Биомиметические принципы формообразования вертикальных ферм как новой типологии в агропромышленной архитектуре.

Аннотация. В статье рассмотрена взаимосвязь  применения биомиметических принципов и формообразования вертикальных ферм. Использование природных характеристик позволит повысить эффективность и архитектурную выразительность данных архитектурных объектов.

Abstract. The article examined the relationship of biomimetic principles and shaping the vertical farms. The use of natural features will improve the efficiency and architectural expression of these architectural objects.

Ключевые слова: биомиметика, вертикальная теплица, заимствование, формообразование, биомиметические принципы, природа.

 

Новым витком в развитии архитектуры стало появление, так называемой, биомиметической архитектуры. Жители крупных мегаполисов столкнулись с рядом экономических, экологических, социальных и др. проблем, что обусловило желание создавать эффективную архитектуру и поиск новых форм. Так зародилась органичная биомиметическая архитектура.

Биомиметика – это особый метод создания объектов при заимствовании идей у живой природы. При биомиметическом подходе архитекторы не просто копируют природные образы, а осуществляют подробный анализ принципов устройства живого мира. Термин «биомиметика» был принят на симпозиуме в г. Дайтоне, США. Писатель и натуралист Джанин Бениус, занимающаяся вопросами биомиметики, уверена, что все самое совершенное уже создано и человеку стоит учиться у природы, наблюдать за ее устройством и взаимосвязями, использовать природные системы в современной промышленности, архитектуре и дизайне.

Как известно, одним из негласных правил в архитектуре является соответствие внешнего облика здания его внутреннему содержанию (конструкция, функция). Конструктивные особенности здания определят его внутреннее пространство и внешнюю оболочку. Функция, по мнению автора, играет первоочередную роль при формировании объема. Во-первых, внутреннее пространство должно соответствовать той жизни, которая протекает внутри, должно быть удобно при эксплуатации. Внешняя оболочка здания является ориентиром для человека, находящегося снаружи. По фасаду человек должен понимать, каково назначение объема, стоит туда заходить или нет. Такое четкое соответствие формы, конструкции и функции можно наблюдать в природе. При формировании нового типа агропромышленной архитектуры, такого как вертикальные фермы, архитектуры часто прибегают к заимствованию природных форм, к биомиметике.

Понятие "биомиметика" (лат. bios – жизнь и mimesis – подражание) подразумевает под собой "создание  устройств, приборов, механизмов или технологий, идея и основные элементы которых заимствуются из живой природы". [1] Основной целью архитектурной биомиметики является изучение и использование "достижений" природы" для повышения качества архитектуры, а также гармонизации природной и городской сред.

Согласно Джанин Бениус существует несколько уровней использования биомиметических (БМ) принципов. Эти три уровня БМ качественно разные. Первый уровень предполагает имитирование характеристик живого организма. Это начальный уровень, наиболее простой и не требует длительных исследований. Второй – предполагает имитирование процесса, то есть того, что и  каким образом живой организм делает. Это качественно более высокий уровень, который требует больших знаний и непосредственного контакта архитектора со специалистами, занимающихся исследованиями данных природных процессов. И, наконец, третий уровень биоимитирования предполагает подобие целой экосистемы. Это очень сложный процесс, который позволяет создать действительно цельную, взаимосвязанную с окружением, самоорганизующую и самообеспечивающую искусственную систему с «правильными» связями как внутренними, так и внешними. [2]

Помимо такого трехчастного деления, каждый уровень состоит из 5 ступеней - типов заимствования. В каждом из этих уровней есть свои подуровни, сложность которых тоже возрастает от начала к концу:

-форма

-материал

-конструкция

-процесс

-функция

Ниже приведена таблица по совмещению уровней и типов заимствования с краткой расшифровкой, (ТАБЛ. №1) выполненная на основе материалов статьи Maibritt Pedersen Zari "Biomimetic approaches to architectural design for increased sustainability". [3]

Табл. №1 Систематизация уровней применения биомиметических принципов

 

Уровень заимствования

Тип заимствования

 

Организм

Поведение

Экосистема

Форма

Здание похоже на живой организм

Здание похоже на природный объект, сделанный живым организмом

Здание похоже на экосистему, в которой живут живые организмы в природных условиях

Материал

Здание сделано из того же материала, что и живой организм

Здание сделано из того же материла, что и природный объект, возведенный живым организмом

Здание сделано из тех же материалов, что и экосистема, в которой существует живой организм или группа организмов.

Конструкция

Здание имеет те же конструктивные особенности, что и живой организм

Здание сделано, так же как и природный объект, возведенный живым организмом

Здание сформировано из тех же элементов, что и экосистема

Процесс

Здание работает по тому же принципу, что и живой организм

Здание работает по принципу природного объекта, возведенного живым организмом

Здание работает по тому же принципу, что и экосистема

Функция

Здание наделено теми же функциями, что и живой организм

Здание функционирует, как и природный объект, возведенный живым организмом (в более широком контексте)

Здание функионирует как экосистема, является частью более крупной природной среды. в то же самое время представляет собой целостную самодостаточную структуру.

Современное воплощение данного направления архитектуры можно наблюдать в проектировании вертикальных ферм-небоскрёбов. Архитекторы, которые создают концепт проекты вертикальных ферм-небоскрёбов в основном и обращаются к природным формам и процессам, то есть активно используют биомиметические принципы формообразования для своих проектов. Они используют эти принципы как во внешнем так и во внутреннем строении [4].

Концепция вертикальных ферм озвучена профессором микробиологии и экологии Колумбийского университета доктором Диксоном Деспомьером (Dickson Despommier) в журнале Нью-Йорк в апреле 2007 года. Несмотря на новизну таких проектов многие архитекторы вдохновляются данной темой уже сейчас.

Доктор Диксон Деспомьер тщательно проводил исследование вместе с группой архитекторов и выявил: для разработки и воплощения проекта вертикальной теплицы в жизнь потребуется 10 лет (Рис.1). Так же потребуется совмещать современные разработки сельского хозяйства с новыми разработками экоархитектуры [5].

Стимулом для создания вертикальной фермы стал не только экологический аспект, но и постоянный прирост населения планеты. К примеру, вертикальная гидропонная ферма во Флориде выращивает на 1 акре (около 4 000 м2) земли столько же урожая, сколько обычная ферма выращивает на 30-ти (около 120 000 м2) акрах. Следовательно, с меньшей площади, можно получать больше урожая и несколько раз в год.

 

 

Рис. 1.Концепция проекта вертикальной фермы, разработанная учёными из Колумбийского университета. Этажи заполнены гидропонными теплицами.

 Далее за профессором колумбийского университета  бельгийский архитектор Венсан Каллебо разработал свой концепт-проект вертикальной фермы для выращивания сельскохозяйственных культур (Рис. 2). Здание состоит из 132 этажей и его высота составляет около 600 метров. Внутри здания будут не только выращиваться сельскохозяйственные культуры, но, а также находятся офисы и исследовательские лаборатории. Небоскрёб будет оборудован ветряными и солнечными источниками энергии. Нужная температура в здании будет поддерживаться за счёт естественной вентиляции и испарения растений. Данный проект планируют реализовать к 2030 году.

 

Рис.2. Проект бельгийского архитектора Венсана Каллебо под названием «Стрекоза» («Dragonfly»). Поверхность здания напоминает крыло стрекозы.

В основу структуры остекления этой фермы взята природная структура, то есть структура крыла стрекозы, жилки которого образуют множество маленьких ячеек. Эти жилки обеспечивают крылу насекомого необходимую жесткость.  В этой утопической ферме есть офисы, исследовательские лаборатории, жилые помещения и общественные пространства, а так же фруктовые сады, фермы и производственные помещения. Растениеводство и животноводство располагаются вдоль крыльев Стрекозы из стали и стекла, для поддержания соответствующего уровня питательных веществ в почве и возможности повторного использования биологических отходов.

Пространства между крыльями спроектированы таким образом, чтобы максимально использовать преимущество солнечной энергии посредством накопления тёплого воздуха во внешней части конструкции во время зимнего периода. Охлаждение в летний период будет осуществляться через систему естественной вентиляции и испарения от растений.

Внешние вертикальные сады предназначены для фильтрации дождевой воды, которая затем смешивается с бытовыми жидкими отходами. Вместе они подвергаются органической переработке, перед тем как быть повторно направленными для использования в фермерских хозяйствах, хранения и распределения азота, фосфора и калия. Эта городска ферма, скорее больше подходящая для Дубая, чем для Нью-Йорка, будет возделываться своими обитателями, таким образом, завершая цикл самодостаточного существования [6].

Во многих странах мира актуальна проблема с недостатком пресной воды, которая необходима не только для существования человека, но и для выращивания сельскохозяйственных культур. Около 70 % мировой пресной воды потребляет сельское хозяйство, поэтому во многих местах на планете испытывают недостаток такого необходимого для жизни ресурса. С другой стороны, морская вода в изобилии доступна во всем мире, благодаря чему её опреснение становится хорошей возможностью получения питьевой воды для производства продуктов питания. Данная проблема вдохновила многих современных архитекторов на создание концепт-проектов морских вертикальных ферм.

Местоположение таких ферм предполагается около моря. Такие сооружения будут использовать воду из моря, которая будет поступать по трубе, располагающейся в центре вертикальной фермы, и подниматься до самого верха строения, а далее испаряться. Образовавшийся из пара конденсат будет служить возобновляемым источником пресной воды. Процесс опреснения подобен естественному круговороту воды в природе.

В Испании, в провинции Альмерия, предлагают реализовать проект водоочистного небоскрёба на берегу моря (рис.7). Этот небоскрёб будет выполнять сразу несколько функций – опреснение морской воды, вертикальная ферма, а так же там будут располагаться административные помещения. Внутренние сады будут расти в собственной экосистеме, поглощая все вредные вещества [7].

Здание представляет собой "пузыри" поставленные один на другой. Опреснение воды авторы проекта предлагают осуществлять с помощью мангровых деревьев, располагающихся внутри небоскреба. Мангровые деревья, одни из немногих, способны  питаться морской водой. Таким образом, поглощая соленую воду, ночью пресная вода будет выделяться в виде конденсата на сферических стенках небоскреба и стекать в коллекторы, предназначенные для пресной водой, подходящей для полива растений. Данный проект имеет свои преимущества именно в Альмерии. В этом районе выращивается множество овощей и фруктов. За один день можно будет получить 30 000 литров воды, чего хватит для полива гектара полей с помидорами. В здании прослеживается четкое соответствие функции небоскреба и его формы. На стержень, по которому доставляется морская вода, нанизаны сферы - сады. Стержень, как и стебель растения, служит как конструктивной опорой, так и выполняет функцию передачи "веществ" внутри здания, выполняющего роль организма. Форма сфер и их масштаб также обусловлены тем, что происходит внутри. Во-первых, сфера- оптимальная форма. Во- вторых, ее нижняя часть выполняет роль чаши для соленой воды, а верхняя - удобная для того, чтобы пресная вода в виде конденсата стекала непосредственно в коллектор. Размеры ячеек обусловлены температурно-влажностным режимом, благоприятным для мангровых деревьев.

 

 

Рис. 3. Проект водоочистного небоскрёба в стиле биотека.

Климат в Дубаи не благоприятен для земледелия. Пустыня и море определяют ситуацию. Именно поэтому создание вертикальной фермы актуально для данного региона. Ферма-небоскреб состоит из центрального стержня  и "листьев", непосредственно в которых и будут располагаться плантации (рис.4). Центральный остов выполняет несущую функцию, а также коммуникативную - в нем находятся лифты для доступа к плантациям. Помимо этого, в центральной части башни осуществляется опреснение морской воды, для полива растений в "листьях". Соленая вода испаряется и конденсатом стекает вниз по стенкам башни, попадая в боковые части, где находятся сами растения.  Затраты на закачку и испарения воды буду минимальными, так как данный процесс будет построен по принципу круговорота воды в природе, то есть представляет собой "пассивный кругооборот".

 

Рис.4. Ферма-небоскрёб в Дубаи.

 

 

Рис.5. «Листья» фермы-небоскрёба, в которых выращиваются растения.

 Форма здания также соответствует функции. В данном проекте применен принцип филлотаксиса (листоположения), когда листья растения расположены таким образом, чтобы затенять соседние листья, защищая их от перегрева, либо наоборот- открывать доступ к солнцу, для осуществления фотосинтеза. Наличие отдельных "листьев" делает возможным выращивать различные виды растений создавая для них подходящие условия (Рис.5). Центральный остов держит "листья" и обеспечивает доступ людей и опресненной воды  к плантациям.

В данном проекте само здание выполняет функцию опреснения, без помощи природных организмов. За основу в данном случае взяты глобальные процессы протекающие в природе (круговорот воды в природе). Авторы попытались воссоздать целый сложный комплекс в одном здании аналогичный мини миру природы [8].

Шведско-американская компания Plantagon International продвигает новый вид теплиц, которые называют «плантагонами». Это вертикальные фермы для «городского сельского хозяйства», до сих пор считавшиеся утопией. По данным Inhabitat, через 12-16 месяцев в Линчёпинге построят международный центр передового опыта в области городского сельского хозяйства (рис. 6). 9 февраля 2012 года состоялась символическая церемония, давшая старт строительным работам.

На этажах вертикальной фермы площадью более четырех тысяч квадратных метров планируют выращивать в основном азиатские овощи - от пекинской капусты до китайской брокколи кай-лан. Стоимость проекта - около 30 млн. евро. Первый урожай шведы намерены собрать не позже 2014 года. По мнению специалистов Plantagon, продуктивность такой вертикальной теплицы в три и более раз выше обычной. Строение будет экологичным - местный мусоросжигательный завод поставит для него тепло и углекислый газ, который будет использоваться для катализации фотосинтеза, отходы от производства овощей переработают на биогаз, воду будут очищать на месте и использовать повторно. Теплица- небоскреб - первая ласточка революции в агропроме. "Почему экопомидоры должны пролететь 10 тыс. км вокруг земного шара, прежде чем попасть к нам, если их можно выращивать на месте, рядом с потребителем?" – вопрошает сотрудница Plantagon Карин Балфе Арбман.

Теплица-небоскреб в Линчепинге - первый шаг к воплощению выдвинутой несколько лет назад концепции так называемого вертикального фермерства. Один из авторов и активных пропагандистов этой идеи - микробиолог из Колумбийского университета Диксон Деспомье. Придумывалась эта идея для Дубая - города, где стали былью многие сказки. Ее суть состоит в том, что растения надо располагать ярусами в специальных небоскребах, что позволит экономить 70% воды для полива и получать энергию из ветра и солнечного света. Кроме того, такие теплицы по сравнению с обычными занимают во много раз меньше места. Главное - одна вертикальная плантация способна обеспечить свежими овощами, ягодами, зеленью (а, возможно, и продукцией животноводства) целый город. Это важно, если учесть, что, по прогнозам ООН, через несколько десятков лет около 80% населения планеты будет жить в городах.

Несмотря на скорое открытие, подробных сведений о шведской теплице пока нет. В арсенале компании имеется несколько архитектурных решений, и какое из них будет реализовано, до конца не ясно [9].

 

Рис. 6. Вертикальна  теплица Plantagon в Швеции.

Идея фермерского хозяйства в условиях современного мегаполиса не дает покоя многим исследователям. Несомненно, этот способ имеет много преимуществ, среди которых снижение транспортных расходов, и реальная, а не искусственно поддерживаемая, свежесть овощей. Основной проблемой является техническое осуществление такой идеи в рамках всемирной экономии ресурсов, будь то энергия, или вода.

Форма архитектурного объема является конечным результатом проектирования. Соответственно она должна отражать в себе все то, что происходит внутри - функцию. Конструкция здания имеет непосредственное влияние на формирование экстерьера и интерьера. Используемые материалы отвечают за прочностные, теплотехнические характеристики здания, а также за его эстетику. Процесс, протекающий в здании, определяет его работу, а соответственно влияет на эффективность и экономичность архитектурного решения. Организмы и объекты, созданные природой уникальны, потому что все эти параметры в них взаимосвязаны. Проектировщики, чаще всего используют один-два принципа совместно, больше - реже. Это говорит о том, что нам еще многому предстоит научиться у природы.

Реализация концепт - проектов вертикальных ферм началась. Большим вдохновением для проектирования архитекторам послужила биомиметическая архитектура. Применение природных принципов формообразования архитектуры вертикальных теплиц можно рассматривать как начало развития новой типологии в агропромышленной архитектуре.