Архитектурная бионика

Гпава III. Основные принципы архитектурно-бионического моделирования 67 При использовании биоформ в архитектурном проек ­ тировании довольно часто берется не вся оболочка, а ее часть, поэтому очень важно знать параметры сечений и иметь их чертежи. Составление алгоритмов по заданным уравнениям и построение чертежей на графопостроителе производи ­ лось в лаборатории бионики Института проблем управ ­ ления АН СССР. Уравнение математической модели меридионального сечения птичьего яйца у2 = 3/4х (2 — х) [1 — /32/ (х + 1) 2 дало на графопостроителе семейство кривых с диапазо ­ ном изменения коэффициента кривизны £0 - |в 6 1, где |3 — коэффициент кривизны; х.у — текущие коорди ­ наты; х — изменяется в пределах О « х^. 2. С помощью сечения о болочки яйца плоскостями, па- раллельными оси х: у = V 3,'4х (2 — х) [1 — /З 2 /(х + 1) 2-h2, получен ряд кривых сечений, изменяющих параметры и кривизну с изменением величины h, где h — высота се ­ чения над осью х. Параметры этих сечений необходимы для определе­ ния опорного контура оболочки и изготовления его чертежей. В дальнейшем при расчете статики сооружения они позволяют рассчитать усилия. Аэродинамические испытания оболочек-скорлуп про ­ ведены в Киевском институте инженеров гражданской авиации на физических моделях, изготовленных из орг ­ стекла на станках с ЧПУ. Продувка моделей проводи ­ лась в аэродинамической трубе. При испытании стави ­ лась задача нахождения особенностей обтекания подоб ­ ных тел при различных углах обтекания и наличия влия ­ ния экрана (земли) . Испытывались яйцевидные и эллип ­ тические модели. Основой эксперимента было нахождение коэффици ­ ента сопротивления по формуле 4г,где F — си ­ ла; 1/ 0 — скорость набегающего потока; /Э — плотность воздуха (у земли) ; — площадь Миделя. Продувка делалось без экрана и при наличии экрана, учитывающе ­ го влияние земли. Диапазон чисел Рейнольдса при про ­ ведении испытаний находился в пределах (2,01 — 2,6) х х 105. В результате испытания установлено, что модель яйцевидной, асимметричной формы имеет меньшее лобовое сопротивление, чем симметричная, эллиптичес ­ кая. При сравнении результатов продувки с данными СНиП для сферической оболочки зданий и сооружений получено значительное улучшение аэродинамических ха ­ рактеристик бионических моделей. Аэродинамические исследования моделей оболочек стали к настоящему времени необходимой составной частью комплекса экспериментальных работ, выполняе ­ мых при проектировании с целью обеспечения надежно ­ го прогнозирования их качеств. Натурные испытания оболочек бионических форм проводились лабораторией пневмоконструкций ЦНИИСК Госстроя СССР. Результаты натурных испытаний имеют хорошую кор ­ реляцию с макетными испытаниями, что еще раз подт ­ верждает возможность использования физических моде ­ лей для определения аэродинамических коэффициентов. Математическая модель оболочек-скорлуп позволяет решать вопросы оптимизации и сокращает сроки проек ­ тирования. Проведенные исследования бионических форм дали возможность использовать их в ряде проектных реше ­ ний оболочек общественных зданий и сооружений. В последующих главах книги развитие методов АБМ будет продемонстрировано на некоторых завершенных работах. Здесь мы попытались лишь дать представление о начальных этапах моделирования и о том аппарате ис ­ следования, который должен быть на вооружении у ар ­ хитектора-бионика.

грузкам, минимум строительного материала и макси ­ мум использования объема. Принципы формообразования биоконструкций осо ­ бенно целесообразно использовать в задачах оптималь ­ ного проектирования. При выборе биомодели необхо ­ димо учесть ее соответствие перечисленным критериям, а также влияние на оптимальный проект вариации параметров. Одна из совершенных природных форм — скорлупа птичьего яйца. Она относится к оптимальным структу ­ рам: ее основное преимущество — минимальный расход материала, обеспечивающий требуемую прочность. Структуры, подчиняющиеся закону минимума, имеют аналогии в живой природе. Благодаря современным методам конструктивного и математического расчета можно совершенствовать структуры с помощью пос­ тоянных испытаний моделей. Математической моделью некоторых оболочек-скор ­ луп являются многофокусные поверхности, отличаю ­ щиеся широким диапазоном изменения кривизны и асимметричностью формы, что соответствует биони ­ ческим моделя, с одной стороны, и функциональным требованиям к архитектурным оболочкам — с другой. Образующими этих поверхностей являются многофо ­ кусные кривые (см. также гл. У'| ). В зарубежной литературе дается описание использова ­ ния многофокусных кривых для решения задач опти ­ мизации. В наших исследованиях аналитическое выражение кривых и поверхностей позволило определить основ ­ ные параметры и геометрические характеристики с использованием ЭВМ, что открыло перспективы для отбора оптимальных форм. Математическая модель дала возможность применять ЭВМ в ряде аналитичес ­ ких исследований бионических моделей и создавать их чертежи в соответствии с задачей, поставленной Центральной лабораторией архитектурной бионики ЦНИИТИА Госгражданстроя. Для более эффективного исследования биоформ, вы ­ явления основных критериев, определяющих их пригод ­ ность для строительной практики, и составления реко ­ мендаций по проектированию целесообразно проведе ­ ние испытания физических моделей на разные нагрузки. Изготовления физических моделей — самостоятель ­ ная и довольно сложная задача: от точности их изготов ­ ления зависит и точность результатов испытания. При дальнейшем увеличении формы необходимо определе ­ ние коэффициента подобия, так как криволинейные бионические формы увеличиваются не по линейным за ­ конам. Возможность использования ЭВМ для расчета гео ­ метрических параметров позволила создать программы для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и изготовить физические модели биоформ. Из ­ готовление физических моделей для нужд архитектур ­ ной практики впервые было осуществлено в 1972 г. Использование станков с ЧПУ открывает широкие перспективы для получения большого количества раз ­ личных вариантов моделей сложной кривизны, значи ­ тельно сокращает время изготовления и повышает точность соответствия заданному образцу. Проектирование архитектурных оболочек связано с изготовлением множества чертежей и проведением рас ­ четов. С целью ускорения процесса проектирования целесообразно применение ЭВМ для расчета параметров и изготовления чертежей на графопостроителе. В этой связи осуществлена подготовка задачи и про ­ ведена определенная работа по созданию пакета и при ­ кладных программ (ППП) комплексной автоматизации расчета основных геометрических параметров, изготов ­ ления чертежей и физических моделей оболочек-скор ­ луп.

5*