Онтология сетчатых оболочек

Онтология сетчатых оболочек

В прогрессивной  зарубежной архитектуре последних 10-20 лет обилие замысловатых, зачастую парадоксальных конструктивных решений  стало одним из неотъемлемых компонентов  успеха. Норманн Фостер,    Ричард Роджерс, Сантьяго Калатрава, Франк О. Гери и многие другие мастера западного Hi-Tech и деконструктивизма в своих шедеврах часто используют конструкции с криволинейными очертаниями. Один из способов создания таких архитектурных «неровностей» — использование покрытий на основе сетчатых оболочек.   Этот вид покрытий — всего лишь один из многочисленных вариантов возведения оболочек. Однако некоторые интересные свойства таких конструкций, присущие только им, стоят того, чтобы на них остановиться поподробнее.     История  Прежде чем начать знакомство с современной мировой практикой применения сетчатых конструкций, совершим краткий экскурс в историю этого класса покрытий. В принципе, попытки создания криволинейных покрытий предпринимались еще в Древнем Риме. По существу, активно применявшиеся древними римлянами купола и своды — ничто иное, как первые оболочки, ювелирно собранные из кирпичей специальной формы. Эта купольно-сводчатая «номенклатура» первых оболочек просуществовала без особенных дополнений вплоть до XIX века. Изменялись пропорции, варьировалась форма линии, образующей поверхность, а по сути купола оставались куполами, своды — сводами, арки — арками. Мастера различных эпох и архитектурных школ научились достаточно эффективно использовать все возможности этих конструкций. Казалось, что после пышного конструктивного разнообразия готики и барокко, ничего принципиально нового к инструментарию, отработанному в эти эпохи, добавить уже нельзя. Расширению номенклатуры новых форм покрытий мешала «кирпичная» технология их строительства. Например, при простом увеличении размеров купола (не говоря уже об усложнении его формы) собственный вес кирпичного покрытия становится настолько большим, что требует значительного увеличения толщины несущей конструкции, а это, в свою очередь, опять увеличивает вес — и так до бесконечности.   В середине XIX века ситуацию облегчила появившаяся возможность в большом количестве использовать в строительстве сталь и чугун. Именно тогда стали активно применяться огромные купола и своды на основе металлического каркаса. Применение металла позволило не только снизить массу покрытия, но и дало возможность делать эти конструкции светопрозрачными — так как заполнение каркасов можно было делать стеклянным. Успешное и активное развитие этих конструкций, одновременно с повышением качества и объемов производства металла в конце XIX века и создало необходимый «базис» для возникновения целого спектра новых металлических конструкций. Из металла становилось строить не только выгодно, но и модно. Пассажи, оранжереи и выставочные павильоны, сверкающие на солнце тоннами стекла и металла, поражали воображение жителей XIX столетия.   Как раз в этот момент, в период самого разгара «первой металлической революции» и возникли первые сетчатые оболочки а также несущие конструкции на их основе. С достаточной долей достоверности можно утверждать, что изобретателем этого вида конструкций стал знаменитый русский инженер В. Г. Шухов. Именно ему первому пришла в голову идея использования совместной статической работы системы из металлических стержней, перекрещивающихся в двух направлениях. При такой конструкции покрытие работает как одно целое, причем все стержни несут приблизительно одинаковую нагрузку, что позволяет изготавливать их одного сечения. Говорят, идея использования сетчатых конструкций у Шухова родилась благодаря казусу, аналогичному тому, который позволил Ньютону открыть закон всемирного тяготения. В роли яблока послужило обычное цветочное кашпо, сплетенное из прутьев. Его прочность оказалась достаточной, чтобы выдержать вес взрослого человека, вставшего на него одной ногой. Это и стало причиной экспериментов с конструкциями, аналогичными по своему устройству тому самому «плетеному горшку».     «Второе дыхание»   На протяжении всей первой половины XX века сетчатые оболочки чаще всего применялись в промышленном строительстве. С их помощью перекрывали производственные цеха и выставочные павильоны, где требовалось с минимальными затратами металла перекрыть пролеты более 30-40 м.   При строительстве жилых и административных зданий сетчатые оболочки до недавнего времени применялись крайне редко. Жесткие рамки безраздельно властвующего в 20-50-х годах XX века воинствующего Корбюзианско-Райтовского функционализма сводили к минимуму возможность использования обтекаемых сетчатых «выпуклостей» в светских постройках. Вторую жизнь этим, к тому времени достаточно «затертым» промышленной архитектурой, конструкциям вернуло увлечение многих мировых архитекторов эстетикой филигранно спроектированных и исполненных в материале различных конструкций. Впоследствии это увлечение стало называться «стилем Hi-Tech».   Сетчатые оболочки как нельзя кстати пришлись для манифестации новых подходов в формообразовании. С одной стороны, их вид крайне «технотронен», что позволяет без ущерба для общей композиционной идеи вживлять их в самые экстремальные Hi-Tech-постройки. С другой — с помощью сетчатых оболочек можно создать максимально биоморфный объем. Это отвечает еще одному крайне модному в последние 20 лет веянию в архитектуре — стремлению создать «экологические» по формообразованию постройки. В этой области занятен опыт чешского архитектора и инженера Яна Каплицки, который создал множество проектов так называемых био-домов. Большая часть из них предполагала использование металлических сетчатых оболочек в качестве несущих конструкций для остекления. К сожалению, ни один более или менее серьезный проект неистового чеха так и не был реализован. Немецким же архитекторам Хьюго Херингу и Фрай Отто повезло больше, и в 1974-76 годах им удалось с использованием сетчатых оболочек возвести торговый павильон в Мангейме. Внушительные размеры сооружения(160 м в длину и 85 м в ширину)как нельзя лучше продемонстрировали конструктивный потенциал этого вида конструкций. Получившийся в результате объем здания стал ассоциативно напоминать гигантского моллюска или гипертрофированный микроорганизм, внезапно возникший посреди зелени городского парка.   Не обошел вниманием сетчатые оболочки и такой апологет Hi-Tech, как Норманн Фостер. Одна из его недавних построек — здание факультета права в Кембридже, как раз и стала своеобразной «галочкой» в формотворческой биографии мастера. Кстати сказать, в знаменитом проекте реконструкции Рейхстага в Берлине Фостер также использовал открытый сетчатый купол. Как известно, именно этот купол помог архитектору выиграть конкурс, и именно этот проект лег в основу реальной реконструкции.     Технологические нюансы  Несмотря на внешнюю ажурность и легкость сетчатых оболочек, их изготовление до сих пор остается крайне дорогостоящим и трудоемким делом. Именно сложность технологии строительства сдерживает более широкое применение этих конструкций. Главная проблема любых сетчатых оболочек — узлы соединения перекрещивающихся стержней. В самом элементарном варианте, когда собирается оболочка небольших размеров, эти стержни попросту свариваются между собой газовой или электросваркой. Но при увеличении габаритов и, прежде всего, пролетов оболочек, сечение несущих элементов становится больше. В результате возникает необходимость разработки специальных узлов соединения. Как правило, изготовление этих узлов требует заводской точности, что, естественно, значительно удорожает их производство.  В момент сборки оболочки также необходима филигранная точность монтажа, не всегда доступная (особенно в России).   Сейчас учеными ведутся работы по снижению себестоимости возведения сетчатых оболочек. И кто знает, может быть через 10-20 лет эти конструкции станут настолько привычными и дешевыми, что из них будут собирать крытые овощные рынки и автостоянки в новостройках. В прогрессивной зарубежной архитектуре последних 10-20 лет обилие замысловатых, зачастую парадоксальных конструктивных решений стало одним  из неотъемлемых компонентов успеха. Норманн Фостер,    Ричард Роджерс, Сантьяго Калатрава, Франк О. Гери и многие другие мастера западного Hi-Tech и деконструктивизма в своих шедеврах часто используют конструкции с криволинейными очертаниями. Один из способов создания таких архитектурных «неровностей» — использование покрытий на основе сетчатых оболочек.   Этот вид покрытий — всего лишь один из многочисленных вариантов возведения оболочек. Однако некоторые интересные свойства таких конструкций, присущие только им, стоят того, чтобы на них остановиться поподробнее.     История  Прежде чем начать знакомство с современной мировой практикой применения сетчатых конструкций, совершим краткий экскурс в историю этого класса покрытий. В принципе, попытки создания криволинейных покрытий предпринимались еще в Древнем Риме. По существу, активно применявшиеся древними римлянами купола и своды — ничто иное, как первые оболочки, ювелирно собранные из кирпичей специальной формы. Эта купольно-сводчатая «номенклатура» первых оболочек просуществовала без особенных дополнений вплоть до XIX века. Изменялись пропорции, варьировалась форма линии, образующей поверхность, а по сути купола оставались куполами, своды — сводами, арки — арками. Мастера различных эпох и архитектурных школ научились достаточно эффективно использовать все возможности этих конструкций. Казалось, что после пышного конструктивного разнообразия готики и барокко, ничего принципиально нового к инструментарию, отработанному в эти эпохи, добавить уже нельзя. Расширению номенклатуры новых форм покрытий мешала «кирпичная» технология их строительства. Например, при простом увеличении размеров купола (не говоря уже об усложнении его формы) собственный вес кирпичного покрытия становится настолько большим, что требует значительного увеличения толщины несущей конструкции, а это, в свою очередь, опять увеличивает вес — и так до бесконечности.   В середине XIX века ситуацию облегчила появившаяся возможность в большом количестве использовать в строительстве сталь и чугун. Именно тогда стали активно применяться огромные купола и своды на основе металлического каркаса. Применение металла позволило не только снизить массу покрытия, но и дало возможность делать эти конструкции светопрозрачными — так как заполнение каркасов можно было делать стеклянным. Успешное и активное развитие этих конструкций, одновременно с повышением качества и объемов производства металла в конце XIX века и создало необходимый «базис» для возникновения целого спектра новых металлических конструкций. Из металла становилось строить не только выгодно, но и модно. Пассажи, оранжереи и выставочные павильоны, сверкающие на солнце тоннами стекла и металла, поражали воображение жителей XIX столетия.   Как раз в этот момент, в период самого разгара «первой металлической революции» и возникли первые сетчатые оболочки а также несущие конструкции на их основе. С достаточной долей достоверности можно утверждать, что изобретателем этого вида конструкций стал знаменитый русский инженер В. Г. Шухов. Именно ему первому пришла в голову идея использования совместной статической работы системы из металлических стержней, перекрещивающихся в двух направлениях. При такой конструкции покрытие работает как одно целое, причем все стержни несут приблизительно одинаковую нагрузку, что позволяет изготавливать их одного сечения. Говорят, идея использования сетчатых конструкций у Шухова родилась благодаря казусу, аналогичному тому, который позволил Ньютону открыть закон всемирного тяготения. В роли яблока послужило обычное цветочное кашпо, сплетенное из прутьев. Его прочность оказалась достаточной, чтобы выдержать вес взрослого человека, вставшего на него одной ногой. Это и стало причиной экспериментов с конструкциями, аналогичными по своему устройству тому самому «плетеному горшку».     «Второе дыхание»   На протяжении всей первой половины XX века сетчатые оболочки чаще всего применялись в промышленном строительстве. С их помощью перекрывали производственные цеха и выставочные павильоны, где требовалось с минимальными затратами металла перекрыть пролеты более 30-40 м.   При строительстве жилых и административных зданий сетчатые оболочки до недавнего времени применялись крайне редко. Жесткие рамки безраздельно властвующего в 20-50-х годах XX века воинствующего Корбюзианско-Райтовского функционализма сводили к минимуму возможность использования обтекаемых сетчатых «выпуклостей» в светских постройках. Вторую жизнь этим, к тому времени достаточно «затертым» промышленной архитектурой, конструкциям вернуло увлечение многих мировых архитекторов эстетикой филигранно спроектированных и исполненных в материале различных конструкций. Впоследствии это увлечение стало называться «стилем Hi-Tech».   Сетчатые оболочки как нельзя кстати пришлись для манифестации новых подходов в формообразовании. С одной стороны, их вид крайне «технотронен», что позволяет без ущерба для общей композиционной идеи вживлять их в самые экстремальные Hi-Tech-постройки. С другой — с помощью сетчатых оболочек можно создать максимально биоморфный объем. Это отвечает еще одному крайне модному в последние 20 лет веянию в архитектуре — стремлению создать «экологические» по формообразованию постройки. В этой области занятен опыт чешского архитектора и инженера Яна Каплицки, который создал множество проектов так называемых био-домов. Большая часть из них предполагала использование металлических сетчатых оболочек в качестве несущих конструкций для остекления. К сожалению, ни один более или менее серьезный проект неистового чеха так и не был реализован. Немецким же архитекторам Хьюго Херингу и Фрай Отто повезло больше, и в 1974-76 годах им удалось с использованием сетчатых оболочек возвести торговый павильон в Мангейме. Внушительные размеры сооружения(160 м в длину и 85 м в ширину)как нельзя лучше продемонстрировали конструктивный потенциал этого вида конструкций. Получившийся в результате объем здания стал ассоциативно напоминать гигантского моллюска или гипертрофированный микроорганизм, внезапно возникший посреди зелени городского парка.   Не обошел вниманием сетчатые оболочки и такой апологет Hi-Tech, как Норманн Фостер. Одна из его недавних построек — здание факультета права в Кембридже, как раз и стала своеобразной «галочкой» в формотворческой биографии мастера. Кстати сказать, в знаменитом проекте реконструкции Рейхстага в Берлине Фостер также использовал открытый сетчатый купол. Как известно, именно этот купол помог архитектору выиграть конкурс, и именно этот проект лег в основу реальной реконструкции.     Технологические нюансы  Несмотря на внешнюю ажурность и легкость сетчатых оболочек, их изготовление до сих пор остается крайне дорогостоящим и трудоемким делом. Именно сложность технологии строительства сдерживает более широкое применение этих конструкций. Главная проблема любых сетчатых оболочек — узлы соединения перекрещивающихся стержней. В самом элементарном варианте, когда собирается оболочка небольших размеров, эти стержни попросту свариваются между собой газовой или электросваркой. Но при увеличении габаритов и, прежде всего, пролетов оболочек, сечение несущих элементов становится больше. В результате возникает необходимость разработки специальных узлов соединения. Как правило, изготовление этих узлов требует заводской точности, что, естественно, значительно удорожает их производство.  В момент сборки оболочки также необходима филигранная точность монтажа, не всегда доступная (особенно в России).   Сейчас учеными ведутся работы по снижению себестоимости возведения сетчатых оболочек. И кто знает, может быть через 10-20 лет эти конструкции станут настолько привычными и дешевыми, что из них будут собирать крытые овощные рынки и автостоянки в новостройках.     Гиперболическая башня Шухова — пожалуй, первая, и до сих пор самая известная  постройка с использованием сетчатых конструкций. Одни  из первых сетчатых оболочек в полном смысле этого слова — перекрытие Выксунского завода оболочкой двоякой  кривизны, построенное в 1893 году, слева  — сетчатые шатровые навесы Нижегородской  выставки (1896 год). Оба эти сооружения «принадлежат перу» Шухова.                      Концепт-проект «Green Building» («Зеленый дом») Музей фруктов  в г. Яманаши (Япония) — традиционный специфический японский взгляд на сетчатые оболочки, насыщенно выраженный уроженкой Страны восходящего солнца Итсуко Хосегава. Здесь оболочки используются и как несущие конструкции для остекления, и просто как металлическая решетка, обозначающая объем сооружения.

Челябинский торговый центр — сооружение на набережной реки Миасс в Челябинске. Купол «Торгового центра» является одним из узнаваемых символов города.

Здание размером 102 на 102 метра представляет собой сферический железобетонный купол, который как бы «парит» в воздухе. Внутри здания нет колонн, поддерживающих оболочку, а углы, на которые опирается купол, размещены на специальных катках и могут двигаться. Конструкция является сборной и может «дышать», опускаясь или поднимаясь в зависимости от перепадов температуры (в Челябинске климат континентальный, температура зимой может опускаться до −40°С, летом подниматься до +40°С^[1]). На момент строительства такое техническое решение не имело прецедента в мировой практике. Вес купола, собранного из 1500 железобетонных плит, стянутых канатами — свыше 5000 т^[2].

Решение о строительстве в Челябинске торгового центра было принято в  июле 1960 года. При строительстве в качестве покрытия использовалась железобетонная оболочка, сконструированная Ленинградским проектным институтом № 1 Госстроя СССР. Проект здания был выполнен московским институтом «Гипроторг» (архитекторы Ф. Селецкий, В. Жадовская, Л. Рагозина; главный инженер проекта Б. Марков, главный конструктор А. Шапиро). Торговый центр был принят в эксплуатацию 22 декабря 1975 года.

Здание Торгового центра отмечено дипломом первой степени ВДНХ СССР. В 1976 в Хельсинки на совещании членов международной организации по пространственным конструкциям советская делегация в своём докладе рассказывала о здании в Челябинске. Макет купола экспонировался на международных выставках в Нью-Йорке (1974) и в Лондоне (1978); здание было отмечено ведущими специалистами мира.^[3]

Площадь торговых и складских помещений — 18 тыс. м²^[4].

Рядом со зданием «Торгового центра»  ведётся строительство одноимённой станции метрополитена.

Проект Торгового центра был  использован при строительстве Минского Комаровского рынка (открыт в 1980 году).

 

Фуллер

Бакминстер Фуллер подарил миру широкий круг идей, разработок и изобретений, в частности в областях практичного недорогого жилья и перевозок. Он тщательно задокументировал свои жизнь, философию и идеи в ежедневном дневнике (он вёл его с 1920 по 1983 годы и фиксировал все события из своей жизни каждые 15 минут) и 28 публикациях. Фуллер финансировал некоторые из своих экспериментов с помощью унаследованных денег семьи, в некоторых случаях в финансировании принимали участие его коллеги по профессии, например, в проекте автомобиля «Димаксион» в 1933 году — трёхколёсного средства передвижения аэродинамической формы и с перископом. Другим известным проектом Фуллера был его «дом Димаксион» — проект сборного дома из алюминиевых деталей фабричного производства, оригинальной конструкции на одной опоре. Был построен всего один такой дом — в 1927 году в Чикаго.

В 1942 году Фуллер разработал новую картографическую проекцию мира, составленную из шести прямоугольников и восьми треугольников, которая имела ряд преимуществ по сравнению с глобусом.

С 1947 года Фуллер разрабатывал пространственную конструкцию «геодезического купола» представляющего собой полусферу, собранную из тетраэдров. Геодезические купола принесли Фуллеру международное признание (в 1959 году для Американской национальной выставки в Москве был построен «золотой купол», в 1967 году — павильон США на Всемирной выставке в Монреале). Фуллер преподавал в Университете Южного Иллинойса с1959 по 1970 в Школе искусства и дизайна. В 1965 году Фуллер открыл Мировое десятилетие научного дизайна (с 1965 по 1975) на встрече Международного союза архитекторов в Париже. Десятилетие было, по его собственным словам, посвящено применению принципов науки к решению проблем человечества.

Фуллер верил, что человеческие общества вскоре будут полагаться в основном на возобновляемые источники энергии, такие как электричество из солнечного света и энергии ветра. Он надеялся на наступление эры «всеуспешного образования и обеспеченности человечества». Он рассматривал информацию как «негативную энтропию».

 

КУПОЛА Б. ФУЛЛЕРА И  ЕГО ПОСЛЕДОВАТЕЛЕЙ В СОВРЕМЕННОЙ  АРХИТЕКТУРЕ

Известно, что роль купола, широко применявшегося в архитектуре  до конца XIX века, в современном мире значительно изменилась. Если раньше в купольных сооружениях воплощались  религиозные и государственные  идеалы, то теперь в большинстве  случаев купол имеет преимущественно  функционально-утилитарную роль. Но ряд сооружений, созданных в XX веке, хоть и имеет функциональную значимость, одновременно является воплощением  глубокой философской концепции  и оригинального научного подхода, применяемого к архитектуре. В первую очередь такими сооружениями являются работы Б. Фуллера. Его произведения и идеи значительно повлияли на архитектуру конца XX века и, скорее всего, их потенциал еще полностью не раскрыт.

Он стал всемирно известным в 1960-х годах благодаря  изобретению «геодезических куполов», имеющих уникальное сочетание конструктивных и экономических характеристик. Данная конструкция обладает значительной прочностью, при этом является очень  эффективной, экономическая выгода от ее применения возрастает при увеличении размеров.

Концепция, благодаря  которой была создана эта конструкция, еще не получила достаточную известность. Идея «геодезических куполов» появилась  в результате исследований в области  картографии, а именно переноса сферической  поверхности земли на плоскость  с минимальными искажениями. Широко используемая проекция Меркатора дает существенное искажение соотношений  и размеров. В 1942 году Б. Фуллер получил патент на изобретение более верной проекции сферической поверхности на плоскость. Идея достаточно проста, сфера представляется в виде многогранника (икосасаэдра), то есть двадцатигранника со сторонами в виде правильных треугольников. Эта фигура и разворачивается на плоскость, давая неискаженные соотношения по всей поверхности. У этой проекции также имеется недостаток – невозможности использовать классическую систему координат.

В 1947 он году начал  разрабатывать конструкцию «геодезического  купола», представляющего собой  полусферу, собранную из тетраэдров. Эта конструкция оказалась очень  эффективной при том, что она  позволяет перекрывать большие  пространства практически без ограничений  по площади, но еще ее экономическая  целесообразность возрастает пропорционально  размеру, также она обладает очень  хорошими характеристиками прочности: может выдерживать порывы ураганного ветра до 210 миль/ч.

Первый геодезический  купол Бакмистера Фуллера, имевший 18 м в диаметре, был построен в Woods Hole, Масачюсетс, для местного ресторана в 1952 г. Он имел ряд технических недостатков – недолговечность внешнего покрытия (неполная защищенность от осадков), трудность управления внутренними температурами при ярком солнечном свете, плохое шумоподавление. В 1953 был построен еще один купол над центральным атриумом офиса Ford Motor в Дирборне, в предместьях Детройта (Штат Иллинойс) диаметром 83 фута и весом 8,5-тонн. Именно это сооружение привлекло внимание прессы и позволило ему прославиться.

Потенциал этой новой  конструкции был замечен, и в 1963 г. Фуллер продолжил его разработку, уже при поддержке правительства США. Одним из первых результатов этого сотрудничества стал «золотой купол», построенный для Американской национальной выставки в Москве 1959 года, проходившей в Сокольниках. Он использовался как выставочный павильон для экспозиции американского искусства.

Купол этого сооружения имел диаметр 75 метров, конструкция  была покрыта прозрачной внешней  оболочкой, составленной из крашеных акриловых  панелей. В этом сооружении примечательно  и то, что это не только купол, но и пространственная композиция из этажей-платформ, как бы парящих  в пространстве купола, олицетворяющего  Вселенную. За этот оригинальный архитектурный  прием в 1968 г. он получил премию от Американского Института Архитекторов. В основу этого сооружения положен  тот же икосасаэдр, который использовался в проекте «картографической проекции», но его грани разбиты еще на несколько треугольников для приближения формы к более сферической.

«Геодезические  купола» получили большое распространение, они продолжают использоваться и  сейчас в крупных общественных сооружениях, например: «Проект Эдем» (Николас  Гримшоу, 2000-2001 гг.) (рис.2).

Всего построено  около трехсот тысяч «геодезических куполов», они широко используются как ангары, склады, эксплуатируются  как жилища в местах со сложными погодными условиями (купол на Южном полюсе). Эта конструкция рассматривается как подходящая для организации постоянно обитаемых станций на Луне и Марсе.

В 1985 году был обнаружен  углерод в новом молекулярном состоянии, молекулы представляли собой  полые сфероидальные структуры  в форме правильных многогранников, напоминающих «геодезические купола»  – их назвали фуллерены, в честь  Б. Фуллера. Благодаря этому открытию появилась возможность создавать электрические, механические, оптические эффекты. В частности, это позволит создать материалы, обладающие уникальным соотношением прочности и веса.

Таким образом, можно  говорить, что творчество Б. Фуллера в значительной мере повлияло и продолжает воздействовать на современную архитектуру, и не только в архитектурно-художественном и конструктивном смысле. На современном этапе развития зодчества важную роль в совершенствовании современной архитектуры может сыграть изучение сооружений и научно-методического подхода, использованного Б. Фуллером для проектирования своих сооружений.

Дом Фуллера в Карбондейле