CC BY
7УДК 624.014; 721.01
Обзор возможных конструктивных решений объекта «ЭкоКосмоДом» на планете Земля
ЮНИЦКИЙ А.Э. (г. Минск), ЖАРЫЙ С.А. (г. Киев), БОНУСЬ A.B. (г. Одесса), ЕРАХОВЕЦ Н.В. (г. Минск)
Рассмотрены варианты конструктивных решений объекта «ЭкоКосмоДом» на планете Земля (ЭКД-Земля), проанализированы существующие аналоги, обозначены основные характеристики рассматриваемых замкнутых биосферных объёмов. Проведены предварительные расчёты пространственных моделей с приложенными нагрузками согласно нормам Еврокодов в программном комплексе 11РЕМ. Определены оптимальный вариант из рассмотренных и вектор дальнейшего развития разработок по данному направлению.
Ключевые слова:
ЭкоКосмоДом на планете Земля (ЭКД-Земля], конструктивные решения большепролётных сооружений, пространственные модели, автономная биосфера.
I \огда человечество находится на пороге новых открытий, которые могут принципиально изменить ход истории и вектор развития всей цивилизации, и когда это продиктовано благородными целями спасения и улучшения жизни всего живого, невозможно оставаться равнодушными и не впечатляться вероятными, а также уже продуманными с инженерной точки зрения перспективами. Подобные изменения сулит глобальный проект индустриализации космоса БрасеШау, призванный решить многие современные проблемы человечества [1]. Он включает в себя строительство и создание общепланетарного транспортного средства (ОТС), сопутствующих ему космического индустриального ожерелья «Орбита» (КИО «Орбита»), экваториального линейного города (ЭЛГ) и глобальной сети ТгапзМе1 Все эти элементы призваны объединить технологии, земную биосферу и человека в синергетический организм, в том числе с созданием адаптированных под нужды человека биосферных кластеров ЭкоКосмоДомов (ЭКД) на орбите и в неблагоприятных для жизни человека природно-климатических условиях на планете Земля.
Одной из нетривиальных задач в разработке подобного жилого пространства нового поколения является создание автономной замкнутой биосферы, отвечающей требованиям жизнеобеспечения всех живых существ и происходящих в ней процессов, а также способной сохранять устойчивое функционирование всех систем на неограниченную продолжительность времени. Для испытаний решений в данном направлении было предложено разработать ЭкоКосмоДом на планете Земля (ЭКД-Земля) как прототип космического жилого кластера с автономной биосферой. В данной статье авторами рассматриваются особенности конструкций несущего купола сооружения, создающего единый замкнутый объём, анализируются выбранные
формы, определяется оптимальный вариант из рассмотренных и утверждается вектор дальнейшего развития разработок по очерченному направлению.
Отличительная особенность этого сооружения - кроме необходимости перекрыть большой пролёт (решено, что площадь замкнутой биосферы должна быть не менее 2 га для воссоздания различных экосистем - лесных, луговых, водных, горных и других - и полноты эксперимента), конструкции и их внешний вид следует вписывать в общий неординарный дизайн проекта. Строительные конструкции внутри сооружения не должны создавать ощущения закрытой теплицы, а наоборот, предназначены помочь человеку ощутить близость к природе. Автономная биосфера, водная система, все элементы и сооружения, смоделированные человеком внутри проектируемого пространства (в том числе строительные конструкции), должны выглядеть естественными и максимально природными.
К сооружению также предъявляется ряд специфических условий, соблюдение которых необходимо для чистоты проводимых испытаний. Например, на первом этапе эксплуатации объекта купол должен включать в себя свето-прозрачные конструкции для обеспечения приживаемости, роста и развития посаженных растений. Однако необходимо также гарантировать техническую возможность закрытия данных окон (создание полностью непрозрачного покрытия ЭКД-Земля) в последующий период проведения испытаний биосферы с переходом на автономное внутреннее освещение. Это требование обусловлено тем, что при строительстве на околоземной орбите ЭКД будет совершать один оборот вокруг Земли за 1,5 ч, что для живых организмов, в том числе человека, является слишком частой сменой дня и ночи. Однако отсутствие светопрозрачных конструкций не исключает вариант использования Солнца
как источника естественного света, направляемого зеркалами во внутреннее пространство, а также как источника энергии для других нужд космического дома.
Ещё одно условие чистоты эксперимента - герметичность всего сооружения. Данное требование в обязательном порядке предъявляется к надземной части (купол, накрывающий биосферу) и подземной (тепло- и гидроизолированный котлован с противокорневой защитой, содержащий в себе основание ЭКД-Земля - почву и водную систему). Все составляющие биосферы - воздух, вода, микро- и макроэлементы, биологическая масса, энергия и их взаимодействие - должны быть задействованы в полном круговороте внутри замкнутого пространства и обеспечивать автономность всей системы. Это ещё раз подчёркивает важность отсутствия газо-, водо- и других обменов между внутренним пространством ЭКД-Земля и окружающей средой.
Не менее важны требования к самим конструкциям. Они должны быть устойчивы к изменению сезонного атмосферного давления как изнутри сооружения, так и снаружи; максимально защищать внутреннее пространство от агрессивных внешних воздействий (перепадов температуры, атмосферных осадков, биологических угроз и др.); быть негорючими, выполненными из экологически безопасных материалов (не выделяющими вредных веществ на протяжении эксплуатации; по окончании срока службы легко утилизируемыми и т. д.), долговечными (защищён-ными от окисления, воздействия света и влаги, разрушения микроорганизмами). Нахождение в ЭКД-Земля должно быть безопасным для человека и животных во всех отношениях и в любые периоды времени.
При поиске существующих аналогов подобного сооружения по его функциональному назначению наиболее близким оказался проект «Биосфера-2», построенный в пустыне штата Аризона в США компанией Space Biosphere Ventures в 1991 г. [2]. Целями проекта предусматривались моделирование замкнутой экологической системы и определение
возможностей человека для жизни и работы в закрытом пространстве. Однако в данном проекте весь объём сооружения площадью в 1,5 га был разделён на отдельные герметичные здания с независимыми экосистемами. Подобный подход изначально противоречит концепции и задачам, поставленным перед авторами статьи: создать свободное пространство, максимально природное и комфортное для жизни, миниатюру биосферы планеты Земля со взятыми из неё самыми лучшими условиями и параметрами для человека. На Земле нет перегородок, нет резких переходов от одной экосистемы к другой: климатические зоны плавно перетекают одна в другую, леса, поля, водоёмы и горы дополняют друг друга; их взаимодействие нельзя останавливать и ограничивать. Поэтому авторами статьи данный вариант в качестве аналога конструктивного решения, а также собственная разработка (один из первых вариантов объёма, совмещённого из нескольких геодезических куполов (рисунок!)), были отклонены.
Рисунок 1 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля из совмещённых геодезических куполов
Далее рассматривались отличающиеся по фунцио-нальному назначению, но актуальные примеры конструктивных решений большепролётных сооружений. Например, комплекс Tropical Islands в Германии (ангар для дирижаблей, переоборудованный под тропический парк развлечений, является крупнейшим самонесущим залом в мире -360 м в длину, 210 м в ширину и 107 м в высоту) [3];
Проект «Биосфера-2», США Комплекс Tropical Islands, Германия
ОБЗОР ВОЗМОЖНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ОБЪЕКТА «ЭКОКОСМОДОМ» НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ
Юницкий А.Э. (г. Минск), Жарый С.А. (г. Киев), Бонусь A.B. (г. Одесса), Ераховец Н.В. (г. Минск)
аквапарк Seagaia Ocean Dome в г. Миядзаки, Япония (открывающийся купол габаритами 300 м на 100 м, внутри которого температура воздуха не опускается ниже 30 °С, а воды - ниже 28 °С) [4]; оранжерейный комплекс «Эдем» в Великобритании (создан на месте бывшего каолинового карьера, имеет внутри себя тропический и средиземноморский биомы (правда, разделённые на секции) и использует компьютеризированные системы поддержания заданных параметров температуры и влажности, дождевую воду со дна карьера и энергию от ветрогенераторов) [5]; отель Intercontinental Chengdu Global Center недалеко от г. Чэнду, Китай [6]. Отчасти прототипами проектируемого сооружения также могут служить крупный торгово-развлекательный центр «Хан Шатыр» в г. Астане, Казахстан (самый высокий шатёр в мире, вошедший в Книгу рекордов Гиннесса. Содержит на своих верхних этажах пляжный курорт с растениями и температурой 35 °С круглый год); Национальный центр исполнительских искусств в г. Пекине, Китай (пространство более 3 га перекрыто единым куполом без колонн, половина которого выполнена из стекла); ангар Hangar One, построенный в 1930-х годах для размещения военного корабля США «Мейкон» (площадь - 3,2 га, высота - около 60 м) [7].
Все перечисленные примеры имеют ряд характеристик, опыт строительства и эксплуатации, оценка которых может помочь в дальнейшем проектировании ЭКД-Земля. Моменты, на которые в первую очередь стоит обратить внимание: выполняет ли сооружение свою функцию, долговечно и рентабельно ли оно, легко ли его обслуживать и ремонтировать, целесообразны ли решения с экономической, энергетической, эстетической и экологической точек зрения.
Основная причина создания большепролётных конструкций - необходимость максимального использования внутреннего пространства. Для проекта ЭКД-Земля возможность уйти от устройства промежуточных колонн и тем самым обеспечить простор для организации внутренней биосферы является важным критерием при поиске подходящих конструктивных решений. Одним из первых рассматриваемых вариантов был объём из половины разрезанного вдоль по диаметру цилиндра (ширина - 120 м, длина - 250 м, радиус - 60 м) с полусферами по торцам (рисунок 2). В качестве основной несущей конструкции использована арочная ферма с шарнирным опиранием. Все предварительные расчёты пространственных моделей с приложенными нагрузками проводились согласно нормам Еврокодов в программном комплексе RFEM. Так как окончательное место строительства объекта пока не определено, были приняты снеговые и ветровые нагрузки, характерные для Республики Беларусь.
Аквапарк Seagaia Ocean Dome, Япония
Оранжерейный комплекс «Эдем», Великобритания
Отель
Intercontinental Chengdu Global Center, Китай
Национальный центр
исполнительских
искусств,
Китай
Торгово-
развлекательный центр
«Хан Шатыр», Казахстан
Ангар
Hangar One, США
„ „ „„„ „ Рисунок 6 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля
Рисунок 2-Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля из половины , ,, 7П ,
1 к " к , из фрагмента тора из гнутых квадратных труб [высота - 30 м) разрезанного вдоль по диаметру цилиндра с полусферами на концах
Для того чтобы подчеркнуть, что ЭКД-Земля является не отдельным проектом, а частью глобальной программы SpaceWay, также проанализирован вариант создания объёма комплекса как части космического ЭкоКосмоДома, а именно как фрагмента тора. Был взят тор диаметром 400 м (диаметр образующей - 100 м) с диаметром «отверстия в бублике» 200 м. Размеры фрагмента в плане -100 м (ширина) на 250 м (длина), высота в центре сооружения -50 м, высота по краям - около 4 м. Объём создаётся сечением тора плоскостью, параллельной плоскости, содержащей ось его вращения, на расстоянии 150 м от неё. В плане формируется эллипс с небольшим усечением по концам большой полуоси (рисунки 3, 4). Конструктив данного варианта представляет собой пространственную решётчатую конструкцию, основу которой составляют трёхгранные арки высотой около 6 м. Все арки одинакового диаметра, однако каждая из них наклонена в сторону (по очертанию закругления внешнего диаметра тора). Для уменьшения материалоёмкости также рассмотрен вариант аналогичного решения с высотой 30 м (рисунок 5).
Следующая трансформация данного решения - замена трёхгранных арок на арки из гнутых квадратных труб (рисунки 6, 7). Основным недостатком покрытия в виде фрагмента тора является большой горизонтальный распор, который передаётся на фундаменты.
Для уменьшения расхода материалов возможно совмещение фундамента и помещений любого функционального назначения.
Рисунок 4 - Работа конструктивного решения ЭКД-Земля из фрагмента тора под нагрузкой (высота - 50 м)
Рисунок 5 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля из фрагмента тора (высота - 30 м)
Рисунок 3 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля Рисунок7- Работа конструктивного решения ЭКД-Земля из фрагмента
из фрагмента тора (высота - 50 м) тора из гнутых квадратных труб под нагрузкой (высота - 30 м)
ОБЗОР ВОЗМОЖНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ОБЪЕКТА «ЭКОКОСМОДОМ» НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ
Юницкий А.Э. (г. Минск), Жарый С.А. (г. Киев), Бонусь A.B. (г. Одесса), Ераховец Н.В. (г. Минск)
Кроме того, рассматривались принципиально отличающиеся по форме объёмы, такие как, например, пирамиды (квадратная в плане (рисунки 8,9) и прямоугольная (рисунки 10,11)). Переходя к более простой форме, можно значительно упростить устройство кровли сооружения. В варианте с квадратом в плане (150 * 150 м, максимальная высота - 50 м) в центральной части пирамиды можно возвести здание, в котором расположатся отель и теплицы. Конструктив подобного строения - железобетонный каркас, он же будет опорой для наклонных металлических полуарок покрытия. Размер здания отеля/теплиц - 30 * 30 м, высота - 40 м.
Однако данное решение имеет ряд композиционных минусов: основная высота отдаётся жилому/общественному комплексу, а не формированию биосферы и интеграции в неё; квадратная форма основания усложняет формирование обособленных зон с жильём повышенного комфорта, для тихого отдыха, хозяйственных зон и т. п.;
Рисунок 8 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля в виде пирамиды
Рисунок 9 - Работа конструктивного решения ЭКД-Земля в виде пирамиды под нагрузкой
Рисунок 10 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля в виде пирамиды, прямоугольной в плане
отсутствует возможность создания эффекта «неба над головой», а значит, и соблюдения одного из определяющих требований - нахождение внутри пространства должно быть комфортным неограниченное количество времени.
Габариты прямоугольной пирамиды в плане составляют 100 х 250 м (общая высота - около 35 м). Несущими элементами покрытия являются арки из гнутых замкнутых профилей. В данном варианте здание отеля не завязано с конструкцией покрытия и композиционно такое пространство намного легче зонировать, однако с эстетической точки зрения сооружение однозначно проигрывает более природным формам, рассмотренным ранее, например, плавным изгибам фрагмента тора, напоминающим створку мидии.
Для развития природной формы проанализирован вариант поднятия одной половины покрытия фрагмента тора и заполнения данного пространства остеклением (рисунки 12,13,14). Основные несущие элементы каркаса в данном варианте - поперечные дугообразные арки, выполненные из замкнутых гнутосварных профилей, и центральные колонны, на которые они опираются.
Для определения оптимального конструктивного решения ЭКД-Земля проведено предварительное сравнение рассматриваемых вариантов по следующим параметрам: площадь, объём, удельная материалоёмкость на 1 мг площади, удельная материалоёмкость на 1 м5 объёма сооружения, стоимость несущих металлоконструкций (таблица).
Рисунок 11 - Работа конструктивного решения ЭКД-Земля в виде пирамиды, прямоугольной в плане, под нагрузкой
Рисунок 12 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля с поднятой частью покрытия
Рисунок 13 - Вариант конструктивного решения ЭКД-Земля с поднятой частью покрытия (фрагмент)
Рисунок 14- Работа конструктивного решения ЭКД-Земля с поднятой частью покрытия под нагрузкой
Таблица - Сравнительный анализ материалоёмкости и стоимости конструкций (на май 2019 г.)
Варианты
Показатель Единицы измерения Фрагмент тора высотой 50 м (покрытие из треугольных ферм) Фрагмент тора высотой 30 м (покрытие из треугольных ферм) Совмещённые купола Фрагмент тора высотой 30 м (покрытие из отдельных ферм) Пирамида (квадратная в плане) Пирамида (прямоугольная в плане) Фрагмент тора с продольным разрезом
1. Удельные показатели на 1 м2 площади
1.1. Стальные конструкции кг/ мг 81 70 69 60 89 60 78
1.2. Стоимость стальных конструкций бел. руб./мг 415 369 360 319 452 305 405
1.3. Покрытие мг покрытия / мг площади 1,87 1,5 1,45 1,3 1,36 1,28 1,37
2. Удельные показатели на 1 м3 объёма здания
2.1. Стальные конструкции кг/м3 2,8 4,74 3,62 4,11 4,17 3,37 3,33
2.2. Стоимость стальных конструкций бел. руб./м3 14,3 25,1 19 21,7 21,2 17,1 17,2
2.3. Покрытие мг/м3 0,06 0,1 0,08 0,09 0,06 0,07 0,06
3. Общая стоимость бел. руб. 9 170 626 7 924 961 7 339 670 6 868300 10 169 728 7 627 296 9 305 902
стальных конструкций иэй 4 367 098 3 773 906 3 495188 3 270719 4 842 875 3 632 157 4 431 517
ОБЗОР ВОЗМОЖНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ОБЪЕКТА «ЭКОКОСМОДОМ» НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ
Юницкий А.Э. (г. Минск), Жарый С.А. (г. Киев), БонусьА.В. (г. Одесса), Ераховец Н.В. (г. Минск)
Проанализировав таблицу, можно сделать вывод: наиболее экономически выгоден вариант фрагмента тора высотой 30 м с арками из гнутых квадратных труб. Он же является одной из самых эстетичных и природоподобных форм из всех рассмотренных (рисунок 15).
Таким же эстетически привлекательным является фрагмент тора с продольным разрезом и поднятием части покрытия (рисунок 16). Однако при увеличении высоты здания значительно возрастает материалоёмкость, а следовательно, и стоимость несущих конструкций.
Данные выводы отнюдь не окончательны, они позволяют лишь сориентироваться в дальнейших шагах и векторе разработок. Например, дальнейший расчёт стоимости устройства фундаментов может изменить расстановку вариантов в рейтинге экономичности.
Не исключается появление новых рассматриваемых вариантов (с плоской кровлей или террасами, площадь которых можно отдать под общественные пространства и зелёные насаждения, и др.). Для получения объективных цифр к анализу необходимо подходить комплексно, сравнивая не отдельные элементы системы между собой, а целые связки решений, что будет возможно при более детальной проработке всех составляющих ЭКД-Земля. Таким образом, очень важно учитывать все предъявляемые требования к сооружению, признавать и демонстрировать необходимые гибкость и инновационность подходов в быстроразвивающемся мире, а также осознавать ответственность и перспективность проекта в глобальных программах освоения космоса и спасения человеческой цивилизации.
Рисунок 15 - Визуализация ЭКД-Земля (вариант) с конструктивным решением в виде фрагмента тора (высота - 30 м)
Рисунок 16 - Визуализация ЭКД-Земля (вариант) с конструктивным решением в виде фрагмента тора с продольным разрезом и поднятием части покрытия
Литература
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание /А.Э. Юницкий. - Сила-крогс: ПНБ принт, 2019. - 576 е.: ил.
2. Biosphere 2 [Electronic resource], - Mode of access: http.-// www.biospherics.org/. - Date of access: 29.04.2019.
3. TropicaI Islands [Electronic resource] - Mode of access: https://www.tropical-islands.de/en/. - Date of access: 01.06.2019.
4. Seagaia Ocean Dome [Electronic resource], - Mode of access: https://en.wikipedia.org/wiki/Seagaia_Ocean_ Dome. - Date of access: 02.06.2019.
5. Eden Project [Electronic resource] - Mode of access: https://www.edenproject.com/. - Date of access: 02.06.2019.
© Юницкий А.Э., 2019 © Жарый CA, 2019 ©Бонусь A.B., 2019 © Ераховец H.B, 2019
6. Отель Intercontinental Chengdu Global Center [Электронный ресурс] - Режим доступа: http.//intercontinental-global-center.chengduhotels.net/ruMphoto. - Дата доступа: 02.06.2019.
1. Hangar One (Mountain View, California] [Electronic resource] - Mode of access: https://en.wikipedia.org/ wiki/Hangar_One_(Mountain_View,California] - Date of access: 02.06.2019.
ОБЗОР ВОЗМОЖНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ОБЪЕКТА «ЭК0К0СМ0Д0М» НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ
Юницкий А.Э. (г. Минск), Жарый С.А. (г. Киев), Бонусь A.B. (г. Одесса), Ераховец Н.В. (г. Минск)
