Техническая целесообразность здания определяется решением его конструкций, которое должно находиться в полном соответствии с законами механики, физики и химии. Для этого необходимо знать внешние воздействия, воспринимаемые зданием в целом и его отдельными элементами (рис. 1.3), которые можно разделить на два вида: силовые и несиловые или воздействия среды.
К силовым воздействиям относятся различные виды нагрузок:
постоянные — от собственного веса (массы) элементов здания, давления грунта на его подземные элементы;
временные длительные — от веса (массы) стационарного оборудования, длительно хранящихся грузов, собственного веса (массы) постоянных элементов здания (например, перегородок);
кратковременные — от веса (массы) подвижного оборудования (например, кранов в промышленных зданиях), людей, мебели, снега, от действия ветра;
особые — от сейсмических воздействий (в районах, подверженных землетрясениям), воздействий в результате аварии оборудования и т. п.
Рис. 1.3. Внешние воздействия на здание
К несиловым относятся:
температурные воздействия, вызывающие изменение линейных размеров материалов и конструкций, которое приводит в свою очередь к возникновению силовых воздействий, а также влияющие на тепловой режим помещений;
воздействия атмосферной и грунтовой влаги, а также парообразной влаги, содержащейся в атмосфере и воздухе помещения, вызывающие изменение свойств материалов, из которых выполнены конструкции здания;
движение воздуха, вызывающее не только нагрузки (при ветре), но и его проникновение внутрь конструкции и помещения, изменение их влажностного и теплового режима;
воздействие лучистой энергии солнца (солнечной радиации), вызывающее в результате местного нагрева изменение физико-технических свойств поверхностных слоев материала конструкций, изменение теплового и светового режима помещений;
воздействие агрессивных химических примесей, содержащихся в воздухе, которые в присутствии влаги могут привести к разрушению материала конструкций здания (явления коррозии);
биологические воздействия, вызываемые микроорганизмами или насекомыми, приводящие к разрушению конструкций из органических строительных материалов;
воздействие звуковой энергии (шума) от источников, находящихся вне или внутри здания, нарушающие нормальный акустический режим помещения.
В соответствии с перечисленными воздействиями к зданию и его конструкциям предъявляется комплекс технических требований.
1. Прочность — способность воспринимать внешние воздействия без разрушения и существенных остаточных деформаций.
2. Устойчивость (жесткость) — способность сохранять равновесие при внешних воздействиях, зависящая от целесообразного размещения элементов конструкций в соответствии с величиной и направлением нагрузок и от прочности их сопряжений,
3. Долговечность, означающая прочность, устойчивость и сохранность здания и его элементов во времени. Она зависит от:
ползучести материалов, т. е. от процесса малых непрерывных деформаций, протекающих в материалах в условиях длительного воздействия нагрузок;
морозостойкости материалов, т. е. от способности влажного материала противостоять многократному попеременному замораживанию и оттаиванию;
влагостойкости материалов, т. е. их способности противостоять разрушающему действию влаги (размягчению, набуханию, короблению, расслоению, растрескиванию и т. д.);
коррозиестойкости, т. е. от способности материала сопротивляться разрушению, вызываемому химическими и электрохимическими процессами;
биостойкости, т. е. от способности органических строительных материалов противостоять действию насекомых и микроорганизмов.
Долговечность определяется предельным сроком службы зданий. Практических инженерных методов расчета долговечности зданий пока не создано, поэтому в строительных нормах и правилах здания по долговечности условно разделяются на три степени:
1-я степень — срок службы более 100 лет;
2-я степень — срок службы от 50 до 100 лет;
3-я степень — срок службы от 20 до 50 лет.
К 1-й степени долговечности относятся здания, основные конструкции которых (например, фундаменты, наружные стены и т. п.) выполнены из материалов, обладающих высокой стойкостью против перечисленных выше воздействий. К 3-й степени относятся здания, конструкции которых не обладают достаточной стойкостью, например здания, с деревянными наружными стенами. Однако на срок службы здания, независимо от примененных материалов, влияют условия, в которых оно находится, и качество эксплуатационного содержания. Известно, что деревянные конструкции крыши здания манежа в Москве, возведенные в 1824 г., до сих пор находятся в удовлетворительном состоянии.
Вопросы прочности и устойчивости здания и его отдельных конструкций рассматриваются в специальных учебных курсах металлических, железобетонных и деревянных конструкций, оснований и фундаментов.
Работа конструкций при несиловых воздействиях на них, как было сказано выше, освещается в разделе втором настоящей книги.
Важным техническим (и отчасти функциональным) требованием, оказывающим большое влияние на объемно-планировочное конструктивное решение здания, является пожарная безопасность, означающая сумму мероприятий, которые уменьшают возможность возникновения пожара и, следовательно, возгорания конструктивных элементов здания и обеспечивают безопасность людей.
Строительные материалы и конструкции по степени возгораемости делятся на три группы:
несгораемые материалы — под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются;
трудносгораемые материалы — под воздействием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня или высокой температуры горение и тление прекращается; трудносгораемые конструкции выполняются из трудносгораемых или сгораемых материалов с защитой несгораемыми материалами;
сгораемые материалы — под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.
Конструкции характеризуются также пределом огнестойкости, т. е. сопротивлением действию огня в часах до потери прочности или устойчивости либо до образования сквозных трещин или повышения температуры на поверхности конструкции со стороны, противоположной действию огня, до 140°С (в среднем).
Здания по огнестойкости разделяются на пять степеней в зависимости от степени возгораемости и предела огнестойкости конструкций. Первая степень огнестойкости характеризует наибольшую огнестойкость, пятая — наименьшую.
Для предупреждения распространения огня по зданию, если оно имеет небольшую степень огнестойкости, устраиваются противопожарные стенки (брандмауэры) или противопожарные зоны из несгораемых «материалов с высоким пределом огнестойкости (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Противопожарные стенки (а) и зона (б)
1 – противопожарная стенка; 2 – несгораемые перекрытие; 3 –несгораемый гребень
При возникновении пожара в здании люди должны его быстро покинуть. Такой процесс движения людей называется аварийной или вынужденной эвакуацией, в отличие от движения людей в обычных условиях. Время, в течение которого вынужденная эвакуация должна быть завершена, называется временем эвакуации. Для зданий с большим количеством находящихся в них людей максимальное время эвакуации (или предельное удаление людей от выхода) устанавливается строительными нормами и правилами или заданием на проектирование в зависимости от огнестойкости здания и степени пожарной опасности функционального или технологического процесса.
К группе технических требований относится также благоустройство зданий: обеспечение здания отоплением, вентиляцией, газоснабжением, холодным и горячим водоснабжением, канализацией, электроосвещением, лифтами (подъемниками), бытовым оборудованием (плитами для приготовления пищи, санитарно-техническими приборами, холодильниками, встроенной мебелью и т. п.), радиотрансляцией, телефоном и прочим инженерным оборудованием; к этому же понятию относится качество отделки элементов здания.
Благоустройство создает большие удобства для осуществления того или иного функционального процесса, например повышает комфортность жилища, улучшает условия работы и пр.
Объемно-планировочная структура и форма здания обусловливается, прежде всего, материальными требованиями тех социальных процессов (труда, быта, культуры, отдыха и др.), для которых данное здание предназначается, т. е. функциональными и техническими требованиями. Но каждый социальный процесс, поскольку он связан с сознательной деятельностью человека, затрагивает сферу его не только материальных, но и духовных интересов. Следовательно, в формировании материально-организованной среды, которую представляют собой здания, всегда неизбежно присутствует духовный элемент, выражающийся в эстетических или, как говорят, в архитектурно-художественных качествах отдельного здания или комплекса. Архитектурно-художественные качества определяются критериями красоты.