© Олег Харит, 2025
ISBN 978-5-0065-2396-8
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Введение
Современная строительная индустрия переживает фазу значительных преобразований, напоминающих революционный скачок, вызванный стремительным проникновением инноваций в каждую из её областей. Инновационные процессы становятся краеугольным камнем, на котором строится прогресс, укрепляется конкурентоспособность, улучшается функциональность зданий и оптимизируются бизнес-процессы. Благодаря этим процессам компании в строительной сфере обретают возможность не только развиваться и расширять своё влияние, но и заявлять о себе на мировой арене рыночной экономики.
Мы становимся свидетелями своеобразной гонки инноваций, разворачивающейся как внутри компаний, так и на международной арене. Итогом этой гонки является не только появление передовых технологий, но и совершенствование методов строительства, организация процессов, а также использование новых материалов. Этот эволюционный процесс часто приводит к созданию уникальных зданий и сооружений, которые становятся достоянием мировой архитектурной мысли.
В данной книге будет подробно рассмотрено множество аспектов, связанных с условиями, предпосылками и ключевыми инновациями, используемыми в области архитектуры и строительства, с особым акцентом на защиту и декорирование зданий. Особое внимание будет уделено экспериментальным подходам и современным тенденциям, включая новаторские методы, материалы и подходы к трансформации архитектурных процессов.
Дополнительно будут рассмотрены практические примеры внедрения технологий автоматизации, роботизации строительных процессов, использования искусственного интеллекта в проектировании, а также экологических и энергосберегающих решений. Исследование акцентирует внимание на том, как цифровизация меняет традиционные подходы в строительстве и какие новые горизонты открываются перед отраслью в условиях технологического прогресса.
Книга также коснётся вопросов адаптации строительной сферы к вызовам современности, таким как урбанизация, изменение климата и необходимость устойчивого развития. Особое место будет уделено изучению перспективного использования возобновляемых ресурсов, созданию «умных» зданий и интеграции интернета вещей в строительные системы.
Это издание станет ценным источником для архитекторов, инженеров, проектировщиков, а также для студентов и профессионалов, которые ищут вдохновение и знания о передовых технологиях и инженерных решениях, движущих развитие строительной отрасли вперёд. Книга будет полезна всем, кто стремится лучше понять, как интеграция инноваций может стать ключом к созданию более функциональных, экологичных и эстетически совершенных зданий в будущем.
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ ОТ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
1.1 Природно-климатические воздействия в различных регионах мира
Мировые тенденции изменения природно-климатических условий свидетельствуют о растущем значении проблематики глобального потепления в дискурсе работы специалистов различных стран. Так, при текущем прогнозе, предполагается, что к 2100 году средняя температура на планете увеличится в пределах от 1,5 до 2,8 градусов по цельсию.
Несмотря на кажущуюся несущественность такого показателя, а также принимая в расчет существующие дискуссии по поводу реальности и значимости проблемы глобального потепления, стоит отметить, что рост средней температуры по всей планете чреват затоплением некоторых прибрежных и островных территорий (ввиду повышения уровня океана), вымиранием животных, упадком или видоизменением отдельных природных экосистем, а также трансформацией общих природно-климатических характеристик, свойственных различным регионам мира.
Именно поэтому, раскрывая особенности и специфику характерных природно-климатических воздействий, свойственных различным регионам мира, в расчет стоит брать факт возможных (на перспективу) изменений, причины и динамика развития которых доподлинно неизвестны и остаются предметом множественных дискуссий для специалистов из различных сфер и областей.
С точки зрения строительного процесса влияние проблемы глобального потепления, вне зависимости от причин и факторов, обуславливающих её, также остается темой достаточно острой. Хотя несущественное, как может показаться человеку по меркам оценки погоды, изменение температуры не должно повлиять на существующие постройки, считается, что в некоторых регионах влияние глобального потепления может оказаться особенно критическим.
Во-первых, в результате роста средней по планете температуры в ряде регионов возникает проблема разрушения зданий ввиду возникновения периодических резких температурных перепадов, изменения привычных для региона погодных условий, на которые были ориентированы нормы строительства. Учитывая, что в разных регионах мира существует множество исторических объектов, зданий и сооружений, возведенных в прошлых столетиях, построенных без учета возможных климатических изменений, а также с применением более простых и менее долговечных материалов, некоторые из них неустойчивы к новым температурным влияниям.
Вторым, но не менее существенным фактором воздействия глобального потепления на строительство в мире становится влияние его «косвенных» последствий. Поскольку глобальное потепление запускает цепочку связанных с собой процессов – последствия их как отдельного, так и совокупного влияния остаются недостаточно спрогнозированными и изученными. Например, распространенный во всем мире бетон, под регулярным воздействием влаги, а особенно соленой воды, теряет свои прочностные характеристики, начинает неизбежно разрушаться. В результате, приток морской воды к прибрежным территориям, наводнения, цунами, как последствия изменения климата, оказывают разрушительное воздействие на существующие здания и сооружения, построенные с использованием бетона. Причем усиление таких влияний происходит именно комплексно.
В солнечную погоду бетон нагревается, что приводит к дополнительному нагреву окружающих поверхностей; рост температуры обеспечивает увеличение потенциально оказываемого воздействия на бетон, который начинает разогреваться еще сильнее. Впоследствии из-за влияния рекордно-аномальных температур происходит ускорение процессов старения и деградации материалов – они утрачивают характерные для них свойства, сроки их эксплуатации снижаются, проявляется потребность в осуществлении ремонтно-восстановительных работ.
Третьим характерным воздействием глобального изменения климата, свойственным, преимущественно, «теплым» по своей специфике странам, становится кристаллизация и излишнее «высушивание» построенных зданий, что также увеличивает их разрушаемость. Например, в Ираке почва сильно обогащена минералами соли; растущая среднегодовая температура в стране привела к тому, что уровень концентрации солей в почве увеличился, проявилась нехватка влаги – как итог, постройки начали трескаться и разрушаться ввиду кристаллизации этого минерала в глубине стен (что стало характерным для исторических зданий).
В целом увеличение температуры определяет усадки почвы – влага из нее испаряется быстрее; при условии периодических систематических колебаний температуры формируется ситуация, из-за которой обогащающаяся влагой почва быстро высыхает, а усадки становятся более регулярными.
Также, что немаловажно, рискам подвергаются объекты, возведенные в северных частях мира, в которых часть зданий и строительных объектов возведена на ледниках. Некогда вечная мерзлота постепенно теряет собственную прочность – фундамент зданий усаживается и «играет», появляются различные трещины, деформации; в критических случаях могут сформироваться существенные риски разрушения отдельных строений.
Итак, очевидно, что глобальное потепление, независимо от его причин и динамики развития, требует заблаговременного прогнозирования строительных процессов и учета возможных изменений, повышения степени защищенности зданий, совершенствования методов строительства с упором на большую универсальность и устойчивость к характерным для региона текущим и вероятностным будущим воздействиям.
Абстрагируясь от темы проявлений и многообразия влияния глобальных изменений климата на строительство, отметим, что каждый регион мира отличается уникальным набором природно-климатических условий:
Рис. Природные зоны – карта мира1
Рис. Климатические пояса по подходу российских ученых2
Рис. Климатические пояса по подходу зарубежных специалистов3
Например, Северные (арктические и субарктические) регионы (Канада, Гренландия, Сибирь в России и др.) отличаются полярным и субполярным климатом – в них достаточно длительная, холодная стойкая зима при относительно прохладном и коротком летнем периоде. Среднегодовая температура в таких регионах обычно не превышает нуля градуса по цельсию, т. е. сохраняется влияние вечной мерзлоты (на которую приходится примерно четверть от всей поверхности суши Северного полушария). В регионе крайне низкие осадки, как правило, представленные снежным покровом.
В тропических зонах (Амазония, Юго-Восточная Азия) климат, напротив, жаркий и влажный круглый год, т. к. представлен экваториальным и тропическим типами. Осадки в регионе очень высокие; в отдельных районах их количество может превышать средние по всей зоне в 2—2,5 раза. В результате, среднегодовая температура тропических зон, как правило, редко опускается ниже +25 градусов по цельсию.
Аридные и засушливые регионы – известными представителями являются пустыни Сахары и Аравийского полуострова. Соответственно, климат в регионе пустынный и полупустынный; температура очень высокая, однако проявляются существенные её колебания. Днем температура может достигать до +50 градусов по цельсию и выше, а ночью опускаться к нулю. Осадки в таких регионах достаточно редкие, выпадают зачастую в малом объеме.
Прибрежные районы и острова – страны Карибского бассейна, Япония, в которых климат достаточно «противоречивый», т. к. представляется умеренно теплым, морским и нередко тропическим климатом. Тем не менее, в таких регионах достаточно тепло и имеются стабильные осадки, иногда сопоставимые с умеренными зонами климата.
Горные районы – более сложные по своей специфике места, т. к. климат в них зависит напрямую от высоты гор, т. е. буквально климат варьируется от умеренного до «альпийского». Каждый километр высоты гор приводит к снижению температуры на уровне 6 градусов по цельсию; на одной из самых известных гор, Эвересте, температура в зимний период достигает до -36 градусов по цельсию. Осадки также варьируются от особенностей местных ветров; наветренные горы с достаточно высокими осадками, в то время как подветренные отличаются малым количеством осадков.
Наконец, умеренные зоны, к которым относятся страны Центральной Европы (включая Европейскую часть России), США и т. п. Здесь климат более равномерный – присутствует четкая сменяемость времен года – зимы, весны, лета, осени; летом средняя температура колеблется от 15 до 25 градусов по цельсию, зимой опускается ниже нуля, либо находится около нулевой точки. Умеренные зоны отличаются равномерностью осадков, плодородностью почвы и в целом более благоприятным для проживания климатом.
Так, в каждом из представленных регионов (стран-представителей таких регионов) развиваются собственные практики, принципы и подходы к строительству, соответствующие природно-климатическим особенностям. Тем не менее, ожидаемым видится то, что по мере нарастания проблемы глобального потепления, многие из сложившихся практик потребуют пересмотра, и нередко кардинального.
В частности, если затрагивать северные регионы, то для них проблема глобального потепления остается одной из самых критических в плане воздействия на окружающую среду. При текущих темпах потепления, к 2100 году температура в регионе увеличится на 4—7 градусов, т.е. регион перейдет из статуса вечной мерзлоты к «таянию». Полностью изменится характер и состояние грунта, привычная инфраструктура будет постепенно разрушаться и перестраиваться под новые природно-климатические реалии; при текущих прогнозах, Арктический лед уже может исчезнуть к 2050 году.
Для тропических регионов ситуация аналогична – повышение температуры в них в пределах нескольких градусов приведет к снижению комфортности климата для проживания; предполагается, что увеличится число среднегодовых осадков, а их выпадение станет более непредсказуемым. Часть проживающих в тропиках видов закономерно вымрет.
В засушливых частях мира повышение температуры приведет к ускорению засухи, которая и так выступает проблемой. Формируется более глобальная проблема непригодности таких районов для жизни человеком как ввиду высоких температур, так и последствий их влияния на грунтовые воды и реки.
Прибрежные районы и острова ввиду глобального потепления могут потерять существенную часть своих территорий, либо столкнуться с полным исчезновением с карты мира. Также увеличится общее количество наводнений, циклонов, ураганов, тайфунов, которые будут негативно воздействовать на оставшиеся прибрежные территории.
В горных регионах ситуация будет складываться аналогичным образом; прогнозируется осушение рек, увеличение количества лавин, эрозия почвы, таяние высоких гор с мерзлотой.
Умеренная климатическая зона, несмотря на кажущуюся относительно большую защищенность от воздействия глобального потепления, также столкнется с изменениями. Летние периоды станут более жаркими и протяженными во времени, зимы более короткими и мягкими; увеличится погодная изменчивость – большое количество осадков будет сочетаться с периодическими длительными засухами, что в первую очередь негативно повлияет на хвойные леса.
1.1.1 Температурно-влажностный режим
Итак, температурно-влажностный режим описанных регионов и их характерные особенности сгруппированы нами в таблице далее:
Таблица. Характеристики температурно-влажностного режима различных природно-климатических зон
1.1.2Техногенное влияние (выхлопы автомобильного транспорта, выбросы промышленных предприятий, кислотные дожди)
Влияние транспортного комплекса
Суммарная протяженность дорог общего пользования в России в 1998 г. составила почти 570 тыс. км.; за последние десятилетия данный показатель вырос практически втрое, до свыше 1500 тыс. км, из которых 64 тыс. км – дороги федерального значения; в США на момент 2015 года суммарная протяженность дорог составляла около 6650 тыс. км.; в Китае – 4700 тыс. км. (2017 год), в Канаде – 1000 тыс. км. (2013 год).
Размышляя о влиянии человеческой деятельности на природу, ученые нередко обращаются к примерам, например, к Чернобыльской катастрофе, которую ассоциируют с резким, стремительным и существенным по своей разрушительной силе ударом; воздействие автомобильных выбросов, напротив, сравнивают с постепенным, но не менее опасным отравлением окружающей среды.
Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, около четверти мировых выбросов углекислого газа производится транспортной отраслью, при этом основная их доля связана с автомобилями.
Автомобильный транспорт формирует примерно 70% всех выбросов, производимых транспортной отраслью, что составляет около 40% от общего объема антропогенного загрязнения атмосферы. Ежегодно в атмосферу поступает порядка 12,6 млн тонн оксидов азота, углеводородов и твердых частиц. При этом предприятия автотранспортной сферы ответственны за 1—6% от этих выбросов.
Увеличение выбросов загрязняющих веществ от автомобилей, которые фактически являются передвижными источниками загрязнения атмосферы, связано со следующими факторами:
– более быстрым ростом числа автомобилей по сравнению с увеличением количества стационарных источников загрязнения;
– их широким географическим распространением, что создает общий высокий уровень загрязнения;
– близким расположением автомобильных трасс к жилым зонам;
– большей токсичностью автомобильных выбросов в сравнении со стационарными источниками;
– сложностями в разработке и внедрении эффективных систем защиты от выбросов;
– низким расположением точек выброса относительно поверхности земли, что усиливает локальное загрязнение.
Влияние транспортного комплекса на окружающую среду можно условно разделить на два типа загрязнения: технологическое, связанное с деятельностью дорожно-строительной техники, специализированных машин дорожных служб, асфальтобетонных заводов и аналогичных объектов, и транспортное, обусловленное движением транспортных потоков.
Исследования показывают, что выбросы вредных веществ в атмосферу, производимые транспортными потоками на дорогах общего пользования, почти вдвое превышают объем технологических выбросов. При этом объемы выбросов твердых частиц, оксидов серы и минеральной пыли от технологических источников находятся на уровне, сравнимом с выбросами, генерируемыми транспортными потоками.
Годовые объемы технологических выбросов примерно в 5—10 раз меньше, чем выбросы, производимые транспортными потоками. Основным источником загрязнения, характерным для автотранспорта, выступают выхлопные газы, исходящие от двигателей внутреннего сгорания.
Так, например, сжигание 1 тонны бензина в автомобильном двигателе приводит к образованию 180—300 кг. окиси углерода, 20—40 кг. углеводородов и 25—45 кг. оксидов азота. Однако объемы некоторых вредных веществ в выбросах можно существенно сократить за счет улучшения конструкции двигателей и внедрения системы нейтрализации.
При сгорании топлива образуется двуокись углерода (CO2) – снижение её выбросов возможно лишь за счёт улучшения качества моторного топлива. Итак, состав выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания способствует появлению ряда экологических проблем – смогу, кислотным дождям, парникового эффекта и глобального потепления.
Негативное влияние перечисленных явлений на окружающую среду варьируется в зависимости от географического масштаба, а именно:
– локальный уровень, который характерен для появления смога;
– региональный (трансграничный) уровень, который связан с выпадением кислотных дождей;
– глобальный уровень, который проявляется в результате парникового эффекта.
Представленные воздействия запускают ряд разрушительных процессов в ограждающих конструкциях зданий, в особенности в кирпичных стенах, в постройках старого фонда.
Кроме того, в последние годы все чаще упоминают новый тип загрязнения атмосферы – это тепловое загрязнение. Известно, что зимой температура воздуха в крупных городах и промышленных центрах обычно на 2—5 градусов Цельсия выше, чем в окрестных районах.
Явление представляется прямым следствием выделения в атмосферу значительного объема тепла, поступающего от промышленных предприятий, жилых районов и транспортных средств. В результате над городами формируется своеобразный «тепловой купол».
Одной из причин глобального потепления называют парниковый эффект. Загрязнённая углекислым газом и аэрозольными частицами атмосфера свободно пропускает солнечное излучение к поверхности Земли, но значительно задерживает инфракрасное (тепловое) излучение, возвращающееся в космос. Происходящие процессы усиливают негативное воздействие на здания и сооружения, увеличивают контрастность перепадов температуры и влажность окружающей среды.
Еще одной формой специфического загрязнения окружающей среды выступает шумовое загрязнение. Сильный, длительный, а особенно постоянный шум представляет скрытую и достаточно опасную угрозу для человека и других живых существ. В течение длительного времени люди не связывали ухудшение здоровья с влиянием шума, поскольку не имели оснований и знаний для таких выводов.
Однако в XX веке отношение к шуму значительно изменилось. Шум, исходящий от промышленных предприятий, железнодорожных составов, трамваев, автомобилей, самолетов и другого транспорта, стал не только источником неудобств, но и причиной появления «последствий» для здоровья. Ограждающие конструкции зданий, предназначенные для защиты от шумового воздействия, с каждым годом все хуже справляются со своей задачей из-за увеличения интенсивности загрязняющего воздействия. Причем подобное стоит признать лишь одной из многих проблем, вызванных загрязнением атмосферы автотранспортом и сопутствующей инфраструктурой.
Выбросы промышленных предприятий
На протяжении всей истории своего существования человек находился в тесной взаимосвязи с окружающим миром. Однако с развитием высокоиндустриального общества масштабы вмешательства в природу значительно возросли – оно стало более интенсивным, расширились источники его формирования, и, что немаловажно, объёмы, что стало серьёзной глобальной угрозой для всего человечества.
Стоит заметить, что потребление невозобновляемых ресурсов неуклонно растёт, а значительная часть пахотных земель выводится из оборота из-за строительства городов и промышленных объектов. Особую угрозу представляет химическое загрязнение окружающей среды, связанное с попаданием в неё веществ, не свойственных природным экосистемам. Наиболее распространены среди них газообразные и аэрозольные загрязнители, образующиеся в результате промышленной и бытовой деятельности.
Накопление углекислого газа в атмосфере продолжает увеличиваться, что способствует усилению нежелательной тенденции к повышению среднегодовой температуры на Земле. Основными источниками загрязнения атмосферы являются промышленность, бытовые котельные и транспорт. Причем вклад каждого из них в общее загрязнение воздуха значительно варьируется в зависимости от конкретного региона.
На сегодняшний день общепризнанно, что основным источником загрязнения воздуха является промышленное производство. Среди ключевых загрязнителей выделяются теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в атмосферу сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно в отрасли цветной металлургии, выпускающие оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, а также частицы и соединения ртути и мышьяка; цементные заводы и котельные установки, потребляющие свыше 70% ежегодно добываемого твёрдого и жидкого топлива.
Уровень загрязнения воздуха основными вредными веществами напрямую связан с уровнем промышленного развития города. Наибольшие концентрации загрязняющих веществ наблюдаются в населённых пунктах с численностью более 500 тыс. чел., в которых сосредоточены промышленные предприятия. Зоны отрицательного воздействия – выбросы как от промышленных объектов, так и от транспорта, распространяются на десятки километров, а в крупных промышленных агломерациях могут достигать сотен километров. Например, в России такие зоны составляют: Среднеуральская – до 300 км, Кемеровская – до 200 км, Московская – до 200 км, Тульская – до 120 км. Химический состав загрязнений варьируется в зависимости от специфики промышленности, развитой в конкретном регионе.
В крупных городах, в которых сосредоточены предприятия разных отраслей промышленности, уровень загрязнения воздуха достигает критических значений. Вместе с тем снижение выбросов многих специфических веществ до сих пор остаётся нерешённой задачей.
Охрана природы выступила в современности одной из ключевых проблем, фактически стала социальным вызовом. В целом масштабы воздействия человека на окружающую среду приобрели «угрожающие» размеры. Для улучшения ситуации «на корню» необходима проработка планомерных реформ и задач.
Таким образом, действительно эффективная и ответственная политика в области охраны окружающей среды станет реальностью только при условии наличия достоверных данных о её текущем состоянии, с пониманием взаимодействия экологических факторов, а также разработкой новых методов сокращения и предотвращения ущерба, наносимого природе человеческой деятельностью.
Кислотные дожди
Термин «кислотный дождь» появился в середине XIX века, когда британские учёные установили связь между загрязнением воздуха в промышленных районах центральной Англии и осадками с повышенной кислотностью. Однако только во второй половине XX века стало ясно, что кислотные дожди представляют серьёзную угрозу для окружающей среды.
Стоит отметить, что даже обычный дождь имеет слабокислую реакцию, обусловленную естественными процессами. В процессе образования дождевые капли поглощают углекислый газ из воздуха, вступая с ним в химическую реакцию, что приводит к формированию угольной кислоты (H₂CO₃). В незагрязнённой атмосфере дождь имеет уровень кислотности (pH) около 5,6, однако при взаимодействии с загрязняющими веществами этот показатель может снижаться.
Кислотным считается дождь с уровнем pH ниже 5,0. Его формирование связано с химическими реакциями воды с оксидами серы (SO₂) и азота (NOx), которые выбрасываются в атмосферу при работе транспорта, металлургических предприятий, электростанций, а также при сжигании угля и древесины. В результате этих реакций в атмосфере образуются растворы серной, сернистой, азотистой и азотной кислот, которые выпадают на землю в виде дождя или снега. Помимо антропогенных причин, источниками кислотных дождей могут быть природные явления, такие как извержения вулканов, молнии и активность бактерий.
Кислотные дожди оказывают разрушительное воздействие на водные экосистемы, почву, растительность и конструкции зданий. Для борьбы с этим явлением важно снижать объёмы вредных выбросов в атмосферу. Это позволит минимизировать коррозионное влияние на здания и сооружения, а также улучшить состояние окружающей среды.
Ключевыми направлениями решения проблемы являются меры по локальной защите объектов: установка барьеров для уменьшения деформации конструкций, восстановление фасадов зданий, пострадавших от выветривания, и использование современных технологий для уменьшения воздействия окружающей среды.
Прежде всего, кислотные дожди наносят ущерб водным экосистемам, почве и растительности. Кроме того, они способствуют разрушению и ускорению деформации ограждающих конструкций зданий. По мнению специалистов, улучшение ситуации возможно за счёт сокращения объёма вредных выбросов в атмосферу, что позволит снизить их коррозионное воздействие на здания и сооружения.
Одним из ключевых направлений в решении обозначенной проблемы является применение локальных методов снижения воздействия окружающей среды на объекты человеческой деятельности. Среди таких мер можно выделить установку защитных барьеров для уменьшения деформации ограждающих конструкций зданий, а также восстановление фасадов, повреждённых вследствие выветривания и старения.