X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Образовательно-развлекательный комплекс «Рыба-БА»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность работы
Человек покорил природу, и теперь он сам может творить целые города. Но как построить здание или город так, чтобы человеку было удобно и хотелось в в нем жить? Как долго простоят наши здания? Вредит ли городская застройка окружающей природе?
Цель проектной работы:
Спроектировать и построить умное здание из деталей LEGO, отвечающее современным градостроительным требованиям, таким как:
экологичность,
долговечность,
доступная среда.
Задачи проектной работы:
Узнать, как строятся современные здания;
Изучить современные градостроительные требования:
экологичность, долговечность и доступная среда;
Создать Lego-модель современного умного здания, опираясь на полученные знания о доступной городской среде, экологичности и долговечности в строительстве;
Использовать в Lego-моделе механизмы для демонстрации принципов работы современного умного здания.
Для изучения темы мы пригласили архитектора Порчелли Елену, которая рассказала нам как строится современная городская среда на примере нашего района. И показала презентацию на тему «Что такое город и как нам в нём живётся» [12].
Посмотрели фильм «Суперсооружения. Круговой небоскреб будущего»[10], где увидели процесс: как придумывают, проектируют и строят современные здания; и фильм «Эффективное строительство. Природные технологии в архитектуре. Подражание природе» [11].
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты, ссылки в списке используемой литературы.
При создании Lego-модели мы обращались за вдохновением к книге «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [4]. При конструировании движимых частей проекта нам помогли наши знания, полученные при прохождении курсов «Мир науки» и «Создатели кода» в нашей школе «Galileo». А так же методическое пособие о простых и сложных механических передачах [1].
Глава 1. Современные градостроительные требования
Градостроительство -это многосторонняя деятельность по созданию, улучшению и реконструкции зданий и городской среды. Первыми шагами в градостроительстве являются архитектурное и инженерное проектирование [5].
Из фильма «Суперсооружения. Круговой небоскреб будущего»[10], мы узнали какие этапы в строительстве здания существуют. Что для начала появляется идея, назначение здания, для чего оно нужно городу. Затем архитектор и инженер создают чертежи, договариваются как будет выглядеть здание, определяют место и материалы для строительства. Но даже во время стройки могут возникать сложности. Тогда приходится отходить от намеченного плана и решать возникшую задачу уже на стройке.
Подробно изучим следующие требования к современному строительству: экологичность, долговечность, удобство и доступность среды.
1.1 Экологичность
Под экологичностью конструкций будем понимать – совокупность свойств технологичных конструкций удовлетворять требованиям экологической безопасности, экологической чистоты технологических процессов, уменьшения техногенного влияния на окружающую среду и др [2].
То есть, при планировании нашего здания будем использовать материалы, не вредящие окружающей среде. А так же рассмотрим способы получения экологически чистой, неисчерпаемой энергии: солнечные панели и ветрогенератор. Чтобы в здании было светло, зимой тепло, а летом прохладно.
«Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.» [9]
Наш город Краснодар расположен на юге России, где преобладает солнечная погода (Приложение, Рисунок 2 и 3).Использование солнечных батарей позволит обеспечить экологически чистым электричеством работу здания (его освещение, поддержание оптимального температурного режима помещений и аквариума, работу лифта и пр.).
«Ветрогенератор — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.» [6]
Средняя скорость ветра в Краснодаре — 2,4 м/с, что позволяет использовать энергию ветра для получения экологически чистой электрической энергии на протяжении всего года (Приложение, Рисунок 4 и 5).
1.2 Долговечность в строительстве — свойство здания сохранять работоспособность. Физический износ наступает в том случае, когда дальнейший его ремонт и использование становятся уже невыгодными, так как затраты превышают доход [7].
Чтобы наше здание было долговечным, нам понадобится очень прочный материал. Такой материал мы нашли при просмотре фильма «Эффективное строительство. Природные технологии в архитектуре.Подражание природе»[11].
Оттуда мы узнали, что черпая вдохновение у природы и прилагая его в области инженерии, мы используем подход навываемый – биомимикрия. Этот термин произошёл от греческих слов bios – «жизнь» и mimesis – «имитировать». Итак, существует в природе шестилучевая или стеклянная губка, которая растет в морской воде. Она строит свое очень прочное тело, питаясь всего лишь взвешенными в воде частицами: микроорганизмами, бактериями, частицами органики. (Приложение, Рисунок1).
Прочность тела стеклянной губки обусловлена строением её скелета, который состоит из множества разнообразных шестилучевых игл и их производных. Лучи игл направлены по трем взаимно перпендикулярным осям, почему этих губок называют еще трехосными или шестилучевыми [11].
Сегодня для производства стекла человек использует печи с высокой температурой (до температуры в 1600°С).
Стеклянной же губке достаточно лишь морской воды и содержащихся в ней одноклеточных планктонных организмов, которыми она питается.
Технология стеклянной губки не требует высокотемпературных печей, значит она будет более экологична.
1.3 Удобство и доступность среды
Чтобы человеку хорошо себя чувствовать в любом здании, жилом или рабочем или в здании для отдыха, нужно подумать о многих вещах. Например, как человек будет попадать в здание? Это будет лестница или пандус? Или вход будет на уровне земли без ступеней и порожков?
Так как мы строим новое здание и наша местность достаточно ровная (она не будет подтопляться реками или дождями), то мы можем выбрать самый просто способ – безбарьерный – вход на уровне земли, без ступеней. В таком случае даже люди с ограничениями в передвижении могут без лишних усилий попасть в здание (Приложение, Рисунок 6).
Двери в здании выбираем широкие раздвижные, автоматические. Тогда поток людей сможет беспрепятственно проходить и не создавать очередь.
Важную часть в здании займет озеленение, чтобы создать атмосферу природы (Приложение, Рисунок 7).
Передвижение между этажами в здании сделаем с помощью лифта с несколькими прозрачными стенами, чтобы видеть через шахту лифта аквариум с рыбами. Так будет намного интереснее передвигаться между этажами и кабина лифта будет казаться намного просторнее (Приложение, Рисунок 14).
Глава 2. Создание Lego-модели современного умного здания
Итак, наша команда задумала построить образовательно-развлекательный комплекс «Рыба-БА». Поблизости мы не нашли больших комплексов, куда можно прийти, чтобы узнать что-то новое интересное и где можно весело провести время. Название выбрано случайной игрой слов и связано, с огромным аквариумом для дайвинга в самом здании (Приложение, Рисунок 13 и 16).
2.1Как реализована экологичность
Экологичность нашего проектазаключается в использовании экологически безвредных материалов и источников альтернативной энергии: ветрогенератора и солнечных батарей.
Для создания хорошего ветрогенератора мы сделали несколько вариантов, обсудили и взяли лучшее из моделей (Приложение, Рисунок 10).
Мы разработали ветрогенератор с горизонтальной осью вращения, лопасти приводятся в движение мотором и осью (Приложение, Рисунок 11).
Лопасти сконструированы так, чтобы ловить даже малые потоки ветра и получать наибольшее количество электрической энергии. При создании мы вдохновлялись конструкциями лопастей ветрогенераторов нового поколения (Приложение, Рисунок 4).
Так же ветрогенератор оснащен поворотным механизмом, который позволяет сменить направление лопастей и поймать изменившийся поток ветра.
Программа для работы ветрогенератора написана таким образом, чтобы скорость вращения лопастей сменялась случайным образом (и выводилась для демонстрации на экран компьютера), как и в природе (Приложение, Рисунок 12).
Солнечные панели установлены на крыше здания, чтобы ничего не загораживало лучи солнца. При смене направления лучей солнца, наши солнечные панели меняют свое положение, благодаря поворотным механизмам (Приложение, Рисунок 11 и 14). В качестве примера солнечных панелей мы рассматривали Рисунок 2.
2.2 Как реализована долговечность
Долговечность здания обеспечена прочностью возводимых стен, перекрытий между этажами, прочность крыши.
А так как наш комплекс состоит почти на половину из аквариума, то его стекло тоже сделано очень прочным, по инновационной технологи стеклянной губки (Приложение, Рисунок 1 и 13).
Так же мы добавили в конструкцию стекл внутреннюю прослойку из воздуха (как и в скелете губки), которая будет препятствовать теплообмену с окружающей средой. Это позволит потреблять меньше электрической энергии для поддержания постоянства температурного режима в аквариуме.
2.3 Как реализовано удобство и доступность среды
Проектирование здания мы начали с обдумывания входа в здание, например пандус (Приложение, Рисунки 8 и 9). Но приняли решение строить на уровне земли, так как это намного проще, чем взбираться на пандус. И дальше мы решили придерживаться принципа безбарьерной среды. В здании отсутствуют порожки, есть широкие дверные проемы, автоматически открываемые двери (Приложение, Рисунки 14 и 16).
В многоэтажном здании никак не обойтись и без лифта. Двери лифта работают с помощью пневматического механизма. Кабина лифта приходит в движение с помощью понижающей зубчатой передачи, а управление производится с помощью датчика положения. Стены лифта и шахта лифта прозрачные, потому будет видно аквариум с рыбами и дайверами. Так кабина лифта будет казаться намного просторнее и будет намного интереснее передвигаться между этажами (Приложение, Рисунки 17).
Программа для работы лифта имеет три режима работы (наверх, стоп, вниз) и зависит от положения датчика наклона (Приложение, Рисунок 15).
Важную часть в здании занимает озеленение, чтобы создать атмосферу природы. И удобная игровая зона перед зданием (Приложение, Рисунок 13).
Заключение
В процессе нашей работы мы узнали, как строятся современные умные здания. Какие есть способы сделать постройки экологичными, безвредными для природы: как устроен ветрогенератор и солнечные панели. Что природа может вдохновить человека и подсказать ему лучший способ сделать дом или какое-либо техническое устройство. И тогда здание будет долго случить человеку и в нем будет удобно жить и работать.
В нашем образовательно-развлекательном комплексе «Рыба-Ба» очень интересно играть и хочется продолжать его улучшать.
Нашу работу мы представили старшей команде «Школы юных гениев Galileo» и родителям. В дальнейшем наша работа может быть использована на внеклассных мероприятиях.
Список используемой литературы:
Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.;
Кулик Ю. Г. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии: Конспект лекций в ключевых словах и понятиях – Н. Новгород.: ВГАВТ, 2004
Курс «Мир науки», курс «Создатели кода», Школа юных гениев «Galileo», - Режим доступа - http://lp.galileokrasnodar.ru;
LEGOКнига идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
Пелихович Ю.В., Методическое пособие «Основы градостроительства и планировка населенных мест» – Ставрополь, 2016 – 134с.;
Интернет источники:
Ветрогенератор - Режим доступа - https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветрогенератор
Долговечность - Режим доступа - http://estateline.ru/termin/2216
Класс стеклянные губки.- Режим доступа -https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology/50/КЛАСС
Солнечные батареи - Режим доступа - http://electrik.info/main/news/401-kak-ustroeny-i-rabotayut-solnechnye-batarei.html
Фильм «Суперсооружения. Круговой небоскреб будущего» - Режим доступа - https://www.youtube.com/watch?v=-cNnDZcEbzk
Фильм «Эффективное строительство. Природные технологии в архитектуре. Подражание природе» - Режим доступа - https://www.youtube.com/watch?v=D8Vvx1zkS3g&list=PLRnf1mLZK5LB5xEGWyKk1bJ9WZhxVjrK5
Презентация «Что такое город и как нам в нём живётся» - Режим доступа https://drive.google.com/file/d/1KVHVL1MwJbC6FPs3yaIkQHsa825Ftt9Y/view?usp=sharing
Приложение
Рисунок 1 Стеклянные губки
Рисунок 2 Солнечные панели
Рисунок 3 Средние значения солнечного сияния, часов за месяц по городу Краснодар
Рисунок 4 Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения
Рисунок 5 Средние значения скорости ветра по городу Краснодар
Рисунок 6 Пример входа в здание вровень с землёй
Рисунок 7 Пример озеленения фасада здания
Рисунок 8 Команда изучает варианты безбарьерной среды
Рисунок 9 Прототипы пандуса, разработка варианта удобного входа в здание
Рисунок 10 Прототип генератора водного и ветрового (см. слева направо)
Рисунок 11 Итоговый вариант ветрогенератора и солнечных панелей
Рисунок 12 программа для запуска
ветрогенератора
Рисунок 13 Вид спереди
Рисунок 14 Вид сверху
Р исунок 15 Программа для запуска работы лифта
Рисунок 16 Главный вход в здание, аквариум с дайвером
Рисунок 17 Вид изнутри здания, лифт, пневматические двери
Рисунок 18 Команда за подготовкой к демонстрации проекта