Роль купольных зданий в архитектуре будущего

Роль купольных зданий в архитектуре будущего

Д.А. Ким

Национальный исследовательский московский государственный

строительный университет НИУ МГСУ, Москва

Аннотация: Статья посвящена сравнительному анализу строительства и эксплуатации зданий традиционной формы и купольной формы. Даны данные на материальные затраты при строительстве зданий различных форм.

Ключевые слова: купольное здание, энергоэффективность, стратодезический купол, геодезический каркас, формы зданий.

На сегодняшний день довольно четко обрисовывается проблема экологической безопасности Земли. В России большая часть жилищного фонда находится в достаточно критическом состоянии. Требуются затраты на ремонт и обслуживание жилищного фонда [1], его коммуникаций. В этой связи приоритетным направлением в строительстве новых зданий и сооружений приобретают купольные дома.

История развития человеческого общества показывает, что на протяжении длительного периода времени человечество использовало купольную систему в устройстве своих жилищ. Ярким примером могут послужить традиционные жилища народов севера - иглу, вигвамы североамериканских индейцев, шатры африканских племен, юрты кочевников. Также многие религиозные конфессии использовали и продолжают использовать купола в качестве элементов или основы для храмов и соборов [2].

В современном мире технология купольного строения жилых зданий берет свое начало с первой половины ХХ века, когда американский инженер Ричард Фуллер запатентовал данную технологию строительства, способную обеспечить послевоенную Европу доступным и надежным жильем. К сожалению, в то время она не получила широкого распространения, но через несколько десятилетий к ней обратились вновь [3].

Первоочередной интерес к домам купольной формы возникает, безусловно, за счет необычной и непривычной формы таких зданий. Но проводя сравнительный анализ таких домов со зданиями стандартной (кубической) формы можно отметить значительное количество положительных моментов. В основе купольного домостроения лежит отсутствие потолков и несущих опор. Это дает порядка 30 % экономии на материалах стен и перекрытий. Купольные конструкции достаточно легкие по сравнению со зданиями традиционной формы, но при этом и достаточно надежные и устойчивые. Для зданий такого типа не нужен мощный фундамент, в качестве основания используются ленточные или свайные фундаменты [4-7].

Самым первым методом реализации купольных построек стала технология, основанная на каркасе в виде триангулярной полусферы -геодезического каркаса. В качестве конструктивных элементов используются треугольные блоки, которые с увеличением высоты все больше наклоняются к центру купола. При соединении данных конструктивных элементов образуется каркас, толщиной до сорока сантиметров. Снаружи дом может быть отделан различными материалами с главным требованием -водостойкостью (влагостойкостью) [8, 9]. С развитием строительных технологий вся большее значения в строительстве купольных сооружений приобретает и стратодезический купол. Нижняя опора которого воспринимает усилие распора, вследствие чего в нем возникает изгибающий и крутящий моменты. Нижняя опора в плане проектируется в виде окружности, эллипса или многогранника с жестким или с шарнирным соединением в узлах. Нижняя опора в виде кольца укладывается на фундаментные опоры и только закрепляется от горизонтального смещения [10-13]. Выполняется обычно из металлопроката или цельного

железобетона.

Таблица № 1

Сравнение материальных затрат на постройку домов разных типов

Критерии сравнения

Стандартный одноэтажный дом

Дом, построенный по купольной технологии

Пример решения зданий

Основные параметры здания

2

Общая площадь: 100 м Наименьшая из возможных длина периметра: 40 м Длина внутреннего периметра: 34,4 м

Общая площадь: 100,24 м Радиус внешней границы: 5,65 м

Радиус внутренней границы: 5,25 м

Длина внешней окружности: 35,48 м Длина внутренней окружности: 35,08 м

Данные о фундаменте

Площадь в горизонтальной

плоскости: 26,04 м Минимально допустимая

высота: 0,7 м Объем бетонной массы: 18,23 м3

Площадь в горизонтальной

плоскости: 13,69 м Минимально допустимая

высота: 0,4 м Объем бетонной массы: 5,48 м3

Данные о наружных

Толщина стен: 0,6 м Высота здания: 2,7 м

Толщина стен: 0,4 м Высота здания: 4,7 м

стенах 3 Объем массива стен: 59,62 м 3 Объем массива стен: 57,94 м

Декоративная отделка Площадь внешней поверхности стен: 108 м Площадь внутренней поверхности стен: 92,88 м Площадь внешней поверхности стен: 157,08 м Площадь внутренней поверхности стен: 132,95 м2

Кровельные работы Требуются Не требуются

Таблица № 2

Ориентировочная стоимость основных типов материалов, руб.

Назначение Для стандартного дома Для дома на геосфере Для дома на пневмокаркасе

Фундамент За м3: 2900 За м3: 2900 За м3: 2900

(только бетон) всего: 52 867 всего: 19 070 всего: 15 892

Шлакоблок + Кирпич Бетон Дерево + Минвата

Стены За м3: 3250 За м3: 2900 За м3: 2300

всего: 193 765 всего: 168 026 всего: 133 262

Кровля За м2: 2850 всего: 359 100 Не требуется Не требуется

Потолочное перекрытие За м2: 1100 всего: 110 000 Не требуется Не требуется

Фасадная За м2: 950 За м2: 1300 За м2: 500

отделка всего: 102 600 всего: 204 204 всего: 78 540

Итоговая стоимость 818 332 391 300 227 696

На основе произведенного сравнительного анализа стоит отметить явные положительные моменты от использования зданий купольной формы: меньшие материальные и трудовые затраты, большая устойчивость, явный рост энергосберегающих показателей, аэродинамичность, пространственная разнообразность, архитектурная привлекательность интерьера и экстерьера.

Литература

1. Барышев В., Трутаев В. Источник энергии - в ее экономии. Минск, 1997.С. 64-71.

2. Бродач М.М. Теплоэнергетическая оптимизация ориентации и размеров здания // Научные труды НИИ строительной физики. М., 1987. С. 97-101.

3. Волков А.А., Гиясов Б.И., Челышков П.Д., Седов А.В., Стригин Б.С. Оптимизация архитектуры и инженерного обеспечения современных зданий в целях повышения их энергоэффективности // Научно-технический вестник Поволжья №6, Казань, 2014. С.111-113.

4. Волков А.А. Иерархии представления энергетических систем // Вестник МГСУ. 2013. № 1. С. 190-193.

5. Гиясов Б.И. Влияние развития инфраструктуры городов на жилую среду.// Вестник МГСУ. 2012. №4, С. 17-21.

6. Гиясов Б.И., Цева А.В. Влияние энергоэффективности зданий на экологический баланс окружающей среды // Научное обозрение №4, М., 2015. № 4, С.174-178.

7. Губернский Ю.Д., Лицкевич В.К. Жилище для человека. М., 1991. С. 35-43.

8. Еремкин А.И., Королева Т.И. Тепловой режим зданий. М., 2000. С. 4750.

9. Савенок А.Ф., Е.И. Савенок. Основы экологии и рационального природопользования. Минск , 2004. С. 432.

10. Москаленко А.И. Многоквартирные жилые дома конца 19-начала 20 веков // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 1). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1102

11. Горгорова Ю.В. Проектирование гостиниц для природно-климатических условий гор и предгорий Юга России // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2087/.

12. Gihan L. K. Garas, Hala G. El Kady, Ayman H. El Alfy. Developing a new combined structural roofing system of domes and vaults supported by cementitious straw bricks // Journal of Engineering and Applied Sciences, 2010, №4 URL: arpnjournals.com/jeas/research_papers/rp_2010/jeas_0410_324.pdf.

13. Mohammadjavad Mahdavinejad, Negar Badri, Maryam Fakhari, Mahya Haqshenas. The Role of Domed Shape Roofs in Energy Loss at Night in Hot and Dry Climate (Case Study: Isfahan Historical Mosques Domes in Iran) // American Journal of Civil Engineering and Architecture, 2013, №6 URL: http://pubs.sciepub.com/ajcea/1/6/1/.

References

1. Baryshev V., Trutaev V. Istochnik jenergii - v ee jekonomii [The source of energy is saving]. Minsk, 1997. pp. 64-71

2. Brodach M.M. Nauchnye trudy NII stroitel'noj fiziki. 1987. pp. 97-101.

3. Volkov A.A., Gijasov B.I., Chelyshkov P.D., Sedov A.V., Strigin B.S. Nauchno-tehnicheskij vestnik Povolzh'ja №6, Kazan', 2014. pp.111-113.

4. Volkov A.A. Vestnik MGSU № 1. 2013. pp. 190-193.

5. Gijasov B.I. Vestnik MGSU №4. 2012. pp. 17-21.

6. Gijasov B.I., Ceva A.V. Nauchnoe obozrenie № 4. 2015. pp.174-178.

7. Gubernskij Ju.D., Lickevich V.K. Zhilishhe dlja cheloveka [The dwelling for the person]. M., 1991. pp.35-43.

8. Eremkin A.I., Koroleva T.I. Teplovoj rezhim zdanij [The thermal regime of buildings]. M., 2000. pp. 47-50.

9. Savenok A.F., E.I. Savenok. Osnovy jekologii i racional'nogo prirodopol'zovanija [Fundamentals of ecology and environmental management]. Minsk, 2004. p.432.

10. Moskalenko A.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 (part 1). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1102

11. Gorgorova Ju.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2087/.

12. Gihan L. K. Garas, Hala G. El Kady, Ayman H. El Alfy. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2010, №4 URL: arpnjournals.com/jeas/research_papers/rp_2010/jeas_0410_324.pdf.

13. Mohammadjavad Mahdavinejad, Negar Badri, Maryam Fakhari, Mahya Haqshenas. American Journal of Civil Engineering and Architecture, 2013, №6 URL: pubs.sciepub.com/ajcea/1/6/1/.