Архитектурные, технические и дизайнерские особенности проектирования жилых и общественных зданий в условиях Крайнего Севера

УДК 721

АРХИТЕКТУРНЫЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ И ДИЗАЙНЕРСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Н.С. Калинина1,2,3, Н.В. Морозов1

Московский архитектурный институт (государственная академия), Москва, Россия; Государственный университет по землеустройству, Москва; 3Российский Университет Дружбы Народов, Москва

Аннотация.

В статье подчеркивается актуальность исследования и выясняется проблематика проектирования в условиях Крайнего Севера. Рассматриваются особенности архитектуры для сурового климата, типология зданий для северных районов, дизайн и деталировка элементов. Характеризуются новые методы строительства, их влияние на архитектуру, внедрение новейших материалов и технологий. Выявляются принципы проектирования наиболее практичных форм, комфортной среды и эффективных объемов с оптимальными пространствами. Обсуждаются возможности симбиоза местных традиций и современных технологий.

Ключевые слова:

архитектура, экстремальные условия, инфраструктура, проектирование в условиях Крайнего Севера, мобильность, модульность объектов, суровый климат, вечномерзлый грунт. История статьи:

Дата поступления в редакцию 11.10.19 Дата принятия к печати 13.10.19

Архитектура зданий и сооружений на Крайнем Севере занимает важное место в мировом и российском градостроительстве, поскольку имеет свою проблематику и серьезные особенности.

На территории Российской Федерации вблизи полярного круга и в условиях вечной мерзлоты расположено большое число городов и поселений. Мурманск, Архангельск, Воркута, Норильск, Тикси, Анадырь и более 50 поселений вокруг Северного морского пути создали российскую историю строительства в суровом климате и значительно обогатили мировой опыт градоустройства в экстремальных условиях. В настоящее время активно продолжается развитие северных территорий, поскольку большая часть открытых и прогнозируемых мест залегания полезных ископаемых располагается как раз в условиях Крайнего Севера. Растет количество научных станций для исследований, проводимых учеными за Полярным кругом и в условиях вечной мерзлоты. На этих территориях существует потребность в формировании развитой инфраструктуры. Чтобы осваивать огромный ресурс природных богатств и потенциал Крайнего Севера необходимо капитально развивать территориально-производственный комплекс, что влечет за собой увеличение числа временных и постоянных поселений.Рабочие станции, вахтовые поселки, сеть железных дорог, новые аэродромы, вертолетные площадки, взлетные полосы — это объекты для роста инфраструктуры, что влечет и строительный бум, и необходимость возведения все большего количества временного и постоянного жилья и общественных зданий. Арктика — стратегически важный для Российской Федерации регион, и отношение к проживанию и временному пребыванию на Крайнем Севере постепенно меняется [1].

Районы Заполярья и вечной мерзлоты должны восприниматься не как места для временного нахождения и вахтовой работы, но и как регионы, где можно обеспечить комфортное пребывание и высокое качество жизни круглый год. Главную роль в этом играют именно архитектура, строительство и дизайн среды [2].

Программы развития арктических территорий предполагают в будущем включение в них все большего числа отраслей науки, внедрение новых технологий градостроительства и освоение новых территорий в связи с изменениями распределения природных месторождений полезных ископаемых. Предстоит новая разработка стратегии развития Крайнего Севера и как следствие, проектирование новых городов и поселений, а также рост существующих, возникновение новых вахтовых поселков и расширение действующих.

Строительство в условиях Крайнего Севера — всегда вызов для архитектора-проектировщика и всегда очень интересная задача. Построить на вечной мерзлоте поселок для вахтовых рабочих или для экспедиций исследователей, создать в нем атмосферу для комфортной жизни — вот исключительная по сложности тема, за которую возьмется далеко не каждое архитектурное бюро. По трудности и многозадачности замысла проектирование приближается к планам строительства будущих колоний на Луне и Марсе, к которым человечество, несомненно, подойдет вплотную еще в текущем столетии. Экстремально низкие температуры в течение практически всего года, резкий перепад освещенности (полярная ночь, полярный день), промерзшая до глубины почва, магнитные бури, ветры, метели и туманы — вот только небольшой перечень усложняющих проектирование факторов, с которыми приходится столкнуться проектировщику. Архитектуру также необходимо гармонично сочетать с окружающим ландшафтом, который одновременно и суров, и удивительно прекрасен, что может послужить для художника источником неиссякаемого вдохновения. Кроме того, разные районы Крайнего Севера значительно отличаются по климатическим условиям: на побережье очень влажно, а во внутренних территориях крайне сухой климат, поэтому однотипных проектов для городов за полярным кругом быть не должно.

Для правильной эксплуатации здания совсем недостаточно заданных размеров, хорошей архитектуры, интересного дизайна и качественных материалов. Очень важны физические особенности, в которых существует здание — температура и влажность окружающей среды, освещенность солнцем, уровень шума, общее состояние экологии. Крайний Север диктует в данном случае собственные, крайне жесткие условия эксплуатации, и чтобы сделать длительное пребывание внутри здания комфортным для человека и обеспечить долговечность самого сооружения, следует учитывать все особенности климата.

Как показывает практика, наиболее подходящими для строительства на вечной мерзлоте являются купольные конструкции — их обтекаемая форма легче выдерживает порывы ветра, сейсмическую нагрузку, в таких зданиях легче проходит циркуляция воздуха, сохраняется тепло и необходимый уровень влажности. Соответственно, в архитектурных и дизайнерских решениях, опираясь на подобную форму дома, нужно учитывать все его особенности — меньшую площадь стен и высоту потолков, более компактное пространство. Традиционный для Крайнего Севера дом — одноуровневый и малоразмерный, с единым пространством внутри дома, позволяющим оптимизировать расходы на отопление, с минимальным количеством дверей.

Следующими важнымихарактеристиками архитектурных сооружений на Крайнем Севере является мобильность и модульностьобъектов, так как возведение зданий в условиях вечной мерзлоты является довольно сложным процессом. Следовательно, строительство каких-либо объектов в таких условиях должно сопровождаться применением современных технологий. Одним из решений такой проблемы являются мобильные дома, которые могут передвигаться с помощью различных механизмов, зачастую заложенных в основание объема (рис. 1).

Ш

ОС О I-

и ш

I-м

X

и

ОС <

I

^ :

X (К

X 5

Я

• 8 л а I 2

и а Е =

а? <2

О <и го *о О о

а О 2

и О

(и

¡е и

1 м

55

ч <и

. ¡е и и

Рис. 1. Варианты передвижных механизмов.

Модульность объектов строительства является наиболее подходящей технологией для возведения домов и сооружений на Севере. Главное её преимущество — строительство в кратчайшие сроки. Также к достоинствам модульных зданий можно отнести минимальную материало- и трудоемкость, повышенную безопасность зданий, экологичность и долговечность сооружений. [3].

Сборно-разборные дома гарантируют высокую скорость монтажа и кратковременное пребывание строительной бригады на площадке, что крайне важно в экстремальных погодных условиях. Все сложные технологические процессы переносятся с места строительства в цех по изготовлению подобных строительных конструкций, что одновременно и упрощает, и ускоряет процессстроитель-ства [4].

Технологические особенности проектирования влекут за собой тщательный отбор используемых строительных материалов. Большинство из традиционных материалов и технологий недостаточно функционируютв подобных погодных условиях и не применимы в вечной мерзлоте, поэтому для облицовки зданий следует применять многослойные отделочные материалы, например — сэндвич-панели.

Сэндвич-панели представляют собой трехслойные панели, состоящие из минераловатного утеплителя на основе базальтового волокна и профилированных листов из тонколистовой оцинкованной, стали с дополнительным защитно-декоративным полимерным покрытием. Современные технологии производ-

ства позволили наделить новый строительный материал уникальными эксплуатационными свойствами: повышенной огнестойкостью и влагостойкостью, отличными характеристиками звукопоглощения, низкой теплопроводностью и превосходной прочностью конструкции.

К теплоизоляционным материалам также предъявляются особые требования — они должны обладать максимально низкой плотностью и теплопроводностью. Однако еще более важной частью строительных проектов являются не столько сами конструкции, тепло- и гидроизоляционные материалы, сколько «умные» системы для аккумулирования тепла из воздуховытяжной системы. Регенерация тепла позволяет существенно снизить теплопотери здания и соответственно затраты на его отопление [5].

Дополнительное внимание необходимо уделить окнам — ведь утечка тепла через них, несмотря на значительно меньшую площадь, может равняться теплопотерям через стены. Чтобы избежать этого, рекомендуется использовать окна с пятью камерами профиля и стеклопакетами, заполненными газом аргон. С точки зрения расчета теплопотерь окна в зданиях на Крайнем Севере лучше использовать горизонтально ориентированные, и непременно с рольставнями, закрывающими окна во время полярных ночей.

Для комфортного нахождения в течение длительного времени внутри зданий следует учитывать фактор правильной циркуляции воздуха и поддержания необходимого уровня влажности. Если не обеспечить воздухообмен, то в атмосфере внутри здания понизится содержание кислорода, увеличится присутствие вредоносных микроорганизмов. С другой стороны, естественная вентиляция в условиях Крайнего Севера невозможна, отсюда и возникает потребность в проектировании систем так называемой рекуперации — принудительной вентиляции, но с обязательным использованием тепла от выбрасываемого наружу воздуха. И нив коем случае нельзя забывать об искусственном увлажнении воздуха, поскольку стандартная влажность внутри зданий на Крайнем Севере — 20-25%, что значительно ниже необходимой нормы.

Проектируя здания на Крайнем Севере, архитектор обязательно должен помнить о факторе полярной ночи и об огромном недостатке солнечного света, который испытывают жители районов за полярным кругом в течение нескольких месяцев подряд. С другой стороны, следом наступает полярный день, когда необходимо искусственное затемнение помещений для комфортного сна. Аккумулирование солнечного света и солнечной энергии, грамотная ориентация зданий по сторонам света, тщательно спланированная система освещения с достижением необходимого баланса между искусственным и естественным светом — все эти вопросы входят в разработку светового сценария, к которой в условиях Крайнего Севера требуются иные подходы с учетом всех особенностей [6].

В строительных проектах на Крайнем Севере первостепенное значение имеет планировка целых кварталов и групп зданий, она намного важнее планировки внутри зданий, поскольку позволяет организовать аэродинамическое планирование так, чтобы бороться со скоростью ветра и регулировать снежные заносы. Логично использовать обтекаемые формы зданий для гарантированной защиты от ветра, а также планировать утепленные галереи-переходы между зданиями, связывая весь квартал в единую цепочку.Входные группы проектируют с двумя тамбурами, активно используют тепловые завесы. Наиболее подходящий вариант кровли — плоская или односкатная. Важно отметить, что правильное архитектурное решение помогает реально «смягчить» суровый климат. Грамотно расположив здания относительно друг друга и существующей розы ветров, можно значительно погаситьскорость ветра. А снижение скорости ветра на 1 метр в секунду при минусовых температурах равнозначно повышению температуры воздуха на 2 градуса по Цельсию.

Существует и второй способ, более затратный, но еще более повышающий комфорт и качество жизни — создание так называемых «закрытых» блоков зданий, ячеек и даже целых кварталов под

Ш

ОС О I-

и ш

I-м

X

и

ОС <

I

^ :

X к

X 5

«¡5

• 8 л а

X 2

и а Е =

а? <2

8 : О ф го *о О о

а О 2

и О

(и

¡е и

1 м

Ч Ф

. ¡е

и и

X ?

общим прозрачным куполом, со своим микроклиматом внутри. Работы норвежских и канадских архитекторов с успехом демонстрируют распространение таких «домов будущего», где можно круглый год выращивать растения прямо перед домом, например, проект NatureHouse — это трехэтажный частный жилой дом, вокруг которого возведен стеклянный геокупол диаметром 15 метров, построенный на севере Норвегии, на острове Сандхорноя [7].

Технологически большинство проблем и особенностей архитектурного проектирования связаны с наличием вечной мерзлоты. Подобный грунт крайне нестабилен, не дает возможности размещения глубоких свай и параллельно требует наружной прокладки всех коммуникаций, их размещения на опорах или эстакадах.Существует два способа сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии, это — строительство здания с открытым подпольем или здания с охлаждающими тру-бами.Также существуют несколько основных типов фундаментов зданий, возводимых на вечно-мерзлых грунтах: свайные; полносборная стойка с башмаком; стояка с башмаком стаканного типа; столбчатый из бетонных блоков.

Теплоизоляции трубопроводов и других коммуникаций следует уделять особое внимание, а также предусматривать системы резервного теплоснабжения и подачи горячей воды на случай возможных аварий. Современные технологии позволяют использовать полимерные материалы, не боящиеся замерзания. Однако основной «подводный камень» строительства на вечной мерзлоте заключается не в промерзании, а в периодическом оттаивании грунта, что ведет к потере устойчивости любых строительных конструкций. Если на промерзшем грунте построить здание и начать его отапливать, грунт также будет частично оттаивать. Поэтому есть два основных метода строительства: поддержание температуры грунта на уровне постоянного замерзания, то есть его искусственное охлаждение, или использование конструкций для нестабильного грунта в оттаявшем состоянии. Первый метод предполагает наличие холодного первого этажа, морозильные камеры в полу и полная теплоизоляция фундамента. Второй метод требует искусственного оттаивания грунта и его возможную замену — льдистого грунта на песчаный или каменистый.

Внешний облик зданий и дизайн на Крайнем Севере также имеют свои особенности. Фасады не должны иметь выступов, ниш, сложных форм, которые могли бы задерживать снег и способствовать обледенению. Первостепенное значение для дизайнера в условиях периодической тотальной нехватки солнечного света и ярких красок природы имеет цветовая гамма. В дизайне экстерьера и интерьера зданий рекомендовано использовать цвета, которые редко можно встретить в естественных условиях — желтый, оранжевый, зеленый. Зеленый компенсирует очевидный недостаток естественной зелени и благоприятно влияет на зрение. Оранжевые оттенки насыщают положительной энергией, а желтый цвет давно признан психологами цветом радости и хорошего настроения. Простые формы и яркие краски — вот что в первую очередь рекомендуется использовать дизайнерам в зданиях, построенных на Крайнем Севере, такой стиль можно назвать «цветным минимализмом». Для сохранения традиций и преемственности поколений можно черпать вдохновение из этнических мотивов коренных народов Севера — орнаментов, примитивных форм, фигурок животных. Кроме того, оттенки теплого спектра несколько компенсируют недостаток тепла и преобладание тусклых холодных тонов в окружающей природе.

Архитектору, при проектировании зданий на Крайнем Севере, имеет смысл всесторонне опираться на местные традиции и одновременно задействовать все достижения новейших технологий. Только такой симбиоз даст требуемый результат. Основу для архитектурного творчества могут дать типичные постройки коренных народностей Крайнего Севера — яранга, иглу, чум. Их внешняя форма, эргономика, обустройство внутреннего пространства наталкивают архитектора на множество интересных идей и служат источником для разумного вдохновения [8]. Одновременно необходимо в полной мере изучить опыт зарубежного строительства с точки зрения энергоэффективности, использовать все аспекты «умного дома», применимые в подобных условиях (рис. 2).

Рис.2. Примеры строительства полярных станций и баз

В заключении можно сказать, что какое-либо вмешательство человека в уязвимую и специфическую природу Крайнего Севера должно быть очень тщательно продумано и выполняться после серьезного предварительного исследования. Возведение жилых и общественных зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты должно производиться с использованием современных технологий: от закладки «самоохлаждающегося» фундамента до утепления зданий инновационными материалами. Строительство городов на Крайнем Севере является ключом к освоению земли Арктики.

Ш

ОС О I-

и ш

I-м

X

и

ОС <

5 :

х к

X 5

« I

н (О

4 ш

о

л а

X X

&8

ф а

£ =

< о

О ф

т ю

О о

а О 2

со

ф

X ф

х я

5 п

Ч Ф

. *

и о ^ ?

ЛИТЕРАТУРА:

1. Пюрвеев Д., Майдар Д. От кочевой до мобильной архитектуры. — М., Стройиздат, 1980.

2. Сапрыкина Н.А. Мобильное жилище для Севера. — Л.: Стройиздат, 1986.

3. Иоффе М.А., Глотов Д.А., Сафронов В.В., Кулчаев Т.Э., Хачатрян А.З., Кушнёров С.В. Особенности строительства жилых зданий в условиях Севера / Научное сообщество студентов: Междисциплинарные исследования. — Н.: Си-бак, 2016.

4. Тиманцева Н.Л. Принципы моделирования жилой среды в экстремальных условиях обитания: автореф. дис. канд. архитектуры. — М., 2010.

5. Сапрыкина Н.С. Малоэтажное индустриальное жилище для районов пионерного освоения Севера — особенности архитектурного формообразования: дис. канд. архитектуры. — Л.: ЛИСИ, 1987.

6. Сапрыкина Н.А. Основы динамического формообразования в архитектуре: учебник для вузов / Н. А. Сапрыкина. — М.: Архитектура — С, 2005.

7. Швецова И.В. Типологические принципы формирования системы мобильного жилища для районов нового промышленного освоения Сибири: автореф. дис. канд. архитектуры. — М., 1982.

8. Фаорова Л.Г. Некоторые вопросы прогнозирования мобильной жилой ячейки будущего. В кн.: Теория и практика планировки и застройки северных городов. / Сб. научных трудов ЛенЗНИИЭП. — Л., 1982.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Н.С. Калинина, Н.В. Морозов. Архитектурные, технические и дизайнерские особенности проектирования жилых и общественных зданий в условиях Крайнего Севера. — Системные технологии. — 2019. — № 32. — С. 40—46.

ARCHITECTURAL, TECHNICAL AND DESIGNER PECULIARITIES OF ENGINEERING OF RESIDENTIAL AND PUBLIC BUILDINGS IN CONDITIONS OF THE FAR NORTH

N.S. Kalinina, N.V. Morozov

Moscow Architectural Institute (State Academy), Moscow; State University of Land Management, Moscow; Russian University of Friendship of Peoples, Moscow

Abstract

The article emphasizes the relevance of the study and clarifies the design issues in the Far North. Features of architecture for severe climate, typology of buildings for the northern regions, design and detailing of elements are considered. Characterized by new methods of construction, their impact on architecture, the introduction of the latest materials and technologies. The principles of designing the most practical forms, comfortable environment and effective volumes with optimal spaces are revealed. The possibilities of symbiosis of local traditions and modern technologies are discussed.

Key words:

architecture, extreme conditions, infrastructure, engineering in the conditions of the Far North, mobility, modularity of objects, severe climate, permafrost soil. Date of receipt in edition: 11.10.19 Date of acceptance for printing: 13.10.19