Градостроительные решения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Объект проектирования. Общие данные об объекте

2. Градостроительные решения

2.1 Локация

2.2 Участок проектирования

2.3 Организация генплана

3. Архитектурно-планировочные решения

3.1 Общие характеристики

3.2 Модульная концепция в экстремальных условиях

3.2.1 Модульность

3.2.2 Экстремальные условия

3.3 Объемные решения

3.3.1 Свободное развитие

3.3.2 Функциональная единица

3.3.3 Поэтапное развитие

3.4 Планировочные решения. Общие данные

3.4.1 Характеристика планировок

4. Конструктивные решения

4.1 Общие принципы

4.2 Ядро

4.3 Модуль

4.4 Фундамент

5. Инженерные решения

5.1 Инженерная подготовка участка в условиях вечномерзлых грунтов

5.1.1 Актуальность тематики

5.1.2 Характеристика объекта проектирования, природных особенностей территории размещения объекта

5.1.3 Анализ современного опыта исследований и практических решений

5.1.4 Особенности инженерной подготовки участка в условиях вечномерзлых грунтов

5.1.5 Выводы по подразделу

5.2 Инженерные системы

5.3 Возобновлемая энергетика

6. Ландшафтный дизайн

6.1 Экстерьерные решения

6.2 Ландшафтный дизайн. Интерьерные решения

6.2.1 Варианты планировок с озеленением

6.2.2 Конструктивное устройство

7. Пожарная безопасность

7.1 Эвакуация

7.2 Система вентиляции и противодымной защиты

7.3 Пожарные отсеки

7.4 Внутренние системы пожаротушения

7.5 Управление противопожарной защитой

Список литературы

вечномерзлый планировка озеленение противодымный



1. Объект проектирования. Общие данные об объекте

Темой магистерской работы принят проект модульного научно-жилого комплекса в экстремальных климатических условиях. Данная тема является попыткой комплексного ответа на ряд актуальных вопросов, которые ясно обозначились в современной российской действительности. Теоретическая, научная и графическая разработка данной проблематики позволяет охватить широкий ряд аспектов:

концептуально-формообразовательный - позволяет всесторонне изучить и проанализировать философию модульной архитектуры, а также ее прикладное значение для современного отечественного дизайна и архитектуры;

экономический, политический и социальный (освоение Русского Севера как попытка укрепления стратегического влияния в регионе);

научный (тотальная нехватка научно-исследовательских станций различной направленности, ощутимое “прорежение” сети которых произошло в 90-е годы прошлого века);

инженерно-технический - проанализировать и разработать решения, позволяющие адаптировать модульную (мобильную, быстровозводимую) архитектуру к условиям экстремального холода;

инфраструктурный (практически полное отсутствие каких-либо комфортных условий для жизнедеятельности в регионе);

экологический (мобильная архитектура как отправная точка экологических экспедиций на территории изрядно загрязненного Севера).

Практическая разработка модульного научного комплекса проведена с соблюдением следующих тезисов:

Выработка конкретных органичных архитектурных и дизайнерских решений (возможна вариативность решений, метод поиска);

Применение эффективных материалов и инженерных технологий (отопление, вентиляция, проветривание, освещение, водоснабжение, утилизация отходов);

Применение возобновляемых источников энергии (энергия солнца, ветровая энергия);

Обеспечение устойчивости к окружающей среде (экстремальный холод, ветер, снежные заносы, дикие животные);

Разработка графических, оформительских приемов подачи концепции.



2. Градостроительные решения

Градостроительные решения проекта базируются на характеристиках участка проектирования и острова Белый в целом, технологических процессах и коммуникационных связях на территории научно-жилого комплекса, климатических и геофизических параметрах локации.

Ключевые градостроительные характеристики проекта - рациональность, экономичность, простота и логичность коммуникационных связей.

2.1 Локация

Комплекс разрабатывается на острове Белый, расположенном в Карском море - северной точке Ханты-Мансийского округа и отделенным от континента проливом Малыгина. Остров выбран как характерная для русского Севера локация, и отвечает следующим аспектам:

Климатический - о.Белый обладает характерным для полярных территорий экстремальным климатом - арктическая пустыня, климатический пояс IA. Климат характеризуется длительной холодной зимой с сильными бурями, частыми метелями и небольшой величиной снежного покрова, а также коротким холодным летом. Средняя температура июля не превышает +80, в январе -320 при скорости ветра 8-10м/c. Погода крайне переменчива, за день может меняться несколько раз. Остров расположен в зоне сплошного распространения вечной мерзлоты.

Научный - остров подходит для размещения на нем научной базы, поскольку представляет научный интерес в различных сферах - сбор метеоданных (на данный момент на острове ведет деятельность морская полярная гидрометеорологическая станция им. М.В. Попова), изучение северной биосферы, наблюдение за климатом и его изменениями и пр.

Экологический - о.Белый является ярким образцом отрицательного антропогенного воздействия человека на северную экосистему. Серьезное загрязнение острова сформировалось как результат деятельности на нем военной базы (ныне брошенной), добычи газа (также давно прекращенной), сгоревшими корпусами научной базы на острове (сегодня действует лишь метеорологическое отделение - станция М.В. Попова)

2.2 Участок проектирования

В качестве исходного участка проектирования принят фрагмент у берега реки Пахаяха. Участок представляет собой выраженный рельеф, сформированный перепадом отметок более 20 метров и обладающий умеренным уклоном к поверхности воды.

Выбор участка обладает следующими важными характеристиками, необходимыми для разработки комплекса на данном острове:

Коммуникационная связь. Расположение станции в устье реки Пахаяха обеспечивает доступ к ней водного транспорта, а именно по водному пути предполагается доставка большей части грузов - строительных материалов, компонентов модулей, строительной техники, персонала, оборудования и пр.

Эстетическая функция. Береговой склон реки, с умеренными и резкими перепадами рельефа позволяют максимально эффектно и наглядно продемонстрировать заявленную концепцию формообразования - переход из 2D-плоскости в 3D-пространство.

Исследовательская функция. Наличие поблизости природного водного источника рассматривается как неотъемлемое условие комплексного изучения и мониторинга биосферы, а также экосистемы острова.

Поддержание жизнеобеспечения. Непосредственный доступ к речным ресурсам позволяет инженерно-технической системе станции эффективно и максимально экономично решать задачи водозабора, снабжения и водоотведения.



2.3 Организация генплана

Генеральный план научно-жилого комплекса спроектирован с учетом организации простой и эффективной связи между зданиями и сооружениями станции, удобного передвижения по выраженному рельефу, экономичности проведения инженерной подготовки (минимизация земляных работ, связанных со срезкой грунта). Для этих целей приняты нормативно подтвержденные конструкции дорожных насыпей с укрепленными откосами, рампы и площадки различного функционального назначения. Все инженерные сооружения спроектированы с учетом северного климата и учитывают особенности строительства в зоне вечномерзлых грунтов.

Генплан включает в себя модульный научно-жилой комплекс, ангары для транспортной (грузовой, исследовательской, специальной) техники, складские помещения для хранения топлива, оборудования и компонентов модуля, а также складирования, переработки и утилизации (подготовки к дальнейшей транспортировке) антропогенного мусора в рамках экологической деятельности станции, участки под наземный, воздушный (вертолетная площадка) и водный транспорт (речной причал), погрузочную/разгрузочную, сборочную, складскую площадки, насыпные дороги и рампы для передвижения по территории комплекса и подъезда к комплексу.



3. Архитектурно-планировочные решения

3.1 Общие характеристики

Объемно-планировочные решения станции подчинены функциям экономичности, удобства и эффективности, устойчивости, экологической безопасности, эстетики, дизайна. Все перечисленное разработано в рамках модульной концепции - образ станции подчеркивает свою модульность, ясно демонстрируя ее визуальные и технические преимущества по сравнению с капитальным строительством.

Вместе с этим проект комплекса отвечает экстремальной климатической ситуации, позволяя возводить и эксплуатировать его с минимумом экономических, ресурсных затрат, при этом не оказывая воздействия на довольно хрупкую северную экосистему.

Общее композиционное решение призвано сформировать решенный в рамках единого стиля научный комплекс, органично вписывающийся в окружающую среду и не вступающий в диссонанс с ландшафтом. Модульная концепция формообразования при этом подчинена еще одному важному тезису - переход полярной архитектуры из 2D-плоскости в 3D-пространство. Как запланированное следствие данной концепции - улучшение среды жизнедеятельности персонала станции вследствие избегания монотонности коммуникативных путей внутри станции и неизбежной физической двигательной нагрузки при передвижении между модулями.

3.2 Модульная концепция в экстремальных условиях

Объемно-планировочная концепция комплекса подчинена двум принципиальным блокам требований и характеристик:

Модульная архитектура как синтез мирового и отечественного опыта;

Строительство и эксплуатация зданий в экстремальных условиях русской Арктики.

Оба блока оказывают определяющее влияние на все принятых объемно-планировочные решения.

3.2.1 Модульность

Данное качество, заложенное в основу проектируемого комплекса, является основополагающим. Станция должная наглядно демонстрировать преимущества модульной (другими словами мобильной, быстровозводимой) архитектуры, в результате чего объемно-планировочными решениями закладываются следующие характеристики:

- модульность, “ячеистость” - архитектура, сформированная из модулей-ячеек. Модульность здания выражается в эстетических, формообразующих конструктивных, технологических аспектах. Модульное здание - это концептуальный подход, определенная философия проектирования;

- структурность - выраженная эстетика составных элементов, модульная тектоника. Такая архитектура вызывает определенные ассоциации с “целым, состоящим из множества” - соты, грозди, ветки с плодами и пр.;

- мобильность, гибкость - выражается в объемно-планировочном, функционально-технологическом, градостроительном подходах. Модульный подход обеспечивает вариативность в рамках отдельного модуля или структуры из множества блоков. Комплекс демонстрирует преимущество мобильной архитектуры над стационарной;

- быстровозводимость - характеристика, вследствие которой обеспечивается обозначенная выше гибкость модульного подхода. Возведения постройки из готовых модулей - процесс положительно отличающийся от капитального строительства. Модульность допускает процесс перекомпоновки, перестановки, перемещения блоков-ячеек;

- оптимизация строительного процесса, внедрение индустриальных методов (унификация, серийность) - производство модулей в заводских условиях непосредственно сказывается на качестве изготовления и сборки;

- минимизация работ на строительной площадке - концепция предполагает минимально простой и неэнергозатратный процесс сборки и монтажа станции из доставленных на остров компонентов. Технологическая последовательность включает в себя доставку цельного модуля (или составных элементов) на площадку, вертикальную планировку (при необходимости), организацию транспортных коммуникаций, монтаж модулей;

- экономическая эффективность как следствие двух последних пунктов.

Рисунок 1. Модульный подход в формообразовании комплекса

3.2.2 Экстремальные условия

Проект научно-жилого комплекса, возводимого в условиях Арктики, способствует развитию архитектурно-научной мысли в контексте крайне сложного освоения северных земель. Принятые решения являются ответом на комплекс проблем, возникающих в случае строительства на арктических территориях:

- специфика инженерно-геологических условий. Серьезный комплекс инженерно-строительных проблем обусловлен явлением вечной мерзлоты в данных широтах. Нестабильность данного природного явления становится причиной таких характерных явлений, как талики, солифлюкация, бугры пучения, морозобойные трещины, термокарст, наледи, оттаивание;

- низкие температуры в продолжительный период года, длительный зимний сезон;

- высокая ветровая нагрузка (часто в сопровождении метели), ведущая к значительным изгибающим напряжениям конструкций;

- снежные заносы;

- арктическая фауна (наиболее опасным представителем является полярный медведь, для которого о.Белый является привычным ареалом обитания).

Принятая модульная концепция позволяет демонстрировать эффективное решение обозначенного выше комплекса проблем.

3.3 Объемные решения

В качеству формообразовательной концепции принята идея перехода архитектуры из 2D-плоскости в 3D-пространство”. Данная концепция является комплексным универсальным решением, способствующим расширению ареала освоения северных земель - не только на равнинных территориях, но и на выраженном (весьма распространенном) рельефе. Принцип “из 2D в 3D” заключает в себе ряд следующих преимуществ:

- освоение труднодоступной местности - снимаются ограничения, связанные с распространенными в арктической зоне перепадами рельефа. Таким образом, при выборе участка проектирования можно руководствоваться более значимыми принципами - градостроительными, социальными, научно-исследовательскими;

- физическая активность в пределах станции - необходимость ежедневно передвигаться между модулями в вертикальном пространстве рассматривается как положительный фактор в рамках борьбы с отрицательными влияниями замкнутого пространства, изолированности от внешнего мира, психологического дискомфорта. При этом планировочная организация станции исключает какую-либо необходимость переноса тяжелых грузов по вертикали;

- эстетическое осмысление модульности - возможность возведения научно-жилого комплекса на переменном рельефе позволяет избежать монотонности, свойственной контейнерной архитектуре.

Важным объемным решением является принцип подвески модулей над поверхностью земли. Комплекс “парит” над поверхностью земли, соприкасаясь с ней только несущими конструкциями с минимальным количеством опорных точек. Такой подход к формообразованию обуславливает ряд плюсов:

- отсутствие контакта отапливаемой поверхности комплекса с землей исключает явления оттаивания вечной мерзлоты, промерзания помещений, снежных заносов;

- сводится к минимуму воздействие на окружающую среду - поверхность строительного участка нарушается только в точках соприкосновения с несущими конструкциями;

- легкая смена местоположения модуля, а также его монтаж и демонтаж. Отсутствие в необходимости фундамента для каждого модуля также полностью соответствуют принципам модульной архитектуры;

- безопасность от проникновения внутрь станции полярных хищников - явления нередкого в северных широтах.

Рисунок 2. Преимущества принятых принципов формообразования



3.3.1 Свободное развитие

В модульной концепции, сформированной апологетами метаболизма, просматриваются параллели с архитектурой как живым организмом, обладающим определяющими качествами - возможностью роста, развития, расширения. Принятыми объемными решениями предусматривается возможность бесконечного свободного развития модульного комплекса во всех направлениях. Помимо органических ассоциаций (несущие стержни как стволы и модули как ветки или плоды), возникает значительное преимущество во временной перспективе - станция принципиально не может устареть, поскольку своей способностью к росту и развитию легко отвечает любым актуальным запросам и функциям.

3.3.2 Функциональная единица

Базовой структурной ячейкой научно-жилого комплекса является модуль. В контексте обозначенных выше объемных формообразовательных принципов, определяются следующие характеристики отдельно модуля:

- Принцип стыковки модулей в разных плоскостях. Форма модуля позволяет стыковать и соединять модули между собой. Предусматриваются торцевая, продольная (в 2D-плоскости) и вертикальная (в 3D-пространстве) варианты стыковок.

- Форма модуля способствует объединению нескольких модулей в единое пространство. Таким образом возникает дополнительное планировочное преимущество - формирование рабочих пространств, залов, офисов и т.д.

- Модуль обладает обтекаемой аэродинамичной формой, что является важной характеристикой в условиях экстремальных ветров на о.Белый

- Форма модуля обладает простой и понятной геометрией. При стыковке модулей между собой формируется единый цельный, органичный объем.

3.3.3 Поэтапное развитие

В целях демонстрации характеристик модульной “органической” концепции, проектом предусмотрено трехэтапное развитие научно-жилого комплекса. Предполагается поступательное развитие и расширение станции с течением времени, что предполагает также увеличение количества персонала, набора выполняемых функций, качества и комфорта жизнедеятельности.

- 1 этап предполагает наличие следующих функциональных зон: жилой (включая места для волонтеров), рекреационной, зоны приема пищи, лабораторного зала, технической зоны;

- 2 этап предусматривает расширение жилой зоны, а также формирование новых зон - административной (кают-компании), складской, бытовой;

- 3 этап, подлежащий детальной разработке в рамках проекта, предполагает возникновение офисной зоны, а также расширение уже существующих жилой, технической, складской зон.

3.4 Планировочные решения. Общие данные

Планировочное решение комплекса в целом формируется из отдельных составляющих - планировок отдельных модулей. При этом предусмотрена удобная коммуникационная и пространственная связь между модулями. Так, каждый модуль оснащен коммуникационным холлом или проходным коридором. Параллельно с этим возможна организация доступа извне в любой модуль, что увеличивает гибкость планировочных решений.

В рамках разрабатываемого 3-го этапа станция оснащена следующим функциональным набором модулей:

- жилой модуль для постоянного персонала - 6шт.;

- жилой модуль для сезонного персонала (волонтеры, туристы и т.п.) - 4шт.;

- лабораторно-исследовательский модуль - 3шт.;

- рекреационный модуль - 2шт.;

- офисный модуль - 1шт.;

- Бытовой модуль (баня, прачечная, чистка одежды и пр.) - 1шт.;

- кухня-столовая - 1шт.;

- кают-компания (административный модуль) - 1шт.;

- складской модуль (с главным входным шлюзом) - 2 шт.;

- технический модуль (дизельная станция, энергохранилище, бойлерная, пункт водозабора, сбора и очистки воды и др.) - 3 шт.

Общее количество: 24 модуля.

3.4.1 Характеристика планировок

В рамках обозначенной функции каждый модуль заключает в себе следующие планировочные и организационно-пространственные особенности.

- Жилой модуль для постоянного персонала. Планировка предусматривает наличие четырех просторных (в среднем около 10 кв.м) жилых номеров с двумя одноярусными кроватями и необходимым набором мебели. Допускается проживание в комнате одного человека, а на начальных этапах развития станции - поселение в жилом модуле данного типа сезонного персонала. Планировка также предусматривает наличие санузла с отдельной кабиной, подсобных помещений и шкафов под габаритный инвентарь, оборудование, личные вещи.

- Жилой модуль для сезонного персонала. Позиционируемая функция как жилое пространство на краткий временной этап (волонтерская деятельность, экологическая миссия, туристическая поездка и т.п.) предполагает наличие восьми жилых ячеек с минимальным, но достаточным жилым пространством. В ячейке предусмотрена одна двухъярусная кровать, шкаф и откидная столешница. Модуль не предусматривает наличие душевой кабины, поскольку в рамках организационной модели жизнедеятельности на станции предполагается принятие водных процедур волонтерами в бане бытового модуля.

- Лабораторно-исследовательский блок. Представляет собой три модуля, объединенных в единое пространство. Таким образом формируется общий лабораторно-исследовательский зал площадью 155 кв.м. Такое решение позволяет организовать рабочий процесс не только рационально, но и комфортно (единый просторный зал, залитый естественным светом). По периметру зала расположены рабочие кабинеты, зал совещаний, подсобные помещения. Данный блок демонстрирует преимущества вариативного объединения пространства нескольких модулей в единое целое.

- Рекреационный модуль. Несет в себе важную функцию психологической и физической разгрузки персонала станции, работающего в экстремальных условиях. Планировкой предусмотрены тренажерный зал, комната отдыха, компьютерный зал (служащий в том числе для осуществления связи персоналом с “большой землей”).

- Офисный модуль. Предусматривает наличие комфортных помещений для офисной работы, а также архива с документами. Модуль требуется на более поздних этапах развития станции - при наличии большого количества персонала и широкого объема информации, аккумулируемой научной станцией.

- Бытовой модуль. Несет в себе гигиеническую функцию, ощутимо повышая комфортность бытового уклада на станции. Планировкой предусмотрено наличие банных помещений, прачечной, помещения для ухода за одеждой.

- Кухня-столовая. Располагает обеденным залом на 38 человек и необходимой инфраструктурой для приготовления пищи - холодным и горячим цехами, кладовой для продуктов. Загрузка пищевых продуктов в кухонный блок предполагается непосредственно с улицы - для этих целей генеральным планом станции предусмотрен подъезд к модулю с разгрузочной площадкой.

- Кают-компания (административный модуль). Является управляющим и руководящим центром всего комплекса. Модуль является рабочим местом для командира базы, его помощников, системного администратора. Планировкой предусмотрен просторный зал управления станцией (командная рубка) с пространством для проведения совещаний и информационными экранами, на которые выводится вся необходимая информация по системам управления и жизнеобеспечения станции.

- Складской модуль. Является главным входным шлюзом и предусматривает складирование в помещениях всего перечня грузов, необходимых для жизнедеятельности научно-жилого комплекса.

- Технический модуль. Под технический блок на 3-м этапе развития станции предусмотрен большой объем - три модуля, на площади которых предполагается размещение всего необходимого для функционирования комплекса оборудования - дизельной станции, энергохранилища с аккумуляторами, бойлерной, пункта водозабора, сбора и очистки воды, электрощитовой и др. Техническая зона расположена в самой нижней точке станции, максимально близко к речной поверхности. Таким образом решается вопрос эффективного внешнего водозабора, сбора внутренних стока со всего комплекса и их дальнейшего сброса обратно в реку. Самый нижний модуль оснащен наружным электроподъемником под тару с дизельным топливом и ГСМ, а также резервуарами под хранение запасов чистой воды.



4. Конструктивные решения

4.1 Общие принципы

Конструктивная система комплекса предусматривает деление на два принципиальных блока: несущая (ядро) и ограждающая (модуль) части. Такой подход несет в себе как непосредственно конструктивную, так и эстетическую роль.

4.2 Ядро

Несущая часть представляет собой стальные металлоконструкции, формирующие трубчатые “стержни”, к которым на усиленных тросах подвешиваются предварительно смонтированные модули.

Несущие стержни ядра формируются из стальных полых прокатных труб, которые во взаимодействии с горизонтальными опорными кольцами и диагональными связями обеспечивают высокую несущую способность, надежность конструкции, равномерное распределение нагрузок и их дальнейшую передачу на основание.

Ядро, так же как и модуль, предусматривает сборку и монтаж из предварительно доставленных на остров элементов. Несущая способность ядра, вкупе с опорными ригелями и тросами выдерживает вес модулей с людьми и оборудованием. Несущие конструкции обладают устойчивостью к стихии, коррозии, экстремальным значениям и перепадам температур. Вершина несущего стержня рассматривается как опорная платформа под вспомогательное инженерное оборудование, в первую очередь - под шестилопастные ветрогенераторы.



4.3 Модуль

Ограждающая часть выполняет эффективную изоляцию персонала и оборудования комплекса от неблагоприятной среды. Предусмотрена минимально энергозатратная сборка модуля из доставленных элементов на сборочной площадке в пределах острова.

Крепления модуля к несущему ядру осуществляется одновременно двумя методами - жесткое крепления основания через опорные ригели и подвес корпуса к несущему ядру через систему нержавеющих витых тросов. Такой подход обеспечивает жесткость всей конструкции, формируя единую систему, оставляя при этом запас на деформацию вибрации, смещение от нагрузок и пр.

4.4 Фундамент

Фундамент под стержни несущего ядра проектируется свайный, с использованием винтовых заостренных узколопастных свай как метод, наименее травмирующий естественную среду. Доставка свай осуществляется аналогично доставке на остров остальных компонентов модульной станции.



5. Инженерные решения

5.1 Инженерная подготовка участка в условиях вечномерзлых грунтов

Строительство в условиях Севера представляет собой огромный, сложный и крайне актуальный для России пласт строительной науки и индустрии. Такие районы занимают почти треть нашей страны, если учесть не только высокие широты, но и территорию с вечной мерзлотой, которая простирается от Воркуты до берегов Тихого океана и охватывает весь северо-восток, включая Полярный Урал, Ханты-Мансийский округ, Таймыр, Якутию и Чукотку. Южные границы мерзлоты простираются до Читинской области.

Арктические широты, как территория экстремально неблагоприятного климата, являются средоточием специфических инженерно-геологических условий. Самый серьезный комплекс инженерно-строительных проблем обусловлен явлением вечной мерзлоты в данных широтах.

Многолетней мерзлотой называется толща постоянно промороженных грунтов, всегда имеющая отрицательную или нулевую температуру. Обычно температура вечной мерзлоты колеблется в пределах от 0 до -70 и, как правило, ниже -10 не опускается. Особенно остро проблема освоения территорий в условиях многолетней мерзлоты стоит в нашей стране. Физико-механические свойства мерзлых пород имеют существенные особенности. Наличие льда в порах и трещинах предопределяет их повышенную сжимаемость, пониженное сопротивление сдвигу и склонность к пластическим деформациям. При оттаивании лед превращается в воду и происходит резкое снижение прочностных свойств грунта. Мерзлые грунты при длительной нагрузке проявляют пластичные свойства.

Исходя из вышеуказанной проблематики, формируется перечень вопрос, на которые поставлена задача ответить в рамках данной курсовой:

Чем характеризуются вечномерзлые грунты;

Изучить исторический и современный опыт инженерной подготовки в условиях вечномерзлых грунтов;

Каковы особенности строительства в условиях вечной мерзлоты.

5.1.1 Актуальность тематики

История современной России отмечена возрождением и активизацией интереса к ключевым стратегическим и геополитическим направлениям, позиции по которым были утеряны в недавнем прошлом. Одним из таких “реанимированных” стратегических направлений является освоение Русской Арктики - обширных арктических территорий евразийского континента, включая Крайний Север и Дальний Восток. Геополитическая борьба за колоссальные ресурсы в условиях глобального кризиса и непременной конкуренции со стороны других стран - тот глобальный фактор, который лежит в основе ревитализации арктического направления. При этом основной стратегический, экономический интерес - разработка месторождений и добыча углеводородов - как и в советские времена, сталкивается с главной, серьезнейшей проблемой - суровостью, экстремальностью климатических условий.

Имея в основе богатейшую научно-исследовательскую базу, сформированную в советские времена, современная исследовательская мысль, тем не менее, сталкивается с комплексом нерешенных задач. Проблема адаптации, трансформации максимально недружелюбной местности в среду, доступную для обитания, трудовой и жизнедеятельности - вопрос, который в первую очередь призвана решить архитектура в комплексе с современными научными и инженерными и технологиями.

5.1.2 Характеристика объекта проектирования, природных особенностей территории размещения объекта

Характеристика объекта проектирования

Главной целью магистерской работы является разработка концепции и принципов формирования модульной архитектуры в экстремальных условиях российской Арктики. Необходимо пояснить, что модульное здание - здание из модулей заводского изготовления, собранное из одного и более модульных блоков.

Объектом исследования и практической разработки принят научно-исследовательский комплекс, составленный из лабораторно-исследовательской, жилой (бытовой) и рекреационной частей. Функции комплекса - обеспечение автономного цикла жизнедеятельности научно-исследовательской группы с целью мониторинга экологической ситуации и степени загрязнения окружающей среды, а также сбора геологических и метеоданных, поддержки волонтерской деятельности и экотуризма. Предположительное местоположение комплекса - остров Белый, расположенный в Карском море (Ямало-Ненецкий а.о.). В качестве исходного участка проектирования выбран фрагмент у берега реки Пахаяха, являющий собой береговой склон реки, с умеренными и резкими перепадами рельефа.

Климат острова

Остров расположен в Карском море и отделен от полуострова Ямал проливом Малыгина. Входит в состав Ямало-Ненецкого автономного округа. Площадь острова 1900 км2, поверхность равнинная, с перепадами высот до 12 метров, покрыта тундровой растительностью. Рельеф дополняется множеством термокарстовых озер.

Климат острова Белый определяется его географическим положением. Арктический климатический пояс IA, область климата арктических пустынь и тундр. Иными словами - район Крайнего Севера, наиболее суровый климатический пояс России. Средняя температура июля не превышает +80, в январе -320 при скорости ветра 8-10м/c. Ветер приносит массы морского арктического воздуха с Северного Ледовитого океана. Климат характеризуется длительной холодной зимой с сильными бурями, частыми метелями и небольшой величиной снежного покрова. Характерны сильные туманы.

Погода крайне переменчива, за день может меняться несколько раз. Лето короткое, зима, напротив, доходит до 8 месяцев. В декабре начинается полярная ночь, которая длится более двух недель. Остров расположен в зоне сплошного распространения вечной мерзлоты (мерзлая толща доходит до 900м и ниже).

Инженерно-геодезическая специфика местности

В районах многолетней мерзлоты в основном распространены супеси, суглинки и др. При переходе в мерзлотное состояние такие грунты становятся твердыми и приобретают характер скальных пород с высоким пределом прочности. В процессе оттаивания илистые и глинистые грунты переходят в грязеподобное разжиженное состояние, которое характеризуется большим переувлажнением, очень малой несущей способностью и ничтожным сопротивлением сдвигу. В этом случае нагрузка от сооружения может оказаться чрезмерной и начнется выпирание грунта из-под подошвы фундамента и как следствие этого неравномерная осадка сооружения. При переходе при оттаивании из твердого состояния в разжиженное происходит потеря устойчивости естественных и искусственных откосов и их оползание с возможным разрушением связанных с ними сооружений.

Нестабильность данного природного явления становится причиной следующих характерных явлений:

талики - прослои талых отложений среди многолетнемерзлых пород, которые обычно возникают в результате фильтрации воды. Талики представляют серьезную опасность, так как талые, несвязные водонасыщенные грунты обладают очень низкой несущей способностью;

солифлюкция - медленное оплывание тонкодисперсных грунтов в период оттаивания. Это явление может возникнуть даже при небольшом уклоне поверхности в 3-4 градуса. Скорость перемещения грунтов составляет несколько сантиметров в год, но этого достаточно, чтобы здание «поехало»;

бугры пучения - следствие промерзания пород при поступлении напорных подземных вод. Они составляют большую неприятность для городской территории и сооружений и представляют собой процесс пучения грунта - увеличение объема замерзающего зимой и оттаивающего летом деятельного слоя. Они могут иметь диаметр 30-40 м, а высоту 1-2 м и более. Появление таких бугров часто ведет к сносу построенных зданий;

морозобойные трещины - появляются в результате неравномерного замерзания массива по глубине, особенно при резком похолодании. Ширина таких трещин нередко достигает 0,2-0,5 м, а глубина 10 м и более. Естественно, ленточные фундаменты при этом попросту разрываются;

термокарст - результат локального вытаивания льда в грунтах, после чего образуются провалы (поноры), которые заполняются водой. Глубина поноров может достигать нескольких метров, а диаметр - десятков, а иногда и сотен метров. Термокарст развивается при уничтожении растительного покрова, планировке строительных площадок и прочих земляных работах;

наледи - возникают как следствие промерзания грунтов на участках подземного стока воды, часто формируются на склонах долин и в руслах рек и ручьев;

оттаивание вечномерзлых грунтов вследствие природно-техногенных факторов - утечки из водонесущих коммуникаций, отепляющее воздействие коммуникаций в результате недостаточной изоляции, снижение отражающей способности солнечных лучей, снежные заносы, нарушение растительного покрова и т.п.

Исходя из принятых характеристик объекта, анализа климатических условий на острове, можно сделать следующие выводы:

Климатическая обстановка на острове (зона вечной мерзлоты) крайне неблагоприятна для строительства капитальных сооружений. Значительные трудности с земляными работами, возведением фундаментов и соблюдением мер противодействия оттаиванию грунтов основания вкупе с невозможностью переброски на остров большого количества строительной техники и утилизации строительного мусора делают долговечное строительство в данной местности трудноосуществимым и крайне дорогостоящим. Стоит также отметить необратимый ущерб экосистеме острова от капитального метода (на сегодняшний день ощутимый ущерб уже нанесен, о чем будет сказано далее). Данную проблематику можно означить как весомый аргумент в пользу модульного строительства на острове Белый.

При разработке проекта инженерной подготовки и вертикальной планировки участка должны быть учтены следующие климатические факторы: экстремально низкие температуры зимой, сильные ветры с метелями, малое количество осадков, сильные туманы и переменчивая погода. Решение проблем арктического климата необходимо заложить как в инженерно-технические, так и в объемно-планировочные, конструктивные и дизайн-решения.

5.1.3 Анализ современного опыта исследований и практических решений

Изучение практических наработок в отечественной строительной отрасли сообщают следующее. Строительная научно-нормативная база на достаточно глубоком уровне ведет исследование вопросов инженерной подготовки северных территорий, вырабатывая при этом как теоретические рекомендации, так и практические решения. Можно отметить, что подход к изучению специфики участков с вечномерзлыми грунтами приобрел отраслевую направленность. В качестве примера привожу ВСН 33-82. Данная инструкция составлена в развитие СНиП 11-18-76 “Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах” с учетом особенностей проектирования и строительства нефтепромысловых сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов.

Инструкция дает структурированные рекомендации, необходимые к применению при инженерной подготовке и вертикальной планировке в исследуемых условиях:

Вертикальная планировка:

- срезкой неровностей бульдозерами при льдистости л<0.03;

- заменой льдистых и сильнольдистых грунтов крупноскелетными;

- насыпью из крупноскелетных или песчаных грунтов.

Инженерная подготовка строительных площадок:

Борьба с термокарстом и оврагообразованием, отвод поверхностных и грунтовых вод, борьба с наледями и т.п.;

- отвод поверхностных вод вертикальной планировкой и лотками;

- отвод поверхностных вод с помощью маломощных перекачивающих установок;

- защита от затопления водоотводными валами, мерзлотными валиками;

- борьба с грунтовыми наледями, противоналедными валами, мерзлотными поясами;

- укрепление и засыпка участков активного размыва;

- лесомелиоративные работы;

- понижение температуры пород охлаждающими установками;

- устройство теплоизолирующей подсыпки;

- осушение территории.

Противопучинистые мероприятия: Борьба с термокарстом и оврагообразованием, отвод поверхностных и грунтовых вод, борьба с наледями и т.п.;

- гидромелиоративное осушение, защита от затопления;

- тепломелиоративные: утепление торфом, опилками, мхом, шлаком и т.д., электропрогрев;

- замена пучинистых грунтов крупноскелетными.

Сохранение и понижение температуры грунтов по I принципу:

естественным промораживанием;

теплоизолирующими грунтовыми подсыпками;

горизонтальными охлаждающими каналами, размещающимися в теле насыпи;

автономными охлаждающими установками-термосваями;

вертикальными воздушными охлаждающими установками;

твердой углекислотой в вертикальных скважинах летом.

Рисунок 3.1 Инженерная подготовка строительной площадке в условиях вечномерзлых грунтов (начало схемы)

Рисунок 3.2 Инженерная подготовка строительной площадке в условиях вечномерзлых грунтов (конец схемы)

Из практических решений можно отметить следующие рекомендации для насыпей. Насыпи на малольдистых (сыпучемерзлых) грунтах проектируются из песчаных грунтов с ограничением глубины оттаивания по расчету на допустимую осадку конструкции. Насыпи на льдистых основаниях следует проектировать из песчаных грунтов с укладкой слоя теплоизоляции под откосной частью и на берме. Насыпи на сильнольдистых основаниях проектируют из песчаных грунтов в соответствии с поперечным профилем.

Рисунок 4. Типы профилей дорожных насыпей на вечномерзлом основании

Помимо нормативных документов, разработки и поиски практических решений ведутся на других уровнях строительной инженерии. В качестве иллюстрации можно обозначить конструкцию дренажной стенки для осушения грунтов в районах многолетней мерзлоты. Изобретение относится к области строительства и предназначено для постоянного удаления свободной воды из многолетнемерзлых и сезонномерзлых грунтов по мере их оттаивания, а также для отвода проникших в грунт фильтрующих атмосферных осадков.

Дренажная стенка состоит из протяженной щебенчатой конструкции в грунте, закрытой от дневной поверхности. Она имеет соответствующую мощности осушаемого слоя глубину, постоянную ширину по всей глубине, замкнутую изоляцию состава стенки от заиливания, выполненную по всей площади ее поверхности минеральным фильтрующим материалом. Сверху стенка защищена отдельной частью такой же стенки высотой 200-600 мм в самостоятельной замкнутой фильтрующей изоляции, независимой от основного тела стенки. Обеспечивается надежная работа дренажа в районах многолетнемерзлых грунтов, решается проблема инженерной подготовки территории строительства в этих районах, а также резко повышается скорость удаления грунтовой воды во всех случаях и особенно при мелкодисперсных грунтах с низким коэффициентом фильтрации. Техническим результатом предлагаемого устройства является устранение указанных вредных факторов (исключающих нормальную работу) за счет его особой конструкции и защиты.

В разрезе механики и состояния грунта дренажная щебенчатая стенка работает совместно с грунтом, как одно целое. Фронт промерзания и оттаивания стенки по глубине перемещается одновременно с окружающим грунтом с небольшим запаздыванием при промерзании и разным опережением при оттайке (благодаря преимущественному переносу воды из более теплых мест), что способствует заблаговременному удалению свободной воды в обоих случаях, с исключением подпора ее, замерзания и пучения. Для грунтов с низким коэффициентом фильтрации это единственный способ сглаживания всех неблагоприятных сезонных проявлений.



Рисунок 5. Конструкция дренажной стенки для осушения грунтов

Из приведенной выше информации следует сделать следующий вывод: при инженерной подготовке территорий в зоне вечномерзлых грунтов необходимо строго соблюдать весь комплекс мероприятий, разработанных нормативно-строительной базой. Следует подбирать из арсенала средств и методов наиболее соответствующие ситуации, поставленной задаче, техническому оснащению и бюджету.

5.1.4 Особенности инженерной подготовки участка в условиях вечномерзлых грунтов

Инженерная подготовка территорий в условиях многолетней мерзлоты имеет свои особенности и связана с необходимостью выполнять достаточно жесткие требования к температурному режиму грунтов, уровню надмерзлотных грунтовых вод, затопляемости территории, а также с проведением специфических мероприятий по борьбе с солифлюкцией, термокарстами, наледями. Вертикальная планировка территорий в условиях многолетней мерзлоты представляет определенные затруднения в связи со сложностью разработки мерзлого грунта и необходимостью сохранения температурного режима.

Градостроительное освоение территорий в условиях многолетней мерзлоты в нашей стране и за рубежом ведется на основе двух диаметрально противоположных принципов: сохранение природного температурного режима многолетнемерзлых грунтов (так называемый первый принцип строительства); изменение природного температурного режима (допущение оттаивания) в предпостроечный или эксплуатационный период (второй принцип строительства).

При использовании первого принципа строительства основная проблема - предохранение мерзлых грунтов от температурных воздействий зданий, сооружений, инженерных коммуникаций и изменений режима поверхностных и подземных вод. Тем не менее, именно он принят мною в качестве наиболее соответствующего подхода к разработке участка в рамках магистерского проектирования.

В качестве общей рекомендации можно обозначить следующее. Территорию рекомендуется выбирать преимущественно вблизи водоемов и зеленых насаждений, максимально защищенную от ветров и снегозаносов, не имеющую участков с подземными льдами или с сильно льдистыми мелкоземлистыми грунтами, торфяниками, термокарстами, наледями. При выборе территории необходимо обеспечить выполнение следующих требований: достаточные размеры площадки (с учетом перспективы развития населенного пункта), допустимые или близкие к ним уклоны поверхности; благоприятные условия вода- и энергоснабжения; использование площадок с грунтами, допускающими наименее сложные конструктивные решения фундаментов зданий и сооружений. Также стоит отметить, что в условиях многолетней мерзлоты сохранение естественного состояния растительного покрова и рельефа необходимо и по инженерным соображениям.

Перечень конкретных специфических мероприятий в условиях вечномерзлых грунтов выглядит так:

Для реализации первого принципа применяется специальное промораживание грунтов, одним из способов которого является снятие дернового покрова и систематическое удаление снега. За один зимний период грунт возможно проморозить на глубину до 4м, за два- на 5-6м. Применяются также способы охлаждения основания автоматическими жидкостными и парожидкостными установками.

В том случае, когда грунты сохраняются в мерзлом состоянии, вертикальная планировка производится с сохранением мохового и дернового покровов. Срезка грунта - локальными участками.

Улицы и дороги проектируются на насыпи с легкими конструкциями дорожных одежд. Это позволяет максимально сохранить температурный режим грунтов и растительный покров. Устойчивость откосов обеспечивается малым углом заложения и в некоторых случаях покрытием слоем теплоизоляционного материала.

Отвод поверхностных вод осуществляется открытым способом с использованием лотков, мерзлотных валов, кюветов и водоотводящих канав. Конструктивно они выполняются из армоцементных и железобетонных плит или сборных блоков по теплоизоляционному слою (мох, торф, плиты из негигроскопичных пористых материалов) с гидроизоляцией. Поверхностные воды из местных пониженных участков удаляются по трубам в лотки водосточной сети.

Борьба с неблагоприятными природными условиями и физико-геологическими процессами - такими, как овраги и оврагообразование, оползни, карсты, сводятся к применению обычных мероприятий.

Во избежание морозобойных трещин необходимо добиваться равномерного размещения на застраиваемой территории тепловыделяющих сооружений.

Наледи деформируют мосты, трубы, транспортные сооружения. Мероприятия, направленные против образования наледей, заключаются в устройстве мерзлотных поясов и валиков для перехвата поверхностных вод и в ликвидации бессточных участков.

В качестве специфического мероприятия, отвечающего теме магистерского проектирования, можно обозначить необходимость проектирования Мобильных типов домов с конструктивной схемой, позволяющей обходиться без фундаментов. Такой подход позволяет избавиться от целого ряда серьезных проблем, связанных с подготовкой территории под возведение фундаментов.

5.1.5 Выводы по подразделу

В качестве вывода по данному разделу можно обозначить следующее.

Для освоения территории участка проектирования принят первый принцип строительства как наиболее рациональный и отвечающей специфике принятых объемно-планировочных и конструктивных решений.

Наиболее актуальными рекомендациями в рамках магистерской темы можно обозначить меры по срезке грунта, подготовке насыпей под дорожные одежды, сооружению подпорных стенок в условиях вечной мерзлоты.

В заключение можно добавить, что климатические условия территорий с вечномерзлыми грунтами можно назвать крайне неблагоприятными и даже экстремальными. 10% от общей стоимости строительства придется отвести на инженерную подготовку и вертикальную планировку участка, не забывая о том, что и общая стоимость строительства в условиях русского Севера ощутимо возрастает.

При таких исходных данных как никогда важны продуманные и рациональные решения - в соответствии с первым принципом строительства обязательны к соблюдению минимальное вмешательство в естественную природную среду, минимизация и локализация земляных работ, максимальное сохранение растительного покрова.

Таким образом, необходимо добиваться, чтобы генеральный план на участке проектирования и благоустройство гармонично взаимодействовали с ландшафтом, рельефом и окружением, отвечая при этом перечисленным выше принципам.



5.2 Инженерные системы

В целях достижения максимально возможной автономности, а также минимизации воздействия научно-жилого комплекса на окружающую среду (“энергопассивности”), применяются следующие инженерные решения:

Пассивное солнечное тепло

Система позволяет станции поддерживать внутреннюю температуру за счет приема и удержания солнечного света и тепла, выделяемого обитателями и электроприборами станции. Такой подход избавляет от необходимости в питаемой отдельным энергоисточником системе отопления.

Изоляция

Многослойные ограждающие конструкции, в которой каждый слой выполняет определенную функцию, позволяет не только оградить обитателей от низких температур, но и поддержать воздушную и водную непроницаемость на должном уровне для достижения оптимального уровня теплопередачи и сохранения энергии в пределах станции.

Системы вентиляции и теплообмена

Воздухообмен и вентиляция каждого модуля предполагается естественный - через воздухозаборные решетки в наружных отверстиях, что принято в целях максимальной экономии энергии. Поступление воздуха и эффективность воздухообмена в зависимости от погодного режима контролируется автоматикой. Также интегрированные системы помимо рекуперации воздуха защищают станцию от перегрева, а также распространяют и перераспределяют аккумулированную тепловую энергию по всему комплексу, выделяя зоны с повышенной потребностью в тепле.

Применение возобновляемых источников энергии

Как будет подробно указано ниже, в контексте проектной локации предпочтение отдается ветровой энергии.

Энергохранилище

Предусмотрена система батарей для хранения излишков энергии. Для этого в техническом блоке запланировано помещение со стандартными свинцово-кислотными аккумуляторами.

Резервные энергоисточники

Как и в любых аналогичных труднодоступных и суровых условиях, на станции предусмотрен резервный генератор - как на сгораемом топливе, так и в более современном экологичном варианте - на водородных топливных элементах.

Интеллектуальная сеть

Система управления энергоресурсами станции, основанная на принципах приоритетного распределения энергии, позволяет приблизиться к минимизации энергопотерь и выбросов в окружающую среду. Интеллектуальная управляющая сеть борется с неконтролируемым потреблением энергии, побуждая персонал станции адаптироваться к режиму приоритетности и экономии. Центральный компьютер контролирует доступные запасы энергии и перераспределяет их в соответствии со строгим набором правил.

В зависимости от времени суток одни виды деятельности имеют приоритет над другими. Тем не менее общая концепция управления всегда отдает самый высокий приоритет безопасности, самый низкий - развлечениям и отдыху. Данная смарт-система превосходит по эффективности другие системы экономии в разы.

Дистанционное управление станцией

Благодаря спутниковому оборудованию станция находится в постоянной информационной связи с “Большой Землей”. Более того, возникает возможность удаленного управления интеллектуальными системами станции с целью достижения максимальной эффективности работы комплекса.

Полный процесс обработки

Наличие источника чистой воды поблизости с комплексом стало важным условием при выборе местоположения станции. Чистая вода, как и снег, подлежат сбору и использованию. Важным оборудованием в таких условиях является снегоплавильная печь.

100% переработка

Усовершенствованная система очистки воды позволяет осуществить рекуперацию 100% серых и черных вод. Из них до 60% можно использовать повторно, остальное количество утилизируется в окружающую среду. При этом очищенная вода не нанесет никакого ущерба экосистеме близ станции.

Биореактор

Станция оснащена двумя типами биореакторов - аэробным и анаэробным. Задача такого оборудования - поддержания оптимальных условий для микроорганизмов, участвующих в переработке отходов жизнедеятельности.

Активное применение углерода

Активная углеродная очистка позволяет удалить большое число разнообразных соединений из сточных вод станции методом поглощения. Для этих же целей применяется коротковолновое ультрафиолетовое облучение, позволяющее уничтожить микроорганизмы и стерилизовать питьевую воду.

Хранение воды

Расплавленный снег направляется в места хранения, причем холодная вода подлежит хранению в холодных резервуарах, в то время как подлежащая нагреву вода проходит более длинную технологическую цепь.

...