Архитектурная бионика

260

Архитектурная бионика соотношение собственной массы и сил преднапряжения. В основе проектирования палаток лежит принцип мини ­ мальных поверхностей, т.е. оптимизация соответствия формы, сил и массы: минимальные поверхности — наименьшие поверхно ­ сти между замыкающим их контуром, который опре ­ деляет поиски форм палаточных покрытий; в каждом пункте минимальной поверхности сумма градусов положительной и отрицательной кривизны равна нулю; в минимальных поверхностях напряжение во всех направлениях одинаково. Эти свойства минимальных поверхностей опраде- ляют их весьма большие преимущества в проектирова ­ нии и строительстве. Принципы минимальной поверхности хорошо рас ­ крываются на примере мыльных пузырей (рис. 14). Форма их поверхностей образуется в данном контуре по вышеуказанным критериям. В этом случае можно говорить о самообразовательном процессе рождения формы, не потребовавшим ни геометрических, ни математических расчетов. Конструкции, которые стихийно формируются на основе физических законов, мы относим к "естествен ­ ным конструкциям". К ним принадлежат также замкну ­ тые мембраны, стабилизируемые благодаря нагнета ­ нию в них воздуха или жидкости, — так называемые пневматические конструкции. Вариации форм минимальных поверхностей почти бесграничны. Однако не все минимальные поверхно ­ сти удовлетворяют требованиям к палаточным или сетчатым конструкциям. В проектировании сферическая поверхность пленки (мыльные пузыри) с равным напряжением тождест ­ венна равномерно напряженной мембране или сетке сооружения. Но материал мембраны и канатов сеток должен быть между Собой согласован. Унификация, например, в целях индустриального изготовления заключена в самой конструктивной системе и не вытекает из формы сеток или стандар ­ тизации плана сооружения. Применение и использование. Около 100 — 300 км2 земной поверхности перекрываются ежегодно во всем мире различными видами тентов, мембран или сеток, в том числе: для стационарных, долговременных сооружений; временных и легко переносимых постро ­ ек; трансформируемых и транспортируемых соору ­ жений. Спектр их применения постоянно расширяется — выс ­ тавки, производственные складские помещения, оран ­ жереи, временные сооружения после землетрясений, палаточные дома, палаточные городки, перекрытия для отдыха и спорта. Все большее число палаточных и мембранных конст ­ рукций находят применение в инженерном и архи ­ тектурном творчестве. Рассмотрим ряд примеров палаточных сооружений, выполненных под руководством Института легких покрытий Штутгартского университета (ИЛ) . Первая из упругих структур, построенная ИЛ в 1955 г. в г. Касселе, — так называемая "Бандштанд", является прототипом седельчатой формы мембраны. Последняя поддерживается мачтами в двух противо ­ лежащих точках и укрепляется на земле также в двух, на перпендикулярно противоположных точках. Шатры с вершинами, в которых седельчатые мембраны поддер ­ живаются только в одной точке, — один из лучших ва ­ риантов данного типа мембран. Примером такой конст ­ рукции служат павильоны Швейцарской национальной выставки в Лозанне, построенные в 1964 г. Здесь при помощи поддерживающих и ограничивающих бортов были созданы дополнительные седельчатые формы.

Рис. 14. Опыты с мыльными пузырями. Поиски формы и размеров глазных петель а сетчатых конструкциях (ИЛ)

позволившие осуществить волнообразность шатровых покрытий. Такая- весьма пластичная форма шатров была осуществлена в очень интересных конструкциях: звездообразный танцевальный павильон в Кёльне (1957 г.) , зал и малые павильоны в Гамбурге (1963 г.) . В то время как эти мембраны бортового типа еще под ­ держивались мачтами, позднее была создана непрерыв ­ ная форма опоры в виде тонкого стального обода (арка входа в Кёльне) . В последнем важном типе конструкций мембран — с высокими точками, а также с высокими и низкими точками крепления — используются уширен ­ ные головки мачт, что и придает таким конструкциям, например одному из шатров в Кёльне, характерный, гор ­ батый вид. Двускатные кривые садового павильона в Кёльне (1957 г.) являются выпуклыми и вогнутыми. Выпуклые кривые сходятся почти тангенциально на вер ­ шине свода. Эти направления выражены узором лент из канвы, которые пересекаются у вершины в точке само ­ го большого напряжения. Наклон мачты и закругленные вырезы боковых краев мембраны подчеркивают упло ­ щенный характер формы. Другой известный пример — покрытие Олимпийского спорткомплекса в Мюнхене (рис. 15). Незадолго до нача ­ ла работ по конкурсу сотрудники ИЛ закончили ис ­ следование мембран с высокой и низкой точками опорами с использованием так называемых глазных петель (рис. 16). В результате опытов с мыльными пленками были получены минимальные поверхно ­ сти, образующиеся между высокой и низкой точками, которые и приводят к самым эффективным формам седла. Глазные петли были введены с целью сниже ­ ния концентрации натяжений, неизбежно возникаю ­ щих в высоких точках опоры на мачтах и в низких точках, на которых укреплены проволочные канаты. Созданный таким путем тип мембраны сравнительно недорог и может покрывать большие площади даже таких неравномерных в сечении и по высоте конструк ­ ций покрытий, как павильон ФРГ. Конструирование такой упругой структуры осно ­ вывается на прадварительном трахмерном моделирова ­ нии. Ни рабочие чертежи, ни конструкторские расчеты не могут быть изготовлены и проведены без предвари ­ тельных сложных измерительных работ на моделях. Одна из таких моделей была использована для получе ­ ния геометрической формы сети из проволочных кана ­ тов при опраделенных крайних условиях и при заданных величинах натяжения с целью исследования условий нагрузки и получения приблизительных форм выкрой ­ ки подвешенного холста. Другая модаль (из дерева) была построена для проведения опытов в аэродинами-