IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Архитектурная бионика: небоскрёбы по образу и подобию природы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Презентация
• Наградные документы

Черканович В.А. 1

---

1МБОУ многопрофильный лицей города Кирово-Чепецка

Сафронова Н.Г. 1

---

1МБОУ многопрофильный лицей города Кирово-Чепецка

Работа в формате PDF

3.7 MB

---

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяДиплом участника II этапаДиплом за подготовку участника II этапаДиплом лауреата II этапаДиплом за подготовку лауреата II этапа

Введение

Актуальность

На всём протяжении своего развития человек в архитектурно-строительной деятельности обращался к живой природе, которая помогала ему решать самые различные проблемы. Человек развивался, одновременно шло и усложнение архитектурных строений. Современная архитектура не имеет границ. Одним из её направлений является архитектурная бионика, которая стремится к созданию сооружений на основе природных подсказок. Наиболее интересны в настоящее время – это небоскрёбы, созданные по образу и подобию природы.

Проблема: Какие природные подсказки использует человек при строительстве этих сооружений?

Тема исследования: Архитектурная бионика: небоскрёбы по образу и подобию природы

Объект исследования – природные подсказки

Предмет исследования – конструкции, созданные на основе природных подсказок.

Цель исследования – Изучение идей природы и реализация их в виде макета небоскрёба.

Гипотеза: Если изучить природные подсказки, то можно создать различные конструкции и реализовать их в виде макета небоскрёба.

Для достижения цели мне необходимо было реализовать следующие задачи:

Изучить литературу об архитектурной бионике.

Провести наблюдение природных объектов.

Реализовать идеи, подсмотренные в природе, в виде конструкторских решений.

Провести опыты с полученными конструкциями.

Смоделировать макет, включающий в себя конструкции, созданные на основе природных подсказок.

Методы исследования:

теоретические методы: сравнение;

эмпирические методы: изучение литературных источников и ресурсов Интернет, опрос, наблюдение, эксперимент

Краткий литературный обзор

Для более глубокого понимания изучаемой проблемы я изучил материал из сети Интернет и прочитал книги:

Лебедев, Ю.С. Архитектурная бионика.

Леонович А.А. Бионика: подсказано природой.

Роговцева Н.И., Богданова Н.В., Добромыслова Н.В. Технология 3 класс: учебник для общеобразовательных учреждений.

Практическая значимость

Результаты работы могут быть использованы на уроках окружающего мира и технологии в начальной школе при изучении и создании различных конструкций своими руками с помощью идей, которые нам демонстрирует природа.

Характеристика личного вклада в решение избранной проблемы

После изучения литературы о бионике и наблюдения природных объектов были изготовлены конструкции на основе полученных природных подсказок. На основании результатов проведенных опытов был изготовлен макет вращающегося небоскрёба.

Архитектурная бионика

1.1. Понятие архитектурной бионики

Понятие «бионика» (от греч. «биос» - жизнь) появилось в начале ХХ века. Название было предложено американским исследователем Дж.Стилом на симпозиуме 1960 года в г. Дайтоне «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике», в ходе которого было закреплено возникновение новой, неизведанной области знания. С этого момента перед архитекторами, дизайнерами, конструкторами и инженерами возникает ряд задач, направленных на поиск новых средств формообразования [2].

Архитектурная бионика – это инновационный стиль, берущий все самое лучшее от природы: рельефы, контуры, принципы формообразования и взаимодействия с окружающим миром. Во всем мире идеи бионической архитектуры успешно воплощены известными архитекторами: небоскрёб-кипарис в Шанхае, Сиднейская опера в Австралии, здание правления NMB Bank – Нидерланды, учебный центр Rolex и музей плодов – в Японии [1].

Во все времена существовала преемственность природных форм в архитектуре, созданной человеком. Современная бионика опирается на особенности живых организмов - способность к саморегуляции, фотосинтез, принцип гармоничного сосуществования. Дальнейшее развитие бионики предполагает разработку и создание экодомов - энергоэффективных и комфортных зданий с независимыми системами жизнеобеспечения. Конструкция такого здания предусматривает комплекс инженерного оборудования. При строительстве используются экологичные материалы и строительные конструкции. [4].

1.2. Основные позиции в архитектурной бионике

Каждое живое существо на планете является совершенной работающей системой, приспособленной к окружающей среде. Жизнеспособность таких систем - результат эволюции многих миллионов лет. Раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в архитектуре сооружений. Основными позициями для изучения природы в архитектурной бионике являются биоматериаловедение. Объектом изучения в биоматериаловедении являются ткани животных организмов, стебли и листья растений, нити паутины, усики тыквы, крылья бабочки и т.п.

Ярким примером неосознанного использования бионики в строительстве является идентичность строения стеблей злаковых культур и высотных промышленных зданий. Дело в том, что стебли растений способны выдержать большие нагрузки и не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. Такой принцип схож с конструкцией современных высотных зданий – одним из последних достижений инженерной мысли. У небоскрёба все этажи выстраиваются вокруг ствола или ядра, который возводится из бетона. Внутри него размещаются все инженерные коммуникации, включая трубопроводы, кабельные системы и лифты. Чтобы уменьшить колебания небоскреба, через каждые пятьдесят-семьдесят метров располагаются распорки из железобетона, которые соединяют внешние колонны. Для обеспечения надежного соединения внешних колонн с центром здания используются металлические балки. Тем самым у здания получается повышенный запас прочности. Бионика, таким образом, только подтверждает, что большинство человеческих изобретений давно «запатентовано» природой [6].

1.3. Стебель растения в строительстве небоскрёба

Небоскрёб - это свободно стоящее сооружение, распределенное по вертикали на этажи, со стальным или металлическим каркасом, предназначенное для жизни или работы людей. По строению небоскрёб очень похож на стебель растения.

Минимальная высота здания-небоскрёба является спорной. В США и Европе небоскрёбами принято считать здания высотой не менее 150 метров. Небоскрёбы выше 300 м по определению Совета по высотным зданиям и городской среде называются сверхвысокими, а свыше 600 м - «мега-высокими». До XX века здания высотой более шести этажей строились редко. Это было связано с неудобством поднятия по лестницам на большую высоту. Кроме того, всасывающие водяные насосы, применявшиеся в то время, позволяли поднимать воду не более чем на 10 м. Развитие технологий стали, железобетона и водных напорных насосов, а также изобретение безопасных лифтов позволили в десятки раз увеличить высоту зданий, что особенно востребовано в мегалополисах, где велика стоимость площади застройки.

На конец 2019 года в мире насчитывается 4953 построенных небоскрёба (высотой более 150 м) и 978 строящихся, из них 170 построенных сверхвысоких (высотой более 300 м) и 126 строящихся. Строительство ещё 208 небоскрёбов (из них 40 - сверхвысоких) пока приостановлено. Больше всего небоскрёбов (высотой более 150 м) находится в Китае - 2090, в США - 801, в Объединённых Арабских Эмиратах - 252, в Японии - 252, в Республике Корея - 220, в Австралии - 110, в Сингапуре - 90, в Малайзии - 90. В России построено 47 небоскрёбов, ещё 11 находятся в стадии строительства [7].

1.4. Уникальные примеры российских небоскрёбов

В России существуют уникальные здания, которые выводят строительство на новый технологический уровень. Самый масштабный проект -это «Москва-Сити», город. Здесь находятся самые высокие здания в России: комплекс «Федерация», башни «ОКО», «Меркурий», комплексы «Город столиц», «Евразия». Каждое здание оригинально и неповторимо. Из 23 запланированных объектов возведены ещё не все. Строительные работы продолжаются и должны финишировать в 2022 году. В 2011 году «Москва» признана самым эстетичным небоскрёбом мира. Восточная башня комплекса «Федерация» являлась самым высоким зданием Европы до 2017 года.

«Лахта-центр» в г. Санкт-Петербурге является уникальным проектом для России. Самый высокий бизнес-центр в Европе был официально достроен в октябре 2018 года. Здание высотой 462 метра построили за шесть лет. Основная нагрузка сосредоточена в центре, а по периметру расположена более легкая часть здания [7].

Таблица 1

Самые высокие современные строения России

Выводы по первой главе:

1. Развитие архитектурной бионики во многом предопределено временем. Это одно из самых актуальных на сегодняшний день направлений. А связано это с общей идеей возврата к природе, прослеживающейся сегодня во многих сферах человеческой деятельности.

2. В настоящее время небоскребы стали неотъемлемой частью мегаполисов. Они не только изменяют архитектуру городов, но и оказывают большое влияние на развитие строительной отрасли в целом.

2. Небоскрёбы по образу и подобию природы

2.1. Идеи, подсмотренные у природы

После изучения литературы об архитектурной бионике я решил найти в природе объекты, о которых прочитал, изучить их и на основе полученных идей сделать своими руками несколько конструкций [5]. В предыдущей работе я рассмотрел 7 идей, подсмотренных у природы. А именно идеи для создания лёгких и прочных конструкций, прочных и складчатых поверхностей, спиральных и пружинящих конструкций, сетчатых и дырчатых конструкций, трансформирующихся защитных поверхностей, конусных и цилиндрических конструкций, шестигранных конструкций. На основе полученных идей я изготовил конструкции и провёл с ними испытания на исследование прочности, лёгкости, подвижности.

В этой работе я рассмотрю и проведу испытания на исследование прочности с тремя идеями, которые больше подходят для создания макета небоскрёба. Для выполнения задуманного мне потребовался телефон с фотокамерой, бумага, фольга, ножницы, клей, вода, груз.

Идея для создания спиральных и пружинящих конструкций. Изменяя лишь форму, придавая ей вид спирали и пружины, природа, таким образом, достигает в конструкции дополнительную жесткость и устойчивость в пространстве. Так, например, завиваются в спираль тонкие и длинные стебли огурцов, кабачков, гороха, которые не могут стоять самостоятельно. Описывая круги верхушкой побега, вьющиеся растения обшаривают вокруг себя: не попадётся ли поблизости какая-нибудь опора, по которой можно будет карабкаться вверх. Но вот опора «попалась», и тонкий стебелёк охватывает её. Теперь молодая верхушка уже движется вокруг своей опоры. Но, вращаясь, она всё время растёт, тянется вверх и поэтому охватывает опору не в одном месте, как кольцо, а спиралью — с каждым кругом всё выше и выше. Ещё интереснее лазят растения, имеющие усики - изменившиеся листья или побеги. С их помощью растение, например, горох, легче и быстрее карабкается вверх и находит опору. А плющ прикрепляется к опоре маленькими корешками на стеблях. Эта природная подсказка нашла своё применение в архитектуре. Например, спиральный небоскрёб в «Москва-Сити» [2].

Подсмотрев, как усики растений обвивают опору, я решил сделать спиральную модель и пружинящую спиральную конструкцию. Для этого мне потребовались бумага, клей, ножницы, карандаш, фольга, жидкое мыло, вода.

Опыт 1. Из фольги я вырезал спираль, положил ее в чашу с водой. В центр спирали, которая плавала на воде, капнул жидкое мыло. Спираль начала вращаться и плавать по поверхности воды. При добавлении мыла в центр спирали поверхностное натяжение воды внутри спирали уменьшается, а поверхностное натяжение воды снаружи спирали остается неизменным (туда еще не попали молекулы мыла). В результате внешняя вода перетягивает «поверхностную пленку» на себя. Мы наблюдаем вращательное движение спирали. Вывод: С помощью спиральной модели я получил эффект движущейся спирали.

Опыт 2. С помощью двух полосок бумаги я сплел спираль. Концы закрепил клеем. Держа за концы конструкцию, ее можно сжимать и разжимать, тем самым обхватывать предмет. Конструкция получила ребра жесткости, тем самым она может выдержать груз (см. Приложение 1). Вывод: С помощью пружинящей спиральной конструкции получился эффект спирали, обхватывающей предмет.

Идея для создания цилиндрических конструкций. Растущий конусом вверх стебель бамбука пробивает почвенную корку и превращается в прочный полый цилиндр - стебель «соломину». Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. В большинстве случаев в строении стебля хорошо выделяются узлы (вздутия в местах прикрепления листьев) и междоузлия (участки между ними). Механическая ткань, расположенная по периферии стебля, обеспечивает высокую прочность на изгиб. Фабричные трубы сделаны аналогичным образом. Продольная арматура, используемая в них, сходна со склеренхимными тяжами в стебле. Стальные кольца жёсткости – междоузлия. Тонкая кожица с внешней стороны стебля – это аналог спиральной арматуры в строении труб [1].

С помощью бумаги, клея ПВА и скотча смастерил цилиндры, призму, параллелепипед и решил проверить на прочность конструкции, проведя опыт.

Опыт 3. Три цилиндрая поставил друг на друга, между ними положил листы бумаги, сверху положил груз. Конструкция выдерживает тяжесть груза. Вывод: Получился эффект бумажной устойчивой конструкции.

Опыт 4. Один цилиндр я положил на боковую поверхность, сверху поставил груз. Конструкция не выдержала тяжесть груза. Пять цилиндров я положил на боковую поверхность, скрепил их листом бумаги, сверху поставил груз. Конструкция выдерживает тяжесть груза. Вывод: Получился эффект бумажной устойчивой конструкции.

Опыт 5. Взял три фигуры: призма, параллелепипед и цилиндр, три груза в виде книг разной толщины. На каждую фигуру сверху постепенно добавлял груз, начинал с самой тонкой книги. Призма и параллелепипед выдержали малый груз, но на среднем смялись. Цилиндр выдержал самый больший груз. Конструкция в виде цилиндра выдерживает тяжесть груза, потому что вес груза, который на нем лежал, равномерно распределил по его стенкам (см. Приложение 2). Вывод: Цилиндр выдерживает самый больший груз.

Идея для создания шестигранных конструкций.Среди шестигранных конструкций наиболее замечательным творением природы являются пчелиные соты. Самый лучший способ построить сооружение с максимальной вместимостью, но с минимальной затратой материала, это сделать стены шестиугольными, так как из всех фигур самая короткая длина окружности у шестиугольника. Современные гоночные лыжи изготавливаются из смолы HYPTONITE. Это продукт нанотехнологий. Смола имеет вид ячейки пчелиных сот, и эта структура наиболее прочная. Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек или сот, покрывающих обслуживаемую территорию, например, территорию города с пригородами.

Принцип построения живых конструкций из шестиугольников используется строителями при возведении секционных домов из однотипных элементов [5].

Опыт 6. С помощью модульного оригами я сделал шар. В основе лежит сборка деталей одинакового размера, которые сложены определенным способом. Конструкция получилась объемной и прочной (см. Приложение 3). Вывод: Шестигранная форма соты – наиболее устойчивая форма в смысле распределения нагрузок, оптимальная природная форма. Принцип «пчелиных сот» широко используется в архитектурных ансамблях всего мира, в строительстве гигантских сооружений, в создании новых дизайн-проектов, в производстве эко-материалов и нанотехнологий.

2.2. Создание макета небоскреба

Однажды я посмотрел телепередачу о строительстве в Дубае вращающегося небоскрёба. Все 68 этажей здания вращаются на 360 градусов независимо друг от друга, используя для этого энергию ветра. Здание в течение дня поворачивается вокруг своей оси, изменяя форму. И я решил сделать макет вращающегося небоскрёба. Поэтому следующим этапом моей работы стало объединение полученных конструкций в макете небоскрёба, у которого этажи вращаются вокруг своей оси (см. Приложение 4).

Свою работу я начал с создания эскиза и чертежа небоскреба. Эскиз – это рисунок замысла работы, предварительное изображение предмета, выполненное от руки, то есть без применения чертёжных инструментов и без точного соблюдения масштаба [3].

Сам небоскрёб состоит из разных деталей, а именно центральное ядро-цилиндр, этажи, шестерёнки, подшипники, двигатель, аккумулятор. При создании каждого элемента макета я использовал идеи, взятые в природе.

Таблица 2

Идеи природы для создания конструкций макета

После создания эскиза мы с папой стали делать чертёж макета. Чертёж - условное изображение изделий, предметов и деталей на листе бумаги с указанием их размеров и масштаба. Масштаб – отношение длины отрезков на чертеже к длине соответствующих им отрезков в действительности. Его обозначают числом, которое показывает, во сколько раз уменьшены или увеличены действительные размеры на чертеже [3].

Чертёж на бумаге нам не подошел, потому что мы использовали 3D-принтер. А 3D-принтер работает только с электронными 3D-чертежами, которые создаются в специальной программе. Через флэш-карту или USB-провод программа загружается в 3D-принтер и запускается печать. 3D-принтер печатает чёткие, ровные, однотипные детали, в тоже время легкие, прочные, объемные конструкции из самых разных материалов. Для этого мы выбрали программу для черчения, в которой будем рисовать наши детали. Программы для черчения на компьютере упрощают процесс создания чертежей. Чертеж в подобных приложениях рисуется гораздо быстрее, чем на реальном листе бумаге, а в случае совершения ошибки ее можно легко исправить в пару кликов. 3D-чертежи для центрального ядра-цилиндра и этажей создавались в программе Blender, шестерёнки – в программе AutodeskFusion 360.

3D-принтер состоит из одинаковых деталей и по устройству похож на обычный принтер. Главное отличие: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина. За создание трёхмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3D-печати - это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу-вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. Но есть и интересные варианты, например, имитаторы древесины или песчаника с наполнителями из настоящей древесины или камня [8]. Для печати деталей мы выбрали пластик PLA, потому что он экологичный.

Вывод:При создании макета небоскрёба я использовал идеи, взятые в природе. Считаю, что мне удалось реализовать задуманное. Очень бы хотелось, чтобы на основе моего макета небоскрёба, у которого этажи вращаются вокруг своей оси, построили культурно-развлекательный центр. Это может быть не небоскрёб, а здание высотой в 5 этажей, у которого все этажи вращаются вокруг своей оси. Оно отлично впишется в архитектуру нашей Вятской набережной, которая преображается из года в год. Тем самым повысится гостеприимство нашего города. Предлагаю открыть там развлекательные студии, инновационные кружки, планетарий.

Выводы по второй главе:

1. На основе идей, взятых в природе, созданы различные конструкции, проведены опыты на исследование их прочности, устойчивости.

2. На основе полученных конструкций создан макет небоскрёба, конструкции которого выполнены при помощи 3D-принтера по предварительно составленным чертежам. Конструкции получились крепкими, в то же время лёгкими, подвижными.

Заключение

Работая над данной темой, я пришёл к выводу, что архитектурная бионика является новой страницей в развитии строительной техники, это осознанная, вызванная требованиями нашего времени необходимость изучать инженерные решения природы, познавать законы, секреты ее строительного мастерства, это целенаправленный поиск оригинальных архитектурных форм, идеально рассчитанных самой природой. А кто, как ни архитекторы, лучше всего воплощают тенденции времени. Именно поэтому проектировщики и строители сосредоточили внимание на проектах, способных улучшить жизнь людей и состояние природы.

Моя гипотеза подтвердилась: Если изучить природные подсказки, то можно создать различные конструкции и реализовать их в виде макета небоскрёба.

Я понял, что с помощью полученных идей можно сделать своими руками конструкции, которые копируют функции объекта в природе.

Цель достигнута: я изучил идеи природы, которые используют архитекторы в строительстве небоскрёбов, и создал свой макет небоскрёба.

В дальнейшем я продолжу поиск интересных идей, ведь архитектурная бионика – это интересная тема, которую нужно изучить тщательнее.

Список используемых источников

Лебедев, Ю.С. Архитектурная бионика. [Текст] / Юрий Сергеевич Лебедев, - Москва: Стройиздат, 1990 г. - 270 с.

Леонович, А.А. Бионика: подсказано природой. [Текст] / Александр Анатольевич Леонович, - Москва: АСТ, 2018 г. - 256 с.

Роговцева, Н.И., Богданова, Н.В., Добромыслова, Н.В. Технология 3 класс: учебник для общеобразовательных учреждений. [Текст] / Наталья Ивановна Роговцева, Надежда Викторовна Богданова, Надежда Владимировна Добромыслова, – Москва: Просвещение, 2013г. - 143 с.

Информация из сети Интернет

Architecture and interior design, свободный. - Загл. сэкрана. Режим доступа: https://inttera.livejournal.com/5534.html

Информация из сети Интернет

Бионика. Уроки бионики, свободный. – Загл. с экрана. Режим доступа: https://sites.google.com/site/bionikasteam/bionika

Информация из сети Интернет

Бионика – небоскребы по образу и подобию природы, свободный. – Загл. с экрана. Режим доступа: https://www.rubinarealestate.com

Информация из сети Интернет

Небоскрёб, свободный. – Загл. с экрана. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org

Информация из сети Интернет

Что такое 3D-принтер. – Загл. с экрана. Режим доступа: https://3dtoday.ru/wiki/3Dprinter

Приложение

Приложение 1.Идея для создания спиральных и пружинящих конструкций

Рис. 1. Стебли огурцов, кабачков, гороха

Рис. 2. Опыт со спиральной конструкцией

Рис. 3. Опыт с пружинистой спиральной конструкцией

Приложение 2. Идея для создания конусных и цилиндрических конструкций

Рис. 1. Прорастание хосты, шляпка гриба, семена одуванчика

Рис. 2. Опыты с цилиндрами

Рис. 3. Опыты с параллелепипедом, призмой и цилиндром

Приложение 3. Идея для создания шестигранных конструкций

Рис. 1. Пчелиные соты, сотовая связь, смола HYPTONITE

Рис. 2. Модульное оригами

Приложение 4. Создание макета небоскрёба

Рис. 1. Эскиз небоскрёба Рис. 2. Чертёж шестерёнки в ПО AutodeskFusion360

Рис. 3. Чертежи центрального ядра-цилиндра и этажа в ПО Blender

Рис. 4. Процесс изготовления элементов небоскрёба на 3D-принтере

Рис. 5. Готовые элементы небоскрёба: шестерёнка, центральное ядро-цилиндр

и модульные этажи

Рис. 6. Основание небоскрёба

Рис. 7. Готовый макет небоскрёба