Сегодня наступила удивительная эпоха развития строительных технологий.

Сегодня пришло время, когда почти любые – самые смелые архитектурные идеи могут быть реализованы. И основными факторами, сдерживающими воплощение в жизнь всех значимых проектов современных архитекторов, уже чаще являются не отсутствие технических возможностей для строительства большого и сложного объекта, но лишь: польза будущего сооружения (его востребованность), а так же время и цена его реализации.

Во все времена люди стремились создать и максимально расширить искусственную среду своего безопасного и комфортного обитания. А архитектура, как инструмент этих устремлений, с самого своего зарождения и на всех этапах развития всегда старалась использовать имеющиеся технические возможности и существующие эстетические воззрения в обществе для удовлетворения этих потребностей.

Всматриваясь в отдельные сегодняшние архитектурные шедевры, невольно задумываешься, а не начала ли современная архитектура во многом терять понимание своего истинного предназначения и в ущерб логике и здравому смыслу всё больше увлекаться вычурными формами проектируемых зданий, погоней за показной эффектностью и безвольным потаканием безвкусице заказчиков? А ведь так хочется верить, что устремления нашей архитектуры, в соответствие современным насущным требованиям общества и, главное, существующим техническим возможностям строительной индустрии, будут направлены на создание больших открытых и хорошо защищённых от внешней среды пространств, в которых много естественного света и комфорта.

В этой статье мы рассмотрим реальную возможность сегодняшней архитектуры осуществить переход на новый этап своего развития, а так же увидим, как архитектура сможет, создавая новые объёмные пространства, хорошо защищённые от многих негативных внешних воздействий, максимально расширить комфортное и безопасное пространство среды обитания человека. И будет замечательно, если при этом ею останутся востребованы, накопленные за долгую историю своего развития, все положительные и рациональные устремления, положения и принципы архитектурной науки и культуры.

В качестве основной технической идеи для реализации обозначенных задач, современным архитекторам предлагается рассмотреть применение большепролётных светопрозрачных многопоясных тросовых покрытий, способных достаточно простым и рациональным образом обеспечить создание невиданных до этого атриумных пространств объёмом в миллионы кубических метров. Это создаст возможность не только накрывать светопрозрачными покрытиями отдельные городские кварталы, но в перспективе даже позволит осуществить давнюю заманчивую мечту архитекторов прошлого – мечту о единой надежной светопрозрачной оболочке для защиты от неблагоприятных внешних воздействий небольших городов.

Во второй половине 20 века строительная наука в СССР, США и других странах плодотворно работала над возможностью обеспечить защиту своих городов светопрозрачными куполами от нежелательных явлений погоды, негативных особенностей местного климата, надоедливых насекомых, обжигающих солнечных лучей и других, неблагоприятных для человека воздействий внешней среды. За последние годы, к списку факторов стимулирующих  дальнейшие исследования в этом направлении, можно добавить: увеличение загрязнения окружающей среды, возрастающие угрозы экстремизма, желание людей снизить энергозатратность жизнедеятельности своих городов.

И сегодня в этом направлении не только создаются уникальные проекты подобных сооружений ( такие, например, как «Купол над Хьюстоном»), но некоторые из этих удивительных проектов уже реализуются. Так в городе Астана, при помощи англичан и турок, казахи построили 100 метровый светопрозрачный шатёр, в котором разместили самый большой и презентабельный в Казахстане торгово-развлекательный центр. Казахи очень гордятся им и даже отсняли о его строительстве большой документальный фильм «Самый большой шатёр в мире».

Но ещё более удивительный и грандиозный парк развлечений создали в Германии. Этот немецкий центр развлечений «Тропические острова» имеет внутренний объём около 5,5 млн. куб метров и, вероятно, является пока самой большой по этому показателю постройкой на Земле.

В 2012 году российскими инженерами был получен Евразийский патент на изобретение за № 016435 «Защитное сооружение с большепролётным светопрозрачным покрытием» на технически доступную сегодня, относительно простую, недорогую и эффективную в реализации концепцию строительства подобных и даже более значительных по объёму защитных светопрозрачных сооружений. Идея заключается в создании над комплексом зданий единого надёжного светопрозрачного многопоясного тросового покрытия, которое, объединяя комплекс зданий в одно целое, создаёт вокруг этих зданий прочную светопрозрачную защитную оболочку. А светопрозрачная оболочка обеспечивает возможность поддержания в замкнутом внутреннем пространстве сооружения постоянных и комфортных для человека заданных параметров: температуры, влажности и чистоты воздуха, освещенности, безопасности и др.

В основу российской идеи многопоясных тросовых систем заложены давно известные принципы вантовых покрытий. Такие покрытия уже более полувека широко применяются в мире для строительства большепролётных сооружений. Так, например, ещё в1967 г. в Ленинграде по похожей технологии был построен и активно эксплуатируется до сего дня дворец спорта «Юбилейный», а в Белоруссии в2009 г. – построен современнейший спорткомплекс «Минск-Арена».

Технология постройки предлагаемых большепролётных светопрозрачных защитных сооружений, в частности, 200 метровой стеклянной пирамиды, практически такая же как и у перечисленных спортивных сооружений. Для специалистов, очевидно, что такая пирамида отличается от перечисленных спортивных арен, в основном, тем, что: вместо опорного контура наружных стен спортивной арены – опорный контур пирамиды состоит из составляющих этот опорный контур отдельных заглублённых в грунт зданий; центральное металлическое кольцо вантового покрытия (к которому крепятся предварительно напряжённые высокопрочные стальные тросы) находится не в подвешенном состоянии над спортивной ареной, а расположено на самой высокой опоре защитного сооружения; покрытие состоит не из двухпоясных вантовых ферм, а представляет из себя многопоясную пространственную тросовую конструкцию ( при этом, 3–4 поясная тросовая конструкция внешне похожа на натянутую на здания многослойную стальную паутину). В целом, в предлагаемых светопрозрачных сооружениях изменилось лишь внешнее восприятие объекта, но внутренняя суть (идея покрытия) осталась такой же, как на «Минск-Арена» и ДС «Юбилейный».

Рассмотрим основные отличительные и конкурентные преимущества российской концепции создания светопрозрачных сооружений:

• применение в качестве опор для большепролётных светопрозрачных покрытий не специально построенных для этого конструкций, но подготовленных для опоры основных зданий комплекса светопрозрачного сооружения, позволяет максимально снизить стоимость неэффективных затрат на возведение защитного покрытия и одновременно увеличить общую надёжность сооружения;

• различная высота опор для светопрозрачных тросовых систем, которая (предпочтительно) постепенно уменьшается от центра светопрозрачного сооружения к опорному контуру, позволяет не только улучшить основные показатели несущих тросовых систем, но и обеспечивает уклон светопрозрачных покрытий наружу сооружения;

• многопоясность тросовых систем, обеспечивает им двояковыпуклость на любых величинах перекрываемых пролётов и даёт возможность, при всех суммарных расчётных нагрузках на систему, исключить любой возможный положительный прогиб покрытия. Кроме этого, все нагрузки (в том числе точечные), действующие на тросовое покрытие, рационально и надёжно перераспределяются пространственной многопоясной тросовой системой и воспринимаются, если не всем количеством несущих тросов, то значительной их частью;

• пространственное светопрозрачное покрытие содержит предварительно напряженные многопоясные тросовые системы, состоящие из высокопрочных стальных и/или углеродных волокон, и расположенную поверх них жесткую рамную конструкцию несущую светопрозрачные элементы.  Такая конструкция покрытия не только придаёт тросовым системам дополнительную жесткость, но и обеспечивает надёжность и целостность светопрозрачной оболочки в случаях аварийного выключения из работы отдельных тросов в системах покрытия;

• значительная несущая способность многопоясных тросовых систем, а так же их жёсткость, позволяют, в качестве светопрозрачных элементов для покрытия защитного сооружения, использовать любые на выбор (без ограничений) светопрозрачные материалы, а так же размещать на покрытии всё необходимое оборудование и системы для обеспечения качественной эксплуатации сооружения. При этом теплотехнические, оптические, прочностные и другие свойства применяемых светопрозрачных материалов должны соответствовать тем климатическим и погодным условиям, в которых будет эксплуатироваться светопрозрачное сооружение;

• совокупность особенностей устройства и взаимного расположения тросовых и опорных конструкций  позволяет обеспечить возможность строительства защитных сооружений самых разнообразных форм и размеров.

Промышленность России пока не может обеспечить поставку всех изделий и материалов отечественного производства необходимых для возведения многопоясных тросовых покрытий, но с помощью российских технических решений и специалистов, например, французской компании «Freyssinet International & Cie» ( одного из мировых лидеров в проектировании и изготовлении вантовых конструкций) можно уже сегодня относительно легко построить, например, стеклянную пирамиду высотой200 метров(см. фото).

Надо сказать, что российская технология перекрытия больших пролётов с помощью светопрозрачных многопоясных тросовых систем позволяет строить самые разнообразные по объёму и форме здания и сооружения, в том числе: крытые легкоатлетические и футбольные стадионы, жилые кварталы накрытые светопрозрачной оболочкой, стеклянные пирамиды высотой до500 метров(в которых можно размещать многофункциональные по назначению комплексы объектов) и др.

Преимущества многопоясных тросовых систем перед традиционными технологиями, применяющимися при перекрытии больших пролётов, очевидны. Это большая прочность и надёжность, лёгкость конструкций, возможность перекрывать значительно бОльшие пролёты, лучшая светопропускная способность покрытия (над головой не висит столько металлолома), меньшая в разы металлоёмкость, и, как следствие, относительно невысокая цена.

Кроме этого, многопоясные тросовые покрытия, применяемые даже в районах сейсмической активности, не будут являться причиной повышенной опасности для людей. Напротив, за счёт своих превосходных прочностных качеств, а так же взаимного расположения и взаимодействия с опорами позволят обеспечить большую устойчивость опорным высотным зданиям защитного сооружения при землетрясениях.

Огромное пространство атриума светопрозрачного сооружения может быть организовано многообразно. Например, оно может представлять собой обширный и уютный ландшафтный сад, который даёт жителям и гостям защитного сооружения возможность круглогодичного полноценного общения с природой: как в самые жаркие летние месяцы, и долгие дождливые дни осени, так и в снежные и холодные месяцы зимы. Но также в таком удивительном атриуме может прекрасно разместиться: и самый огромный аквапарк, и полноценный спортивный стадион, и многое другое одновременно.

Вероятно, предлагаемое направление в строительстве должно развиваться сначала как квартальная застройка (например, показанная 200 метровая правильная четырёхугольная ПИРАМИДА, имеет размеры основания 300х300 метров и площадь всего лишь9 Га, но при этом её геометрический объём (6,0 миллионов кубических метров) превышает любое построенное людьми здание). В таком застеклённом квартале разумно иметь лишь 320–450 тыс квадратных метров полезных площадей занятых под коммерческую и жилую недвижимость, а остальной объём – это атриумы.

Какие основные положительные особенности и свойства можно ожидать от построенных большепролётных светопрозрачных защитных сооружений?

Очевидно, что:

1. Строительство предложенных защитных сооружений оправдано не только как способ защиты людей, территории вокруг их жилищ и зданий ( находящихся во внутреннем объёме сооружения) от негативных внешних воздействий, но и чрезвычайно экономически привлекательно и эффективно, так как стоимость возведения светопрозрачного покрытия защитного сооружения не превысит 3–4% от сметной стоимости строительства всего комплекса зданий (при бОльших объемах сооружения этот процент будет ещё меньше), а площадь ограждающих конструкций всего сооружения при этом уменьшится на 20 % и более, к сумме площадей ограждающих конструкций всех внутренних опорных зданий комплекса (понятно, что этот % уменьшения площади ограждающих конструкций будет зависеть от размеров и формы защитного сооружения, а так же количества внутренних зданий).

Расчёты по относительно небольшой 200 метровой пирамиде ( с которой бы и хотелось начать строительство таких сооружений) показывают, что суммарная площадь ограждающих конструкций лишь опорных зданий пирамиды ( которые в связи с конструктивной необходимостью в качестве опор светопрозрачного покрытия пирамиды размещены под её гранями и в опорном контуре – см. ниже эскизный план пирамиды, где цифрами 1, 2, 3 обозначены опорные здания покрытия) превысит площадь ограждающих конструкций самой пирамиды более чем на 30 %! (площадь поверхности пирамиды составляет 150 000 кв.м, суммарная площадь ограждающих конструкций внутренних опорных зданий пирамиды – 217 500 кв.м).

При этом известно, что затраты на отопление здания зависят не от внутреннего объёма его помещений, но лишь от необходимости постоянного восполнения количества совершаемых им вынужденных теплопотерь. А так как большая часть теплопотерь напрямую зависит от площади и качества ограждающих конструкций здания, то, решив задачи создания качественных светопрозрачных покрытий с низкими коэффициентами теплопроводности и уменьшением площади ограждающих покрытий здания, мы обеспечим экономию энергоресурсов на отопление (кондиционирование).

Светопрозрачные сооружения значительно большего объёма смогут снижать суммарные площади ограждающих конструкций сооружения, относительно суммарной площади ограждающих конструкций внутренних зданий, в разы.  А если учесть, что пирамида не самая эффективная форма по площади ограждающих конструкций, с точки зрения теплопотерь совершаемых определённым объёмом сооружения, то применив купольные формы экономический эффект от эксплуатации такого сооружения будет ещё выше.

При этом, чем больше объём защитного сооружения, тем больше эти показатели будут улучшаться, то есть, соотношение стоимости защитной оболочки к сметной стоимости всего сооружения будет уменьшаться, а экономический эффект при эксплуатации сооружения будет неизменно увеличиваться от привлекательного изменения процентного соотношения площадей ограждающих конструкций и других показателей.

Это значит, что затраты на строительство обычного жилого микрорайона и такого же микрорайона, но накрытого светопрозрачным куполом, будут приблизительно одинаковыми (а с учетом разумного уменьшения теплоизоляции и веса ограждающих конструкций внутренних опорных зданий защитного сооружения, упрощённой их наружной отделки и др. подобных нюансов, цена строительства защитного сооружения может быть даже меньше стоимости строительства такого же отдельного комплекса зданий, но без купола). Положительный экономический эффект при эксплуатации защитного сооружения очевиден и будет ощутим в северных районах особенно в зимнее время, а в жарком климате – летом. Кроме этого, подобные сооружения создадут ощущение круглогодичного комфорта и безопасности для находящихся в них людей (как внутри зданий, так и в окружающих здания атриумных пространствах);

2. Чем больше внутренний объём защитного сооружения, тем такое сооружение и созданный в нём микроклимат будут устойчивее к возможным негативным изменениям от внешних и внутренних воздействий и тем дешевле поддерживать в таком сооружении заданные параметры. Например, инженерные системы (такие, как система рекуперации воздуха и некоторые др.) при больших объёмах помещений значительно более эффективны, так как дешевле в производстве и экономичнее в эксплуатации, естественно, в пересчёте на кв.м полезной площади. Перепад высот большого светопрозрачного сооружения создаёт возможности для лучшего использования эффекта естественной тяги для организации вентиляции внутреннего пространства сооружения. Кроме этого, внутренний тёплый воздух большого защитного сооружения, создавая подъёмную силу (согласно закону Архимеда), в определённой мере, снизит нагрузки от веса светопрозрачного покрытия на фундаменты опорных зданий сооружения. А человек, находясь во внутреннем пространстве большого защитного сооружения (с объёмом атриумов более 1 млн кубических метров), будет ощущать себя ровно так, как будто он находится вне замкнутого пространства;

3. В жарком климате защитные светопрозрачные сооружения, за счёт замены части светопрозрачного покрытия на солнечные батареи, смогут не только способствовать выработке необходимой для сооружения электроэнергии, но, одновременно, за счёт частичного затенения внутреннего пространства сооружения, экономить значительные энергоресурсы на снижении потребности в кондиционировании воздуха. Эффективность создания комфортной среды внутри сооружения обеспечится в этом случае за счёт того, что количество солнечной энергии, попадающее через светопрозрачное покрытие внутрь защитного сооружения, будет автоматически регулироваться при помощи специальных систем затенения, светоотражения, светопреломления и др., расположенных на светопрозрачном покрытии. При расположении светопрозрачного покрытия на большой высоте над землёй, это покрытие (как и расположенное на нём оборудование) за счёт свойств света (отражения, преломления, дифракции и интерференции), для находящихся в сооружении людей становится малозаметно;

4. В районах крайнего севера и Сибири такие сооружения смогут круглогодично защищать людей (в первую очередь детей) находящихся внутри защитного сооружения не только от непогоды, низких температур окружающего воздуха, но и многочисленных кровососущих насекомых. Для защиты от снежных заносов на светопрозрачном покрытии предусмотрены специальные весьма несложные снегоочистительные механизмы и различные широко используемые системы антиобледенения. Рассматриваемые защитные сооружения дают огромные возможности для энергосбережения, в том числе возможностью применения и эффективного использования так называемых – низкопотенциальных источников тепла. Практическая реализация концепции строительства подобных защитных сооружений вполне может сделать наши северные города оазисами комфортного микроклимата, цветущими вечнозелеными садами в окружении вьюг и морозов, и явиться очень привлекательной моделью для развития перспективных территорий страны, ещё необжитых из-за сурового климата. Светопрозрачными многопоясными тросовыми системами можно перекрыть так же и спортивные стадионы, которые в России этого уже давно ждут (в этом случае светопрозрачное покрытие будет выполнено раздвижным);

5. Жителей светопрозрачных защитных сооружений не может не обрадовать пространство, в котором исчезнут автомобили (такие привычные, но такие ненавистные многим горожанам), а их место займут, в случае возникшей необходимости, экологически чистые: миниэлектромобили, велосипеды, движущиеся дорожки, наклонные лифты или другие виды внутреннего транспорта; а необходимые для внешних поездок неэкологичные личные транспортные средства будут размещаться на внешних парковках (предпочтительно подземных) в зданиях опорного контура защитного сооружения.

Атриумы светопрозрачных сооружений обязательно вернут нашим дворам их былую актуальность и востребованность, как вновь созданное очаровательное во многих отношениях общественное пространство. Ведь сегодня наши дворы в своём большинстве неуютны, грязны и плотно заставлены автомобилями, что совершенно не располагает к тому, чтобы остановиться в них и с удовольствием провести там своё свободное время в добром общении с соседями или в играх с детьми. Поэтому сегодня большинство жильцов многоквартирных жилых комплексов, при выходе из своих квартир, старается по возможности не останавливаясь побыстрее покинуть эти ужасные некомфортные пространства у своих домов.

6. В будущем, при развитии соответствующих технологий и возникшей потребности, во внутреннем пространстве большого защитного сооружения для жильцов могут быть предоставлены искусственно созданные и безопасные явления погоды: колебания температур внутри дня, любые режимы освещённости, движение воздуха напоминающее ветер, дождь по расписанию, избранные запахи и звуки природы и др.

7. Востребованность предложенных объёмных светопрозрачных защитных сооружений обязательно приведёт к быстрому развитию сопутствующей данному виду строительства научной мысли направленной на: появление новых материалов и технологий, обеспечение полной энергетической независимости сооружений от внешних источников снабжения, внедрение разнообразных высокотехнологичных устройств, которые автоматически (в соответствии с внешними и внутренними условиями) будут задавать и отслеживать режимы работы всех инженерных систем и электроприборов сооружения, развитие других положительных особенностей и свойств данных объектов, оправдывающих понятие «intelligent building»;

8. Строительство подобных защитных сооружений по многим критериям наилучшим образом вписывается в модную идею так называемого «Зелёного строительства» (Green Buildings);

9. Новые строящиеся города в будущем могут состоять в основном из расположенных вблизи друг к другу отдельных и почти автономных светопрозрачных сооружений (с примерными размерами в плане от 150х150 метров до 1000х2000 метров или чуть больше), которые расположены среди живой природы и вписаны в природный ландшафт, а также связаны между собой и с другими городами современными транспортными коммуникациями.

10. Размещение многофункциональных комплексов в светопрозрачных защитных сооружениях (объединяющих под одной светопрозрачной крышей жилые, детские, образовательные, офисные, научные, торговые, спортивные и др. помещения, учреждения и здания ) и построенных за пределами крупных городов позволит тут же сделать их привлекательными для активной и успешной части населения мегаполисов и снизить чрезмерную скученность населения на небольших территориях этих городов.

К сожалению, современная архитектура, не только не думает об этом, но, как специально, провоцирует своими иногда непродуманными высотными проектами и чрезмерным уплотнением городской застройки дальнейшее скучивание населения в отдельных точках уже и так перенаселённого пространства.

Несомненно, что реализация в полной мере этой, пока ещё фантастической, идеи – массового строительства защищенных надёжными светопрозрачными оболочками объёмных замкнутых пространств, позволит со временем значительно улучшить экологичность, энергетическую целесообразность и общую привлекательность наших городов.

Это новая архитектура. И нашему костному сознанию оценить и понять все её положительные свойства и преимущества совсем непросто. Но хочется верить, что эти перемены не за горами и  за такими (и аналогичными им) сооружениями наше будущее.

Жаль только, если большепролётные светопрозрачные сооружения начнут строить быстрее в каких-либо других развитых странах, а к нам они попадут как очередной иностранный продукт.

 

Инженер-строитель Сергей Павлович Алексеев (s.alekseev1@rambler.ru)