Министерство образования и науки Республики Казахстан «Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева» Архитектурно-строительный факультет каф. Архитектура Студентка группы Арх-32 Тургимбава Г.Б.. Научный руководитель: .к.э.н., доцент Рыспекова М.О. Город под куполом. Опыт зарубежных стран в проектировании крытого города и применение его в Казахстане. Актуальность данной работы заключается в том, чтобы показать положительные перспективы купола. В данной работе можно наблюдать все свойства купола и почему его реализация для Казахстана будет благоприятным. Наряду с этим, вы столкнетесь с общим понятием о куполе, какие виды ему присуще и его познавательная история. Город под куполом— это разновидность теоретической или вымышленной структуры, которая представляет собой большую урбанизированную область, помещённую под единую крышу. Города под куполом являются одной из повторяющихся тем в научной фантастике начиная с первой половины XX века. Различные авторы располагают их на Земле, Луне или других планетах. В 1947 году, американский архитектор и инженер Ричард Бакминстер Фуллер предложил новую концепцию в архитектуре, полусферический купол из металлических несущих конструкций, имеющих форму сот, с натянутой на металлические ячейки пластиковой пленкой из особого полимера, так называемый "Геодезический купол". Геодезический купол - легкая прозрачная конструкция способная защитить от ветра и дождя, но в то же время способная накрыть довольно большую площадь и имеющая большой внутренний объем. Купола Фуллера, разительно отличаются от привычных зданий, легкие и прозрачные, они кажутся футуристическими строениями, по сравнению с привычными каменными домами или металлическими корпусами. Несущий каркас куполов изготовляется из легких металлических балок, как правило, стальных. В ячейки вставляются легкие металлические рамы, на которые натянута пластиковая пленка из особого полимера, «Полиэтилентетрафторэтилена», сополимера полиэтилена и тетрафторполиэтилена – «Фторопласта» из которого делают антипригарное покрытие для сковородок. Полиэтилентетрафторэтилен – «ЭТФЭ» сочетает основные свойства полиэтилена и фторопласта, это прочный и эластичный пластик, негорючий, устойчивый к высокой температуре, не поддающийся разложению и имеющий грязе – пылеотталкивающую поверхность способную самоочищаться. В отличие от полиэтилена ЭТФЭ не твердеет и не трескается на морозе. Пленочная облицовка куполов достаточно прочная, чтобы выдержать любой ветер, вплоть до ураганного, она свободно выдерживает вес человека. При повреждениях обрывки пленки медленно падают в низ, как обычная полиэтиленовая пленка, при пожаре ЭТФЭ не образует горячих расплавленных капель, подобно полиэтилену. Купола Фуллера не нашли широкого применения в архитектуре, но они используются при проектировании некоторых зданий инновационного дизайна, получивших репутацию новых архитектурных чудес. Помимо геодезического купола существует также монолитный купол, который представляет собой моноблочную конструкцию, изготовленную из бетона и арматуры. Преимущества купола: • изогнутая форма купола делает его устойчивым от ветра и шторма; • во время землетрясений купол двигается с землей, вместо того, чтобы упасть; • купол не может быть поврежден в результате пожара, гнили, или насекомых. В 1960 — 1970-х годах прошлого века купола использовались для возведения климатронов, помещений с воспроизведением определенных климатических условий для создания растительных сообществ, типичные для определенных георгафических зон. Первый такой «Климатрон» был построенный в Сент Луисе, штат Миссури (США) в 1960 году, диаметром 53 метра, сделанный из алюминиевых несущих рам. Название климатрон было придумано директором Фрицем Вэнтом. Однако уже через несколько лет после начала эксплуатации этот климатрон утратил свою функциональность, поскольку алюминиевый каркас перекосился, купол утратил герметичность, а пластмассовое «застекление» изменило цвет. В 1988 году на реконструкцию Климатрона в Сент-Луисе ушло $6 млн, повторно он был открыт в 1990 году. Около трёх тысяч стекол купола имеют треугольную форму 72-х различных конфигураций. Диаметр купола составляет 52,9 м, высота — 21 м, у него нет никакой внутренней поддержки. В 1961 году создатели Климатрона получили премию Reynolds за удачное использование алюминиевых конструкций. В 1976 году оранжерея была названа одним из 100 наиболее существенных архитектурных достижений в истории Соединенных Штатов Америки. В Советском союзе в 1971 году был построен климатрон высотой 30 метров и общей площадью около 1000 м², а в 1984 году было завершено сооружение купольной оранжереи высотой 18 м общей площадью 532 м² на территории Ботанического сада им. А.В. Фомина. Сюда же можно отнести Ботанический сад - «Эдем», имеющий форму ряда куполов, построенный в 2002 году в Англии, в окрестностях Корнуэлла. В конструкции - это строение относится к геодезическому куполу, имеющий каркас из стальных труб, образующих шестиугольные рамы с наружными панелями из термопластика ETFE (этилентетрафторэтиленовых «подушек»). От использования стекла было решено отказаться из-за его веса и потенциальной опасности. Наружные панели изготовлены из многослойной пленки (прозрачной фольги) ETFE, пропускающей ультрафиолетовые лучи. По сравнению со стеклом ETFE стоит вдвое меньше, имеет лучшие качества температурной изоляции и пропускает больше ультрафиолета, что для растений чрезвычайно важно. Она весит 1 % от веса стекла, делая всю структуру легче, чем воздух, в ней содержащийся. В оранжереях функционирует компьютерная система климатического контроля, которая регулирует температуру и влажность в каждом куполе. В 1965 году в Хьюстоне появился один из крупнейших крытых стадионов — Астродром. На основании удачного эксперимента и для того, чтобы «смягчить» малопригодные для проведения спортивных соревнований погодные условия, владелец одной из бейсбольных команд Рой Хофхеинз решил накрыть стадион огромным куполом. Свое название стадион получил благодаря расположенному рядом космическому штабу НАСА. При его строительстве была использована масса технических новинок. Искусственный микроклимат внутри 18-этажного сооружения поддерживается только кондиционерами. Но с началом проведения соревнований выяснилось, что играть в бейсбол на стадионе невозможно — более четырех тысяч окон купола действовали как линзы, улавливая солнечные лучи и слепя игроков. Часть окон покрыли белой краской. Вскоре после этого погибла вся трава, покрывающая стадион — солнечного света катастрофически не хватало. Хофхейнз нашел выход и из этого положения. Была создана искусственная, пластмассовая трава — Астроф. В 1987 г. была проведена реконструкция купола стоимостью $100 млн. В 1960—1970-х годах концепция города под куполом широко обсуждалась вне научной фантастики, и считался главной мечтой всех футурологов. В 1960 году Бакминстер Фуллер, создатель геодезического купола, описал трёхкилометровый геодезический купол, накрывающий Средний Манхэттен, который позволил бы регулировать погодные условия в данном районе и уменьшить загрязнение воздуха. Проекты возведения купола предлагались в 1979 году для города Винуски (штат Вермонт). Зимой температура здесь падает ниже 20 градусов, и, видимо, непривычные для почти всей остальной Америки холода заставили в 1979 г. его жителей задуматься о том, чтобы укрыть все поселение огромным колпаком. Колпаком, который сохранит дорогое зимой тепло и позволит существенно сэкономить на энергии. В те годы мир охватил очередной топливный кризис, цены на нефть были высоки и проект выглядел вовсе не нелепым. Как нетрудно догадаться, он все-таки не был реализован. Еще в 1979 на счет городка Винуски были проведены даже соответствующие расчеты. Они показали, что среднее домохозяйство смогло бы вдесятеро сократить расходы на отопление. Тогдашний проект представлял собой прозрачный купол, который в наивысшей своей точке достигал бы 76 м — для небольших домов Винуски, самый высотный из которых насчитывает 11 этажей, этого вполне достаточно. В 2010 году такой же проект предлагался для города Хъюстона — это город в США, расположенный в юго-восточной части штата Техас, четвертый по населению в Америке. Положение его таково, что он постоянно подвергается опасности: страдает от жары, ураганов, торнадо и других природных катастроф. Команда мега-инженеров предложила защитить город: огромный купол-пузырь на долгие годы скроет его от разрушительных явлений. Учитывая высоту и размеры купола, обычные краны здесь неприменимы. Инженеры предложили использовать грузоподъемные вертолеты и новый тип гелиевых дирижаблей; с их помощью детали конструкции будут доставляться на высоту 550 метров. Структура будет сделана из восьмиугольников, состыкованных друг с другом в формате, напоминающем пчелиные соты. Чтобы обеспечить закругление купола, в стратегических точках будут размещены пятиугольные структуры. В наивысшей точке купола будет установлена серия откидных ячеек, которыми можно будет манипулировать для регулировки температуры, влажности, степени загрязнения, вентиляции. Через них также можно будет выпускать случайно захваченных куполом птиц. Вместо стекла, инженеры предложили использовать крепкий и легкий пластик (этилен тетрафтороэтилен, ETFE). Трехслойная структура будет весить одну сотую от веса подобной структуры, будь она выполнена из стекла, она проста в эксплуатации. Подобный материал использовали при строительстве Национального Пекинского Аква-центра (Beijing’s National Aquatic Center), объекта Олимпийских игр 2008 года. Купол накроет почти 2 млн кв.м. площади, что сделает эту конструкцию самой большой в мире. Крышу будут поддерживать более 369 000 узких стальных стоек, при этом, для устойчивости конструкции критичной будет лишь потеря до 75 000 из них. Массивные двери можно будет полностью закрыть, чтобы защитить город от урагана или другой природной катастрофы. Купол будет установлен на бетонном фасаде. Проект города под куполом был предложен в 2010 году для города Мирный в Якутии. Специалисты архитектурного бюро "АБ Элис" (Москва) разработали концепцию реабилитации промышленной зоны в городе Мирном (Якутия). Концепция носит название "Экогород 2020" стоимостью строительства 150 млрд руб.). Климат района резко континентальный с продолжительной (6-7 месяцев) суровой зимой, жарким коротким летом и кратковременными переходными периодами. Для решения климатических проблем данного региона представленным инициативном проектом предлагается создать в существующем отработанном котловане карьера, оставшийся после промышленной добычи алмазов, градостроительное образование нового типа – "Экогород 2020". Работа на этом карьере, одном из крупнейших в мире, прекратилась еще в 2001 году. На основании современных научных и технологических знаний на месте ги гантской воронки диаметром около километра и глубиной 550 метров в условиях вечной мерзлоты специалисты хотят создать город-сад, который станет центром притяжения населения, а также международных туристов в Восточную Сибирь. Проектом предлагается перекрыть карьер светопрозрачным куполом. Пространство предлагается разделить на 3 яруса: нижний – для выращивания сельхозпродукции, так называемая "вертикальная ферма", средний – лесопарковая зона, очищающая воздух, и верхний – для постоянного пребывания людей. Вентиляция всего подкупольного пространства предусматривается естественной за счёт разницы в давлении холодного и тёплого воздуха (по принципу русского погреба). Данное решение позволяет создать градостроительное образование без теплосберегающих ограждающих конструкций, так как их функцию выполняют стенки кратера. Общая энергоэффективность проекта делает его рентабельным. Верхний ярус используется для устройства города, имеющего как жилую функцию, так и служащего для размещения административных и социо культурных зданий и сооружений. Архитекторы безуспешно стремились убедить инвесторов, что возведенный в условиях вечной мерзлоты город-сад обеспечит непрерывный поток туристов и миграцию населения в Восточную Сибирь. Не найдя понимания на родине, авторы проекта пошли на крайние меры — написали в августе этого года письмо британскому принцу Чарльзу с предложением поучаствовать в проекте суммой $5 млрд. Ответа пока нет. В 2011 году был представлен уникальный проекте криптоклиматического чудо-города во льдах для военных, агентов спецслужб и ученых. Его ориентировочная стоимость - 4 миллиарда фунтов стерлингов (6,4 миллиарда долларов), предполагаемое место расположения - остров Котельный архипелага Новосибирских островов в Северном Ледовитом океане. Проект города, получившего название "Умка" по имени белого медвежонка из популярного советского мультфильма, уточняет издание, был представлен на сентябрьском Международном арктическом форуме в Архангельске, организованном Русским географическим обществом. Автор проекта - заслуженный архитектор РФ Валерий Ржевский. По его задумке, город будет чем-то вроде кокона класса люкс: под огромным куполом, способным защитить от внешних низких температур, разместятся дома, научные лаборатории, парки и аттракционы, аквапарк, отели и храм. Там также будут школы, детские сады, зоны отдыха, больница и спортивные сооружения. Город будет снабжен особой регулируемой климатической системой, которую создадут с использованием космических и других передовых технологий. В целом город и будет отчасти напоминать космическую станцию, но будет несравнимо комфортнее и больше по площади: 1,5 километра в длину и 800 метров в ширину. Электричество будет вырабатывать плавучая атомная станция. Продукты питания не придется доставлять с материка: по замыслу, город с фермами по разведению рыбы и домашней птицы, теплицами и зерновыми фабриками будет на полном самообеспечении. А все виды отходов будут перерабатываться на двух заводах. В декабре 2012 года глава Республики Казахстан Нурсултан Назарбаев объявил о возможности построения города под куполом в рамках международной выставки «ЭКСПО-2017». Климат г. Астана резко континентальный с продолжительной зимой, жарким коротким летом и кратковременными переходными периодами. Ветра достигают 20 м/с, а температура зимой падает ниже 30 С. Для контроля сурового климата столицы планируется возвести купол, имеющий в окружности около двух километров – это в два раза больше, чем «Купол тысячелетия» в Лондоне. Под куполом собираются разместить жилые дома, школы, аллеи и парки, торговые центры и всевозможные другие центры обслуживания населения. Въезд автомобилям будет запрещен, передвигаться по такому городу можно будет по каналам. Город под куполом будет рассчитан на 10 15 тысяч людей. Помимо крытого города , глава государства планирует создать крытую улицу на простив «Назарбаев Университета» длиною 500 м, по которой люди свободно смогут перемещаться. Первым шагом к созданию города под куполом безусловно является строительство торгово-развлекательного центра «Хан шатыр». Комплекс высотой почти в 200 м. стал высотной доминантой города. Его «скелет» - огромный шатер из мелкой сетки, покрытой фторполимером ETFE – уникальным материалом, пропускающим свет и защищающим внутреннее пространство от жары и холода. Внутри образуется зона площадью 100 000 кв. м с обширным городским парком, магазинами, кинотеатрами, кафе и концертной площадкой, где жители Астаны смогут проводить свободное время вне зависимости от времени года и погоды. За право построить гигантский купольный город соревнуются турецкие, японские, итальянские и британские архитекторы. Однако недавно стало известно, что Градостроительный совет в столице р еспублики успешно прошел проект компании BKT Project (руководитель – Каир Баймукашев). Начало и окончание строительства города под куполом пока не известны, предположительно 2017 г. Идею «Города под куполом» можно сделать более реализуемой, если использовать вместо гигантских куполов километрового диаметра, множество относительно небольших полусфер, диаметром сотни или десятки метров, накрывающих небольшие участки застройки, или отдельные здания. Но еще более удобной с точки зрения практической целесообразности может быть концепция т. н. «Купольной системы», состоящей из протяженных арочных конструкций накрывающих отдельные дома, и полусфер, сообщающихся между собой изнутри и образующих единый комплекс для поддержания микроклимата, похожий на гигантскую теплицу. Арочные конструкции и небольшие полусферы, покрывающие отдельные здания, намного проще строить, чем крупные купола, способные закрыть группы домов вместе с дворами и прилегающими территориями. Небольшие конструкции купольных систем будет проще монтировать, так как не понадобятся специальные краны или вертолеты, и они позволяют более рационально использовать внутреннее пространство куполов, накрывающих только полезную площадь. В отличие от классических полусфер, единственным несущим элементом для которых служит собственный каркас, каркасы купольной системы можно оснастить внутренними поддерживающими конструкциями, опорой для которых служит накрываемое куполом здание. Такой каркас сделает купол более жестким и снимет значительную часть нагрузки с внешней сетчатой оболочки, что позволит делать ее из серийного профиля, который дешев и повсеместно доступен. Стандартные ячейки с тремя слоями купольной пленки обладают достаточно высокими теплозащитными свойствами, сравнимыми с трехслойными пластиковыми стеклопакетами. Но для севера их можно усилить несколькими дополнительными слоями пленки, до десяти слоев. Чтобы не было большого расхода дорогой пленки из ЭТФЭ, из стандартной прочной этиленфторэтиленной пленки можно сделать только внешние слои, внутренние слои не подверженные действию ветра могут быть и из дешевой тонкой пленки, как фторопластовой, так и из других полимеров. Теплоизоляционные свойства многослойных панелей сравнимы с бетонными плитами или слоем утеплителя, позволяя сохранять тепло даже в сильные морозы. Купольная система дает большие преимущества в плане сохранения тепла зимой, позволяя в несколько раз снизить расход энергоносителей и эффективно использовать альтернативные источники тепла. Основное преимущество, которое дает купольная система в плане теплового энергосбережения, это возможность эффективно использовать так называемые – «Низкопотенциальне источники тепла». Источники тепла имеющие низкую температуру, низкий энергетический потенциал, как правило, теряются, бесполезно рассеиваясь в пространстве. Из-за низкого потенциала, их не выгодно использовать в стандартных теплосетях. В стандартных системах отопления нужна высокая температура, иначе перекачивать теплоноситель по системе становится не выгодно. Для поддержания микроклимата в куполах достаточно иметь теплоноситель с комнатной температурой или даже нулевой, такой как речная вода. Кроме того, что купола сами по себе могут служить дополнительным теплоизолятором, сохраняя тепло идущее от домов, они еще дают возможность с пользой использовать низко потенциальные источники, предотвращая бесполезную потерю энергии на «Нагревание атмосферы» и используя тепло «По второму кругу» за счет теплообменников. Купол позволяет не только более экономно расходовать тепло от искусственных источников, но и задерживать тепло получаемое от солнца, за счет «Микро парникового эффекта», который может создать специальное покрытие на внутренней стороне пластиковой пленки, отражающее тепловое, инфракрасное излучение обратно под купол, но беспрепятственно пропускающее солнечный свет. При стандартной схеме теплоснабжения дома отапливаются горячей водой, полученная от теплоносителя энергия рассеивается в атмосфере через стены и окна и уходит с теплым воздухом через систему вентиляции. Купола образуют дополнительный барьер, сохраняющий внутри тепло уходящее через стены, и дает возможность возвращать тепло потраченное на нагрев воздуха за счет теплообменников. Проходя через регенеративные теплообменники – «Рекуператоры», теплый воздух из вентиляции и из-под купола отдает свое тепло свежему атмосферному воздуху, поступающему в систему вентиляции, создавая замкнутый тепловой цикл, сводящий к минимуму потери энергии. С точки зрения экономической целесообразности, купольные системы могут не только окупать себя за счет снижения затрат на отопление, но и позволяют экономить на строительстве. Микроклимат, создаваемый куполами избавляет жилые дома от действия ветра, дождей и сильных перепадов температуры. Что позволяет строить под куполами здания облегченного типа, основу которых составляют не тяжелые строительные материалы, такие как бетон и кирпич, а легкие каркасы из металлических и бетонных балок, обшитые трехслойными панелями, не несущими, но легкими и дешевыми. Здания из «Сендвич» панелей на металлических каркасах одно из новых направлений в строительстве, такие дома дешевые и быстровозводимые. Легкие панели, несмотря на малый вес, обладают хорошими тепло шумоизолирующими свойствами. Купола практически исключают попадание воды в стыки между панелями и перепады температур, которые могут приводить к разрушению внешних стен и коррозии несущих балок, делая здания облегченного типа не менее долговечными, чем капитальное жилье. Панельные здания стоят в несколько раз дешевле бетонных, в то же время стоимость самих куполов не так велика по сравнению с домами. Стоимость квадратного метра серийных куполов, как правило, в пределах нескольких сотен долларов за квадратный метр, это немного по сравнению с ценами на жилье, стоимость арочных куполов будет еще ниже, так как их ячейки имеют более простую геометрию и могут быть изготовлены из дешевых материалов. Один из серийных куполов подходящих габаритов имеет диаметр 50 метров внутреннюю площадь, около 1900 метров и стоимость 50000 евро, что в пересчете на квадратный метр составляет около 25 евро. У похожего купола на жилом доме стоимость метра будет в разы выше, так как высота купола будет больше, а покрываемая площадь меньше. Но все равно можно, можно с уверенностью сказать, что относительная стоимость куполов не велика и с массовым освоением этой технологии она снизится еще в несколько раз. С некоторым риском оказаться от зависимости от микроклимата купола, внутренние здания можно делать вообще из одних отделочных материалов, что делает их уязвимыми при сильных повреждениях купола, но зато позволяет снизить стоимость застройки в 5, 10 раз, по сравнению с традиционным жильем. Самые инвестиционно привлекательные здания, рассчитанные на массовое привлечение клиентов, могут накрываться куполами целиком с прилегающими территориями, без полимер, или проектироваться сразу из расчета на купольную конструкцию. Крупные купола могут обеспечить большую полезную площадь с открытым пространством, они эстетичны и в то же время относительно дешевы. Купольные конструкции хорошо подходят для проектирования крупных торговых центров, таких как торгово-развлекательный центр «Хан шатыр» в Астане. После того как технология куполов пройдет стадию инкубации на рейтинговых зданиях, она станет достаточно распространенной и доступной для рядовых застроек. К использованию купольных систем на севере может побуждать снижение расхода топлива на отопление, в среднем на человека расходуется около 4 тонн топлива в год, стоящие около тысячи долларов, приблизительная цена купола в пересчете на квартиру несколько тысяч долларов, купол позволяет экономить до 50% и более энергии на отопление. Купола должны окупаться за 5 – 7 лет, за счет экономии топлива, но этот срок может уменьшиться за счет новых, более рациональных технологий строительства. Технология накрытия зданий куполами сначала должна пройти стадию инкубации на самых инвестиционно привлекательных постройках, таких как торгово развлекательные центры и офисные здания, когда она станет отработанной и подешевеет, куполами начнут накрывать жилые застройки и производственные помещения. В отличие от «Мегапроектов», большой стоимости и рассчитанных на длительный срок окупаемости, постепенное развитие концепции купольных систем, не предполагает больших затрат и рассчитано на постепенное развитие и стандартное финансирование. Самые инвестиционно привлекательные здания, рассчитанные на массовое привлечение клиентов, могут накрываться куполами целиком с прилегающими территориями, без полумер, или проектироваться сразу из расчета на купольную конструкцию. Крупные купола могут обеспечить большую полезную площадь с открытым пространством, они эстетичны и в то же время относительно дешевы. Купольные конструкции хорошо подходят для проектирования крупных торговых центров, таких как центр «Хан шатыр» в Астане . Какой же будет жизнь в таком городе под куполом? Довольно легко нарисовать картину блестящей футуристической утопии, но жизнь в закрытом обществе обязательно привнесет свои проблемы. Так как парки и сады расположенные внутри строения будут тщательно поддерживаться, личная ответственность каждого жителя по отношению к окружающим значительно возрастет. Возможно каждый город под куполом установит свои собственные законы а может быть и выберет свое собственное правительство. Ну а если производство пищи в таком месте будет автоматизировано, а электричество получено из окружающей среды, то те, кто выявит желание поселиться в этом раю должны будут делать серьезные денежные взносы. Но если в конечном итоге подобная затея станет выгодной и недорогой, крупные строительные компании смогут хорошо подзаработать, превращая обширные районы пустыни из абсолютно непригодных для жизни участков суши, в шикарные жилые районы. Список используемой литературы: • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4_%D0%BF %D0%BE%D0%B4_%D0%BA%D1%83%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BC • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%82% D1%80%D0%BE%D0%BD • http://www.arhinovosti.ru/2010/04/25/inzhenery-predlozhili-spryatat-khyuston-pod-kupolamerika/ • http://www.popmech.ru/technologies/9671-pod-kolpakom-krysha-nad-domom/ • http://www.kommersant.ru/doc/1803196 • http://globalsib.com/9382/ • http://spaceexpansion.ucoz.ru/publ/quot_kupolnaja_sistema_quot_dlja_severnykh_gorodov/ 1-1-0-9 • https://expo2017astana.com/astana/arxitektura-astanyi