Архитектура против законов физики

В первой части этой статьи мы коснулись нелепых причин противостояния архитекторов и инженеров. Сейчас мы хотели бы это рассмотреть на узкопрофильном, но крайне показательном примере. Погрузимся в тему толщины стали воздуховодов, но это не так скучно, как кажется.

Норматив против экономики

Основы вентиляции разрабатывались в те далекие времена, когда физические законы были в почете не меньше, чем архитектурная эстетика.

Опыт первого применения механической вентиляции привел специалистов к нехитрому выводу, что воздуху проще перемещаться, если при этом воздуховод не петляет, как заяц.

Для оценки сложности воздуховодов используется понятие «сопротивление сети», которое измеряется в Паскалях (Па), т.е. какой напор должен развить вентилятор, чтобы прогнать воздух до самой удаленной решетки.

В вентиляционных нормативах 2020 года (СП60), наконец-то, появилось прямое указание, что не допускается (без обоснования) использовать сложную систему воздуховодов, для которой требуется вентилятор с напором более 1000 Па.

Не воспринимайте это, как сексизм, но, если перевести это значение на чувственно понятный язык, подобный вентилятор создает давление, как если бы по среднестатистической женщине (с площадью поверхности тела 1,6 кв.м.) равномерно распределился мужчина весом около 80 кг.

Постараемся больше не думать об этом и вернемся к вентиляторам.

Девелоперы требуют от архитекторов создавать образы нового поколения зданий, в которых закладываются яркие, но сложные для реализации идеи, сами объекты становятся все более многофункциональными и менее типовыми.

При этом, повышенные затраты инвесторов не могут компенсироваться одними лишь высокими ценами за квадратный метр, поэтому девелоперы задают предельно высокую планку процента полезных площадей.

А чтобы состоятельным клиентам было комфортней жить и работать в новых зданиях, потолки должны быть высокими, а значит запотолочное пространство для прокладки инженерных систем – скромное.

И больше всего от таких, вполне объяснимых желаний заказчика, достается инженерам.

Архитектура, безусловно, первична, но, если с первых набросков она не впитала в себя основы построения инженерных систем, «инженерка» превращается в гадкого утенка. Кособокие технические помещения задвинуты в неликвидные углы и закоулки, шахты обзаводятся множеством перекидок, колонны и пилоны зажимают оборудование, дизайнерские потолки сплющивают воздуховоды и т.д.

Новый вентиляционный свод правил (СП), указывающий на лимит в 1000 Па, вроде как дает инженерам законный повод прийти к архитектору или девелоперу и потребовать добавить несколько венткамер и опустить потолки, которые и позволят спрямить воздуховоды и увеличить их сечение.

Но у меня есть предчувствие, что попытка инженера заполучить дополнительно несколько удобных технических помещений, которые снизят доход заказчика на десятки миллионов, будет обречена на быструю и болезненную неудачу.

Фура против малолитражки

Именно поэтому в большинстве проектов, над которыми мы трудились в последние годы, из-за тотальных архитектурных ограничений приходилось применять сложные и извилистые воздуховоды, с которыми могут справиться только вентиляторы с напором в 1500, 2000 и доходит до 2500 Па.

К чему это приводит?

Для работы со сложной сетью требуются вентиляторы высокой мощности. Они отличаются большими габаритами. К ним нужно подвести больше электрической энергии. Воздуховоды должны быть выполнены из более толстых листов стали, чем обычные системы.

И здесь начинаются основные проблемы.

Если в стандартных системах применяются воздуховоды из оцинкованной стали толщиной до 0,9 мм, то для более напорных систем применяют листы до 2,0 мм.

Для монтажников нет ничего хуже, чем собирать воздушную сеть, выполненную из толстой стали. Ведь воздуховоды тяжелые, грубые, перекошенные, и на месте фактически невозможно изготовить недостающий отвод или переход, что не является проблемой для изделий из оцинкованной стали.

Воздуховод из тонкой стали, как Смарт – достаточно юркий, чтобы плотно прижаться к потолку или обойти препятствие. Воздуховод из черной стали неповоротлив, как груженная фура в узком переулке.

При этом толстостенные воздуховоды сами по себе дорогие, стоимость их монтажа выше, а скорость работ – на порядок ниже. В дополнение к этому эстетичность и аккуратность итогового продукта сильно уступает оцинкованному аналогу.

Эксперимент

Поэтому-то монтажники и не любят работать с этим материалом, стремясь согласовать с заказчиком отказ от него в пользу оцинковки.

Недавно на одном именитом объекте не менее именитые монтажники убедили заказчика это сделать, и для подтверждения своей позиции собрали тестовый участок не из черной стали, как было в проекте, а из оцинкованной стали, подключили вентилятор и запустили систему.

Монтажники используют единственный критерий – издают ли воздуховоды хлопки или нет при включении и выключении вентилятора. Тестовый участок – не хлопал, что и было принято в качестве окончательного довода.

Но этот критерий не выглядит таким уж научным. При детальном изучении ситуации оказалось, что стенки воздуховода прогнулись на 30 мм, что привело к заужению проходного сечения воздуховода более чем на 10%. При этом испытания проводились при комнатной температуре, а значит при удалении горячего дыма сталь нагреется и прогибы увеличатся еще на 15%.

Это создаст дополнительное сопротивление движению воздуха, что в конечном итоге приведет к потере эффективности вентиляции, в т.ч. противодымной. А это уже совсем не шутки. Ни один проектировщик или монтажник не хотел бы иметь отношение к ситуации, когда система дымоудаления сработала не так, как положено.

Что же делать?

Быстрый расчет

Главное – нужно понять, в каких ситуациях можно использовать более тонкую сталь, а когда это небезопасно. Но для этого проектировщику, монтажнику и технадзору нужен инструмент, который позволял бы это сделать быстро.

Нормативы обошли этот вопрос своим вниманием и не предлагают никак методик выполнения подобного расчета, а использование специализированных машиностроительных расчетных программ стоимостью по 3000 USD/год совершенно не адекватны поставленной задаче. Долго, дорого и для работы с ними требуются серьезные навыки.

А каждый раз собирать тестовый участок и подключать вентилятор – бестолковое занятие.

Не мог я поверить, что нет другого пути, поэтому с нашими конструкторами несколько раз подступались к этой проблеме, пробуя разные методики расчета. И оказалось, чем больше лет методике, тем лучше она работает.

В итоге мы остановились на фундаментальном труде американских ученых российского происхождения первой половины прошлого века С.П. Тимошенко и С. Войновского-Кригера «Пластинки и оболочки». Они провели огромную работу, собрали экспериментальные данные и написали не такие страшные формулы, которые могли бы отпугнуть всех желающих что-то понять.

На основе нее мы и написали программу, которая позволяет определить толщину стали воздуховодов в зависимости от давления, а также температуры перемещаемого воздуха.

Возможно, такой мгновенный расчет с наглядным результатом даст дополнительный козырь инженерам в борьбе за запотолочное пространство или технические помещения.

Подведем итоги

Инженерные системы нужно интегрировать в архитектуру на самых первых этапах разработки здания. Чем раньше подключатся консультанты-инженеры, тем меньше времени, сил и денег придется потратить в будущем заказчику.

Если несмотря на это, инженерным системам и, в частности, вентиляции досталось не так много места в здании, как она того заслуживает, для безопасности людей необходимо подходить к подбору толщины стали исключительно на основе конструктивных расчетов, а не экономических.

И хоть вместо симпатичных и блестящих оцинкованных воздуховодов порой под потолком будут висеть тяжеловесные и грубые аналоги, они, по крайней мере, не будут прогибаться, сильно затрудняя движение воздуха. А этого никому не нужно.

P.S. Сервис расчета толщины стали: https://vent.trusteng.ru/