Строительство с сохранением рельефа и почвенно-растительного слоя

Жилые обвалованные здания на ровном рельефе или на склонах сооружают в один - два этажа, как правило, в виде индивидуальных отдельно стоящих домов. Однако на склоне, таким образом, может быть построено и многоэтажное террасное полузаглубленное здание. По конфигурации полузаглубленные жилые дома можно разделить на возвышающиеся, сквозного типа и атриумные (рис. 6.21); к ним следует добавить и здания на склонах. Возвышающиеся здания отличаются тем, что одна сторона свободна от засыпки, располагаются они чаще всего на наклонном рельефе (лучше с ориентацией открытой стены с окнами на юг). Их покрытие может быть обваловано или не покрыто грунтом, на нем выполняют уклон в соответствии с уклоном обваловки. Здание характеризуется односторонней пригрузкой от обваловки. При строительстве и на ровном участке требуется грунт для трехсторонней обваловки и небольшого заглубления здания. В плане рекомендуется не увеличивать размер свободной от засыпки стены с целью снижения теплопотерь.

При планировке возвышающегося жилого дома все основные помещения располагают у открытой стены, причем параллельно этой освещенной поверхности устраивают за основными помещениями коридор, а за коридором - подсобные помещения (санузлы, кладовые, кухня и др.). Ввиду того, что только через одну сторону здания в него проникает свет, стремятся выполнить жилой дом компактным в плане, переходя, при необходимости, к двухэтажному зданию, или к созданию второй открытой стены, или к ломаной, криволинейной форме здания в плане. Здание сквозного типа располагают на спокойном рельефе, оно имеет ряд световых проемов в нескольких направлениях, характеризуется небольшим заглублением в грунт, входами со всех сторон, обваловкой отдельных частей стен и кровли. Обваловка кровли, как правило, горизонтальна. В таких зданиях давление грунта благоприятно, нет односторонней нагрузки. Освещение и проветривание эффективнее, чем возвышающегося, в связи с устройством большого числа проемов. Оконные проемы выполняются по периметру в наружных стенах. В местах границы между обваловкой и открытыми фасадами, а также на участках подходов к зданию необходимо предусматривать подпорные стены.

Здания атриумного типа отличаются устройством внутреннего дворика или пространства, через которое проникает свет, воздух, осуществляется сообщение между примыкающими к атриуму частями здания. Атриумное здание может быть четырехсторонним с закрытым внутренним двором или с открытой четвертой стороной. По периметру внутреннего двора располагают комнаты, далее - кольцевой коридор. Подсобные помещения находятся в неосвещенной части, у наружных стен. Атриум может быть перекрыт прозрачным ограждением, при этом он используется как аккумулятор тепловой энергии. Доступ в атриумные здания предусматривают через лестницу сверху или через боковую открытую четвертую сторону здания. Все окна выходят внутрь атриума.

Здания на склонах, частично заглубленные в грунт (террасного типа), имеют одну открытую для освещения и вентиляции сторону. Отдельные этажи располагают со сдвижкой в плане, зависящей от уклона рельефа, при этом на части кровли каждого этажа устраивают горизонтальную обваловку. Такие здания могут быть многоэтажными и развитыми в плане, при этом возникает проблема устройства коммуникаций. Для движения людей устраивают наклонные лифты, лестницы. Как и в других типах зданий, у открытой стены проектируют основные помещения, за ними - коридор, освещаемый вторым светом, а далее - подсобные помещения. В общем случае конструкции жилого заглубленного или обвалованного здания состоят из следующих элементов: покрытия (с гидроизоляцией, утеплителем, дренажем); стен наружных (с гидроизоляцией, утеплителем, дренажом) и внутренних; фундаментов; парапетной стенки, испытывающей давление грунта; междуэтажных перекрытий; подпорных стен снаружи и внутри здания. Простой конструктивной схемой здания считается плоскостная (конструкции покрытия, перекрытий, стен и фундаментов состоят из плоских элементов). Однако, в связи с большими нагрузками от грунта и эстетическими требованиями более предпочтительна пространственная конструктивная схема.

Один из важных вопросов проектирования - взаимосвязь заглубленных зданий с рельефом грунта. Для ровного рельефа рационально проектирование полузаглубленных или обвалованных зданий с отсыпкой небольших насыпей вдоль наружных стен. На пологом (небольшом) уклоне можно полностью или частично заглубить здание в грунт.

Не менее важно правильно выбрать конструктивное решение жилого дома. Обычно разделяют два типа: более удобные для внутренней планировки плоские конструктивные элементы и менее удобные пространственные (сводчатые, сферические и др.). Плоские покрытия позволяют организовать удобные плоские или скатные кровли с небольшим слоем обваловки (рис. 6.22). При плоских конструкциях стен облегчается проектирование освещения.

В случае если предусматриваются пространственные конструкции, то затрудняется устройство кровли, усложняется выполнение световых проемов и др. Вместе с тем эти конструкции помогают воспринимать увеличенные распределенные нагрузки на покрытие при меньшем расходе материалов, повысить размер пролетов без внутренних опор, улучшить архитектурную выразительность интерьера жилых зданий. Плоские конструкции покрытия устраивают обычно в виде многопустотных сборных предварительно напряженных плит с тепло- и гидроизоляцией. По плитам укладывают слой выравнивающей цементной стяжки толщиной 20...40 мм, по стяжке - гидроизоляцию, далее - жесткую теплоизоляцию толщиной 150 мм, дренирующий слой песка 75 мм и растительный грунт. Толщину слоя грунта над покрытием принимают исходя не только из минимальных теплопотерь, но и с учетом вида растительности на поверхности. Для травяного покрова достаточен слой грунта толщиной 45 см, для мелких и средних кустарников - до 75, для небольших деревьев - около 100 см. Обвалованное здание стремятся вписать в естественный пейзаж, высаживая растения, характерные для местности. Грунт для засыпки используют в виде смеси местного грунта с добавками, помогающими росту зеленых насаждений. В местах интенсивного пешеходного движения в грунтовую смесь добавляют до 90 % песка. В состав грунтовой смеси обычно вводят просеянный верхний слой грунта - 10%, песок - 40...50 и торф -26...50 %. Жилые дома возводят в открытом котловане и выполняют из монолитного или сборного железобетона; стены могут из кирпича, блоков, панелей, внутреннюю обшивку лучше устраивать из дерева. Фундаменты заглубленных жилых домов чаще всего выполняют ленточными из монолитных или сборных блоков.

Для возвышающихся зданий с односторонним горизонтальным давлением грунта изменяют ширину подошвы фундаментов в соответствии с расчетом. Глубину заложения фундаментов под свободные стены устанавливают как для фундаментов надземных зданий, а для обвалованных стен - с учетом высоты обваловки, как для фундаментов зданий с подвалом. Так как для двухэтажных возвышающихся зданий суммарное значение бокового давления грунта велико и ему не противодействует давление с противоположной стороны, здание по подошве рассчитывают на сдвиг. Для удержания откосов грунта в местах прохода и проезда к обвалованному зданию служат архитектурно выразительные подпорные стенки (рис. 6.23).

Иногда экологичные обвалованные жилые здания могут быть вполне конкурентоспособны как по стоимости строительства, так и по затратам в период эксплуатации, по сравнению с традиционными типами жилых домов: например, в поселке Хокертон (Англия) готовится строительство нескольких запроектированных недорогих жилых домов, которые северной стороной врезаются в холм, а на открытой южной стороне расположены широкие окна и остекленные двери. Здание утеплено по периметру (со стороны грунта) слоем пенополистирола, дополнительной теплоизоляцией служит грунт обваловки, в том числе на озелененной кровле.

Все жилые дома почти полностью автономны, местное водоснабжение предусмотрено из артезианской скважины, местная канализация замкнута на выработку удобрения, установлен ветроаг-регат, на юг ориентированы солнечные батареи и гелионагреватели на кровле. Один трехспальный дом стоит 50 тыс. фунтов стерлингов, что сравнительно немного для условий Англии. Здания не только будут очень дешевы в эксплуатации, но и не нарушают экологическое равновесие.

Здания общественного назначения могут быть выполнены при самом различном заглублении как атриумные, возвышающиеся, сквозные, на склонах и пр.

Рис. 6.24. Типы общественных зданий: а - атриумные; б, в - возвышающиеся; г - сквозное; д - мелкого заложения; е - на склоне; 1 - обвалов-ка; 2 - атриум; 3 - фундамент; 4 - обвалованная стена; 5 - перекрытие; 6 -покрытие; 7 - подпорная стена.

Но здания с постоянным пребыванием детей (школы и пр.) должны иметь естественное освещение. Атриумное здание Квебекской консерватории имеет подземный двор - атриум, в который выходят два яруса основных помещений и балкон второго яруса (этажа). Интересно обвалованное атриумное здание детского сада в г. Осака (Япония), сообщающееся с наружной территорией через четыре прохода, соединенные с внутренним двором, имеющим озеленение и бассейн.

Возвышающееся здание двухэтажной школы в г. Джефферсон (США) снабжено дополнительным световым фонарем для освещения помещений, удаленных от свободной стены. Трехэтажный общественный центр микрорайона во Франции выполнен сквозным, обвалованным и не заглубленным относительно грунта. Очень просты по технологии строительства решения подземных кинотеатров - типовой проект ЦНИИЭП учебных зданий (см. рис. 6.24,д) и предложение автора по устройству кинотеатра в холме. В настоящее время разработаны и осуществлены сотни оригинальных проектов общественных центров (один из самых известных - подземный центр в Париже), различных общественных зданий. Недавно в Скандинавии построен большой олимпийский стадион под землей.

Конструкции зданий производственного назначения могут быть самыми разнообразными по объему, заглублению, количеству ярусов.

Наиболее широко распространены одноярусные здания, они просты в производстве работ. Они могут быть выполнены как из монолитного, так и из сборного железобетона. Особенностью таких зданий является действие симметричных противоположно направленных горизонтальных сил, что исключает необходимость устройства систем связей (как это делается в наземных зданиях). В конструкции зданий входят, как обычно, фундаменты, стены, колонны, ригели и плиты. Наиболее ответственными узлами таких зданий, как и вообще всех подземных объектов, являются узлы и стыки, крепления колонн и стен, а также стыки между отдельными стеновыми блоками и панелями. Эти узлы воспринимают большие моменты вследствие значительного горизонтального и вертикального давления грунта, а также могут быть местами протечек грунтовой воды. Для создания водонепроницаемых стыков рекомендуется применение для заделки расширяющегося бетона на напрягающем цементе НЦ.

Основным элементом, воспринимающим вертикальное давление грунта в таких зданиях, является покрытие. Как правило, в подземных зданиях, как и в любых производственных объектах, стремятся к максимально возможному шагу колонн и росту пролетов. В таких условиях наилучшей конструкцией, хорошо воспринимающей распределенное давление грунта высокой интенсивности, а также создающей визуальное впечатление легкости покрытия и отсутствия тяжелой нагрузки на нем, является пространственное покрытие (рис. 6.26). В качестве покрытий могут быть применены практически любые оболочки, структуры, мембраны, а также эффективные большепролетные предварительно напряженные плиты - коробчатые, "двойное Т". Сетка колонн таких зданий может быть до 24x24 м и даже больше, при толщине грунтового покрытия до 3 м, вполне достаточной для устройства озеленения. Путем устройства фонарей на наиболее высокой части оболочек можно ввести в здание дневной свет. Для повышения эффективности освещения можно использовать концентраторы светового потока, в том числе и управляемые компьютером для слежения за солнцем. Ввод дневного света возможен несколькими методами:

1. Световые фонари, выполняемые на покрытии подземных зданий, и располагающиеся выше дневной поверхности грунта.

2. Вертикальные шахты, в том числе с системами зеркал, с цилиндрическими зеркалами, служащими для отражения дневного света в глубь помещений нижних ярусов.

3. Трубы, покрытые внутри светоотражающей пленкой; при вводе света в одном из торцов таких труб и устройстве боковых проемов в них из этих проемов будет поступать свет.

Такие трубы можно распределить на разных ярусах, а в торцы их вводить сконцентрированный при помощи зеркал дневной (или солнечный) свет.

4. Ввод концентрированного потока света в вертикальную шахту и распределение его в горизонтальном направлении по ярусам с помощью системы зеркал.

6. Устройство солнечных батарей с аккумуляторами над подземным зданием и постоянное освещение его помещений с помощью этого источника, с использованием энергоэкономичных ламп и автоматическим включением и выключением их при перемещении людей.

Для устройства протяженных одноярусных зданий неглубокого заложения рационально применение арочных покрытий, выполняющих двойную роль - покрытия и стенового ограждения.

Арки могут быть выполнены из стального гнутого профиля, или таврового и коробчатого поперечного сечения из железобетона. Наиболее эффективно использование полуарок, объединяемых на монтаже сварным стыком в цельную арку. Получаемые в таких зданиях большие подземные объемы могут использоваться как одноярусные, или как многоярусные, если устроить встроенные сборно-разборные этажерки. Если верхнюю часть арочного покрытия поднять над дневной поверхностью грунта, то можно осветить здание, заменив бетон стеклоблоками в плите арки.

Многоярусные производственные здания могут быть каркасными, или с неполным каркасом. Шаг колонн в многоярусных зданиях - 6м, пролет же может быть увеличен до 12 - 18 м, а пролет верхнего яруса, нагруженного весом небольшого почвенно-растительного слоя, - до 24 - 36м.

Для многоярусных подземных производственных зданий применяются конструкции, наилучшим образом, воспринимающие интенсивные горизонтальные и вертикальные нагрузки! При сравнительно неглубоком заложении и отсутствии грунтовых вод можно применять обычные ленточные, столбчатые и свайные фундаменты. Для восприятия горизонтальных нагрузок подошва фундаментов может быть наклонена или иметь специальный "зуб". Если есть необходимость в защите от грунтовых вод - нужно выполнить полностью изолированное от грунта здание с фундаментом в виде сплошной плиты, а при большом заглублении - в виде выпуклой в сторону грунта оболочки. Экономически эффективное стеновое ограждение производственных "зданий - выпуклые в сторону грунта оболочки, лучше всего - цилиндрические. Подъемистость оболочек может увеличиваться по мере роста глубины и интенсивности давления грунта. Работая преимущественно на сжатие, оболочки имеют минимальную толщину, не подвержены образованию трещин и проникновению воды. Лучшим подземным зданием с точки зрения минимизации расхода материалов, обеспечения долговечности, является здание с ограждающими конструкциями, в том числе и фундаментами, выполненными в форме оболочек.

В связи с необходимостью освоения созданных человеком открытых выработок возникла необходимость строительства в этих выработках, отличающихся обычно прочными грунтами. В них могут быть построены подземные или надземно-подземные здания обычных типов. Подземные или наземные выработки характеризуются самыми различными размерами и глубиной заложения (табл. 6.1). Проблема освоения таких разнообразных выработок появилась недавно, поэтому пока нет широкого комплекса архитектурно-конструктивных для строительства в полученных подземных (закрытых или открытых) объемах. Между тем открытые выра ботки загрязняют ландшафты, а закрытые - могут быть причиной осадки дневной поверхности. Поэтому выработки нужно застраивать, заполнять, чтобы, во-первых, продуктивно использовать эти большие объемы, и, во-вторых, исключить их повышенную деформируемость. Параметры выработок, остающихся после добычи сырья

Таблица 6.1.

Здания в выработках имеют особенности: во-первых, размеры зданий заданы габаритами выработок; во-вторых, крепость вмещающего грунта может быть настолько велика, что не требуется какое-либо его крепление, и затруднена его разработка. Поэтому здание можно вписать в выработку, ограничившись устройством панелей потолков и стен, играющих декоративную роль (рис. 6.29). Прочный грунт можно использовать и для опирания перекрытий через опорные подушки.

Подземные здания выполняют разнообразными способами, причем некоторые из них позволяют возводить объекты практически без нарушения почвенно-растительного слоя, или в условиях плотной городской застройки. При этом наружная гидроизоляция может быть совершенно надежна, если использовать укладку сплошной мембраны из пластика, прикрепленного к бетону анкерами, изготовленными совместно с пленкой (пластиной). Для свободного стока поверхностной грунтовой воды вниз по стене к дренажной трубе рекомендуется укладка по гидроизоляции специального слоя дренажного покрытия из пластика.

Подземное размещение ряда объектов в городе (например, стоянки автомобилей) весьма эффективно с экологической точки зрения (рис. 6.30). На территории двора нет ни одного автомобиля, жильцы въезжают в подземный гараж и затем прямо из него поднимаются в квартиры. Поэтому территория такого двора может быть интенсивно озеленена, и безопасна для отдыха детей.

Нами с помощью студентов было выполнено опытное эскизное проектирование подземного автохозяйства, расположенного в настоящее время как плоскостной объект в конце улицы Б. Академической г. Москвы. Автохозяйство имеет большую бетонированную площадку для стоянки автобусов и машин, корпус для их обслуживания, административное здание. Рядом с ним расположены жилые дома. Проектируемое подземное здание имело 3 яруса высотой по 7,2 м, каркас был выполнен в сборном железобетоне, с сеткой колонн нижних ярусов 12x24 м и верхнего - 24х 24м. В качестве покрытия здания была запроектирована пологая оболочка на квадратном плане. На поверхности по проекту оставался только небольшой въезд, ниже шли пандусы для проезда на ярусы. Над покрытием подземного здания оставлен почвенно-растительный слой толщиной не менее Зм, по которому устроен парк. Были получены следующие положительные результаты:

Практически полное исчезновение с поверхности загрязняющего (в том числе и визуально) объекта. Почти полное сокращение площади застройки.

Освобождение дневной поверхности под парк.

Исключение платы за землю со стороны автопредприятия.

Повышение долговечности кузовов ввиду сокращения атмосферных воздействий.

Повышение защиты против краж оборудования.

Надземное и надземно-подземное строительство

Здания, поднятые над землей на столбах (столбовых опорах), представляют собой обычные или террасные дома, поднятые над поверхностью земли на высоту более 3 м (выше человеческого роста) или на высоту, достаточную для высаживания под ними деревьев и кустарников. Напомним, что такие здания входили в перечень предложений Ле Корбюзье по новым типам застройки, однако, они были известны раньше. Столбовая опора (одна для точечного здания, несколько - для здания большой длины или площади) служит также для размещения лестницы, шахты лифта и различных сетей. Она же является железобетонным ядром, воспринимающим вертикальные и горизонтальные нагрузки. Столбовые опоры могут быть вертикальными или наклонными, постоянного или переменного сечения по высоте, сплошными или пустотелыми. Предложены разнообразные типы зданий на столбовых опорах (рис. 6.31). Интересно здание круглой или квадратной формы в плане с железобетонным ядром кольцевого квадратного сечения, выполненное из монолитного или сборного железобетона.

Рис. 6.31. Здания, поднятые над землей: а - на одной опоре; 6 - на наклонных опорах; в - на нескольких столбах; г-на опоре и обычном фундаменте; д - на наклонных опорах (козловое); е - арочное; висячее: 1 - здание; 2 - опора (ядро); 3 - грунт склона; 4 - фундамент; 5 - наклонная опора; 6 - обычный фундамент (например, ленточный); 7,9,10 - здания соответственно террасное, арочное, висячее; 8 - козловые опоры.

Железобетонное ядро имеет размеры в плане около 6x6 м (если в нем проектируют шахты лифта и внутренние лестницы), или размеры ядра принимают по расчету как внецентренно сжатого элемента (если лестницы и лифты располагают вне сечения ядра). В последнем случае при высоте прохода под зданием 3 м размеры железобетонного столба должны быть до 1x1 м. Такое конструктивное решение используют и для зданий, вытянутых в плане и размещенных на склоне вдоль горизонталей. При этом шаг ядер жесткости определяется размерами секций и расстоянием между лестничными клетками. Железобетонные столбовые опоры можно устанавливать на отдельно стоящие, свайные или напряженно заанкеренные фундаменты. При проектировании лестничных клеток или шахт лифта снаружи железобетонных опор для повышения устойчивости в горизонтальном направлении здание располагают на наклонных опорах (см. рис. 6.31,6). Их проектируют в направлении равнодействующих вертикальных и горизонтальных нагрузок, чтобы при максимальных горизонтальных нагрузках сечения опор работали на сжатие. Вместе с ригелями, на которые опираются железобетонные диафрагмы или колонны здания, наклонные опоры образуют жесткие рамы. Верх наклонных опор располагают у крайних осей здания (в этом случае усилия в опорах при действии горизонтальных нагрузок минимальны), можно уменьшать расстояние по горизонтали между сечениями верха опор, чтобы повысить архитектурную выразительность здания.

Для зданий больших размеров в плане (круглых, квадратных) проектируют несколько опор (три> четыре), Круглые в плане здания выполняют с тремя опорами, квадратные - с четырьмя (см. рис. 6.31,в). При большом размере здания в плане его предусматривают с внутренними дворами, так как иначе невозможно организовать естественное освещение всех помещений. Опоры располагают в плане симметрично, обеспечивая передачу на них приблизительно равных вертикальных и горизонтальных нагрузок. Следует учитывать, что при размещении на склоне высота столбовых опор различна, поэтому при равном сечении наибольшая горизонтальная нагрузка придется на наиболее короткую опору. С целью равномерного распределения горизонтальной нагрузки между ними, особенно в сейсмических районах, целесообразно несколько снижать поперечное сечение более коротких опор. Для жесткой заделки опор рекомендуется проектировать свайные фундаменты или заделывать опоры в прочный грунт без изменения их сечения, разрабатывая грунт по форме опоры на глубину, достаточную для обеспечения ее заделки.

Если здание должно иметь традиционные размеры в плане и по высоте (например, прямоугольное в плане здание с небольшой высотой), то одну его часть можно установить на традиционный ленточный фундамент, а другую, возвышающуюся над поверхностью склона, поставить на столбы (см. рис. 6.31, г). При этом, если расстояние между обеими опорами - ленточным фундаментом и столбами - велико, то все здание работает на изгиб в вертикальной плоскости как балка коробчатого сечения. Эту опорную систему для снижения расхода материалов можно преобразовать в арочную. В таком здании все горизонтальные нагрузки передаются через жесткие диски перекрытий на заделанный в прочный грунт ленточный фундамент, а вертикальные опоры будут работать только на вертикальные нагрузки.

Интересны архитектурно - конструктивные решения "козловых" террасных зданий, представляющих собой железобетонные наклонные диафрагмы в виде козел или козловых опор, на которые установлены террасные здания. Такая конструкция при ее исполнении в монолитном железобетоне обладает очень высокой жесткостью. Кроме того, плоские железобетонные диафрагмы, образующие жесткую треугольную раму, занимают небольшую площадь земли, поверхность которой под всем зданием можно озеленить; дополнительно озеленяют террасы.

Внутренний двор, образуемый под зданием, можно использовать не только как озелененную площадь, но и разместить на этой площади какие-либо торгово-бытовые объекты (учитывая, что эта площадь защищена от осадков). Здания таких типов можно размещать так, чтобы диафрагмы террас были параллельны склону. При этом количество опор может быть увеличено (см. рис. 6.31, д). Чтобы не передавать наклонные нагрузки на грунт склона, опоры должны быть шарнирно закреплены к наклонной диафрагме здания и к фундаментам. При очень крутых склонах, когда здание опирается только у подножия склона и его вершины, рекомендуется арочный или висячий тип (см. рис. 6.31, е). Здание арочного типа состоит из отдельных блоков террас, соединенных монолитно между собой таким образом, что средняя ли ния стен представляет собой часть арки. При такой конструктивной схеме стены террас работают на сжатие, а нагрузка от здания не передается на поверхность склона. При выполнении здания как висячей конструкции в вертикальных диафрагмах террасного здания выполняют ванты, которые крепятся к фундаменту в основании склона и к стойке у его вершины. Для восприятия горизонтальной составляющей к стойке присоединяют подкос. В верхней части здания может быть выполнена многоэтажная часть, возвышающаяся над террасным зданием.

Фундаменты арочного здания проектируют таким образом, чтобы усилия распора от здания были минимальны. Для этого подбирают очертание арки и ее наклон в месте примыкания к фундаменту. Оба типа здания могут выполнять функции коммуникационных зданий, если несущие арки выполнить коробчатого сечения (полыми) с размещением в них лифтов.

Описанные выше конструкции зданий на неудобьях, надземных и подземных зданий не могут полностью решить проблемы исключения застройки ровных, удобных для озеленения территорий. Во-первых, определенная (хотя и небольшая) территория при строительстве этих зданий все же застраивается (площадь столбовых опор, помещений для коммуникаций - лестничных шахт, лифтов и пр.). Во-вторых, при строительстве на неудобьях (при использовании некоторых решений) застраивается территория и исчезает почвенно-растительный слой на этих неудобьях, который также играет существенную роль, указанную выше. В-третьих, освобожденную от застройки площадь естественного почвенно-растительного слоя под зданиями очень сложно сохранить в хорошем состоянии, потому что именно здесь проходят пути интенсивного пешеходного движения, здесь располагаются площадки детских игр, отдыха взрослых, и пр. Сюда же будут стремиться подъехать автомобили. Следовательно, эту территорию будут стремиться закрыть твердым покрытием, а не сохранить в естественном озелененном состоянии. Нужна новая, экологичная культура взаимоотношений жителя города с природой, чтобы эффективные решения принесли пользу. И, разумеется, необходимо проведение дальнейших исследований в области повышения уровня биопозитивности зданий, например, в строительстве надземно-подземных зданий, подобных деревьям (с развитыми кроной и корневой системой и минимальной площадью ствола в уровне земли).

Интересны зарубежные примеры строительства коттеджей, поднятых над поверхностью земли на высоту одного этажа (рис. 6.32). Целью надземного размещения коттеджей в данном случае была защита помещений от возможных последствий наводнений на этой территории. Но для рассматриваемой в главе темы представляет интерес архитектурно-конструктивное решение, которое может быть применено для сохранения ландшафта. Как видно на фотографиях, колонны первого этажа невелики по поперечным размерам, коттеджи имеют достаточно привлекательный внешний вид, причем лестница на 2 этаж выполнена наружной ввиду того, что здание находится в районе с очень теплым климатом. В условиях более холодного климата под зданием можно устроить закрытую лестничную клетку.

Рис. 6.32. Примеры строительства коттеджей, поднятых на колоннах над поверхностью земли на высоту одного этажа.

Строительство на шельфе

Наиболее ценные морские побережья в России, обладающие уникальными природными условиями для улучшения здоровья и обеспечения отдыха трудящихся, имеют сравнительно небольшую протяженность и площадь; кроме того, бальнеологическое и рекреационное освоение берега осложняется сложным рельефом прибрежной части, высокой стоимостью инженерной защиты. Реальный резерв рекреационного развития, обеспечения возрастающей демографической емкости - создание сооружений на шельфе, в том числе приурезовых, мелководных прибрежных и приглубого берега прибрежной зоны шельфа). Новые искусственные сооружения позволят существенно увеличить площадь рекреационных территорий и одновременно улучшить условия очистки воды и воспроизводства марикультур. Могут быть рекомендованы такие сооружения в прибрежной зоне моря и на неглубоком шельфе (рис. 6.33): -искусственные рифы - для разведения подводной флоры и фауны и увеличения самоочистительного потенциала прибрежной зоны моря;

-точечные (отдельно стоящие) здания на одной опоре или на ряде опор (на платформе) - для размещения климатопавильонов или специальных корпусов санаториев с климатолечением; - искусственные острова-пляжи с соляриями и бассейнами с морской водой; -океанариумы с бассейнами и вольерами для аттракционов и содержания морских животных; -объекты: познавательного характера (морские аквариумы, подводные гостиницы и др.), научно - исследовательского назначения (подводные лаборатории и др.), требующие больших или протяженных территорий (например, аэропорты). Для транспортной связи с берегом их следует оборудовать причалами. Возможна коммуникационная связь с помощью подвесной канатной дороги, подводного тоннеля.

Перечисленные здания (сооружения) снабжают коллекторами для выращивания мидий с линейными носителями. Носители с коллекторами длиной 8... 10 м крепят непосредственно к подводной части объектов. Одно из нетрадиционных назначений зданий и сооружений в зоне шельфа - инженерная канализация природного механизма самозащиты берега, состоящая в морфодинамическом развитии элементов побережья путем искусственной трансформации, регенерации и протезирования тел береговых форм или фрагментов. Искусственная трансформация заключается в преобразовании элементов дна (морфологии и топографии), чтобы обусловить оптимальное проявление самозащитных тенденций. Регенерация предполагает искусственное управление развитием береговых форм. Протезирование - воссоздание недостающих частей береговых форм, которые не могут сформироваться естественным путем.

Рис. 6.33. Общие схемы конструктивных решений: а - искусственные рифы; б - г - отдельно стоящие объекты; д - многопролетное здание на платформе; е - искусственный пляж; ж - здание на плавающем основании; з - подводное здание: ] - вода; 2 - рифы: 3 - грунт; 4 -здание; 5 - сваи; 6 - плавающие оболочки.

Искусственные территории в прибрежной зоне можно создавать, сооружая насыпи (отсыпкой или намывом) на примыкающих к берегу участках мелководья, и платформы, поднятые над уровнем воды с учетом максимальной высоты волн и опирающиеся колоннами (опорами) на фундаменты на дне или плавающие платформы, заанкеренные к дну моря. В качестве опор используют стальные или железобетонные оболочки, ячеистые конструкции. Метод поднятия уровня созданием насыпи рекомендуется при глубинах до 10... 15 м. Для больших глубин этот метод экономически нецелесообразен. Основное требование к конструкционному железобетону и другим материалам - долговечность. В морской воде содержание кислорода незначительно, поэтому арматура практически не корродирует, а химическое воздействие на бетон велико, могут разрушаться заполнитель и цементный камень. Заполнитель должен быть стоек к сульфатной коррозии и не иметь щелочной реакции; необходимо подбирать портландцемент с низким водоцементным отношением; организовывать тщательный уход за бетоном. При изготовлении рекомендуется тепловая обработка, дополнительное выдерживание в воде, сушка. Эффективно использование напряженных конструкций с повышенной трещиностойкостью, особенно - самонапряженных конструкций на НЦ. На мелководье железобетонная конструкция под воздействием песка или гравия при движении воды, как правило, подвергается истиранию. В этих условиях требуется высококачественный плотный бетон с повышенным содержанием цемента, небольшим В/Ц, с твердым и противостоящим истиранию заполнителем. Предусматривают также увеличение толщины защитного слоя.

В зоне прибоя, ударов волн возможна кавитация, поэтому бетон должен быть повышенной плотности, кроме того, необходима тщательная отделка поверхности или специальное покрытие, например, стеклотканью. В зоне брызг над поверхностью воды в наибольшей степени проявляется коррозия арматуры и бетона, в том числе и электрохимическая, конструкции подвержены попеременному замораживанию и оттаиванию, высушиванию. Необходим очень плотный водонепроницаемый бетон с повышенным содержанием цемента и воздухововлекающими добавками, малым В/Ц. Рекомендуется увеличивать защитный слой, применять облицовки (покрытия) из естественного камня, керамики. В зоне "выше брызг", где конструкции подвержены воздействию влажного соленого воздуха, следует предусматривать плотный бетон с низким В/Ц, увеличивать защитный слой.

Рис. 6.34. Подводное сооружения с наращиванием камня из морской воды: а - схема химической реакции; б - расположение анода и катода; в -многослойная дырчатая оболочка биофильтра; г - ремонт свай наращиванием сечения с подводом солнечной энергии; д - искусственные рифы; е - подводный музей - аквариум: 1 - анод; 2 - катод; 3 - морская вода; 4 - каменное покрытие; 5 - солнечная батарея; 6 - свая.

Для наращивания искусственного строительного материала предлагается использовать растворенные в воде соли. Для этого в морскую воду помещают стальную арматуру в форме, соответствующей форме будущей конструкции (рис. 6.34). На нее подают постоянный ток с небольшим напряжением (несколько вольт), безопасный для живых организмов. При этом на арматуре осаждается известковый камень, причем, несмотря на малую скорость осаждения (1...2 мм за 6 мес), можно нарастить достаточное сечение за 1...2 года. Предложено использование солнечной энергии для многомесячной подачи электроэнергии на стальную арматуру. С этой целью над поверхностью воды устанавливают солнечные батареи, опирающиеся на временные опоры или конструкции здания (сооружения) на шельфе. Покрытие, наращиваемое на металлической арматуре, может быть использовано как защищающее от коррозии (при большом сечении металла) или как элемент, работающий подобно железобетонной конструкции.

Важная задача строительства искусственных территорий и сооружений на шельфе -биологическая мелиорация. Материал подводных конструкций не должен ухудшать химический состав окружающей водной среды. Не рекомендуется применять искусственные материалы: железобетон с добавками, которые могут вызывать изменения химического состава воды в контактном слое; пластмассу; не защищенную от коррозии сталь. Наиболее подходят в этом случае бетон и железобетон без добавок, на портландцементе с заполнителями из естественного песка и камня; камень - естественный (лучше всего известняк как естественный субстрат, оптимальный для прикрепления гидробионтов - обрастателей в условиях морского побережья; искусственный каменный материал, полученный обжигом, спеканием при высокой температуре (керамика и др.). Гладкая поверхность подводных конструкций не способствует прикреплению обрастателей, что обедняет флору и фауну, уменьшает самоочистительный потенциал прибрежной зоны моря и неглубокого шельфа. Вся поверхность подводной части должна быть шероховатой или рифленой, с глубиной рифов не менее 1...2 см. При возможности выполнения более глубоких уступов они могут иметь размеры до 1 - 1,5 м. При этом резко увеличивается площадь, покрываемая обрастателями подводной поверхности. Конструкции подводной части целесообразно выполнять с внутренними омываемыми водой полостями (подводными "скворечниками"). Для этого в теле конструкций при их достаточной толщине устраивают полости, а также искусственные рифы из камня в местах опирания фундаментов сооружений на дно, выполняют накладные "скворечники", прикрепляемые снаружи к тонкостенным конструкциям.

При учете указанных требований в процессе проектирования возможно управление биопродукционными процессами с учетом достижения промысловых концентраций марикультур. Вместе с тем для побережья как рекреационной системы актуальна и другая функция биоценозов - природоохранная. Здесь наиболее интересны широко распространенные обрастания - мидии. Этот вид моллюсков отличается быстрым освоением подходящих субстратов, формированием стабильных и длительно функционирующих сообществ и хорошей способностью к фильтрации морской воды. Как показали исследования, например, в Крыму мидии доминируют в обрастаниях после 6... 12-месячной экспозиции субстрата в зависимости от срока погружения и специфики района. Мидии выращивают на носителях и коллекторах. Согласно расчетам, 10 носителей составят биофильтр производительностью 20 тыс. куб. м в сутки, или около 7 млн т в год при площади в плане 40...50 м 2. При этом можно рассчитывать необходимое количество систем гидробиологической очистки исходя из примерного количества морской воды в прибрежной зоне, приходящейся на одного человека в летнее время. Так, для района Большой Ялты необходима установка 460 носителей с общим биофильтром 920 тыс. м 3 в сутки, или 335,6 млн. т в год. Если принять среднее содержание взвеси в морской воде 3 мг/л, то описанный биофильтр будет удалять ежесуточно 2,8 т взвеси, при этом 1,5 т усваивается мидиями.

Системы гидробиологической очистки вдоль побережья целесообразно устанавливать в местах расположения наиболее крупных возможных очагов загрязнения воды, где требуется первоочередное проведение природоохранных мероприятий - там, где находятся санатории, городские пляжи, районы сброса канализации и сточных вод, порты. При этом следует учитывать, что обычная ширина зоны морского водопользования, в которой необходимо обеспечить высокое качество морской воды, составляет около 4...5 км. Особенно необходима система гидробиологической очистки в месте установки рассеивающих выпусков для сброса стоков в море. Здесь рекомендуется выполнение морских придонных биофильтров-банкетов, очищающих сточные воды с помощью биоценоза в искусственно созданных условиях. Конструктивные особенности биофильтра выбирают в зависимости от сезонной промывки, аэрации с использованием волновой энергии, с учетом использования его для защиты берега от волновых воздействий.

В последние годы в ряде стран разрабатываются и готовятся к осуществлению крупномасштабные проекты освоения шельфа. Надводное строительство предусматривается путем возведения искусственных островов для обитания и работы жителей, для размещения экологически негативных объектов - электростанций, аэропортов. В условиях недостатка свободных площадей для размещения растущего населения японского архипелага группой ученых Токийского университета под руководством проф. К. Тэран предложено строительство искусственного острова "Ocean City" в 110 км к востоку от Токио. Остров площадью 9 кв. миль будет расположен на 10 тыс. стальных свай, соединенных под водой крестообразными связями. На четырех этажах проектируются благоустроенные жилые дома на 1 млн жителей, научный океанографический центр, конторы, торговые учреждения, аэропорт, а также стадионы, клубы, автодороги для электротранспорта. Связь с берегом этого города на сваях стоимостью около 200 млрд. долл. должна осуществляться самолетами и быстроходными судами.

Стремление к удалению производственных объектов от мест расселения привело к появлению в Италии проекта строительства электростанции в море. После рассмотрения трех вариантов платформ (опирающихся на грунт с помощью свай, вбитых в морское дно; плавучих с закреплением якорями и комбинированных) был выбран последний. Плавучие пустотелые железобетонные конструкции воспримут 85 % веса электростанции, а 15 % придется на сваи. Многотопливные электростанции мощностью 2500 Мвт, которые будут сооружены в Адриатическом море, на 25 % дороже, чем аналогичные на суше. Они будут расположены на расстоянии 10...30 км от берега, на шельфе с глубиной моря около 20...40 м. Конструктивно они представляют собой железобетонные модули, монтируемые полностью на берегу и буксируемые по воде к месту строительства. Максимальный квадратный модуль будет иметь размеры 180x180 м при массе до нескольких сот тыс. т. Модули соединяются закрытыми трубчатыми переходами с гибкими стыками, чтобы исключать влияние небольших колебаний отдельных блоков. Персонал для обслуживания будет доставляться быстроходными судами.

Голландский инженер Ван дер Берг разработал план создания подводных городов, чтобы, с одной стороны, получить возможность строительства в тех странах, где свободной земли практически нет (например, Монако), а с другой, - уйти от загрязненной среды обитания на земле. Первый подводный город на морском дне вблизи Монте-Карло должен включать в себя, помимо жилья, центр отдыха, рыбную ферму, экологически чистые установки очистки стоков. В плане город представляет собой круг диаметром 10 км, по периметру которого амфитеатром размещен кольцевой 30-этажный дом шириной 572 м, где размещается 300 тыс. квартир, учреждения, магазины, кинотеатры, спортзалы, плавательные бассейны и т.д. Все это огромное сооружение находится под куполом из высокопрочного стекла, опирающегося на сваи.

Отметим в заключение, что градостроительное освоение шельфа должно быть "мягким", природосберегающим, учитывающим важнейшую роль шельфовой зоны в зарождении всего живого в море. Поэтому все, в том числе и описанные выше, крупномасштабные проекты освоения шельфа согласно постулатам экологии должны подвергаться тщательной проверке с возведением вначале небольших фрагментов и изучением взаимодействия природной среды и искусственного сооружения на этих фрагментах. Лучшее же решение в соответствии с принципами глубокой экологии - вообще не вмешиваться в естественную среду моря.

Строительство в космосе и на других планетах

Эта задача не столь отдалена. В таких странах, как США, Япония и др. уже выполнено рабочее проектирование первых поселений на ближайшем спутнике Земли - Луне; существуют проекты создания околоземных постоянно обитаемых станций; рассматриваются проблемы достижимости ближайших к Земле звезд, а также распространения во Вселенной условий, благоприятных для возникновения жизни. Предполагается, что строительство в космосе будет осуществляться в такой последовательности: 1. Обитаемые околоземные станции с постоянной силой тяжести и другие сооружения; 2. Здания и сооружения на Луне; 3. Здания и сооружения на других планетах Солнечной системы; 4. Здания и сооружения на достижимых для человека небесных телах.

Весьма важна продолжительность полета к местам возведения сооружений: современная ракета долетает до Луны за 1,5 сут, до Венеры - примерно за 150, до Марса - за 260 сут; значительно больше времени потребуется для полета к ближайшим звездам. Так, за время полета к ближней к Солнцу тройной звезде Альфа - Центавра, находящейся на расстоянии 1,32 пс, при движении е ускорением до половины пути, а затем - с замедлением, на Земле пройдет около 10 лет. При этом отношение силы тяги к массе ракет постоянно и равно 20 м/с 2. Сооружения в космическом пространстве включают в себя постоянные и временные научно-исследовательские станции, промежуточные базы, космические платформы, склады, электростанции, радиотелескопы, антенны, солнечные зеркала и др., а в отдаленном будущем, возможно, и места постоянного пребывания людей. К этим сооружениям предъявляются следующие требования:

- минимальная масса для возможности доставки сооружения или отдельных компонентов (блоков) с последующей сборкой на орбите;

- выполнение из отдельных панелей (блоков), соединяемых гибкими связями (шарнирами) и допускающих перегиб в узлах для плотной упаковки;

- компактная плотная укладка (упаковка) с минимальными воздушными зазорами для транспортирования в сложенном состоянии и возможность дальнейшего разворачивания в объемное сооружение без дополнительных затрат энергии и материалов (например, с формированием центробежными силами);

- надежная защита внутреннего обитаемого пространства от внешних воздействий - высоких отрицательных и положительных температур, радиации, ударов метеоритов, вакуума;

- возможность создания искусственной силы тяжести при медленном вращении сооружения;

- возможность стыкования с другими сооружениями, с устройством внутренних переходов.

Рис. 6.35. Типы космических сооружений из типовых элементов, разворачивающихся в космосе: а - в - структуры; г - е - оболочки; 1 - стержни; 2 - элементы кубической структуры; 3 - складки; 4 - кубооктаэдры; 5 -ромбододекаэдры.

Наилучшее конструктивное решение в этих условиях - пространственная конструкция в виде структуры, образующей из отдельных легких типовых элементов оболочку - цилиндрическую, тороидальную и т.д., причем конструкция оболочки должна осуществлять медленное вращение вокруг оси. Если вращение не требуется (для солнечных электростанций, зеркальных отражателей солнечного света на землю), то типовые элементы структуры можно соединять в плоские или слегка изогнутые поверхности большей площади (рис. 6.35).

Широко исследуются тросовые, мембранные, ферменные конструкции, позволяющие роботизированную сборку. Типовой элемент может состоять из одной или нескольких панелей, имеющих в плане треугольную или шестиугольную (гексагональную) формы. Учитывая, что все природные жесткие структуры сложены с учетом принципа гексагональное™, видимо, при конструировании оболочек зданий и сооружений для космического пространства также можно использовать этот принцип - начиная с проектирования внешней оболочки и кончая созданием жесткой внутренней конструкции, составленной из плотно упакованных ячеек с гранями шестигранниками.

Ближайший к Земле ее спутник - Луна, расположенная на расстоянии 363 300...405 500 км от Земли. Это - твердое силикатного состава тело с весьма разреженной атмосферой, состоящей из гелия и аргона. Условия строительства на Луне весьма сложны: возможна бомбардировка искусственных сооружений метеоритами; слабые грунты (реголиты) с большой глубиной распространения - до 40...45 м; отсутствие готовых строительных материалов, воды.

Вместе с тем есть и некоторые положительные особенности строительства, главным образом - подземного:

на глубине 30 см температура недр постоянна и равна около -10° С, а глубже - возрастает, достигая температуры в центре, по-видимому, около 1000° С. Постоянство и небольшая температура вмещающего грунта делает привлекательной идею подземного строительства;

отсутствие плотной атмосферы снижает горизонтальные ветровые нагрузки;

отсутствие воды позволяет исключить существенные проблемы гидроизоляции;

опытное изготовление бетона из лунных пород показало, что лунный бетон отличается несколько повышенными прочностными характеристиками по сравнению с земным;

высокое процентное содержание железа (16... 16 % по сравнению с 8,56 % в среднем для земной коры), хрома (0,19...0,38 % по сравнению с 0,02 %), титана (2,94...2,22 % по сравнению с 0,9 %) позволяет считать возможной добычу, переработку руды и производство высококачественной стали для железобетона;

меньшая собственная масса строительных конструкций в связи с меньшей силой тяжести уменьшает долю собственного веса конструкций в нагрузках;

возможность снабжения электроэнергией с помощью солнечных батарей, которые могут быть установлены на освещенной Солнцем стороне Луны. Так, по данным английского ученого Д. Копала, если в кратере Коперника установить фотоэлементную гелиостанцию, то она по мощности будет равна всем тепловым станциям Земли.

Рис. 6.36. Здания на Луне: а - б - под прозрачным куполом; в - е - террасные с закрытым внутренним пространством; ж, з - "подземные" (подповерхностные): 1 - купол; 2 - здание; 3 - озеленение; 4 - бассейн; 5 - озоновый слой; 6 - террасы; 7 - грунт; 8 - оболочка; 9 - перекрытия; 10 - шахта лифта.

Зарубежные фирмы Японии, России, США, Финляндии и др. стран разработали ряд проектов поселений. Так, фирма "Обаяси" проектирует рекреационный комплекс, включающий в себя прозрачную оболочку, под которой расположены гостиницы и сады, причем заселение комплекса предусмотрено в 2060 г. Разработаны вакуумные туалеты, космические души с технологией вторичного использования отходов. В совместном советско-финском проекте поселения предусмотрены адаптационно-реабилитационный центр для быстрого приспособления людей к лунным условиям и реадаптация перед отправкой на Землю, природно-экологический комплекс с пневматическими оболочками покрытий и расположением части помещений над грунтом. В США к планируемому в 2005 г. новому полету астронавтов на Луну исследуются психология быта в космосе, сейсмичность планеты, токсичность среды. Для проживания людей могут быть предусмотрены вначале - готовые модули, доставленные ракетами, и только потом - производство местных строительных материалов на построенных заводах и возведение зданий в виде (рис. 6.36): каркасных или бескаркасных систем, с ограждением из высокопрочной пленки, прикрепленной к дискам перекрытий; встроенных этажерок под общим куполом из высокопрочной пленки, стали, железобетона. Там же устраиваются озеленение, искусственные бассейны; террас с расширением двух смежных вниз или вверх. В обоих случаях внутри зданий в уровне грунта устраивается озеленение поверхности, а наклонные террасы и покрытия над ними защищают внутреннее пространство; полуподповерхностных (с прозрачным куполом) и подповерхностных сооружений. В последнем случае для сообщения с поверхностью служит лифт.