"Общие представления о курсе Архитектурная физика"

Нельзя понимать под архитектурной наукой лишь красоту и изящество форм, пропорций и линий, искусствоведческие изыскания о закономерностях композиционных соотношений, споры о тектонической сущности форм и историю создания архитектурных шедевров, которые и стали таковыми именно потому, что создатели их понимали: выразительность архитектуры зависит от природных параметров среды.
К.т.н., архитектор Н.В. Оболенский
Эксплуатационные качества зданий и отдельных помещений определяются не только их размерами, качеством отделки и т.п. Важным фактором является степень защищенности от внешних воздействий, таких как холод или излишнее тепло, атмосферные осадки, шум. Помещения должны подвергаться (или не подвергаться) определенное время воздействию прямых солнечных лучей, иметь достаточную освещенность, благоприятный акустический климат. Правильный учет этих факторов обеспечивает такое состояние искусственной среды жизнедеятельности, которое воспринимается человеком как комфортное.

Эти вопросы рассматривает строительная физика, включающая несколько направлений. Основными из них являются  строительная теплотехника (теплопередача в ограждающих конструкциях, их паро- и воздухопроницаемость, температурно-влажностный режим помещений), строительная светотехника (естественное и искусственное освещение помещений, инсоляция и солнечная радиация), строительная акустика (звукоизоляция и акустика помещений). Знание этих вопросов позволяет архитектору правильно выбрать тип ограждающей конструкции, количество и величину проемов, ориентацию здания по сторонам света, форму зрительного зала, предусмотреть мероприятия по защите от шума и т.д.

Кратко познакомимся с основными направлениями:

Элементы строительной теплотехники

Тепловая защита здания - теплозащитные свойства совокупности ограждающих конструкций здания, обеспечивающие заданный уровень расхода тепловой энергии (теплопоступлений) зданием с учетом воздухо-обмена помещений не выше допустимых пределов, а также их воздухопроницаемость и защиту от переувлаж-нения при оптимальных параметрах микроклимата помещений.

Тепловой режим здания- совокупность всех факторов и процессов, формирующих тепловой внутренний микроклимат здания в процессе эксплуатации

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций выражает способность конструкций сопротивляться прохождению через них теплоты.

,

где a_в - коэффициент теплоотдачи около внутренней поверхности конструкции, Вт/(м²×⁰С);

a_н - коэффициент теплоотдачи около наружной поверхности конструкции, Вт/(м²×⁰С);

R_К - термическое сопротивление ограждающей конструкции, м² × ⁰С/Вт.

Термическое сопротивление для однослойной однородной ограждающей конструкции определяется по следующей формуле:

,

где d - толщина слоя, м;

l - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м × ⁰С).

Если конструкция многослойная, то R_К следует определять как сумму термических сопротивлений слоев

R_К = R₁ + R₂ + ... + R_n .

Конструкция считается с точки зрения теплотехники пригодной для применения, если сопротивление теплопередачи всей конструкции больше или равно требуемому значению сопротивления теплопередачи.

Для промышленных зданий нормативное значение сопротивления находится по формуле

,

де n – коэффициент, который принимается в зависимости от положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху (СНиП II-3-79**);

Dt^н – нормативный температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения, ⁰С

t_н – расчетная зимняя температура наружного воздуха, ⁰С.

Распределение температур в толщине конструкции (t_х) на расстоянии х от внутренней поверхности может быть найдено, зная термические сопротивления слоев конструкции.

Элементы строительной акустики

Акустика - раздел физики, в котором рассматривается учение о звука и его взаимодействии с веществом.

Строительная акустика - отрасль прикладной акустики, изучающая вопросы распространения звука и защиты от шума помещений, зданий и населенных мест.

Возникновение и распространение шума в здании

Шумом называется всякий нежелательный для человека звук. Гигиена относит шум к санитарным вредностям. 
Он является помехой человеку в определенных условиях его жизнедеятельности, может раздражать ero
нервную систему, понижать работоспособность, вызывать профессиональные заболевания, связанные потерей или снижением cnyxa.

Воздушный шум возникает при излучении звука (человеческого голоса, музыкальных инструментов, машин, оборудования и т.д.) в воздушное пространство, который достигает какого-либо ограждения и вызывает его колебание. Копебпющееся ограждение излучает звук в смежное помещение и, таким образом, воздушный шум достигает воспринимающего его человека.

Ударный шум образуется вследствие механического воздействия на конструкции зданий (ходьба, падение предметов на пол, ремонтные работы и т.п.) возникающие при этом колебания перекрытия (стены, перегородки) передаются в воздушное пространство рядом расположенного помещения.

Структурный шум возникает при контакте строительных конструкций с различным вибрирующим оборудованием (с вращающимися, копебпющимися ипи ударными элементами). Структурный шум распространяется
по строитепьным конструкциям и на своих путях излучается в помещения.

Звук - волновое колебание упругой материальной среды. Колебания источника звука возбуждают в упругой среде колебания ее частиц, которые последовательно распространяются в среде волнообразно с определенной скоростью в виде звуковых волн. При этом вместе со звуковой волной частицы среды не перемещаются, они только колеблются, попеременно смещаясь и занимая первоначальное положение.

Ухо человека воспринимает звуки в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Избыточное давление в воздушной среде, возникающее при возбуждении звуковых колебаний, называется звуковым давлением р, МПа. Восприятие звука ограничено в пределах между значением порога слышимости (р_о=2×10^-5 Па) и болевого порога (р=20 Па).

Борьба с шумом – одна из необходимых задач при проектировании и строительстве здания. Можно предложить следующие меры по ограничению внутренних шумов: применение мало- и бесшумного оборудования, усовершенствование существующих машин и механизмов; максимальную локализацию шума непосредственно у источников; поглощение возникающего шума звукопоглощающей отделкой или перегородкой; группировку помещений по их шумности.

Внешний шум может быть ограничен планировочными решениями, задерживающими его распространение по территории; учетом господствующих ветров в борьбе с формированием шумового поля на застраиваемых территориях; устройством шумозащитных экранов путем использования зеленных насаждений, рельефа местности, инженерных сооружений; применением усовершенствованных покрытий дорог и вынесением магистралей в шумобезопасные зоны.

Элементы строительной светотехники

При проектировании освещения помещений строящихся и реконструируемых зданий и сооружений различного назначения надлежит соблюдать нормы, приведенные в ДБН. Проектирование естественного освещения помещений заключается в целесообразном выборе размеров, форм и расположения световых проемов, создающих необходимые благоприятные условия освещенности помещений.

Критерием оценки световой среды является освещенность (Е) – поверхностная плотность светового потока, определяемая соотношением:

, (лк),

где F – величина светового потока, лм;

S – площадь участка поверхности, на которую распределяется световой поток, м².

Это удобно применять при расчетах искусственного освещения. Для дневного света применяют коэффициент естественного освещения (КЕО):

,

где Е_в – освещенность расчетной точки внутри помещения, лк;

Е_н – освещенность точки под открытым небосводом, лк.

Порядок расчетного определения площади светопроемов:

1. Определение требований к естественному освещению помещений;

2. Определение нормативного значения КЕО по разряду преобладающих в помещении зрительных работ;

3. Выполнение расчета естественного освещения;

4. Сравнение расчетного с нормативным значением КЕО и внесение изменений в площади светопроемов и повторный расчет (при необходимости).

Нормативное значение КЕО (е_н) определяется по формуле:

,

где е_н^III – нормативное значение КЕО для зданий, располагаемых в III поясе светового климата;

m – коэффициент светового климата;

с – коэффициент солнечного климата.

Полученные значения по этой формуле следует округлять до десятых долей.

Расчетное значение КЕО может отличаться от нормативного не более чем на ±10%

.

Расчетное значение КЕО для боковых проемов определяется по формуле:

,

где e_б – геометрический КЕО в расчетной точке;

q – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость неба при сплошной облачности;

e_зд – геометрический КЕО в расчетной точке, учитывающий свет, отраженный от противостоящих зданий;

R – коэффициент, учитывающий относительную яркость противостоящего здания;

r₁ – коэффициент, учитывающий повышение КЕО благодаря свету, отраженному от внутренних поверхностей помещения и подстилающего слоя, прилегающего к зданию;

t₀ – общий коэффициент светопропускания оконного заполнения;

К_з – коэффициент запаса.

,

где n₁ и n₂ – количество лучей, проходящих через оконный проем, определяемое соответственно, по графику Данилюка I и II.

Расчетное значение КЕО для верхних проемов определяется по формуле:

,

где e_в – геометрическое КЕО в расчетной точке при верхнем освещении;

e_ср – среднее значение геометрического КЕО при верхнем освещении;

r₂ – коэффициент, учитывающий повышение КЕО при верхнем освещении, благодаря свету, отраженному от поверхностей помещения;

К_ф – коэффициент, учитывающий тип фонаря.

,

где n₃ и n₂ – количество лучей, проходящих от неба в расчетную точку через световые проемы, определяемое соответственно, по графику Данилюка III и II.

Дополнительные источники:

- Это интересно: https://www.youtube.com/watch?v=mLWF64iolPo&ab_channel=GalileoRU

- 19 необычных домов в мире: https://www.youtube.com/watch?v=3gpzRJZSehY&ab_channel=%D0%A4%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F

Домашнее задание:

1. Изучить представленный материал, познакомиться с основными понятиями, сделать краткий конспект (отправлять на почту конспект не нужно).

2. Письменно ответить на вопрос, объем каждого ответа не более страницы (отправить ответы на электронный адрес):

- Для чего нужно изучать физику в архитектуре?

- Как вы представляете себе дома будущего?

Отправляете проделанную работу на электронный адрес lenr89@mail.ru, не забываем подписать группу и ФИО.