А.Н. Асаул, Ю.Н. Казаков, Н.И. Пасяда, И.В. Денисова
Теория и практика малоэтажного жилищного строительства в России
Под ред. д.э.н., проф. А. Н. Асаула. — СПб.: «Гуманистика», 2005. — 563с.

Глава 2. Основы проектирования нетрадиционных индивидуальных жилых домов

2.3. Трансформирующееся, заглубленное и солнечное жилище

Целью создания и использования трансформирующихся индивидуальных жилых домов является изменение эксплуатируемой площади строительного объема и других технико-экономических показателей дома под влиянием изменяющихся факторов с течением времени. Различают следующие три основных типа трансформирующегося жилища: с изменением внешних параметров дома, с изменением внутренних параметров дома и комбинированного типа. Первый тип применяется, в основном, в случае возведения дома по этапам, с использованием последующих дополнительных пристраиваемых помещений и этажей. При этом изменяются внешние параметры—увеличивается площадь застройки, этажность, общая площадь и строительный объем дома. Второй тип домов используется, главным образом, в пределах неизменяемых габаритах дома путем адаптации жилья с помощью внутренних трансформирующихся перегородок. При этом модифицируются только внутренние параметры дома — количество, площадь и пропорции помещений, функциональное зонирование и связь между помещениями. Площадь застройки, этажность и строительный объем дома при этом, обычно, не увеличивается. Это ведет к созданию в доме так называемых универсальных пространств. Третий, комбинированный тип трансформирующегося жилья представляет собой сочетание принципов внешней и внутренней адаптации.

Трансформирующееся жилье нашло широкое распространение в США, Японии и других зарубежных странах. В российской практике данные виды индивидуального жилья еще не получили достаточного применения из-за сложности изготовления и эксплуатации специальных строительных конструкций. Однако прогнозы ученых подтверждают перспективность использования именно динамичного и адаптирующегося жилья в будущем [34, 35]. Так, в проектных предложениях многих архитекторов и ученых есть много оригинальных предложений для трансформирующихся жилых ячеек в обычных и экстремальных условиях.

В зависимости от способа и характера адаптации различают следующие основные виды трансформирующихся домов: складывающиеся, пневматические, выдвигаемые и кассетные.

К складывающимся относятся дома с использованием специальных нетрадиционных складывающихся строительных конструкций. К пневматическим относятся дома с гибкими тканевыми надувными ограждениями, поддерживаемыми избыточным давлением воздуха. Выдвигаемые дома отличаются особыми, выдвигающимися элементами стен и перекрытий. Кассетные дома характеризуются высокоплотным, кассетным способом взаиморасположения конструктивных элементов. Примеры различных видов трансформирующихся индивидуальных жилых домов приведены на рис. 37-39.

Складывающиеся конструкции могут быть жесткими или мягкими, т.е. из эластичных и тканевых материалов, позволяющих их укладывать в компактный транспортный объем. Процессы складывания и раскладывания обеспечиваются с помощью специальных видов соединений — шарнирных, скользящих, роликовых и т.д. (рис. 37, б). В домах с выдвигаемыми элементами используются принцип телескопического выдвижения панелей (рис. 37, д).

К преимуществам пневматических жилых ячеек по сравнению с другими видами трансформирующихся конструкций относятся: более широкие архитектурно-планировочные возможности; устройство не только ячейковых, но и зальных, большепролетных помещений; компактность при передислокации; легкость монтажа; простота трансформации; малый вес и др.

В зависимости от способа устройства различают два основных типа надувных домов: воздухоопорные и воздухонесомые. В воздухоопорных домах оболочка опирается на воздух, находящийся под невысоким избыточным давлением внутри помещений. В качестве воздухоподающих систем используются специальные вентиляторные установки. В воздухонесомых домах наружные ограждающие конструкции являются замкнутыми надувными линейными стержнями, плоскими панелями или пространственными оболочками [17, 19, 25, 34, 44].

Рис. 37. Мобильные трансформирующиеся индивидуальные жилые дома:

а — суперблочные; б — складывающиеся с пространственным каркасом; в — пневматические с армоканатами; г — сборно-разборные из плоских панелей; д — контейнерные с выдвигаемыми элементами; е — сборно-разборные с висячими панелями; ж — самоходные с собственной ходовой частью и кассетными элементами

Различные варианты объемно-планировочных решений пневматического жилья показаны на рис. 38. В качестве оболочек в такого типа домах применяются синтетические воздухопроницаемые гибкие и атмосферостойкие материалы: прорезиненная ткань, неопрен и другие виды полимеров.

В зависимости от формы различают следующие основные виды пневматических домов: простой формы, составной формы, сложной формы, линзообразные, армированные канатами, ортотропные из мелких стержневых элементов и изотропные из крупных плоских и объемных элементов (рис. 38).

Рис. 38. Быстровозводимые пневматические индивидуальные жилые дома:

а — простой формы; б — составной формы; в - сложной формы; г - линзообразные; д - армированные канатами; е — ортотропные; ж — изотропные

Армирование канатами применяется в целях создания зальных помещений, повышения надежности и предотвращения аварийного опадания оболочек. Различные сочетания данных видов пневматических структур дают значительные вариабельные возможности для формообразования не только динамичного, но и выразительного жилища. Этому способствует использование различных форм первичных надувных элементов: конусообразных, торооб-разных (рис. 38, е), цилиндрических, шарообразных и др. Это и позволяет проектировать новые, необычные архитектурные формы в индивидуальном жилищном строительстве.

Рис. 39. Одноквартирный двухэтажный 5-комнатный "растущий" загородный дом со стенами из термоструктурных панелей:  1 — передняя (8 м ); 2 — общая комната (21 м ); 3 — спальня (15; 12; 11; 11 м ); 4 - кухня (13 м ); 5 - гигиеническая комната (6; 4 м ); 6 - сауна (6 м ); 7 — подсобные помещения; 8 — гараж (21 м ); 9 — лоджия (6 м );

Пример планировочного решения трансформирующегося загородного дома, "растущего" под влиянием внешних условий представлен на рис. 39 и в табл. 16.

Заглубленные индивидуальные жилые дома — нетрадиционный, альтернативный вид жилища, который направлен на экономию энергоресурсов, затрачиваемых на обеспечение комфортного режима в помещениях дома. Потребность в заглубленном жилище возникла в связи с повышением требований к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций в России и за рубежом. Широкое распространение строительство заглубленных коттеджей получило в США, особенно интенсивно оно начало вестись после энергетического кризиса 70-х годов. Так, по данным американских ученых, стоимость строительства наземных и заглубленных коттеджей практически одинакова [46]. В то же время экономия энергии при эксплуатации может достигать 30-60 % от затрат энергии для наземных домов.

Таблица 16

Строительные характеристики дома

А. Строительные конструкции
Характеристика	Значение
1. Фундамент 2. Стены наружные и внетренние 3. Перекрытие 4. Покрытие 5. Кровля	ленточный сборный термоструктурные панели термоструктурные панели чердачное оцинкованная сталь
Б. Планировочные показатели
Характеристика	Значение
1. Жилая площадь 2. Общая площадь 3. Вспомогательная площадь 4. Площадь застройки 5. Строительный объем	69 м. кв. 115 м. кв. 46 м. кв. 121 м. кв. 514 м. куб
В. Расход строительных материалов
Характеристика	Значение
1. Термоструктурные панели 2. Лесоматериалы 3. Кирпич 4. Цемент	97 м. куб. 16 м. куб. 5 тыс. шт. 11 т.
Г. Экономические показатели
Характеристика	Значение
1. Трудоемкость возведения 2. Сметная стоимость в ценах 1984 г. 3. Сметная стоимость в ценах 1999 г.	275 чел. - дн. 14 тыс. руб. 632 тыс. руб.

С экологической точки зрения заглубленные дома интересны не только тем, что способствуют сбережению энергоресурсов, но и тем, что позволяют использовать под застройку территории, непригодные для размещения наземных зданий: с большими уклонами или расположенные вдоль транспортных магистралей и аэродромов, оставляемые обычно для защиты наземной застройки от высоких уровней шумов. Таким образом, создается возможность экономии городской земли за счет земель, считавшихся непригодными для строительства. Обсыпка зданий грунтом с последующим озеленением позволяет резко повысить площадь зеленых насаждении в населенных пунктах, улучшить микроклимат застройки. В районах существующей плотной застройки заглубленные дома образуют открытые озелененные пространства, зеленые островки, которые улучшают городской ландшафт, способствуют очищению воздуха от пыли и других загрязнений, обогащают атмосферу кислородом, абсорбируют дождевую воду и формируют жизненную среду для живых организмах.

Таким образом, в городских условиях заглубленные дома помогают восстанавливать и сохранять растительный и животный мир, улучшают качество окружающей гордской среды, т.е. способствуют охране природы.

Энергосберегающий эффект заглубленных жилых домов определяется защитной толщей грунта. Летом заглубленные дома практически не нуждаются в охлаждении воздуха в помещениях, так как он охлаждается вследствие отдачи тепла через ограждающие конструкции (пол, стены, покрытие) грунтовой обсыпке. Специальные меры охлаждения могут понадобиться только в особо жаркие периоды.

Зимой обсыпка грунтом резко уменьшает, — по сравнению с наземными домами, теплопотери за счет добавочного термического сопротивления грунтовой обсыпки; практического отсутствия неконтролируемой инфильтрации холодного воздуха через неплотности ограничивающих конструкций, прикрытых грунтом; а также существенного изменения расчетных суточных и годовых амплитуд колебания температур. Как известно, температура грунта уже на глубине 5 ... 8 м является постоянной и не снижается до отрицательных значений даже зимой.

Благодаря обсыпке дом (если он сам достаточно массивен)функционирует в условиях равномерного теплового режима как помещений, так и конструкций, что способствует их сохранности. Практически чем больше заглубление сооружения, тем более постоянны и благоприятны условия для поддержания теплового режима.

Однако по санитарно-гигиеническим требованиям помещения жилого здания должны иметь естественное освещение и инсолироваться. Поэтому заглубление жилых домов ограничивается возможностями устройства окон, обеспечивающих естественное освещение и инсоляцию. Допускается также устройство световых фонарей. Исходя из этого, заглубленные дома не строят более одного-двух этажей.

В зависимости от вида планировочного решения существуют следующие основные типы заглубленного жилья (рис. 40).

а) полузаглубленные без внутреннего двора;

б) полузаглубленные с внутренним двором;

в) заглубленные с внутренним двором;

г) врезанные в склоны;

д) возвышающиеся-заглубленные;

е) заглубленные с внутренним двором и солнцеприемником.
Различные варианты данных типов коттеджей представлены на рис. 40.

Необходимый эффект снижения энергозатрат при условии создания соответствующего комфорта проживания людей может быть достигнут только при выполнении ряда требований, касающихся выбора места для строительства, определения типа дома, его размещения на участке и ориентации, рационального планировочного и конструктивного решений, инженерного оборудования, благоустройства и озеленения участка строительства.

Решающую роль в выборе участка для строительства играют грунтовые условия и грунтовые воды. Низкая несущая способность грунтов, высокий уровень грунтовых вод могут настолько осложнить конструкцию и гидроизоляцию сооружения, что строительство может стать нерациональным. Большое значение имеет характер рельефа, так как от него и от уровня грунтовых вод во многом зависит выбор типа здания и степень его заглубления. Крутизна и ориентация склонов, общий характер рельефа определяют возможность благоприятной ориентации дома. Наиболее предпочтительны склоны южной ориентации, позволяющие эффективно использовать для обогрева помещений солнечную энергию. При большой крутизне склонов появляется возможность проектированиязаглубленного дома в двух уровнях, что предпочтительно для экономии энергии. Этому же способствует и низкий уровень грунтовых вод.

При проектировании заглубленных домов в системе существующей застройки необходимо учитывать потребность в обваловке дома, соответствующие разрывы между зданиями (особенно если сооружение имеет внутренний дворик, чтобы избежать его затенения), а также возможность наблюдения с соседних участков. Разрывы, кроме того, должны обеспечивать пожарную безопасность, естественное освещение, инсоляцию, вентиляцию, создание эстетической окружающей среды и условий для рациональной эксплуатации здания.

Рис. 40. Энергосберегающие заглубленные индивидуальные жилые дома:

1 — полузаглубленные без внутреннего двора; 2 — полузаглубленные с внутренним двором; 3 — заглубленные с внутренним двором; 4 — врезанные в склоны; 5 — возвышающиеся-заглубленные; 6 — заглубленные с внутренним двором и солнцеприемником

Возвышающиеся дома получили наибольшее распространение. Они возводятся при плоском рельефе или с малым уклоном в южную сторону, если большой объем выемки грунта нежелателен по экономическим соображениям либо невозможен по гидрологическим условиям участка строительства. Здание должно возвышаться над уровнем дневной поверхности грунта не более чем на 30%. Неполное заглубление увеличивает на 5... 10% теплопотери по сравнению с полностью заглубленным вариантом (рис. 40, 5).

С одной, обычно южной, стороны грунтовую обсыпку возвышающегося дома не делают, чтобы обеспечить расположение оконных проемов жидых помещений, требующих естественного освещения. Помещения, в которых естественное освещение не обязательно, проектируют в глубине. Это могут быть кухни и столовые, если они запроектированы как часть жилых помещений. Для обеспечения необходимого светового фронта дом приходится вытягивать в длину. Этот недостаток может быть устранен расположением помещений в двух уровнях. Человек, находящийся в доме возвышающегося-заглубленного типа, не теряет зрительной связи с окружающим миром, что улучшает психологический климат.

Врезанные в склоны заглубленные жилые дома строят при рельефе, имеющем крутые склоны. Строительство врезанных в склон заглубленных домов может быть осуществлено при крутизне откосов до 50° при условии, что грунт обладает достаточной несущей способностью. Планировочные решения таких и возвышающихся зданий сходны. Для врезанных в склоны домов еще более характерна зрительная связь с окружением. В домах, врезанных в крутые склоны, необходимо обеспечить защиту от воды, стекающей по склону к сооружению (рис. 40, 4).

Заглубленные дома с внутренним двором отличаются тем, что их помещения группируются вокруг внутреннего дворика. Непосредственно на него выходят все жилые комнаты, требующие естественного освещения. Дом может иметь один или несколько двориков. Дворик может быть единственной открытой частью дома, и тогда через него осуществляется вход в дом, а весь внешний периметр обсыпается грунтом. Вход может быть организован и по внешнему периметру, тогда дворик может стать элементом пассивной гелиосистемы для обогрева. В летний период, при устройстве во дворике водоема и фонтана, он может служить для охлаждения воздуха помещений за счет использования влаги (рис. 40, 2, 3, 6).

Взаимосвязь жилых помещений дома атриумного типа может быть организована по коридорам, проходящим по внешнему периметру или по периметру дворика, а также непосредственно по дворику.

При проектировании заглубленных домов следует обращать особое внимание на решение специфических для них проблем обеспечения естественного освещения и инсоляции, а также пожарной безопасности.

 

Солнечные индивидуальные жилые дома — нетрадиционный, альтернативный вид жилища, который направлен на активное использование солнечной энергии с помощью специальных устройств для снижения эксплуатационных энергозатрат в доме.

Как показывают исследования, солнечная энергия является наиболее удобным видом энергии для энергосбережения индивидуальных жилых домов [46]. Ее достоинства: экономичность, возобновляемость, простота использования и доступность в различных регионах мира. Солнечное жилище уже довольно широко применяется в США, Японии, Швеции, Израиле, Индии и других странах. Так, в Израиле около 800 тысяч домов оборудовано солнечными водонагревающими устройствами. В США в настоящее время успешно эксплуатируется более 15 тысяч солнечных домов, а к 2005 г. планируется довести долю солнечной энергии в топливном балансе страны до 25-30%.

Солнечное индивидуальное жилище в зависимости от принципов энергосбережения и специфики объемно-планировочного решения классифицируется на шесть основных типов домов:

а) с раздельными отражателями на всей крыше;

б) с общими отражателями на части крыши;

в) с отражателями на склоне;

г) с прозрачной стеной-витражом;

д) с оранжереей;

е) с темной "стеной Тромба".

Примеры данных типов солнечных домов приведены на рис. 41.

Для использования энергии солнца при удовлетворении тепловых нужд могут быть использованы различные гелиосистемы: пассивные, активные и смешанные.

В пассивных гелиосистемах приемником и преобразователем солнечной энергии является сам дом — его помещения и конструкции, а распределение тепла осуществляется за счет конвекции.

В активных гелиосистемах для приема, преобразования, перемещения, накопления и распределения энергии, получаемой от солнца, создаются специальные инженерные устройства, коллекторы, тепловые сети, аккумуляторы и отопительные приборы. Производительность активных систем значительно выше, чем пассивных, однако и стоимость намного выше.

В смешанных гелиосистемах применяются элементы как пассивных, так и активных гелиосистем, что позволяет повысить эффективность использования солнечной энергии.

Гелиосистемы могут решать задачи энергосбережения домов самостоятельно или совместно с дублирующими системами, работающими на традиционных видах топлива.

Как правило на гелиосистемы возлагается задача снабжения дома теплом, поскольку солнечные электрогенераторы находятся еще в начальной стадии разработок и могут быть применены лишь в исключительных случаях:

Пассивные гелиосистемы основаны на использовании парникового эффекта в помещениях, эффекта аккумуляции тепловой энергии солнечных лучей массивными конструкциями зданий и эффекта конвекции для доставки тепла. По сути все дома, имеющие большие площади остекления окон, выходящих на южную сторону, а также обычные оранжереи и теплицы, здания с водоналивнымикрышами и с пофасадно-регулируемой теплопроизводитель-ностью водяных систем отопления можно отнести к домам с пассивными гелиосистемами.

В настоящее время разработаны и нашли практическое применение три основных типа пассивных гелиосистем: стена-витраж, оранжерея, "стена Тромба".

1. Стена - витраж — это большая остекленная поверхность стен помещений, выходящая на юг. В результате прямого облучения пространства за остекленением воздух помещений и их внутренние поверхности нагреваются. Длинноволновое отраженное излучение стекла витража не пропускают (парниковый эффект), в результате чего воздух получает дополнительное тепло и температура в помещениях повышается. В ночное время температура в них поддерживается за счет тепла, излучаемого прогретыми внутренними поверхностями помещении, конструкции которых выполнены из теплоемких, аккумулирующих тепло материалов, (рис. 41,4).

Количество тепла, поступающего в помещение, во многом зависит от ориентации витража, его размеров, вида остекленения и затеняющих устройств.

Тепловое действие стены-витража регулировать трудно. Резкие перепады температуры в помещениях за витражом, связанные с изменениями внешней температуры в течение суток, отрицательно сказываются на состоянии человека. Зависимость от погоды и времени суток, ненадежность ночного обогрева, низкие аккумулирующая способность и общая эффективность делают стены-витражи, несмотря на простоту устройства и относительно небольшую стоимость, ограниченно пригодными для применения. Наиболее целесообразно их использование в районах с большим количеством солнечных дней и сравнительно теплыми ночами [46].

Рис. 41. Индивидуальные жилые дома с солнечными системами:

1-е раздельными отражателями на всей крыше; 2-е общими отражателями на части крыши; 3 — с отражателями на склоне; 4 — с прозрачной стеной-витражом; 5 — с оранжереей; 6 — с темной "стеной Тромба"

Стекло расположено на расстоянии 15 ... 20 см. от стены. Воздух, находящийся в пространстве, образованном стеной и стеклом, прогревается лучами солнца, поднимается вверх и через отверстия, проделанные в стене, попадает в прилегающее помещение и обогревает его.  Остывший в помещении воздух опускается вниз и через отверстия в нижней части стены возвращается в промежуток между стеной и стеклом и, снова нагреваясь, поднимается вверх и попадает в обогреваемое помещение. Такая циркуляция нагретого и охлажденного воздуха, обеспечивающая отопление помещения, происходит в дневное время. Ночью обогрев достигается теплом, излучаемым массивной, теплоемкой стеной — аккумулятором тепла. Практически стена служит приемником солнечной энергии, ее аккумулятором и прибором отопления (рис. 41,6).

В активных гелиосистемах для улавливания и преобразования солнечной энергии используются специальные приборы. Преобразование солнечной энергии в электрическую происходит с помощью специальных солнечных батарей и других фотоэлектрических приборов. Превращение солнечной энергии в тепловую производится специальными устройствами — коллекторами, а распределение тепла по помещениям — газообразным (воздух) или жидким (вода, масло, антифриз) теплоносителем (рис. 41, 1-3).

Посредством активных гелиосистем могут быть организованы отопление, охлаждение и горячее водоснабжение. Чтобы обеспечить бесперебойность теплоснабжения при большом количестве пасмурных дней в году, активная система может иметь в своем составе дублирующую водогрейную установку, работающую на традиционном виде топлива.

В особом типе активных гелиосистем для повышения эффективности работы коллекторов устанавливаются отражатели (гелиостаты), отраженные от них солнечные лучи направляются на коллекторы, что увеличивает поток солнечной энергии, принимаемой и преобразуемой ими (рис. 41, 1-3).

Использование отражателей позволяет в 2 ... 4 раза уменьшить площадь коллекторов.

Эффект от применения нетрадиционных индивидуальных жилых домов может быть существенно повышен за счет не только отдельных быстровозводимых, мобильных трансформирующихся, заглубленных и солнечных зданий, но и за счет комплексной эксплуатации всех указанных и других видов альтернативных объектов.

Пример проектирования комбинированного вида мобильного трансформирующегося загородного коттеджа представлен на рис. 42.

Предложенные решения можно характеризовать следующими специфическими особенностями.

1.    Основу объемно-планировочного решения коттеджа составляют мобильные жилые контейнеры замкнутого типа полной заводской готовности со встроенными оборудованием и мебелью. Несущим остовом комплекса является пространственный стальной каркас, в который могут вставляться жилые контейнеры, наличие опор в комплекте дает возможность резко уменьшить занимаемую площадь застройки и эффективно эксплуатировать земельный участок под домом, используя его для сада, огорода, отдыха и других целей.

2.    Трансформирующиеся конструкции позволяют динамично адаптировать коттедж к изменяющимся условиям путем использования специальных пульсирующих контейнеров с телескопически выдвигаемыми, кассетными и складывающимися панелями стен, перекрытий и перегородок. Для организации большепролетных зальных пространств в центре коттеджа (зимний сад и гостиная) предусмотрены пневматические, надувные структуры покрытия.

3. Системы инженерного оборудования коттеджа сконструированы в специальных подземных контейнерах. Это котельная, электростанция, насосная, водопроводная, канализационная, очистная и другие установки. Предусмотрена полная утилизация всех жидких и твердых отходов жизнедеятельности человека в коттедже. Для использования солнечной энергии применяются активные и пассивные гелиосистемы.

Данное решение отвечает доктрине и основным перспективным принципам проектирования и строительства высокомобильной, трансформирующейся, динамично развивающейся и адаптирующейся индивидуальной жилой среды для человека. Существуют и другие варианты комплексной застройки индивидуального жилья.

Таким образом, во второй главе пособия рассмотрены основы проектирования нетрадиционных индивидуальных жилых домов на примере быстровозводимого, мобильного, трансформирующегося, заглубленного и солнечного жилища. Раскрыты наиболее важные термины и определения. Изложены основные преимущества и специфические особенности нетрадиционного жилья, отличающие его от традиционной жилой среды из капитальных и стационарных конструктивных систем.

Приведены конкретные технико-экономические показатели серийно выпускаемых в России мобильных и быстровозводимых жилых домов. Представлена классификация основных типов контейнерных, сборно-разборных, пневматических и других разновидностей индивидуальных жилых домов. Обоснованы перспективные направления в развитии сферы нетрадиционной, альтернативной архитектуры жилой среды.

Рис. 42. Мобильный трансформирующийся загородный коттедж из пульсирующих контейнеров на побережье Финского залива:

1 - надземные жилые контейнеры; 2 - подземные инженерные контейнеры; 3 - пневматические структуры; 4 - солнечные установки; 5 — зимний сад; 6 — эксплуатируемая крыша; 7 — опоры; А — зоны общего использования; Б — зоны индивидуального использования; В — зоны развития (пилотный проект Ю. Казакова на международном архитектурном конкурсе в г. Хьюстон (США)

В связи с этим сделан вывод о возможной востребованности жилья, которое бы обладало максимальной заводской готовностью, высокой транспортабельностью, минимальной массой, компактностью, наименьшим временем возведения, возможностью трансформации и изменения планировочного решения и при этом высоким комфортом, экономичностью и красотой. Для этого в архитектурном проектировании необходимо учитывать не только существующие международные научно-технические достижения, но и перспективные, прогнозируемые в будущем тенденции в развитии индивидуального жилища XXI века.