Откуда дует ветер: пятиэтажки против небоскребов

Люди строили города, чтобы защититься от безжалостной природы. Но оказалось, что в городских стенах нас поджидают новые опасности: смертельные эпидемии, мусор, выхлопные газы, плохая экология и… ветер. Прочные дома и высокие заборы призваны останавливать его, но ветер все равно пробирается в каменные джунгли. Здесь он мечется, как в ловушке, разрушая строения и грозя людям.

Слишком высокие

В 2006 году в британском Лидсе построили небоскреб Бриджуотер Плейс высотой 112 метров. В престижную высотку переехали офисы солидных компаний, однако за зданием сразу закрепилась дурная слава. Вокруг Бриджуотер Плейс было опасно ходить: чудовищной силы ветер сбивал людей с ног, поднимал в воздух мусорные баки и автомобили. Скорая регулярно выезжала к небоскребу, чтобы забрать пострадавших от столкновения со стихией. В марте 2011 года перевернувшийся от порыва грузовик убил 35-летнего инженера Эдварда Слэни. По итогам расследования городские власти приняли решение закрывать для машин и велосипедов ближайшие к зданию дороги, когда скорость ветра превышает 20 м/с. Но тротуары не перекрывают, и в ветреные дни люди по-прежнему получают травмы.

Бриджуотер Плейс не единственный пример, когда высотное здание словно притягивает ветер. В 2015 году это свойство обнаружилось у 160-метрового небоскреба Уоки-Токи в лондонском Сити. Пока там никого не убило, но британские СМИ регулярно публикуют фотографии людей, держащихся за фонарные столбы или катящихся по асфальту. Кажущуюся магической способность высоток «создавать» вокруг себя ветра объясняет заведующий лабораторией турбулентности минского Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова Андрей Чорный: «С высотой скорость ветра очень быстро растет. Когда воздушная масса ударяется о здание, она как бы растекается в разные стороны, в том числе уходя вверх и вниз по стене. Спускающийся со здания поток попадает на улицу, а его скорость может даже превышать скорость набегающего потока, то есть „исходного“ ветра».

Скоростные потоки создаются не только вокруг домов: опасны любые сооружения, которые значительно выше прилегающей застройки, уточняет заместитель начальника отделения гидроаэродинамики Крыловского государственного научного центра в Санкт-Петербурге Сергей Соловьев. «Например, со стен крупных стадионов могут срываться 300-метровые вихри и создавать мощные потоки, — отмечает эксперт, — поэтому не стоит прокладывать рядом пешеходные дорожки и шоссе».

Слишком квадратные

Если попросить человека нарисовать городской дом, скорее всего, он изобразит нечто прямоугольное со множеством окошек. Если добавить рисунку объем, получится параллелепипед, и здания такой формы — чемпионы по созданию потенциально опасных воздушных потоков. «С точки зрения аэродинамики параллелепипеды относятся к плохообтекаемым объектам, — рассказывает Андрей Чорный. — Когда воздушные массы опоясывают здание, могут создаваться „нехорошие“ области, в которых возникает вихревое движение — воздушный поток закручивается. У типичного городского прямоугольного дома такая область появляется за зданием, с другой стороны от набегающего потока». Чем больше скорость потоков в подобных вихревых зонах, тем меньше там давление. И если разница между давлением внутри дома и снаружи окажется достаточно велика, в здании вполне может выдавить стекла, предупреждает эксперт.

Логично предположить, что вместо домов-параллелепипедов нужно строить здания максимально обтекаемой формы — скажем, каплевидные, вроде тех, что рисуют художники, пытаясь изобразить город будущего. Но не все так просто, и футуристические здания тоже могут «создавать» ветер, предостерегает Сергей Соловьев. «При обтекании дома-параллелепипеда отрыв потока происходит с острых граней здания. При этом отрывные течения на боковых стенках и за домом имеют относительно небольшие скорости. Если построить эллиптический дом, обтекающий его поток, наоборот, будет ускоряться на боковых стенках. А если соседние строения расположены слишком близко, то вообще получится тот же эффект, что в аэродинамической трубе, где воздух движется с огромной скоростью», — объясняет эксперт.

Именно из-за аэродинамических сложностей, а не по причине неуемной фантазии архитекторов (хотя отчасти из-за нее) очень высокие здания часто проектируют «рваными» по высоте. Например, дубайский небоскреб Бурдж-Халифа сужается и меняет форму 10 раз на протяжении своих невероятных 828 метров. Сложная конструкция «запутывает» ветер, и, сталкиваясь с фасадом, он разделяется на множество воздушных потоков. Секционное устройство не только оберегает пешеходов, но и защищает само здание, не позволяя ветру свалить его единым усилием.

Слишком близкие

Даже один высокий дом отлично справляется с закручиванием воздушного потока. Система из нескольких небоскребов или даже зданий среднего размера способна на большее. «Самая неудачная конфигурация, с которой я встречался, — подковообразный дом, внутри которого застройщик хотел „втиснуть“ еще две высотки. Там поток разгонялся бы так сильно, что людям нормально жить было бы невозможно», — рассказывает Сергей Соловьев. Плохи с аэродинамической точки зрения ряды однотипных домов, расположенных друг за другом или в шахматном порядке — именно так часто застраивают пригороды и спальные районы.

«Стоящие близко друг к другу высотные дома создают этакие городские каньоны, в которых поток может ускоряться вдвое! И если скорость набегающего ветра, скажем, 10–15 м/c, в таких каньонах локально создаются ураганные условия», — говорит Соловьев. Конечно, в большинстве российских городов постоянного ветра в 15 м/с не бывает. Но несколько дней в году такая скорость вполне возможна даже в спокойных по ветровым условиям районах нашей страны, где расположены почти все российские города-миллионники, добавляет эксперт.

Хрестоматийный пример того, что бывает, если слишком близко «понатыкать» однотипные строения, — катастрофа 1965 года на британской ТЭЦ в Феррибридже. Первого ноября разразился ураган, скорость ветра достигала 38 м/c. В этих местах часто дует, и градирни (охладительные башни) ТЭЦ были рассчитаны на куда более сильные порывы. Однако неожиданно три башни из восьми рухнули, оставшиеся пять были частично разрушены. «С впередистоящих градирен срывались вихри, которые били по градирням, расположенным ниже по потоку, и те разрушились из-за возникших автоколебаний», — объясняет катастрофические последствия Соловьев.

Но даже вроде бы безопасно расположенные здания становятся «ветрогенераторами», если строители не учли направление превалирующих ветров. «Роза ветров для каждого крупного города давно известна, другой вопрос, что далеко не все современные многоэтажки строятся с учетом этих знаний», — констатирует Андрей Чорный.

Слишком сложные

Главная проблема высоток в том, что, глядя на макет здания, очень трудно предсказать, как будут вести себя набегающие на сооружение воздушные потоки. Даже относительно простые по форме конструкции могут преподносить сюрпризы, не говоря уже о вычурных строениях с архитектурными излишествами. Точно просчитать все завихрения, отклонения и обтекания невозможно: недаром область физики, которая изучает поведение воздушных масс и жидкостей, считается одной из самых сложных. Чтобы понять, что будет твориться вокруг здания в ветреный денек (и выдержит ли оно его), геометрически точный макет продувают в аэродинамической трубе. «Для получения достоверных результатов необходимо проводить испытания моделей зданий в специализированных аэродинамических трубах ландшафтного типа, где моделируется пограничный слой атмосферы. В России часто используются самолетные трубы — те, что предназначены для испытания летательных аппаратов. Для экспериментов по оценке ветровой обстановки в микрорайоне они не очень подходят», — говорит Соловьев.

В Санкт-Петербурге в Крыловском государственном научном центре недавно построили ландшафтную аэродинамическую трубу, которая позволяет точно моделировать движения воздуха в приземном слое — как раз там, где ходят люди и ездят машины. Но проводить испытания в такой или даже в самолетной трубе дорого, поэтому застройщики часто ограничиваются компьютерным моделированием, а оно не всегда адекватно отражает реальную ситуацию. Кроме того, нередко продувают только макет здания, которое хотят построить, не учитывая окружающие дома.

«Чтобы понять, как перераспределятся воздушные потоки при установке нового высотного элемента, необходимо продувать макет всего микрорайона, — объясняет Андрей Чорный. — Во-первых, окружающие здания могут существенно изменять набегающие на высотку воздушные потоки, а во-вторых, бывает, что сама высотка перенаправляет потоки так, что, скажем, на детской площадке или пешеходной дорожке получается постоянный сквозняк, а вот парковка, наоборот, перестает вентилироваться». Но в существующих строительных нормах нет обязательного требования продувать макет микрорайона целиком, и застройщики часто экономят. Поэтому даже «благополучное» здание, которое не создает вокруг себя опасных вихрей, может заметно ухудшить общую ветровую обстановку на близлежащих улицах.

Что делать

Несмотря на все эти неприятности, даже плохо спроектированная городская застройка не в состоянии радикально «утяжелить» последствия стихии, считают некоторые эксперты. Ущерб, нанесенный московским ураганом 2017 года, сопоставим с последствиями урагана 1998 года, хотя за 19 лет в столице стало в разы больше высотных зданий. «Дома, машины, деревья — это всего лишь препятствия на пути ветрового потока. Они способны только вносить неоднородность в сторону уменьшения или некоторого увеличения местной скорости по отношению к скорости основного ветрового потока — так называемого настилающего ветра. А он определяется глобальными климатическими процессами, а отнюдь не конфигурацией препятствий на его пути», — поясняет заведующий лабораторией аэромеханики и волновой динамики НИИ механики МГУ Сергей Гувернюк.

Но ураганы случаются редко, а вот ежедневный дискомфорт от постоянного сквозняка в «городском каньоне» или возле неудачно «втиснутой» в микрорайон высотки способен здорово ухудшить существование. «Чтобы избежать такой ситуации, нужно обязательно продувать в аэродинамических трубах не отдельные здания, а микрорайоны целиком, даже если планируется построить всего один высотный дом», — настаивает Соловьев. Не менее важно правильно выбрать форму здания: привычные всем параллелепипеды более устойчивы, однако с точки зрения аэродинамики это плохой вариант. Но даже если застройщик решил делать банальную «коробку», у нее хотя бы не должно быть плоской крыши, добавляет Андрей Чорный. «Крышу нужно наклонить, чтобы помочь ветру скатываться», — поясняет эксперт.

Если «неправильная» высотка или даже целый квартал уже построены, в отдельных случаях можно спасти ситуацию при помощи защитных элементов. Например, власти Лидса в 2016 году обязали владельцев злополучного небоскреба Бриджуотер Плейс установить вокруг здания специальные козырьки и экраны, которые будут разбивать воздушные потоки. Работы оценили в 903 000 фунтов (около 68 млн рублей по курсу на июнь 2017 года), и пока никакой защиты над дорогами нет.

«Неплохо работают правильно расположенные живые изгороди из невысокого стриженного кустарника. Они задерживают поток и при этом красивы», — говорит Соловьев, добавляя, что в целом деревья — это очень хорошая защита. Но сажать нужно не по одному деревцу, а массово. «Идеально, когда деревья выше зданий. Так можно сдвинуть „нехорошую“ ветровую ситуацию на высоту зеленых насаждений: деревья работают как защитный экран. Деревья выше домов бывают в кварталах, застроенных пятиэтажками, но тут возникает другая проблема: часто эти деревья старые и могут не выдержать сильных ветров», — говорит Чорный.

Несмотря на то что высотные здания сейчас есть в каждом относительно крупном городе, эта область градостроительства все еще находится в стадии развития, а ученые продолжают исследовать, как застройка влияет на воздушные потоки, и придумывать новые подходы к моделированию. И хотя иногда «косяки» с высотками действительно становятся следствием недоработки исследователей и инженеров, гораздо чаще они появляются из-за того, что строители предпочитают закрыть глаза на правильные, однако дорогостоящие аэродинамические рекомендации. Но это уже не вопрос науки.