10716

Климова А.А., Кулагина Т.О., Агеева Е.Ю

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»

БИОНИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА-ЧАСТЬ ПРИРОДЫ

Бионика в архитектуре – это не просто искривленность очертаний форм, внешнее подобие раковинам моллюсков, птичьей скорлупе, пчелиным сотам, ветвям лесной чащи и т.д. Прежде всего это более удобные, более гармоничные, более надежные пространства жизнедеятельности человека.

Современная бионика базируется на новых методах с применением математического моделирования и широкого спектра программного обеспечения для расчета и 3d-визуализации. Основной ее задачей является изучение законов формирования тканей живых организмов, их структуры, физических свойств, конструктивных особенностей с целью воплощения этих знаний в архитектуре. Живые системы являются примером конструкций, которые функционируют на основе принципов обеспечения оптимальной надежности, формирования оптимальной формы при экономии энергии и материалов. Именно эти принципы и положены в основу бионики.

Сейчас в бионике выделяют три направления:

Биологическое, где рассматриваются процессы внутри биологических систем.

Теоретическое. Здесь создаются компьютерные математические модели биологических процессов.

Техническое. Отвечает за воплощение созданных бионических моделей в жизнь с помощью построения инженерных сооружений или машин.

Во все времена существовала преемственность природных форм в

архитектуре, созданной человеком. Но, в отличие от формалистского подхода прошлых лет, когда архитектор просто копировал природные формы, современная бионика опирается на функциональные и принципиальные особенности живых организмов – способность к саморегуляции, фотосинтез, принцип гармоничного сосуществования. Бионическая архитектура предполагает создание домов, являющихся естественным продолжением природы, не вступающих с ней в конфликт. Дальнейшее развитие бионики предполагает разработку и создание экодомов – энергоэффективных и комфортных зданий с независимыми системами жизнеобеспечения. Конструкция такого здания предусматривает комплекс инженерного оборудования. При строительстве используются экологичные материалы и строительные конструкции. В

160

идеале, дом будущего – это автономная самообеспечивающаяся система, органично вписывающаяся в природный ландшафт и существующая в гармонии с природой. Современная архитектурная бионика практически слилась с понятием «экоархитектура» и напрямую связана с экологией.

Приведем в пример несколько наиболее распространенных современных направлений разработки бионических зданий.

1.Энергоэффективный Дом - сооружение с низким потреблением энергии или с нулевым потреблением энергии из стандартных источников

(Energy Efficient Building).

2.Пассивный Дом (Passive Building) – сооружение с пассивной терморегуляцией (охлаждение и отопление за счет использования энергии окружающей среды). В таких домах предусмотрено применение энергосберегающих строительных материалов и конструкций и практически отсутствует традиционная отопительная система.

3.Биоклиматическая архитектура (Bioclimatic Architecture). Одно из направлений в стиле hi-tech. Главный принцип биоклиматической архитектуры - гармония с природой: "… чтобы птица, залетев в офис, не заметила, что она внутри него". В основном, известны многочисленные биоклиматические небоскребы, в которых наравне с заградительными системами, активно применяется многослойное остекление (double skin technology) обеспечивающее шумоизоляцию и поддержку микроклимата вкупе с вентилляцией.

4.Умный Дом (Intellectual Building) - здание, в котором при помощи компьютерных технологий и автоматизации оптимизированы потоки света

итепла в помещениях и ограждающих конструкциях.

5.Здоровый Дом (Healthy Building) - здание, в котором, наряду с применением энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, приоритетными являются природные строительные материалы (смеси из земли и глины, дерево, камень, песок, и т. д.) Технологии «здорового» дома включают системы очистки воздуха от вредных испарений, газов, радиоактивных веществ и т. д.

Бионика включает в себя и создание новых для строительства материалов, структуру которых подсказывают законы природы. На сегодняшний день существует уже множество примеров бионики, каждый из которых отличается удивительной прочностью своей структуры. Таким образом, можно получить новые дополнительные возможности для возведения сооружений различных масштабов. В архитектурностроительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Так в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки состоят из чередующихся жестких и мягких

161

пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем, и трещина не идет дальше. (Рис.1)

Рис.1 Многоцелевой мост будущего. Проект Paik Nam June Media Bridge от

Planning Korea в Сеуле

Таким образом, на основе сказанного, можно вывести принципы, на основе которых создаются архитектурные сооружения с элементами бионики.

1)Архитектурная постройка должна органично вписываться в ландшафт, образовывать с ним одно целое. Даже необычное, контрастное здание должно сочетаться с окружающей его средой. Справиться с этой задачей могут только действительно одарённые архитекторы.

2)Архитектурной бионике должна быть свойственна мимикрия. То есть, здание должно буквально парить, растворяться в природе, не выступая ярким акцентом. Несложно заметить, что это положение вытекает из первого и состоит с ним в тесной связи.

3)Сооружения данного стиля должны сочетать в себе природные и высокотехнологичные материалы.

4)Зданиям должны быть присущи природные формы. Силуэты сооружений должны быть плавными и обтекаемыми, реже строгими и с острыми углами, имитируя кристаллы.

5)Здания должны быть лаконичной формы. Удобство и энергоэкономика - это ещё не всё. Сооружение не должно быть перегружено ненужными деталями, режущими глаз. Иначе постройка будет выглядеть несуразно.

6)В сооружениях этого стиля должна преобладать естественная цветовая гамма. То есть, уместными будут оттенки почвы, неба, снега, воды, зелени. Более того, они являются ходовыми оттенками. Также допускаются вкрапления красного или синего в той мере, в какой они существуют в природе.

Уже сейчас в городах мира появляется все больше «биморфных» зданий, поражающих своей красотой и гармоничностью, все чаще в конструкциях жилых домов и общественных зданий используются

162

солнечные батареи и другие альтернативные источники энергии. Возможно, когда-нибудь наши дома будут похожи на птиц, деревья или цветы, сливающиеся с окружающими пейзажами, а технические решения позволят нам дышать чистым воздухом и жить в естественной природной среде, не причиняя ей вреда.

Литература

1.Ю.С.Лебедев Архитектурная бионика. /Ю.С. Лебедев // - М.: Стройиздат, 1990. - 269с.

2.Большеротов А.Л. Система оценки экологической безопасности строительства. /А.Л.Большеротов// - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010.

3.Леонов В.В. Экологическая безопасность при строительстве объектов в городе Москве. /В.В. Леонов// Бюллетень строительной техники. - 2012. - №5.

4.Бондарь, Е.В. Социальная экология: Учебное пособие //Е.В.Бондарь.// - Ставрополь: Изд-во СГУ, 2005.- 149 с.

Шкляева Л.А.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»

СВЕТОПРОЗРАЧНОЕ ПОКРЫТИЕ ОБЩЕСТВЕННОГО ЗДАНИЯ В ЛОНДОНЕ

Покрытия общественных пространств занимают большую часть в мире и вытесняют высотные решения зданий. В Лондоне перекрыт самый большой двор в Европе - Большой Двор Королевы Елизаветы Британского музея.

Здание Британского музея было построено в первой четверти XIX века по проекту архитектора Роберта Смайка (Robert Smirke). Изначально оно представляло собой четыре крыла с внутренними галереями, которые располагались по периметру большого прямоугольного двора размерами 92x73 м. К середине XIX века возникла необходимость в дополнительных площадях и хранилищах. Тогда в 1854-1857 гг. в центре Большого двора было построено круглое в плане (42,7 м в диаметре) здание Читального зала и несколько книгохранилищ, присоединенных к нему.

В 1998 году на проект реконструкции Британского музея был объявлен конкурс. Победил вариант, предложенный тандемом двух коллективов, - Norman Foster and Partners (архитектурное решение) и Buro Happold (комплексный инженерный проект). По предложенному ими

163

проекту реконструкции книгохранилища были разобраны, а здание Читального зала в центре было отреставрировано и оставлено в виде, близком к историческому. Прямоугольный Большой двор было предложено перекрыть изогнутой сетчатой конструкцией со стеклянным заполнением. При этом внешним своим краем светопрозрачная оболочка должна была опираться на внутренний периметр четырех крыльев музея, а в центре - на круглое здание Читального зала. В результате перед архитекторами и инженерами возникли две довольно нетривиальные задачи - геометрическая и конструктивная. Геометрическая сложность заключалась в том, одновременно с криволинейным, "выпуклым" очертанием самой оболочки, нужно было обеспечить плавный переход от прямоугольного внешнего периметра к круглому опиранию в центре. Эта проблема была решена с помощью применения специальной компьютерной программы, которая позволила сгенерировать необходимую форму оболочки.

Получившаяся тороподобная форма с радиусом кривизны около 50 м соответствовала как архитектурным, так и конструктивным требованиям. Дополнительной сложностью для конструкторов было то, что помимо расчетов самого покрытия необходимо было провести усиление несущих конструкций Читального зала, на который в результате приходилась значительная доля нагрузки от новой прозрачной кровли. Каркас сетчатого покрытия решено было опереть на 20 колонн, окружающих Читальный зал. Существующие колонны были заменены на композитную конструкцию: внутрь 20 стальных труб, внешним диаметром 457 мм, была помещена арматура и в образовавшуюся таким образом несъемную опалубку залили бетон.

Следующей конструкцией, претерпевшей кардинальное усиление, стала кирпичная Снежная галерея. Она, также, как и старые колонны, была разрушена, после чего была заменена на железобетонную копию со скользяшим опиранием ее на колонны. Таким образом, образовалось жесткое железобетонное кольцо, которое позволяло использовать его как диафрагму жесткости для опирающейся на него сетчатой оболочки. Скользящее же опирание железобетонного кольца позволило убрать опасные для исторического каркаса горизонтальные нагрузки. Для сведения к минимуму горизонтальных усилий в местах опирания оболочки, опоры решено было сделать шарнирными.

Для этого по внешнему, прямоугольному периметру за портиками были устроены специальные площадки, на которые шарнирно опирались конструкции кровли. Тем самым практически были исключены изгибающие силы и моменты в существующих кирпичных стенах - вся нагрузка от покрытия приводилась к вертикальной.

Правда, подвижность опор означала, что для того, чтобы кровля могла поддерживать свою форму, внешние элементы конструкции вблизи

164

прямоугольного периметра должны были работать под одновременным воздействием изгибающих и сжимающих усилий. Этот эффект должен был распространяться через узлы во всех направлениях. Такая схема статической работы отразилась на сечении элементов. Они имеют наименьшее сечение около Читального зала, а наибольшее - вблизи фасадов внешнего периметра. Кроме того, во избежание возникновения мгновенной кинематической изменяемости всей системы в целом, в направлении каждого из четырех углов были добавлены жесткости в виде натянутых тросов.

Линии самой сетки формировалась как радиальные элементы, переброшенные между Читальным залом и фасадами внешнего периметра двора. Многократно пересекаясь в двух направлениях, эти элементы и начинают работать, как сетчатая оболочка. Каждый элемент в пределах одной ячейки имел коробчатое сечение, изменяющееся от элемента к элементу. Это было необходимо для того, чтобы плавно перейти от более тонкого сечения элементов около Читального зала к более толстому - у внешнего периметра. В результате, несмотря на то, что вся конструкция симметрична, получилось 1826 элементов с абсолютно индивидуальными размерами. Все технологические сложности с лихвой компенсировались легкостью и изящностью получившейся конструкции. За счет эффективной формы и взаимодействия всех элементов оболочки, она стала работать аналогично куполу, испытывающему преимущественно арочное сжатие.

Для проверки конструкции оболочки на ветровые воздействия был изготовлен макет всего Британского музея с предполагаемым покрытием двора. Этот макет был испытан в Бристольском университете в аэродинамической трубе. Эксперимент показал, что ветровые потоки будут огибать все здание музея целиком и не затронут покрытие двора. Поэтому на него будет больше воздействовать не внешнее давление воздуха, а внутреннее, которое, в свою очередь, по расчетам не превысило 0,3 кН/м2. Это на несколько порядков ниже общего веса конструкции покрытия с двойным остеклением, поэтому ветровое воздействие при дальнейших расчетах не учитывалось. В качестве материала для сетчатого каркаса оболочки после длительного анализа было решено применить сталь.

Все прямоугольные профили привариваются к стандартной стальной пластине. Причем каждый элемент, в зависимости от местоположения узла, может иметь индивидуальное сечение.

Причин тому было несколько - привычная высокая прочность при относительно низкой стоимости, легкость монтажа, относительно высокая коррозионная стойкость после окраски. Большинство соединений решено было сделать сварными. Для сведения к минимуму риска брака сварных швов решено было применить специальную сталь сорта D. Стали такого класса очистки обычно применяются в кораблестроении или в

165

производстве нефтехимического оборудования. Масса всех стальных конструкций составила приблизительно 420 т, или 75 кг/м2. Уложенные сверху панели двойного остекления добавили еще 60 кг/м2, в результате чего вся конструкция стала весить около 760 т. Монтаж сетчатого покрытия производился по временному деревянному настилу, который был собран над всем Большим двором. Из-за отсутствия места для хранения все элементы оболочки на строительную площадку привозились мелкими партиями и сразу шли в работу. После возведения всех стальных несущих конструкций начался монтаж остекления. Только когда большая часть его была собрана, временный деревянный остов был демонтирован.

Всентябре 2000 года Британский музей был открыт для посетителей.

Входе работы был выполнен архитектурно-конструктивный целостный анализ решения светопрозрачного покрытия Большого Двора Королевы Елизаветы Британского музея и анализ сочленения элементов сетчатой оболочки данного здания.

Литература

1.Архитектурно-строительные системы на основе алюминиевых профилей: Светопрозрачные конструкции и навесные вентилируемые фасады. Титарев Д.А., Рачков Д.С. Спб, 2016;

2.Здания и сооружения со светопрозрачными фасадами и кровлями. Теоретические основы проектирования светопрозрачных конструкций. Борискина И.В., Спб, 2012.

Зотов Д.И., Рунова К.А.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА РАЗВИТИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПО СТРОИТЕЛЬНЫМ КОНСТРУКЦИЯМ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Контроль окружающей среды в крупных современных городах является одной из социально важных задач. К числу факторов, определяющих качество окружающей среды, относится вибрация. Поле вибрации обуславливает динамическое воздействие на окружающую среду и, главным образом, на грунтовое основание, а в последствии и на фундаменты зданий и сооружений.

Более подробно остановимся на вибрационном воздействии транспорта на здания и сооружения. Большое количество зданий старой постройки городского пространства не были рассчитаны на соседство с магистралями с интенсивным движением, к тому же «усиленным» трамвайными линиями и прокладкой тоннелей метрополитена. Поэтому

166

даже относительно слабые вибрации могут приводить к серьезным негативным последствиям [1].

Всвязи со стремительным развитием транспортной инфраструктуры такого большого города, как Нижний Новгород значимость проблемы влияния динамических нагрузок особенно на старые здания и сооружения будет возрастать.

Вкачестве примера приведем результаты обследования общего технического состояния жилого дома, который расположен по адресу: г.Н.Новгород, пр. Ленина, д. 19. Схема расположения объекта представлена на рисунке 1 [2].

Характеристика объекта. Объект исследования - жилой многоквартирный дом. Год постройки – 1961 г. Здание жилое, пятиэтажное

сподвалом простой прямоугольной в плане формы с геометрическими размерами в координационных осях - 70 на 13 м. Высота здания до конька кровли – 19,8 м. Жилой дом состоит из четырех секций.

Инженерно-геологические условия участка: до глубины 13,0 м

разрез сложен песками мелкими. С поверхности они перекрыты современными насыпными грунтами. В 10-15 м от восточной стены жилого дома, параллельно ему, проходит тоннель метрополитена. Глубина от поверхности земли до верха конструкции тоннеля составляет в среднем 5,00 м. Отрицательное влияние на условия строительства зданий и сооружений на исследуемой территории оказывает такой опасный процесс как механическая суффозия песков.

По результатам визуального обследования жилого дома были выявлены дефекты и повреждения в его строительных конструкциях (различные виды трещин, разрушения балконных плит, защитного слоя арматуры с развитием процессов коррозии, отмостки по периметру здания и т.п.) [2].

Изучение воздействия вибраций на конструкцию жилого дома. В

процессе проведения обследования жилого дома, были произведены измерения основных параметров вибраций с целью оценки их воздействий на конструкции. Оценка вибраций производилась в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях. Схема расположения точек измерения параметров вибрации в здании представлена на рисунке 2. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Измерения проводились на обрезе фундаментов жилого дома; на стенах здания, имеющие наибольшие повреждения; на чердаке жилого дома; на грунте основания жилого дома в шурфе [3].

167

были зарегистрированы на грунте вдоль вертикальной оси исследуемого здания (точка 11Г) [3];

Таблица 1. Результаты измерений.

Пиковые значения скорости вибрации и вибрационного перемещения s , измеренные вдоль трех координатных осей ( x ; y ; z ), на различных уровнях здания

На основе анализа результатов проведенных измерений параметров кратковременной вибрации обследуемого здания можно сделать следующие выводы:

- максимальные значения скорости вибрации, измеренные в контрольных точках, не превышают предельно допустимых значений. При этом, максимальные значения вибрационной скорости (перемещения) были зарегистрированы на грунте вдоль вертикальной оси исследуемого здания (точка 11Г) [3];

169