Бионика: как природа меняет архитектурные формы и влияет на энергоэффективность зданий

1. Как процессы формообразования живой природы сделали жизнь человека комфортней (речь не о природных ископаемых)

Достижения человечества, вдохновленные природными формами и ее процессами.

Каждый день мы сталкиваемся с объектами, вещами и мелкими деталями, вдохновленными самой матушкой природой даже не осознавая этого. Начиная с «молнии»/«змейки» на куртке и маленьких крючков-застежек на блузке, смоделированных по образцу заусенцев репейника или сцепления автомобильной шины, основанное на структуре, возможностях кошачьих лапок и заканчивая гигантскими небоскребами, появившимися на волне вдохновения природными процессами, отличающимися небывалой изобретательностью.

Бионика в архитектуре, ландшафтном дизайне и дизайне интерьеров.

На волне увлеченности проектировщиков природными формами и строением представителей флоры и фауны (неважно специалисты какой отрасли) возникло новое инновационное направление, сочетающее изучение естественных наук с инженерией и техническими науками. Это направление получило название бионика (термин «бионика» представляет собой комбинацию BIOlogy и electroNICS и означает «элемент жизни»). Первоначально его применяли к электронной технике, теперь все, что относится к подражанию дизайну природы во всех областях техники и технологий, называют бионикой или биотеком.

Обтекаемые архитектурные структуры, вдохновленные матушкой природой.

Идея этого направления состоит в том, чтобы абстрагировать естественную функцию, синтезировать знания, полученные в результате анализа природных форм и систем, а затем использовать их для решения междисциплинарных проблем. Архитектура также не осталась в стороне, ведь вдохновению целостностью, пониманию логических принципов гибкости, адаптивности и энергоэффективности, которые преобладают во всех природных видах и процессах, – нет предела. Людям остается лишь понять этот принцип и активно использовать «биологические строительные планы», разрабатываемые в течение миллионов и миллионов лет, себе на благо, не утруждая таким сроком эволюции.

2. Бионика в архитектуре

Первые яркие образцы бионической архитектуры еще в начале XX века создал великий испанский архитектор Антонио Гауди (Дом Мила, Барселона).

Бионика, к какой бы дисциплине не относилась и не набирала популярности, сходна с технической бионикой, но все же в каждой отрасли имеется своя специфика, особенно если речь идет об архитектуре, ведь масштаб строений и градостроительные нормы диктуют свои правила, которых следуют неукоснительно придерживаться. Так что неудивительно, что в архитектуре выработался особый стиль, который нашел наиболее яркое отражение в одном из направлений хай-тека – биотеке. Именно в нем тесно переплелись ультрасовременные достижения инженерии, строительства, дизайна и технологические инновации, основанные на принципах бионики.

Проект крутящегося небоскреба, способного повторять траекторию солнца (архитектор Дэвид Фишер). | Фото: stranabolgariya.ru.

К примеру: Инновационное затенение фасада с применением «умных» жалюзи, улавливающих траекторию движения солнца и закрывающихся по мере надобности, подсмотрели у растений. Эта идея явно выражается в движении лепестков южноафриканского цветка райская птица. Не менее нужный и впечатляющий конструкционный элемент, разработан по принципу панциря черепахи, который с 20-х годов прошлого века служит моделью для структуры крыш, обладающих замечательной несущей способностью, несмотря на отсутствие балок или опор. Стоит отметить, что цель любой бионической разработки в любой отрасли, как правило, одна и та же: сложная конструкция, которая экономит как можно больше ресурсов и неважно каких – ископаемых, энергетических, временных, рабоче-часов и т. д.

Жилой комплекс в Ковингтоне, штат Кентукки – пока еще редкий пример бионической архитектуры в городском жилом строительстве (архитектор Даниэль Либескинд). | Фото: mavink.com.

Если же рассматривать бионические сооружения относительно городского жилищного строительства, то в этой отрасли био-вдохновленная архитектура до сих пор не получила широкого распространения. Из-за трудоемких процессов, обширных требований, сложности получения разрешений на планирование, бионические объекты пока не задают тон в жилищном строительстве даже несмотря на то, что массовое производство такого рода зданий может внести огромный вклад в улучшение климата, экономию ископаемых ресурсов, улучшению экологии населенных пунктов и т. д.

Правильно расположенные здания, затеняющие элементы и «умные жалюзи» – прекрасный способ сэкономить на кондиционировании внутренних площадей.

Самые яркие представители бионической направленности архитектуры, создавшие невероятные объекты.

Альтернатива бетону, например, стала бы отличным стартом для начала массовой застройки, учитывая, что на его производство приходится значительная доля глобальных выбросов углерода. Более устойчивые строительные материалы, такие как сложные композитные системы, армированные волокном, созданные по образцу драконова дерева, являются хорошим наполнителем, снижающим потребность в бетоне (даже в легком, перерабатываемом) на 20-30%. Оболочка корня маниоки – еще один возможный кандидат на звание экологически чистого строительного материала. При сжигании корней, зола станет устойчивой альтернативой цементу из-за образуемой высокой доли реакционноспособного диоксида кремния – твердого вещества, способного противостоять различным химическим и атмосферным воздействиям. Если же говорить об обеспечении эффективной теплоизоляции масштабных зданий со стеклянными фасадами, то упомянутые выше «умные жалюзи» также являются прекрасным вариантом.

3. Устремленность в будущее

Особенно много экзотических форм возникает при проектировании навесов.

Учитывая открывающиеся возможности в использовании значительно меньшего количества материалов, легких и хорошо работающих (относительно оценки жизненного цикла окружающей среды), а также повышенную энергетическую эффективность, бионические методы строительства способны трансформировать нашу архитектуру. Бесспорные плюсы являются толчком к переосмыслению устоявшихся процессов проектирования и норм строительства. Стоит особо отметить, что в одиночку архитекторы этого не смогут достичь. Междисциплинарный подход имеет жизненно важное значение: биологи, естествоиспытатели, физики, математики, энергетики, компьютерщики, инженеры и т. д. должны объединиться и активно сотрудничать. Только так можно целостно исследовать неисчерпаемое богатство идей природы и внедрять самые инновационные решения в жизнь людей, включая архитектуру.

Наибольших результатов в продвижении бионики в архитектуру достиг Сантьяго Калатрава – талантливейший архитектор, скульптор и инженер, создавших множество динамичных проектов, способствующих максимальной защите внутреннего пространства от перегрева.

Особенно актуально строительство энергосберегающих сооружений и самодостаточных зданий, вырабатывающих энергию для своих нужд. Поскольку энергия – это жизнь, люди на всех этапах истории искали и создавали новые источники энергии, правда, за это приходится платить немалую цену и деньги здесь – самое незначительное из бед. Катастрофическое загрязнение атмосферы, вызвавшее парниковый эффект (что привело к изменению климата), разлагаемые радиоактивные отходы, наносящие непоправимый вред здоровью человека и всей экосистеме просто кричат о том, что выбранный человечеством путь ведет к его уничтожению и совсем не соответствуют требованиям устойчивого развития.

The Anti-Smog building – концепт преобразования заброшенной железнодорожной ветки в Париже от архитектора Винсента Каллебо.

Именно бионические разработки, на данный момент, могут исправить ситуацию, если начать активно использовать достижения: в энергетической индустрии, направленной на использование природных ресурсов – энергии солнца, ветра, недр земли; строительной отрасли, достигшей немалых высот в изготовлении теплоизоляционных материалов; инновационных разработок, позволяющих эксплуатировать тот самый парниковый эффект, превращая его в тепло. Если при строительстве зданий использовать все вышеперечисленные разработки, то отпадает необходимость в организации дорогостоящего центрального отопления, при этом значительно экономятся энергоресурсы. В этом случае дома приобретают статус «пассивных» или «активных» (в зависимости от того сохраняют они тепло или самостоятельно вырабатывают энергию), и получают способность экономить. Так, например, инновационные методы теплоизоляции способны сэкономить до 40% на обогреве/охлаждении, а внедрение систем, преобразующих природную энергию солнца, ветра и земли – еще и зарабатывать на продаже близь лежащим районам/зданиям электроэнергии.

4. Здания, вдохновленные природой (на основе принципов бионики)

Бионические принципы проектирования основаны на стремлении упростить структуру задний без ущерба для прочности и комфорта человека (небоскреб Aqua в Чикаго и стадион Гнездо в Пекине).

Эффектные бионические сооружения можно найти во многих мегаполисах по всему миру. Именно они подталкивают власти на то, чтобы пересмотреть устоявшиеся градостроительные нормы и правила, открывая путь инновациям в строительной индустрии. Чтобы наглядно продемонстрировать то, как бионика повлияла на архитектуру, авторы Novate.ru подобрали несколько примеров, которые смоделированы на основе жизненных процессов и формообразований фауны и флоры природного царства:

Металлическая конструкция Эйфелевой башни повторяет структуру берцовой кости человека.

• Самым неожиданным для большинства из нас является пример Эйфелевой башни, в Париже. Если стать прямо перед ней, то парижская достопримечательность совсем не напоминает об источнике вдохновения (за исключением тех, кто знает строение человеческой бедренной кости и постоянно думает о ней). Как ни странно это звучит, но анатомия человека, точнее сказать, строение бедренной кости, где множество полых пространств разделены крошечными костями, известными как «трабекулы» (маленькие балки), легло в основу конструкции будущей французской иконы, возводимой в рамках проведения Международной выставки. Преимущество подсмотренной у природы структуры заключается в том, что она значительно легче и прочнее монолитного строения одного и того же органа (в архитектуре – элемента). В случае с Эйфелевой башней (гениальнейшего архитектурно-технического шедевра), ее стальные балки выполняют ту же задачу, что и трабекулы. Кстати сказать, они стали основой удивительного факта: если башню демонтировать, а металл расплавить, то высота монолитной конструкции составила бы всего несколько метров, вместо 324!

Навесы над трибунами, выполненные из высокопрочного акрилового стекла, поддерживаются надежными стальными тросами, имитирующими плетение паутины (Олимпийский стадион, Мюнхен).

• Олимпийский стадион в Мюнхене – это тот случай, когда одного взгляда достаточно, чтобы определить прямую связь с природой. Палаточная крыша Олимпийского стадиона в Мюнхене площадью 74 800 кв. м действительно напоминает паутину, но «липкие ловчие сети» образованы из сетки стальных тросов, натянутых между 58 стальными мачтами. Такой дизайн делает сооружение престижным проектом в области бионической архитектуры. Паутина была выбрана в качестве модели из-за ее прочности и устойчивости к износу (несмотря на видимое изящество структуры), что в природе и архитектуре позволяет нитям/тросам выдерживать огромные сжимающие и растягивающие силы.

Архитектор Майкл Пирс вдохновлялся структурой и рациональной организацией вентилируемых термитников (Eastgate Centre, Зимбабве).

• Во время проектирования Истгейт-центра в Зимбабве разработчики вдохновлялись структурной моделью термитника. Для тех, кому аналогия с увиденным строением является не понятной, стоит напомнить одну важную деталь из жизни термитов. Оказывается, они являются отличными экспертами в вентиляции своих «богато украшенных» сложных конструкций. Воздух циркулирует в термитниках через бесчисленные маленькие отверстия, которые выпускают теплый воздух и втягивают холодный ветерок. Для Мика Пирса, архитектора, спроектировавшего Истгейт-центр, это был идеальный прототип для создания системы изоляции и вентиляции гигантского торгового центра. Только вместо того, чтобы вставлять многочисленные мелкие отверстия, он позволяет своему комплексу «дышать» через небольшие воздушные шахты и дымоходы, тем самым обеспечивая естественное охлаждение всех помещений без участия кондиционирующих систем.

Шанхайская башня – яркий пример бионической архитектуры грандиозного масштаба (высота объекта 632 метра).

• Шанхайская башня — культовый небоскреб, расположенный в районе Пудун (Китай). 632-метровый небоскреб, строительство которого завершилось в 2015 году, стал особой достопримечательностью крупнейшего мегаполиса мира благодаря уникальному дизайну, вдохновленному традиционной китайской архитектурой и формой бамбукового побега. Скручивающаяся структура башни позволила создать серию наружных атриумов, которые обеспечивают максимальным естественным освещением и вентиляцией, а также уменьшить турбулентность ветра и сопротивление, что, в свою очередь, уменьшает количество энергии, необходимой для поддержания здания в вертикальном положении. Одной из самых ярких бионических особенностей Шанхайской башни является использование в ее конструкции системы «мега-крепления», разработанной самой природой в побеге бамбука. За основу был взят стебель растения, состоящий из ряда полых, соединенных между собой сегментов, которые обеспечивают прочность и гибкость. Конический профиль здания также помогает противостоять ветрам.

В последние годы отмечается прогресс в развитии биотека относительно массовой застройки. Абсолютным трендом архитектуры на 2023 год, например, являются: устойчивость, экологичность, искусственный интеллект.

А вот познавательное видео нашего канала: