ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОМФОРТНОЙ СВЕТОВОЙ АРХИТЕКТУРНОЙ СРЕДЫ В СТРАНАХ АРАБСКОГО ВОСТОКА

Краткое содержание

У першому розділі «Сучасний стан вивченості проблеми формування комфортного світлового архітектурного середовища в умовах спекотного клімату» розглядаються і узагальнюються наукові результати попередників. Комфортне середовище для людини створюється перш за все під впливом основного еколого-кліматичного фактору – Сонця. Захист від блискучого природного світла – одне з важливих загальних вимог до проектування будинків у спекотних районах, де теплова та світлова сонячна радіація активно впливає на макроклімат екстер’єрного архітектурного середовища і на мікроклімат всередині будинку. Природне освітлення приміщень залежить від коефіцієнту природного освітлення та умов зовнішнього освітлення (світлового клімату), інтенсивність якого в умовах спекотного клімату (у порівнянні з помірним кліматом) підвищує рівень природного освітлення приміщень приблизно у 4,5 рази і складає біля 280 лк. Сонячне опромінювання виражається «еквівалентною температурою» t екв, що отримана від повної сонячної радіації.

В розділі аналізуються концепції відомих майстрів архітектури, які займалися пошуком провідних екологічних принципів в архітектурі. Так на початку 20-х років XX ст. Ле Корбюз’є приділяв серйозну увагу «24-годинному сонячному циклу», визначив поняття «основні радощі» (сонце, простір, зелень) і сформував ідею «промінистих міст». Він вважав, що «історія архітектури – це історія боротьби за світло, боротьби за вікна» і «вся історія архітектури обертається виключно навколо стінних прорізів». Комфортом для людини у тропічній зоні є прохолода, рух, тінь. Алвар Аалто підтримував ідею «біодинамічного фактору Сонця у місті», висував вимоги до оптимальної орієнтації житла відносно сонця і точності розрахунків (до 1°) напрямку сонячних променів, які проникають у кожну квартиру. Але деякі архітектори ігнорували проблему регулювання сонячної радіації (геометричні скляні форми-оболонки Міс ван дер Роє) або розглядали сонцезахисні засоби головним чином як декоративні елементи (О. Німейєр).   

Завдяки проведеному аналізу виділені неефективні (нефункціональні) прийоми сонцезахисту в архітектурі XX століття і визначені прогресивні конструктивні системи, за допомогою яких покращується комфортність середовища життєдіяльності: елементи, що трансформуються (стіни, перегородки, покрівлі, перекриття), сонцезахисні пристрої, стіни-екрани, стіні-ширми або перфоровані («дихаючі») стіни з бетону, кераміки, алюмінію, типи «сонцерізів»,  карнизи, козирки, жалюзі. Простішим типом сонцезахисного пристрою є звис даху, який забезпечує затінення стін і віконних прорізів. Наведена класифікація сонцезахисних і регулюючих світло засобів, якими користувалися у 80-90-х роках XX ст. (за Оболенським М.В.). 

Виявлено, що ефективність теплообміну (тепловіддачі) підвищується за рахунок розсіяння загальної кількості радіаційного тепла завдяки збільшенню площі опроміненої поверхні (склепіння, куполи) або в результаті використання хвилястих гофрованих поверхонь та матеріалів з рефлекторними властивостями. Білі матеріали віддзеркалюють 90 % і більше сонячної радіації, а чорні лише 15 %. Наведені характеристики поверхонь матеріалів щодо їх рефлекторної здібності і теплового випромінювання при одночасній дії на них сонячної і теплової радіації (за Фірсановим В.М.).  

В Лівані виділяється 4 основних типи малоповерхового житла: житло з прямокутним замкненим планом; житло з зовнішньою галереєю «руаах»; житло з «ліуаном» - відкритим і обрамленим аркою з одної сторони об’єму; житло з центральним холом-коридором і розміщеними з обох сторін жилими приміщеннями. Синтез цих типів призвів до появи ліванського малоповерхового житлового будинку. Кількість житлових будинків з підвищеним рівнем комфортабельності складає 8 % від всього обсягу будівництва в Лівані.

Дослідженням виявлені прийоми захищеності приміщень від інсоляції: дотримування співвідношення світлової площі віконних прорізів до площі підлоги кімнати у межах 1 : 1,5 – 1 : 2,0; впровадження оптимального для умов спекотно-сухого клімату (східний проектно-будівельний район країн Аль-Шам) «зачиненого» принципу розміщення приміщень навколо дворика-саду та таких пропорцій планувальних схем: 1:1; 1:1,8 (оптимум 1:1,3); впровадження для умов спекотно-вологого клімату (західний проектно-будівельний район країн Аль-Шам) «відчиненої» архітектурно-композиційної структури будинків з пропорціями 1:3, оптимум 1:1,7; найкращою орієнтацією продовжних стін будинків вважається  північ та південь (вісь «схід – захід»), сонцезахисними засобами - сонцерізи, козирки, галереї, лоджії, айвани, дахи, що вентилюються, «малькаф».

Для Сирії, Лівану, Саудівській Аравії, Ємену, Єгипту, Судану, Алжиру притаманна однакова типологія громадських споруд, композиційна структура яких адекватно реагує на дискомфортні світлові умови: мечеті – за типом «купольної ротонди», з внутрішнім двором, оточеним галереями;  медресе і марістани – з одно-, 2-х та 4-х-айванним рішенням; хани (караван-сараї) - замкнені будови з двориками (понад чотирьох) відкритого або критого типу з водними пристроями (брка, сабель, сальсабіль).

Одним з головних показників якості архітектурного об’єкту є критерій функціонального комфорту. Інтегральний критерій (функціональний комфорт) – це оптимальний функціональний стан, при якому досягається відповідність засобів і умов оточуючого середовища виду діяльності. Як системне утворення функціональний комфорт містить у собі два базових компоненти – психологічний та психофізіологічний.

Дослідженням визначено, що сприйняття міського середовища забезпечується органами почуттів через вплив сонячної радіації в ультрафіолетовому (УФ), видимому та інфрачервоному (ІЧ) спектрі, яка визначає у сучасній термінології світлове середовище. Комфортні відчуття і естетичний позитивний вплив світлового середовища можливий за умови виключення наступних негативних якостей: фізіологічно і психологічно недостатні рівні освітлення, УФ і ІЧ опромінювання; надмірні рівні яскравості поля адаптації, УФ і ІЧ занадто велике опромінювання. Наявність у полі зору плям, яскравість яких значно перевищує яскравість адаптації, може викликати неприємні (дискомфортні) відчуття. МКО визначає зоровий дискомфорт як відчуття незручності або напруги. Максимально допустимі показники сліпучості і дискомфорту нормуються в залежності від призначення приміщень. Максимальне значення Мд = 60; s = 60. Чим менше обидва ці показники, тим комфортніше умови освітлення. Комфортна інтенсивність освітлення різко зростає з підвищенням кольорової температури світлового джерела.

Критеріями для встановлення норм інсоляції слугують два фактори: психоестетичний і біологічний вплив інсоляції. Безперервна 3-годинна інсоляція будинків і територій (за М.В. Оболенським) призводить до теплового дискомфорту у південних та центральних районах, а також до світлового дискомфорту у всіх географічних районах. Головні стимули психологічного аспекту інсоляції: візуальний і термічний. Суттєвим фактором, що визначає психологічні реакції людини, є не площа поверхонь, освітлених сонцем, а час інсоляції і напрямок сонячних променів по відношенню до людини і лінії його зору, а також візуальна «обізнаність» людини про наявність інсоляції не тільки у приміщенні, але й у зовнішньому середовищі. Оптимальною для задоволення психологічних потреб людини вважається тривалість інсоляції житлових приміщень 2 – 4 години на день. Жителі південних міст (47 %) оцінюють відсутність сонячного світла у приміщенні позитивно, 71 % мешканців влітку змушені захищати приміщення від сонця. У всіх країнах нормується тривалість інсоляції без її енергетичної значимості. У більшості країн психоемоційний ефект інсоляції вважається основним. У екстремальних кліматичних умовах близькосхідного регіону доцільно виділяти головний з двох факторів, які знаходяться у діалектичній єдності, - фізіологічний ефект теплового і світлового дискомфорту. П. Барбері дійшов висновку про необхідність враховувати інсоляцію, починаючі з підйому сонця h о = 10˚ і з того моменту, коли сонячний промінь починає освітлювати фасад на рівні 2-х метрів від підлоги.

В роботі показано, що одним з основних параметрів світлового комфорту у приміщеннях є яскравість світлового прорізу і сонцезахисних пристроїв. Гігієнічно допустимий блиск світлового прорізу складає 1500 нт, а в спекотних районах він досягає 10000 нт і вище. За геометричним методом нормування природного освітлення, оптимальна площа вікна для забезпечення природного освітлення у спекотно-вологих районах повинна дорівнюватися 10-12,5 % площі підлоги житлового приміщення, для  спекотно-сухих районів – 5 %, а для нагірних – 7–10 %.

Виявлені параметри зони комфорту у внутрішніх приміщеннях як сукупність станів «температура – вологість», які забезпечують приємний для людини термо-гігрометричний стан, без необхідності застосування коректуючих засобів: «комфортно» (відносна вологість повітря – від min 32%  до max 70%, температура повітря приміщення – від min 16,5єС до max 24,1єС); «ще комфортно» (відносна вологість повітря складає min 19% - max 84%, а температура повітря приміщення – min 14єС - max 26,8єС).      

Для спекотно-сухого району (за В.М. Фірсановим) західні та східні стіни вдень піддаються максимальному сонячному опромінюванню (623 ккал / мІ ∙ ч), а північна та південна - мінімальному (163 та 125 ккал / мІ ∙ ч), або відповідно у 4 та 5 разів менше. У тих же самих умовах плоский дах будинку опівдні сприймає найбільшу кількість сонячної радіації (948, 5 ккал / мІ ∙ ч), або майже у 2 – 3 рази більше сонячної радіації у порівнянні з вертикальними стінами. Тепловий радіаційний вплив на поверхню даху наближається до суми радіаційних теплових навантажень, які сприймаються в цілому всіма чотирма фасадами будинку.

Зелені насадження ділянки знижують температуру повітря на 1,5є – 2,5˚С, інтенсивність сонячної радіації – до 40 – 50 %.

Аналіз показав, що оптимальними (з точки зору створення умов комфортності світлового середовища) морфологічними характеристики архітектурних форм є: куб (найбільший об’єм з найменшою площею зовнішніх поверхонь огородження) та півсфера. Опромінення таких поверхонь набагато слабше і температура нагріву менше. Ці форми будинків є традиційними для спекотних районів (мавзолеї, усипальниці емірів та султанів). «Об’ємний ефект» (теплова інерція) – формоутворюючий засіб зниження сумарних теплових навантажень. Збільшення об’єму будинку у 4 рази призводить до зменшення сумарної площі зовнішніх поверхонь, віднесених до одиниці об’єму (1 : 4 проти 1 : 6).

Для спекотно-сухого клімату виявлені пропорції оптимальної форми плану будинку (1:1,26 та 1:1,3), критерій «гнучкості форми» складає 1:1,6. Для спекотно-вологого клімату літній оптимум складає 1:1,7, зимовий – 1 : 2,69. Критерієм форми може слугувати співвідношення сторін плану 1:1,7, а критерієм «гнучкості» 1:3. Вплив зовнішніх термічних сил віддзеркалюється на характері архітектурної композиції об’єму будинку, який може мати варіанти в межах встановленого критерію «гнучкості форми».

Виявлені методи моделювання умов інсоляції на макетах забудови (лабораторний пристрій «інсолятор») та великомасштабного моделювання (геліокліматрон), за допомогою яких можна прогнозувати і оцінювати якість архітектури з точки зору світлового комфорту.  

Виявлена комплексна система критеріїв оцінки ефективності сонцезахисту, яка характеризує показники комфортності середовища у приміщеннях і на територіях: коефіцієнт екранування, коефіцієнт пропускання світла, коефіцієнт транспарантності, коефіцієнт просторового зорового зв’язку, коефіцієнт прозорості, коефіцієнт контрастності освітлення, коефіцієнт нерівномірності освітлення, коефіцієнт пропускання сонячної радіації, характер світлорозсіяння СЗЗ (сонцезахисних засобів). Теплозахисна ефективність СЗС оцінюється «коефіцієнтом сонця» (Франція) або «коефіцієнтом затемнення» (США).

У підсумку першого розділу представлена ієрархічна модель взаємозв’язку природного світлового середовища з архітектурним середовищем (урбанізованих просторів, архітектурних об’єктів і інтер’єру). Розроблена структурно-логічна схема етапів даного дослідження.

У другому розділі «Функціональна і формоутворююча дія світлотіньових співвідношень у формуванні комфортного світлового середовища будинків і міського середовища» встановлено, що у спекотних районах Землі (території країн Арабського Сходу включно) функціонували дві концепції проектування архітектурних об’єктів, пов’язані з життєвими потребами і особливостями клімату: 1) у спекотно-сухих районах (концепція замкнутих об’ємно-просторових структур), 2) у спекотно-вологих районах (концепція розкритих об’ємно-просторових структур). Реагування архітектурної форми, яка виконує функцію захисту людини від несприятливих спекотно-сухих кліматичних умов, проявилося у наступних прийомах формоутворення:

- орієнтація перших міст і внутрішніх світлових дворів по відношенню до сторін горизонту, розміщення і орієнтація будинків (вісь «схід – захід»), розкриття житлових приміщень на північ, північні і південні фасади відкриті до сонця, західні та східні – надійно захищені від сонячної радіації;

- типологія житла – печерні (природні та штучно висічені), літосферні, шатрові і палаткові, збірно-розбірні укриття, дома-башти з масивними стінами, уступами, терасами плоских дахів; овальні, у формі кола або прямокутні споруди з саману без вікон;

- композиція містобудівельних структур – вулиці-ущелини, вузькі криті пішохідні і торгові вулиці, забудова високої щільності, блокування будинків у єдині масивні об’єми, хаотичне нагромадження житла («касба»), що дозволяє скоротити до мінімуму площу зовнішніх поверхонь;

- композиція окремих архітектурних об’ємів культових, громадських і житлових будинків - замкнута, компактна, чарунка з внутрішнім двором, невеликі світлові прорізи у стінах; плоскі, купольні і склепінчасті дахи; два види приміщень (з легкими огорожами і використанням у вечірні та нічні часи та з масивними огорожами і використанням вдень);

- інтер’єр – високі (до 4 метрів) і глибокі приміщення на всю ширину будинку з пропорціями перерізу 4:5 та 1:1,5 (ширина : висота) з коротким фронтом по фасаду, анфіладне розміщення приміщень;

- матеріали - масивні, важкі (камінь, глиняна цегла-сирець);

- застосування різних пристосувань і приладів для захисту від сонячних променів і спекотних вітрів, для уловлювання приємних потоків повітря і його охолодження, застосування простіших сонцезахисних екранів, що трансформуються;

- світло-кольорова гама архітектурного середовища (екстер’єр – білий, інтер’єр – багатоколірний).

У відповідності з класифікацією тропічного клімату Г.А. Аткінсона, максимальна температура у районах Саудівської Аравії, Єгипту, Іраку складає +43єС в тіні, а середньодобова +22єС. Для спекотного клімату характерно: яскраве сонячне світло, спекотні дні, пилові бурі, безхмарне небо. Архітектори Е. та П. Смітсони назвали середовище даного регіону «кліматом яскравого світла», у якому будинок повинен мати зачинене для сонячних променів «тіло». Країни Аль-Шам (Сирія, Йорданія, Ліван, Палестина), береги Персидської затоки та Аравійського півострова відносяться до клімату приморських пустель (спекотних районів). У Бейруті середня температура серпня складає +27,5єС, січня +13,1єС. Висота сонця влітку у Бейруті складає 75є. Для Лівану характерна велика кількість ясних днів і 3% похмурих днів. Прозора атмосфера підвищує пряму і знижує розсіяну складову радіації. Тривалість сонячного сіяння за рік досягає 2889 годин, у липні – 94%, у грудні – 37%. У зв’язку з такими атмосферними умовами територія Лівану получає велику кількість променистої енергії.  

Дослідженням виявлені і систематизовані основні усталені композиційні схеми кореляції світлового формоутворення будинків в арабських країнах (компактна, блочна, некомпактна та вільна), прийоми структурного рішення (центрично–осьовий, коридорний, замкнений, зальний), встановлені нащадки об’ємно-просторових композиційних рішень (центричність, замкненість, традиційність центрального або бокового розміщення внутрішнього дворику, розвиток прийому «біт-хілані»), засоби тектонічного та композиційного рішення архітектурної форми (арки, аркади, галереї, куполи, елементи сонцезахисту), які сприяють утворенню комфортного світлового середовища у природно-кліматичних умовах арабо-ісламських країн. Найбільш компактна об’ємна форма виходить при дворядному горизонтальному блокуванні, однак при цьому знижується освітлення та інсоляція внутрішніх приміщень. Найбільш сприятливим при меридіональній орієнтації є «атріумне» замкнуте блокування приміщень.

 Квадратний в плані внутрішній дворик з галереями традиційного арабського атріумного будинку реалізує функцію проміжного рекреаційного простору, створюючи комфортне світлове архітектурне середовище. Захисту внутрішнього простору від перегрівання і створенню нормальних санітарно-гігієнічних умов, пов’язаних з життєдіяльними функціями людей і їх естетичними вимогами, сприяє зв’язок архітектурної форми і будівельних матеріалів, характер розташування і габарити внутрішніх приміщень, специфіка світлових прорізів, що трансформуються (машрабії), і вітражних вікон (квамарії).

Показано, що світлотіньові співвідношення є важливим композиційним засобом архітектурного формоутворення, який впливає на інші композиційні засоби. За допомогою світла можна виявити рельєфність плоскої (фронтальної) поверхні, посилити або послабити враження ваги або легкості об’ємної форми (довгі тіні утворюють враження важкої форми, короткі – навпаки). Підтверджено, що світлотінь є динамічним композиційним засобом у порівнянні з іншими (константними): тектонікою, симетрією, асиметрією, композиційними осями, контрастом, нюансом, тотожністю, пропорціями, ритмом і метром, масштабністю, кольором, фактурою, синтезом мистецтв. Переміщення і зміна розмірів затінених та освітлених площ архітектурної форми на протязі дня «оживляє» споруду, утворює різне емоційне враження, впливає на образ. 

У розвитку експериментальних спостережень за зміною світлотіньових співвідношень, проведених Яхья Вазірі на 12 фасадах трьох внутрішніх дворів традиційних арабських будинків атріумного типу (з пропорціями кубу 1:1:1 та паралелепіпеда 1:1:1,7), були виконані розрахунки і порівняння змінення на протязі дня (з 6.00 до 18.00) площ освітлених сонцем поверхонь стін і площ падаючих тіней для цих об’єктів, а також розмірів віконних прорізів та машрабій, які складають від 0,4 до 14,2%, ніш (площею від 2 до 22%) та галерей по відношенню до загальної площі кожного з фасадів. В результаті обробки кількісних даних статистичним методом було встановлено, що площі падаючих тіней в зимовий період року набагато перевищують площі тіней у літній час (у грудні утворюються максимальні площі падаючих тіней (S_сер. = 63,7 – 83,4%), влітку у червні - мінімальні (S_сер. = 31 – 54%). Максимальні площі тіней спостерігаються на північному фасаді внутрішнього двору (у червні S_сер. = 74,7 – 83%), тому саме на ньому розміщують відкриті галереї площею від 19,6 до 48%. Оптимальний рівень комфортності світлового середовища у даних внутрішніх дворах забезпечується площами падаючих тіней, які «відкидають» інші стіни двору, затіненими арочними галереями-лоджіями та нішами, виступаючими об’ємними формами машрабій. Влітку площі падаючих тіней (S_сер.) на східному фасаді сягають min 31%, max 54%; на західному фасаді – min 39,7%, max 52,2%; на південному фасаді – min 44,1%, max 52,6%. Регулювання сонячного тепла у бік втрати інтенсивності сонячного опромінення здійснюється також вентилюванням приміщень шляхом правильного розміщення віконних прорізів, використанням дерев та вертикального озеленення на зовнішніх огородженнях, обладнанням басейнами і фонтанами.

Успадкування історичних архітектурно-композиційних методів формування комфортного світлового середовища будинків громадського призначення у природно-кліматичних умовах країн Арабського Сходу проаналізовано на об’єктах (адміністративний будинок, археологічний музей, культурний центр та мечеті у м. Шаріка (ОАЕ), які мають ідентичні риси (центричність композиції, компактність об’єму паралелепіпеду, півсферичний  купол, рельєфність пластики фасадів).

 У третьому розділі «Принципи і рекомендації по формуванню комфортного світлового архітектурного середовища у країнах Арабського Сходу» проаналізовані архітектурні проекти сучасних малоповерхових житлових будинків для умов спекотного клімату і виявлені принципи інтерпретації традиційних прийомів формоутворення комфортного середовища: орієнтація за продовжною віссю «схід-захід», щільність забудови і нагромадження архітектурних об’ємів за типом «касба», блокування житла, компактність і замкнутість об’ємно-просторових структур, морфологія будинку - наближеність до кубічної форми, тенденція «звернення всередину», розкриття приміщень у бік більш прохолодної сторони (на північ), великий звис скатного даху, затінені веранди, обладнання басейнами і фонтанами. Особливостями сучасних проектів житла є збільшення площ віконних прорізів, криволінійність стін, відсутність внутрішніх дворів.

У сучасних мечетях (на прикладі м. Амман, Йорданія, країна Аль-Шам) інтерпретація традиційних прийомів формування комфортного світлового середовища реалізується формоутворенням з застосуванням сучасних (інтернаціональних) матеріалів (залізобетону та металу) у сполученні з регіональними (камінь, скло, гіпс, дерево).   

В процесі дослідження впливу природного світла на сприйняття форми і пластики фасаду, на комфортність світлового клімату екстер’єрів та інтер’єрів були проаналізовані наступні об’єкти сучасної арабської архітектури: аеропорт та будинок кооперативного товариства (м. Шаріка, ОАЕ); багатофункціональні комплекси «Королівська башта» та «Аль-Файсалія»,  торговельні центри «Аль-Караві» та «Аль-Муса» (м. Ель-Ріяд, Саудівська Аравія); готелі «Парус арабів», «Міна Аль-Салам» та «Роял» (м. Дубаї, ОАЕ). У даних об’єктах скло виконує функцію світло- та теплофільтра. У залежності від яскравості сонця та його переміщення завдяки технічним засобам досягається поступове змінення освітленості інтер’єрів за рахунок плавного включення або виключення штучних джерел світла.

Визначені наступні високотехнологічні прийоми сонцезахисту, які блокують до 80% світла: застосування сенсорного обладнання (сонячних батарей), яке реагує на оточуюче середовище; використання двошарових оболонок з оптично чистою плівкою для утворення другої повітряної кишені; металевих, розсувних, фотогальванічних та перфорованих ламелів (пластин) замість затемненого скла. Кут нахилу пластин змінюється у залежності від погодних умов та місця сонця на небосхилі. Використовуються склопакети із скла зі спеціальними властивостями (сонцезахисними, теплозахисними).

Зоровий комфорт і виразність архітектурної композиції представляють єдину функцію світлового середовища з основними складовими: міський простір, що формується фасадами, поверхнями землі і небосхилом; архітектурні простори, які сформовані в інтер’єрі огороджувальними поверхнями і зовнішнім тлом, що бачиться скрізь світлові прорізи; кількість  і якість освітлення (рівень розподілення яскравості, контрастність і направленість світлового потоку); кількість інсоляції (тривалість і ритмічність, інтенсивність, співвідношення поверхонь, які знаходяться під інсоляцією або в тіні; кількість кольору. Розроблені рекомендації по формуванню комфортного світлового середовища архітектурних об’єктів у природно-кліматичних умовах країн Арабського Сходу містять метод приблизного визначення умов інсоляції і сонцезахисних пристроїв, заснований на використанні Інсоляметру.