Бионические принципы организации архитектурно-

Пространственной среды

Бионическое формирование архитектурно пространственной среды ставит на первый план в архитектурном проектировании такие принципы:

• принцип гармоничного соединения законов формирования ар- хитектуры и живой природы;

• принцип архитектурно-бионического моделирования – выражение одного образа через другую форму, которая обладает структурным подобием (изоморфностью) по отношению к первой;

• принцип экологической компенсации дискомфортности внешней и внутренней среды;

• принцип динамического равновесия внутренней среды;

• принцип бионического конструирования;

• принцип структурности, принцип компактности, принцип направленности, принцип гибкости (реагирование на внешние и внутренние условия, адаптация здания).

Бионические принципы формирования включают в себя такие закономерности и приёмы, как рост и развитие; эволюция и совершенствование форм; принцип спирали, структуризация пространства, плотная упаковка; композиция из плоских и сферических стандартных элементов; стандарт и сборность; кластеры структур из сложных элементов; симметрия и стандартные элементы; структура материала – упругость, сопротивляемость, прочность, легкость; гравитация; аэродинамика, пружинящие системы; упругие шарниры – демпферы – снижающие изгибающие моменты, оболочки, скорлупы; принцип сопротивляемости по форме; складчатые конструкции; сетчатые и ребристые системы; структурные решетки; стержневые структуры; «жидкая» архитектура; стержневантовые, мембранные, тентовые конструкции, пневматические системы, складчатые поверхности на основе развертки; динамические формы; движение формы за солнцем; изменение кровли; проветривании; раскрывание, свёртывание.

Средства создания экологически комфортной архитектурно-

Пространственной среды

Наиболее выигрышны сегодня два пути повышения энергоэффективности объектов строительства: экономия энергии (снижением энергопотребления и энергопотерь, в т.ч. утилизацией энергетически ценных отходов); привлечение возобновляемых природных источников энергии. Выделяются два класса энергоэффективных зданий, использующих и не использующих энергию природной среды. Энергоэкономичные здания не используют энергию природной среды (т.е. альтернативных источников) и обеспечивают снижение энергопотребления, большей частью, за счёт усовершенствования систем их инженерного обеспечения (как наиболее "энергоёмких" составляющих энергетического "каркаса" здания), конструктивных элементов, определяющих характер и интенсивность энергообмена с внешней средой (наружных ограждений, окон и т.п.), а также оптимизации архитектурных решений, направленной на сокращение энергопотерь (повышение компактности объёмов, сокращение площади остекления, использование градостроительных приемов и архитектурных форм, нивелирующих отрицательные воздействия природно-антропогенных факторов внешней среды: ветра, солнца и т.п.).

Энергоактивные здания ориентированы на эффективное использование энергетического потенциала внешней среды (природно- климатических факторов внешней среды) в целях частичного или полного (автономного) энергообеспечения посредством комплекса мероприятий, основанных на применении объёмно-планировочных, ландшафтно- градостроительных, инженерно-технических, конструктивных средств, которые предполагают ориентированность пространств, архитектурных форм и технических систем на энергетические источники внешней среды (солнце, ветер, грунт и др.)

В целом энергоэкономичность и энергоактивность зданий следует трактовать не как антагонистичные свойства, а как два уровня решения единого комплекса энергетических и экологических проблем. Если средства повышения энергоэкономичности имеют интенсивный (“интравертный”) характер, обеспечивая оптимальный расход энергии, то энергоактивность, помимо энергоэкономичности, предполагает использование наиболее эффективных возобновляемых её источников и имеет, таким образом, экстенсивный (“экстравертный”) характер. Выделение энергоэкономичных и энергоактивных зданий в два класса обусловлено технологическими и экономическими особенностями их проектирования и строительства. Было установлено, что объёмно-планировочными и ландшафтными средствами можно добиться существенного снижения теплопотерь, в частности, за счёт следующих действий:

• сокращения площади наружных ограждений относительно внутреннего объёма здания, т.е. повышением его пространственной и объёмной компактности. Минимальные соотношения площади поверхности к внутреннему объёму имеют шар, цилиндр и куб – именно эти формы обеспечат предельное снижение дисперсии тепла зданием, изменение периметра стен на 0.01 м приводит к изменению расхода тепла на 1,25 – 1,75% в пяти- и на 1,5 – 2,0% в девятиэтажном здании. Кроме того, компактность формы повышается с увеличением её размеров. Существенное снижение удельного расхода тепла происходит при увеличении ширины корпуса здания (с 11 до 14 м - на 6 - 7%, до 15 - 16 м - на 12 - 14%, до 18 м - на 16 - 20%).

• оптимизации площади светопроёмов, обладающих высокой теплопроводностью и потому являющихся основным источником теплопотерь в зданиях. Например, при увеличении нормативной освещенности жилых помещений с 1/5,5 до 1/4 (соотношения площадей светопроёма и пола) удельный расход теплоты возрастает в среднем на 5% в пяти и на 6 - 7% в девятиэтажных зданиях.

• теплового зонирования отапливаемого объема здания и устройства вокруг него так называемых буферных пространств – неотапливаемых помещений с промежуточной (относительно внутренней и внешней среды) температурой. Известно, что скорость теплопередачи, а, следовательно, и масштабы теплопотерь определяются амплитудой температур контактирующих сред: скорость тем выше, чем больше эта амплитуда.

Таким образом, тепловое зонирование, предполагающее формирование теплового ядра здания из помещений с максимальными расчетными температурами и теплоемкими конструкциями и буферные пространства, формирующие двойную оболочку отапливаемого объёма, создают эффект

"энергетического каскада” опосредованной (многоступенчатой) теплопередачи от внутренней среды к внешней: сокращение амплитуды температур контактирующих сред позволяет заметно снизить теплопотери. Соответственно, наибольший эффект буферные пространства дают при размещении их в тех частях здания, где наблюдаются максимальные амплитуды температур отапливаемых помещений и внешней среды: в зоне покрытия (где функции буфера выполняет чердак) и у плохо прогреваемых солнцем стен северной ориентации (буфером могут являться различные хозяйственные пристройки, пристенные холодные шкафы и т.п.). Кроме того, буферные пространства защищают ограждения от ветровых воздействий, исключая нежелательную "напорную" инфильтрацию наружного воздуха в отапливаемый объем здания и переувлажнения, влекущего, как правило, резкое ухудшение теплотехнических качеств ограждений и их ускоренное разрушение.

С помощью объёмно-пространственной композиции архитектор

может создать эффект:

• рассеивания воздушных потоков при использовании соответствующих пространственных и объёмных форм ландшафта (в т.ч. зданий). Известно, что кроме собственно скорости воздушного потока сила ветрового напора определяется углом падения потока на поверхность, поэтому наименьшее ветровое давление испытывают обтекаемые (аэродинамичные) – сферические, цилиндрические и др. криволинейные, а также коноидальные и пирамидальные (“эффект пирамиды”) объёмные формы (по данным Ю. Лебедева, наиболее приспособленной к восприятию, например, гравитационных и ветровых нагрузок является форма конуса).

• снижения скорости движения и турбулентности воздушных потоков вблизи зданий (их ограждающих конструкций), например, используя формы растительности в качестве естественных ветрозащитных барьеров. Известно, что растительные формы различной плотности и высоты способны весьма значительно сокращать скорость ветрового потока, обеспечивая при этом зоны "ветрового затишья" глубиной, равной 20 - 25 высотам такого растительного барьера. Пристенная растительность также существенно снижает активность ветровых воздействий на здания, турбулентность воздушных потоков у наружных ограждений и обеспечивает суммарное снижение теплопотерь благодаря разумному использованию растительных форм ландшафта до 40%. Наиболее эффективно проблемы снижения энергопотерь решаются, как показывает практика, при комплексном привлечении этих и других средств, в основе использования которых лежат бионические принципы организации, формообразования и конструирования архитектурно- градостроительных объектов. Они являются эволюционно выработанными механизмами адаптации различных живых организмов к условиям внешней среды.

Одним из наиболее важных факторов современного архитектурного проектирования становится повышение эффективности использования естественного света. Открытие биологических свойств солнечной радиации, осознание первостепенной роли света в средообразовании произвели настоящий переворот в архитектуре XX века, в корне изменив традиционные принципы организации пространства. Однако развитие климатологической и гигиенической наук, с одной стороны, а также ужесточение экономических требований в строительстве, с другой, привели к необходимости нового переосмысления принципов организации естественного освещения пространств (а следовательно, и норм градостроительного и объёмного проектирования).

В частности исследованиями биологических свойств рассеянной радиации, проводившимися в Казанском мединституте, было установлено, что необходимый бактерицидный эффект, определяющий принятые нормы инсоляции помещений, может быть получен и при воздействии только рассеянной радиации (т.е. и при северной ориентации светопроема). При этом двойное остекление не оказывает существенного влияния на проникновение эффективной ультрафиолетовой радиации в помещение. Таким образом, необходимость облучения прямой солнечной радиацией будет определяться преимущественно требованиями психоэмоционального, светового и теплового комфорта. Исследования закономерностей поступления солнечной радиации в помещения показали, что на всех широтах и при любой ориентации светопроёма основные поступления эффективного облучения в помещения (60-70% от максимально возможных) происходят при расстояниях между зданиями, равных двум высотам здания. Дальнейшее увеличение разрывов не дает существенного прироста светового потока, если на светопроём не падает тень от соседнего здания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адамович, В. В. Архитектурное проектирование общественных зданий и сооружений / В. В. Адамович, Б. Г. Бархин, В. А. Варежкин [и др.]; под общ. ред. И. Е. Рожина, А. И. Урбаха. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1984. – 543 с.: ил.

2. Арнхейм, Р. Динамика архитектурных форм / Р. Арнхейм. – М.: Стройиздат, 1984. – 255 с.

3. Бархин, Б. Г. Методика архитектурного проектирования. – 2-е изд. / Б. Г. Бархин. – М.: Стройиздат, 1982. – 546 с.

4. Гельфонд, А. Л. Архитектурная типология общественных зданий и сооружений: учеб. пособие / А. Л. Гельфонд. – Н. Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2003. – 201 с.: ил.

5. Зоколей, С. В. Архитектурное проектирование, эксплуатация объектов, их связь с окружающей средой / С. В. Зоколей; пер. с англ. М. В. Никольского; под ред. В. Г. Бердичевского, Б. Ю. Бранденбурга. – М.: Стройиздат, 1984. – 670 с.

6. Иконников, А. В. Функция, форма, образ в архитектуре / А. В. Иконников. – М.: Стройиздат, 1986. – 288 с.: ил.

7. Степанов, А. В. Объемно-пространственная композиция: учебник для вузов / А. В. Степанов, В. И. Мальгин, Г. И. Иванова [и др.]. – М.: Архитектура – С, 2004. – 256 с.

8. Шимко, В. Т. Архитектурно-дизайнерское проектирование. Основы теории / В. Т. Шимко. – М.: Архитектура – С, 2004. – 352 с.

9. Штейнбах, Х. Э. Психология жизненного пространства / Х. Э. Штейнбах, В. И. Еленский. – СПб.: Речь, 2004. – 239 с.