Живот на 8 m под земята, домът на Люк Скайуокър и една забравена строителна технология с неочаквани предимства

През февруари 1975 г. списанието на ЮНЕСКО The UNESCO Courier публикува материал, озаглавен „Архитектура без архитекти“, посветен на традиционните строителни техники в Тунис. Сред представените примери особено внимание привлича Матмата, където хора и животни сякаш потъват вдън земя, докато прекосяват хълмовете. Оказва се, че под повърхността се намират цели жилища, издълбани в сравнително меките земни пластове, с вътрешни дворове, достигащи 8 m дълбочина, проходи, помещения със сводести тавани и складове за хранителни запаси. Някои от тези подземни домове се простират на дължина до 50 m, като местните строители са успели да организират пространствата според нуждите на семействата, използвайки самия терен вместо традиционни строителни материали.

Само две години по-късно една от подземните постройки на Матмата придобива световна известност по съвсем различен повод. През 1977 г. тя се появява в първия филм от поредицата „Междузвездни войни“ като част от дома на Люк Скайуокър на пустинната планета Татуин. Така жилищна архитектура, създадена от поколения местни майстори, се превръща в декор за един от най-популярните научнофантастични филми. И докато Холивуд открива в Матмата подходяща обстановка за „живот на друга планета“, изследователите намират основания да проучат конструкцията на тези домове и необичайните им експлоатационни характеристики. Какво би накарало човек да предпочете дом, издълбан на няколко метра под земята, пред къща на повърхността? И възможно ли е строителен подход, развиван в продължение на векове, да предложи решения за някои от предизвикателствата пред съвременните жилища? Отговорите търсим в днешната ни Инженерна история.

Строителството на подземните жилища започвало с избора на подходящи земни пластове

Първото условие за изграждането на подобен дом е наличието на подходяща почва. В планинския район на Матмата, разположен в югоизточната част на Тунис, между скалните образувания са натрупани дебели пластове льосовидни отлагания. Те са формирани от фини частици, пренасяни и отлагани в продължение на дълги геоложки периоди. На места дебелината им достига 10 – 20 m. Тези отлагания съдържат варовити компоненти, които допринасят за свързаността на частиците и позволяват на материала да запазва сравнително устойчиви вертикални повърхности.

Точно това свойство е направило възможно издълбаването на цели жилища с прости ръчни инструменти. Почвата можела да се обработва с кирки и мотики, без стените на изкопа непременно да се разрушават. При строителството обаче било важно да се достигнат достатъчно плътни и устойчиви пластове. В някои архитектурни проучвания на Матмата се посочва, че на дълбочина около 5 m земният материал става по-компактен и позволява сравнително безопасно оформяне на помещения. Тази характеристика не е еднаква навсякъде и зависи от конкретния терен.

Местните майстори започвали с избора на склон, чийто наклон позволявал да се оформи дълбок двор и да се осигури достъп до него. При проучвания на традиционната технология са описани терени с наклон до около 20°. След избора на място строителите започвали да изкопават централния двор, наричан мехрес. Работело се постепенно, като се оформяли стъпала, по които изкопаният материал се изнасял на повърхността. Дълбочината на двора обикновено достигала между 5 и 10 m, а диаметърът можел да бъде съпоставим с нея или по-голям. След достигането на необходимото ниво се прокопавал входният коридор, известен като сгифа. Той свързвал вътрешния двор с външния терен и следвал особеностите на склона. Едва тогава започвало оформянето на стаите в стените на изкопа. Помещенията се разполагали около централното пространство, като броят и размерите им се определяли от нуждите на семейството и от възможностите на земния масив.

По-големите стаи можели да достигнат широчина 4 – 5 m, дължина 8 – 10 m и височина около 3 m. Срещали се и по-малки помещения с размери приблизително 3 – 4 m на 4 – 5 m. В някои жилища били оформяни допълнителни пространства на по-високо ниво, използвани предимно като складове. Според технически описания покриващият земен пласт над таваните на част от помещенията достигал дебелина от няколко метра. Сериозно значение имала и формата на таваните, които обикновено се оформяли сводесто за по-благоприятно преразпределение на натоварванията към околния земен масив. Подобна конструкция обаче остава зависима от якостта на материала, влажността, размерите на помещенията и дебелината на покриващите пластове. Затова умението да се прецени къде и доколко може да се копае било съществена част от местния строителен опит.

Как 46 °C навън се превръщат в 28 °C в подземната стая?

Едно от най-сериозните изпитания за всяко жилище в Матмата настъпвало през лятото. Районът се характеризира със сух климат, силно слънчево греене и значителни денонощни температурни колебания. В определени периоди максималните температури могат да надхвърлят 45 °C, а през нощта въздухът се охлажда осезаемо. За надземните сгради това означава непрекъснато редуване на нагряване и охлаждане на ограждащите конструкции. Подземните помещения реагират по съвсем различен начин. При измервания, проведени от изследователя Мониф Крарти през летен период и впоследствие разгледани в научни публикации, външната температура достига 46 °C около 15:00 ч., докато в едно от помещенията остава между 27 и 28 °C в продължение на 24 часа. Дори когато навън температурата спада до около 25 °C рано сутринта, въздухът в подземната стая продължава да се изменя съвсем слабо.

Подобни резултати са отчетени и при други наблюдения. При измервания, разгледани от изследователя Гидеон Голани, температурата в две по-дълбоко разположени помещения варира съответно между 22 и 25 °C и между 23 и 26 °C, докато максималната външна температура достига 42 °C. По-плитко помещение с частична зидана конструкция показва по-големи температурни колебания. Причината за тези разлики е свързана с топлинната инерция на земята. При нагряване на повърхността топлината не достига незабавно до помещенията на няколко метра дълбочина. Тя се разпространява постепенно през земните пластове, като скоростта на процеса зависи от топлопроводимостта, плътността и специфичния топлинен капацитет на материала. Колкото по-дебел е земният слой, толкова по-слабо краткотрайните изменения на външната температура се усещат във вътрешността.

За строителните инженери особено интересен е ефектът на затихване и закъснение на температурната вълна. Денонощните колебания постепенно намаляват с дълбочината, а моментът на максимално нагряване се измества във времето. При достатъчна дебелина на земния пласт температурата около жилищното помещение зависи в по-голяма степен от дългосрочния топлинен режим на почвата, отколкото от горещината в конкретния следобед.

Самите помещения също не са изложени еднакво на слънчевото греене. Централният двор осигурява естествена светлина, но високите му стени засенчват част от фасадите и входовете през различните часове. Така се ограничава прякото нагряване на вътрешните повърхности. Отворите към двора и допълнителните вентилационни канали в някои жилища позволяват обмен на въздух, макар ефективността му да зависи от температурните разлики, разположението на отворите и атмосферните условия.

Интересно е, че земята работи в полза на обитателите и през студените месеци. При измервания през февруари по-дълбоко разположените помещения запазват по-висока и сравнително стабилна температура от някои по-плитки пространства. Топлинната инерция не създава допълнителна енергия за отопление или охлаждане, а забавя и ограничава топлообмена с променящата се външна среда. Това обяснява защо традиционните подземни домове могат да осигуряват по-умерен микроклимат без механична климатизация.

Защо местните строители оставяли двора открит към небето?

Погледнато от съвременна строителна гледна точка, големият открит двор изглежда като необичайно решение за подземен дом. Той обаче изпълнява няколко важни функции, които трудно биха могли да се осигурят в напълно затворено подземно пространство.

Първата е естественото осветление. Стаите са разположени около двора, като входовете им обикновено служат и за основни светлинни отвори. Светлите варосани повърхности, характерни за част от традиционните жилища, подпомагат разпределението на дневната светлина навътре в помещенията. Самото разположение около общо пространство позволява отделните стаи да получават светлина, без да бъдат изложени изцяло на външните климатични въздействия.

Втората важна функция е проветряването. Отвореният двор осигурява непосредствена връзка с атмосферния въздух, а при определени условия температурните разлики могат да подпомагат естественото му движение. В някои жилища се срещат и допълнителни вертикални отвори, прокопани към повърхността. Те създават възможност за обмен на въздух между различните нива на постройката.

Дворът служел и като основно работно пространство. В него се извършвали домакински дейности, приготвяла се храна и се организирал ежедневният живот на семейството. Входният проход понякога имал разширения за животни, а складовете били отделени от основните жилищни помещения. Някои от по-високо разположените помещения се използвали за съхранение на зърно и други продукти, като достъпът до тях се осигурявал чрез стълби или въжета. Особено находчиви били и решенията за вътрешното обзавеждане. На места леглата и пейките се оформяли като част от земния масив, оставен при издълбаването на стаите. По този начин самата конструкция изпълнявала и функции, за които в обичайните жилища се изработват отделни мебели.

Въпреки добрата си организация, тези домове имали ограничения, свързани с достъпа до вода, санитарните условия и поддържането на помещенията. Разположението под земята поставяло специфични изисквания към отвеждането на влагата и осигуряването на достатъчна вентилация.

Няколко века по-късно същите физични принципи намират приложение в съвременните сгради

Принципите, използвани от жителите на Матмата преди векове, намират приложение и в съвременното строителство, при това в момент, когато охлаждането на сградите се превръща във все по-сериозно предизвикателство. Според Международната агенция по енергетика (IEA) световното потребление на електроенергия за охлаждане на помещения е нараснало с 50% от 2015 г. насам. Това кара архитектите и инженерите да търсят решения, които ограничават нагряването още при проектирането на сградата, вместо да разчитат изцяло на климатични инсталации.

Интересен пример са съвременните частично вкопани сгради, известни като earth-sheltered buildings. При тях част от стените, а понякога и покривът, са в контакт със земния масив, чиято топлинна инерция ограничава температурните колебания. За разлика от традиционните жилища в Матмата, съвременните изпълнения използват специализирани хидроизолационни и дренажни системи, конструктивни решения и материали, които позволяват по-прецизен контрол върху условията в помещенията.

Още по-любопитно приложение намират земно-въздушните топлообменници (earth-to-air heat exchangers). При тях външният въздух преминава през тръби, положени под земята, където през лятото температурата обикновено е по-ниска от тази на повърхността. Така въздухът може да се охлади, преди да постъпи във вентилационната система на сградата, намалявайки необходимата енергия за климатизация. Подобен подход използват и геотермалните помпи, които чрез подземни топлообменни контури отдават топлина към земята през лятото и извличат топлина от нея през зимата, макар принципът им на работа да е различен.

Разбира се, нито една от тези технологии не може да се приложи успешно без предварителни изчисления. Проектирането на земно-защитени сгради изисква геотехническо обследване, оценка на подземните води, анализ на температурния режим на почвата и избор на подходящи конструктивни и изолационни решения. Това е и съществената разлика със строителната традиция на Матмата. Съвременните инженери могат да използват предимствата на земния масив, като едновременно предвидят рисковете, които невинаги са били под контрола на местните майстори. Сред най-сериозните от тях е водата, чието въздействие върху подобни постройки се оказва решаващо в историята на древното селище.

Един необичайно дъждовен период променил съдбата на вековната строителна традиция

Колкото и добре да са приспособени към горещия климат, подземните жилища в Матмата остават уязвими към обилни валежи. В района годишните количества дъжд обикновено са сравнително малки, но валежите могат да бъдат интензивни и неравномерно разпределени. При подобни условия откритите дворове се превръщат в ниски точки на терена, към които водата може да се насочи.

Проникването на вода в льосовидните земни пластове е съществен геотехнически проблем. При овлажняване структурата на материала може да претърпи промени, а якостта и устойчивостта на стените да намалеят. В зависимост от състава и състоянието на почвата съществува и риск от допълнителни деформации, свързани с разрушаване на връзките между частиците. При изкопани помещения подобни процеси са опасни, защото земният масив едновременно оформя пространството и поема конструктивните натоварвания.

През 1969 г. тежки наводнения засягат района на Матмата и причиняват сериозни разрушения. Събитието се превръща в един от факторите, ускорили преместването на част от жителите към нови надземни жилища. Промените в начина на живот, достъпът до инфраструктура и предпочитанията към съвременните удобства също допринасят за постепенното изоставяне на част от традиционните постройки. Днес някои от подземните къщи продължават да се обитават, други са превърнати в туристически обекти, а трети се нуждаят от сериозна поддръжка. Съхраняването им изисква познаване на поведението на земните пластове, контрол върху отвеждането на повърхностните води и внимателна оценка на състоянието на изкопаните помещения.

През 2020 г. Тунис включва традиционните подземни жилища и укрепените складови комплекси в южната част на страната в предварителния списък на обектите, предложени за Световното наследство на ЮНЕСКО. Интересът към тях обаче има и чисто инженерно измерение. Натрупаният през поколенията опит показва как изборът на терен, геометрията на помещенията и характеристиките на земния материал могат да определят поведението на цялата сграда.

В Матмата това разбиране се е оформило много преди появата на съвременните изчислителни методи. Местните строители са използвали земята едновременно като конструкция, защита от външните условия и средство за ограничаване на температурните колебания. И макар днес домът на Люк Скайуокър да остава най-популярната връзка на селището със световната култура, истинската инженерна история е написана много по-рано от хора, които са открили как да превърнат особеностите на неблагоприятния терен в свой дом.

По текста работи: Мариана Пеевска

Подготвихме материала с помощта на информация от: unesdoc, dergipark.org.tr, sustainablemediterraneanconstruction.eu, iea.org

Източник на снимковия материал:  Son Tung Tran via Pexels.com, ©Engineer.BG via Canva.com