Гармония архитектуры и акустики
Об авторе
Образование: инженер по специальности «промышленное и гражданское строительство» (1965); аспирантура МИСИ им. В. В.Куйбышева по кафедре Архитектура (1971); вечерние трехлетние курсы «Математика для инженеров» ЛГУ им. М. В.Ломоносова (1980–1982).
Впервые в Санкт-Петербурге организовал и осуществлял теплоэнергетическое проектирование зданий на основе температурных полей (1994–2015).
Ведёт акустическое проектирование храмовых сооружений по просьбам служителей церкви или авторов архитектурных проектов. В коллективе одной из 11-ти участвующих в конкурсе архитектурных групп из России, США, Японии, Голландии, Франции разработал и лично представил международному жюри свой конкурсный акустический проект второй сцены Мариинского Государственного оперного театра в Санкт-Петербурге (2003).
Разработал принципиальную архитектурно-планировочную схему, а также ряд конструктивных решений (патент №2004112037/22 (013052) с приоритетом от 22.04.2004 года) и применил их в первом в Санкт-Петербурге и в России специальном комплексе с шумозащитной функцией, построенном на улице Матроса Железняка в Санкт-Петербурге с целью реабилитации городских территорий по шумовому загрязнению (12–22 этажа, длина 350м). В службе заказчика курировал архитектурное проектирование и строительство этого здания.
При акустических обследованиях концертного зала Государственной Академической Капеллы в Санкт-Петербурге выявил и при реконструкции сохранил для будущих поколений 18 низкочастотных резонаторов в потолке зала, длиной 23 метра каждый (архитектор Бенуа, 19-й век), имеющих решающее значение для акустики данного зала и формирующих функцию потолка, как потолка-деки в широком диапазоне частот (2005).
Разработал акустическую концепцию (февраль-август 2012 года) многопрофильного использования нового стадиона «Зенит-Арена» в Санкт-Петербурге (в части театральной технологии и акустических конструкций в режиме «Наследие»).
Соавтор разработки ныне действующего регионального (северо-западный регион России) нормативно-методического документа «Рекомендации по обеспечению энергетической эффективности жилых и общественных зданий. РМД 23–16–2012» (2013).
Член российского «Интеграл-Клуба», автор методики расчёта шума, автор идеи создания и соавтор разработки фирмой «Интеграл» программного комплекса «Эколог-шум», который уже на протяжении 20 лет успешно применяется при экологическом и акустическом проектировании крупных градостроительных комплексов всеми проектными организациями России и ближнего зарубежья (2000–2020). Программный комплекс использован и при составлении карты шума автотранспортных потоков Санкт-Петербурга в 2005 г. по заказу Комитета по охране окружающей среды.
Автор более семидесяти рукописных и печатных научных трудов, изобретений и патентов.
Введение
Технологии естественной акустики демонстрируются в монографии тщательным исследованием достижений и трудностей в реализациях архитектурных проектных решений в разные исторические эпохи. Среди объектов, представляемых читателю, есть как широко известные во всём мире памятники культуры и искусства, так и те, которые лишь с недавнего времени играют заметную роль в общественной жизни, например, Санкт-Петербурга.
Монография посвящена результатам авторских проектных разработок и исследований объектов духовной жизни человека в гармонии архитектуры и акустики храмовых, театральных, спортивных сооружений: от известного нам Кромлеха Стоунхенджа в английском графстве Солсбери (третье тысячелетие до н.э.), театральной площадки в Кноссе на острове Крит (XV век до н.э.), амфитеатров на холмах Афин (VI век до н.э.), театра в Пальмире (Сирия) до Государственной Академической Капеллы, Второй Сцены Мариинского оперного театра и крупнейшего стадиона «Зенит-Арена» в Северной Пальмире (Санкт-Петербург, Россия).
Можно предположить, что многие и многие тысячелетия до нашей эры авторы Кромлеха Стоунхенджа, Блухенджа и других подобных древнейших и древних сооружений, например, во Франции, в Карелии не только находились у истоков архитектурно-акустической гармонии, но и создавали её.
Разумеется, что анализируя эти примеры мы говорим об архитектурно-акустической гармонии не в современном её понимании, а как о доказательных зачатках «настройки» древними создателями взаимодействия конкретных объёмов строительного материала с энергетической «реакцией» комплекса этих объемов (с их энергетическим откликом), а также – с воздействием на внешнюю среду, на духовный мир человека.
В более поздние времена – во втором тысячелетии до новой эры – важное значение стали приобретать локальные (дворцовые) многоярусные сооружения, рассчитанные на качественное восприятие театральных постановок. В подобных светских сооружениях уже весьма и очевидно просматривается решение задач гармонизации архитектуры и акустики – архитектурно-акустическая гармонизация. Такие примеры мы будем анализировать в первой главе, когда речь пойдёт о дворцовой театральной площадке в Кноссе на острове Крит или ― о театре на холмах Афин.
Следовательно, истоки архитектурно-акустической гармонии – полной согласованности архитектурных и акустических параметров – возникли в глубочайшей древности. Эту проблему мы также начнём обсуждать предметно в первой аналитической главе.
Изучая историю архитектурной акустики мы пришли к выводу, что искусство акустического проектирования и в древний период развития человечества, и в наши дни связано с грамотным выбором объемов, форм и пропорций залов; с количеством, качеством и пространственным расположением отдельных (звукоотражающих и звукопоглощающих) материалов, т.е. непосредственно с архитектурным проектированием, с созданием комфортной звуковой среды, благоприятного и эстетически возвышенного акустического микроклимата.
Архитектурно-акустическая связь времён состоит в том, что выявленные в древних театрах акустические элементы интерьеров театров, важные инструменты для создания акустики театра мы с различным успехом разрабатываем в деталях и применяем до сего времени.
Архитекторы и акустики будут эти важные инструменты применять и во все последующие периоды, пока наиболее привлекательным остаётся использование законов естественной акустики наряду с широким внедрением искусственных средств звукоусиления (средств электроакустики).
В монографии рассматриваются результаты приложений автором технологий естественной акустики в проектировании, реставрации или строительстве ряда объектов Санкт-Петербурга. Применение технологий естественной акустики иллюстрируется тщательным исследованием достижений и трудностей в реализации проектных решений.
Среди объектов, представляемых читателю, есть как широко известные во всём мире памятники культуры и искусства, так и те, которые играют лишь с недавнего времени заметную роль в общественной жизни Санкт-Петербурга.
Безусловно, что монография может быть интересной молодым специалистам, связавших или связывающих свою жизнь с изучением и/или решением акустических проблем в различных жизненных ситуациях. Может быть – и студентам, изучающим опыт осознания акустики в окружающей среде. Автор пребывает также в надежде, что молодые и зрелые специалисты в своей области после прочтения монографии не будут легко вверять судьбу своих проектов компьютерным акустическим программам; а будут эти программы применять осознанно, а, может быть, и создавать свои программные произведения с более полным охватом методов решения акустических задач, с учётом отечественного, зарубежного опыта исследований и проектирования храмовых, театральных и спортивных сооружений.
Как представляется автору, книга нужна и священнослужителям, на определённом этапе посвятившим себя восстановлению или строительству храмов, а также театральным деятелям, посвятившим себя реконструкции или созданию новых центров театральной культуры. Ибо без некоторых знаний затруднительно выполнять такие виды работ в соответствии с необходимыми техническими и, даже, архитектурно-планировочными решениями, а также – функциональной целесообразностью.
Из двенадцати глав монографии первая посвящена весьма длительному периоду становления, совершенствования театральной акустики в древнем мире и средневековье, а также анализу прекрасных акустических качеств исторических памятников архитектуры.
Вторая глава – это принятые и реализованные автором решения по акустической реконструкции концертного зала Государственной Академической Капеллы, построенного в XIX веке по проекту архитектора Л.Бенуа (реставрация 2005 года).
Третья глава – включает аналитическое повествование о разработке акустического проекта новой сцены Мариинского оперного театра на 2000 мест, специально представленного автором на заседании международного жюри конкурса «Мариинский II» в 2003 году.
В главы, с четвёртой по седьмую, включены авторские акустические разработки по новому проектированию, строительству и предложения по реконструкции трёх храмовых комплексов в Санкт-Петербурге, а именно: – построенная по авторскому проекту и в 2000 году освящённая церковь Успения Пресвятой Богородицы (Блокадный храм) на Малоохтинском проспекте; в шестой главе –новопостроенный храм Первоверховного Апостола Петра, а в седьмой – псевдошатровая церковь Воскресения Христова в Шушарах (2010 год) с практически полезным анализом строительно-акустических ошибок.
Восьмая глава знакомит читателя с исследованиями по акустическому проекту многофункционального зрительного зала, размещаемого в сложнейших условиях акустически несоразмерного атриума, расположенного на Английской набережной в Санкт-Петербурге.
Девятая глава интересна рассмотрением, оценкой принципиальных и практически важных проблем и предложений по акустическому проектированию уникального объёма здания ледовой арены (более 500 тысяч м3) в Полежаевском парке.
В десятой главе представлена авторская акустическая концепция футбольного стадиона Зенит-Арена на 68 тысяч зрителей (возведённого на Крестовском острове в Санкт-Петербурге к чемпионату мира по футболу 2018 года). Представлены результаты исследований акустического благоустройства стадиона и предложения по модернизации систем звукоусиления при многопрофильном его использования в режиме «Наследие» для ШОУ-программ, симфонических концертов и, даже, оперных постановок.
В последних двух главах автор следует известному и верному правилу, что нет хорошей акустики (любого помещения и любого зрительного зала театра) без хорошей шумозащиты (изоляции любого помещения и зрительного зала театра от шумового воздействия внешней среды).
Если в храме совершается молебен, или ― в театре начался спектакль и в зрительном зале наслаждаются музыкой, то явно нежелательно (прихожанам в храме и зрителям в театре) в это же время услышать пролетающий самолёт, или проходящий мимо театра поток наземного транспорта.
Поэтому признано целесообразным начать детальное рассмотрение теории и практики решения проблем защиты от шума наземного и авиационного транспорта.
С этой целью рассмотрены две темы, а именно:
1. Новая методика расчёта транспортного шума в городской застройке (глава одиннадцатая). В одиннадцатой главе – изложены теория, методика и обосновано программное обеспечение расчётов для сложных вариантов шумового загрязнения, а также реабилитации городских кварталов, других поселений при шумовом воздействии наземного и авиационного транспорта. Даны принципы и проектный пример планировки крупного жилого квартала с полной защитой от шума наземного транспорта на 2 000 000 м2 жилой площади (ориентировочно – на 200 тысяч жителей). Читатель знакомится с принципиально новым архитектурным вариантом и комплексом защиты от авиационного шума.
2. Многофункциональный жилой комплекс на улице Матроса Железняка (глава двенадцатая). Подробно анализируются авторские предпроектные разработки, а также ― проектные материалы о построенном в 2006 году первом и крупнейшем в Санкт-Петербурге шумозащитном комплексе. Демонстрируются разработанные принципы реабилитации ныне нуждающихся в этом обширных городских селитебных территорий и промышленных зон по фактору шума и другим загрязнениям.
Проблема защиты от шума неразрывно связана с созданием акустически благоприятной окружающей среды во время пребывания человека как в храме, театре или на стадионе, так и в его жилище.
В этой части предлагаются: важная для городского хозяйства в различных регионах ― и в малых, и средних, и крупных городах ― методика и возможность реабилитации отчуждаемых городских земель, а также возможность вернуть названным землям статус селитебных с допустимыми санитарно-гигиеническими условиями проживания. На прединвестиционной стадии одновременно решаются две главные задачи: обеспечить благоприятную акустическую обстановку на выбранной территории и сформулировать инвестиционную привлекательность реализации проекта шумозащиты населения.
Разработанные автором в одиннадцатой и двенадцатой главах технические решения шумозащиты в градостроительных комплексах расширяют диапазон допустимого уровня звука на прилегающих к ним транспортных магистралях; сохраняют комфортные, нормативно обусловленные, возможности для жизнедеятельности людей. С общей точки зрения и в государственных масштабах не менее значительно обеспечение такими градостроительными комплексами реальной возможности целесообразной и вполне достижимой реабилитации городских территорий по фактору шума и вибрации.
1. От Стоунхенджа, театральной площадки в Кноссе на острове Крит, греческих и римских театров до храмовых, театральных сооружений и стадиона «Зенит-Арена» на 68 тысяч зрителей в Санкт-Петербурге
Археологическое и историко-культурное открытия древнего памятника – Кромлеха Стоунхенджа в графстве Солсбери (Англия) [3, 5, 9] позволяют провести соответствующий анализ возможных, но далеко не очевидных акустических воздействий этого памятника на человека.
На схематическом плане Стоунхенджа мы даём графическое представление некоторых первых акустических отражений, которые могли формировать реальные акустические эффекты (фокусировку и/или весьма интенсивное усиление, в том числе и – низкочастотной – энергии) в любом секторе Стоунхенджа и любого иного подобного сооружения, составленного из камня (рисунок 1.1).
Эти возможности связаны с надлежащим выбором положения источника звуковой энергии (S) и в зависимости от углов поворота камня Кромлеха в горизонтальной или вертикальной плоскостях.
Одновременно с этим можно сказать, что фокусировка и эффективное усиление звуковой энергии могли быть использованы для каких-либо технологических целей Кромлеха Стоунхенджа и любого иного подобного сооружения, неизвестных нам достоверно.
Слух и центральная нервная система, α-ритмы головного мозга или β-ритмы центральной нервной системы не только древнего, но и современного нам человека, настроенные на слуховые рецепторы и рецепторы центральной нервной системы, дают нам основание так полагать.
Теперь же мы можем только неуверенно предполагать функциональное назначение этих акустических эффектов, но пока воздержимся и от этого, а также и от детализации такого назначения в связи с ненужным здесь удалением от тематики естественной акустики.
Важно лишь отметить, что в выявленной в нашем будущем значимости для человека древнейших сооружений из камня (Кромлеха Стоунхенджа, Блухенджа и других), если они предназначены для этого человека, вполне естественно заключена и архитектурно-акустическая гармония, сопровождающая технологическое предназначение сооружения. Эта гармония некоторым образом и в ряде взаимосвязей демонстрируется на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1
Схематический план Кромлеха Стоунхенджа
S1, S2 – варианты положения источника энергии; a, b, c, d, e, f – первые отражения энергии; 1, 2 – зоны многократного увеличения интенсивности энергии
Ныне известна, например, театральная сценическая площадка в Кноссе на острове Крит, датируемая XV веком до новой эры, в которой для сравнительно небольшого количества зрителей создана система ярусных ступенчатых сидений ( рисунок 1.2 ) [ 6 ].
Дворцовая архитектура и театральная акустика на естественном рельефе, в данном случае гармонично взаимодействуя, могли оказывать на публику исключительно благотворное воздействие.
Залогом такого благотворного воздействия является тщательно продуманное размещение зрительских мест относительно сценической площадки и пространственное взаимодействие рефлекторов (отражателей звука), ярусов для сидения, а так же и сценической площадки ( рисунок 1.3 ) [6].
На рисунке 1.3 можно видеть, что один из рефлекторов (3) формировал структуру первых отражений на левой половине зрительских мест, а второй из рефлекторов (3) – на правой половине зрительских мест.
Известный историк архитектуры И. В.Блохина считает, что «Продолжением идей, которые в примитивном виде содержатся в Стоунхендже, является греческий театр с его центральной частью и круговыми трибунами для зрителей» [3] !!! С автором приведённой цитаты можно с полным основанием согласиться, оставляя вне поля нашего зрения мнение о «..примитивном виде…».
Рисунок 1.2
Взаимосвязь дворцовой архитектуры и театральной площадки в Кноссе на острове Крит (XV век до новой эры)
1 – сценическая площадка; 2 – ярусы сидений для зрителей; 3 – рефлекторы (отражатели звука), предназначенные для наполнения звуковой энергией зрительских мест (для создания наилучшей структуры первых отражений звука на удалённых от сценической площадки местах)
Сооружения Кромлеха Стоунхенджа и их технологическая сущность, на мой взгляд, с энергетической точки зрения очень далеки от примитивности! Они «загадочны», может быть, в какой-то мере, непонятны – да, но не примитивны!
Гораздо позже первых театральных сценических площадок, рассчитанных на сравнительно небольшое количество зрителей, например в Кноссе на Крите, народы, жаждущие общения и зрелищ, начали создавать театры большой вместимости – до десяти и более тысяч человек. Приведём примеры некоторых известных сооружений шестого века до новой эры и более поздних исторических эпох.
Рисунок 1.3
Театральная дворцовая площадка в Кноссе на острове Крит (XV век до новой эры)
1 – сценическая площадка; 2 – ярусы сидений для зрителей; 3 – рефлекторы (отражатели звука), предназначенные для наполнения звуковой энергией зрительских мест (для создания наилучшей структуры первых отражений звука на удалённых от сценической площадки местах)
Первые такие театры выбирались в естественной природной среде – под открытым небом и на склонах холмов (рисунки 1.4 и 1.5) [ 7 ].
Театр Диониса в Афинах построен на скалах южного склона Акрополя.
Природа создавала роскошные декорации – безоблачное небо, чёрные грозовые тучи, громы, молнии и шум моря.
В скалах было удобно устраивать и сиденья для зрителей. Склоны холмов настолько были удобны; скалы настолько зрительно защищали театры по их внешней границе, что решено было и стены театров не возводить. Стены строились только в сценической части.
Строительство театра Диониса начато в VI веке до новой эры. Театр вмещал 17 тысяч зрителей; он имел неправильную форму.
Рисунок 1.4
Театр Диониса на холмах в Афинах (План)
Верхний переход для зрителей располагался на высоте 22,5 метра над уровнем орхестры. Высота ступенчатых мест 330 мм, т.к. сиденья были рассчитаны на укладку подушек. Ширина каждого уступа 850мм. Ступени лестниц имели уклон в сторону сцены такой, что наружный край ступени имел высоту 220мм, а внутренний край – 330мм [ 7 ]. Ступени зрительских мест имели углубления шириной 400мм для ступней ног зрителей.
Указанные здесь размеры элементов амфитеатра необходимы нам для анализа, в последующем, характеристик своеобразных резонаторов, наличие которых позволяло древним зодчим усиливать звучание голосов артистов и оркестров.
Рисунок 1.5
Театр Диониса на холмах в Афинах (Детали амфитеатра. Вид руин)
1 – направления кривизны системы линейных открытых резонаторов (встроеных в основания зрительских мест); 2 – форма кривизны в поперечном направлении в системе линейных открытых резонаторов, встроеных в основания зрительских мест; 3 – радиальные направления (лучи) заглубленных ступеней лестниц
Уклон ступеней лестниц по направлению к сцене был предусмотрен для отражения и рассеивания звука, приходящего со сцены. Ступени лестниц были сильно заглублены по отношению к ступеням зрительских мест.
Данная особенность «радиальных лестничных лучей» хорошо просматривается на рисунке 1.5 и на рисунке 1.6 в театре Эпидавра. Благодаря этому по двадцати радиальным «лучам» лестниц образовалось двадцать длинных волноводов.
Волноводы эти, в свою очередь, становились широкополосными (в силу особенности резонатора, открытого по всей значительной его длине в верхней своей части) усилителями звука (резонаторами).
Размеры ступеней способствовали образованию резонансов на средних и высоких частотах.
Рисунок 1.6
Театр в Эпидавре (IV век до новой эры) [7]
1 – радиальные «лучи» заглубленных ступеней лестниц (волноводы)
Другая система линейных открытых резонаторов была встроена в основания зрительских мест. Резонаторы и в продольном и в поперечном (это очень важно) направлениях имеют криволинейную или линейную полузамкнутую форму, что способствует полезной фокусировке и концентрации звучания на зрительских местах. Далее эти особенности ступеней зрительских мест будут детально анализироваться.
Интересно заметить, что количество лучевых длинных волноводов во втором ярусе зрительских мест Афинского театра в два раза больше, чем в первом ярусе (рисунок 1.5). Аналогичное решение принято и в театре в Аспенде (рисунок 1.11). Пояснение этого факта также будет дано несколько позже.
Театр в Эпидавре (рисунок 1.6) прекрасно расположен; у театра замечательные акустические качества – это один из лучших примеров открытых театральных сооружений [7].
В нём так же, как и в театре Афин есть длинные резонаторы – полости в ступенях лестниц, т.е. длинные волноводы, передающие и усиливающие звук снизу (от сцены) к дальним местам в амфитеатре.
Рисунок 1.7
Театр в Эпидавре. Разрез ( IV век до новой эры)
Перепад между верхней и нижней точкой на разрезе амфитеатра 20 метров (рисунок 1.7) [7], принятый при строительстве, позволил обеспечить требуемый для акустики уклон зрительских мест и, одновременно, ― очень хорошую видимость действия на сцене.
В таком варианте поперечного сечения театрального сооружения снабжение зрителей прямой звуковой энергией от источника на сцене было очень внимательно предусмотрено.
Для усиления звука среди зрительских мест зачастую использовались не только резонирующие объёмы. В театральных постановках у актёров могли быть маски со встроенными резонаторами различного вида, в том числе и рупорного типа. Рупорные резонаторы практически не искажают спектральный состав речи или мелодии, лишь повышая в определённой мере громкость. Рупорные резонаторы не поглощали, а только усиливали звук, потому что источник звука находился внутри такого резонатора – это голос говорящего или поющего актёра.
Актёры приподнимались над сценой на котурнах, чтобы демонстрировать значимость той или иной роли, одновременно улучшая слышимость на местах как прямого, так и отражённого звуков.
Рисунок 1.8
Театр в Оранже (Галлия). 1 век до новой эры
1 – вертикальные рефлекторы (отражатели звука)
Среди встроенных в холм театров, главным фасадом которых является наружная стена сцены, лучше других сохранился театр в Араузо (современный Оранж, Галлия). Этот театр (рисунок 1.8) при диаметре 103 метра вмещал 7 тысяч зрителей [7]. Театр имел весьма развитую систему вертикальных рефлекторов (7 позиций №1 на рисунке 1.8), способствующую усилению звука и формированию структуры первых отражений.