Проекты зданий для строительства в Арктической зоне разрабатывают учёные СФУ. Многоквартирные жилые дома пока непривычных для нас купольных форм выполнены из деревянных конструкций. Такие здания не боятся воздействий сильного ветра, снега, метели за счёт аэродинамичных форм. Их «умные» фундаментные платформы более устойчивы к деформациям грунтов, что важно в условиях вечной мерзлоты.
О разработках учёных рассказал Пётр МЕЛЬНИКОВ, заведующий научно-учебной лабораторией «Испытания строительных материалов и конструкций». Пётр Павлович — автор проекта «Нордификация высокоширотного строительства», он совместно с коллективом Инженерно-строительного института СФУ разработал варианты деревянных домов-конструкторов для Арктики.
Фото А. Купцова
— Пётр Павлович, откуда возникла идея создания таких домов?
— Это идея моего научного руководителя, доктора технических наук директора Инженерно-строительного института СФУ Ивана Семёновича ИНЖУТОВА. Он предложил мне разработать этот проект, за что я очень ему благодарен.
Вообще, исследованием деревянных конструкций я начал заниматься в аспирантуре, куда поступил после окончания специалитета отделения промышленного и гражданского строительства. Тема диссертации, над которой работаю: «Влияние ветровых нагрузок на деревянные конструкции в северных регионах».
Воздействие ветра на здания — необычайно актуальная тематика. Сегодня строится много зданий нестандартной — непрямоугольной — формы. При их возведении необходимо учитывать условия региона, в котором ведётся строительство, поскольку в разных городах разные снеговые, ветровые и другие воздействия на здания. Чтобы спроектировать дом с привязкой к конкретной местности, существующей нормативной литературы недостаточно. Нужно провести испытания: макет «обдуть ветром», спроектировать варианты ветровой нагрузки, характерные для данного города.
Сейчас, чтобы завершить диссертацию, мне как раз и необходимо провести эксперименты. Я уже подобрал необходимое для этого оборудование, макеты готовы, численные исследования завершены. Надеюсь, что проведу испытания уже в этом году.
Кстати, подобной работой — учётом ветровой нагрузки на здания — занимается в Китае профессор Цинь Шань. Он проводит масштабные исследования, проекты для которых ему привозят со всего мира. Я ездил к нему два года назад, по итогам поездки мы опубликовали совместную статью.
Проект «Нордификация высокоширотного строительства» также включает, в числе прочего, учёт ветровой нагрузки на здания. Повторю, мне повезло с научным руководителем. У Ивана Семёновича постоянно возникают интересные идеи, которые мы пытаемся реализовать.
У каждого сотрудника нашей лаборатории своя задача — кто проектирует, кто занимается планировкой, кто анализом городов. Например, недавно у нас вышла публикация — мы рассмотрели, как изменились погодные условия в последние годы в пяти северных городах. Поясню, для чего это нужно. Есть действующий нормативный документ, в котором прописаны температурные условия каждого месяца для конкретной территории, именно сведения из этого документа учитывают при проектировании домов. Мы взяли данные метеостанций этих пяти городов за последние пятнадцать лет. И оказалось, что климат изменился, реальные температуры не совпадают с нормативными, погрешность составляет порядка десяти процентов. Получается, что здания проектируются не так уж правильно, не учитываются фактические погодные условия.
— Где могут быть построены здания, которые вы проектируете?
— Один из самых северных крупных населённых пунктов нашего региона Норильск был построен в 1930-1950-е годы, и сейчас около 70 процентов жилого фонда этого города находится в аварийном состоянии, в переселении нуждается множество семей. Мы решили предложить проекты современных, доступных, надёжных жилых домов, подходящих именно для этой территории.
Существующие варианты материалов для строительства — металл, железобетон, дерево. Но у металла есть такое свойство, как хрупкое разрушение, которое может привести к повреждению конструкций зданий при низких температурах воздуха. Значит, для наших проектов он не подходит. Чтобы построить железобетонное здание, нужно доставить в Норильск бетон, причём в большом объёме. Сделать это не так просто, учитывая особенности транспортировки чего-либо в этот город. Кроме того, погодные условия Севера не самые подходящие для использования бетона, там пасмурно, мокро, холодно. А бетон нужно замешать, дать настояться: необходимо 28 дней, чтобы он набрал стопроцентную прочность. Погода может помешать этому процессу.
Тогда мы подумали: почему бы не попробовать строить многоэтажные дома из дерева? Зарубежный опыт показывает: из этого материала можно возводить даже пятнадцатиэтажные жилые здания. Подобные многоквартирные дома есть в Китае и Австралии.
Перед руководством самого крупного северного города нашего края — Норильска — стоит задача смены жилого фонда
Из дерева мы предлагаем сделать и фундамент зданий. Дома, которые построены в условиях вечной мерзлоты, со временем теряют несущую способность. Дело в том, что от зданий идёт тепло, грунт тает, железобетонные сваи, на которых стоят дома, начинают проваливаться. Мы спроектировали деревянный фундамент, который не позволяет теплу передаваться на грунт. Ранее этим занимался профессор Наум Петрович АБОВСКИЙ, мы же взяли его идею и дорабатываем. Кроме того, конструкция выполнена таким образом, что стойки фундамента при необходимости как домкрат поднимают дом на высоту до пяти метров. Если мы говорим про Арктику, такое здание можно поднять, когда океан разливается.
С материалом мы определились, нужно было выбрать оптимальную форму для зданий. В Норильске, как и в других северных городах, строения испытывают большие снеговые и ветровые воздействия, дома постоянно заметает снегом. Значит нужно строить здания такой формы, которая не позволит снегу накапливаться.
Когда капелька воды падает, она принимает форму сферы, чтобы уменьшить поверхность соприкосновения с воздухом. Мы решили спроектировать дома подобного плана — состоящие из комбинаций купольных форм. И предложили несколько типов зданий: возьмём два купола разных радиусов — получится здание в форме линзы, также можно построить дом в виде сферы. Различные комбинации купольных форм позволяют возводить здания, обтекаемые ветровым потоком. Такие дома энергоэффективны. А сравнительный анализ прямоугольного здания и купольного показал, что на последний вариант требуется меньшее количество материалов.
Недавно мы придумали ещё один интересный макет здания — прямоугольный дом внутри купола, арки которого сделаны из дерева, а поверхность покрыта стеклом. Если говорить о Норильске, важно в сжатые сроки переселить как можно больше семей. Значит, квартиры должны быть небольшими — однокомнатными или максимум двухкомнатными. Как раз такие планировки прорабатывались в данном проекте. Стеклянный купол позволит сохранить естественное освещение. С внутренней частью дома его будут соединять переходы, в которых можно сделать оранжереи. Зелёные насаждения помогут сохранять свою микрофлору внутри. Также здесь предусмотрена система вентиляции, стоят автономные генераторы. Воздух будет меняться, чтобы не скапливался углекислый газ, происходило насыщение кислородом. Получается система «умный дом».
— Сколько будет стоить жильё в таком доме? Какое количество квартир запланировано в нём?
— Для Норильска, повторю, самая большая проблема — логистика, доставка чего-либо обходится дорого. Прелесть деревянных зданий купольной формы в том, что они быстровозводимые. Весь дом нарезается по шаблону, доставляется, собирается на месте. Делать такую «нарезку» удобнее всего в Лесосибирске, а потом доставлять конструкции по Енисею. С учётом логистики стоимость квадратного метра в таком доме 32 тысячи рублей.
В доме три этажа и порядка 30 квартир. Пока это черновой вариант проекта, продолжаем его прорабатывать. Другой проект — микрогородок — в прошлом году мы представляли на Красноярском экономическом форуме. В центре возводится треугольное здание, к нему, как лепестки, прикреплены ещё три дома. Этот проект также рассчитан для арктических территорий. Это цельное здание: что-то может быть торгово-развлекательным, что-то жилым блоком. Дома соединены крытыми переходами, так что выходить на улицу, чтобы, например, пройти в магазин, их жильцам не придётся.
— Вы предлагали ваши проекты региональным властям? Как считаете, будут ли их использовать при строительстве домов на Севере?
— Думаю, проект будет реализован, поскольку он актуален. Один из ключевых моментов в том, что президент РФ Владимир ПУТИН недавно подписал указ об освоении Арктики. Значит, потребность в таких домах рано или поздно возникнет.
Представители нашего института встречались с администрацией Норильска, предлагали проект реновации города. Надеемся, что сотрудничество состоится, проект обретёт жизнь. Кстати, многих, кому мы представляем такие макеты, в первую очередь настораживает форма зданий. Говорят, что это похоже на космолёт. Но, повторю, такая форма снижает ветровую и снеговую нагрузку на дом.
Ещё одно опасение вызывают деревянные конструкции: это же дерево, оно горит! Но у нас есть интересное конструктивное решение и на этот счёт. Мы работаем совместно с Сергеем Петровичем АМЕЛЬЧУГОВЫМ, доктором технических наук, заведующим кафедрой строительных материалов и технологий строительства нашего института. По образованию он пожарный. Сергей Петрович изобрёл смартклей, который при возгорании образует защитную оболочку.
Для строительства зданий по нашим проектам предполагается использование клеёной древесины. Понятно, что цельную древесину с сечением метр-полтора найти сложно. Клеёная древесина состоит из слоёв — ламелей, для соединения которых используют обычный клей. Но если заложить между ними смартклей, он защитит деревянные конструкции от огня: в случае возгорания обуглится только первая ламелия.
— Какой срок жизни таких зданий?
— В условиях Норильска могу прогнозировать 40–50 лет. Это реальные цифры с учётом существующих условий. Проблема Норильска — воздействие на здания каменной сечки от карьеров, частицы которой поднимает ветер, помимо снега и льда. Бетон от этого быстро разрушается. А наши здания аэродинамичны, защищены специальным покрытием.
Срок цикла многоэтажных зданий в этом городе планировался на 80 — 90 лет, но износились дома гораздо быстрее. Если оперировать такими цифрами, то для наших зданий можно прогнозировать и 150 лет. Ведь некоторые деревянные дома, построенные сто-двести лет назад, стоят до сих пор.
— А в других регионах работают над подобными проектами?
— В прошлом году я ездил на экономический форум в Москву. Там были представители университетов разных городов, в том числе из Мурманска. На форуме были представлены проекты других исследователей по возведению зданий купольной формы. Но мы предложили эту тему первыми, теперь важно первыми запатентовать нашу разработку.
— Вы не только занимаетесь исследованиями, но и преподаёте…
— Да, но я люблю заниматься со студентами не типовыми курсовыми работами, а научной деятельностью. Если вижу в учащемся какие-то задатки к исследовательской работе, обязательно привлекаю. Студентам это ещё экономически выгодно: за научную деятельность они получают повышенную стипендию.
— Когда определялись с будущей профессией, почему выбрали именно эту специальность? И удалось ли вам самому побывать на Севере?
— Я родился на Севере — в якутском городе Мирный. Но всю жизнь прожил в Красноярске, переехал сюда маленьким. Так что на Севере бываю — периодически навещаю родственников.
Почему выбрал сферу строительства? Из соображений, что в нашем мире всегда будут востребованы две профессии — строителя и врача. Людям всегда надо лечиться и где-то жить. Так что я выбирал между хирургией и строительным факультетом.
— Вам довелось построить дом своими руками по своему проекту?
— Пока нет, но я построил много заборов на дачах и баню. Дом возводить не пришлось, на участке уже был каркас здания, но я занимался его отделкой. Работы руками не боюсь. Когда учишься на специалитете, во время практик знакомишься со многими профессиями: бетонщик, плотник.
— Как молодой учёный, занимающийся актуальными проектами, чувствуете ли вы поддержку со стороны государства?
— У нас сильная поддержка со стороны вуза. Мы занимаемся актуальной и интересной темой. Когда делаем свои доклады, презентации на разных форумах — к нам подходят, задают вопросы. Но конкретных предложений о сотрудничестве мы пока, к сожалению, не получили.
— Возможны два варианта обновления жилого фонда Норильска. Первый — локальный сценарий реновации. Он подразумевает восстановление существующих зданий, а в тех ситуациях, когда это невозможно, их снос и строительство новых.
Дома в этом северном городе интенсивно возводились в середине прошлого века. Часть из них монтировалась на фундамент, опирающийся на скалу. Конечно, климатическое воздействие и физический износ оказали влияние на их состояние: ограждения зданий начали разрушаться, но в целом они вполне пригодны для восстановления.
Другая часть Норильска — дома, построенные на сваях. Исчерпание их эксплуатационной пригодности обусловлено ослаблением несущей способности фундаментов вследствие деградации мерзлоты. Такие здания не всегда можно восстановить, иногда проще снести и на их месте построить что-то новое, лёгкое, более удобное. В этой связи возникла задача — применить при проектировании зданий лёгкие материалы, например древесину, которая, как известно, в пять раз легче железобетона. Её теплотехнические свойства также очень хороши, особенно для Севера. И большой плюс: дома из дерева — это комфортное, экологически чистое жильё.
Возможен и более глобальный сценарий реновации на основе цифровизации, когда будет проведён большой мониторинг территории, учёт деградации грунтов и только затем восстановление инженерных систем, транспортных коммуникаций, строительство домов.
Молодые учёные нашей лаборатории решают множество задач. Просчитывают варианты фундаментов, учитывают ветровые и снеговые нагрузки, конструируют новые здания. Провести реновацию города — вполне выполнимая задача при поддержке власти. Если говорим о возведении новых зданий, первое, что необходимо сделать, — построить пилотный жилой дом с использованием технологии CLT, адаптированной к высокоширотным условиям. Чтобы посмотреть, как проект покажет себя в реальной среде. Надеемся, что краевая власть или мэрия Норильска изыщут для этого средства. Не нужно бояться необычной конструкции — это мировой тренд, подобные здания успешно возводят в других странах.