Строительство в арктической зоне
Особенности проектирования и строительства в арктическом регионе
Валерия Савинова, Марианна Бродач
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.
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»
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:
4. Короткевич Е. С. Полярные пустыни. – Л.: Гидрометеоиздат, 1972.
ОБ АВТОРАХ
Валерия Савинова, Магистр МАрхИ
Бродач М. М. – консультант по инженерному оборудованию, профессор кафедры «Инженерное оборудование зданий» МАРХИ (Государственная академия)
Мейнстрим на снег
Необходимость решения этой задачи была очевидной еще во времена СССР. Ландшафт российских северных городов словно проникнут идеей выдержать южные стандарты, несмотря ни на что.
Но эстетика эстетикой, а все начинается со строительства. Сегодня существует серьезная проблема проектной документации, которая основана на данных некачественных предпроектных изысканий. Поэтому необходимо в первую очередь предусмотреть качественные изыскания перед началом возведения любых объектов, подчеркивает советник губернатора Мурманской области Михаил Кудряшов.
Необходимо учитывать и то, как воспринимают планируемый дизайн городских пространств жители Арктики. Это люди с особенным взглядом на мир, имеющие обостренное восприятие своего и чужого. Естественная красота арктической природы для них имеет очень большую ценность, поэтому дизайн городских пространств должен гармонично вписываться в облик окружающей природы. «Ультрамодный» дизайн северяне воспринимают как непрошеное вторжение в их мир, где царят спокойные и неброские краски. Несмотря на цветовое голодание, «кричащие» оттенки или нарочито сложный дизайн вызывают у северян раздражение. Впрочем, и здесь возможны гармоничные цветовые решения, радующие глаз, например оттенки северных ягод и растений, светлого или зеленого мха. Кроме того, здесь можно очень удачно использовать камень, дерево, гальку, слюду местного происхождения. Это позволит не только экономить на логистике и транспортных расходах, но и развивать производство местных материалов.
Надежда Замятина, ведущий научный сотрудник географического факультета МГУ:
Комментарий подготовлен издательским домом «Северная Неделя», Северодвинск):
Ольга Ковальчук, заместитель главы Северодвинска по городскому хозяйству:
Что касается строительства, то любые проектные и строительные решения должны четко увязываться с расходами на эксплуатацию. Должна быть нормативная база, которая обязывала бы строить, реконструировать или ремонтировать с использованием определенных материалов и технологий.
(Комментарий подготовлен информационным агентством ЯСИА, Якутск):
Ирина Алексеева, руководитель управления архитектуры и градостроительства Якутии:
— В ходе заседания по выработке подходов развития арктической зоны, республика внесла ряд предложений, которые были поддержаны. Таким образом, корректировка подходов к стандарту благоустройства, с учетом наших предложений, стала новым комплексным подходом к развитию арктических поселений.
Это расширенный вариант текста, сокращенный опубликован в печатной версии
ГОСТы для Арктики
.jpg)
Первый повод задуматься о новых строительных нормативах в Арктике дало таяние вечной мерзлоты. В отчете Арктического совета Программы мониторинга и оценки Арктики за 2017 год говорится, что несущая способность почвы в вечной мерзлоте в отдельных районах России уже снизилась с 80-х годов более чем на 20 процентов, а к 2025 году может потерять до 75 процентов. На полуострове Ямал до 2025 года прогнозируется снижение несущей способности грунта на 25-50 процентов, а на юге, где находится второе по величине в мире Уренгойское месторождение природного газа, почва может потерять 50-75 процентов несущей способности. Это означает, что верхние слои могут уже не выдерживать нагрузки дорог, железнодорожных магистралей, трубопроводов и оборудования, установленного на действующих месторождениях, полагает аналитик Bloomberg Джулиан Ли. Свою лепту вносит и строительство городов и крупных промышленных объектов в Арктике. Например, таяние мерзлых грунтов наблюдается в районе нефтяных скважин.
По данным на 2017 год, на Ямале вечная мерзлота оттаяла примерно на 40 сантиметров в районе Салехарда и Лабытнанги. Об этом представители ЯНАО сообщили на V Международном арктическом правовом форуме «Сохранение и устойчивое развитие Арктики: правовые аспекты» в Санкт-Петербурге. По причине таяния вечной мерзлоты на отдельных участках дорог Ямала возникают просадки, из-за которых повреждается дорожная «одежда» и ухудшается ровность асфальта. Проведенные на одной из ямальских дорог исследования показали, что действующая нормативная документация по строительству дорог уже не является эффективной. Департамент транспорта и дорожного хозяйства ЯНАО предложил Минстрою РФ создать опытно-экспериментальные площадки для наблюдения за многолетней мерзлотой, чтобы по итогам этих наблюдений откорректировать нормативы проектирования дорог для Арктики.
Еще один аспект проблемы заключается в том, что устаревшие ГОСТы не позволяют использовать современные материалы и технологии в строительной отрасли. Часть из них разработана в начале двухтысячных годов, а многие нормы не пересматривались со времен СССР.?Ряд их требует корректировки, считает генеральный директор СРО «Объединение строителей Санкт-Петербурга» Алексей Белоусов.
Это особенно актуально для Арктики, где предстоит строить новые порты, жилье и мощные береговые промышленные комплексы. Нелепо рассматривать их строительство с помощью устаревших технологий, описанных в существующих ГОСТах. Примером могут служить жилые дома с проветриваемым подпольем, когда здание стоит на сваях, а между ним и поверхностью земли есть просвет, чтобы тепло от строения не растапливало замерзший грунт. Проветриваемое подполье, по мнению специалистов, неэкономично и совершенно неуправляемо. Уже давно появились способы поддерживать грунт в замерзшем состоянии искусственно, при этом держа под контролем его прочность. Данные способы позволяют использовать более короткие сваи, удешевляя строительство на четверть, а то и на треть. Также новые разработки позволяют создавать закрытые дворы, недоступные для сильных арктических ветров. В таком дворе парковку можно разместить под детской площадкой. Но сегодня региональные чиновники отказываются от подобных решений, объясняя свою позицию тем, что «любое нововведение должно быть подвержено серьезным исследованиям и проверено временем».
Тем не менее федеральные власти понимают существующую проблему. К концу 2020 года будет разработано пять новых сводов правил, касающихся требований к инженерным изысканиям, правилам проектирования и строительства, обследования технического состояния и эксплуатации зданий на многолетних мерзлых грунтах, сообщил генеральный директор Федерального центра нормирования, стандартизации и технической оценки соответствия в строительстве Минстроя РФ Андрей Басов. Это предложение Минстроя вошло в проект госпрограммы по развитию Арктики. Госпрограмма содержит целый раздел, посвященный научно-исследовательским работам по организации строительства в условиях вечной мерзлоты.
В рамках программ Минстроя России уже проведен ряд исследований. Например, составлен прогноз изменения температуры грунтов на территории Арктической зоны на 50 лет. В частности, он показал, что мощность слоя сезонного оттаивания на территории городского округа Воркута и Чукотского автономного округа увеличивается на 0,5-1,5 метра, а температура поднимается в зависимости от региона на 1-4 градуса.
Их предполагается постепенно внедрять в рамках проекта цифровизации строительной отрасли.