Особенности проектирования и строительства в арктическом регионе

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.

Для энергообеспечения региона строятся электростанции, работающие на традиционных видах топлива. Имеется опыт использования альтернативных источников энергии. Например введены в эксплуатацию ветро-солнечная станция "Юрта" на Ямальском полуострове, ВЭС "Заполярная" в Воркуте. Однако, эти объекты в большей степени экспериментальные ,так как генерируют меньшее количество энергии, чем необходимо региону, а их расположение обособленное, не объединенное в систему. Ввиду этого заменить традиционную энергетику они не могут.

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"

Данный АЖК расположен на острове Земля Александры. Рассчитан на 150 человек и состоит из 4 объёмов: центральный с тремя крыльями и три фланкирующие его. Общая площадь всех его помещений составляет 14 000 м².

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" оборудован дизельной электростанцией, водоочистительными установками, снегоплавильными и береговыми насосными станциями, а также имеет систему термической обработки ТБУ.

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.

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

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.

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.

Продольный разрез и принципиальная схема получения солнечной электроэнергии

Поперечный разрез и принципиальная схема сбора атмосферных осадков

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.

1. Под ред. Г. В. Алексеева Формирование и динамика современного климата Арктики;. - Л. : Гидрометеоиздат, 2004.

2. Под ред. А. И. Воскресенского Мониторинг климата Арктики : (Сб. ст.) / Аркт. и Антаркт. НИИ;. - Л. : Гидрометеоиздат, 1988

3. Владимир Котляков, Михаил Гросвальд, Александр Кренке «Гляциологический словарь» ;. - Л. : Гидрометеоиздат, 1984

4. Короткевич Е. С. Полярные пустыни. – Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

5. Сергей Хромов, Лидия Мамонтова «Метеорологический словарь» ;. - Л. : Гидрометеоиздат, 1874

6. "Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу" (утв. Президентом РФ 18. 09. 2008 N Пр - 1969) ●

Бродач М. М. – консультант по инженерному оборудованию, профессор кафедры «Инженерное оборудование зданий» МАРХИ (Государственная академия)