Архитектурная бионика

Глава УН. Тектоника архитектурных и природных форм 229 постоянные геометрические характеристики. Так, пчелы приблизительно одинаковых размеров при постройке своих сот образуют плотную упаковку из кругов, кото ­ рые под действием капиллярных сил, превышающих давление изнутри от пчелиных тел, превращаются в опи ­ санные шестиугольники. И, как установил еще итальян ­ ский ученый Маральди в 1712 г., такая упаковка пчели ­ ных сот определяется экономичным использованием труда и воска. При такой разбивке плоскости на части одинаковой площади шестиугольная сетка имеет мини ­ мальную длину. Структуры с шестиугольным рисун ­ ком можно наблюдать также в тканях паренхимы куку ­ рузы, в кремнистых панцирях диатомовых водорослей, в сетчатой оболочке глаза человека и т.д. £42]. Изучение процесса сооружения пчелиных сотов по ­ казало, что возможно возведение их как сверху сниз, так и снизу вверх £43 — 44 ] . Кроме того, проводились опыты, в которых пчел заставляли строить соты ци ­ линдрические, шаровидные и других форм. При этом пчелы с поразительным успехом справлялись с постав ­ ленной перед ними задачей. Они безошибочно ориенти ­ ровали ячейки сот, соответственно оттягивая расши ­ ренные ячейки в выпуклую сторону и сужающиеся — в вогнутую. Это наглядно показало, что плотная упа ­ ковка может быть осуществлена не только на плоско ­ сти, на поверхностях, но и развита в пространстве (рис. 83, 84). Принцип плотной упаковки, позволяющий получать максимально возможный полезный, объем при мини ­ мальной поверхности ограждения (см. гл. У) , представ ­ ляет интерес с точки зрения формирования архитектур ­ но-конструктивного пространства жилых и обществен ­ ных зданий. Исходя из этого и было проведено вариант ­ ное сопоставление различных конструктивных схем зданий с позиции напряженно-деформированного сос ­ тояния и расхода материала. Схемы были получены на основе гексагональной и кубической упаковок одной и той же плоскости размером 8,4х8,4 м { рис. 85). Причем элементы структур имели постоянное приведен ­ ное сечение на 1 м. Конструктивные схемы зданий на основе гексаго ­ нальной упаковки. Были рассмотрены две конструктив ­ ные схемы зданий (см. рис.85) , набираемые из модуль ­ ных элементов (либо из однотипных складок — вари ­ ант 1, либо из однотипных трилистников — вариант 2). Складки или трилистники устанавливались друг на друга с шарнирным соединением между собой. Для восприятия распорных усилий, которые возникают в таких системах, вводились горизонтальные затяжки. С целью предварительной оценки напряженно-дефор ­ мированного состояния этих вариантов был выполнен статический расчет многоэтажных систем с гексаго ­ нальной решеткой. Величина снеговой нагрузки при ­ нималась согласно СНиП 11-6-74 "Нагрузки и воздей ­ ствия": снеговые нагрузки для III территориального района СССР — 1 кН/м2, эксплуатационные нагрузки (сосредоточенные) — 6 кН. Расчетные схемы здания представляли собой плос ­ кие статически неопределимые рамы с шарнирами в местах соединения однотипных элементов. Для вос ­ приятия распорных усилий в расчетную схему были введены горизонтальные связи. Рамы были прикрепле ­ ны к основанию шарнирно-неподвижно. Снеговые на ­ грузки сводились к узловым, а эксплуатационные фиксировались в местах непосредственного их дейст ­ вия. Геометрические характеристики материала приве ­ дены в таблице. Статический расчет плоских многоэтажных рам на действие заданных нагрузок был выполнен на основе метода перемещений на ЭВМ по программе "Стресс" Анализ расчетных данных показал (см. таблицу) , что рама из модульных элементов - трилистников в стати-

Рис. 83. Радиально расходя ­ щиеся соты пчел, построен ­ ные снизу вверх Рис. В4. Сот, построенный снизу вверх, в соломенном улье Русси

Рис. 85. Верианты конструк ­ тивных схем зданий на осно ­ ве гексагональной упаковки

что с увеличением густоты разбивки решетки материал в основном концентрируется по периферии, а количест ­ во пустот растет к центру. Это вызвано тем, что при за ­ данных условиях загружения средняя часть стержневого аналога включается в работу незначительно. С увеличе­ нием густоты разбивки решетки масса стержневого аналога уменьшается, асимптотически приближаясь к предельному значению. Принцип плотной упаковки. Плотная упаковка в жи ­ вой природе проявляется при оптимизации биологи ­ ческих .структур и форм в том случае, когда в структу ­ ре ячейки должны иметь по тем или иным причинам