ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ: СВЕТОПРОЗРАЧНЫЙ БЕТОН В КУПОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

​АННОТАЦИЯ

В рамках образовательной программы в Государственном университете по землеустройству группой архитекторов разрабатывается купольная система из светопрозрачного бетона для храмовых, производственных и других зданий. Современное строительство стремится к внедрению инновационных технологий, которые не только повышают функциональные характеристики зданий, но и открывают новые горизонты для архитектурного дизайна. Одной из таких технологий является светопрозрачный бетон — уникальный материал, который сочетает в себе прочность традиционного бетона и способность пропускать свет. В последние годы светопрозрачный бетон активно используется в различных архитектурных решениях, в том числе для создания купольных конструкций, где важными являются как функциональные, так и эстетические требования.

Светопрозрачный бетон в купольных сооружениях позволяет решать сразу несколько задач: повышает естественное освещение внутренних помещений, сохраняет теплотехнические характеристики конструкций и при этом остается прочным и долговечным материалом. Вкупе с оригинальными архитектурными формами купольных конструкций, такие решения способствуют созданию новых визуальных эффектов и могут существенно изменить подходы к проектированию современных зданий.

Ключевые слова: светопрозрачный бетон, купольные конструкции, оптические волокна, купол.

Целью данного исследования является рассмотрение применения светопрозрачного бетона в купольных конструкциях, анализ его преимуществ и возможностей в строительстве, а также оценка перспектив его использования в будущем.

В ходе работы будут изучены технические особенности материала, его влияние на эстетическую составляющую архитектуры, а также экономические и экологические аспекты его применения

Светопрозрачный бетон — это инновационный строительный материал, который сочетает в себе все основные свойства традиционного бетона (прочность, долговечность, огнестойкость) и способность пропускать свет. Этот материал получил популярность в последние десятилетия благодаря своим уникальным характеристикам и применению в архитектуре и дизайне. В отличие от обычного бетона, который является непрозрачным, светопрозрачный бетон позволяет свету проникать через его толщу, что открывает новые возможности для световых и декоративных эффектов в зданиях и сооружениях.

Рисунок 1. Светопрозрачный бетон

Состав и технология производства

Светопрозрачный бетон состоит из смеси традиционных компонентов (цемент, песок, вода, добавки) с добавлением оптических волокон или световодов. Волокна, как правило, могут быть стеклянными или пластиковыми, и они распределяются по всей массе бетона, создавая каналы для пропускания света. В зависимости от используемых технологий, волокна могут быть расположены как случайным образом, так и с определённой геометрией, что влияет на визуальный эффект от проходящего света.

Процесс изготовления светопрозрачного бетона включает в себя несколько этапов:

1. Подготовка смеси: цемент, песок и другие компоненты смешиваются с водой, после чего добавляются световоды.
2. Формовка: полученная смесь заливается в формы, после чего твердеет.
3. Отверждение: материал выдерживается в условиях, при которых достигается нужная прочность.

Одним из ключевых факторов, влияющих на прозрачность бетона, является плотность и расположение оптических волокон. Чем меньше расстояние между ними и чем выше их плотность, тем более светопропускающим будет бетон. Однако, несмотря на свою прозрачность, светопрозрачный бетон сохраняет характеристики обычного бетона, такие как прочность и устойчивость к нагрузкам.

Рисунок 2. Узор, зависящий от плотности оптических волокон

Преимущества светопрозрачного бетона

1. Светопропускная способность: главный отличительный признак светопрозрачного бетона, который позволяет значительно улучшить естественное освещение в помещениях, не нарушая при этом структурной целостности зданий.
2. Прочность и долговечность: как и обычный бетон, светопрозрачный бетон отличается высокой прочностью на сжатие и долговечностью, что делает его подходящим для использования в конструкциях, требующих высокой нагрузочной способности.
3. Эстетика и дизайнерские возможности: светопрозрачный бетон открывает новые возможности для архитекторов и дизайнеров, позволяя создавать уникальные световые эффекты и играя с визуальными восприятиями пространства.
4. Теплоизоляционные характеристики: несмотря на свою прозрачность, светопрозрачный бетон сохраняет хорошие теплоизоляционные качества, что позволяет использовать его в строительстве энергоэффективных зданий.
5. Устойчивость к внешним воздействиям: как и традиционный бетон, светопрозрачный бетон обладает высокой устойчивостью к воздействию влаги, агрессивных химических веществ и экстремальных температур.

Недостатки и ограничения

Однако, несмотря на все преимущества, светопрозрачный бетон имеет и свои ограничения. Одним из главных недостатков является его высокая стоимость по сравнению с обычным бетоном, что делает его применение ограниченным для массового строительства. Кроме того, технология его производства требует высокотехнологичного оборудования и особых условий, что также добавляет сложности в процессе его изготовления.

Применение светопрозрачного бетона в строительстве

Светопрозрачный бетон используется в различных областях строительства благодаря своей способности пропускать свет, сохраняя при этом прочность и долговечность. Он широко применяется для создания фасадов зданий, обеспечивая естественное освещение и эстетические эффекты. В интерьере используется для световых перегородок, стен и декоративных элементов. Также светопрозрачный бетон применяется в строительстве мостов и тоннелей, улучшая видимость и безопасность. В купольных конструкциях он помогает создать легкие и прочные крыши с естественным освещением. Этот материал способствует энергосбережению, улучшает теплоизоляцию и поддерживает устойчивое строительство. Кроме того, светопрозрачный бетон используется в скульптурных и декоративных элементах, а также в ландшафтном дизайне.

Рисунок 3. Блок светопрозрачного бетона с необычным узором

Особенности применения светопрозрачного бетона в купольных конструкциях

Рассмотрим особенности его применения в купольных сооружениях.

1. Естественное освещение: встраивая светопрозрачные элементы в купол, можно обеспечить мягкое и равномерное освещение внутренних помещений без необходимости в дополнительном искусственном освещении. Это особенно важно для больших открытых пространств, таких как павильоны, спортивные арены и культурные центры.
2. Эстетические качества: светопрозрачный бетон позволяет создавать впечатляющие визуальные эффекты, играя с естественным светом. Он позволяет архитекторам реализовывать уникальные дизайнерские идеи, используя как световые панели, так и декоративные элементы, которые меняются в зависимости от времени суток. Это придает зданиям и сооружениям оригинальность и уникальность, а также делает пространство более легким и воздушным.
3. Устойчивость и прочность: купольные конструкции требуют материалов, которые могут выдерживать значительные нагрузки, особенно в условиях экстремальных климатических воздействий. Светопрозрачный бетон сохраняет высокую прочность, долговечность и устойчивость к внешним воздействиям, что делает его подходящим для использования в куполах, где важна не только визуальная легкость, но и надежность конструкции.
4. Гибкость в проектировании: светопрозрачный бетон позволяет создавать сложные геометрические формы, что идеально подходит для купольных конструкций. Он легко интегрируется в различные архитектурные решения, а возможность создания различных уровней прозрачности и текстуры позволяет архитекторам играть с пространственными и световыми эффектами.
5. Снижение веса конструкции: в отличие от традиционных материалов, светопрозрачный бетон может быть легче, что снижает общий вес купольной конструкции. Это может уменьшить нагрузку на основание и поддерживающие элементы, позволяя проектировать более легкие и устойчивые конструкции.
6. Экологичность и устойчивость: использование светопрозрачного бетона также способствует экологичности строительства. Он позволяет снизить потребление энергии за счет лучшего освещения и теплоизоляции, что является важным аспектом в современных принципах устойчивого строительства

Технические аспекты светопрозрачного бетона

1. Состав и технология производства

Светопрозрачный бетон состоит из традиционного бетона с добавлением оптических волокон (стеклянных или пластиковых), которые обеспечивают светопропускание.

2. Светопропускные характеристики

Светопрозрачность бетона зависит от плотности и распределения волокон (обычно от 5% до 15%)

3. Прочность и механические свойства

Светопрозрачный бетон сохраняет прочность на сжатие, но может иметь уменьшенную прочность на растяжение из-за добавления волокон. Прочность на сжатие  определяется по формуле: 

где F — сила на разрушение, A — площадь сечения.

4. Теплоизоляция

Светопрозрачный бетон также сохраняет теплоизоляционные свойства. Теплопроводность  бетона рассчитывается по формуле:

где:

• Q — количество тепла,
• A — площадь,
•  — разница температур,
• d — толщина материала,
•  — коэффициент теплопроводности.

Экономические и экологические аспекты светопрозрачного бетон

Светопрозрачный бетон имеет более высокую стоимость производства по сравнению с обычным бетоном из-за добавления оптических волокон, но это компенсируется долгосрочными экономическими выгодами. Он снижает потребность в искусственном освещении, что ведет к сокращению эксплуатационных затрат в зданиях и снижению потребности в электроэнергии. Высокая долговечность этого материала также уменьшает расходы на техническое обслуживание, что делает его выгодным для энергоэффективных проектов и зданий с долгим сроком службы.

С экологической точки зрения светопрозрачный бетон способствует снижению углеродного следа за счет уменьшения потребности в искусственном освещении и отоплении. Его производство обычно требует меньших энергетических затрат, чем стекло или другие строительные материалы, что снижает воздействие на окружающую среду. Кроме того, светопрозрачный бетон можно перерабатывать, что снижает объем строительных отходов и способствует более устойчивому строительству.

Будущее светопрозрачного бетона в строительстве

Будущее светопрозрачного бетона в строительстве связано с развитием технологий, улучшением его свойств и расширением области применения. Уже сейчас этот материал находит применение в различных архитектурных решениях благодаря своей уникальной способности сочетать прочность и светопропускание. Таким образом, он становится неотъемлемой частью устойчивого строительства, где важны как эстетические, так и функциональные характеристики.

Одним из направлений будущего развития светопрозрачного бетона является его усовершенствование для использования в более крупных и сложных конструкциях, таких как купольные и фасадные элементы в многоквартирных домах и общественных зданиях. В будущем, с развитием новых типов оптических волокон и улучшением их распределения в материале, светопрозрачный бетон станет еще более эффективным и доступным, что сделает его важным элементом в строительстве экологически чистых и энергоэффективных зданий.

Рисунок 4. Применение светопрозрачного бетона в архитектуре

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Светопрозрачный бетон представляет собой перспективный строительный материал, который сочетает в себе высокие механические характеристики традиционного бетона и уникальные светопропускные свойства, что открывает новые возможности для архитектуры и строительства. Его способность обеспечивать естественное освещение, улучшать энергоэффективность зданий и снижать потребность в искусственном освещении, а также его долговечность и устойчивость к внешним воздействиям, делают его привлекательным для применения в современных строительных проектах. В свою очередь, экономические и экологические преимущества, такие как снижение эксплуатационных затрат и углеродного следа, играют ключевую роль в продвижении светопрозрачного бетона как материала для устойчивого строительства.

В будущем светопрозрачный бетон будет продолжать развиваться, благодаря совершенствованию технологий производства и материалов. Использование новых типов оптических волокон и улучшение их распределения в структуре бетона позволит значительно повысить его светопропускные и механические свойства. Кроме того, расширение применения светопрозрачного бетона в архитектурных решениях, таких как купольные и фасадные конструкции, а также в элементах декоративного дизайна, открывает широкие перспективы для его массового внедрения в строительную практику. Устойчивость, энергоэффективность и возможность переработки делают светопрозрачный бетон важным шагом в направлении устойчивого и инновационного строительства, что подтверждается его растущей ролью в современных архитектурных и строительных решениях.

Список литературы:

1. Синянский, И.А. Типология зданий и сооружений: учеб. пособие для учреждений сред. проф. образования / И.А. Синянский, Н.И. Манешина – 6-е изд., стер. – M. : Издательский центр «Академия», 2013. – 144 с.
2. УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ "ФИЗИКА СРЕДЫ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ" Хохлова Л.И. Хроники объединенного фонда электронных ресурсов Наука и образование. 2014. № 6 (61). С. 44.
3. ТЕХНОЛОГИИ ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В АРХИТЕКТУРНОМ ОБРАЗОВАНИИ Пакунов О.С., Пакунова Т.А. В книге: Новые информационные технологии в архитектуре и строительстве. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Екатеринбург, 2023. С. 61.
4. Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты. М.: Машиностроение, 1985.
5. Понявина Н.А. Экостроительство как фактор совершенствования городской среды / Н.А. Понявина, Ю.В. Зубарева, М.П. Черенков // Актуальные вопросы науки и техники. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции (11 апреля 2019 г.). 2019. С. 38.
6. Алгоритм моделирования архитектуры зданий управлений Наумкин Г.И. Российский научный журнал. 2015. № 4 (47). С. 328-330.
7. Абесинова, Н.П. Архитектурно-ландшафтная организация центрального района крупнейших городов Текст. / Н.П. Абесинова // Вопросы ландшафтной архитектуры: сб. науч. тр./ КиевНИИП градостроительства. -Киев, 1982.-С. 11-23.