ТЕХНОГЕННОУСТОЙЧИВОЕ БИОСФЕРНОЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗДАНИЕ
TECHNOGENIC-RESISTANT BIOSPHERE MULTIFUNCTIONAL BUILDING

Изобретение относится к купольным зданиям общественного, жилого или производственного или комбинированного назначения.
Широко известны перекрытые куполами юрты, аквапарки, складские сооружения, перекрытые жестким или эластичным куполом, образующим защищенное от атмосферы внутреннее пространство [1, листы 4 и 5 на стр.280, 281], в котором размещается, например, производственное оборудование и даже отдельные здания.
Известны также купольные обычно многофункциональные здания, с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки, образующей в своей центральной части внутренний двор с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки [1, рис. на стр.155]. Такого типа постройки, например, используются как гостиничные или туристические комплексы, позволяя минимизировать затраты тепла на отопление, организуя в перекрытом дворе зоны отдыха для населения. Постройки такого типа актуальны как в холодном, так и жарком климате, поскольку могут обеспечить комфортную среду обитания.
Увеличение энергопотребления современных зданий, удорожание энергии, повышение требований к экологичности и устойчивости зданий к различным видам климатических, геоэкологических и техногенных и др. катастроф требует создания таких конструкций, которые бы при повышенных строительных объемах обеспечивали энергетическую независимость и автономность их «жизнедеятельности» в указанных выше ситуациях. Решение этой задачи возможно за счет встроенной системы энергообеспечения.
В связи с ростом интенсивности техногенных и климатических факторов актуально существенное повышение надежности таких зданий и систем их жизнеобеспечения, например, их сейсмической устойчивости, сопротивляемости к внешним ударным нагрузкам и пр.
Решению этой задачи и посвящено предложенное техническое решение техногенноустойчивого многофункционального здания, преимущественно с автономной системой жизнеобеспечения и купольным перекрытием внутреннего двора периферийного замкнутого строения, подкупольный внутренний двор которого и система энэргожизнеобеспечения сообщены с атмосферой через центральный верхний канал в куполе, подключенный к вытяжному каналу ветроустановки крышного типа, см. патент РФ 2233387, 2004 г. - прототип.
Недостаток прототипа заключается в том, что при техногенных и других катастрофах возможны интенсивные ударные воздействия на купол и здание в целом. Это может привести к разрушению купола, повреждению здания, выходу из строя системы жизнеобеспечения здания. Кроме того, существенно ограничиваются объемы здания при отсутствии внутренних опор купола. Однако только установка таких опор не может решить задачу устойчивости купола и всего здания в целом, например, при интенсивных сейсмических воздействиях, ураганных порывах ветра из-за неустойчивости (упругости) купола с указанными опорами к боковым (поперечным) воздействиям.
Целью данного изобретения является создание конструкции купольного здания с максимально возможной автономностью и экологичностью функционирования, системой жизнеобеспечения, позволяющей разместить максимальный объем подкупольных (освещаемых естественным освещением) зеленых насаждений во внутреннем пространстве (дворе) здания и создающих внутри здания естественную здоровую для человека среду обитания, требующую минимальной корректировки параметров среды обитания посредством инженерных систем, с одновременным обеспечением высокой устойчивости всего здания и внутренней среды обитания к внешним возмущениям, вызываемым техногенными катастрофами, землетрясениями, ураганами и т.п.
Дополнительной целью является создание наземной конструкции здания, позволяющей наиболее просто использовать внешние инженерные коммуникации как резервные, а также - с возможностью обеспечения жизнедеятельности здания при выходе из строя указанных внешних коммуникаций и при существенном загрязнении окружающей здание атмосферы (за счет создания особо благоприятных условий для решения экологических и энергетических задач, посредством уже существующих технологий альтернативного энергоснабжения, утилизации сточных вод и бытовых отходов, опреснения, а также технологий реэнергетики).
Поставленная задача согласно изобретению решается тем, что в биосферном многофункциональном здании с расположенной на фундаменте периферийно замкнутой по меньшей мере двухэтажной перекрытой куполом постройке с подкупольным внутренним двором, зелеными насаждениями и оранжереями и системой жизнеобеспечения, сообщенной с атмосферой по меньшей мере через верхний (подключенный к расположенной на куполе ветроустановке) канал в куполе:
- преимущественно в центральной части двора установлена по меньшей мере одна сообщенная с указанным каналом купола и снабженная воздушными, гидравлическими и теплообменными каналами системы жизнеобеспечения внутренняя опора купола, жестко связанная с куполом в его верхней части и по меньшей мере на двух уровнях по высоте двора с периферийно замкнутой постройкой посредством радиально ориентированных к внутренней опоре купола силовых перемычек, верхние из которых кинематически связаны с верхней частью силового пространственного контура постройки и с верхней частью внутренней опоры купола, а самые нижние - с нижней частью, например выполненного в фундаменте пространственного силового контура, образуя единый замкнутый воспринимающий различные виды напряжений (растяжения/сжатия, изгиба, сдвига, кручения) объемный силовой каркас всего здания;
- на внутренней опоре купола на разных уровнях выполнены окружающие ее площадки, кинематически связанные с силовыми контурами периферийной постройки радиально ориентированными, преимущественно горизонтальными, силовыми перемычками, выполненными в виде озелененных пешеходных переходов на этажи и крышу периферийной постройки, которая оборудована преимущественно в виде одно- или многоуровневой парковой зоны отдыха и/или оранжереи;
- силовые перемычки нижнего уровня выполнены в виде радиальных транспортно/пешеходных и технических тоннелей и инженерных коммуникаций, связанных с расположенным в нижней части внутренней опоры купола техническим помещением с инженерным оборудованием, выполненным с возможностью его управляемого подсоединения /отсоединения или подключения/отключения к окружающей здание внешней среде через каналы внутренней опоры, ветроустановку купола и через фундаментную часть технического помещения здания с внешними подземными коммуникациями канализации, водоснабжения, электроснабжения и т.д.;
- наружная стена периферийной постройки выполнена наклонной к трубной опоре купола преимущественно с плавным переходом в поверхность купола;
- внутреннее пространство здания между периферийно замкнутой постройкой, внутренней опорой купола и радиальными силовыми перемычками разделено на различные по функциональному назначению сектора и межэтажные пространства, объединенные как общими переходами, так и инженерными коммуникациями, замкнутыми на внутреннее пространство и инженерное оборудование внутренней опоры, причем по меньшей мере один сектор или межэтажное пространство выполнены с возможностью изолирования его от других помещений;
- внутренний двор здания выполнен многоуровневым по высоте внутренней опоры купола и периферийно замкнутой постройки;
- внутреннее пространство здания выполнено с возможностью дневного освещения, проходящего через купол, на всю глубину внутреннего двора здания, нижний уровень которого при необходимости выполняется на крыше одного из нижних этажей периферийно замкнутой постройки;
- зеленые насаждения внутреннего двора здания и соответствующие им водные бассейны расположены под выполненным прозрачным куполом и выполнены на разноуровневых по высоте крышах периферийно замкнутой постройки, радиальных перемычках, кольцевых площадках внутренней опоры купола и горизонтальных площадках двора, освещаемых непосредственно через купол;
- площадки внутренней опоры, радиальные переходы и крыша периферийно замкнутой постройки под куполом и двор снабжены системой автоматического полива зеленых насаждений здания и пожаротушения, а помещения двора и периферийно замкнутой постройки объединены через посредство каналов внутренней опоры купола в единую систему поддержания в помещениях здания и дворе заданного микроклимата;
- периферийно замкнутая постройка снабжена радиальными жестко связанными с фундаментом силовыми и несущими горизонтальные перекрытия пилонами, которые кинематически жестко связаны посредством перекрытий, образуя по вертикали общий для них силовой обод, соединенный на разных уровнях по высоте с внутренней опорой купола силовыми перемычками с образованием единого пространственного силового каркаса здания, причем пространство над фундаментом между пилонами снабжено входами, лифтами и въездами внутрь здания;
- здание выполнено с возможностью модульного исполнения из секций, имеющих в плане преимущественно вид полуокружности и прямоугольника, имеющих в местах стыковки единую конфигурацию между собой и общим для них инженерным модулем внутренней опоры купола;
- в подвальном этаже фундамента здания в зоне расположения внутренней опоры расположена система энергообеспечения здания с многоуровневым тепловым аккумулятором, системой экологически чистой утилизации сточных вод и бытового мусора, оборудованием поддержания микроклимата во дворе и помещениях здания, по теплу, воздуху, кондиционированию и электрической энергии, связанные с каналами внутренней опоры посредством инженерных коммуникаций, преимущественно расположенных в силовых радиальных перемычках, связывающих периферийное строение с внутренней опорой купола и через нее с атмосферным пространством, альтернативными источниками энергии (фотоэлектрический, ветровой, тепловой и др.) и подземными внешними коммуникациями;
- канал внешних коммуникаций по воде, теплоснабжению и канализации выполнен проходящим через подвальное или подподвальное пространство непосредственно под радиальными силовыми перемычками, выполненными в виде транспортных проходов;
- по меньшей мере наружная поверхность внутренней опоры купола снабжена источниками искусственного освещения, установленными преимущественно по всей высоте внутренней опоры купола с возможностью регулирования светового потока по времени суток, по высоте внутреннего двора, с возможностью освещения купола и подкупольного пространства, в том числе и по заданной программе в режиме светового шоу.
На фиг.1-4 даны примеры выполнения предложенного технического решения, а на фиг.5 - пример архитектурного решения многофункционального здания в виде гостиничного комплекса.
В предложенном биосферном многофункциональном здании на фундаменте 1 (см. фиг.1) расположена периферийно замкнутая по меньшей мере двухэтажная постройка 2, перекрытая куполом 3. В подкупольном пространстве выполнен внутренний двор 4 с зелеными насаждениями и оранжереями, сообщенными с атмосферой по меньшей мере через верхний канал 5 в куполе 3, подключенный к расположенной на куполе ветроустановке 6, по меньшей мере выполненной в виде только вытяжного устройства или в виде эпектроветростанции, имеющей рабочие полости с пониженным атмосферным давлением, см. патент РФ 2233387, 2004 г. Ветроустановку 6 также рационально выполнять в виде вихревой ветростанции с вертикальной осью вихревого потока, сообщенного с вытяжным каналом 5.
Система жизнеобеспечения здания может содержать различного вида известные альтернативные и традиционные энергоисточники, системы энергоаккумулирования, электрогенерирования, теплоснабжения, средства утилизации отходов, тепловые насосы, теплообменники и другое используемое в современных зданиях оборудование, образующее инженерный комплекс здания, который может сосредотачиваться как в центральной зоне двора 4 (что предпочтительно) или в периферийной части здания 2 или в близко располагаемой дополнительной пристройке.
Указанный инженерный комплекс с системой жизнеобеспечения здания сообщен по теплу, воздуху и отходящим газам с вытяжным каналом 5 посредством каналов внутренней опоры 7 купола 3. Внутренняя опора 7 купола 3 кинематически жестко связана с куполом 3 в его верхней части.
Устройства системы жизнеобеспечения предпочтительно концентрируются внутри здания вокруг опоры 7, а также в техническом преимущественно выполняемом в нижнем уровне опоры 7 - блоке 8, по воздуху сообщенном с вытяжным каналом 5 купола для исключения попадания во двор 4 отходов (запахов, газов, паров, пыли и т.п.) деятельности силовых установок и другого инженерного оборудования здания. Блок 8 непосредственно транспортным(и) 9 и/или инженерными каналами связан с внешней средой здания и внешними коммуникациями преимущественно через шлюзовую камеру 10, выполненную преимущественно с возможностью перекрытия указанных каналов.
По меньшей мере на двух уровнях по высоте двора 4 постройка 2 кинематически связана с внутренней опорой 7 купола посредством симметричных к ней и радиально ориентированных силовых перемычек 11. Причем, верхние перемычки 11 предпочтительно кинематически связаны с верхней частью силового контура 12 постройки 2 и верхней частью внутренней опоры 7, а самые нижние - с нижним силовым контуром, например, выполненным в фундаменте 1, образуя единый замкнутый воспринимающий различные виды напряжений (растяжения/сжатия, изгиба, сдвига, кручения) пространственный силовой каркас всего здания. Такое выполнение обеспечивает устойчивость внутренней опоры 7, купола 3, постройки 2 совместно с фундаментом 1, как конструктивно единого целого сооружения, способного противостоять интенсивным геологическим и атмосферным возмущениям и техногенным катастрофам.
Для расширения площади посадок зеленых насаждений, зон активного отдыха, прогулок, игр и т.д. проживающего населения на внутренней опоре 7 на разных уровнях выполнены окружающие ее площадки 13, кинематически связанные с силовым контуром 12 периферийной постройки 2 перемычками 11. Площадки 13 и перемычки 11 преимущественно выполнены горизонтальными для создания проходов от здания 2 к площадкам 13 опоры 7 и обеспечения противопожарной безопасности (за счет создания многочисленных путей эвакуации населения), а также преимущественно и осесимметричными для повышения конструктивной жесткости здания по всем направлениям. При необходимости все или часть силовых перемычек 11 выполнены многофункциональными, например, совмещенными с инженерными коммуникациями (вентиляционными каналами, трубопроводами, электрическими кабелями и т.п.) и озелененными вдоль и по площадям пешеходных переходов для образования объемного озеленения двора 4, достаточного для обеспечения естественного микроклимата и очистки воздуха внутри здания и дворе 4. Для упрочнения купола 3 на крыше 14 могут устанавливаться дополнительные стойки - опоры 15, связанные с силовым контуром 12.
Внутренняя поверхность здания 2, выходящая во двор 4 озелененными лоджиями 16, озелененные крыши 14 и озелененные переходы-перемычки 11 наиболее просто реализуют выполнение двора 4 в виде одно- или многоуровневой парковой зоны отдыха максимального возможного объема и эффективной площади с различными климатическими зонами, дополнительными оранжереями, водными бассейнами, что полностью соответствует концепции здания как биосферного поселения, обеспечивающего комфортные условия проживания в тяжелых внешних климатических условиях (как северных, так и южных).
При таком техническом решении искусственные системы увлажнения, озонирования, ионизации, очистки воздуха могут быть минимизированы по мощности и производительности, а недостатки в их работе будут компенсированы зелеными насаждениями.
Для обеспечения связи здания с окружающей средой силовые перемычки 11 нижнего уровня выполнены в виде радиальных транспортно/пешеходных и технических тоннелей 9 (в том числе с возможностью их связи посредством общего коллектора) и возможностью изолирования посредством шлюзовых камер 10. Тоннели 9 сообщены с техническим помещением - блоком 8 с возможностью его связи с инженерными коммуникациями и оборудованием периферийной постройки 2. Указанная связь выполнена позволяющей осуществлять как изоляцию этих тоннелей от жилых помещений и внутреннего пространства двора 4, так и связь внутреннего пространства здания с окружающей здание средой через каналы внутренней опоры 7, ветроустановку 6 и подземные коммуникации, например, посредством дополнительных шлюзовых камер, задвижек, клапанов, фильтров и другого защитного оборудования (на чертеже не показано).
Для снижения силового воздействия на здание, например, порывами ветра, наружная стена периферийной постройки 2 выполнена наклонной к внутренней трубной опоре 7 купола, преимущественно с плавным переходом в поверхность купола 3, что улучшает обтекание здания воздушным, дождевым потоком. Для повышения защищенности внутренних помещений здания и улучшения его теплоизоляции на наружной поверхности выполнены застекленные лоджии 17, выполняющие функцию, подобную шлюзовым камерам.
Внутреннее пространство здания между периферийно замкнутой постройкой 2, внутренней опорой 7 купола 3 и радиальными силовыми перемычками 9 может быть разделено на различные по функциональному назначению сектора и межэтажные пространства, объединенные как общими переходами, так и инженерными коммуникациями, замкнутыми на внутреннее пространство и инженерное оборудование технического блока 8 внутренней опоры 7, причем по меньшей мере один сектор или/и межэтажное пространство может быть выполнен с возможностью изолирования его от других помещений.
Внутренний двор 4 здания может быть выполнен многоуровневым (см. фиг.2) по высоте внутренней опоры 7 и периферийно замкнутой постройки 2, что позволяет существенно увеличить полезный объем здания, обеспечивая естественную (через купол 3, окна 18 верхнего силового контура 12, наружные окна 19 радиальных поэтажных перемычек 9) освещенность внутреннего пространства здания.
Предпочтительно внутреннее пространство здания выполнить с возможностью дневного освещения, проходящего через купол, на всю глубину внутреннего двора 4 здания, причем нижний уровень двора 4 может быть выполнен на перекрытии подвального помещения, см. фиг.1 слева от оси, или крыше одного из нижних этажей периферийно замкнутой постройки 2, см. фиг.1 справа от оси опоры 7. Возможно и разноуровневое расположение основания двора, см. фиг.1.
Предпочтительно зеленые насаждения внутреннего двора 4 здания и соответствующие им водные бассейны располагать под выполненным прозрачным куполом 3, выполнять их на разноуровневых по высоте крышах периферийно замкнутой постройки 2, радиальных перемычках 11 и кольцевых площадках 13 внутренней трубной опоры 7. Дополнительное освещение зеленых насаждений предпочтительно осуществлять светильниками, располагаемыми на внутренней опоре 7 и включаемыми, например, по датчикам освещенности в тех или иных секторах здания, например в зависимости от положения солнца по отношению к зданию в целом.
Для повышения эффективности действия зеленых насаждений, располагаемых по объему здания на площадках 13 внутренней трубной опоры 7, радиальных переходах 11, крышах 14 периферийно замкнутой постройки, могут использоваться современные системы автоматического программного полива садовых зеленых насаждений.
Естественно, что в здании предложенного типа наиболее просто через посредство каналов внутренней опоры 7 купола 3 реализуется и автоматизированная система поддержания в помещениях здания (включая двор 4) задаваемого микроклимата.
Для повышения прочности здания и стойкости к ударным и другим воздействиям периферийно замкнутая постройка может быть снабжена радиальными жестко связанными с фундаментом силовыми и несущими горизонтальные перекрытия 20 (см. фиг.1 и 3) пилонами 21, которые объединены общими для них силовыми ободами 12, соединенными с внутренней опорой 7 силовыми перемычками 11, в пространственный силовой каркас всего здания, причем пространство над фундаментом 1 между пилонами 21 снабжено входами, лифтами и въездами 9 внутрь здания.
Предложенное здание может быть выполнено с возможностью модульного исполнения из секций 22, 23, 24 (см. фиг.4), имеющих в плане преимущественно вид полуокружности 22 и прямоугольника 23, места стыковки которых имеют единую конфигурацию между собой и выполненной в виде единого модуля 24 внутренней опорой 7, снабженной средствами ее кинематической связи с силовыми перемычками 11, периферийной постройки и куполом 3, причем модуль внутренней опоры предпочтительно выполнять как единый для всего здания инженерный модуль, сообщенный с внешней средой по воздуху, воде, теплу, канализации, электроснабжению. Указанное сообщение предпочтительно выполнять с возможностью подключения/отключения или подсоединения/отсоединение через посредство инженерного блока 8 внутренней опоры 7.
Система энергообеспечения здания (аналогичная рассмотренной в прототипе) с многоуровневым тепловым аккумулятором, система экологически чистой утилизации сточных вод и бытового мусора, оборудование поддержания микроклимата во дворе и помещениях здания, по теплу, воздуху и электрической энергии расположены преимущественно в подвальном или полуподвальном этаже фундамента 1 здания в зоне расположения внутренней опоры 7 купола 3, преимущественно в едином инженерном блоке 8, связанном с каналами внутренней опоры 7 посредством инженерных коммуникаций, как правило расположенных в силовых радиальных перемычках 11, связывающих периферийное строение 2 с внутренней опорой 7 и через нее с атмосферным пространством и альтернативными источниками энергии (фотоэлектрическими, ветровыми, тепловыми и др.), а также внешними подземными коммуникациями.
Для облегчения связи с внешними коммуникациями, например, через внешний люк 25 (предпочтительно его выполнять непосредственно в здании для упрощения доступа к разъемам или задвижкам) и обеспечения доступа к ним (ремонт, обслуживание) канал внешних коммуникаций 26 здания по воде, теплоснабжению и канализации выполнен проходящим через подвальное или подподвальное пространство фундамента 1 непосредственно под радиальными силовыми перемычками, например под транспортными проходами 9, см. фиг.1, 4.
Для облегчения указанных подключений технический блок 8 может выполняться смещенным относительно оси внутренней трубы в сторону транспортного прохода 9, что также упрощает монтаж оборудования, его ввоз и вывоз через шлюзовую камеру 10, а также позволяет осуществить (частично) естественное освещение технических помещений.
По меньшей мере наружная поверхность внутренней опоры 7 купола снабжена источниками искусственного освещения, установленными преимущественно по всей высоте внутренней опоры с возможностью регулирования светового потока по времени суток и по высоте внутреннего двора, с возможностью освещения купола 3 и подкупольного пространства двора 4 в том числе и по заданной программе в режиме светового шоу.
При наличии указанного силового каркаса стены и перегородки здания могут выполняться из облегченного пористого материала, например, армированного стекловолокном, что при выполнении фундамента в виде ячеистой армированной облегченной конструкции при необходимости позволяет обеспечить плавучесть и остойчивость всего здания как единого целого при сохранении его базового функционирования. При этом легко реализуется и возможность перемещения всего здания, например, посредством водометных движителей, устанавливаемых радиально по периметру периферийной постройки и выполненных с возможностью индивидуального их включения/выключения.
В целом предложенное здание обеспечивает минимальные энергозатраты на жизнеобеспечение населения, возможность комфортного проживания в сложных климатических условиях внешней среды, а также минимизацию затрат строительных материалов на единицу объема внутреннего эффективного для жизнедеятельности населения пространства здания, в том числе в условиях длительного автономного проживания.
Наличие единого объемного силового каркаса, структурно подобного существующему в колесах транспортных средств, обеспечивает высокую способность сопротивления здания внешним силовым динамическим воздействиям.
Предложенная конструкция при сохранении в целом его структуры может выполняться на различные требования по возможным силовым воздействиям и срокам автономности.
На фиг.5 представлен пример архитектурного решения предлагаемого техногенноустойчивого многофункционального здания, выполненного в виде периферийно замкнутого гостиничного комплекса с силовыми радиальными пилонами и многоуровневыми радиальными перемычками, выполненными в виде горизонтальных переходов к горизонтальным площадкам внутренней опоры купола, перекрывающего внутренний двор. Купол выполняется из современного многослойного прозрачного материала на жестком силовом каркасе, жестко связанном с силовым пространственным каркасом всего здания. Инженерное оборудование в основном размещается во внутренней опоре и фундаменте (на фиг. не показано). Здание имеет относительно большой внутренний жилой объем, заполненный зелеными насаждениями общего пользования, и может быть оборудовано современными системами автономного жизнеобеспечения, резервированными традиционными внешними системами энергоснабжения, водоснабжения и т.п.
Источник информации
Джангар Б.П. Архитектура мироздания, М., 2006. Изд. ООО «ПКЦ Альтекс», с.310.