Биомиметический подход к проектированию вертикальных теплиц.

Biomimetic approach to the design of vertical greenhouses.

 

 

Аннотация. В статье рассмотрена возможность проектирования вертикальных теплиц с помощью биомиметических принципов. Природа является образцом подражания для разработки нового типа ферм. На основе концепт-проектов выявлена возможность у появлению нового типа архитектуры.

Abstract. The possibilities of designing vertical greenhouses using biomimetic principles is discussed in the article. Nature is the role models for a new type of farming. An opportunity based on the concept of projects identified to a new type of architecture.

 

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

Key words: biomimetics, vertical greenhouse, borrowing, functionality, biomimetic principles, nature.

 

       Архитектура, как продукт взаимодействия человека с внешним миром, тесно связана с природой, которая является первоначальной средой обитания человека. Архитектура изначально должна была решать ряд задач, а именно:

1) обеспечивать биологические потребности человека на более высоком уровне;

2) обеспечить все природные, социальные, потребности; предназначением архитектуры стало создание нового мира, мира для человека как для разумного, социального существа;

3) архитектура представляла собой некую копилку ценностей, которую человечество до сих пор передает из поколения в поколение.

       Результатом решения данных задач стало "очеловечивание" естественной среды, создание нового мира, способного отвечать на новые запросы нового человека.

       История общения человека и природы берет свои корни из древности. Природа всегда была идеальной моделью для подражания. Человек "подсматривал" приемы в естественном мире, чтобы потом применить в создании своего, искуственного и более комфортного обитания. Те времена можно считать началом формирования отношений человек-природа, формированием предпосылок для образования целой области знаний - биомиметики.

       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. В наши дни данный вопрос становится все более актуальным. Сегодня технический прогресс обуславливает усиление темпов развития экономики, а соответственно и рост промышленных предприятий. Выбросы диоксида углерода увеличиваются ежегодно. Например, за последние десятилетия в наиболее активно развивающейся стране, Китае, количество выбросов углекислого газа повысилось на 69%. Из-за увеличения выбросов углекислорода в атмосферу вокруг планеты формируется пленка из этого газа, которая, приводит к образованию парникового эффекта. Температура повышается. Происходит смена климата. Активная экономическая деятельность человека приводит к истреблению невозобновляемых ресурсов. За последние 40 лет потребление ресурсов на планете увеличилось вдвое. С учетом повышения технологичности жизни в городе, а вследствие этого ее комфорта, многие люди стремятся жить в городской среде. По статистическим данным на 2003 год 50% населения нашей планеты проживало в городах. К 2030 году прирост городского населения ожидается еще на 10% и составит 60 % от общего числа людей на планете. Рост городского населения приводит к увеличению плотности городской застройки. Городская инфраструктура, рассчитанная на другую численность населения, устаревает и не справляется с транспортными и пассажирскими потоками. В этой области также необходим новый подход, который позволит усовершенствовать уже существующую структуру. Это лишь малая часть того, с чем столкнулось человечество сегодня. Архитектурная биомиметика поможет решить ряд острых экономических, социальных, экологических проблем, с которыми столкнулся человек в ведении своей хозяйственной и экономической деятельности [2], [3].

       Согласно JANINE BENYUS существует несколько уровней использования биомиметических(БМ) принципов. Эти три уровня БМ качественно разные. Первый уровень предполагает имитирование 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, непосредственно 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 [4].

       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).

 

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.

(на основе статьи "Biomimetic approaches to architectural design for increased sustainability", Maibritt Pedersen Zari, New Zeland)

       Если проследить как данные типы заимствования проявлялись с течением времени то можно проследить следующую последовательность. С момента  признания биомиметики новой наукой (симпозиум в Дайтоне (США), 1960 г) и до середины 90-х. Изучались и имитировались, в основном, форма и конструкция. С развитием возможностей естественных наук, изучение природного мира сделало скачок на качественно новый уровень. Данный скачок дал возможность более детального изучения природных организмов, понять чем обусловлены те или иные свойства организма. Таким образом, изучение живых тканей и клеток, их строения и химического состава сделало возможным изобретение материалов, обладающими теми же свойствами. А исследование процессов, протекающих внутри организма и обуславливающих его работу сделало возможным сымитировать их при проектировании зданий и градостроительных планов, обеспечив тем самым устойчивость и эффективность вновь возводимой среды. Сегодня, когда возможности и знания растут, впрочем так же как и риск крупной экологической катастрофы, проектировщики наделяют здания функциями живых организмов [5]. Так как это движение только набирает обороты и проекты, созданные на данную тему только концептуальны, речь в них идет о совместной работе природы и архитектуры, как о неком симбиозе, где архитектура создает благоприятную среду для растений, а растения помогают архитектуре справляться с "природными" функциями. Наиболее ярко данный подход можно проиллюстрировать на примере вертикальных ферм [6].

 

Рис.1. Небоскрёб Harvest Green.

 

       Проект небоскреба был разработан архитектурной группой romses architects. Данный небоскреб Harvest Green  (рис.1) объединяет в себе множество функций, от непосредственно самих вертикальных ферм  до лабораторий, офисов и жилых блоков. В подземной части здания располагается станция метро - объект связан с городом. Здание получает необходимую энергию с помощью возобновляемых источников энергии - ветряки, фотоэлектрические панели, геотермальные источники энергии.  Помимо этого, на кровле " Harvest Green" располагается емкость для сбора дождевой воды, необходимой для растений и бытовых нужд при эксплуатации здания людьми.

С точки зрения формообразования, здание представляет собой множество объемов, наделенных различными функциями и нанизанными на центральный вертикальный элемент, включающий в себя вертикальный сад и лестнично - лифтовой блок. Объемы находятся на общем стилобате, задающим для жителей города "правильный" масштаб здания.

 

Рис.2,3. Функциональные блоки небоскрёба Harvest Green.

 

        Проект небоскреба продуман до мелочей и представляет собой некий синергетический союз множества функциональных блоков - даже отходы в одном из элементов здания могут быть использованы в другой его части в качестве удобрений или источника энергии (биогаз). Концептуальный проект является зданием - системой, подражающей экосистемам в природе, где все элементы связаны между собой и живут в симбиозе (рис.2, 3) [7].

        Небоскреб - опреснитель морской воды, Альмерия, Испания,  авторы Nicolas Chausson, Gaël Desveaux, Jiao Yang Huang, Thomas Jullien [8].

       Данный проект являлся конкурсантом в в конкурсе небоскребов EVOLO 2010 году (рис.4).

 

Рис.4. Небоскреб - опреснитель морской воды.

 

        Авторы говорят о том, что в мире 97 % от всех запасов воды - соленая, 2% заключено в айсбергах. Только 1% пресной воды находится в свободном доступе. Архитекторы предлагают построить здание, одной из функций которого было бы опреснение морской воды. Проект предназначен для Испании, район Альмерия.

       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 (рис.5). 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. Получившаяся опресненная вода не подходит для употребления в пищу. Но с учетом того, что 70% пресной воды используется в сельском хозяйстве, 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.

 

Рис.5. Мангровые деревья внутри небоскрёба.

 

       Данный проект интересен с двух позиций. Во-первых,  Авторы предлагают интересное "сотрудничество" природы и архитектуры, некий симбиоз. Благоприятная среда для растений дополняется "природной" функцией, которую выполняют мангровые деревья для человека. В данном проекте силы и возможности природы используются на новом уровне. взаимодействие природного и искусственного происходит не просто визуально, а на уровне функционирования и жизни. Во- вторых, 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- самая оптимальная форма. Во- вторых, ее нижняя часть выполняет роль чаши для  соленой воды, а верхняя - удобная для того, чтобы пресный конденсат стекал непосредственно в коллектор. Размеры ячеек обусловлены температурно-влажностным режимом, необходимым для мангровых деревьев.

 

Рис.6,7. Graft Tower (Башня- Трансплантант)

 

       Авторство проекта данной башни Graft Tower (Башня- Трансплантант) (рис.6,7), выполняющей роль фермы и гостиницы одновременно принадлежит Diego Taccioli,Sizhe Chen и Tyler Wallace. Небоскреб был спроектирован для столицы Пуэрто-Рико города Сан Хуан. Здание представляет собой переплетенные "ветви", образующие остов здания. В данную конструкцию внедрены жилые капсулы. "Ветвистая" конструкция обеспечивает отличную естественную вентиляцию здания. Также между жилыми блоками располагаются сады, где будут выращиваться овощи и фрукты не только для обеспечения постояльцев гостиницы, но и жителей города. Небоскреб будет работать автономно, благодаря установленным фотоэлектрическим панелям. Дождевая вода также будет использоваться. Накапливаться она будет в нижней части жилых ячеек. Далее, после фильтрации, поступившая дождевая вода может быть использована для бытовых нужд и питья. Также здание будет оснащено специальными панелями, которые будут осуществлять искусственный фотосинтез, в результате которого здание будет обеспечено дополнительной энергией (рис.8).

 

Рис.8. Система башни-трансплантанта.

 

Рис.9. Планы башни-трансплантанта.

 

       Проект вертикальной фермы - гостиницы  иллюстрирует применение нескольких типов заимствования, о которых говорилось ранее. Во первых, процессы, протекающие в здании аналогичны процессам, протекающим в природе. Речь идет об энергетических процессах, так как именно энергия обеспечивает жизнь организмам на планете. Для функционирования зданию тоже необходима энергия. Для ее производства используются фотоэлектрические панели и элементы, способные осуществлять искусственный фотосинтез, результатом которого также является энергия. Следующий аспект, заимствованный у природы - это конструкция. Она напоминает  ветви деревьев. Все природные конструкции характеризуются эффективным использованием материала, они экономичны. Такая "ветвистость" также следует этим принципам, помимо всего прочего  обеспечивая здание естественной вентиляцией. Здание наделено функцией живого организма - фотосинтезом - оно поглощает углекислый газ, производя кислород и энергию (рис.9). Оно абсолютно автономно, благодаря использованию не только энергетических возобновляемых ресурсов, но и дождевой воды. И, наконец, форма здания, как и форма природного объекта обусловлена конструкцией, процессом и функцией. Конечно, это только концептуальный проект. Но пройдет немного времени и архитектура действительно станет "ещё умнее". Предпосылки на лицо [9].

 

       Проекты вертикальных ферм представляют собой абсолютно новый тип архитектуры. Их появление связано с недостатком площадей для выращивания сельскохозяйственных культур. Лозунгом таких проектов можно сформулировать так: "Больше урожая с меньшей площади." Мы живем в то время, когда количество городов на планете растет, урбанизация "сковывает" материки. С течением времени люди начали понимать, что данный тип развития несет не только блага и комфорт человеку, но и оказывает разрушительное действие на природу. Проектирование вертикальных ферм является попыткой внедрения природы в городскую среду. Стоит упомянуть, что задачей проектировщиков также является снижение затрат на эксплуатацию этих зданий. Таким образом, вертикальные фермы должны быть максимально эффективны (с точки зрения производительности и эксплуатации) и максимально экономичны (потребление ресурсов). Для достижения  таких параметров при проектировании на помощь может прийти сама природа. Живые организмы, растения, окружающие нас имеют более длительную историю чем мы, люди, а соответственно и опыт приспособления к условиям окружающей среды. У человека есть выбор - какой путь выбрать: либо мы сами на своих ошибках будем совершенствовать нашу искусственно созданную среду, либо мы обратимся к природе. Естественно, что природа значительно старше и мудрее человека, ее механизмы более совершенны и выверены. Но человек не стоит на месте он учится, развивается. очень важно воспринимать природу нетолько как место, откуда можно забирать все, что нужно, не восполняя забранное. Природа - это, в первую очередь, наставник, у которого стоит многому поучиться. Во- вторых, это модель и образец для подражания, откуда можно позаимствовать некоторые приемы и принципы для достижения более высокого качества искусственной среды. В понятие качества я вкладываю не только высокий уровень комфорта но и безопасность среды, не только для людей, но и для окружающей среды. И, наконец, в-третьих, природу стоит воспринимать как меру, как некий экостандарт, то есть соотносить наши изобретения и проекты с природными.