+7(495) 988 7593
+7(499) 748 1173

Всеобщий синтез. Инженерия будущего реагирует на климатические условия в архитектуре

Оглавление:
Одна из наиболее важных вещей, которую один человек может передать другому,- это видение будущего.

Главная задача нашей профессии - это создание комфортной, безопасной, творческой и экономичной внутренней и внешней среды для человека. Здания создаются людьми для людей. Для создания комфортных условий архитекторы и инженеры создают сооружения, реагирующие на окружающий климат и использующие бесплатные энергоресурсы, такие, как солнце и ветер. Будущие здания будут реагировать на изменения погодных условий, подобно древней рептилии, вылезшей погреться на солнце.

В начало



Уроки природы

Окружающая среда, в которой мы живем, постоянно изменяется. На протяжении эволюции мир адаптировался к различным климатическим условиям. Когда дубы колышатся на ветру, часовой остается неподвижным из-за своего мускульного сопротивления. Животное, покрытое мехом, к примеру, полярный медведь, сочетает тонкий жировой слой с плотной меховой подкладкой. Некоторые хамелеоны могут увеличивать поверхность кожи, обогреваемой солнцем или менять ее светлоту для лучшего усвоения тепла. Подобным образом, наши собственные тела снабжены терморегуляторами. Наша кожа отделяет внутренние органы от внешней среды. Благодаря целому ряду приспособлений - потовыделению, движению волосков, - она поддерживает постоянную температуру тела 36.8°С.

Как и все животные, мы хотим оградить себя от неблагоприятных погодных условий, изолироваться от естественной среды. На протяжении веков каменные пещеры превратились в стеклянные башни для обеспечения наиболее эстетических, эффективных и комфортных условий проживания и работы. Наше желание было простым - изолироваться от погоды, отказаться от окружения. В климате с большой солнечной радиацией - части США, на центральном Востоке, наличие воздушных и солнечных коллекторов является главным критерием проектирования. С другой стороны, в холодном климате, как в Скандинавии, большое значение в проекте придают контролю теплопотерь. В обоих случаях, применение таких систем будет помехой в одном из сезонов. Это особенно важно для климата центральной Европы, где контроль солнечного нагрева летом так же важен, как и хорошая термоизоляция зимой. Таким образом, этим системам приходится компенсировать недостатки строительных конструкций. Такой подход не эффективен и не имеет под собой серьезной необходимости.

Если мы возьмем пример с природы, то наилучшим способом взаимодействия с климатом будет создание оболочки, реагирующей на свое окружение. Такая интеллектуальная и адаптирующаяся оболочка сможет регулировать проходящий через нее энергопоток. Исчезнет барьер между внутренним и внешним пространством и возникнет взаимодействие между двумя средами. Подобная оболочка сможет самонастраиваться и обеспечивать оптимальную реакцию на любые внешние условия, функциональные требования, ориентацию и тип здания.

В начало



Теорию в практику

Большинство инженерных систем имеют натуральное происхождение - гравитация и сила ветра, температура и влажность, свет и звук, количество воздуха и его движение, вибрация и реверберация. Строительные и ограждающие конструкции созданы для защиты от неблагоприятных влияний, для создания комфортного пространства, освещения, обогрева, охлаждения и звукоизоляции. Инженеры используют свое знание о поведении материалов для обеспечения несущей способности и климатического контроля. Нашей целью является правильная инженерия - превращение архитектурного замысла в инженерные формы, пользуясь всем потенциалом профессии и используя материалы и технологии максимально экологично.

Наше будущее состоит в соединении "науки с искусством", "веры с доказательством", "эмоций с точным расчетом". Современная архитектура не может обойтись без обоих понятий. Архитектура - это живое прогрессивное искусство, рождающееся в процессе тесного сотрудничества архитекторов и инженеров. Его успех заключен в соотношении художественного видения архитектуры и научной оценки его инженером. Архитектурная профессия, включающая архитекторов, художников, ученых и инженеров, должна иметь общую платформу для обмена мнениями и идеями и создания универсальной технологии общения в выработке видения будущего.

Строительная инженерия должна быть полноценной службой, объединяющей конструкции, механические и электрические системы, гигиену, акустику, энергетику, ветер и свет. Залогом такой системы будет участие инженера на ранних стадиях проектирования, где значение воздуха, света, материалов может обсуждаться для любого проектного решения. На протяжении последних пяти лет совместной работы мы преодолели свою специализацию и создали новый союз с ведущими архитекторами. Инициатором союза был В.Олсоп, а его основой - фирма "АРУП". Наша задача не столько в объединении все воздуховодов в единую зону, сколько в тайне использования тепловой инерции в конструкции, как системы климатического контроля. Эта попытка упраздняет потребность в кондиционировании воздуха.

В начало



Технический прогресс, вызванный изменением технологий

Человечество пережило шесть технических революций. Первая совершилась, когда человек срубил дерево каменным топором. Это означало создание первых инструментов. Следующая революция связанна с добычей металлов из камня. Различные породы камней содержали различные металлы, подходившие для разных функций. Энергетическая революция свершилась при изобретении машин, способных двигаться без участия естественных сил. Массовая продукция сделала предыдущие технологии доступными для всех. Развитие электроники сделало доступной коммуникацию и, наконец, молекулярная наука позволила человеку создание новой формы путем трансформации молекул.

Архитектура традиционна. Она, быть может, уже достигла энергетической революции, но пока не так эффективно. Она пока мало связана с массовой продукцией, электронной и молекулярной революцией. Архитектура хайтека - это "золото для дураков" (fool's gold). Можем ли мы сравнивать её достижения с достижениями генной инженерии? Можно сказать, что наиболее современные здания этого века не более как традиционные на фоне технического прогресса.

Способы взаимодействия конструкции и окружения бывают весьма сложными. Хотя это редкий случай в инженерной практике. Наиболее сложная конструкция здания проста по сравнению со, скажем, оболочкой летательного аппарата. Мало того, что его конструкция должна выдержать огромное давление и температуру, оболочка должна быть максимально легкой. Сочетание этих качеств позволит ей комфортно вмещать наибольшее число пассажиров при минимальной нагрузке двигателя.

"Наиболее технически оснащённые объекты - на колесах, в воздухе или прикрепленные к земле - являются предметом постоянного обновления и повышения качества, а так же и стоимости". Ж. Прув

"Значение аэроплана заключается не только в его форме". Ле Корбюзье, 1946.

За те 66 лет, что прошли с первого полёта братьев Райт до высадки лунного модуля, технологии строительной индустрии - в сравнении с аэронавтикой - продвинулись довольно мало. В областях аэронавтики, электроники и медицины технический прогресс имел широкое распространение и непрерывный характер. Технологии направлены на достижение максимальной производительности при минимальных материалах. Их успех кроется в поиске постоянного совершенствования. Вместо того, чтобы оглядываться на мнение окружающих и влияния моды, технология имеет собственное независимое развитие. Так каков для нас путь вперед? Каким будет технический прогресс в помощь человеку?

Будущее лежит не обязательно в применении новых технологий к существующим элементам: окнам, стенам, полам, крышам. Оно будет связано с пересмотром роли фасада и применением передовых технологий из других индустрий. Каменные замки в своё время выглядели технически оснащёнными по сравнению со своим окружением (это была "интеллектуальная архитектура" для того времени). Их техническое оснащение было воплощено в конструкции храмов, а, позднее, в общественных и жилых сооружениях. Конструкции замка ясно демонстрировали свою военную оснащенность. Их целью была защита и выживание. Сегодня, достижения военной техники, такие как шаттлы, оказывают влияние на другие области промышленности, но до сих пор они не произвели значительных изменений в архитектуре.

Новой целью является охрана окружающей среды. Здания выбрасывают в атмосферу половину всего углекислого газа. Это тем более печально, что, в то же время, уникальные технологии, сродни военным, играют главную роль в формировании будущей архитектуры. С отпавшей потребностью в военных технологиях мы определенно не испытываем нехватку строительных технологий.

В начало



Инженерные технологии трансформируются в систему климатического контроля

Для большинства современных зданий технологии существуют в тени других дисциплин и редко выражаются в комплексных системах. Зачастую они фрагментарны, не обладают необходимой технической оснащенностью. Этот период забвения технологий пройдет с открытием новых архитектурных задач. Они заставят архитектора адаптировать строительные технологии из других областей промышленности. Огромный резерв, выраженный в интеллектуальных и материальных ресурсах, будет являться залогом всеобщего синтеза и развития технологий, став основой будущего воззрения. Уже сейчас множество технологических достижений из области пространства переходят в область строительства. Проектирование опирается на те материалы и системы, чьи структура и свойства приспосабливаются к климату. Все это воплотится в проектировании архитектурных "оболочек" здания, которые увеличат внешний и внутренний комфорт. В принципе, мы можем рассматривать пять типов реагирующих систем - геометрическую, термальную, оптическую, пористую и систему самообеспечения.
В начало



Геометрические системы

Существует ряд примеров, которые можно использовать в строительной индустрии. Материалы с "жесткой памятью" своей структуры используются в космонавтике для предотвращения деформаций. Такие материалы можно вытянуть в определенную форму и после возвращения в исходное состояние материал снова вернется к ней. Их можно использовать в составе строительных материалов для предотвращения сжатия или растяжения. Системы взвешенных частиц используются в военной технике, показывая уровень на пересеченной местности. НАСА проводила эксперимент с устройствами для рефлекторов в одном из крупнейших телескопов мира. Эти устройства перенастраиваются 60 раз в секунду. Системы газовых пистонов предназначены для вызова землетрясений - когда пистон сжат, газ пытается высвободиться из-под нагрузки, его электроны повышают температуру при сжатии и, соответственно, понижают температуру при растяжении. Веками мореплаватели использовали балласт для поддержания уровня судна. Сейчас эти системы используются в безопорных конструкциях для их стабилизации.
В начало



Термальные системы

Термохромовые материалы по-разному впитывают тепло в зависимости от температуры. Термо-фотоэлектрические покрытия охлаждаются при нагревании их солнцем.
В начало



Оптические системы

Фотохромовые материалы изменяют свои химические свойства в зависимости от интенсивности освещения. К примеру, "фотограммное" стекло с серебрянным напылением: за несколько часов освещения солнцем его трансмиссия снижается с 86% до 22%. Электрохромовые материалы производят в США, Японии и Европе. Они изменяют свой цвет при подаче слабого тока. Эти материалы имеют уникальное значение в качестве низкозатратной контролируемой солнцезащиты.
В начало



Пористые системы

Это серия покрытий, обеспечивающих свободный доступ воздуха, предохраняющих от водных паров, образуя водонепроницаемые вентилируемые материалы.
В начало



Системы самообеспечения

Нуклеидовая топливная индустрия разрабатывает роботы с системами самообеспечения. Эти устройства уже помогают в строительстве и обслуживании здания. В Японии разработали робота, который может забраться по фасаду здания, найти поврежденную черепицу и заменить ее.

Если мы серьезно воспримем эти открытия, то можно будет начать исследовательскую работу междисциплинарной команды, которая приведет нас к действительно высокотехнологичной архитектуре.

В начало



Инженеризация архитектурного мышления

Развиваемый нами тип архитектурного мышления - это Монолитная Оболочка Здания, как продукт вышеперечисленных технологий. Как и в средневековом замке, здесь есть своя оболочка, структура, кожа, обслуживание, соединенное в единую систему. Уже сейчас существуют технологии для создания интеллектуальной монолитной оболочки. Это своеобразная мультифункциональная "кожа" здания, обладающая возможностью самовосстановления и самоконтроля, а также реагирующая на окружающий климат - ветер, солнце, дождь и температуру. Подобное сооружение будет обеспечивать себя необходимой энергией. Его "кожа" будет воспринимать нагрузку и регулировать энергетические потоки путем накапливания свободной энергии, ее сохранения и направления в необходимое место. Это создаст своеобразный диалог между внутренней и наружной средой.

В будущем такой "кожей" может быть ткань с вплетеной сетью сенсоров и нитей, реагирующих на нагрузку. Они будут соединены с "мозгами" здания, отражающими его внутреннее и внешнее состояние. Энергетические коллекторы будут накапливать и хранить энергию, поддерживать радиационный контроль и регулировать цвет оболочки. Температура будет регулироваться эмиссией самим покрытием - его эмиссией и солнечным спектром, образующим "атмосферное окно". Термоэлектрические нити, вплетенные в оболочку, будут охлаждать или нагревать внутреннее пространство, используя накопленную энергию. В добавок к этим возможностям, можно будет использовать акустические, рефлекторные и шумозащитные системы, пористость и вентиляцию, а также конструктивные "артерии" здания.

Вся система будет контролироваться центральным "мозговым" компьютером. Этот "мозг" будет постоянно фиксировать сигналы различных сенсоров и корректировать геометрическую, термальную и световую среду. Кроме этого, будет существовать термоэлектрическая панель для задания желаемых параметров. Такая комплексная система будет нечто среднее между растением и тканью,- посредником с окружающей средой. Откроется новый слой эстетических впечатлений. Монолитная "кожа", подобно хамелеону, даст архитекторам неисчерпаемые возможности, адаптирующиеся к окружающей среде. Инженеры станут художниками - с палитрой электронных цветов и "холстом" из "кожи" фасад, воплощая любые прихоти архитектурной моды и мечты инженерной технологии.

В начало



Самоанализ

Современная архитектура прошла постиндустриальную революцию и начинает изучать возможности научной революции. Архитектурная профессия должна искать свою роль в постоянно меняющемся обществе. Было затрачено слишком много усилий на соревнования стилей и художественных методов. Люди потеряли веру в строительные технологии и ищут удовлетворения в новых художественных образах, дающих иллюзию технологического развития - живописного, но менее технического. Печальной чертой стало уменьшение значимости инженера в проекте. Очевидно, что строительной индустрии не хватает технической оснащенности, а некоторые пренебрегают ей в угоду практической целесообразности. Профессии инженера грозит деквалификация, не имея руководства со стороны заказчика или архитектора, они чувствуют, что их труд не востребован. Искусство проектирования состоит в кооперации полноценной проектной команды под руководством архитектора. Для уверенности в будущем современной архитектуры мы должны понимать искусство технологии как максимальное использование материалов, энергии и творческих способностей на пользу человечества - только после осознания этого мы сможем чем-то гордиться!