CC BY
29Научно-технический и производственный журнал
УДК 69.003:504.052
В.А. ИЛЬИЧЕВ1, д-р техн. наук, академик РААСН ([email protected]); С.Г. ЕМЕЛЬЯНОВ2, д-р техн. наук, В.И. КОЛЧУНОВ2, д-р техн. наук , Н.В. БАКАЕВА2, д-р техн. наук; С.А. КОБЕЛЕВА3, канд. техн. наук
1 Российская академия строительства и архитектуры (103071, г. Москва, ул. Б. Дмитровка, 24 ) 2 Юго-Западный государственный университет ( 305040, г. Курск, ул. 50-лет Октября, 94) 3 Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс (302020, г. Орел, Наугорское ш., 29)
Моделирование и анализ закономерностей динамики изменения состояния биосферосовместимых
территорий
Предложен новый подход к моделированию динамики изменения состояния урбанизированных территорий на принципах биосферной совместимости и принципах самоорганизации. Построена концептуальная модель биосферосовместимых урбанизированных территорий в виде многокомпонентной природно-социотехнической структуры. Разработана математическая модель для описания сбалансированного состояния урбанизированных территорий как открытых динамических структур с выбором определяющих параметров для управления. В качестве критерия оценки эффективности строительных технологий предлагается использовать обобщенный показатель их экологической безопасности.
Ключевые слова: биосферная совместимость, урбанизированные территории, моделирование, гуманитарный баланс, природно-техногенная структура, инновации.
урбанизированных
V.A. ILYICHEV1, Doctor of Sciences (Engineering), Academician of RAACS ([email protected]), S.G. EMELYANOV2, doctor of technical science, associate professor, V.I. KOLCHUNOV2, doctor of technical science, associate professor, N.V. BAKAYEVA2, doctor of technical science, associate professor,
S.A. KOBELEVA3, Candidate of Sciences (Engineering) 1 Russian Academy of architecture and construction sciences (24, Dmitrovka Street, 103071, Moscow, Russian Federation)
2 Southwest state university (94, 50 let Octyabrya Street, 305040, Kursk, Russian Federation) 3 State University — Education-Science-Production Complex (29, Naugorskoe Highway, 127238, Orel, Russian Federation)
Modeling and Analyzing of the Regularities the Dynamics State Change of Biosphere Compatible Urban Areas
A new approach is suggested to modeling the dynamics of state change in urban areas and is based on the principles of biosphere compatibility and self-organization. Conceptual model of biosphere compatible urban areas is built in the form of a multicomponent natural and socio-technical structure. A mathematical model is developed to describe a balanced state urban areas as open dynamic structures with a choice of the governing parameters for management. As a criterion for evaluating the effectiveness of building technologies is proposed to use a generalized indicator of their environmental safety.
Keywords: biosphere compatibility, urban livelihood system, simulation, mechanism of self-organization, triple balance, natural and technogenic structure.
Основное противоречие современного типа жизнедеятельности заключается в том, что развитие общества по парадигме потребления ресурсов не способно не только улучшать качество жизни, но и таит в себе немало опасностей. Назрела необходимость структурировать эту проблему путем создания условий для безопасного самоподдерживающегося развития урбанизированных территорий на основе парадигмы биосферосовместимого единения природы и деятельности человека в интересах достижения и сохранения безопасных и комфортных условий проживания как нынешнего, так и будущего поколений людей. Научный поиск в этом направлении предполагает установление причинно-следственных связей между изъятием человеком природных ресурсов, вбрасыванием отходов его жизнедеятельности в окружающую среду и ухудшением здоровья населения городов и поселений, а также его возможной деградацией и социальной девальвацией ввиду снижения качества жизни [1].
С этих позиций при моделировании биосферосовме-стимых систем урбанизированных территорий необходимо учитывать взаимосвязь переменных их состояния, обусловленную воздействием внешней среды и внутренними процессами, в том числе и процессами самоорганизации.
32015 ^^^^^^^^^^^^^
Такие исследования возможны на основе модели, построенной в виде системы одновременных уравнений (Ильичев В.А., Колчунов В.И., Гордон В.А. Одновременные системы уравнений для моделирования взаимосвязей численности населения и характеристик среды обитания // Сб. мат. VII Крымской международной научно-практической конференции «Геометрическое и компьютерное моделирование: энергосбережение, экология, дизайн». Симферополь, Национальная академия природоохранного и курортного строительства, 27 сентября - 1 октября 2010 г. С. 17-23).
Одним из фундаментальных принципов преобразования поселения и урбанизированных территорий в биосфе-росовместимые и развивающие человека служит принцип тройственного баланса биотехносферы [2, 3]. Составными элементами тройственного баланса биотехносферы служат: численность населения; характеристики мест удовлетворения потребностей населения в поселении и потенциал жизни биосферы на окружающей территории.
Для описания динамики изменения состояния биосфе-росовместимых урбанизированных территорий на основе принципа тройственного баланса биотехносферы необходимы формализованные представления элементов это- 3
1|Н
.1
Научно-технический и производственный журнал
риториях и условия формирования комфортной и безопасной среды жизнедеятельности, развивающей человека.
Математическая модель динамики изменения состояния биосферосовместимых урбанизированных территорий в общем виде может быть описана нелинейным уравнением вида:
Лх.1
х2,-,х„), 1=1, и,
(1)
Рис. 1. Схема концептуальной модели биосферосовместимых урбанизированных территорий
го баланса. Многие показатели состояния биотехносферы хорошо известны и могут быть количественно определены в виде простейших регрессионных моделей, построенных за некий ретроспективный период. Однако в соотношении с уровнем развития человеческого потенциала как главного критерия жизнедеятельности человека на урбанизированных территориях такая постановка задачи не производилась. Это одна из важнейших задач предстоящих исследований в направлении количественной оценки баланса биотехносферы, с тем чтобы определить оптимальные показатели комфортного и безопасного состояния среды жизнедеятельности человека, а также чтобы целенаправленно внести соответствующие изменения в механизмы управления урбанизированными территориями (городом или поселением).
В соответствии с принципами парадигмы биосферной совместимости предложена концептуальная модель био-сферосовместимых урбанизированных территорий в виде многокомпонентной природно-социотехнической структуры (рис. 1).
Модель включает три взаимодействующие между собой составляющие, выступающие элементами тройственного баланса биотехносферы:
- природную составляющую как часть внешней среды, содержащую ресурсы, которые необходимы для жизнеобеспечения человека на урбанизированных территориях, и подвергающуюся негативному антропогенному и техногенному воздействию;
- социальную составляющую как часть внешней среды, ожидающую удовлетворения своих рациональных жизнеобеспечивающих потребностей и при этом испытывающую опосредованное негативное техногенное воздействие со стороны окружающей среды;
- производственно-техническую составляющую, оказывающую воздействие на природную и социальную части и определяющую качество жизни на урбанизированных тер-
где /1 - непрерывные или кусочно-непрерывные функции; х„ - координаты системы, отражающие положение некоторой точки на фазовой плоскости или в пространстве координат и характеризующие состояние составляющих системы в любой момент времени.
В качестве критерия оценки сбалансированного состояния биосферосовместимых урбанизированных территорий выступает количественное соотношение между показателями состояния ее составляющих:
- уровнем удовлетворения потребностей в природных ресурсах (так называемые первичные потребности - вода, кислород воздуха, минеральное сырье и т. п.);
- уровнем инновационной развитости инфраструктурной составляющей на урбанизированных территориях (в городах и поселениях);
- уровнем развития человеческого потенциала.
Принципы биосферной совместимости могут служить в
качестве механизма самоорганизации урбанизированных территорий и способствовать социальному, духовному и экономическому их возрождению, улучшению демографии и прогрессивному развитию человека во всех отношениях. Положительную же динамику изменения состояния био-сферосовместимых урбанизированных территорий определяют значения параметров их состояния и (или) их производных, которые остаются стабильными в заданном диапазоне с течением времени.
Математическое представление динамической системы определяется совокупностью нелинейных дифференциальных уравнений:
Х1 = а10Х1-а1Х+у&Х^-Ър,
' 2 = а20 Х2 - а22Х2 +у2Х1Х3-Ь2Т;
' 2 х3 = я30 - #33^3 + У3 Хх Х2 -
Г=аюГ-а^Г2+ХхХ2Хъ.
(2)
В этих уравнениях представим следующие переменные.
Переменная Хх характеризует степень потребления природных ресурсов и уровень загрязнения природной среды отходами.
Переменная Х2 характеризует уровень развитости производственно-инфраструктурной составляющей в регионе (использование «зеленых» технологий, количество инновационных производств, темпы обновления основных фондов и пр.).
Переменная Х3 характеризует степень удовлетворения рациональных жизнеобеспечивающих потребностей населения урбанизированных территорий (работа, жилье, образование, медицина и здравоохранение, транспорт и т. п.). Качество удовлетворения этих потребностей определяет уровень комфорта жизни.
Система нелинейных дифференциальных уравнений (2), принятых к моделированию динамики изменения
ь
Научно-технический и производственный журнал
состояния биосферосовместимых урбанизированных территорий, должна быть дополнена начальными условиями при t=0: Х1(0)=Хю; Х2(0)=Х20; Х3(0)=Х30.
Внешние воздействия и управленческие решения также определяют динамику развития той или иной ситуации, сложившейся в жизнеобустройстве урбанизированных территорий. В этом случае динамика изменения их состояния описывается уравнениями с дополнительными членами в виде управляющих воздействий:
Xl = avtXl-anXt+y1X2X3-blY+ Щ
ю >
X2 = a20X2-a22X2 +y2XlX3-b2Y+U20;
' 2 = a30 ^ ~ a33^3 Ъ ~ b3 Y+U30
Y=awY-a^Y2+XlX2X3,
(3)
производственно-технической инфраструктуры на социум и определяющих через показатели загрязнения и условия жизнедеятельности здоровье и качество жизни населения. В связи с этим коэффициенты в этих уравнениях, отражающие изменение состояния составляющих рассматриваемой системы за принятую единицу времени (например, один год), могут быть представлены в виде некоторых функций или же суммой коэффициентов от всех взаимодействующих факторов:
(4)
В качестве примера представим абсолютное приращение уровня загрязнения природной составляющей при-родно-социотехнической структуры за промежуток времени At от реализации функции жизнеобеспечения в виде:
где переменные ию, и20, ¿730 - управляющие воздействия, направленные на достижение целевого состояния - совместимости с биосферой и прогрессивного развития урбанизированных территорий.
Несложно видеть, что в представленной схематично концептуальной модели проявляется эффект синергетики (показатель У), отражающий одновременно протекающие процессы жизнедеятельности на системном уровне. Формализуемые биосферосовместимые урбанизированные территории - это системы с обратной связью и поэтому в уравнениях (2) и (3) присутствуют коэффициенты обратной связи: а10, а20, а30, а40, которые характеризуют воздействия различных факторов внешней среды. При этом воздействия внешней среды могут иметь как стабилизирующее влияние (без изменений), так и стимулирующее влияние различных факторов на развитие урбанизированных территорий. В частности, коэффициенты отрицательных обратных связей а11, а22, а33, а44 характеризуют стабилизирующее влияние внешней среды на реализацию функций биосферосовместимо-го города. Например, количество техногенных и бытовых отходов, перерабатываемых инновационной экологически безопасной производственно-инфраструктурной составляющей, имеет эффект компенсации вредного воздействия этой составляющей на природную среду. Таким образом, коэффициенты а0 и а., (г = 1, 2, 3, 4) описывают механизм самоорганизации отдельных компонентов в биосферосов-местимой системе.
В свою очередь, коэффициенты отрицательных обратных связей Ь1, Ь2, Ь3 характеризуют стабилизирующее влияние внешней среды, продиктованное, например, изменениями нормативно-правой базы, демографическими процессами, миграцией населения и т. п.
Коэффициенты у1, у2, уу которые могут быть как положительными, так и отрицательными, характеризуют взаимное влияние между отдельных составляющих и компонентов природно-социотехнических структур. Опосредованное воздействие уровня загрязнения атмосферного воздуха, водной среды и других составляющих жизнеобеспечения на урбанизированных территориях на здоровье населения - это лишь часть параметров, входящих в состав параметров этих коэффициентов.
Параметры и10, и20, и30 отражают реализацию факторов управления.
Представленные в дифференциальных уравнениях (2) и (3) переменные зависят от многих параметров, описывающих прямое и опосредованное воздействие природной среды и
Ax1 = (ah — b1 + a2x2 + a^fo — c1x2)x1At,
(5)
где коэффициенты а11, Ь1 - соответственно уровень озеленения и площадь естественных природных ландшафтов за принятую единицу времени, например один год, как фактора стабилизации уровня загрязнения природной среды ввиду жизнедеятельности человека на урбанизированных территориях; коэффициент а2 характеризует уровень внедрения «зеленых» технологий (малоотходных, ресурсосберегающих, экологически безопасных и т. п.); коэффициент «31 характеризует уровень природоохранных мероприятий и государственной поддержки различного рода (экологическое образование, экологические мероприятия и т. д.), способствующих в долгосрочной перспективе снижению уровня загрязнения природной среды; коэффициент с1 характеризует уровень загрязнения атмосферного воздуха, воды и почвы, параметрического загрязнения окружающей среды от воздействия производственно-инфраструктурной составляющей (промышленности строительных материалов, стройиндустрии, транспортных процессов, промышленного производства и т. п.).
Последний коэффициент с1 также является интегральной характеристикой и в свою очередь может быть суммой коэффициентов, отвечающих за определенный вид воздействия на компоненты природной среды:
С1= С11+С12+ •••+ си=1 Су.
j=1
(6)
Вычисляя изменение уровня загрязнения природной среды в единицу времени и переходя к пределу при А^0, получим скорость изменения состояния природной составляющей х():
dxx _
(7)
где е1 = а11 — Ь1 + а2х2 + а31х2 — с1х2.
Аналогично дифференциальным уравнением могут быть описаны изменения в производственно-инфраструктурной составляющей:
дху
= (8)
где е2= а12 — Ь2 - (а2 — С1)х1 - (с2 — а32)х1 х2.
Здесь коэффициенты а12, Ь2 характеризуют соответственно существующий уровень производственно-инфраструктурной составляющей урбанизированных территорий и потенциал ее экономического развития на основе
32015
5
1|Н
.1
Научно-технический и производственный журнал
Ресурсы биосферы на стадии добычи
Минерально-сырьевые ресурсы в местах залегания
Извлеченные в процессе добычи
Ресурсы на стадии переработки
Перерабатываемые
в строительные материалы,изделия и конструкции
X
Строительно-монтажные работы на строительной площадке
Ресурсы на стадии эксплуатации, ремонта и утилизации
Капитальный ремонт зданий, замена конструкций
X
Демонтируемые здания, выработавшие срок эксплуатации
--------1-— --------т— --------1
Отходы
Переработка, вторичное использование, рециклинг, получение нового сырья и новых материалов -биосферосовместимые технологии
Рис. 2. Модель «ресурсного цикла»
инноваций. При этом в полезный социально-экономический оборот, определяющий потенциал экономического развития, вовлекаются и патологии производственной деятельности и жизнедеятельности человека: отходы вредных производств и члены общества, не вовлеченные в производственную сферу (безработные, преступники).
Коэффициенты а2, с1 имеют тот же физический смысл, что и в формуле (5). При этом коэффициент с1 отражает также и опосредованное воздействие на человека производства и городской инфраструктуры и учитывает загрязнения компонентов природной среды промышленными и бытовыми отходами и выбросами. Коэффициент характеризует прямые воздействия производственно-инфраструктурной составляющей системы на социальную среду и отражает условия, создаваемые городом на урбанизированных территориях для развития человека (рабочие места, жилье, транспорт, объекты здравоохранения и культуры). Коэффициент отражает количество потребляемых природных ресурсов (вода, кислород, земельные ресурсы), необходимых для функционирования систем жизнеобеспечения и жизнедеятельности человека. Уместно также отметить, что при принятии управленческих решений (параметры Ц) необходимо учитывать степень реновации урбанизированных территорий и вовлечение их в хозяйственный оборот; объем инвестиций в «зеленые» отрасли промышленности; уровень потребления энергоресурсов при обеспечении жизнедеятельности.
Изменение состояния социальной составляющей описывается уравнением:
йхз
Л" = Ез*з, (9)
где £3= а13 — Ь2 + (с2 — а^2)х1 х2.
Коэффициенты а13, Ь3 соответственно характеризуют пополнение и убыль численности населения урбанизированных территорий за счет рождаемости и смертности, а также за счет прибытия и убытия населения ввиду миграционных и других демографических процессов (социальная помощь, лечение, образование или разорение, заболе-
вания, безработица и т. п.). Коэффициенты с1 и а32 определяют уровень развития человеческого потенциала исходя из состояния окружающей природной среды и качества жизни на урбанизированных территориях.
Таким образом, получена полная система трех нелинейных уравнений, содержащая определенное количество параметров, исходя из принятых ограничений системы, описывающая сбалансированное состояние природно-техногенной системы. В рамках исследуемой модели системы дифференциальных уравнений может быть выполнена аналитическая оценка динамики изменения компонентов человеческого потенциала как одного из главных критериев биосферной совместимости урбанизированных территорий [4].
В соответствии с принципами биосферной совместимости вопрос о разделении технических инноваций на прогрессивные и регрессивные решается по их воздействию на симбиотическую жизнь биосферы и будущих поколений людей. Если технологии сокращают пространство и время симбиотической жизни биосферы, а вместе с ней и человека, то они регрессивны, если увеличивают - прогрессивны [5]. В рамках парадигмы биосферной совместимости города, развивающего человека, одной из важнейших проблем остается комплексная оценка потенциала энерго- и ресурсоэффективности гражданских зданий на всех стадиях жизненного цикла, включая добычу минерально-сырьевых ресурсов из биосферы; производство строительных материалов, изделий, конструкций; проектирование; возведение зданий; эксплуатацию; демонтаж и утилизацию конструкций, объектов, выработавших свой ресурс. Создание ресурсо- и энергоэффективных строительных материалов, изделий, конструктивных систем гражданских зданий отвечает перечню приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечню критических технологий, имеющих важное социально-экономическое, экологическое значение. Немаловажно, что в настоящее время в строительном комплексе все более реальным становится переход к малоотходным производствам и технологиям, характеризующимся максимально возможной переработкой или утилизацией отходов. Для решения одной из ключевых задач этой проблемы предложена концептуальная модель «полного ресурсного цикла» (рис. 2), в котором отходы, образующиеся в течение жизненного цикла объекта, пригодны к последующему ресурсному или энергетическому использованию [6-8].
Связи между элементами модели «ресурсного цикла» реализуются потоками минерально-сырьевых ресурсов из биосферы, готовой строительной продукции, отходов и возможных потерь, служащих источником сырья для производственно-инфраструктурной составляющей. Внешней средой системы является, с одной стороны, биосфера, через которую замыкаются техногенные циклы, а с другой - потребности человека. При такой постановке оценку эффективности строительных технологий целесообразно про-
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 3. Схема здания со смешанной сборно-монолитной конструктивной системой из панельно-рамных несущих элементов индустриального изготовления: 1 — продольные и поперечные панели-рамы; 2 — плиты перекрытия; 3 — плиты перекрытия с перфорированным краем; 4 — ригели с терморазъемами; 5 — наружные самонесущие на 1 этаж стены; 6 — арматурные выпуски; 7— бетон замоноличивания; 8 — связи между панелями
4
Рис. 4. Фрагмент конструктивной схемы здания с каркасом из панельных элементов: 1 — панель-рама; 2 — прямолинейный ригель с терморазъемами; 3 — криволинейный ригель с терморазъемами; 4 — панель перекрытия; 5 — стеновое ограждение
водить на основании обобщенного показателя экологической безопасности здания (Эоб) по формуле:
Эб = (О, • В • С • Р • F • Э)1/6 < 1,
об V 1 n n n n n '
(10)
где О1 - показатель безотходности строительных технологий; В - показатель выбросов загрязняющих веществ
в атмосферу; Cn -ные бассейны; Р
показатель сбросов сточных вод в вод- показатель загрязнения почвогрунтов; Fn - показатель земельных ресурсов, выведенных из природопользования поселения (например, земли, занятые свалками отходов); Эп - показатель энергоемкости строительной продукции. Анализ динамики обобщенного показателя экологической безопасности гражданского здания связан с его снижением из-за соответственного уменьшения каждого из входящих в него значений отдельных показателей.
В строительной отрасли России около 70% гражданского строительства обеспечивается за счет применения индустриальных технологий. Конструктивные системы гражданских зданий претерпели значительные изменения в сторону ресурсосбережения. Тем не менее резервы дальнейшего совершенствования таких конструктивных систем далеко не исчерпаны [9-11]. Например, в практике граждан-
ского строительства достаточно широко применяются конструктивные решения каркаса здания из индустриальных панельных элементов (рис. 3), включающих несущие продольные и поперечные стеновые панели, соединенные с плитами перекрытий, наружные самонесущие стены (Жилые и общественные здания: краткий справочник инженера-конструктора. Т. 2. / Под ред. Ю.А. Дыховичного, В.И. Колчуно-ва. М.: АСВ, 2011. 400 с.). Недостатком этого конструктивного решения является то, что продольные и поперечные стеновые панели выполняются из одного материала - конструктивного бетона относительно высокой ресурсо- и энергоемкости. Плиты перекрытия также имеют высокую энергоемкость, а также низкие звукоизоляционные показатели. Междуэтажные стыки наружных стен могут быть подвержены промерзанию, так как они не утеплены и не имеют должной термической защиты. Перечисленные недостатки могут быть устранены при создании и внедрении новой индустриальной энерго-, ресур-соэффективной конструктивной системы гражданских зданий на основе «ресурсного цикла» с малоотходными технологиями.
Юго-Западным государственным университетом и Орловским академ-центром РААСН [12] разработана новая комбинированная конструктивная система остова гражданских зданий из панельных элементов с заполнениями значительной части этих элементов энергоэффективными высокоэкологичными легко утилизируемыми материалами, производимыми из двухкомпонентного (природного и техногенного) сырья (рис. 4).
Предложенная конструктивная система позволяет не только существенно улучшить архитектурные и потребительские свойства гражданских зданий массового строительства, но и значительно снизить их себестоимость при обеспечении высокого уровня конструктивной безопасности и живучести [13].
Эффективность внедрения нового конструктивного решения рассчитана по формуле (10) и приведена в таблице.
В таблице показатели безотходности и энергоемкости включают не только рациональное использование минерально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов на стадиях добычи и в производственном процессе, но и затрагивают конечную строительную продукцию. Новое конструктивное решение характеризуется на 30% меньшей массой за счет применения тонкостенных несущих элементов, а также расходом высокоэнергоемкой арматурной стали, например в горизонтальных элементах на 10-15% (13-20 кг) на 1 м3 железобетона, в фундаментах - на 1520% (15-35 кг). За счет применения строительных проектов с меньшим расходом энергии можно сэкономить около
3'2015
7
1|Н
.1
Научно-технический и производственный журнал
Результаты сравнения конструктивных решений проектов гражданских зданий
Наименование показателей, безразмерная величина Конструктивное решение (рис. 3) Конструктивное решение (рис. 4)
Показатель безотходности 0,92 0,64
Показатель выбросов загрязняющих веществ в атмосферу 0,94 0,72
Показатель сбросов сточных вод в бассейны рек 0,85 0,61
Показатель загрязнения почвогрунтов 0,82 0,59
Показатель территории, выведенной из системы природопользования поселения 0,91 0,76
Показатель энергоемкости 0,96 0,62
Обобщенный показатель экологической безопасности гражданского здания 0,895 0,653
2695-4831 кВтч электроэнергии на один кубический метр строительного объема здания в течение всего жизненного цикла. Отслужившие срок эксплуатации элементы энерго-, ресурсоэффективной конструктивной системы после демонтажа на 60-65% возвращаются в производственный процесс в качестве сырья для нового строительства, тем самым уменьшая нагрузку на городские полигоны, исключая образование несанкционированных свалок, а также сохраняя, например для городских парков и скверов, земельные участки. Анализируя схему «затраты-выпуск» прямо пропорционально количеству потребленных минерально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, сокращаются выбросы углекислого газа в атмосферу (на 12,6 т на 1 м3 строительного объема здания в течение всего жизненного цикла), сбросы технологических сточных ввод в бассейны рек (на 4,6 т), загрязнения почвогрунтов (на 8,3 т). По величине обобщенного показателя экологической безопасности новое конструктивное решение в значительной степени обеспечивает реализацию принципов парадигмы биосферной совместимости городов и поселений, развивающих человека.
Вывод. Разработана концептуальная модель биосфе-росовместимых урбанизированных территорий в виде
Список литературы
1. Ильичев В.А. Биосферная совместимость - принцип, позволяющий построить парадигму жизни в гармонии с планетой Земля // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2013. № 1. С. 4-5.
2. Ильичев В.А., Каримов А.М., Колчунов В.И., Алекса-шина В.В., Бакаева Н.В., Кобелева С.А. Предложения к проекту доктрины градоустройства и расселения (стратегического планирования городов - city planning) // Жилищное строительство. 2012. № 1. С. 2-10.
3. Ильичев В.А., Малмыгин И.А. Расчет гуманитарных балансов Биотехносферы // Градостроительство. 2011. № 4. С. 38-44.
4. Ilyichev V., Emelyanov S., Kolchunov V., Bakaeva N. About the Dynamic Model Formation of the Urban Livelihood System Compatible with the Biosphere // Applied Mechanics and Materials. 2015. 725-726. P. 1224-1230.
5. Ильичев В.А., Емельянов С.Г., Колчунов В.И., Гордон В.А., Бакаева Н.В. Принципы преобразования города в биосферосовместимый и развивающий человека. М.: АСВ, 2015. 184 с.
6. Ильичев В.А., Колчунов В.И., Кобелева С.А. Критериальная модель полного ресурсного цикла - основа экологической безопасности строительства // Про-
в| -
многокомпонентной природо-социотехнической структуры взаимодействующих составляющих: социальной, природной и производственно-инфраструктурной. Математическое представление динамической системы построено на основе принципа тройственного баланса биотехносферы и определяется системой нелинейных дифференциальных уравнений. При этом необходимость принятия управляющих решений в отношении развития урбанизированных территорий описывается уравнениями с дополнительными членами. Оценка инноваций строительной индустрии производится на основе модели «полного ресурсного цикла», включающей замену природного сырья на промышленные отходы; повышение технико-строительных характеристик строительной продукции за счет применения двухкомпо-нентного сырья; снижение материалоемкости; увеличение долговечности и сокращение затрат на ремонты; проектирование зданий, сооружений и строительных конструкций с новыми возможностями для их модернизации, реконструкции и ремонта. В рамках модели «полного ресурсного цикла» оценку эффективности строительных технологий целесообразно проводить на основании обобщенного показателя экологической безопасности здания.
References
1. Il'ichev V.A. Biospheric compatibility - the principle, allowing to construct a life paradigm in harmony with a planet Earth. Biosfernaja sovmestimost: chelovek, region, tehnologii.
2013. No. 1, pp. 4-5. (In Russian).
2. Il'ichev V.A., Karimov A.M., Kolchunov V.I., Aleksashina V.V., Bakaeva N.V., Kobeleva S.A. Proposals to the Draft Doctrine of Urban Development and Resettlement (Strategic City Planning). Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 1, pp. 2-10. (In Russian).
3. Il'ichev V.A., Malmygin I.A. Calculation of biotechnosphere humanitarian balances. Gradostroitelstvo. 2011. No. 4, pp. 38-44. (In Russian).
4. Ilyichev V., Emelyanov S., Kolchunov V., Bakaeva N. About the Dynamic Model Formation of the Urban Livelihood System Compatible with the Biosphere. Applied Mechanics and Materials. 2015. 725-726. P. 1224-1230.
5. Il'ichev V.A., S.G. Emelyanov, V.I. Kolchunov, V.A. Gordon, N.V. Bakaeva Principy preobrazovania goroda v bio-sferosovmestimij i razvivajushij cheloveka. Moscow: ASV, 2015. 184 p. (In Russian).
6. Il'ichev V.A., Kolchunov V.I., Kobeleva S.A. A criterion model of full resource cycle is a basis of ecological safety of construction. Promyshlennoe igrazhdanskoe stroitel'stvo.
2014. No. 12, pp. 3-6. (In Russian).
^^^^^^^^^^^^^ 32015
Научно-технический и производственный журнал
7. Il'ichev V.A., Karpenko N.I., Yarmakovsky V.N. About Development of Building Materials Production on the Basis of Secondary Industrial Products (SIPs). Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2011. No. 4, pp. 36-40. (In Russian).
8. Kobeleva S.A. The systematization and identification of the directions of quality standard of the potential of energo- and resource-saving of civil buildings. Stroitel'stvo i rekonstrukcija. 2014. No. 5 (55), pp. 61-66. (In Russian).
9. Kolchunov V.I. Basic trends in developing structural designs and provision of dwelling safety. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2007. No. 10, pp. 12-14. (In Russian).
10. Nikolaev S.V. Social'noe zhil'e na novom jetape sovershen-stvovanija. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 3, pp. 2-9. (In Russian).
11. Kobeleva S.A., Bakayeva N.V., Andreytseva C.S. Modeling of the housing sphere compatible to the biosphere. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, pp. 60-63. (In Russian).
12. Klueva N.V., Kolchunov V.I., Bukhtiyarova A.S. Resource-energy saving structural system for residential and public buildings with a preset level of structural safety. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 2, pp. 37-41. (In Russian).
13. Klueva N.V., Kolchunov V.I., Rypakov D.A., Bukhtiyaro-va A.S. Durability and Deformability of Precast-Cast-in-Place Frameworks for Residential Buildings with Low Material Consumption at Beyond-Design-Basis Impacts. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2015. No. 1, pp. 5-9 (In Russian).
_ЮВОСй!
SD-печать получает все большее распространение в строительной сфере
В середине января 2015 г. в промышленном парке китайской провинции Цзянсу прошла выставка многоэтажных жилых домов, созданных при помощи особого 3D-принтера, способного печатать объекты высотой 6,4 м, шириной 9,75 м и длиной 152,4 м.
В качестве основного материала используется смесь из вторичных строительных отходов, стекла, стали и цемента. Приготовленный состав заливается слой за слоем в специальные емкости, где потом схватывается, формируя стены и перекрытия стандартной толщины. Делают детали по обычным CAD чертежам, после чего их перевозят и устанавливают на месте строительства. По словам создателей, один такой дом печатается за сутки, а благодаря новой технологии, теперь при стройке требуется в пять раз меньше рабочих и сохраняется до 60% строительных материалов, поэтому сам процесс станет менее шумным и более экологичным в отличие от обычных строек, в результате которых остается большое количество отходов. В то же время у «напечатанных» домов есть и минусы: низкая морозостойкость и высокая стоимость транспортировки.
Первые подобные объекты были созданы в марте 2014 г. компанией «Шанхай УинСан Декорэйшэн Дизайн Инжиниринг Ко» (Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co). Используя гигантский принтер, она изготовила десять одинаковых зданий из бетона. Тогда каждое здание стоило примерно 5 тыс. USD. В настоящее время из всех домов, представленных на выставке, самые малогабаритные продаются по цене около 150 тыс. USD. Несмотря на стоимость, компания получила заказы уже на несколько тысяч необычных домов, в частности от правительства Египта.
Одно из представленных зданий уже насчитывает 5 этажей, однако создатели уверены, что это не предел. В планах компании создать самое высокое здание, которое может быть возведено с помощью 3D-принтера.
3'2015 ~ 9
мышленное и гражданское строительство. 2014. № 12. С. 3-6.
7. Ильичев В.А., Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. О развитии производства строительных материалов на основе вторичных продуктов промышленности // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 36-40.
8. Кобелева С.А. Систематизация и выявление направлений качественной оценки потенциала энерго- и ресурсосбережения гражданских зданий // Строительство и реконструкция. 2014. № 5 (55). С. 61-66.
9. Колчунов В.И. Основные направления развития конструктивных решений и обеспечение безопасности жилища // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 10. С. 15-18.
10. Николаев С.В. Социальное жилье на новом этапе совершенствования // Жилищное строительство. 2013. № 3. С. 2-9.
11. Кобелева С.А., Бакаева Н.В., Андрейцева К.С. Моделирование жилищной сферы, совместимой с биосферой // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 60-63.
12. Клюева Н.В., Колчунов В.И., Бухтиярова А.С. Ресурсо-энергосберегающая конструктивная система жилых и общественных зданий с заданным уровнем конструктивной безопасности // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 2. С. 37-41.
13. Клюева Н.В., Колчунов В.И., Рыпаков Д.А., Бухтияро-ва А.С. Прочность и деформативность сборно-монолитных каркасов жилых зданий пониженной материалоемкости при запроектных воздействиях // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 1. С. 5-9.
Опыт восточных коллег стремятся применить и в России. Над своим вариантом инновационного материала работают ученые Тверского Государственного технического университета. По словам доктора технических наук В.В. Белова, этот материал представляет собой смесь на основе водостойкого гипсового вяжущего, в которую для повышения прочности продукта будут внедрены измельченные отходы стеклохолста и твердых бытовых отходов: стеклобой, полимеры, бумага и картон. Получившаяся масса будет быстро твердеть при печати. В том случае, если испытания пройдут успешно, к 2016 г. изобретатели смогут возвести фрагмент стены для демонстрации возможностей новой технологии. Ученые рассчитывают, что новое производство также поможет решить проблему утилизации твердых бытовых отходов и стеклохолста в России, которых только на одном из тверских предприятий каждый месяц образуется порядка 30 т.
Тем не менее, о полноценном строительстве домов пока речи не идет, поскольку для этого требуется предприятие, заинтересованное в инновациях, и соответствующее оборудование. К тому же, по словам В.В. Белова, напечатанные на 3D-принтере дома на начальном этапе их производства будут стоить дороже жилья, построенного традиционными способами.
По материалам портала британского издания The Daily Mail и службы информации АНСБ
