CC BY
240
SCIENCE TIME
ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Гаврина Елена Владимировна, Северо-кавказский филиал Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, г. Минеральные Воды
E-mail: [email protected]
Аннотация. Цель - создание максимально расширенного и безопасного пространства среды обитания человека. Метод - использование большепролетных светопрозрачных конструкций. Результат - наиболее перспективными являются большепролетные конструкции на основе многопоясных троссовых систем. Вывод - технология перекрытия больших и сверхбольших пролетов с помощью многопоясных тросовых систем позволит строить самые разнообразные по объему, форме и назначению сооружения.
Ключевые слова: большепролетные конструкции, безопасное пространство среды обитания человека.
Многие зодчие сегодня все чаще используют большепролетные светопрозрачные конструкции и создают удивительные комплексы зданий, центром притяжения в которых, неким пространственным ядром, являются большие атриумные пространства - объемные, наполненные светом и комфортом, хорошо защищенные от негативных внешних воздействий и накрытые надежными светопрозрачными покрытиями.
Дальнейшее активное развитие таких сооружений позволит максимально расширить комфортное и безопасное пространство среды обитания человека, существенно изменить облик наших городов и улучшить их сегодняшнее состояние.
Еще издревле наши предки начали строить для себя укрытия, которые привносили в их жизнь больше желанного комфорта и безопасности, создавая защищенную от внешних воздействий искусственную среду. А архитектура, как удивительный и превосходный инструмент этих созидательных действий человека, с самого своего зарождения и на всех этапах развития, старалась максимально использовать имеющиеся технические возможности и существующие эстетические воззрения в обществе для лучшего удовлетворения этих важных человеческих потребностей: и в комфорте, и в безопасности [2].
Сегодня в эпоху невиданного развития технологий в строительной сфере это сделало возможным реализацию практически любых, самых смелых архитектурных идей. Одновременно, с начинающимся бумом внедрения во всем мире принципов «устойчивого развития» и «зеленого строительства», наличие фактора экоустойчивости зданий также приобретает для их строительства всё больший вес [7].
Современные зодчие в своей работе, опираясь на технические возможности, должны учитывать то существенное воздействие, которое оказывают их проекты на развитие безопасной городской среды [1].
Вступив в эпоху глобализации, вряд ли можно найти разумные оправдания для продолжающегося формирования скученного проживания людей в отдельных точках пространства. Наше общество начинает понимать губительность этого процесса, но городская архитектура, к сожалению, все еще продолжает идти по пути создания высотных проектов и уплотнения городской застройки, провоцируя тем самым ещё большую концентрацию населения в отдельных точках уже и так излишне перенаселённого пространства.
Мечта о светопрозрачных покрытиях, защищающих улицы и городские кварталы от дождя и снега, зародилась у людей очень давно и только с приходом промышленной революции, принесшей широкие технические и финансовые возможности, реализация подобных проектов становится осуществима. Лишь за период второй половины Х1Х века, большие крытые стеклом пассажи-галереи с рядами дорогих магазинов и уютных кафе появились в большинстве главных городов Европы и Америки. А одной из самых заметных жемчужин, того периода развития больших остекленных атриумных пространств, безусловно, является знаменитая Галерея Виктора Эммануила II в Милане, открытая для посетителей ещё в 1877 году [3, с.12].
За последние годы к списку факторов стимулирующих дальнейшие исследования в этом направлении, можно добавить: быстрые и непредсказуемые изменения климата на планете, угрожающее увеличение загрязнения окружающей среды, возрастающие угрозы экстремизма, а также желание людей снизить чрезвычайно высокую энергозатратность жизнедеятельности своих городов.
Важным этапом на пути развития объемных светопрозрачных сооружений явилось научное обоснование возможности их ощутимой эффективности - и в экономичности энергопотребления, и в значительном сокращении теплопотерь, при одновременном существенном расширении вновь создаваемого удобного и востребованного общественного пространства.
Заслуга в этом обосновании принадлежит английским и американским архитекторам и ученым, но, в первую очередь, можно выделить работы Терри Фаррелла и Рольфа Лебенса, которые на границе 70-80-х годов ХХ века создали
SCIENCE TIME
концепцию «буферного мышления». Результатом этой концепции стало активное внедрение в мировую архитектурную практику "буферного эффекта" или "принципа двойного ограждения" [4, с.11].
При исследовании вопроса, возможности создания эффективных больших атриумных пространств, были выделены согревающий, охлаждающий и трансформируемый типы атриумов. С той поры прошло лишь немногим более 30 лет, но даже за этот небольшой период времени современные атриумные пространства завоевали весь цивилизованный архитектурный мир. К сожалению, современная Россия, в этом смысле, пока не имеет больших достижений .
Соглашаясь с имеющимися доводами специалистов, по целесообразности применения в современной архитектуре больших атриумных пространств, и не пытаясь оспаривать их выводы, автор статьи далее предлагает рассмотреть возможность того, как, с помощью многопоясных тросовых конструкций, создавать (перекрывать) такие пространства дешевле и надёжнее, а также особо не ограничиваться размерами атриумов, внедрив новую технологию перекрытия больших пролетов. Думается, что в условиях России, даже лишь создание самого простого второго ограждения (буферного пространства) вокруг городских кварталов позволит благоразумно использовать те многочисленные теплопотери накрываемых зданий, которые не будут безвозвратно растворятся в окружающем пространстве, а обеспечат обогрев образовавшихся атриумных пространств. Только за счет качественного светопрозрачного защитного покрытия, температура в таких атриумных пространствах в зимний период может быть на 10-15 градусов выше уличной [5].
В летний период, кроме разумного регулируемого частичного затенения внутреннего пространства, от излишнего солнечного излучения и перегрева, можно предусмотреть раскрытие вентиляционных проемов в светопрозрачном покрытии, а так же осуществлять другие - известные и разнообразные, но от этого не менее эффективные методы создания комфортного микроклимата внутри всего светопрозрачного комплекса. Очевидно, что создание комфортного и стабильного микроклимата в одном большом замкнутом пространстве будет осуществить намного проще и дешевле, чем обеспечить такие же комфортные условия одновременно в тысячах небольших помещений. Сама природа объемных светопрозрачных сооружений располагает к тому, чтобы мы отбросили некоторые свои устаревшие стереотипы мышления, на решение подобных задач, и взглянули заново на возможность создания комфортной среды в новых условиях больших объемных пространств. При этом уже есть новые эффективные технические решения, использующие важные преимущества больших пространств и позволяющие обеспечить стабильные комфортные условия для всего внутреннего пространства БСЗС при значительно меньших энергетических затратах.
Рис. 1 Проект Masdar City
В 2012 году российскими инженерами была разработана технически доступная и эффективная в реализации концепция перекрытия больших пролетов, позволяющая обеспечить строительство разнообразных большепролетных зданий и сооружений. Идея заключается в создании над комплексом зданий многопоясного тросового покрытия, которое, перекрывая большие пролеты между опорными зданиями и объединяя комплекс зданий в одно целое, сможет нести любую расчетную нагрузку, которая потребуется строителям для создания общего для всего комплекса, прочного и надёжного светопрозрачного покрытия. Защитное покрытие обеспечит возможность поддержания в замкнутом внутреннем пространстве такого объекта постоянных и комфортных для человека параметров: температуры, влажности, подвижности и чистоты воздуха, освещенности, безопасности и др. [6].
В основу идеи многопоясных тросовых систем заложены известные принципы вантовых конструкций, которые уже более полувека широко применяются в мире для строительства большепролетных зданий и сооружений. Но более широкого распространения в большепролетном строительстве
вантовые конструкции пока не получили из-за некоторых своих негативных особенностей и свойств. Так большепролетные здания с 2-х поясными вантовыми конструкциями покрытий, как правило, не могут обеспечить уклон кровли наружу здания, что создаёт дополнительные трудности с отводом атмосферных осадков с покрытия. Кроме этого, создавая очень значительные горизонтальные нагрузки в высоких опорах, вантовые конструкции вынуждают строителей решать эту проблему дополнительными финансовыми вложениями в мощные контрфорсы для этих нагрузок. Еще одним недостатком 2-х поясных вантовых конструкций является их большая деформативность под действием местных нагрузок.
Многопоясные тросовые системы лишены перечисленных недостатков большепролетных вантовых покрытий и даже способны создать возможность для успешного перекрытия гораздо больших пролетов, что сегодня может дать новый импульс в развитие всего большепролетного строительства.
Чтобы понять, как работает многопоясное тросовое покрытие надо представить конструкцию любого известного большепролётного покрытия, которым перекрыли пролёт между двумя зданиями (например, пространственную перекрёстно-стержневую плиту). Если пролёт достаточно большой, то это покрытие под собственным весом неизбежно прогнётся, а при воздействии на него дополнительных внешних нагрузок (от снега, ветра и др.) может разрушиться. Но, чтобы этого не случилось и большепролётное покрытие не обрушилось, мы натягиваем под ним высокопрочные стальные тросы в несколько рядов (поясов), от одного опорного здания до другого, выполняем их натяжение и устанавливаем (через определённые расстояния по длине тросов) между поясами получившейся тросовой системы, распорные стойки, а между соседними тросами во всех поясах тросовой системы -распорки и/или растяжки. Многопоясность помогает добиться того, что на любой длине пролета тросовая система является двояковыпуклой и подпирает собой снизу рассматриваемое прогнувшееся покрытие.
При этом, в покрытии, за счёт натяжения тросов и работы распорных стоек, не только исчезает образовавшийся прогиб, но и возникает прогиб с обратным знаком - вверх. Это позволяет покрытию не только не разрушится под воздействием на него предельных нагрузок, но, напротив, способствует восприятию им значительных дополнительных нагрузок, в соответствие тем расчётными характеристиками тросовой системы, которые ей зададут строители.
Специалистам понятно, что система преднапряжённых вантовых конструкций, несущих жёсткое, прочное и устойчивое покрытие, невозможна без жёстких опорных элементов (воспринимающих огромные горизонтальные нагрузки), а также стабилизирующей системы, воспринимающей все временные нагрузки на покрытие, в том числе отрицательное давление ветра. Поэтому,
естественно, что и предлагаемая концепция строительства БСЗС при помощи многопоясных тросовых систем, поддерживающих большепролётное светопрозрачное покрытие, предполагает и учитывает все необходимые для этих сооружений условия.
Понятно, что покрытие, основой для которого являются большепролетные многопоясные тросовые системы, по желанию, можно выполнить из любого материала, в том числе и светопрозрачного. Например, в условиях низких температур окружающего воздуха, лучшим на сегодня светопрозрачным материалом являются многокамерные стектопакеты [8].
Преимущества многопоясных тросовых систем перед известными традиционными техническими решениями, применяющимися при перекрытии больших пролетов, очевидны. Это очень значительная прочность и надежность таких систем, превосходная несущая способность, легкость конструкций, возможность перекрывать существенно большие пролеты, лучшая светопропускная способность покрытия, в несколько раз меньшая металлоемкость конструкций и, как следствие, относительно невысокая стоимость всего покрытия.
Надо отметить, что технология перекрытия больших и сверхбольших пролетов с помощью многопоясных тросовых систем позволит строить самые разнообразные по объему, форме и назначению сооружения. Это могут быть: самые большие по размерам ангары и производственные цеха, крытые легкоатлетические и футбольные стадионы, большепролетные общественные пространства, развлекательные и торговые центры, жилые кварталы под светопрозрачной оболочкой, большие стеклянные пирамиды и купола (в которых можно размещать самые разнообразные многофункциональные комплексы объектов недвижимости или корпоративные центры), а также большепролетные висячие мосты новой конструкции и др.
Представляется, что данное направление в строительстве (возведение БСЗС) должно развиваться как квартальная застройка. А одним из самых эффектных и оптимальным первоначальным вариантом для такой функциональной застройки может послужить, например, правильная четырёхугольная остекленная ПИРАМИДА (рис.2) со следующими параметрами:
- высота пирамиды - 200 м;
- размеры основания - 300х300 м;
- площадь основания (территория, защищаемая светопрозрачными покрытиями) - 9,0 Га;
- площадь ограждающих конструкций - 150 000 м ;
- геометрический объём пирамиды (П200) - 6,0 миллионов кубических метров.
Рис.2 Светопрозрачное сооружение в виде ПИРАМИДЫ высотой 200 м
В таком застекленном квартале разумно иметь лишь 320-450 тыс.кв.м полезных площадей (надземных), занятых под коммерческую и/или жилую недвижимость и расположенных, в основном, в опорных зданиях этого светопрозрачного комплекса. Остальной объем сооружения (более 4,0 млн.куб.м) - это многофункциональные атриумы.
Для сравнения, при увеличении высоты такой пирамиды П200 (геометрически идеальная пирамида имеет соотношения 3:4:5) всего на 50 метров, параметры П250 составят: основание - 375х375 м; Босн = 14,1 га, Бостекл = 235,0 тыс.кв.м. Произойдёт почти двукратное увеличение внутреннего объёма светопрозрачного сооружения, который в этом случае будет равен - 11,7 млн. куб м., а количество площадей занятых под коммерческую недвижимость может возрасти до 0,8 - 1,0 млн. квадратных метров. При этом, что является особенно привлекательным, площадь ограждающих конструкций пирамиды П250 будет почти вдвое меньше суммарной площади ограждающих конструкций внутренних опорных зданий [10].
Для специалистов понятна важность этого соотношения. При дальнейшем увеличении внутреннего объема БСЗС и придания ему куполообразной формы, уменьшение коэффициента соотношения площади ограждающих конструкций светопрозрачного комплекса, к сумме всех полезных площадей внутренних
помещений (как и к сумме площадей ограждающих конструкций внутренних зданий), будет изменяться в очень приятной глазу прогрессии, т.е. процесс такого строительства будет становиться экономически всё более привлекательным!
Другим перспективным направлением применения многопоясных тросовых светопрозрачных покрытий является строительство крытых футбольных стадионов и других большепролетных спортивных сооружений. С каждым годом спрос на крытые спортивные стадионы в мире возрастает (например, уже не только европейцы и североамериканцы строят для себя большие крытые стадионы, но и менее богатые страны, такие как Аргентина и Казахстан недавно построили такие сооружения, а Филиппины сегодня возводят, как уверяют, самый большой крытый стадион в мире). В преддверии подготовки к футбольному чемпионату 2018 года востребованность подобных объектов может наметиться и в России.
Применение многопоясных тросовых покрытий, сможет обеспечить всем новым стадионам самую простую, надежную и относительно недорогую конструкцию светопрозрачного покрытия, одновременно, обеспечивающую лучшую инсоляцию арены, чем на всех построенных до сего дня крытых стадионах.
Возведение большепролетных многопоясных тросовых светопрозразных покрытий сегодня не является сверхсложной задачей, так как в строительной практике существует многолетний опыт применения большепролетных вантовых покрытий, которые в основном используют теже самые технические решения, материалы, изделия и оборудование, и тех же самых технических специалистов. Большой и красивый, крытый и комфортный современный спортивный центр необходим каждому развивающемуся городу не только для проведения в достойных условиях спортивных соревнований в течение всего года, но и для широкого вовлечения городского населения в активные занятия спортом и своим личным здоровьем. Для этого многофункциональный спортивный комплекс может включать в себя не только высококлассное футбольное поле, многочисленные спортивные залы, бассейны и фитнес-центры, но любой на выбор перечень объектов для оздоровительных и учебно-тренировочных занятий различными видами спорта, а высотная часть спорткомплекса, при желании, может принять, близкие профилю объекта, гостиничные и офисные центры [10].
Рис. 3 Защитное сооружение куполообразной формы со светопрозрачным покрытием
Строительство БСЗС поможет решить следующие важные задачи «устойчивого развития» и требований «зеленых» стандартов LEED, BREEAM, DGWB:
- снижение уровня потребления энергетических и материальных ресурсов зданиями;
- снижение неблагоприятного воздействия на природные экосистемы;
- обеспечение гарантированного уровня комфорта среды обитания человека;
- создание новых энергоэффективных и энергосберегающих продуктов, новых рабочих мест в производственном и эксплуатационном секторах;
- формирование общественной потребности в новых знаниях и технологиях в сфере возобновляемой энергетики.
Новые экогорода в будущем вполне могут состоять, в основном, из расположенных вблизи друг к другу и максимально автономных БСЗС. Такие светопрозрачные сооружения будут построены среди живой природы и вписаны в естественный ландшафт, а также связаны между собой и с другими городами самыми современными высокоскоростными транспортными коммуникациями. Вероятно, это приведет не только к полному отказу многими жителями экогородов будущего от личных транспортных средств, из-за их ненадобности, но так же сможет навсегда устранить места опасного пересечения
потоков людей с потоками автомобилей.
Но самый главный результат строительства экоустойчивых большепролетных светопрозрачных сооружений - расширение и улучшение комфортной среды обитания человека, без негативных последствий для природы.
Литература:
1. Marcus Vitruvius Pollio, de Architectura — труд Витрувия в английском переводе Гвилта (1826)
2. Л Г. Дмитриев, А. В. Касилов. «Вантовые покрытия». Киев. 1974 г;
3. Зверев А.Н. Большепролетные конструкции покрытий общественных и промышленных зданий. СПб ГАСУ - 1998 г
4. Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции. Стройиздат - 1981 г
5. Смирнов В. А. Висячие мосты больших пролетов. Высшая школа.1970 г;
6. Евразийский патент № 016435 - Защитное сооружение с большепролётным светопрозрачным покрытием - 2012 г
7. Экоустойчивая архитектура: большепролётные светопрозрачные здания и сооружения / «Деловой Петербург» СПб. 2012г. [Электронный ресурс]. - URL: http://blog.dp.ru/post/4699/
8. Атриумы - как основа городской архитектуры будущего России. Атриумные здания и сооружения / «Деловой Петербург» СПб. 2012 [Электронный ресурс]. -URL: http://blog.dp.ru/post/4003/
9. Большепролетный висячий мост [Электронный ресурс]. - URL: blog.dp.ru/ post/5191/
10. ООН и устойчивое развитие [Электронный ресурс]. - URL: http:// www. un. org/ru/development/sustainable/csd. shtml
11. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.leed.net/- LEED.net
12. «Повестка дня на XXI век» - Конференция ООН по окружающей среде и развитию, Рио-де-Жанейро, 1992 г
