Пространственные конструкции из камня и железобетона
Эволюция взаимодействия конструктивной логики и требований восприятия.
Пространственная форма сводов и куполов обусловила тесную солидаризацию элементов, из которых они были сложены. Объединение их рабочих усилий происходит не только по вертикали. Закономерным следствием целесообразной работы материала явилась устойчивость, превосходящая ортогональные формы, а также сокращение строительной массы.
Сферические формы появились раньше линейных, так как первым осознанным и очеловеченным пространством была сфера.
Появление куполов связывают с двумя конструктивными системами. Одна из них, основанная на кладке, образует монолит; другая принципиально иная – каркасная. Вершины стержней-мачт, заглублённых в землю, изгибали и связывали. Так создавался каркас, который затем заполнялся инертным материалом.
Сводчатые сооружения Древнего Рима обладали большой массой. Силам веса массивных сводов противопоставлялись значительные массы толстых стен. Читабельность сводов и куполов, так же как и стен, определялась уже освоенным приемом артикуляции их поверхности. Глубокие кессоны в куполе Пантеона внушает представление о наличии каркаса. В апсиде храма Венеры и Ромм кессоны образуют конструктивную решетку – своего рода каркас. Зарождение каркаса помогает не только читабельности, но и облегченно свода. В цилиндрических сводах нередко используются несущие ребра - гурты.
Византийские сооружения – качественно новая ступень в развитии сводов и куполов. Она характерна появлением более совершенного конструктивного каркаса, совершенствованием опорных частей, в композицию которых входят подпружные арки и аркада на колоннах. Примечательно также исчезновение антаблемента, чуждого архитектуре опор и механически членящего своды и поддерживающие их стены.
Намечавшаяся функциональная дифференциация элементов определяет и их специфическую выразительность. Появляющийся каркас становится непосредственным выражением конструктивного содержания. Но элементы, внушающие представление о работе форм не утрачивают своего значения. Уменьшение веса конструкций внушается плоским характером рельефа, отсутствием "сплющенных" под давлением соединительных элементов, тонкой профилировкой тяг, мозаичной облицовкой.
Огромный вклад в совершенствование сводчатых сооружений внесла готика. Конструкция окончательно расчленяется на несущий остов каркас и заполнение. То есть происходит дифференциация конструкций на элементы, каждый из которых выполняет определенную функцию и эта функция определяет форму каждого ив них. Своеобразие готики еще и в том, что нервюры образуют каркас, введенный в интерьер сооружений, а контрфорсы и аркбутаны, освободившие стены от излишней массы, образуют каркас выведенный в экстерьер. Современная архитектура знает примеры обращения каркаса или внутрь или наружу. Готика – это и то, и другое, вместе взятое.
Но некоторые части конструкции по-прежнему артикулируются с целью внушить представление о своей работе. Они становятся знаком определенной конструктивной функции.
Так форма вала зрительно выражает степень его нагруженности. В нервюрах и колонках он имеет килевидную форму. В основании здания он сплющен, стелется по земле.
Таким образом, читабельность материальных элементов решается и обнажением структуры, т.е. непосредственно и опосредованно путем изображения их работы.
Характерна и другая сторона нарушения рационалистичности в этой в целом логичной функциональной системе.
Крупнейший исследователь готической архитектуры Огюст Шуази [13] пытался обосновать полную зависимость готических форм от конструкции. Он был уверен, что открыл однозначность этой взаимосвязи. Он утверждал, что готические формы являются торжеством конструктивной логики. Однако советский ученый, доцент кафедры инженерно-строительных дисциплин института им. И.Е. Репина – В.Е. Петерсон доказал, что Виолле де Дюк был не совсем прав.
Аркбутаны по исследованию В.Е. Петерсона [7] представляют собою тип ползучих арок. У таких арок, на основании законов строительной механики, силы, возникающие в верхней опоре, резко отличаются от сил, действующих в нижней опоре.
Вот почему, такая арка не может воспринять горизонтальную силу распора и передать ее на контрфорс. Такая передача горизонтальной силы противоречила бы законам механики. Тем самым В.Е. Петерсон утверждает, что аркбутан – не орган передачи распора, как считал Виолле де Дюк.
И вместе с тем, не смотря на это, аркбутан внушает представление о том, что поддерживает стены. И это представление имеет основание. Первые деревянные поддержки стен романских соборов возникли в силу конструктивной необходимости. Они предупреждали опрокидывание некоторых не достаточно устойчивых стен. Деревянные поддержки затем были переведены в камень и приобрели другое очертание.
Таким образом, можно говорить о том, что форма аркбутана отражает, в том числе, и представления о желательной работе этого элемента.
Взаимодействие рационалистичности высокого уровня и требований развитого восприятия характеризует эволюцию современных пространственных конструкций из железобетона. Этапы этой эволюции в целом повторяют общие закономерности рождения новых форм и их эстетического освоения. В то же время, выразительность новых форм выступает отражением неповторимого и изменяющегося соотношения новизны и привычного.
Первый этап развития отражает прежний статический опыт. Ранние работы пионеров современного железобетона повторяют структуру сводчатых конструкций из камня и металла. Железобетон нередко применяется в арочных и рамных конструкциях, которые противоречат присущим этому материалу свойствам. Примечательно в этом отношении здание зала столетий во Вроцлаве (1912-1913 гг., архитектор Макс Берг и инженер Трауэр). Тридцать два железобетонных ребра сходящихся к центру создают большое эффектное пространство. Но конструкция, охватывающая его тяжеловесна. В этот же период появляются простые цилиндрические оболочки, купольные и цилиндрические своды. В 1922 году Вальтер Бауерсфельд строит купол правильной полусферической формы. В дальнейшем его сотрудничество с фирмой Дикергоф и Видманн приводит к строительству первых крупных сводов-оболочек для планетария в Иене, а затем крытых рынков в Базеле и Лейпциге.
В Советском Союзе одной ив первых пространственных конструкций стал купол диаметром 60 метров возведенный в 1934 году при строительстве Новосибирского театра.
Второй этап характерен освоением новых возможностей материала. Основной принцип, на который опираются поиски более рациональных форм, тесным образом связывает несущую способность конструкции с ее пространственной геометрией. Прочность, таким образом, становится функцией геометрической характеристики формы. На этом пути был сделан окончательный переход от поверхностей одинарной кривизны к поверхностям двоякой кривизны, В необходимости этого перехода убеждали не только эксперименты! но и формы, созданные природой. Яичная скорлупа, морская раковина, крыло жесткокрылого насекомого, представляющие поверхности двойной кривизны, обладают повышенной жесткостью.
В свою очередь из поверхностей двоякой кривизны наиболее целесообразными оказались, так называемые, линейчатые –гиперболические параболоиды и всевозможные категории седлообразных поверхностей. Их геометрическое своеобразие определяется тем, что центры радиусов кривизны лежат по обе стороны оболочки.
Уже в процессе проектирования были установлены преимущества этих форм. Их скорлупа требовала минимальной толщины и при этом обладала максимальной жесткостью, прочностью и сопротивляемостью деформациям. И в то же время, опалубка этих сложных форм собиралась исключительно из прямолинейных элементов в соответствии с прямыми линиями, образующими их поверхности. В какой-то мере упрощались и арматурные работы. Ясность геометрии определила также возможность точного статического расчета этих форы, что также содействовало их быстрому внедрению в строительство.
Стремление овладеть формообразующими возможностями новых форм не могло ни привести к их комбинациям в структуры. Этот метод был, в известной мере, традиционным. В свое время крестовый свод, как универсальная конструктивная ячейка, обладающая широкими архитектурными возможностями, родился как гениальная комбинация цилиндрических сводов.
Комбинация и соединения отдельных фрагментов линейчатых поверхностей, безусловно, расширили возможности архитектурного творчества. Метод комбинирования стал необходимой, предпосылкой к решению не только функционально-технических, но и идейно-образных задач. Был сделан шаг к овеществлению в формах не только рационалистичности, но и эмоциональности, связанные с потребностями человеческой психологии.
Яркой иллюстрацией преимуществ этой тенденции может служить проект рынка, разработанный одним из создателей гиперболического параболоида, талантливым инженером Феликсом Кандела. Ритмическое повторение гиперболических параболоидов разных масштабов в этом проекте создает впечатление волнообразного движения всего комплекса. Именно поэтому композиция была названа "Морской прибой".
Свидетельством расширения возможностей выразительного языка новых конструкций могут служить так называемые «произвольные формы». По словам Курта Зигеля [1, с. 234], эти формы не означают произвола. Они следуют сложным статическим закономерностям, графическое выражение которых не всегда подчиняется простым геометрическим законам. Тем самым, произвольные формы могут следовать статике более естественным и непосредственным образом. Их произвольность есть не что иное, как освобождение от насилия жесткой геометрии.
Перспективы развития произвольных форм во многом зависят от совершенствования неточных методов конструирования. Как это ни парадоксально: точные методы стали тормозом в развитии новых форм. Крайним пределом возможностей математического расчета служит гиперболический параболоид. Один из инициаторов внедрения произвольных форм в жизнь, испанский инженер Торроха считает, что условия устойчивости придуманной формы можно определить экспериментально-аналитическим методом на моделях [1, с. 238]. Неточные методы открывают огромные возможности для творческой интуиции, без которой невозможно рождение принципиально новых форм, невозможно решение новых конструктивных и художественно-образных задач. Самым интересным примером оболочки произвольной формы является здание аэровокзала в Айдлуайлде, Нью-Йорк архитектора Эро Сааринена.
Успех новых форм во многом зависит от их понимания. Перцепция новизны облегчается при условии жесткого следования технической правде. Конструктивная логика, определяя построение формы, способна запрограммировать определенную логическую подсказку для понимания ее работы. Отсутствие логической связи с материально-техническими основами возникновения формы, следование моде, а не правде опасно рождением непонятных форм, упадком этой новой области архитектуры.
Восприятие материально-технического содержания оболочек требует решения и других проблем.
Целостность и непрерывность поверхностей оболочек, как следствие рационального использования железобетона, затрудняет их читабельность. Для облегчения перцепции таких форм архитектуры стремятся к их усложнению. В ряде случаев такое усложнение образуется путем пересечения непрерывной пластической формы вертикальными или наклонными плоскостями, в других – пересечением поверхностей между собой.
Можно было бы привести значительное количество примеров форм, созданных путем сочетания нескольких или многих криволинейных поверхностей. Безусловно, создание таких усложненных форм требует больших затрат. Зато, мы получаем значительный художественный эффект. Стыки между отдельными поверхностями образуют те элементы, которые вносят разнообразие, создают ритм и помогают процессу восприятия форм. Другим способом выявления формы оболочки и её толщины служит введение проемов.
Важной деталью в раскрытии конструктивных свойств оболочек служит их стык с другими элементами сооружения. Так, например, рёбра жесткости протяженных ненесущих стен создают ложное впечатление подпорой оболочки. Этот недостаток обычно устраняется созданием значительного выноса оболочки. Иногда элементы жесткости выступают по всему периметру оболочки и могут совсем скрыть истинную ее толщину. Для ее раскрытия оболочку стремятся выпустить далеко вперед за пределы элементов жесткости. Вынос оболочки вперед лишь только по этим соображениям конструкторы вполне могут оценивать как излишество.
Таким образом, раскрытие материальных свойств оболочек, их сознательное подчеркивание, связано с некоторым нарушением рационалистичности и опирается не на изобразительные, а выразительные элементы.