Концептуальное проектирование жилища для Арктики и Антарктиды Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Современное проектирование

шШстм

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624:699.86

В.А. ПУНТУС1, канд. архитектуры (puntusva@mail.ru); К.К. МЯСЕПП2, канд. техн. наук

1 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4) 2 Санкт-Петербургский государственный академический институт живописи, скульптуры и архитектуры им. И.Е. Репина

(199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 17)

Концептуальное проектирование жилища для Арктики и Антарктиды

Приведены материалы по методическому проектированию жилых комплексов для Арктики и Антарктиды. Даны общие характеристики условий проектирования для данных регионов. На основе поиска аналогов и задания на проектирование приведены принципы конструирования и направления развития предлагаемых концепций. Показано, что практический интерес представляет создание приближенных методов расчета сопряженных тонкостенных элементов, базирующихся на упрощенных гипотезах и уравнениях: теории плоского кривого бруса, теории криволинейных стержней, прикладной теории пластин и оболочек.

Ключевые слова: энергосбережение, Арктика, Антарктида, высокие широты, мобильные, быстровозводимые и инвентарные здания; объемно-пространственные и архитектурные решения, концепция инженерно-конструктивных решений, отечественные и зарубежные нормативные источники, оболочки и системы подкрепления оболочек, принципы конструирования.

V.A. PUNTUS1, Candidate ofArchitecture, (puntusva@mail.ru); K.K. MIASEPP2, Candidate of Sciences (Engineering) 1 Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2-nd Krasnoarmeiskaya Street,190005 St. Petersburg, Russian Federation) 2 Saint-Petersburg State Academic Institute of Painting, Sculpture and Architecture named after I.E. Repin (17, University Embankment, 199034, St. Petersburg, Russian Federation)

Conceptual Designing of Housing for the Arctic and Antarctic

Materials on methodical designing of housing complexes for the Arctic and Antarctic are presented. General characteristics of the design conditions for these regions are given. On the basis of the search for analogues and the design assignment, principles of the design and ways of the development of proposed conceptions are presented. It is shown that the practical interest is the creation of approximate methods for the calculation of interconnected thin-walled elements based on the simplified hypotheses and equations: the theory of flat curve beam, the theory of curved bar, and the applied theory of plates and shells.

Keywords: energy saving, Arctic, Antarctic, high latitudes, mobile, quickly erected and inventory buildings; space and architectural solutions, concept of engineering and structural solutions, domestic and foreign normative sources, shells and shell reinforcement systems, design principles.

В настоящее время продолжается широкое изучение и неуклонное освоение приполярных и заполярных малообжитых районов Арктики, а в перспективе и ресурсов Антарктиды.

Многие страны проявляют большой интерес к планомерному изучению и освоению так называемых высоких широт (согласно рекомендации Женевской конференции 1964 г. территории, лежащие севернее 66°33 северной или южной широты, следует обозначать термином «высокие широты»). В нашей стране их часто называют Крайним Севером, Заполярьем, Арктикой.

Поэтому актуальность обращения к обозначенной теме не вызывает сомнений, более того, целесообразно именно комплексное обозначение границ исследования. В связи с этим в зону научно-проектных поисков попали как арктические, так и антарктические поселения: станции, обсерватории (обсерваторией является научно-исследовательская база, проводящая комплексные круглогодичные работы и, как правило, имеющая численность 20-50 чел.).

Напомним, что многие открытия в высоких широтах сделаны русскими экспедициями. В период 1819-1821 гг. русскими мореплавателями открыто и нанесено на карты око-

12| -

ло 60 островов и архипелагов в районе Антарктики и Океании, а о. Южная Георгия, являющийся субантарктической зоной, из-за которого возник военный конфликт между Аргентиной и Британией в 1982-1984 гг., также открыт русской экспедицией Ф. Беллинсгаузена.

Как удалось выяснить в ходе исследований, темпы развития архитектуры Антарктики в сравнении с арктической зоной гораздо выше [1, 2]. Это, в частности, определяется следующими причинами:

- по договору об Антарктиде (1958 г.) эта территория не принадлежит ни одной из стран; по данной причине разворачивать строительство традиционных городов и поселков нецелесообразно, содержать военный контингент допускается, но без оружия;

- образ жизни полярников, а также ученых-исследователей шестого континента практически мало отличается от контингента военных, включая дневальные службы, дисциплину, ограничения по присутствию во время зимовки женского персонала и т. д.;

- в связи с этой причиной очень высокими темпами развивались не примитивные жилища (как у народов Севера - ютра, кувакса, чум и др.), а полносборные легкие, проду-

^^^^^^^^^^^^^ 1'2015

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 1. Станция Принцесса Елизавета, Бельгия (http://www.antarcticstation.org/, дата обращения 14.02.2015): а — общий вид; б — на схеме плана Антарктиды; в — ветроэлектрогенераторы

манные с точки зрения всех логистических законов мобильные и быстровозводимые типы зданий;

- строительство в Антарктиде вообще не имеет цели обеспечения жилищно-бытовыми условиями «коренного» населения, его в строгом смысле понятия там нет;

- сама площадка строительства - Антарктида как будто бы специально создана для отработки моделей инженерных объектов для последующего планетарного освоения Луны и Марса;

- Антарктида является наиболее характерной криогенной зоной планеты. Скорости стоковых ветров, как нигде на планете, достигают величин около 100 м/с, а температуры - 90оС;

- доставка на континент топлива очень дорога и обременительна, поэтому есть предпочтения для развития экологически чистых, и по этим причинам оправданных, возобновляемых источников энергии;

- в отдельных случаях целесообразны также поиски решений с замкнутым циклом водопотребления (примером этому является бельгийская станция Принцесса Елизавета).

Предваряя дальнейшие рассуждения, следует остановиться на «модели освоения и развития поселений в Арктике и Антарктике по современному состоянию»:

- социальная концепция проживания с частичным семейным контингентом, т. е. с женщинами и детьми дошкольного возраста;

- концепция объемно-пространственного и архитектурного решения;

- ведущими факторами выделяются объемы, не вызывающие значительных снегозаносов, устойчивые к сильной ветровой нагрузке и компактные в функциональном и теплотехническом отношении;

- предпочтительны положения концепции инженерно-конструктивных решений (Пунтус В.А., Шаповальников В.Н., Данилов А.И. и др. Отчет о научно-исследовательской работе в рамках 3-го направления по научно-методическому руководству гидрометеорологической сетью в Арктике и стандартными наблюдениями в Антарктике «Современные санитарные регламенты при устройстве и оборудовании ТДС (трудно доступных станций) Росгидромета. Заключительный. Тема 3.1.5. плана НИОКР Росгидромета на 2006 г. УДК 551.46.(02): 613.1, инв. № Р-5591. СПб, 2006. 57 с.), базирующиеся на применении оболочек, суперблоков и зданий мобильного типа [1-3];

- концепция энергосберегающего строительства в условиях высоких широт заключается в комплексном использовании форм конструкций, этажности, легких многослойных ограждений нового поколения;

- использование возобновляемых видов энергии;

- применение инженерных решений, частично использующих местные материалы;

- применение санитарно-технических и инженерных решений, адекватных экстремальным условиям рассматриваемых регионов (водоснабжение, электроснабжение, канализация);

- концепция внутреннего пространства, соответствующая особенностям изолированного существования контингента полярников;

- принципы положения и основы экологической безопасности жилища в Арктике и Антарктике.

Идея осуществления предлагаемого авторами подхода базируется на концептуальном проектировании и строительстве в зонах Арктики и Антарктики исходя из опыта применения мобильных, быстро возводимых и инвентарных зданий.

Практика применения этого класса легких зданий соответствует ограничениям по строительству в короткий строительный сезон (в Арктике июль - сентябрь, в Антарктике декабрь - март).

Легкие здания отличает принципиальная направленность на производство из модульных, легко собираемых и разбираемых конструкций, по возможности префабри-цированного типа с сокращением построечных процессов на месте возведения комплекса. В особенности это касается производства работ, связанных с мокрыми строительными процессами. Приветствуется и так называемая сухая сборка.

Для последовательного развития формирующегося подхода необходимо сформулировать следующие цели и задачи.

Цель исследовательской работы: создание перечня требований для проектирования и исследования объемов и конструкций на примере металлических оболочек и комбинированных конструктивных схем.

Задачи исследования: провести анализ существующих отечественных и зарубежных примеров наиболее прогрессивных видов строительства и архитектурно-планировочных и объемных решений; выявить и реализовать информационную модель процесса исследования и проектирования; отобрать перспективные архитектурно-конструктивные элементы зданий; разработать нормативно-справочную базу для получения необходимой информации во время проектирования; сформулировать средства формирования предметно-пространственной среды обитания полярников.

Поиск аналогов. Аналогами станционного строительства в российской Арктике и приоритетной зоне Антарктики могут стать предпроектные поисковые проработки как отечественных авторов прошлых лет, так и современные примеры строительства в высоких широтах.

1'2015

13

Современное проектирование

шШстм

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 2. Сравнительная схема формотиповрассматриваемых аналогов

В ряду появившихся за последние пять лет на шестом континенте объектов особое место занимает станция Принцесса Елизавета.

Она практически не выбрасывает углекислый газ во внешнюю среду. Нулевая эмиссия обеспечена благодаря большим солнечным батареям и ветровым турбинам, которые дают необходимую электроэнергию и горячую воду.

Солнечные батареи работают в течение полярного дня, турбины эффективны во время полярной ночи. Вода в душах и туалетах очищена специальными бактериями и использована повторно до пяти раз. В трехэтажном корпусе станции, похожей на корабль НЛО, даже окна устроены так, чтобы сохранять тепловую энергию.

Одними из самых современных станций в Антарктиде являются построенные в последние годы сооружения Китая, Южной Кореи, Индии и Британии (рис. 1-4).

Все рассматриваемые архетипы аналогов представляют собой четыре основные группы (рис. 2):

- прямоугольные параллелепипеды и их простейшие генерации;

- многогранные призмы, их группировки и некоторые производные;

- простейшие тела вращения, цилиндры, цилиндроиды;

- комплексы на базе трилистников (рис. 4).

Концептуальное проектирование. В процессе постоянного методического проектирования авторами были отработаны многочисленные варианты (рис. 3) композиционных и конструктивных построений отдельных объемов, их групп и сочетаний (всего по теме представлены 22 проекта).

Ниже показаны некоторые основные их виды, отобранные по группе факторов, среди которых значимыми принимались соответствующие концепции мобильности, т. е. воз-

Задание на проектирование

Наименование объекта Полярная станция-обсерватория на 15-20 человек

Местоположение Югорский п-ов, у пр. Югорский Шар

Вид строительства Новое

Стадийность проектирования Эскизный проект

Общие требования Запроектировать комплекс зданий и сооружений, включающий жилые и служебные помещения, генераторную, гараж и эллинг

Основные требования к архитектурно-планировочным решениям Здания аэродинамичной формы, приподнятые над уровнем земли на сваях согласно принципам сохранения вечно мерзлых грунтов. Выполнить требования ориентации по сторонам света в соответствии с соображениями наименьшей снегозаносимости и ветрового давления

Основные требования к конструктивным решениям Использовать легкие, комбинированные, эффективные конструкции. Свайное основание из железобетонных стоек или металлических труб. Ограждающие конструкции многослойные с применением эффективных минераловатных, полимерных и других заполнителей, в отделке - натуральные материалы (картон, текстиль, пробка, бумага, натуральная древесина), облицовка - коррозионно-стойкий металл. Возможен вариант устройства металлических оболочек

Особые требования Гаражи и эллинги на 6 сухопутных и 3 водных вида транспорта, при блоке начальника станции - оружейная (2 помещения)

Нормативные источники ГОСТ 22853-86 «Здания мобильные (инвентарные). Общие технические требования»; ГОСТ 25957-83 «Здания и сооружения мобильные (инвентарные). Классификация. Термины и определения»; ГОСТ 4.252-84 «СПКП. Строительство. Здания мобильные (инвентарные). Номенклатура показателей. Общие технические условия»; ГОСТ 23274-84 «Здания мобильные (инвентарные). Электроустановки. Общие технические условия»; ГОСТ 23345-84 «Здания мобильные (инвентарные). Системы санитарно-технические. Общие технические условия»; наиболее прогрессивные стандарты и регламенты зарубежных стран: Canadian Home Builders Association, Ontario,Ottawa 1989. 286 p.; Сanadian Home Builders Association, Assotiation Саnadienne des constructeurs, 20011; NFPA 501B - 2000. Standart for Mobile Homes, USA; BS 3632: 2005. Residential park homes. Specification. British Standarts, 20014

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 3. Общая схема архетипов форм устойчивых композиций, полученных в процессе проектирования: 1 — неправильный трилистник; 2 — крестовидная композиция; 3 — «самолетик»; 4 — треугольник; 5 — шестигранник; 6 — восьмигранник; 7 — купол

Рис. 4. Подкрепления оболочки в местах концентрации напряжений: а — ребристое продольное подкрепление; б — ребристое поперечное подкрепление; в — подкрепление трубы опорного элемента; г — подкрепление оконного проема (иллюминатора); д — подкрепление вертикальной шахты выхода

Рис. 5. Сравнительная схема архетипов на основе некоторых проектов отсутствующих у аналоговых

можности быстрого возведения, а также передислокации; функциональная простота и компактность; соответствие требованиям эксплуатации в арктической зоне.

При разработке эскизного проекта была сформулирована основная группа требований, изложенная в «задании на проектирование» (см. таблицу).

При методическом проектировании оценивалась оригинальность и простота объемно-планировочного решения генерального плана комплекса обсерватории, соответствие заданию на проектирование и особым требованиям, предъявляемым к зданиям, строящимся в зоне Арктики. Для всех предложений были приняты единые требования к размещению комплекса в отдельных функциональных блоках.

Предполагается возведение комплекса из 6 зданий. Основной блок: жилые помещения, душевые, кают-компания и комната отдыха, спортзал, кухня, столовая, библиотека, подсобные помещения. Блок начальника станции: жилые помещения, комната связи, оружейная.

Рабочий блок: помещения для различного рода исследований, компьютерный центр, подсобные помещения. Генераторная.

Блок складских и гаражных помещений. Эллинг.

Принципы конструирования. Для обозначения подходов к проектированию объемных модулей, предназначенных для формирования подобных комплексов, необходимо понимать суть работы предназначенных для этого конструкций. Еще в 1963 г. С.П. Тимошенко и С. Войновский-Кригер (С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер. Пластины и оболочки / Пер. с англ. / Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Наука, 1963. 635 с.) отметили, что данные конструкции могут быть рассмотрены как оболочки по аналогии с резервуарами или сосудами. В отличие от технических сосудов и резервуаров в данном случае необходимо большое количество сопряженных элементов (дверные и оконные проемы, узлы опор, узлы выхода вертикальных коммуникаций и др.). Сопряжен-

1.

ные элементы конструкции находят самое широкое применение в различных областях техники: подводных и надводных кораблях, авиастроении, машиностроении, химической, пищевой и газовой промышленности и др.

Общим для всех конструктивных форм сопряжения элементов является совместная работа под нагрузкой. При этом под основным элементом понимается элемент, который подвергается непосредственным силовым воздействиям, например корпус сосуда. Под подкрепляющим - элемент, которому передаются усилия от основного элемента, например: патрубки, штуцеры, подкрепления отверстий и вырезов, опорные элементы оболочечных строительных конструкций. Существенная роль в обеспечении надежности и долговечности сопряженных элементов сосудов и аппаратов отводится фактору концентрации напряжений, т. е. местному увеличению напряжений из-за концентратов: отверстий, вырезов, переходов одной оболо-чечной конструкции в другую и т. д. Подкрепляющие элементы, устанавливаемые на кромках отверстий и вырезов, предназначаются для снижения возникающей концентрации напряжений.

В расчетной и проектной практике назначение размеров подкреплений производится из условия ограничения максимальных приведенных напряжений на кромке выреза пределу текучести материала sТ. При оценке местной прочности сопряженных элементах конструкций сосудов и аппаратов химической, пищевой промышленности и кот-лостроении существуют два направления. Первое из них берет начало из практики проектирования клепаных сосудов и аппаратов и сводится к требованию, согласно которому корпус сосуда с вырезом при действии внутреннего давления должен быть равнопрочным корпусу сосуда при отсутствии выреза. Это требование считается выполненным, если площадь удаленного металла в главной плоскости сопряжения равна площади подкрепления. Такой подход заложен и в стандарте ГОСТ 24755-89 «Нормы и методы расчета на прочность укреплений отвер-

Современное проектирование

шШстм

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 7. Так называемые блок-контейнеры типа ЦУБ — цилиндрические унифицированные блоки (а). Модели, аналогичные блокам типа ЦУБ, в сборке; проверка на эксперименте (б)

Рис. 6. Методическое проектирование объемов тороидального и эллипсоидного типов на основе оболочечных конструкций

стий». Второе направление основано на расчетных методах определения концентрации напряжений и необходимости проведения проверочных расчетов узлов сопряжений. При этом считается, что оцениваемые напряжения по характеру своего воздействия являются местными и малые пластические деформации допускаются. В данном рассматриваемом примере оболочки система подкреплений превращает ее из тонкостенной в ребристую оболочку. Это вполне обоснованно, так как при воздействии распределенной пульсирующей нагрузки от ветрового потока с усилием 1000 Па ребристые усиления необходимы по двум причинам:

- препятствие сминанию тонкой стенки;

- предотвращение продавливания от закручивающего момента, особенно при неравномерной осадке опор (рис. 4).

В то же время расчет конструкций не должен исключать метода конечных элементов. Сама расчетная схема должна быть основана на двухоболочечном варианте с наружной прочной оболочкой и внутренней ограждающей. Ребристые элементы скрываются в теплоизоляционном слое.

При этом практический интерес представляет создание приближенных методов расчета сопряженных тонкостенных элементов, базирующихся на упрощенных гипотезах и уравнениях: теории плоского кривого бруса, теории криволинейных стержней, прикладной теории пластин и оболочек. Это направление не утратило своего значения и в настоящее время, несмотря на широкое внедрение в расчетную практику персональных компьютеров.

Использование приближенных методов, построенных на простых и физически наглядных моделях (расчетных схемах), позволяет быстро и с достаточной для практики точностью производить оценку напряженно-деформированного состояния узлов конструкций, учитывать взаимное влияние сопрягаемых элементов, их размеры, форму и принимать те или иные решения по конструктивному оформлению узлов (рис. 5, 6). Расчет вариантов может производиться на персональных ЭВМ с использованием программных продуктов.

Возможные направления эффективности предлагаемой концепции. Необходимо отметить, что в 1983 г. введен проект комплекса для зимовочного состава части контингента ст. «Молодежная» в составе 29-й САЭ (Советской антарктической экспедиции). В.А. Пунтус в составе 32-й и

Рис. 8. Авторское поисковое предложение вертикальных цилиндрических форм зданий. Макет участвовал в модельных экспериментах, 1987г., 33-я САЭ (а). Недавно построенная китайская станция (б)

33-й САЭ участвовал в доукомплектовании и окончательной установке комплекса на точке (рис. 7). В то же время были проведены параллельные эксперименты на моделях цилиндрических форм (рис. 8). Следует заметить, что сооружение в целом оказалось устойчивым к воздействию снегопереноса и отрицательных температур. Перед установкой блоков ЦУБ на фрагменте модели комплекса проводились метелевые испытания объемов на снегозанос. Резуль-

Рис. 9. Конкурсное предложение: а — научно-туристический центр для станции Беллинсгаузен на 300 зимовщиков и 500 чел. в сезонный период, 1990. Студент Е. Ледовская. Работа выполнена под руководством В.А. Пунтуса, публикуется впервые; б — станция Южной Кореи Джангбого, построена в 2013 г.

Научно-технический и производственный журнал

таты были положительные. В данный момент комплекс передан для использования научной экспедиции Республики Беларусь.

В процессе исследования темы и приближения к практическому результату (эскизное проектирование) в течение 2014 г. авторами намеренно выбраны передовые тенденции в проектировании и строительстве в зонах Арктики и Антарктики, так как именно в них мировое сообщество генерирует последние достижения в науке, технике, строительстве.

В строительстве антарктических станций применяются самые совершенные технологии сбережения энергии, сохранения окружающей среды, включая замкнутый цикл водопотребления, использование энергии солнца и ветра, экологически чистых материалов. Рассмотрение всех компонентов проектирования и строительства позволяет заострить внимание на эффективности предлагаемой концепции. Методические проработки более двух десятков проектов показали, что основой архитектурно-конструктивной схемы зданий могут быть оболочечные модули на основе металлоконструкций, смешанных видов конструктивных схем, а в отдельных случаях каркасных конструкций с эффективными, многослойными ограждающими конструкциями (рис. 6, 9). Выводы

Проведен анализ существующих примеров наиболее прогрессивных видов строительства, а также их принципиальных объемных решений.

Разработана информационная модель процесса текущего и дальнейшего исследования.

Созданы прототипы перспективных объемных моделей зданий и их конструктивных схем.

Составлена база данных по проектированию. Получена необходимая информация и обозначена нормативно-справочная база.

Созданы некоторые возможности формирования современных инженерных решений с учетом энергоэффективности и рационального природопользования.

Созданы предпосылки формирования предметно-пространственной среды обитания полярников. Разработаны некоторые компоненты этой среды.

Список литературы

1. Мясепп К.К., Пунтус В.А., Тешебаев Ш.Б. Ограждающие конструкции зданий и сооружений в Арктике и Антарктике // Доклады 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. СПбГАСУ, 2009. Ч. II. С. 90-94.

2. Пунтус В.А., Тешебаев Ш.Б. Дизайн-концепция нейтрализации отрицательных факторов обитания на бы-стровозводимых планетарных объектах в экстремальных условиях // Вестник гражданских инженеров. 2008. № 4 (17). С. 12-14.

3. Пунтус В.А. Опыт применения легких зданий для освоения Антарктиды // Доклады 68-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. СПбГАСУ, 2011. С. 191-195.

Пунтус В.А., Тешебаев Ш.Б. Обеспечение бактериальной безопасности жилищ полярников на высокоширотных станциях в Антарктиде // Вестник гражданских инженеров. 2009. № 4 (21). С. 77-81.

References

Myasepp K.K., Puntus V.A., Teshebayev Sh. B. The protecting designs of buildings and constructions in the Arctic and Antarctic. Reports of the 66th Scientific Conference of professors, teachers, scientists, engineers and graduate (Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering). 2009. P. II, pp. 90-94. (In Russian). Puntus V.A., Teshebayev Sh. B. The design concept of neutralization of negative factors of dwelling on the fast-built planetary objects in extreme conditions. Vestnik grazhdanskikh inzhenrov. 2008. No. 4 (17), pp. 12-14. (In Russian).

Puntus V.A. Experience of application of easy buildings for development of Antarktidy. Reports of the 66th Scientific Conference of professors, teachers, scientists, engineers and graduate (Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering). 2011, pp. 191-195. (In Russian).

Puntus V.A., Teshebayev Sh. B. Ensuring bacterial safety of dwellings of polar explorers at high-altitude stations in Antarctica. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2009. No. 4 (21), pp. 77-81. (In Russian).

СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА

ДДшта

Спешите стать участником выставки!

Информация для посетителей и участников на сайте www.vertolexpo.ru

Генеральный

информационный 1

Почетный

информационный

спонсор:

131:1*7СЛ РОСТОВ-НА-ДОНУ, ПР. М. НАГИБИНА, 30 nmü-rfm.™ ЁЕЗ тел. (863} 268-77-68, www.vertolexpo.ru

* В 2014 г. проект »СТИМэкспо» прошел не ивисимый аудит и подтвердил статус международном выставки.

3