Дизайн городской среды и интерьера

Исходя из современной ситуации в сфере автономного жизнеобеспечения, можно в связи со степенью зависимости здания от централизованных сетей подразделить автономные жилые здания на две группы:

- полностью автономные (т.е полностью независимые от централизованных коммунальных энергосетей);

- потенциально-автономные (или дублирующие - здания, использующие традиционные источники энергии в сочетании с альтернативными, например, применение и накопление солнечной энергии в летний период в качестве дополнительного энергоисточника, дублирующего центральную автономную систему, работающую на традиционных видах топлива).

Если говорить о типологии инженерных систем автономного объекта, то здесь приоритет принадлежит интегрированным автономным системам как синтезу активной (вырабатывающей, или создающей необходимую энергию из солнечной радиации, воды, ветра и т.д.) и пассивной (качественная изоляция, низкая теплопередача, сохранение и грамотное распределение энергии и пр.) систем. Такой синтез позволяет обозначить следующие эффективные принципы автономного строительства:

- автономная система должна производить больше электрической энергии, чем использовать, избыток энергии подлежит накоплению;

- для получения необходимых ресурсов следует применять современное инженерное оборудование, интегрированное в архитектурно-конструктивную систему здания, и приоритетно основанное на получении энергии из альтернативных источников;

- ориентация здания должна позволят максимально эффективно использовать солнечную энергию, естественное освещение и инсоляцию;

- все материалы и покрытия должны принимать и максимально сохранять полученную энергию (за счет эффективных покрытий, высокого сопротивления теплопередаче и пр.);

- должны максимально использоваться естественная вентиляция как не требующая энергозатрат;

- конструкция окон должна способствовать снижению поступления солнечной радиацией через световые проемы в целях предотвращения перегрева в летнее время;

- принципы экологичности - сохранение экологической среды и биосферы, максимально эффективное применение свойств материалов и энергии, экологически безопасное инженерное оборудование, утилизация, переработка и вторичное использование отходов, применение технологических и природных фильтров для очистки питьевой и технической воды, очистка сточных вод, органичное взаимодействие с ландшафтом.

Анализ современных инженерно-технических решений, применяемых для научных комплексов в экстремальных погодных условиях (например, бельгийская станция Princess Elisabeth позиционируется как “станция с нулевой эмиссией”) позволяет обозначить конкретный ряд методов и приемов достижения автономности и пассивности:

Пассивное солнечное тепло

Система позволяет станции поддерживать внутреннюю температуру за счет приема и удержания солнечного света и тепла, выделяемого обитателями и электроприборами станции. Такой подход избавляет от необходимости в питаемой отдельным энергоисточником системе отопления.

Изоляция

Многослойные ограждающие конструкции, в которой каждый слой выполняет определенную функцию, позволяет не только оградить обитателей от низких температур, но и поддержать воздушную и водную непроницаемость на должном уровне для достижения оптимального уровня теплопередачи и сохранения энергии в пределах станции.

Системы вентиляции и теплообмена

Интегрированные системы помимо рекуперации воздуха защищают станцию от перегрева, а также распространяют и перераспределяют аккумулированную тепловую энергию по всему комплексу, выделяя зоны с повышенной потребностью в тепле.

Применение возобновляемых источников энергии

Как правило, речь идет о ветровой и солнечной энергии. Грамотное использование энергетического потенциала местности позволяет зданию максимально эффективно приблизиться к “нулевой эмиссии”. Системы по возможности должны дополнять и дублировать друг друга с учетом того, что в северных широтах имеет место быть полярная ночь. В такой ситуации ветровые генераторы (особенно в зонах с неослабевающими в течение года ветрами) могут выступить альтернативой солнечным панелям.

Конструкция ветровых турбин должна выдерживать самые сильные ветровые потоки, лопасти могут закрываться в случае шторма с целью снижения скорости вращения и, как следствие, минимизации вреда.

Солнечные панели, в свою очередь подразделяются на 2 принципиальные категории: фотоэлектрические и тепловые солнечные панели. Фотоэлементы могут покрывать все свободные поверхности и снабжать электричеством управляющие сети станции, накапливая переизбыток энергии в батареях. Тепловые же солнечные панели, расположенные с определенной ориентацией, применяются для плавления снега и нагрева воды (трансформируя солнечную радиацию не в электричество, а тепло), которая применяется, например, в ванных комнатах и кухонном оборудовании.

Стоит добавить, что к альтернативным источникам энергии также можно отнести геотермальный (тепло верхних слоев земной коры и массивных поверхностных форм рельефа - скал, камней и т.п.), гидротермальный (тепло грунтовых вод, открытых водоемов, горячих подземных источников) и аэротермальная источник энергии (тепло атмосферного воздуха), энергию биомассы (растительности, органических отходов промышленных и сельскохозяйственных производств, а также жизнедеятельности животных и людей - результат биоконверсии солнечной энергии) и кинетическая энергию водных потоков (энергия водопадов и морских).

Энергохранилище

Необходимо предусмотреть систему батарей для хранения излишков энергии. Это может быть помещение со стандартными свинцово-кислотными аккумуляторами.

Резервные энергоисточники

На данный момент не существует решений, достигающих стопроцентного жизнеобеспечения за счет возобновляемой энергии. В труднодоступных и суровых погодных условиях жизненно важен резервный генератор - как на сгораемом топливе, так и в более современном экологичном варианте - на водородных топливных элементах.

Интеллектуальная сеть

Система управления энергоресурсами станции, основанная на принципах приоритетного распределения энергии, позволяет приблизиться к минимизации энергопотерь и выбросов в окружающую среду.

Поскольку климат и сегодняшние технологии не позволяют снабжать станцию неограниченным количеством “зеленой” энергии, интеллектуальная управляющая сеть борется с неконтролируемым потреблением энергии, побуждая персонал станции адаптироваться к режиму приоритетности и экономии. Центральный компьютер контролирует доступные запасы энергии и перераспределяет их в соответствии со строгим набором правил.

В зависимости от времени суток одни виды деятельности имеют приоритет над другими. Тем не менее общая концепция управления всегда отдает самый высокий приоритет безопасности, самый низкий - развлечениям и отдыху. Пользователь посредством выключателя рядом с разъемом питания запрашивает энергию и ожидает, пока система проверяет наличие доступных ресурсов и оценивает приоритетность системы. В случае отказа загорается отрицательные индикатор, призывающий пользователя ожидать некоторое время. Данная смарт-система превосходит по эффективности другие системы экономии в разы.

Дистанционное управление станцией

Благодаря спутниковому оборудованию станция находится в постоянной информационной связи с “Большой Землей”. Более того, возникает возможность удаленного управления интеллектуальными системами станции с целью достижения максимальной эффективности работы комплекса.

Полный процесс обработки

Необходимо наличие источника чистой воды поблизости с комплексом - это важное условие при выборе местоположения станции. Чистая вода, как и снег, подлежат сбору и использованию. Важным оборудованием в таких условиях является снегоплавильная печь.

100% переработка

Усовершенствованная система очистки воды позволяет осуществить рекуперацию 100% серых и черных вод. Из них до 60% можно использовать повторно, остальное количество придется утилизировать в окружающую среду. При этом очищенная вода не нанесет никакого ущерба экосистеме близ станции.

Биореактор

Станция может быть оснащена двумя типами биореакторов - аэробным и анаэробным. Задача такого оборудования - поддержания оптимальных условий для микроорганизмов, участвующих в переработке отходов жизнедеятельности.

Активное применение углерода

Активная углеродная очистка позволяет удалить большое число разнообразных соединений из сточных вод станции методом поглощения. Для этих же целей применяется коротковолновое ультрафиолетовое облучение, позволяющее уничтожить микроорганизмы и стерилизовать питьевую воду.

Хранение воды

Расплавленный снег направляется в места хранения, причем холодная вода подлежит хранению в холодных резервуарах, в то время как подлежащая нагреву вода проходит более длинную цепь с участием тепловых солнечных панелей и бака для хранения горячей воды.

Необходимо максимально реализовать преимущества мобильной архитектуры - мобильность, быстровозводимость, гибкость, оптимизацию строительного процесса, минимизацию строительных работ, экономическую эффективность и пр.

Следует проектировать комплекс, эффективно противостоящий неблагоприятным геоклиматическим условиям Арктики. Особое внимание требуется уделить проблеме фундаментов и ветрозащиты.

Важно предусмотреть полный комплекс инженерно-технических решений, направленных на достижение заявленной автономности и пассивности комплекса.



Глава 2. Комплексный анализ проектной ситуации

Прежде чем перейти к практической разработке проекта, необходимы исходные данные, которые сформируют ту самую практическую плоскость. Исходные же данные определяются принятой темы работы, в которой в качестве локации обозначен остров Белый. Как отмечалось в первой главе, контекстом для разработки приняты экстремальные погодные условия русской Арктики. Остров Белый, расположенный в северных широтах нашего государства, является, по сути, собирательным образом комплекса задач и проблем, решение которых предполагается данным проектом.

Как известно, в любом процессе проектирования идея формируется и далее реализуется под действием определенного набора ограничений, формируемого исходными данными, контекстом. Экстремальный северный климат формирует ограничительные предпосылки, которые трудно назвать легко преодолимыми. Ситуация усложняется географией (естественная изоляция острова) и отсутствием какой-либо инфраструктуры. Определенные задачи ставит перед проектировщиком и непосредственно участок проектирования, но в рамках данного проекта выбранная локация напротив, предоставляет ряд преимуществ и способствует достижению большей выразительности принятой формообразовательной концепции.

В такой ситуации, очевидно, необходимо обратиться к современным аналогам. Анализ и синтез действительных решений, которые принимались в аналогичных теме проекта ситуациях, окажет помощь в дальнейшей практической разработке научно-жилого комплекса.

2.1 Географические данные и климатические характеристики

Остров расположен в Карском море и отделен от полуострова Ямал проливом Малыгина. Входит в состав Ямало-Ненецкого автономного округа (прил.12). Площадь острова 1900 км2, поверхность равнинная, с перепадами высот до 12 метров, покрыта тундровой растительностью. Рельеф дополняется множеством термокарстовых озер.

Климат острова Белый определяется его географическим положением. Арктический климатический пояс IA, область климата арктических пустынь и тундр. Иными словами - район Крайнего Севера, наиболее суровый климатический пояс России. Средняя температура июля не превышает +80, в январе -320 при скорости ветра 8-10 м/c (прил.13). Ветер приносит массы морского арктического воздуха с Северного Ледовитого океана. Климат характеризуется длительной холодной зимой с сильными бурями, частыми метелями и небольшой величиной снежного покрова. Характерны сильные туманы.

Погода крайне переменчива, за день может меняться несколько раз. Лето короткое, зима, напротив, доходит до 8 месяцев. В декабре начинается полярная ночь, которая длится более двух недель. Остров расположен в зоне сплошного распространения вечной мерзлоты (мерзлая толща доходит до 900м и ниже). Низкая сейсмическая активность местности (5 баллов шкалы MSK-64). Ближайшие крупные населенные пункты - города Салехард и Новый Уренгой.

Фауна острова (ввиду его относительной нетронутости) наполнена представителями редких видов - северные олени, атлантические моржи и белые медведи.

Исходя из анализа климатических условий на острове, можно сделать следующие выводы:

Климатическая обстановка на острове (зона вечной мерзлоты) крайне неблагоприятна для строительства капитальных сооружений. Значительные трудности с земляными работами, возведением фундаментов и соблюдением мер противодействия оттаиванию грунтов основания вкупе с невозможностью переброски на остров большого количества строительной техники и утилизации строительного мусора делают долговечное строительство в данной местности трудноосуществимым и крайне дорогостоящим. Стоит также отметить необратимый ущерб экосистеме острова от капитального метода (на сегодняшний день ощутимый ущерб уже нанесен, о чем будет сказано далее). Данную проблематику можно означить как весомый аргумент в пользу модульного строительства на острове Белый. Мобильность, минимизация монтажных и строительных процессов, возможность повторного использования модулей, малое воздействие на экологическую систему - факторы, которые трудно переоценить в условиях современного освоения арктических территорий.

В разработке принципов формообразования отдельных модулей и комплекса в целом должны быть учтены следующие климатические факторы: экстремально низкие температуры зимой, сильные ветры с метелями, малое количество осадков, сильные туманы и переменчивая погода. Решение проблем арктического климата необходимо заложить как в инженерно-технические, так и в объемно-планировочные, конструктивные и дизайн-решения.

2.2 Население, инфраструктура, экология

На сегодняшний день человек постоянно присутствует на острове лишь в двух точках:

морская полярная гидрометеорологическая станция им. М.В. Попова (координаты 73°19'с.ш. / 70°3'в.д.) с научно-обслуживающим персоналом из четырех человек. Станция открыта в 1933 году, задачи - снятие метеоданных с приборов каждые три часа и отправка радиограммы в метеоцентр. Связь с континентом происходит раз в год, в навигационный сезон - с пополнением запасов прибывает пароход;

с 2014 года на острове функционирует круглогодичный научный стационар мониторинга природной среды. Он создан в рамках долгосрочной программы по очистке и изучению острова. Научный стационар расположен на юго-западном побережье острова. В его состав входит лабораторный модуль (интернет-связь, метеорологическое оборудование), а также два жилых помещения на шесть человек, столовая с оборудованием, сауна и душевая, электростанция, холодильник для продуктов, холодный склад.

В свое время программа наблюдений на станции Попова была обширной. Кроме метеорологических и морских прибрежных наблюдений, проводились аэрологические наблюдения, а также ракетное зондирование. В результате пожара ракетный комплекс был уничтожен. В феврале 2001 года на станции произошел еще один пожар. Полностью сгорел служебный дом и дизельная. Осенью 2002 года Северным УГМС был построен новый модульный дом. От уничтоженных пожаром корпусов остались заброшенные остовы, не подлежащие восстановлению или повторной эксплуатации. Утилизация следов человеческой деятельности является крайне затратным мероприятием (прил.14). Таким образом можно рассматривать научно-исследовательскую деятельность человека на острове как загрязнение и нанесение ущерба экосистеме.

Поблизости с метеостанцией расположена заброшенная военная база пограничных войск. Опустевшие казармы (облюбованные медведями под берлоги), металлическая вышка маяка, сгоревшие строения, ржавая техника и множество цистерн из-под дизельного топливо - таков результат деятельности воинской части на острове. Крайняя загрязненность среды стала причиной проведения серии экологических экспедиций по очистке острова, инициированных под контролем главы ЯНАО Дмитрия Кобылкина и совершающихся по сей день. Так, например, несколько десятков волонтеров (в 2013 году число достигло 33 человек) способствовали утилизации 297 тонн мусора.

Помимо прочего, в советские годы на острове велась добыча газа - брошенные скважины, оборудование, огромное число ржавых цистерн лишь усугубляют экологию округа и российской Арктики в целом.

Из всего вышесказанного следуют несколько ключевых выводов:

Малочисленность (а практически отсутствие) поселений и людей на острове, отсутствие какой-либо инфраструктуры и связи требуют от разрабатываемого научного комплекса максимальной автономности и возобновляемости используемых ресурсов (вода, энергия, системы жизнеобеспечения).

Ощутимый ущерб, нанесенный экологии острова в советские годы, определяют одно из ключевых направлений деятельности разрабатываемого комплекса - экологический мониторинг, организация и проведение экспедиций с участием волонтеров, анализ активное участие в восстановлении экологического баланса на острове.

Значимость острова для сбора данных, а также в научно-исследовательском плане высока. На основе метеорологических данных формируется прогноз погоды для России и зарубежных стран. Регулярные научные экспедиции на остров под руководством Научного центра по освоению российской Арктики (в первую очередь биологические и метеорологические) позволяют делать важнейшие долгосрочные выводы о чувствительной арктической экосистеме, состоянии и изменениях климата планеты в целом. Данными факторами определяется необходимость присутствия на острове стационарной исследовательской базы со всеми системами жизнеобеспечения и возможностью длительного (постоянного) проживания, что полностью отвечает тематике магистерской работы.

2.3 Анализ участка проектирования. Градостроительная ситуация

Анализ исходных данных сообщает следующее.

В качестве исходного участка проектирования выбран фрагмент у берега реки Пахаяха (прил.15). Участок данного характера был принят по нескольким причинам:

- Коммуникационная. Является очевидным, что основная транспортная связь с островом в целом и с проектируемой станцией в частности будет осуществляться посредством водного транспорта. Именно водные коммуникации позволяют при максимально эффективном соотношении затрат/грузоподъемности доставить на остров все необходимое для научного комплекса - строительные материалы, компоненты модулей, строительную технику, персонал, оборудование и пр. Устье р.Пахаяха как максимально доступная и удобная точка связи с Северным морем является наиболее приемлемой локацией для возведения станции.

- Эстетическая. Береговой склон реки, с умеренными и резкими перепадами рельефа позволяют максимально эффектно и наглядно продемонстрировать заявленную концепцию формообразования - переход из 2D-плоскости в 3D-пространство. Как запланированное следствие данной концепции - улучшение среды жизнедеятельности персонала станции вследствие избегания монотонности коммуникативных путей внутри станции и неизбежной физической двигательной нагрузки при передвижении между модулями. При этом планировка станции исключает необходимость переноса тяжелых грузов в вертикальном направлении.

Также наличие водного источника близ станции вносит эстетической разнообразие в жизнь обитателей комплекса, вынужденных проводить долгое время, наблюдая довольно монотонный северный пейзаж.

- Исследовательская. Наличие поблизости природного водного источника - неотъемлемое условие комплексного изучения и мониторинга биосферы, а также экосистемы острова. Биолог, гляциолог, гидролог, эколог - неполный список специалистов, деятельность которых будет непосредственно связана с водоемом близ станции.

- Жизнеобеспечение. Прямой доступ к речным ресурсам позволяет инженерно-технической системе станции эффективно решать задачи водозабора, снабжения и водоотведения.

2. Анализ исходных климатических данных участка проектирования акцентирует внимание на проблеме устойчивости к агрессивной природной среде, в особенности к ветровым нагрузкам. Возникает необходимость детально проработать ветрозащиту комплекса. Задача решается несколькими путями:

- Формообразовательный подход - объемное решение отдельного модуля в частности и всего комплекса в целом должно быть подчинено требованиям аэродинамики и воздушной обтекаемости - отсутствие значительных вертикальных плоскостей, впадин, вогнутых поверхностей, острых углов;

- Ландшафтный подход - расположения станции на береговом склоне (за исключением конструктивных ядер с ветровыми установками) снижает ветровую нагрузку на комплекс по сравнению с открытым пространством;

- Инженерный подход - снижение, поглощение и переработка энергии ветра посредством ветровых генераторов.

2.4 Аналоги - обоснование, анализ, выводы

Научный комплекс на о.Белый являет собой синтез отечественного и зарубежного опыта. При этом отечественный опыт возведения мобильных зданий в условиях экстремального холода представлен литературой советского периода, в то время как западное модульное строительство позволяет изучить и сделать выводы о передовых наработках и технологиях в данной сфере.

Изучение советских источников позволяет досконально разобраться в конструктивных и технических решениях, проследить их взаимосвязь с исходными природно-климатическими условиями. Процесс же сбора, сравнения и анализа аналогов, максимально отвечающих тематике проектирования, основан на изучении именно зарубежного опыта, поскольку отечественное строительство в экстремальных условиях сегодня (за исключением единичных случаев) демонстрирует значительный разрыв и отставание от передовых технологий. В большой степени это относится и к художественно-эстетическому аспекту.

По результатам работы с источниками в качестве аналогов были выбраны следующие научно-исследовательские станции (прил.16):

Научная станция “Остров Самойловский” (РФ);

Antarctic research station “Neumayer-Station III” (Германия);

“Halley VI Research Station” (Великобритания);

“Juan Carlos I Antarctic Base” (Испания);

“Princess Elisabeth Antarctica” (Бельгия);

“Sanae IV” (ЮАР);

“Bharati” research station (Индия).

Стоит отметить, что за исключением арктической станции “Остров Самойловский”, перечисленные станции локализованы в Антарктиде (прил.17). Именно на этот континент сегодня направлена передовая архитектурно-строительная, дизайнерская и инженерно-техническая мысль.

Перечисленные аналоги были отобраны мною для анализа и дальнейшего синтеза принятых решений в рамках дипломного проектирования, как отвечающие следующим критериям:

- являются архитектурой, функционирующей в условиях экстремального холода и ветровых нагрузок;

- в той или иной степени отвечают концепции быстровозводимого или модульного строительства (технически, эстетически и т.д.);

- демонстрируют высокий уровень объемно-планировочных, эстетических и дизайнерских решений - как в экстерьере, так и в интерьере;

- применяют передовые инженерно-технические решения - устойчивость, энергосбережение, возобновляемые ресурсы (солнечные панели, ветровые генераторы и пр.) сбор, очистка, и повторное использование воды, переработка отходов, интеллектуальные, автоматизированные системы управления энергосистемой станции;

- достаточно широко освещены в литературных источниках - как популярных, так и научно-технических.

Краткая характеристика исследуемых аналогов:

Научная станция “Остров Самойловский”. Расположенная в дельте р.Лена, станция предполагает 10 человек персонала, с перспективой расширения до 20 мест. Общая площадь станции (1067 кв.м) вмещает 17,15 кв.м жилой площади на одного сотрудника в составе 3-х местных кают. Комплекс включает в себя лабораторно-жилой блок, ангар для хранения транспорта, энергоблок, склад ГСМ, водопроводные сооружения, модульные станции для пожаротушения и пожаротушения. Станцию можно назвать единственным отечественным примером современной архитектуры в условиях Арктики. Данный аспект представляет особый интерес к изучению Самойловского комплекса. Возможность проанализировать плюсы и минусы станции, реализованной в условиях современной отечественной нормативной базы, позволила сделать следующие выводы:

К плюсам станции можно отнести современные системы жизнеобеспечения, экологическую устойчивость (очистка сточных вод, нефтесодержащих вод и пр.), хорошее оснащение приборным парком и спецтехникой, удачное расположение НИС (обеспечивает работу экспедиций как на островной части арктического побережья, так и материковой части в низовьях р.Лены).

К минусам относятся неоптимальная конфигурация лабораторно-жилого корпуса (не учтены энергосберегающие и аэродинамические аспекты), не оптимально подобранная мощность дизельгенераторов (как следствие - неэкономичная работа в летний период), применение энергосберегающих технологий не в полной мере (утилизация тепла уходящих газов ДГ, светодиодное освещение и т.д.), снижение эффективности использования площадей в научных целях в результате принятия проектных решений на основе общегражданских СНиПов.

Тщательному изучению подлежит также лабораторный комплекс станции, состав помещений и оборудования.

Антарктическая станция “Neumayer-Station III” размещает в 15 жилых отсеках 10 человек в зимний период и до 40 в летний. Общая площадь достигает 4473 кв.м. Планировка станции включает в себя душевые, столовую, тренажерный зал и сауну, что сказывается на психологическом климате станции и условиях работы самым положительным образом. Современный комплекс “Neumayer” в первую очередь представляет интерес объемно-планировочными и цветовыми экстерьерными решениями.

“Halley VI Research Station” является, на мой взгляд, наиболее замечательным примером передовых дизайнерских и инженерно-технических решений в области экстремального строительства. Новая станция стоимостью 26 млн фунтов была поручена авторам проекта в результате международного. Общая площадь станции - 1510 кв.м - предоставляет рабочее и жилое пространство для 16 человек зимой и до 70 в летний сезон. Она состоит из 8 модулей, одного красного -- с баром, салонами, бильярдной и т. д., и 7 голубых -- типовых. Все решения подчинены противостоянию агрессивной антарктической среде. Станция продумана в разнообразных аспектах - обращена боком к преобладающему направлению ветров: в сочетании с аэродинамической формой модулей это препятствует образованию крупных сугробов и заносов. Большой размер оконных проемов и прозрачные перекрытия коридоров сокращают затраты электроэнергии в светлое время суток. Высокие гидравлические “ноги” на лыжах позволяют корректировать местоположение станции, меняющееся в результате движения снежного покрова - техническое решение, определяющая данную архитектуру как мобильную.

“Juan Carlos I Antarctic Base” - комплекс обеспечивает жизнедеятельность 24 специалистов на одном из антарктических островов. Для реконструкции выработавшей ресурс базы на острове Ливингстон в Антарктике был проведен международный конкурс, победителем которого стали Hugh Broughton Architects. Ориентация корпусов максимально удачно использует топографию площадки, большие окна обрамляют прекрасный вид на море и окружающий ландшафт. Современный интерьер оснащен рекреационными пространствами для релаксации и отдыха в комфортной среде, отвечающей потребностям как всего сообщества, так и отдельного человека.

В первую очередь комплекс представляет интерес экстерьерными и планировочными решениями.

Бельгийская “Princess Elisabeth Antarctica” уникальна в первую очередь набором инженерно-технических решений. Вмещая 25-40 человек при общей площади 1900 кв.м, комплекс максимально приближается к определению “станция с нулевым выбросом”. Указанной цели подчинены все инженерные системы станции - эффективная изоляция, применение возобновляемой ветровой и солнечной энергии, очистка и повторное применение воды, интеллектуальное управление энергоресурсами станции и пр. Помимо того, что в работе на новой обсерватории используются самые современные инструменты исследований, разработанные Королевским метрологическим институтом Бельгии, станция обладает хоть и компактной, но свободной планировкой, комфортными, преимущественно деревянными интерьерами и достаточным естественным освещением без угрозы снежных заносов.

“Sanae IV”, будучи обладателем эффектного модульного экстерьера, также впечатляет и своими размерами - на площади в 3696 кв.м летом могут разместиться до 80 человек (против 10 человек на зимовке). Помимо “жизнерадостной” колористики, предлагает исследователям комфортную жизненную среду - станция имеет в составе помещений столовую, два телевизионных зала, бар, игровую комнату, библиотеку, комнату для курящих.

Индийская исследовательская станция “Bharati”, являя собой показательный образец быстровозводимой архитектуры, изготовлена из 134 транспортных контейнеров и вмещает в себя до 50 человек. Общая площадь до 1900 кв.м имеет в наличии столовую, библиотеку, тренажерный зал, гостиную. Есть свои кабинеты у врача, системных администраторов и даже для любителей романтики, приехавших вести блоги или снимать документальные фильмы. Современные условия проживания полярников доведены до максимального комфорта. Станция не только технологична - она также и “дружелюбна”, что является необходимым качеством современной социально ответственной архитектуры.

Исследование аналогов в разнообразных аспектах - от эстетического до конструктивного и инженерного - позволяет обозначить следующие тезисы:

В результате анализа количественных характеристик семи вышеперечисленных научных станций можно обозначить следующий диапазон числа работников: 10-40 человек постоянного (зимовочного) и до 80 человек сезонного (летнего) персонала. Жилое пространство для одного человека доходит до 17 кв.м, в то время как общая площадь станции колеблется в диапазоне 1060-4470 кв.м;

Эффектные экстерьерные решения в условиях экстремального холода основаны на яркой, но грамотной и уместной цветовой гамме. Яркий цвет обоснован регулярными условиями плохой видимости во время погодных явлений, характерных для Арктики и Антарктиды - дожди (в летний период) или снежные бури при сильном ветре. Заметная издалека расцветка комплекса становится для обитателей дополнительным ориентиром;

Наиболее распространенное и эффективное средство противостояния снежным заносам, промерзанию, полярным хищникам - высокие опоры и достаточный подъем корпуса над уровнем поверхности земли/снежного покрова;

Комфортная современная станция имеет в планировочной экспликации расширенный набор рекреационных помещений (тренажерный зал, баня, сауна, бар, телевизионный зал, библиотека, курительные помещения и пр.)- таким образом, для полярников создаются комфортные условия не только для работы, но и для отдыха, что крайне важно в условиях длительной изоляции;

Необходимо максимально использовать природные ресурсы на местности - дождевая и талая вода, водоемы, ветровая и солнечная энергия, естесственное освещение. Все это напрямую связано с автономностью станции и комфортом жизнедеятельности в ее пределах.

2.5 Типология концептуальных подходов в контексте строительства в экстремальных погодных условиях. Анализ мирового опыта и предложений

Освоение территорий экстремального холода как комплексная проблема разрабатывается практически с того самого момента, как человек приступил собственно к освоению данных широт. Результатом многочисленных, разноплановых и разнонаправленных построений - как теоретических, так и практических - синтезировались разнообразные концептуальные подходы к проблема человека и рукотворной среды, противостоящих среде естественной.

Разработки ведутся на самом высоком профессиональном уровне, с широким информационным освещением. Такой подход подтверждает высокую степень интереса мирового культурного сообщества к арктическим и антарктическим территориям, их потенциалу и проблемам. В качестве примера можно привести следующие архитектурно-дизайнерские изыскания (прил.18):

В рамках 14-й Венецианской архитектурной биеналле 2014 года мастерской Алексея Козыря была предложена визуализация концепции арктической оранжереи «Мак полярный»;

В качестве ответа на неустанное потребление человечества и возрастающую потребность в пространстве, антарктический павильон представляет инсталляцию архитектора Хани Рашида. Демонстрируя, что будущее станет ближе к северных территориям, проект позволяет взглянуть ближе на негативные последствия и проблемы, которые мы наблюдаем в результате выброса парниковых газов и глобального потепления;

Антарктический порт, по своей форме копирующий острые асимметричные айсберги, по задумке ученика Захи Хадид, студента Серджиу-Раду Поп должен стать главным транспортным узлом на Южном полюсе. Порт будет выполнять две основные функции: площадки для научных исследований и транспортного центра экологического туризма.

Анализируя исторический и современный опыт из разных источников - исследования, монографии, конкурсы, архитектурные фантазии, можно определить, что на сегодняшний день выработано несколько концепций “устойчивого к экстремальной среде северного поселения”:

Традиционный подход - отдельно возведенный мобильный или стационарный элемент противостоит окружающей среде за счет объемно-планировочных, конструктивных и инженерно-технических решений. Иными словами, “вещь в себе” - здание или постройка, как конечный результат строительной деятельности человека. Коммуникации между постройками также стандартны - подготовленные дороги, настилы, тротуары, или же просто пересеченная местность.

Такой подход на сегодняшний день является самым популярным, являясь и наиболее приближенным к реальной действительности - именно так в большинстве случаях строят на любой местности и в любых условиях - при экстремальном холоде, жаре, ветре, влажности и т.п.

В данном ключе реализуется большинство предложений на арктическую тему. Это может быть как составной комплекс из стационарных и мобильных элементов (многофункциональны жилой комплекс “Снегирь”), поселение из компактных контейнеров-боксов с возможностью трансформации (MODUL-BOX для поселений в зонах с суровым климатом или Арктический модуль от 2-B-2-Architecture), или же более глубоко продуманная в формообразовательном и планировочном аспектах модульная архитектура (жилой дом для Арктики, составные треугольные элементы-модули которого формируют сотовые структуры).

Таким образом, в рамках одного подхода объединяются разнообразные вариабельные методы - что и делает такой подход самым распространенным в плане практической реализации.

Обитаемые единицы соединяются крытыми утепленными переходами. Данный подход формирует защищенную инфраструктуру, что на порядок увеличивает комфортность жизнедеятельность в суровой северной среде.

Такая концепция является, в основном, результатом теоретических разработок. Тем не менее, одним из следствий подобных исследований, проводимых в Ленинградском зональном научно-исследовательском и проектном институте, явился проект “Поселок-порт для Арктического побережья”, который привлек внимание посетителей интернационального павильона “Человек-исследователь” на всемирной выставке ЭКСПО-67 в Монреале. Авторами проекта были архитекторы Э.Вернер, З.Дьяконова, В.Танкаян. Дом-комплекс, рассчитанный на тысячу жителей, являлся составной частью города-комплекса для горняков алмазного месторождения "Айкал" на северо-западе Якутской АССР, где новые типы жилых домов соединялись между собой и общественным центром города крытыми улицами-галереями.

К сожалению, реализация таких проектов или не осуществляется вообще, или осуществляется со значительными изменениями, нередко разрушающими весь первоначальный замысел.

Строительство под куполом - популярная концепция, в основе которой лежит формирование искусственного климата, противостояние зависимости от влияния неблагоприятной внешней среды.

В данном случае речь идет о более комплексном подходе к формированию обитаемой среды - рукотворной и существующей природной - в соответствии с актуальными принципами устойчивого строительства: комфортность, энергоэффективность, экологичность. Такой подход возможно реализовать, накрыв микрорайон гигантским куполом. Форма купола заключает в себе множество архетипов и отсылок как к философии, так и человеческой культуре. Древние жилища создавались в форме полусферы: шатры африканских племен, игла эскимосов, вигвамы североамериканских индейцев. Купола используются в качестве элементов или основы для храмов и соборов.

На сегодняшний день идею строительства города под куполом можно осуществить, применяя современные инженерные технологии и материалы. Например, в 2012 году в России была разработана относительно простая и недорогая технология строительства большепролётных светопрозрачных защитных сооружений. Светопрозрачная оболочка обеспечивает возможность поддержания во внутреннем пространстве постоянных и комфортных для человека заданных параметров: температуры, влажности и чистоты воздуха, освещенности, безопасности и др. Весь архитектурный комплекс ограждает человека от непогоды Севера.

Строительство осуществляется перекрытием пролётов между разновысокими зданиями многопоясными тросовыми системами со светопрозрачным покрытием, что обеспечивает создание объемных замкнутых пространств, изолированных от окружающей среды. В качестве опор для светопрозрачного покрытия применяются не специально построенные для этого конструкции, а подготовленные в качестве опор основные здания комплекса (предпочтительно разновысокие), что в значительной мере снижает стоимость неэффективных затрат на возведение защитного сооружения. Купольное сооружение, обтекаемое метеленесущими ветрами, практически не будет заноситься снегом. Для защиты от снежных заносов на светопрозрачном покрытии предусмотрены специальные снегоочистительные механизмы и различные системы антиобледенения. Эффективность создания комфортной среды внутри сооружения обеспечится за счёт того, что даже в зимние морозы и достаточно холодное лето за счет тепла, исходящего от домов и подземных коммуникаций, внутри температура воздуха может быть на 10-15 градусов выше уличной.

Предполагается использовать мембраны вместо традиционного остекления, как более легкая, долговечная и быстрая в монтаже альтернатива. В строениях можно будет применить метод пассивного нагрева воздуха и метод тоннельного распределения потоков. А применение при строительстве домов пяти принципов пассивного дома доктора Файста позволит сохранить тепло в домах и еще больше сэкономить затраты энергии.

Такой подход дает простор для самых смелых предложений. Использование экологичного транспорта, траволаторов, наклонных лифтов; нулевой выброс углекислого газа; интегрированные в среду фотобиореакторы (биологические фасады системы “SolarLeaf”), которые располагаются на домах и поглощают выбросы CО2 при выращивании микроводорослей для создания биомассы и тепла, и пр.

В качестве примера реализации замкнутой под куполом биосферы с постоянно поддерживаемым микроклиматом можно обозначить аквапарк Tropical Islands в Хальбе, Германия.

Строительство под землей как способ защиты от неблагоприятного воздействия окружающей среды - ветра, низких температур, снежных заносов. Такая идея не является новой, но в арктических условий сталкивается с серьезнейшей, комплексной проблемой нестабильных мерзлых грунтов. Трудности возникнут уже на этапе вертикальной планировки и земляных работ. Энергозатраты строительных работ в вечной мерзлоте значительно превышают аналогичные работы в благоприятном климате.

Тем не менее, такой метож имеет на право существование и требует взвешенного подхода - оценки трудностей проектирования и строительства, которые станут противовесом тем преимуществам, которые обеспечивает возведение здания под землей.

Строительство под водой - еще более концептуальный метод освоения северных широт, тем не менее заключающий в себе немало резонных аспектов. Расположение комплекса в толще воды позволяет решить ключевые проблемы экстремально низких и нестабильных температур акртического воздуха, ветрового воздействия, перегрева в летнее время. Водные массы, в зимнее время скованные толщей льда, сохраняют температуру вполне комфортных значений. Самой серьезной задачей при этом становится устойчивость к постоянному контакту с водой и давлению, сопротивление деформациям.

Тем не менее, идеи строительства под водой обозначились уже давно, а в недавнее время рынок предложил и вполне коммерческие проекты, нацеленные на реализацию (например, Poseidon Resorts и Hydropolis в Дубаи). Авторы подводных концептов проектируют таким образом, чтобы сделанные по этому принципу строения могли соединяться между собой путем специальных “присосок” и образовывать целые жилые колонии.

Технология строительства под водой уже продумана - так, для подготовки подводной строительной площадки на дно Персидского залива придется спустить несколько десятков гигантских кессонов. Помещения гостиницы будут собраны в виде отдельных модулей на поверхности, смонтированы в единое целое на понтонах, а затем погружены в море. При этом каждый из модулей будет представлять из себя практически автономный отсек, который в случае необходимости может будет изолировать от остальных помещений.

Комплексный анализ проектной ситуации определяет и уточняет теоретическую базу, позволяет конкретизировать и адаптировать к реальной ситуации модульную концепцию. Аспектами, позволяющими провести такое проецирование теории на практическую плоскость, являются климатические и географические характеристики острова, инфраструктурная и экологическая составляющие, параметры участка проектирования и градостроительная ситуация, анализ существующих аналогов и концептуальных изысканий.

Климат и геофизические данные острова Белый полностью соответствуют требуемым для заявленной темы параметрам - ввиду низких среднегодовых температур, крайне низких отметок в зимний период, высоких ветровых нагрузок, изменчивого климата с характерными для северного климата явлениями (бурями, снегопадами, шквальным ветром, туманами). Такой климат можно отнести к экстремальным погодным условиям.

Инфраструктура острова практически отсутствует, некогда действующие ее фрагменты брошены и теперь вносят вклад в крайне неблагоприятную экологическую ситуацию острова. Постоянное население острова она превышает 10 человек. Таким образом, при практической разработке научно-жилого комплекса необходимо тщательных образом разработать аспект автономности, независимости от окружающей ситуации.

Выбранный участок проектирования заключает в себе набор положительных характеристик, которые как в инженерно-техническом, так и визуально-эстетическом планах поддерживают концепцию модульного комплекса в экстремальных условиях Арктики.

Существующие аналоги, представленные в подавляющем большинстве случаев антарктической архитектурой, позволяют определить общее направление современной инженерно-технической и дизайнерской мысли, а также принять к разработке определенные фрагменты и решения.

Современные концептуальные разработки, ведущиеся с участием профессионалов самого высоко класса, позволяют оценить современную идейно-философскую составляющую процесса освоения территорий экстремального холода.



Глава 3. Модульный научно-жилой комплекс в Арктике: рекомендации и практическая разработка

Практическая разработка комплекса, как наиболее интересная, но и ответственная часть проекта, произведена с учетом выводов, сделанных в предыдущих главах. Разработка научно-жилого комплекса является синтезом наиболее удачных теоретических и практических аспектов, спроецированных на принятую концепцию модульного формообразования.

Предпринята попытка ответа посредством архитектуры и дизайна на комплекс проблем и ограничений, сформированных природой, средой и человеком.

3.1 Ключевые факторы

Переходя в практическую плоскость проектирования научно-жилого комплекса в Арктике, следует оценить инженерно-технические, экономические и технологические компоненты, комбинация которых позволит успешно реализовать модульный архитектурный проект в экстремальных природных условиях.

Такими составными компонентами можно обозначить следующие положения:

Положительные характеристики архитектурной единицы - ячейки-модуля. В первую очередь требуются:

- высокая конструктивная надежность (прочность несущих и ограждающих конструкций, покрытий и материалов, их устойчивость к статическим и динамическим нагрузкам);

- устойчивость к агрессивной среде (влажность, морской ветер, снег, флора с многочисленными представителями мхов и лишайников), стойкость к коррозии;

- высокие физические характеристики - максимально эффективная (в соотношении коэффициент/толщина слоя) теплоизоляция, гидроизоляция, устойчивость к перегреву, нетоксичность;

- функциональность модульной единицы - в соответствии с философией метаболической архитектуры модуль предполагает максимальную универсальность и взаимозаменяемость, поэтому внутреннее пространство и принятые технические решения должны позволять смену функции модуля в соответствии с потребностями персоналами и требованиями текущих задач научно-жилого комплекса;

- в соответствии с принятой концепцией формообразования и конструктивной схемой требуется максимальное снижение веса модуля в целях снижения нагрузки на несущую систему, облегчения монтажа и доставки модуля на строительную площадку;

- экономическая целесообразность - фактор, являющийся едва ли не определяющим в практической реализации модульного комплекса на арктических территорий. Неоспоримым является тот факт, что тяжелые погодные и геофизические условия полярных широт серьезно усложняют и удорожают любой вид строительства - возникает необходимость решения целого комплекса проблем, которые отмечались в предыдущих главах. Ситуация осложняется отсутствием какой-либо приемлемой инфраструктуры - доставка грузов, строительных материалов и техники, оборудования также становятся экономическим “вызовом”. В таких условиях экономически оправданная простота и доступность изготовления модуля являются крайне важной характеристикой;

- эстетическая составляющая - ясный “геометричный” образ, определяющийся простотой и узнаваемостью. Формообразование модуля также подчиняется конкретной инженерной задаче - обтекаемость, аэродинамичность как отдельной единицы, так и комплекса в целом должны проявлять максимальную ветроустойчивость. Также не стоит недооценивать цветовое решение - яркий цвет (в рамках проекта принят насыщенный красный) играет как эстетическую роль (внося цветовой резонанс в довольно монотонную окружающую среду острова), так и функциональную задачу - яркий цвет служит ориентиром для персонала станции в сложных метеоусловиях - туман, сильный дождь, снежная метель, буран и пр.;

- комфортность проживания и простота эксплуатации - значимость таких характеристик возрастает в условиях изоляции персонала станции от внешнего мира, вынужденного проживания в пределах замкнутого пространства и тесного коллектива.

Технологический и организационный процесс. Разработке и расчету подлежат такие характеристики, как рациональность и простота всех сопутствующих строительству процессов - удобство доставки компонентов модуля, оборудования и персонала на остров, простота сборки и монтажа модуля и несущего ядра, минимум технологических операций

Минимизация и упрощение строительных работ. Модульная концепция, оперируя такими понятиями как “мобильность”, “быстровозводимость” подразумевает упрощение или даже исключение ряда операций, неотъемлемых в случае стационарного капитального строительства. При таком подходе ключевым элементом становятся инженерная подготовка (земляные работы) и устройство фундамента.

Рациональность и простота принятых решений - это касается не только структурного модуля, что отмечалось выше, но и всех остальных аспектов - генерального плана, объемно-планировочных решений комплекса в целом, использование и аккумуляция ресурсов (в данном подпункте стоит особо выделить использование возобновляемых источников энергии). Так, генеральный план должен отличаться продуманной организацией и многофункциональностью дорог и маршрутов, путей следования и коммуникационных связей. Рациональный генплан с уместными подъездами, разгрузочными площадками, использованием рельефа значительно облегчают процесс возведения инфраструктуры и дальнейшей жизнедеятельности научно-жилого комплекса.

Дальнейшая информация является синтезом практических решений, отвечающих обозначенным выше тезисам.

3.2 Конструкция модуля как множественно определяющий фактор

Как отмечалось выше, ограждающие конструкции модуля, в силу своей функции, должны отвечать широкому набору параметров.

В выборе материала и характеристик этих конструкций я обратился к накопленному историческому опыту - как экспериментальному, так и серийному, неоднократно испытанному.

Уже с середины XX века отечественная строительная инженерия, в пику нарастающему по уровню активности освоения северных земель, проводила эксперименты с разнообразными типами ограждающих панелей - как с покрытием, так и утеплителем. Ответом на комплекс “северных” задач стало использование пластмасс и эффективных вспененных утеплителей. Результатом исследований и полевых испытаний стало следующее конструктивное решение - панель из стеклопластика с заполнением из полистирольного пенопласта. Два наружных слоя стеклопластика на основе полиэфирных смол толщиной 3-5 мм с доведением в конструктивно сложных местах (точки опирания, изгиба и пр.) до 8 мм и вклейкой в “тело” панели поперечных ребер жесткости из стеклопластиков обладают следующим набором характеристик:

достаточная конструктивная прочность при сборке, перевозке, монтаже и эксплуатации. Вкупе с внутренним несущим каркасом из алюминия такие панели обеспечивают цельность и жесткость собранного модуля;

Значительное снижение веса модуля в сравнении с металлической обшивкой;

непродуваемость и низкая инфильтрация воздуха;

привлекательный внешний вид, не требующий отделки;

стойкость к истиранию;

коррозионная и химическая стойкость, возможность к мытью агрессивными чистящими средствами.

Заполнитель из эффективного утеплителя, слой которого в среднем достигает 140 мм, позволяет достигнуть требуемых показателей теплоизоляции, и даже более. Из конструктивных соображений (повышение жесткости) толщина ограждающих конструкций принята большей, чем это следует из теплотехнического расчета. Сопротивление теплопередаче такой панели на 50-70% выше требуемой, что резко сокращает потери тепла модулем. Такой принцип, вкупе с полной герметизацией стен, стыков, соединений, оконных конструкций и отсутствием инфильтрации ощутимо сказывается на снижении требуемой мощности приборов отопления. Нельзя также не отметить роль пенопласта в облегчении подвесной конструкции модуля.