Архитектурная бионика

191

Глава У11. Тектоника архитектурных и природных форм в оболочках-скорлупах осо ­ бое значение имеет принцип "работы по форме", как назвали его известные инженеры Э.Торроха и ПЛ.Нерви. Для достижения необходимых техничес ­ ких качеств оболочки этот принцип без преувеличе ­ ния является одним из решающих. Тонкостенные струк ­ туры типа оболочек создают условия для "лепки" различных архитектурных пластических форм. Что значит "работа по форме"? Лучше всего это пояс ­ нить на простом примере. Если взять лист обычной писчей бумаги и поло ­ жить его узкими краями на две опоры, то лист не удер ­ жится на них и соскользнет. Но если сделать из этого листа бумаги корытце и поставить его на две опоры, то корытце не только не соскользнет с опор под дей ­ ствием собственной массы, но даже сможет нести до ­ полнительный груз. Что же случилось с листом бумаги, почему он при ­ обрел новые механические свойства? Бумага оста ­ лась та же, ее масса сохранилась, но изменилась форма, которая перераспределила внутренние усилия. Точнее, претерпели . изменения внешние очертания формы, ее конфигурация, соразмерность или, если можно так выразиться, пластика формы. Именно это подразумевается под связью формы конструкции с ее механическими способностями. За счет изменения пластики оболочковых форм можно получать лучшие соотношения механических способ ­ ностей и массы конструкций, т.е. экономить строи ­ тельный материал. По мнению ПЛ.Нерви, прочность по форме — наи ­ более существенная из всех других средств и наиболее распространенная в природе. Нерви пишет, что такую способность конструкции, '"сопротивляющейся по фор ­ ме".... мы часто находим в окружающей нас природа: в чашеч ­ ках цветов, тростнике, скорлупе яйца, панцирях насекомых, раковинах и др." [5]. Лист растения (мягкая оболочка) принимает слож ­ ные пространственные формы, которые увеличива ­ ют его прочность и устойчивость. Особенно необходи ­ мо это длинным листьям: они складываются в тру ­ бочку (ковыль, злачные) образуют глубокие складки по длине (осока) ; высокие прямостоящие тесемчатые листья растения рогоза перекручиваются по длине в спираль и этим выигрывают в устойчивости. Научиться оперировать формой с целью улучшения инженерных качеств конструкции и нахождения текто ­ ники конструктивной формы — очень важная проблема в творчестве инженеров и архитекторов. Специалисты считают, что умение оперировать формой относится к высшим достижениям в современной архитектуре. Инженер Э. Торроха, например говорит: "Лучшим сооружением является то, надежность которого обеспечивает ­ ся главным образом за счет его формы, а не за счет прочности его материала. Последнее постигается просто, тогда как первое, наоборот, с большим трудом. В этом заключается прелесть поисков и удовлетворения от открытий" [ 6]. Некоторые трудности, связанные с проектированием и возведением в натуре оболочек (не простые методы расчета и в особенности сложных криволинейных, типа сводчатых, форм оболочек, необходимость устройства сложной опалубки в процессе строительства оболочко ­ вых конструкций в случае применения монолитного железобетона) , в последние годы сократили их внед ­ рение в практику. Однако нет сомнения, что при даль ­ нейшем совершенствовании технологии они снова зай ­ мут подобающее им место. Пока в архитектурной практике применяют довольно небольшой набор геомет ­ рических форм оболочек: цилиндрические, полусфери ­ ческие, коноиды, гиперболические параболоиды, т.е. фигуры, доступные для современных методов расчета. Строительство же их ведется главным образом на базе сборного железобетона. Такое применение оболочек, хотя и позволяет достаточно широко вести типовое Но при этом все же

либо отсутствовать, либо быть минимальной. Пожар ­ ная изоляция вантовых элементов, имеющих обычно компактное сечение, надежно осуществляется при незначительных расходах огнезащитных материалов (путем бетонирования, обмазок облицовок и т.п.) . Кроме того, предложенный каркас здания (или сооружения) может иметь разнообразные архитектурно ­ планировочные решения, так как эксплуатируемые пло ­ щади помещений свободны от массивных конструктив ­ ных элементов. Оболочки-скорлупы и принцип сопротивляемости конструкций "по форме". К оболочкам-скорлупам предъявляются особые требования. Прежде всего они должны быть из жесткого материала, форму иметь пространственно изогнутую, толщину незначительную по отношению к пролетам и сечение по всей поверх ­ ности одинаковое; лишь в краевых элементах в мес ­ тах передачи усилий на фундаменты или другие опоры они могут утолщаться. В связи с этим и усилия в них распределяются особым образом: в сечении оболочек, например, совершенно исключаются изгибающие и крутящие моменты в связи с их небольшой толщиной, а усилия направляются по касательной к их поверх ­ ностям, равномерно в продольном и поперечном нап ­ равлениях. Малейшие изменения толщины в сжатой части могут вызвать появление изгибающих момен ­ тов. Рабочее состояние оболочек — это состояние нап ­ ряженной мембраны. При симметричной нагрузке в них отсутствуют также и сдвигающие силы! . Ребристые криволинейные системы также могут содержать в себе элементы оболочек, поэтому рас ­ сматриваемый нами принцип работы оболочек мож ­ но отнести как к сооружению в целом, так и к его элементам. Принцип механической работы оболочек прямо противоположен работе традиционного массивного ка ­ менного или , кирпичного свода, в котором за увели ­ чением пролета следует увеличение сечения свода. В конструктивных оболочках существует в проти ­ вовес традиционным принципам обратно пропорци ­ ональная зависимость массы и сечения сводов и ку ­ полов от перекрываемых ими пролетов, хотя при этом не отрицается зависимость этих параметров и от при ­ нятой системы конструирования. При больших про ­ летах, применяемых в современной архитектуре, часто невозможно идти по традиционному пути, так как сечения сводов возросли бы до таких размеров, что, пожалуй, не смогли бы выдержать своей собст ­ венной массы. Кроме того, сооружение таких сводов было бы связано с большой затратой материалов. Следовательно, для выполнения тех задач, которые стоят перед современной архитектурой в области боль ­ шепролетного строительства (промышленные цехи, крытые стадионы, хоккей-ринги, города под купола ­ ми в северных районах и т.д.) , разумно пользовать ­ ся оболочками. У живой природы конструкция типа оболочек очень распространена: это скорлупа яйца, мельчайшие мор ­ ские организмы диатомеи, панцири животных, глад ­ кие раковины и т.д. Правда, если проникнуть в их микроскопическую структуру, то мы обнаружим решетчатость их пост ­ роения, следующего определенным законом конст ­ руирования. Каждая такая скорлупа — сложная кон ­ струкция. 1 _ Большое значение в формировании жестких оболочек име ­ ли данные советской науки, в частности разработанная впер ­ вые инж. В. 3. Власовым базмоментная (мембранная) тео ­ рия расчета пологих оболочек. Заметим, что сейчес вве- дано в обиход понятие "мягкие оболочки", но они имеют отношение к надувным конструкциям и тентам.