Россия
ГРНТИ 67.07 Архитектура
Благодаря развитию научно-технического прогресса в архитектуре возникло и активно развивается новое явление – бионическая архитектура. Основываясь на уже созданных методиках проектирования в рамках «зеленых стандартов», бионическая архитектура способствует улучшению экологического баланса окружающей среды и сохранению природных ресурсов. Использование новейших технологий строительства, формообразования, проектирования, альтернативных источников энергии позволило сформировать этот инновационный стиль, который по сути своей является ветвью развития экологического подхода. В статье раскрыты основные достижения в области применения технических устройств повышения эффективности применения ресурсов в объектах архитектуры и их влияние на формообразование.
бионическая архитектура, инженерное оборудование, экология, форма, комфорт
Введение. Зодчие разных периодов – от момента возникновения потребности в строительстве жилища до наших дней – черпали свое вдохновение у природы, пытаясь повторить и применить формы ее объектов в своих творениях. Однако этот процесс претерпел ряд трансформаций на пути своего развития, что привело к современным тенденциям в архитектуре, которые можно обозначить как бионическая архитектура – инновационный стиль, основанный на экологическом подходе и новейших технологиях и строительных материалах. Суть его заключается в глубоком анализе внутренних процессов природы, в применении принципов живого в «рукотворных» технологиях, в создании архитектуры человека как логического довершения архитектуры окружающей среды; в преодолении конфликта природы и человека, организации внешней гармонии путем гармонизации внутренней составляющей [1, с. 355]. Конечным результатом ставиться создание экологического здания с максимально замкнутой экосистемой.
В настоящий моменет тема бионической архитектуры с применением новейших технологий может считаться изученной лишь частично, поскольку появление перспективных разработак и экспериментов в данной области только набирает обороты. Теоретической основой исследования проблемы образования нового стиля «Бионическая архитектура» послужили научные работы, в которых рассмотрены её отдельные аспекты:
- литература, раскрывающая исторический аспект формирования бионической архитектуры: Бассегода Н.Х., Зинченко С.А., Марков Д.И., Колясников В.А., Сапрыкина Н.А., Мартека В., Маркузон В.Ф. и др.;
- литература, в которой исследуются принципы стилеобразования в архитектуре: Асташенков П.Т., Горский Д.П., Лебедев Ю.С., Литинецкий И.Б., Мартека В., Молчанов В.М. и др.;
- источники, содержащие описание современных достижений в архитектуре и строительной индустрии (в области разработки и применения строительных материалов и технологий): Белюченко И.М., Варежкин В.А., Волкотруб И.Т., Гийо Агнес, Ермолов В.В., Иовлев В.И., Крайзмер Л.П. Селезнев В.П., Пономарев В.А., Табунщиков Ю.А., Фадеева М., Bloom P. и др.
В результате их анализа получены следующие выводы:
- к настоящему моменту накоплен огромный эмпирический материал по разработке проектов уникальных архитектурных объектов, обладающих набором особенностей, позволяющих выделить их в одну группу, детальное изучение которой позволит доказать формирование нового архитектурного стиля на рубеже ХХ–ХХI вв.;
- в современной архитектуре явно просматривается влияние экологического подхода, под воздействием которого происходит развитие новых и трансформация существующих направлений (в том числе под воздействием научно-технического прогресса);
- существует множество работ, посвященных бионическому формообразованию, но не изучен вопрос его влияния на развитие в архитектуре новых стилей и направлений;
- нет оценочной шкалы (критериев, системы оценки), позволяющей классифицировать здания и сооружения, выполненные с учетом требований «зеленых» стандартов, Green-BIM-технологий, бионического формообразования, экологического подхода, как отдельный стиль или стилевое направление при существовании значительного количества осуществленных объектов;
- существует противоречие в оценке эффективности объектов бионической архитектуры с экономической точки зрения, требующее тщательного изучения;
- бионическая архитектура не выведена на уровень самостоятельного архитектурного стиля (трактуется как ветвь различных стилей), вследствие чего не изучен вопрос возникновения предпосылок ее формирования и развития [2, с 36].
Основная часть. Без научных основ экологии и климатологии сегодня невообразимо создать полноценный эко-комплекс, гармонично сочетающий внешнюю форму (оболочку) с внутренним строением (строительные материалы и конструкции, инженерное оборудование, функциональное зонирование). В этом направлении уже сделаны существенные шаги:
- энергоэффективный дом (Energy Effiеient Building): потребление энергии из централизованных источников низкое или нулевое; объект может быть оснащен устройствами, вырабатывающими энергию;
- умный дом (Intеllеctuаl Вuilding): автоматизация управления и оптимизация использования ресурсов;
- пассивный дом (Pаssivе Вuilding): естественный теплообмен, фактическое отсутствие отопление, использование энергосберегающих материалов и систем;
- здоровый дом (Неаlthy Вuilding): применение природного материала, системы активных очисток отработанных ресурсов;
- биоклиматическая архитектура (Вiоclimаtic Аrchitеcturе): применение технологий, обеспечивающих комфортные условия с учетом климатических особенностей региона.
Все перечисленные виды разработки экозданий напрямую связаны с развитием научно-технического прогресса и активным применением современных технологий, направленных на повышение комфорта в помещениях и сохранение природного баланса. Рассмотрим их особенности более подробно.
Энергоэффективный дом представляет собой сооружение, в котором энергопотребдение снижено до минимума, а энергопотери отсутствуют. Яркими примерами таких зданий являются: проект семейного дома ZEB Pilot House (бюро Снехетта, Норвегия), дома Heliotrope в Германии (архитектор Ральф Диша), Сannon beach residence, штат Орегон (архитектурное бюро Nathan Good Architects) и т.д. (рис. 1).
Рис. 1. А) Энергоэффективное здание «Commerzbank», Франкфурт-на-Майне, Германия [8];
Б) проект семейного дома ZEB Pilot House, Норвегия (разработчики: бюро Снехетта) [9]
Этот метод основан на применении строительных материалов и конструкций, позволяющих сократить теплопотери. Характерным элементом при таком подходе также становятся всевозможные солнечные батареи, ветрогенераторы и др. устройства, позволяющие получить энергию из альтернативных источников. Стоит отметить, что прямого влияния на формообразование объекта эти материалы и устройства не оказывают, за исключением вопроса размещения элементов сбора и трансформации энергии в соответствии с климатическими особенностями района строительства.
Умный дом – это гибкая приспособляемая инженерная система, состоящая из датчиков контроля и реагирования, пульта управления и связей между ними. Данная концепция предполагает новый подход к организации жизнеобеспечения здания, направленный на повышение эффективности использования функциональных пространств и ресурсов [3, с 23]. Примеров применения этого метода в архитектуре довольно много: дом Трон – дом японского профессора Кена Сакамуры в Токио, дом Била Гейтса в Вашингтоне (рис. 2). Однако особого влияния на форму объекта данная система не оказывает, т.к. довольно легко приспосабливается к различным конфигурациям.
Рис. 2. «Умный дом» Била Гейтса в Вашингтоне, интеллектуальные системы управления зданием [10]
Пассивным домом принято называть объект, у которого отсутствует необходимость в устройстве традиционной системы отопления (энергосберегающий дом). Основу этой концепции составляют принципы: компактности, ориентации по сторонам света, тщательного подхода к утеплению ограждающих конструкций, а также избегание возникновения мостиков холода. Примерами известных домов, построенных по принципу пассивного энергосбережения, являются: Econo-House в Финляндии, «Башня жемчужной реки» в Гуанчжоу и др. (рис. 3). В данном случае влияние подхода на форму объекта весьма значительно, поскольку расход тепла напрямую связан с геометрией й форм и их размерами. Геометрия форм должна учитывать направление воздушных потоков, и если здание оборудовано ветро-генераторами как в «Башня жемчужной реки» в Гуанчжоу, их располагают перпендикулярно ветро-потокам. Econo-House в Финляндии в своей конструкции имеет компактность, ориентацию по сторонам света, тщательный подход к утеплению ограждающих конструкций, а также избегание возникновения мостиков холода, за счет чего отпадает необходимость в отоплении. Главный фасад общественных зданий ориентируют на максимально освещенную сторону света для естественного нагрева помещений и используют двойные утепленные фасады.
Рис. 3. Гуанчжоу, «Башня жемчужной реки» [11]
Здоровый дом – это инновационный подход к проектированию и строительству, основывающийся на здоровом образе жизни. «Здоровый дом рассматривает среду обитания в качестве актива, который может максимально увеличить человеческий потенциал, и стремится создать среду, которая побуждает нас жить лучше, культивируя здоровый образ жизни, и помогает предотвратить проблемы со здоровьем» [4]. Например, проект дома Джека Хенстрайджа, в котором применен способ строительства «поленница» и «зеленая кровля» (рис. 4).
Рис. 4. Дома-полленницы (технология - cordwoodmasonry или earthwood): А) офис студии звукозаписи
Ханса Либерга (Hans Liberg) [12]; Б) дома Джека Хенстрайджа (Henstridge House) [13]
Биоклиматическая архитектура является особой методикой проектирования, основанной на особенностях климата региона строительства. Она имеет довольно глубокие корни зарождения, огромное количество уникальных образцов, богатый спектр подходов в зависимости от природных условий, но обладает (и всегда обладала) целью создания комфортного микроклимата жилища (объекта) с минимальным использованием энергии. Яркими примерами биоклиматической архитектуры современности являются: «Городские ворота Дюссельдорфа», многоэтажное жилое здание с низким энергопотреблением в Берлине (Assmann, Solomon, Scheidt), здание Helikon Building в Лондоне (Sheppard Robson) (рис. 5).
Рис. 5. А) Городские ворота Дюссельдорфа [14]; Б) многоэтажное жилое здание с низким энергопотреблением
в Берлине, архитекторы Assmann, Solomon и Scheidt [15]; В) здание китайско-итальянского научно-исследовательского центра энергоэффективности на территории Университета Цинхуа в Пекине, Китай [16, 17]
На сегодняшний день разработка обозначенных инженерных и конструктивных систем, позволяющих создавать здания с системой самообеспечения, является одним из актуальных вопросов в теории и практике архитектуры. К настоящему моменту уже разработано множество систем автономного энергообеспечения: генераторы волн, генераторы глубинных подводных течений, генераторы на солнечных батареях, генераторы энергии ветра, генераторы тепловой энергии Земли, устройства переработки отходов с выработкой энергии и т.д. (рис. 6).
Рис. 6. А) генератор энергии воды (волн) [18]; Б) интегрированные в черепицу солнечные батареи,
Techtile [19]; В) генераторы энергии глубинных подводных течений [20]; Г) генераторы энергии ветра [21]
Такие разработки почти всегда сочетаются с бионическим формообразованием как оболочки, так и конструкции сооружения, что направлено на обеспечение абсолютной гармонизации с окружающей средой. Архитектурная бионика также продолжает развиваться как отдельный метод. При этом отсутствует устоявшаяся методика применения выше указанных способов в различных сочетаниях в процессе проектирования экологических зданий. За относительно короткий срок накоплен огромный эмпирический материал, требующий систематизации, упорядочивания, выстраивания в некий алгоритм, что и позволит, в конечном счете, приблизится к созданию инновационной методики проектирования – бионической архитектуре.
Бионическая архитектура – не просто внешняя, причудливая форма грациозных кривых, отсылающих зрителей к пейзажам живой природы. Это целый комплекс инновационных разработок организации жизненного пространства человека, основанный на методах автономного энергообеспечения, применении природных технологий, технологий очистки окружающей среды и переработки вторичного сырья, использование экологически-чистых строительных материалов и бионических конструкций. Бионическая архитектура объединила точную науку с чувственным искусством, абстрактное и рациональное, природу естественного мира и мира человека, синтезировал законы строгого с доводами эстетичного. Примеры проектных разработок таких объектов уже существуют (рис. 7).
Рис. 7. А) Масдар, проект будущего эко-города в Абу-Даби [22]; Б) водоскреб [23];
В) проект озеленения Парижа [24]; Г) Плавучее поселение Франция [25]
Стоит отметить, что в области разработки технических устройств и строительных конструкций также произошли изменения, связанные с решением вопроса их применения в биоморфных объектах. Рассмотрим несколько примеров.
Жидкие солнечные нанобатареи можно смело считать важным достижением в решении вопроса сочетания бионического формообразования и экотехнологий (рис.8, А). Они могут покрывать весь открытый солнцу фасад здания любой конфигурации благодаря своей пластичности, что позволит получить максимальное количество энергии. Однако исследования в этой области еще не окончены [5].
Рис. 8 А) Жидкие солнечные нанобатареи [26]; Б) Солнечные воздушные шары [27]
Интересной альтернативой для уже примелькавшихся солнечных батарей стала разработка Р. Ламкина «Солнечные воздушные шары», представляющая довольно простое и недорогое устройство (рис. 8, Б). Такое оборудование способно увеличить генерацию электроэнергии в 400 раз больше чем традиционные солнечные панели [6].
Помимо решения проблемы сбережения ресурсов в виде источников энергии, ученые сосредоточили свои силы на разработке новых конструктивных систем, обладающих большей прочностью и способных перекрывать большие площади, но при этом при возведении которых происходило бы значительное снижение расхода материалов. Источником вдохновения вновь стала природа (рис. 9).
Технологические разработки на основе биологических конструкций (паутина, соты, муравейник) активно используются в наше время. К примеру, применение стальной паутины в гипербалоидах Шухова, применение конструкции сот в проекте жилого дома на Багамах, проект биоклиматического небоскреба для Рио-де-Жанейро (Термитник) демонстрирует применение такой конструкции как муравейник. Эти примеры обладают уникальными механическими свойствами: их легкость граничит с невероятными прочностными качествами [7, с 87].
Рис. 9. А) муравейник [28]; Б) гиперболоид Шухова [29]; В) висячее сетчатое покрытие Шухова
(овальное здание) [30]; Г) жилой дом на Багамах [31]
Заключение. На рубеже XX–XXI вв. можно наблюдать активный синтез разрозненных методов экологического подхода в области повышения комфорта и экологичности городской среды. Данный междисциплинарный диалог можно рассматривать как предвестник рождения нового глобального архитектурного стиля, формирование которого уже началось. Это можно наблюдать при анализе создаваемых проектных решений объектов различного функционального назначения, объединенных общей идеологической линией. Подобно футуристическим проектам прошлых лет они опираются на новейшие инженерно-технические разработки, а также можно проследить связь с предыдущими находками в этой области. Так, к примеру, в проекте эко-города Масдар отчетливо просматривается сетчатое покрытие овального здания инженера Шухова, а в плавучем поселении Франция использовано давно известное нам оболочковое покрытие со стальной мембраной и вантовым хребтом применяемое на велотреках и стадионах, например, в Крылатовске. Используя новые разработки в области энергосбережения и аккумуляции природных ресурсов с уже известными нам приемами бионического формообразования можно создавать здания нового уровня, обеспечивающего человечеству возможность не только пережить экологические катастрофы, но и избежать их.
1. Морелли Э.Г. Кодекс природы или Истинный дух ее законов / перевод с французского М.Е. Ландау. М.-Л.: изд-во Академии наук СССР, 1956. 304 с.
2. Уморина Ж.Э. Бионическая архитектура как уникальное явление ХХ-XXI вв. Приволжский научный журнал. Декабрь 2017. №4. С.36-43.
3. Витюк Е.Ю. В поисках идеального го-рода. Екатеринбург: Архитектон, 2015. 156 с.
4. Здоровый дом: пространство, которое способствует здоровью и благополучию [Электронный источник]. Эконет.ру. URL: http://econet.ru/articles/142191-zdorovyy-dom-prostranstvo-kotoroe-sposobstvuet-zdorovyu-i-blagopoluchiyu
5. Ученые разработали жидкие солнечные батареи [Электронный источник] // Word Science. URL: http://wordscience.org/
6. Солнечные воздушные шары генерируют в 400 раз больше энергии, чем традиционные панели [Электронный источник] // Робовид.ру. URL: http://rodovid.me/solar_power/solnechnye-vozdushnye-shary.html
7. Виноградова Т.П., Авдеев С.Н. Код Шухова Нижний Новгород: Покровка. 7. 2013. 144 с.
8. Энергоэффективное здание «Commerzbank», Франкфурт-на-Майне, Германия [источник: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2856]
9. Проект семейного дома ZEB Pilot House, Норвегия (разработчики: бюро Снехетта) [Электронный источник] - URL: http://shkolaremonta.info/topics/samye-energoeffektivnye-doma-v-mire/
10. «Умный дом» Била Гейтса в Вашингтоне [Электронный источник] URL: http://compuzilla.ru/umnye-doma/
11. Гуанчжоу, «Башня жемчужной реки» [Электронный источник] URL: http://ecofriendly.ru/bashnya-zhemchuzhnaya-reka-nulevoi-neboskreb-v-kitae
12. Дома-полленницы (технология - cordwoodmasonry или earthwood): А) офис студии звукозаписи Ханса Либерга (Hans Liberg) [Электронный источник] - URL: http://tehne.com/event/koncepty/ofis-polennica
13. Дома Джека Хенстрайджа (Henstridge House) [Электронный источник] URL: http://www.mensh.ru/henstridge_house
14. Городские ворота Дюссельдорфа [Электронный источник]. URL: http://img-fotki.yandex.ru/get/3406/264922533.1/0_135a5c_41ce8199_XL.jpg
15. Многоэтажное жилое здание с низким энергопотреблением в Берлине, архитекторы Assmann, Solomon и Scheidt [Электронный источник] - URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3189
16. Здание китайско-итальянского научно-исследовательского центра энергоэффективности на территории Университета Цинхуа в Пекине, Китай [Электронный источник]. URL: https://hvoya.wordpress.com/2013/06/17/sieeb/
17. Здание китайско-итальянского научно-исследовательского центра энергоэффективности на территории Университета Цинхуа в Пекине, Китай [Электронный источник]. URL: https://hvoya.wordpress.com/2013/06/17/sieeb/
18. Генератор энергии воды (волн) [Электронный источник]. URL: https://www.theengineer.co.uk/issues/sept-2012-online/engineering-opportunities-in-the-marine-renewables-sector/
19. Интегрированные в черепицу солнечные батареи, Techtile [Электронный источник]. URL: http://rodovid.me/eco_friendly_product_design/techtile-cherepica-kotoraya-mozhet-generirovat-energiyu-iz-vozobnovlyaemyh-istochnikov.html
20. Генераторы энергии глубинных подводных течений [Электронный источник]. URL: http://futuristicnews.com/underwater-turbine-tested-successfully-in-scotland/
21. Генераторы энергии ветра [Электронный источник]. URL: http://www.mnn.com/green-tech/research-innovations/blogs/japanese-breakthrough-will-make-wind-power-cheaper-than
22. Масдар, проект будущего эко-города в Абу-Даби ; [Электронный источник]. URL: https://you-journal.ru/life/interesting/10-gorodov-budushhego-kotorye-budut-postroeny-v-blizhajshie-15-let
23. Водоскреб; [Электронный источник] - URL: http://animalworld.com.ua/news/Water-Scraper
24. Проект озеленения Парижа [Электронный источник]. URL: http://prohitech.ru/futuristicheskij-parizh-smart-city-so-svoej-novoj-kontseptsiej-umnogo-goroda-2050
25. Плавучее поселение Франция [Электронный источник]. URL: https://you-journal.ru/life/interesting/10-gorodov-budushhego-kotorye-budut-postroeny-v-blizhajshie-15-let
26. Жидкие солнечные нанобатареи [Электронный источник]. URL: http://www.sheltonproductions.com/doublet2/images/solar/grids/curved%20roof%20grid.jpg
27. Солнечные воздушные шары [Электронный источник]. URL: http://rodovid.me/solar_power/solnechnye-vozdushnye-shary.html
28. Муравейник [Электронный источник] - URL: http://archinews.ru/termitnik-mnogofunktsionalnyiy-kompleks/
29. Гиперболоид Шухова [Электронный источник]. URL: http://russos.livejournal.com/1102231.html
30. Жилой дом на Багамах [Электронный источник]. URL: http://astid.ru/honeycomb/
