Как построить дом в арктике

Главная|Журнал|№ 4 2018|Особенности проектирования и строительства в арктическом регионе

Особенности проектирования и строительства в арктическом регионе

Валерия Савинова, Марианна Бродач

Арктика — суровый и негостеприимный регион, все ещё малоизученный. Заполярные территории имеют крайне низкий показатель плотности населения, что оказывает влияние на их развитие. Технологии и требования, по которым велось строительство в этом регионе, устарели, а созданные инфраструктура и здания превысили срок эксплуатации. Очевидно, что регион нуждается в новых архитектурных идеях и приемах.

Особенности арктического региона

Арктические поселения отличают внушительные конструкции инженерных сетей, расположение сооружений на опорах и аварийное состояние дорог. Практически все населенные пункты заполярья выглядят выживающими, а не развивающимися. Причина – экстремальные климатические условия – полярная ночь и полярный день, длительностью до полугода, низкие температуры воздуха и ледяные грунты. Всё это объясняется географическим положением: в северных широтах угол падения солнечных лучей низок, и их энергия распределяется на весьма большую территорию.

В результате распространено такое явление как вечная мерзлота. Это грунт, который находится под воздействием отрицательных температур более двух лет. Главная проблема такого типа грунтов – содержащаяся в нем вода, часть которой может замерзать зимой и оттаивать летом, однако в основном она находится в форме льда.

Исследователи выделяют до 5 разных видов льда, варьирующихся по форме, размеру и расположению в слоях почвы. Глубина льда может достигать более 1 000 метров. Рекордная глубина залегания вечной мерзлоты, почти 1 500 метров, обнаружена в Якутии. Более 60 % территории России находится в зоне вечной мерзлоты.

Вечномерзлые грунты – одни из самых сложных для строительства. Из-за колебаний климата, как краткосрочных, так и долгосрочных, вечная мерзлота подвержена деградации. Лед начинает таять, что приводит к потере несущей способности грунта, осадке почвы. Вмешательство человека ускоряет данный процесс. Здания, элементы инфраструктуры и инженерные коммуникации, при создании которых не было учтено наличие в грунте льда и не изолированы теплопотери, неизбежно ослабят грунт, в результате чего частично или полностью разрушатся сами.

При этом длительные периоды стояния низких температур наружного воздуха отрицательно влияют на инженерные системы здания, использующие воду. Несоблюдение специальных мер по циркуляции и вентиляции приведет к замерзанию воды, разрыву трубопроводов и авариям в системах.

Современная практика строительства в Арктике

Существует два способа устройства фундамента в зонах вечной мерзлоты. Первый способ. Строительство ведется с сохранением вечномерзлого состояния грунта, что достигается расположением зданий и сетей на опорах. В этом случае теплопотери от строений не достигают земли, а ветер беспрепятственно охлаждает верхний слой грунта. Такой способ применяется, когда слой мерзлоты превышает 10 метров. Возведение зданий осуществляется на свайном фундаменте, а прокладка сетей – на лежневых, городковых, подвесных, свайных опорах, на мачтах, эстакадах и по конструкциям зданий.

Второй способ. Применяется для слабомерзлых грунтов с глубиной залегания льда менее 10 метров. В таких районах велика доля деградации вечной мерзлоты, которая, если её не учитывать, представляет серьёзную опасность для возводимых конструкций. Перед началом строительства проводятся процедуры по оттаиванию и укреплению грунта, после которых на подготовленной территории обустраивается котлован. Прокладка инженерных сетей осуществляется непосредственно в грунте. Необходимое утепление инженерных сетей и зданий проводится стандартными теплоизолирующими материалами.

Для энергообеспечения региона строятся электростанции, работающие на традиционных видах топлива. Имеется опыт использования альтернативных источников энергии. Например введены в эксплуатацию ветро-солнечная станция «Юрта» на Ямальском полуострове, ВЭС «Заполярная» в Воркуте. Однако, эти объекты в большей степени экспериментальные ,так как генерируют меньшее количество энергии, чем необходимо региону, а их расположение обособленное, не объединенное в систему. Ввиду этого заменить традиционную энергетику они не могут.

Новые тенденции

В течение последних пяти лет, с 2013 года, в регионе внедряются новые архитектурные решения. Это обусловлено военно-стратегической политикой РФ по развитию и восстановлению инфраструктуры арктических морских портов и северного морского пути. Развитие комплекса решений, учитывающих особенности экстремальных условий, происходит в военной сфере. Активные работы по освоению и восстановлению ведутся в шести зонах:

— остров Земля Александры, входящий в архипелаг Земля Франца-Иосифа,

— поселок Рогачево, расположенный на архипелаге Новая Земля,

— остров Средний, входящий в архипелаг Северная Земля,

— мыс Шмидта и остров Врангеля, расположенные в Чукотском АО,

— остров Котельный, входящий в состав архипелага Новосибирских островов.

На перечисленных территориях проводятся мероприятия по возведению социальной инфраструктуры, аэродромов и обслуживающих их объектов, а также автономных жилых комплексов. По состоянию на 2017 год введено в эксплуатацию 425 объектов.

Поскольку все строительные материалы, используемые для возведения объектов, доставляются с материка, то возникает ряд трудностей в решении логистических задач. Несмотря на это в 2015 году объем поставок достиг почти 100 тысяч тонн грузов.

Военные городки замкнутого цикла

Военные городки замкнутого типа – это основной вид возводимых объектов, а входящие в их комплексы АЖК являются наилучшим примером для рассмотрения.

Административно-жилой комплекс «Арктический трилистник»

Данный АЖК расположен на острове Земля Александры. Рассчитан на 150 человек и состоит из 4 объёмов: центральный с тремя крыльями и три фланкирующие его. Общая площадь всех его помещений составляет 14 000 м2.

Из конструктивных особенностей стоит отметить легкий сборный металлический каркас, использование которого максимально упрощает процесс монтажа, что важно для данного региона. Также сформирован свайный фундамент, обусловленный наличием вечной мерзлоты и позволяющий сохранить её состояние.

АЖК «Арктический трилистник»

АЖК «Арктический трилистник» оборудован дизельной электростанцией, водоочистительными установками, снегоплавильными и береговыми насосными станциями, а также имеет систему термической обработки ТБУ.

АЖК «Северный клевер»

Другим масштабным объектом является АЖК «Северный клевер», расположенный на острове Котельном. По композиции он похож на АЖК «Арктический трилистник»: также имеет 4 объема, из которых центральный с тремя крыльями. Однако 3 фланкирующих объема примыкают к торцам крыльев и имеют прямоугольный план. АЖК «Северный клевер» позволяет разместить гарнизон в 250 человек.

АЖК «Северный клевер»

Конструктивно данный АЖК также имеет некоторое сходство с АЖК «Арктический трилистник»: построены металлический каркас и свайный фундамент, имеются крытые переходы. При разработке архитектурно-строительных решений АЖК «северный клевер» были проведены изыскания по созданию инновационных металлических и полимерных строительных материалов, устойчивых к воздействиям низких температур и коррозионных повреждений. Кроме того переработаны некоторые энергетические и топливные системы, что позволило повысить энергоэффективность объекта.

Проект научно-исследовательского комплекса

Однако сегодня наиболее перспективным решением является создание научно-исследовательских комплексов (НИК), позволяющим не только комфортно жить и работать в сложных арктических условиях, но и проводить необходимые научные исследования с минимальным отрицательным влиянием на экологию региона. Основные отличия данного типа строений, представляющие новизну, можно условно разделить на три группы: архитектурные, функциональные и энергоэффективные.

Научно-исследовательская станция в экстремальных условиях северных регионов России

Архитектурные особенности

Учитывают опыт строительства в северных регионах, а также в Антарктическом регионе. Предлагается использовать сборный стальной каркас, имеющий ряд преимуществ перед остальными материалами. Сборные элементы относительно небольшого веса легко доставить любым транспортом, что важно в условиях непростой логистической ситуации. Простой монтаж сохраняет ресурсы при возведении в экстремальных климатических условиях. Также предусмотрено применение обязательного свайного фундамента – для сохранения вечномерзлого состояния грунта и предотвращения засыпания комплекса снегом. Осуществляется подбор материалов для утепления и облицовки, подтвердивших свою эффективность при строительстве в более суровых условиях Антарктики.

Функциональные особенности

Важная составляющая предлагаемого проекта это увеличение рабочих площадей жилых, общественных и научных помещений, для осуществления более комфортной деятельности и снижения отрицательных воздействий экстремальных условий региона. В состав комплекса вводятся несколько зеленых зон: оранжереи, зимние сады и гидропонические оранжереи. Эти зоны будут иметь не только положительное влияние на психологическое состояние работников комплекса, но и смогут обеспечивать их свежими продуктами питания.

План этажа на отметке + 6.80 

Продольный разрез и принципиальная схема получения солнечной электроэнергии

Поперечный разрез и принципиальная схема сбора атмосферных осадков

Энергоэффективные особенности

Для разведки новых земель, подготовки их к освоению и для последующей эксплуатации снабжение энергией необходимо. Поскольку арктическая экосистема весьма хрупкая и уязвимая, важно предусмотреть экологические источники энергии, не основанные на ископаемом сырье. Такие источники обладают неоспоримым рядом преимуществ:

— мобильны, и их введение в эксплуатацию проще и быстрее, чем традиционных энергостанций;

— обладают широкой вариативностью, т. е. для каждой природной зоны может быть подобран свой, наиболее эффективный источник энергии;

— неисчерпаемы,  а значит их использование неограниченно во времени.

Также для обеспечения энерго-эффектвиности необходимо учитывать климатические особенности, достигая уменьшения затрат энергии благодаря объемно-пространственной композиции, организации внутренних помещений, грамотным подбором строительных материалов.

Подводя итог, можно с уверенностью констатировать, что, несмотря на все сложности арктического региона, его освоение не только возможно при соответствующем научном подходе к проектированию и строительству северных объектов, но и полезно с точки зрения приобретения колоссального опыта.

Литература:

1. Под ред. Г. В. Алексеева Формирование и динамика современного климата Арктики;. — Л. : Гидрометеоиздат,  2004.

2. Под ред. А. И. Воскресенского Мониторинг климата Арктики : (Сб. ст.) / Аркт. и Антаркт. НИИ;. — Л. : Гидрометеоиздат, 1988

3. Владимир Котляков, Михаил Гросвальд, Александр Кренке  «Гляциологический словарь» ;. — Л. : Гидрометеоиздат,  1984

4. Короткевич Е. С. Полярные пустыни. –  Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

5. Сергей Хромов, Лидия Мамонтова  «Метеорологический словарь» ;. — Л. : Гидрометеоиздат, 1874

6. «Основы государственной политики  Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» (утв. Президентом РФ 18. 09. 2008 N Пр — 1969) ●

ОБ АВТОРАХ

Валерия Савинова, Магистр МАрхИ

Бродач М. М. – консультант по инженерному оборудованию, профессор кафедры «Инженерное оборудование зданий» МАРХИ (Государственная академия)