебника завершаются списками литературы, с помощью которых студенты и аспиранты могут расширить свои знания и освоить методы научно-исследовательских работ по архитектурной физике.

В учебнике использованы действующие нормативные документы и результаты новейших исследований отечественных и зарубежных ученых в области архитектуры, градостроительства, архитектурной физики и экологии.

Предисловие, введение и главы 3 и 5 написаны Н.В. Оболенским, главы 1 и 2 - В.К. Лицкевичем, глава 4 - Н.В. Оболенским и Н.И. Щепетковым, глава 6 - И.В. Мигалиной, главы 7 и 8 - А.Г. Осиповым, глава 9 -Л. И. Макриненко.

¹ По аналогии с критериями Витрувия «польза, прочность, красота» (обратим внимание на то, что даже Витрувий говорит о красоте здания только после пользы и прочности).

Скачать книгу . Книга выкладывается в научных и образовательных целях.

• 1. История создания памятника Петру I как задача о равновесии

• 2. Рассмотрение проблемы в общем виде: как обеспечить равновесие предмета?

• 3. Загадка Пизанской башни

• 4. Падающие башни мира

• 5. Требования к конструктивным элементам зданий и сооружений

• 6. Выводы, д/з

• Во дворе мастерской строители возвели помост, имитирующий пьедестал. Лучшие берейторы на лучших скакунах взлетали на этот помост. Сотни раз они повторяли эти взлеты, пока, наконец, скульптор не понял, что удержать вздыбленную лошадь на двух опорах ему не удастся.

• На каждой парте у Вас находятся спичечные коробки

• Постройте из них вертикальные конструкции со смещенными относительно друг друга коробками на максимально возможную высоту, и так, чтобы они не падали

• Дайте ответ: какое условие надо выполнить при строительстве, чтобы конструкция была высокой и не падала

• 1.Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры – значит, следует увеличить площадь опоры.

• 2. Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры, т. е. соблюдается принцип минимума потенциальной энергии (принцип неваляшки)- значит, следует понизить центр тяжести.

• 3. А теперь выскажите предположения:

• Что надо сделать для того, чтобы удержать всадника в скачущем положении

• Решение очевидно: для усиления устойчивости фигуры необходимо увеличить площадь ее основания, то есть создать еще одну точку опоры. Таково мнение наших учеников.

• А вот решение скульптора: под задними копытами коня появляется третья точка опоры – змея, символизирующая поверженных врагов России.

• Несмотря на свой наклон, пизанская башня не падает, т.к. отвесная линия, проведенная из центра тяжести не выходит за пределы основания.

• Высота башни 54,5м. Вершина башни отклонена от вертикали на 4,5 м.

• Равновесие нарушится и башня упадет, когда отклонение её вершины от вертикали достигнет 14 м.

• Сложите на краю стола книги стопкой так, чтобы верхняя книжка выступала над нижней. Укладывайте книги одна на другую до тех пор, пока ваша «Пизанская башня» не начнет заваливаться. Убедитесь, что падение книг началось, когда центр тяжести стопки книг вышел за пределы нижней книги.

• Полагают, что во всем мире около 300 падающих башен. Из них башня церкви в г.Зуурхузен (Германия) занимает первое место по углу наклона, далее- Пизанскаябашня, Болонская Гаризенда, Косая башня Невьянска на Урале. Правда, некоторые «призовики» были выпрямлены реставраторами, например минареты Улугбека В Самарканде.

• «Падающие» башни есть в Пизе, Болонье, в Афганистане и др. местах.

• В Болонье рядом высятся две знаменитые «падающие» башни из простого кирпича. Более высокая башня (высота 97 м, вершина отклонена на 1,23 м от вертикали), продолжает наклоняться и ныне. Вторая -достигает половины высоты своей соседки и наклонена ещё сильнее (её высота 49 м, отклонение от вертикали 2,4 м).

• На фото две башни. Слева- башня церкви в г. Зуурхузен в Гемании. Угол отклонения от вертикали 5,19 градуса. Справа- пизанская башня. Угол её отклонения 4.95 градуса.

• Архитектурные сооружения должны возводиться на века.

• Конструктивные элементы (деревянные, каменные, стальные, бетонные и т.п.), воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надёжно обеспечивать прочность, жёсткость и устойчивость зданий и сооружений.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др. Повышение прочности материалов достигается термической и механической обработкой, введением легирующих добавок в сплавы, радиоактивным облучением, применением армированных и композиционных материалов.

• Груз S, опирающийся на клинообразный средний камень свода, давит вниз с силой А, но сдвинуться вниз камень не может; он только давит на соседние камни. Сила А разлагается по правилу параллелограмма на две силы С и В. Таким образом, сила, давящая снаружи, не может разрушить свод.

Опыт 1

• Опыт 1

• Возьмем обычный лист бумаги формата А4 , скрутим его в трубку и склеим, сделаем так же еще с тремя листами, поставим их вертикально и положим на них как можно больше одинаковых книжек, чем больше книжек тем сильнее прогибаются листы и ломаются.

Опыт 2

• Опыт 2

• Возьмем гофрированный (сложенный «гармошкой») лист бумаги формата А4 , скрутим его в трубку и склеим, сделаем так же еще с тремя листами, поставим их вертикально и положим на них как можно больше одинаковых книжек, этот опыт показывает, что такое строение наиболее устойчивое и может выдерживать большую нагрузку, чем в опыте 1.

• Первая в нашей стране телебашня (проект В.Г. Шухова).Особенностью конструкции является то, что все их элементы работают только на сжатие. Это обеспечивает прочность сооружения. Ажурность конструкции скрадывает вес башни. При такой высоте (148,3 м) это самое легкое сооружение.

• Увеличение жёсткости изгибаемой балки и вертикальной колонны.

• 1. Если положить лист бумаги на две опоры, то он легко прогнётся даже под своей тяжестью.

• 2. Если изменить его форму, то можно значительно увеличить жёсткость такой конструкции.

• Жёсткость балки определяется профилем её сечения и материалом. Если лист бумаги сделать в виде короба или П - образной формы или профилю придать форму двутавровой балки, то жёсткость значительно возрастёт.

• Деформацию изгиба уменьшают разного вида подпоры, подкосы.

• Чем выше архитектурное сооружение, тем строже требования к его устойчивости.

• Причиной устойчивости Эйфелевой башни в Париже и многих других высотных сооружений является близкое к земле расположение центра масс сооружения.

• «На устройство подошвы и поддела ни трудов, ни иждивения жалеть не должно».

Фундамент – это в полном смысле слова основа здания. Расчёты фундаментов основаны прежде всего на учёте силы давления на грунт: при данной массе сооружения давление уменьшается с ростом площади опоры. Отсутствие должного внимания к этим зависимостям могут подвести строителей. Например, Останкинская башня по первоначальному проекту должна была опираться на 4 «ноги».

• Поставим один на другой 15 – 20 пустых спичечных коробков так, чтобы получить из них ровную прямую колонну. Она будет очень неустойчива: Малейшего толчка достаточно, чтобы колонна рассыпалась.

Составим колонну из тех же спичечных коробков, устанавливая их так, чтобы каждый верхний коробок был немного сдвинут относительно нижнего, на который он опирается. Создается такое впечатление, что колонна очень неустойчива и вот - вот упадет. Но оказывается, что она может простоять, не падая, столько же, если не больше времени, что и первая, прямая колонна.

У неваляшки внутреннее устройство со смещенным вниз центром тяжести.

• У неваляшки внутреннее устройство со смещенным вниз центром тяжести.

• На использовании законов статики на Тайване возведено самое высокое здание: 101 этаж поднимается на 508- метровую высоту, а внутри него – гиганский демпфер, который держит небоскреб в положении устойчивого равновесия.

• В основе созданных человеком архитектурных композиций лежат результаты многосторонних исследований.

• В данном проекте учащимися рассмотрены проблемы равновесия, устойчивости, прочности и жесткости конструкций.

Изготовить модель неваляшки

• Изготовить модель неваляшки

• Построить Останкинскую башню из бумаги, картона, дерева…

• 1. Абышева Н.А. Авторская программа предпрофильного межпредметного курса «Физика и искусство» Газета «Физика» 1 сентября №2 2006г

• 2. Я.И. Перельман «Занимательная физика» Москва «Наука» 1982г.

• 3. И.Л. Юфанова «Занимательные вечера по физике в средней школе» Москва «Просвешение» 1990г.

• 4 И.Я. Ланина «Внеклассная работа по физике» Москва «Просвещение» 1977г.

• 5. М.И. Блудов «Беседы по физике» Москва «Просвещение» 1984г. Часть 1