Формирование принципов устойчивости при проектировании зданий экологического типа Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Формирование принципов устойчивости

при проектировании зданий экологического типа

о см о см

!Л

О Ш

т

X

<

т О X X

Кузьмин Николай Юрьевич

старший преподаватель, НИУ Московский государственный строительный университет, [email protected]

В современных научных теориях по экологической безопасности строительства основное внимание уделяется глобальному влиянию строительной продукции на окружающую среду. В качестве основной техногенной единицы принимается готовый строительный объект, для которого определяется конечное множество факторов, осуществляют существенное влияние на экосистему. Установлено, что. поскольку процесс строительного производства, в сравнении с природными процессами, является краткосрочным и его воздействия носят временный характер, то таким влиянием от строительного производства очень часто пренебрегают. Такой подход является некорректным, поскольку в последние десятилетия участилась практика реализации крупномасштабных инвестиционно-строительных проектов, длительность которых превышает 2-3 года. Основными источниками загрязнений при строительных работах являются: буровзрывные работы, устройство котлованов и траншей, вырубка леса и кустарника, повреждения почвенного слоя и смыв загрязнений со строительной площадки, образование свалок строительного мусора, а также шум. Строительство создает дополнительную экологическую нагрузку и вызывает ухудшение здоровья людей. В работе приведены результаты исследования физико-химических свойств почв и проанализирован состав энтомофауны на участках строительства. На основе полученных данных можно сделать вывод, что грунты строительных площадок по своим свойствам заметно отличаются от естественных ненарушенных почв. Это проявляется, в первую очередь, в физических свойствах (объемный вес грунта на строительных площадках гораздо выше, чем на ненарушенных территориях, что свидетельствует о чрезмерном переуплотнения техникой во время строительства). Величина пустот-ности в верхнем горизонте достаточно низкая (43,5%), она изменяется хаотично, что указывает на плохие водопроницаемые свойства почвы.

Ключевые слова: Здание, экологизация, структура, развитие, устойчивое развитие.

Разработка прикладной формально-аналитической основы организации инженерной защиты территорий застройки в рекреационных зонах требует обоснования инструментального аппарата, который сочетает геологическое строение и геодинамические процессы грунтового массива побережья и базируется на современном подходе к применению компьютерных технологий численного моделирования напряженно-деформированного состояния с комплексным анализом реального естественного состояния территорий, находящихся под воздействием динамических нагрузок от воздействия волн [1]. Рабочая гипотеза организации строительства на принципах биосферности базируется на использовании экологических систем инженерной защиты с применением природных материалов, заглубленных подводных сооружений, которые гасят энергию волн, защищают прибрежную полосу и окружающей среды [2]. Поэтому на современном этапе развития, согласно концепции устойчивого развития, надо искать эффективный механизм адекватной оценки экологической ситуации, экологического регламентирования хозяйственной деятельности, в том числе строительства в пределах акватории, и прогнозирование последствий ее реализации [3]. Неотъемлемой частью биосферности является разработка энергоэффективных мероприятий путем применения экологических систем инженерной защиты побережья [4].

Использование современных расчетных комплексов позволяет пользоваться новыми возможностями проектирования инженерных конструкций для защиты побережья, что позволяет моделировать напряженно-деформированное состояние системы «основание - защитное сооружение» в широком диапазоне нагрузок, как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации [5]. Таким образом, проектировщик на разных стадиях прогнозирует вид опасного состояния (значение оседания, сдвига) или характер «отказа» одного из элементов системы «основа - защитное сооружение». Затем с помощью инженерных мероприятий, например, улучшения строительных свойств грунтов или изменением геометрических размеров инженерных конструкций, повысить надежность варианта [6]. Часто появляется возможность экономии материалов или повысить эффективность инженерных мероприятий [6].

Современные архитектурные тенденции и сложность рельефа участков строительства ставят задачи обеспечения надежной эксплуатации участков склонов и оврагов, граничащих с территорией застройки [7]. Кроме того, все чаще объекты жилищного строительства и городской инфраструктуры становятся причиной создания аварийно-опасных участков рельефа даже в тех местах, которые раньше считались стабильными [8]. Выполняется подрезка склонов и горных массивов, расширение акваторий морских побережий и дельт рек [9]. Для решения всех этих задач необходимо использовать

новейшие средства и технологии в области строительных материалов, технологии строительного производства, механики грунтов и других наук [10].

В работе используется методика, которая может учитывать развитие экологического воздействия за все время строительного производства, мониторинг текущего состояния экосистемы, а также удовлетворить потребность отрасли в управлении воздействием строительства на окружающую среду в течение всей продолжительности процесса строительного производства.

Строительство объекта рассматривается как строительная система - совокупность всех этапов строительного процесса и его участников, которая имеет обхекто-ориентированную направленность и реализованную в условиях влияния установленных факторов внешней среды [11]. Схематическая формализация проекта, выделение в его составе структурных элементов позволяет создать модель, которая может быть подвергнута дальнейшему исследованию. Анализ модели позволяет сделать вывод о наличии в структуре устойчивых связей - это позволяет рассматривать их как стандартные самостоятельные элементы и изучать поведение всей системы, исследуя ее отдельные части [12].

Показатель биосферной совместимости материалов и изделий является комплексным показателем, учитывающим влияние на биосферу добычи сырья, транспортировку на заводы строительной индустрии, изготовление материала или изделия, его складирование и хранение на складах заводов [13].

Этот показатель предлагается рассчитывать по формуле (1):

• ■

к = п,св.г:

ы

А

N

(2)

■ 0, с!, =0,993;

[х2=М,

¿/,=0,37.

(3)

(1)

где - М.пг/ _ показатель выбросов ]-го загрязняющего вещества в воздух на единицу объема ьго материала или изделия, который рассчитывается по формуле (1), где:

где N - нормативно допустимое значение выбросов j-го загрязняющего вещества на единицу объема ьго материала; х - фактическое значение выбросов j-го загрязняющего вещества на единицу объема ьго материала. Формула (2) получена по формулам (1) при:

_ весовой коэффициент ]-го загрязняющего вещества воздуха для ¡-го материала; к - количество загрязняющих веществ в ¡-м материале; ^м.сву - показатель сброса j-го загрязняющего вещества в сточные воды на единицу объема ¡-го материала или изделия, который рассчитывается по формулам (1) и (2); тм.сву

- весовой коэффициент ]-ой загрязняющего вещества

водного бассейна для ¡-го материала; ^М.гу _ показатель загрязнения почв j-й загрязняющего веществом на единицу объема ¡-го материала или изделия, который

рассчитывается по формулам (1) и (2); ^М.гу _ весо_ вой коэффициент ]-ой загрязняющего вещества почв

для ¡-го материала или изделия; ^М.га _ комплексный показатель выбросов загрязняющих веществ в воздух

на единицу объема ¡-го материала или изделия; ^М.св/

- комплексный показатель сбросов сточных вод в водные бассейны на единицу объема ¡-го материала или изделия; ^м.г/ - комплексный показатель загрязнения почв на единицу объема ¡-го материала или изделия;

^М.е? _ показатель энергоемкости строительной продукции на единицу объема ьго материала или изделия, который рассчитывается по формулам (1) и (2), где N -нормативно допустимый расход энергии на изготовление единицы объема данного материала, х - фактический расход энергии на единицу объема; £^М.вг - показатель восстановления природной среды на изготовление ьго материала или изделия, рассчитываемого по формуле (1), где:

---Ж + 1,666

N (4)

где N - количество лет эксплуатации материала в здании до его полного замены; V - объем материала в здании; х - количество лет, необходимых природе на восстановление повреждений, связанных с изготовлением единицы объема материала или изделия. Формула (4) получена по формулам (1-2) при: [х, = Л', с(1 = 0,8;

[х2 = 2ы, ах= 0,37. (5)

Это обосновывается тем, что если природа восстанавливается быстрее разрушается материал, то это очень хорошо, а если на восстановление требуется в 2 раза больше времени, чем срок эксплуатации материала, то это уже неудовлетворительно.

^М.17 - показатель влияния на здоровье населения на единицу объема ьго материала или изделия, который рассчитывается по формуле [14]:

М.31_1 / , \'" М-а 1

с1

М.з*

— (^М.чг I )

(^Мз/ 2)

(6)

Это обосновывается тем, что при отсутствии выбросов материал не вредит экологии, а при выбросах больше установленной нормы-оценка неудовлетворительная.

где Мзг_1 _ показатель риска неканцерогенных эффектов на здоровье населения единицы объема ьго материала или изделия, которая определяется по формуле:

у-III I (7)

где Н1 - индекс опасности развития неканцерогенных эффектов;

у=-0,383-1ё(СД„)-1,52 (8)

х х О го А С.

X

го т

о

2 О

м о

о см о см

1Л

О Ш

т

X

3

<

т О X X

где CRa - канцерогенный риск комбинированного действия нескольких канцерогенных веществ.

Формула (7) и аналогичная ей (8) получены из системы уравнений:

Ь -

п1Мт, '"Мл

Щл.«> '"М.

/»М.э

^ =0,63;

л'2 = 10-4, с!2 =0,37, (9)

Выбор логарифмической функции обосновывается тем, что градация влияния имеет логарифмическую шкалу. Сопоставление оценки влияния по шкале желательности дает возможность зафиксировать соотношение Х1 и d1 и х2 и d2. При значении х=10-3 по формуле (1) получаем d=0,233, что удовлетворительно соответствует условию «очень плохо» [15].

тм.з1_1 _ весовой коэффициент показателя риска

неканцерогенных эффектов; 2 _ весовой коэф-

фициент показателя риска канцерогенных эффектов;

^М.сг - показатель социального риска воздействия изготовления ьго материала или изделия на единицу его объема, который рассчитывается по формуле (1), где:

;> =-0,383 1,52, (10)

где - социальный риск;

- весовые коэффициенты соответствующих показателей;

- показатель биосферной совместимости ¡-го материала или изделия на единицу его объема;

V

' - объем ¡-го материала или изделия в здании.

Показатель биосферной совместимости этапа строительства Dб является комплексным показателем, который учитывает влияние на биосферу технологических процессов строительства, включая транспортировку изделий и материалов с заводов строительной индустрии или непосредственно с мест добычи. Этот показатель предлагается рассчитывать по формуле (9), где индекс «М» заменяется на индекс «Б», при этом члены, входящие в формулу, будут иметь следующие значения:

^Б.пу, ^Б.сву, ^Б.г// _ показатели выбросов соответственно в воздух, сточные воды и почву j-го загрязняющего вещества на единицу объема ьго технологического процесса, которые рассчитываются по формулам (11) и (10), где N - нормативно допустимое значение выбросов j-го загрязняющего вещества на единицу объема ьго технологического процесса; х - фактическое значение выбросов j-го загрязняющего вещества на единицу объема ¡-го технологического процесса;

твЩ, ШБ.сву, даЬ-г,/ _ весовые коэффициенты показателей загрязнения соответственно воздуха, сточных вод и грунта j-го загрязняющего веществом для иго

технологического процесса; к - количество загрязняющих веществ, выбрасываемых при проведении 1-го технологического процесса;

<^Б.пь ^Б.свЬ ^Б.гг _ комплексные показатели выбросов соответственно в воздух, сточные воды и почву загрязняющих веществ на единицу объема ьго технологического процесса;

^Б.ег _ показатель энергоемкости единицы объема ¡-го технологического процесса, который рассчитывается по формулам (1) и (11), где N - нормативно допустимый расход энергии на единицу объема ьго технологического процесса, х - фактический расход энергии на единицу объема ¡-го технологического процесса; ^Ъ.т - показатель восстановления природной среды на единицу объема ьго технологического процесса, который рассчитывается по формулам (1) и (11), где N - количество лет эксплуатации конструкции, материала или изделия, созданные (смонтированные) в здании до их полной замены в результате проведения ьго технологического процесса, х - количество лет, необходимых природе на восстановление повреждений, связанных с проведением единице объема ¡-го технологического процесса;

- показатель воздействия на здоровье населения на единицу объема ьго технологического процесса, который рассчитывается по формуле (12) при замене индекса «М» на индекс «Б», при этом члены, входящие в формулу будут иметь следующие значения:

^Бзг 1 _ показатель риска неканцерогенных эффектов на здоровье населения единице объема ьго технологического процесса, что определяется по формулам

(1) и (15);

^Бзг 2 _ показатель риска канцерогенных эффектов на здоровье населения единицы объема ьго технологического процесса, определяется по формуле (1) и (16);

тъ.г1 1 _ весовой коэффициент показателя риска неканцерогенных эффектов; весовой коэффициент показателя риска канцерогенных эффектов; -показатель социального риска влияния ьго технологического процесса на единицу его объема, который рассчитывается по формуле (1) и (18); тв

.пЬ

тБ

.свЬ

тъ

.гЬ

т Б

.еЬ

т Б тъ .3 ¿3 тъ

весовые коэффициенты соответствующих показателей.

•^Бг - показатель биосферной совместимости ¡-го технологического процесса на единицу его объема;

Vi - объем ьго технологического процесса при строительстве здания.

Рассмотрим на примере противодействию ухудшению экологической ситуации при строительстве экологичного здания. Расчеты устойчивости склона проводились в 7 этапов. Подобный расчет возможен благодаря реализованному поэтапном погрузке или разгрузке, монтажу и демонтажу элементов схемы. То есть реализовано моделирование нелинейных загрузок.

Первый этап - это моделирование СЭМ склона и определение напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

На втором и третьем этапах смоделировано постепенное ухудшение физико-механических характеристик вследствие влияния повышения уровня грунтовых вод.

Перед началом этого этапа необходимо обнулить перемещения, определенные на предыдущем этапе.

Затем в течение 4-6 этапов происходит установка га-бионных матрасов.

На седьмом этапе устанавливаются габионы на уровне ИГЭ-3 с целью прекращения дальнейшего разрушения известняка.

Склон выше уровня воды согласно проекту закреплен габионами коробчатой формы. Закрепление выполнено в зоне обвала известняка (рис. 3). Выше по склону закрепления не предусмотрены, так как учтено то, что закрепление нижней части склона позволит остановить разрушение береговой линии и дальнейший обвал верхних слоев почвы.

Ниже приведены горизонтальные перемещения элементов склона после изменения гидрогеологического состояния и после установки защитных конструкций.

До установки габионов

71,5

Рисунок 1. Этапы расчета устойчивости склона Этап 1. Грунтовый массив. Этапы 2-3. Изменение характеристик почвы из-за изменения гидрогеологического режима. Этапы 4-6. Установка габионных матрасов. Этап 7. Установка коробчатых габионов

Выше приведены схемы, где видно постепенное укрепление склона с помощью габюних матрасов, и дальнейшее укрепление склона уже непосредственно габионами (рис. 1). Укрепление береговой зоны разработаны с учетом свойств такого типа откосов, а именно - береговые откосы можно условно поделить на три части - подводная зона, зона переменного режима и неза-тапливаемая зона. Наличие этих зон обуславливает использование различных материалов и методов укрепления побережья.

Для укрепления подводной и зоны переменного режима использованы габионные матрасы, так называемые матрасы «Рено» с ПВХ покрытием - поливинилхло-рид защищает от коррозии и обладает устойчивыми характеристиками относительно агрессивной среды. Форма и конструкция этих матрасов позволяет покрывать большие наклонные поверхности, повторяя рельеф. На незатопляемой зоне, согласно расчетам и данных геологических изысканий, происходят процессы разрушения и обвала грунта, поэтому необходимо закрепить верхнюю часть склона.

После установки габионов

Рисунок 3. Перемещение по оси Х, мм

Проанализировав горизонтальные перемещения, можно увидеть, что установка защитных конструкций в нижней части склона способствует стабилизации откоса. Горизонтальные перемещения на уровне водона-сыщенного грунта в нижней части склона почти в 3 раза ниже, чем перемещение габионных матрасов, удерживающих почву в этой зоне. Ниже на рис. 4 показаны зоны пластических деформаций.

Рисунок 2. Вертикальные перемещения склона на этапе устройства габионных матрасов

Рисунок 4. Зоны пластических деформаций

Получив результат нелинейного расчета, имеем возможность увидеть зоны пластичности в элементах

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м о

схемы и прогнозировать развитие потенциальных кривых скольжения в этих зонах.

На рис. 5 можно увидеть сформированные касательные напряжения после усиления склона габионными конструкциями.

о сч о сч

in

О Ш

m

X

3

<

m о х

X

Рисунок 5. Касательные напряжения, т/м2

Следует заметить, что несмотря на то, что выбранный метод конечных элементов является одним из самых распространенных на сегодняшний день методов расчета задач устойчивости ограждающих конструкций с учетом поэтапного возведения и геологических изменений физико-механических характеристик грунта, необходимо признать, что данный подход к решению поставленной задачи не учитывает ослабление жесткост-ных характеристик элементов ограждения защитных конструкций в местах стыка отдельных плит ограждения, а также изменения механических характеристик грунтов в зонах стыков, за счет изменения гидрологического состояния окружающей почвы.

Обоснована возможность применения инструментов динамического анализа для нужд динамической (оцениваемой в текущих координатах времени информационно-строительного цикла проекта) стохастической оценки уровня биосферной направленности строительства, в сравнении с ведущими организационно-техническими характеристиками. Это создает надлежащие научные основания для выбора вариантов организации строительства, что является рациональными одновременно и с позиций биосферности, и с позиций удовлетворения ожиданий ведущих участников реализации проекта. На основе применения динамического анализа выявлено влияние факторов среды проекта на итоговый уровень биосферности.

Formation of principles of sustainability in the design of buildings of ecological type Kuzmin N.Yu.

NRU Moscow State University of Civil Engineering Modern scientific theories on environmental safety of construction focus on the global impact of construction products on the environment. As the main technogenic unit, a ready-made construction object is accepted, for which a finite set of factors that have a significant impact on the ecosystem is determined. It is established that. since the process of construction production, in comparison with natural processes, is short-term and its effects are temporary, such influence from construction production is very often neglected. This approach is incorrect, because in recent decades, the practice of implementing large-scale investment and construction projects, the duration of which exceeds 2-3 years, has become more frequent. The main sources of pollution during construction work are: blasting, excavation of pits and trenches, cutting of forests and bushes, damage of soil erosion and contaminants from construction sites, waste dumping construction waste and noise. Construction creates an additional environmental burden and causes deterioration of peo-

ple's health. The paper presents the results of research of physical and chemical properties of soils and analyzes the composition of entomofauna on construction sites. Based on the data obtained, it can be concluded that the soils of construction sites differ markedly in their properties from natural undisturbed soils. This is manifested primarily in physical properties (the bulk weight of soil on construction sites is much higher than on undisturbed territories, which indicates excessive over-compaction of equipment during construction). The amount of voidness in the upper horizon is quite low (43.5%), it changes randomly, which indicates poor water-permeable properties of the soil.

Keywords: Building, greening, structure, development, sustainable development.

References

1. Lindow, E. S., & Michener, M. L. (2007). Retrofitting a green roof on an existing facility: A case history. Journal of ASTM International, 4(10). https://doi.org/10.1520/JAI101048

2. Lindow, E. S., & Michener, M. L. (2007). Retrofitting a green roof on an existing facility: A case history. In ASTM Special Technical Publication (Vol. 1504 STP, pp. 65-72).

3. Doyle, J. T., Brown, R. B., De Leon, D. P., & Ludwig, L. (2009). Building green - Potential impacts to the project schedule. In AACE International Transactions.

4. Salama, M., & Hana, A. R. (2013). Uae green building strategic model. In Proceedings 29th Annual Association of Researchers in Construction Management Conference, ARCOM 2013 (pp. 1321-1330).

5. Guarneri, A. B. (2014). Architect werner schmidt's straw-bale construction. Key Engineering Materials, 600, 727-738. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.600.727

6. Chang, A. P., Chu, T. J., Hwang, C. L., & Lin, J. D. (2015). Study of scope of intelligent green building project management definition. In Environmental Science and Information Application Technology - Proceedings of the 2014 5th International Conference on Environmental Science and Information Application Technology, ESIAT 2014 (pp. 7-13).

7. Bitskaya, M. (2018). Ecologically adaptive receptions control the number of pests in the ecosystems of transformed at the forest reclamation. World Ecology Journal, 8(2), 1-10. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2018.2.2.001

8. Taran, S., & Kolganova, I. (2018). Optimization of park plantings in the regions of Rostov-on-Don and Novocherkassk by introducing into gardening species of the genus ACER L. World Ecology Journal, 8(3), 56-70. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2019.31.46.004

9. Tsembelev, M. (2018). Studies on the drought tolerance of species of the genus CELTIS L. for forest reclamation plantations. World Ecology Journal, 8(3), 71-85. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2019.44.92.005

10. Atanda, J. O., & Olukoya, O. A. P. (2019). Green building standards: Opportunities for Nigeria. Journal of Cleaner Production, 227, 366-377. https://doi.org/10.1016/jjclepro.2019.04.189

11. Econie, A., & Dougherty, M. L. (2019). Contingent work in the US recycling industry: Permatemps and precarious green jobs. Geoforum, 99, 132-141. https://doi.org/10.1016/j.geofo-rum.2018.11.016

12. Raouf, A. M., & Al-Ghamdi, S. G. (2019). Effectiveness of Project Delivery Systems in Executing Green Buildings. Journal of Construction Engineering and Management, 145(10). https://doi.org/10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0001688

13. Abhijith, K. V, Kumar, P., Gallagher, J., McNabola, A., Baldauf, R., Pilla, F., ... Pulvirenti, B. (2017). Air pollution abatement performances of green infrastructure in open road and built-up street canyon environments - A review. Atmospheric Environment, 162, 71-86. https://doi.org/10.1016/j.at-mosenv.2017.05.014

14. McMahon, V., Garg, A., Aldred, D., Hobbs, G., Smith, R., & Tothill, I. E. (2008). Composting and bioremediation process evaluation of wood waste materials generated from the construction and demolition industry. Chemosphere, 71(9), 16171628. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2008.01.031

15. Schwager, J., Irles, A., Thiriat, J., Claverie, R., Ruban, V., & Morel, J.-L. (2014). Conception of multi-function green roofs to improve water quality and to enhance urban biodiversity [Concevoir des toitures végétalisées multifonctions en vue de l'épuration des eaux pluviales et du développement de la biodiversité urbaine]. Techniques - Sciences - Methodes, (6), 45-57.