ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность кинетической архитектуры в современном градостроительстве определяется стремлением к созданию гибкой, адаптивной урбанистической среды, способной оперативно реагировать на изменяющиеся социальные, климатические и индивидуальные потребности жителей.

Концепция динамической архитектуры (Dynamic Architecture) представляет собой новаторский подход к проектированию и строительству, в котором здания или их части способны вращаться вокруг вертикальной оси. Это движение может быть реализовано как для всего строения, так и для отдельных этажей (Buildings in Motion, Revolving Buildings, Rotating Towers). Основной инженерной задачей является разработка такой системы коммуникаций, которая позволяет вращающимся элементам поддерживать непрерывное функционирование всех необходимых жизнеобеспечивающих систем (водоснабжение, электроснабжение, канализация). Следующим важным аспектом является выбор источника энергии для приведения в движение массы конструкции; идеальным решением считается использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная или ветровая, что соответствует принципам устойчивого развития и минимизации экологического воздействия.

Полезность кинетической архитектуры заключается в её способности обеспечивать многофункциональность зданий, энергетическую эффективность и эстетическую универсальность. Мобильные элементы конструкций позволяют изменять форму и функции здания в соответствии с внешними условиями, например, углом падения солнечных лучей, направлением ветра, температурными колебаниями, а также с личными желаниями пользователей.

Таким образом, здания становятся не просто статическими объектами, а активными участниками городской жизни, способными самостоятельно оптимизировать свой микроклимат и энергопотребление, а также расширять функциональные возможности пространства.

Научная ценность представленного исследования заключается в комплексном анализе инженерных, технологических и экологических аспектов кинетической архитектуры. Важной задачей является систематизация знаний о механизмах и материалах, позволяющих создавать подвижные архитектурные структуры, и оценка их устойчивости и долговечности. Особое внимание уделяется анализу энергетической независимости таких зданий, возможностям интеграции в них возобновляемых источников энергии и эффективности систем управления кинетическими процессами.

В 1970-х годах была заложена основа кинетической архитектуры. Тогда ученные Чак Фуллер и Роджер Х. Кларк предложили идею создания зданий, способных изменять свою конфигурацию в ответ на внешние изменения[1]. В тот же период, благодаря прогрессу в компьютерных технологиях, Сенгир Трикандис и Лесли Джексон разработали программное обеспечение для управления движущимися элементами зданий.

Уже в XXI веке исследователи по всему миру продолжили активное рассмотрение такой архитектурной концепции. Исследования М. Асефи, освещенные в его работе «Transformable and Kinetic Architectural Structures» [2], заложили теоретическую основу для развития кинетической архитектуры, обосновывая ее потенциал и механизмы трансформации. Параллельно, Дж. Молони в своем труде «Designing Kinetics for Architectural Facades» представил глубокий анализ дизайна кинетических фасадов, дополняя теоретическую базу практическими рекомендациями по созданию динамичных и адаптивных архитектурных структур[3].

Несмотря на то, что идея подвижных конструкций в архитектуре не нова и насчитывает уже не одно десятилетие, лишь в последние годы она получила значительный технологический и концептуальный импульс для практического развития.

Примером практического применения кинетической архитектуры является проект «Вращающийся небоскреб» в Дубае от итальянского архитектора Дэвида Фишера[4]. Особенность проекта — 80-этажное здание с подвижными этажами, которые независимо вращаются вокруг центрального стержня. Структура напоминает живой организм за счет динамичности и возможности менять форму фасада.

Этот проект интегрирует в себя ветряные турбины, установленные между этажами, позволяя каждому из них генерировать энергию и двигаться автономно. Жители, обладающие целым этажом, смогут контролировать его поворот, выбирая предпочитаемый вид из окна через голосовые команды. Проект предполагает, что движение этажей будет медленным и плавным, не ощущаемым жильцами.

Кроме того, в проекте предусмотрен автомобильный лифт, способный доставить машину непосредственно в квартиру. Система солнечных панелей и ветряных генераторов обеспечит энергией не только сам небоскреб, но и соседние здания. Постройка здания по принципу конструктора с готовыми этажами, собранными на заводе, позволит сократить время и затраты на строительство. В небоскребе найдут место гостиницы, офисы, жилые апартаменты и пентхаусы с садами на верхних этажах.

Цель работы: Исследование потенциала кинетической архитектуры в контексте современного градостроительства с целью определения перспектив и возможностей её применения для создания гибкой и адаптивной урбанистической среды.

Задачи работы:

1. Анализ современных трендов градостроительства и роли кинетической архитектуры в формировании адаптивных городских пространств.
2. Рассмотрение принципов динамической архитектуры и их влияния на функциональность, энергоэффективность и эстетику зданий.
3. Изучение инженерных и технологических решений, позволяющих реализовать вращательное движение частей зданий с сохранением их функциональности.
4. Исследование возможностей интеграции возобновляемых источников энергии в системы жизнеобеспечения кинетических зданий.
5. Оценка экологического воздействия кинетических зданий и их вклада в устойчивое развитие городской среды.
6. Прогнозирование будущего развития кинетической архитектуры и её места в архитектурном ландшафте городов.

Объект исследования: Кинетическая архитектура как элемент современного градостроительства.

Предмет исследования: Методы проектирования, технологии строительства и эксплуатации кинетических зданий и сооружений, а также интеграция в них систем жизнеобеспечения и возобновляемых источников энергии.

Итак, перспективы кинетической архитектуры несут в себе больше, чем возможность изменения визуального облика зданий. Они воплощают стремление мирового сообщества к энергонезависимости и экологической ответственности.

Проекты подобные Dynamic Tower в Дубае, демонстрируют, что здания могут быть не только жильем или рабочим пространством, но и активными участниками энергетической системы города, преобразовывая природные ресурсы в необходимую электроэнергию[5].

Несмотря на то, что многие кинетические проекты пока не воплощены в реальность, они являются важным шагом к будущему, где архитектура и энергия становятся неразделимыми. Сочетание солнечной, ветровой и водной энергии с передовыми архитектурными решениями позволит городам стать самодостаточными и экологичными. Так, Dynamic Tower обещает стать не просто новой достопримечательностью, но и ярким примером того, как технологии могут изменить облик городов и сделать их более привлекательными для жителей и туристов.

Проектирование зданий, способных адаптироваться и меняться в гармонии с окружающей средой, станет главным трендом в строительной индустрии ближайших лет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

I. Кинетические механизмы в архитектуре: подробное устройство

 

Технологии кинетической архитектуры все еще находятся на стадии интенсивной разработки и совершенствования. Из-за этого они не имеют устоявшейся или широко принятой классификации. Все кинетические конструкции обладают уникальными характеристиками и механизмами, что делает попытки стандартизации сложными.

Для понимания сущности кинетической архитектуры необходимо подробно рассмотреть механизмы, которые воплощают в движение архитектурные структуры. Эти механизмы могут включать в себя гидравлические, пневматические системы, системы на основе электромоторов, а также более инновационные – такие как смарт-материалы, способные изменять форму под воздействием температуры, света или электричества. Для глубокого понимания принципов кинетической архитектуры целесообразно провести анализ системы на основе конкретных реализованных примеров.

 Примером реализации таких механизмов является проект Quadrant House, выполненный польским архитектурным бюро KWK Promes[6]. В основе концепции здания лежит идея мобильности основных элементов здания, в частности террасы, которая способна отслеживать и реагировать на движение солнца.

Терраса в Quadrant House оборудована системой датчиков и механических элементов, таких как рельсы, по которым она движется (См. Приложение №6). Это движение синхронизировано с положением солнца и позволяет регулировать количество солнечного света и тени в помещениях, обеспечивая естественное освещение зимой и прохладу в летний период.

Интересно, что конструктивное решение террасы вдохновлено устройством астрономического инструмента – квадранта, который состоит из подвижной части и фиксированных перпендикулярных элементов.

Кроме того, здание оснащено системой электрических жалюзи для дополнительного регулирования светового потока и тени. Стены и перекрытия выполнены из монолитного железобетона, обеспечивающего структурную целостность, а кровля основной части дома состоит из деревянных стропильных ферм. Энергетическая автономность и экологическая чистота системы поддерживается за счет использования фотоэлектрических панелей, которые размещены на вращающемся элементе террасы и постоянно ориентированы на солнце.

Следующий пример применения кинетических инноваций в архитектуре — Dynamic D-House, разработанный Д. Б. Грюнбергом и Д. Вулфсоном (См. Приложение №6)[7].

В основе механизма трансформации лежит геометрическое преобразование, известное как задача Дьюдени — преобразование равностороннего треугольника в квадрат. Этот процесс предусматривает разделение треугольника на четыре меньшие части, которые могут перемещаться таким образом, чтобы образовать новую фигуру. В контексте Dynamic D-House такое преобразование достигается за счет перемещения частей здания по специально сконструированным рельсам, встраиваемым в фундамент.

Адаптация здания к сезонным и климатическим условиям обусловлена способностью его элементов к сближению и расхождению, что позволяет максимально использовать или, наоборот, ограничивать проникновение естественного света и воздуха в интерьер. Зимой здание может принимать более компактную форму для сохранения тепла, летом — раскрываться для улучшения вентиляции и освещенности.

Трансформация здания осуществляется посредством моторизованной системы, которая подразумевает наличие высокоточных двигателей и передаточных механизмов, координируемых компьютерной программой. Программное обеспечение, управляющее системой, основывается на алгоритмах, которые анализируют погодные данные и позицию солнца, а также могут учитывать индивидуальные настройки, заданные пользователями.

Исходный проект Dynamic D-House был замечателен тем, что впервые предложил революционный подход к концепции жилья, позволяющий динамически менять его форму и функции в ответ на внешние условия. Реализация этой идеи в 2015 году в Сингапуре стала важным шагом в развитии архитектурных технологий, доказывая жизнеспособность и практическую применимость кинетической архитектуры.

Интеграция солнечных панелей в конструкцию здания представляет собой удачное сочетание энергоэффективности и инновационного дизайна. Выработка электроэнергии солнечными батареями обеспечивает энергетическую независимость системы, необходимой для осуществления кинематических преобразований. Эта автономность в энергетическом обеспечении не только снижает эксплуатационные расходы, но и способствует сокращению углеродного следа здания, делая его более устойчивым и экологичным.

Sharifi-ha House в Тегеране, спроектированный бюро Next Office, является еще одним выдающимся примером кинетической архитектуры. Этот дом представляет собой семиэтажное здание с двумя подземными уровнями, включающее в себя поворачивающиеся блоки, расположенные на трех надземных этажах (См. Приложение №6)[8].

Механизм поворота комнат предоставляет возможность жильцам регулировать степень освещенности помещений и их функциональность в зависимости от сезона. Зимой помещения могут трансформироваться в закрытые уютные гостиные, тем самым сохраняя тепло, а летом — в открытые террасы, что способствует проветриванию и создает дополнительное пространство для отдыха.

Структурно здание основано на металлическом каркасе, состоящем из колонн и двутавровых балок, обеспечивающих необходимую жесткость конструкции. Такой подход позволяет воспринимать не только статические, но и динамические нагрузки, возникающие в процессе работы механизма поворота комнат. Атриум в центре здания играет ключевую роль в обеспечении естественного освещения для всех помещений, даже когда передняя часть здания закрыта.

Поворотный механизм комнат в Sharifi-ha House основан на технологиях, аналогичных используемым в театральных декорациях, где требуется быстрая и надежная смена сценических картин. Террасы оснащены складными балюстрадами, которые интегрированы в систему поворота и меняют своё положение вместе с блоками.

Разработка и тестирование динамической конструкции велось с использованием цифрового моделирования. Программный комплекс SAP2000 позволил инженерам проанализировать как статические, так и динамические характеристики здания, убедиться в его надежности и выработать оптимальные параметры для работы поворотных механизмов.

В рамках анализа динамической архитектуры следует учесть, что в основе её концепции лежит интеграция механических систем, являющихся неотъемлемым элементом функционирования кинетических сооружений. Наличие этих механизмов обязательно для полноценной работы здания. Адекватная эксплуатация, техническое обслуживание и осторожное использование механизмов становятся не только обязанностью, но и условием комфортного проживания в таких домах. При этом кинетическая архитектура, появившаяся на фоне развития технической мысли, предполагает и повышенные эксплуатационные требования, что обусловлено сложностью технических решений и необходимостью их бесперебойного функционирования.

 

II. Практическое внедрение кинетической архитектуры

 

Объекты кинетической архитектуры начали возводиться ещё в начале ХХ века. Несмотря на примитивность, в сравнении с настоящим временем, сооружений, их трансформируемые части в полном объеме выполняли жилые и промышленные функции. Для лучшего восприятия рассмотрим несколько значимых для инженерии и архитектуры зданий.

Самым старинным сооружением является вилла Girasole «(Подсолнух»), спроектированная инженером Angelo Invernizzi в 1929 году. Дом состоит из двухэтажных крыльев, исходящих из центральной части, включающей в себя лестницу и лифт[9]. В конструктив входят роликовые подшипники, удерживающие основание диаметром около 44 метров. Основная функция кинетической архитектуры в данном случае происходит за счет колесных опор вагона, которые движутся с помощью дизельных двигателей, работающих от солнца. Вращение осуществляется в комфортном формате, не вызывая плохого самочувствия или иных неудобств, так как жильцы сами могут регулировать направление и останавливать конструкцию (см. Приложение № 1).

В связи с большим объемом работы, Angelo Invernizzi не мог предусмотреть все ситуации, которые могли возникнуть при строительстве. Приходилось менять материалы, порядок работы, ремонтировать стены и так далее. В этом ему помогали не менее профессиональные люди – инженер Ромоло Карапакки, архитектор Этторе Фаджиуоли, декоратор Фаусто Саккоротти, и некоторые другие скульпторы и художники. В 1935 вилла начала работать в полном формате.

Еще одно здание, ориентированное на взаимодействие с природой, было построено в период с 1981 по 1987 года в Париже, знаменитым архитектором Жан Нувэль. Основная идея заключалась в налаживании связей с Ближним Востоком – от чего появилось название «Институт арабского мира», и использование солнечной энергии для улучшения экологической обстановки[10].

Функциональная частью является южная стена, оснащенная 240 алюминиевыми панелями, реагирующими на изменение естественного освещения. За счет изменения размера диафрагм, установленных также для эстетического и стилистического эффекта, в здание попадает определенный объем света (см. Приложение № 2).

Ярким примером использования водных ресурсов, является мост Фолкерское колесо, построенное в 2002 году, располагающееся в Шотландии. Спроектировали данное сооружение The Morrison-Bachy Soletanche Joint Venture Team, the British Waterways Board, RMJM[11].

Конструкция весит 1200 тон и представляет собой стометровую ось и два подвижных элемента – так называемые лопасти, в которых есть отверстие. Механизм работы основан на законе Архимеда, так, судно, которое заплывает на платформу, вытесняет часть воды, но при этом сохраняется равновесие в двух емкостях. Следующим шагом колесо вращается на 180 градусов и перемещает корабль в другой канал (см. Приложение № 3).

В 2012 году арабской фирмой Aedas Architects был разработан проект Башен Аль Бахар. В качестве основной задачи выделяли: создание комфортного офисного центра, с учетом жаркой погоды и минимизации затрат на электроэнергию[12]. Цель была достигнута путем использования в конструкции здания подвижных решеток, положение которых изменяется программой в зависимости от солнечного света (см. Приложение № 4).

Экранирующий фасад выполняет сразу две функции: климатическую и эстетическую. Первая заключается в создании комфортных температурных условий в помещении, а вторая – визуальной индивидуализации и национальной традиционности архитектурного решения.

В период с ХХ века было спроектировано множество сооружений, в которых используется кинетическая архитектура. Новейшим является проект Dynamic Tower в Дубае (см. Приложение № 5). Его уникальность заключается в полном взаимодействии с природой и максимальной минимизацией получения электрической и другой энергии не из окружающей среды. Подвижность элементов за счет солнечных, ветровых и водных ресурсов по плану архитектора не будет мешать жизни и работе лиц, находящихся в здании. С помощью солнечных панелей и ветровых турбин энергия должна накапливаться в 1 200 000 кВТ/час, что позволит обеспечить бесперебойную работу всех механизмов[13].

 

III. Положительные и отрицательные стороны использование кинетической энергии в строительстве

 

На протяжении столетий в общее изучение и применение вводились различные инженерно-технологические решения для улучшения жизни социума и государства. Проектная работа Жака Фреско «Венера» и дом Димаксиона Бакминистера Фуллера представляются как первые разработки, непосредственно, связанные с изучаемой темой. Но в связи с недостаточностью знаний и ресурсов в некоторых географических точках, процесс осуществления идей был невозможен.

Суть данных проектов заключается в актуализации ресурсо-ориентированной экономической модели, которая подразумевает специальную адаптацию социально-экономической системы под природные явления.

В настоящее время всё большее внимание привлекают новые архитектурные здания и сооружения, проектируемые для выработки энергии через водные, воздушные и иные ресурсы. Но в их построении и последующем использовании есть как положительные, так и отрицательные аспекты.

Для построения кинетических зданий и сооружений необходима определенная организация пространства. Так, для наиболее эффективного использования архитектурного решения обязательным элементом должны являться водные, воздушные или иные природные ресурсы, то есть они должны быть непосредственно подведены специальными техническими средствами или проявляться как обычный фактор для зоны расположения постройки. Данный аспект  можно отнести как к плюсам, так и минусам.

Но небольшое количество природных ресурсов не говорит о том, что внедрение новых технологий невозможно, так как, например, в Ян Майен присутствуют только маленькие остатки полезных ископаемых, но водное пространство может позволить спроектировать офисное или жилое здание и с подведением необходимой энергии через различные водогенераторы. Ватикан является страной, в которой большую географическую часть занимает именно город. Драгоценные металлы, уголь, нефть – всего этого нет на рассматриваемой территории. Но благодаря солнечной энергии, Ватикан в геометрических масштабах осуществляет генерацию электричества и других необходимых средств для комфортной жизни народа.

С психологической точки зрения научно доказано, что человеку необходимо внешнее изменение обстановки[14]. Путем введения в действие идей о кинетической архитектуре, можно использовать линзовидные фотографии, предложенные Роба Лей, которые не будут использовать электроэнергию[15]. Суть их действия заключается в видоизменении картинки в зависимости от времени года, погоды. Это позволяет решить сразу два вопроса: психологический и энергетический. С одной стороны у человека, который видит разные изображения ежедневно, снижается уровень стресса и увеличивается количество нейронных связей. Со второй – исключение выработки энергии не экологичным путем.

Также, на человека значительно влияет шумовое и световое воздействие, иногда приводящее не к единичному ухудшению состояния, а к устойчивым головным болям, повышению температуры тела и даже к развитию психических отклонений. Здания, построенные с учетом кинетической энергии, учитывают акустические факторы, помогая снизить уровень шума, благоприятно влияя на членов социума.

Используя энергию природы, минимизируется выработка выхлопных газов и иных вредных веществ. Это позволяет улучшить физическое здоровье человека и свести к минимуму загрязнение окружающей среды.

В качестве явного отрицательного фактора необходимо выделить сменяемость природно-климатических условий, что может повлиять на прогнозируемую выработку энергии. Например, осушение озер, рек, изменение горного рельефа непосредственно скажется на использовании водных и ветровых средств. Этот аспект в настоящее время не изучен в должном объеме.

Также, стоить учесть, что в мире уже существует определенная типология инженерных и архитектурных моделей, которые можно увидеть через внешнюю реализацию существующих сооружений. И процесс построения новых мегаполисов займет десятилетия.

Сложность осуществления идей заключается и в недостаточном количестве квалифицированных специалистов. Не в каждом государстве есть проектные организации, которые смогут правильно разработать проект и рассчитать все необходимые материалы и факторы внешнего воздействия.

Исходя из изложенной информации, можно сделать вывод о том, что реализация кинетической архитектуры влияет в большей степени в положительном аспекте и на государство в целом, и на отдельных членов социума, и на окружающую среду, но нельзя исключать и отрицательные факторы. Так как без должного анализа влияния предложенных технологий предполагаемая польза может видоизмениться на воздействие, ухудшающее общее положение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В заключении нашего исследования, необходимо акцентировать внимание на значимости кинетической архитектуры в современном градостроении. Современные технологии строительства и инновационные инженерные решения позволяют зданиям трансформировать свои формы и функции, отражая не только эстетические предпочтения, но и технические тренды эпохи. Кинетическая архитектура, обогащенная достижениями цифровизации и автоматизации, позволяет создавать адаптивные и функционально мобильные пространства.

Отмечается, что здания и производственные системы, включающие кинетические элементы, могут эффективно реагировать на изменения внешней среды и потребности пользователей, что делает их особенно востребованными в условиях быстро меняющегося мира. В сфере промышленности наблюдается постоянная модернизация оборудования и инженерных систем, что также находит отражение в архитектурных решениях. Аналогично, кинетическая архитектура предоставляет потенциал для построения гибких и адаптивных пространств.

Принимая во внимание, что многие проекты кинетической архитектуры еще не воплотились в реальность, необходимо подчеркнуть активное движение в этом направлении. На данный момент мультидисциплинарные команды, включающие архитекторов, инженеров, программистов, физиков, экологов и других специалистов, ведут совместную работу над созданием совершенных конструкций, которые учитывают не только инновационные технологии, но и экологические требования.

Архитекторы будущего, занимающиеся кинетическими сооружениями, уже научились не только сохранять, но и преобразовывать энергию ветра, солнца, воды и даже света в функциональные элементы пространств, где происходит жизнедеятельность человека. Эти инновации напрямую соответствуют мечтам футуристов 20-х годов прошлого столетия, а в наше время кинетическая архитектура стала абсолютной реальностью и продолжает развиваться как необратимый процесс.

Использование кинетических элементов в строительстве не является чем-то новым — например, подъёмные мосты или движущиеся элементы замков были известны сотни лет назад. Сегодняшние инновации позволяют строить раздвижные мосты, движущиеся крыши стадионов и меняющиеся декорации на театральных сценах.

Следующий шаг на этом пути — массовое внедрение кинетической концепции в строительство.

Эпоха многоэтажных стеклянных небоскрёбов, которые съедали огромные объёмы электроэнергии и служили символом роскоши, уходит в прошлое. Современная архитектура все более ориентирована на энергоэффективность и устойчивость. Возникает новая парадигма, в которой пространственные конструкции являются симбиозом эстетики, функциональности и экологичности.

Уже в 2006 году количество исследований в области кинетической архитектуры можно было пересчитать по пальцам, тогда как сегодня их количество превышает три тысячи. Это свидетельствует о мировом признании и готовности исследователей со всего мира взяться за решение этой проблемы. Например, одна из примитивных кинетических технологий, кинетические жалюзи, уже демонстрирует снижение потребления электроэнергии на 21,3%.

Необходимо поощрять разработку и опыт проектирования кинетической архитектуры. Это означает проведение специализированных научных семинаров, активное обучение студентов-архитекторов по всему миру и, конечно же, поддержку инновационных инициатив. Передовые государства в этой области, такие как ОАЭ, Китай, США, Сингапур и другие, должны выступить лидерами, наставляя остальной мир на путь к зеленой, экологичной и энергоэффективной архитектуре. Ведь ответственность за будущее планеты лежит на всех без исключения.