Применение зеленых крыш в точечном строительстве для повышения экологической безопасности городских территорий

Введение. Современные города активно интегрируют новые экологические решения в свою структуру, и зеленые кровли уже стали традиционным элементом урбанистического планирования [1]. Как показали недавние исследования, такие конструкции существенно способствуют рациональному использованию городского пространства и заметно улучшают состояние окружающей среды [2, 3]. Эффективность растительных покрытий в нейтрализации загрязняющих веществ, включая РМ0.5–РМ10, подтверждена многочисленными изысканиями [4][5]. Сегодня озелененные крыши признаны не инновацией, а необходимым компонентом стратегий по оздоровлению городских экосистем. Их вклад в повышение качества жизни горожан и восстановление природного баланса в урбанизированных зонах получает все большее признание у специалистов и общественности [6].

Исследования доказали, что объекты точечной застройки существенно ухудшают качество воздуха в городах, выделяя вредные частицы РМ0.5–РМ10, которые негативно влияют на здоровье жителей [7]. Поэтому архитекторам и застройщикам следует рассматривать зеленые кровли как стандартный элемент строительных проектов [8]. Внедрение таких экологичных решений в повседневную практику становится ключевым фактором для обеспечения экологической устойчивости и безопасности современного градостроительства [9].

Ограниченность в тесных городских пространствах природных ресурсов требует их рационального использования и функционального расширения, это особенно важно при точечной застройке и реконструкции устаревших зданий [10]. Стратегией восполнения таких истощающихся ресурсов становится внедрение экологичных и экономически рентабельных архитектурных концепций, включая озелененные крыш [11]. Эти решения минимизируют пылевое загрязнение в жилых кварталах, благотворно влияют на качество жизни городских жителей, способствуют более эффективному природопользованию [12].

В городской среде, где пространство ограничено, превращение стандартных кровельных конструкций в экологические оазисы представляется идеальным решением для возвращения природного покрова. Это особенно актуально при отсутствии альтернативных вариантов землепользования. Зеленая кровля представляет собой комплексную структуру с множеством уровней, размещаемую на верхних частях строений [13]. Она включает в себя основание и разнообразные промежуточные элементы — от гидроизоляционных барьеров до растительного покрова. Все эти слои функционируют как единый механизм, обеспечивающий жизнедеятельность флоры на крыше и эффективно восполняющий утраченные в процессе строительства зеленые территории. Реализация таких проектов требует детального проектирования и анализа весовых характеристик для гарантии надежности и устойчивости этих инновационных систем.

Исследовательский фокус в сфере зеленых кровельных систем направлен преимущественно на их способность очищать воздух от загрязняющих веществ — SO₂, O₃, NO₂ и PM10 [14][15]. Растительность на крышах зданий, подобно другим элементам городского озеленения, демонстрирует значительный потенциал в борьбе с атмосферным загрязнением, сокращая вредные выбросы на 35–100 %, о чем свидетельствуют проведенные исследования. Эти экологические преимущества привлекают всё больше внимания к зеленым кровлям по всему миру.

Цель данной работы — оценка эффективности зеленых крыш в борьбе с распространением пыли в атмосфере городской среды, что особенно актуально для районов активного точечного строительства. Для реализации поставленной цели были решены задачи по определению состава растительного слоя, который эффективно справляется с пылеулавливанием, и разработаны конструкции систем озелененных крыш, эффективные для монтажа в зоне точечной застройки. Подобные экологические решения способствуют общей модернизации строительной отрасли, делают её более безопасной для окружающей среды и комфортной для жителей.

Материалы и методы. Выбор оптимального местоположения играет ключевую роль в максимизации пользы конструкций зеленой крыши в борьбе с загрязнителями PM2.5 и PM10, учитывая сложности с их установкой. Для российских городов существуют специфические параметры определения приоритетных зон монтажа этих экологических конструкций. Среди важнейших факторов выделяется принадлежность участка к определенной климатической зоне согласно схеме районирования (рис. 1) [16]. Именно правильное расположение зеленых крыш определяет их результативность в снижении концентрации вредных частиц в атмосфере.

Современные урбанистические тенденции требуют системного подхода к созданию экологичных пространств в городской среде. Решение этой задачи возможно путем разработки доступных, экономически эффективных и технологически несложных решений. Критерии для имплементации включают в себя локацию в урбанистических центрах с численностью населения более 250 тысяч человек, а также обязательное условие, чтобы зеленые зоны составляли минимум 40 % от общей территории квартальной застройки [17].

В ходе строительства жилого комплекса «Красный Аксай» в Ростове-на-Дону в зоне проведения строительных работ и за пределами ограждающих конструкций строительной площадки в марте 2020 года были высажены травянистые растения шести разновидностей, типичные для Ростовской области (рис. 2). С мая по сентябрь при возведении монолитного каркаса здания и каменно-монтажных работ два раза в неделю в течение 120 минут бралось по 10 проб воздуха в трех контрольных точках по стандартной методике РД 52.04.893–2020¹ — на границе строительной площадки по ул. Береговой, 117 б, стр. 5 (точка А на рис. 2), над зоной вегетации растений (точка Б на рис. 2) и на расстоянии 10 метров от зеленой зоны, в жилой зоне ЖК «Красный Аксай» (точка В на рис. 2). За весь период наблюдений атмосферные показатели колебались: воздух прогревался от +14 до +25 °C, ветер достигал 3–5 метров в секунду, а относительная влажность составляла от 30 до 60 %.

Каждый вид растений, высаженных в районе строительной площадки точечной застройки, занимал площадь в шесть квадратных метров, формируя общую экспериментальную зону в 36 квадратных метров. Все выбранные растения обладали высокой способностью к поглощению пыли, что было ключевым критерием при их подборе для данного исследования (рис. 3) [18][19].

Методология определения объема пылевых отложений, оседающих на растениях, предполагала проведение 50 замеров два раза в неделю в первой половине дня. Пылевые частицы собирались с поверхности листьев растений при помощи кисти. Процесс происходил в период активных работ по возведению многоэтажного дома точечной застройки, то есть с мая по сентябрь 2020 года Собранный материал аккуратно перемещался в предварительно взвешенную чашку для дальнейшего испарения влаги и взвешивания. После отбора образцов с каждого вида растений проводилась их лабораторная обработка: жидкость подвергалась испарению, затем следовало высушивание осадка до стабилизации массы. Зафиксированные показатели позволяли рассчитать удельную концентрацию пыли — количество миллиграммов собранной пыли на квадратный сантиметр поверхности листьев растений. Результаты эффективности оседания частиц на листьях исследуемых растений представлены на рис. 4.

Отбор проб воздуха для определения концентрации в нем пыли производился с помощью электрического аспиратора ПУ-3E/12, прошедшего поверку, и фильтрами из перхлорвиниловых волокон АФА-ВП10. Предварительные испытания данного измерительного оборудования в аэродинамической трубе показали, что погрешность измерений при разовом опыте не превышает 12 %, что соответствует требованиям РД 52.04.893–2020.

Результаты исследования. Анализ замеров показал, что в условиях преобладающего восточного ветра (3–5 м/с) и влажности воздуха 30–60 % в период производства работ высаженная растительность значительно влияла на качество воздуха. Над озелененной зоной наблюдалось снижение концентрации пылевых частиц PM10 от строительных работ в среднем от 10 (влажность —30–35 %) до 20 % (влажность — 35–60 %), а на расстоянии 10 метров от растительного покрова, по сравнению с прилегающей строительной зоной, в среднем от 15 (влажность — 30–35 %) до 30 % (влажность — 35–60 %).

Замеры количества пылевого осадка в вегетационный период (май–сентябрь) выявили следующую динамику: если в начале сезона (май–июнь) количество пылевого осадка на растениях составляло максимум 0,42 мг/cм², то в разгар теплого сезона (июль–сентябрь) оно достигало 1,81 мг/cм². Динамика изменения количества пылевого осадка на растениях объясняется тем, что в период проведения замеров в начале вегетационного периода происходил рост растений, затем площадь растительного покрова увеличивалась, но при этом пылевой осадок, образующийся на листьях, мог быть снесен в воздух ветром со скоростью 3,5 м/с и выше. В период с июля по сентябрь площадь поверхности растительного покрова уже была максимальной. На процесс активного пылеоседания влияло и то, что в первой половине дня на растениях образовывалась роса, а объем зеленой массы растений, позволяющей накапливать пылевые отложения на листьях, не давал внешним источникам воздействия (ветер, осадки) смести пылевой осадок на землю или в воздух. На рис. 5 представлена динамика изменения концентрации РМ10 в период исследования в трех контрольных точках проведения замеров (строительная площадка, зона вегетации, жилая зона).

Для достижения цели исследования авторы разработали инновационные, ресурсосберегающие и практичные конструкции зеленой кровли, которые можно и внедрять на этапе проектирования объекта точечной застройки, и без затруднений применять как инструмент снижения негативного воздействия пылевых выбросов от строительных работ при возведении новых архитектурных объектов или модернизации существующих строений различного функционального назначения.

Первая мобильная конструкция зеленой кровли разработана с возможностью ее демонтажа на зимний период, на данный вид кровли зарегистрирован патент № 191863U1 [20]. Структурные элементы такой кровли представляют собой комбинацию железобетонной плиты, долговечного антигнилостного кровельного войлока, регулируемых опор Forest Style из высокопрочного пропилена (с возможностью наращивания за счет дополнительной насадки 60 мм), а также двухслойного асфальтобетонного покрытия Ondulin. Конструктивная схема зеленой кровли и реализация данной конструкции на объекте после реконструкции в г. Ростове-на-Дону представлены на рис. 6.

Для жилых зданий, зимних садов и террас предназначается второй тип конструкций. Эта система отличается несложным устройством, экономичностью и высокими показателями теплоизоляции и влагозащиты, на полезную модель зарегистрирован патент № 163334U1 [21]. Растительный слой высаживается в завершающей фазе работ. Его располагают по периметру зеленых участков конструкции. Процесс установки такой крыши предполагает использование двух разновидностей покрытия: первая — для боковой секции, обеспечивающей всесезонное использование зеленой крыши, вторая — для центральной части, где может размещаться, например, бассейн или кафе.

На рис. 7 представлена разработанная конструкция второго типа зеленой кровли, которая состоит из железобетонной плиты перекрытия, фильтрующего и растительного слоев. Ондулин применяется в качестве защитного элемента. Конструкция дополнительно оснащена слоем анкеров в грунте. Также представлено внедрение данного конструктивного решения на объекте городской застройки.

Себестоимость данных конструкций зеленой кровли начинается от 4 200 рублей за квадратный метр. Финансовые расчеты показывают, что при долгосрочной эксплуатации (до 40 лет) традиционные и озелененные крыши имеют примерно одинаковую стоимость. При этом инвестиции в монтаж систем зеленой кровли для бизнес-центра «Лига Наций» составила всего 1,3 % от общего бюджета реконструкции. В случае с многоквартирным высотным домом ЖК «Жемчужина Дона» доля расходов на разработку проектных решений, монтажа и озеленение крыши составила 4 % от совокупных затрат на строительство объекта.

Обсуждение и заключение. В результате проведенного авторами исследования доказано, что создание растительного покрова является достаточно эффективным барьером для распространения пылевого загрязнения от точечной застройки, эффективность пылеулавливания может достигать в среднем от 10 до 20 % в зависимости от уровня влажности воздушной среды. При этом важно правильно подобрать растения для грунта зеленой кровли и удачно ее расположить, чтобы получить максимальный эффект от пылеподавления, что значительно повысит экологическую безопасность жилой зоны в точечной застройке. Разработанные авторами два вида конструктивных решений зеленой кровли, применимые для работ по реконструкции зданий и возведению новых объектов, дают возможность в целом создать комплексную защиту городской территории от одного из наиболее вредных источников пылевых выбросов в городской среде — строительной площадки. Хотя внедрение таких технологий требует дополнительных финансовых вложений, они компенсируются снижением заболеваемости рабочих от вредного воздействия пыли примерно на 15 %. Это приводит к соответствующему уменьшению себестоимости строительных работ и экономии трудозатрат, одновременно обеспечивая более высокий уровень защиты как для работников на стройплощадке, так и для жителей близлежащих районов.