Природные конструкции в архитектуре
ДЫРЧАТЫЕ КОНСТРУКЦИИ Эйфелева башня является ярким примером единства закона формообразования естественных и искусственных структур. Ученые обнаружили, что распределение силовых линий в конструкциях башни и в берцовой кости человека идентично, хотя при создании инженер не пользовался живыми моделями.
Легкая и хрупкая кость, способная выдерживать большие нагрузки, стала предметом изучения ученых и архитекторов. Математик-конструктор Ле-Реколе установил, что прочность этой биологической конструкции заключается в соответствующем расположении в материале не плоскостей, а пустых пространств, то есть обрамлений отверстий, соединяемых различным образом. На основе конструктивного изучения структуры костей и других природных моделей родился в архитектуре принцип дырчатых конструкций, положивший начало разработке новых пространственных систем. Так французские инженеры использовали принцип дырчатых конструкций при строительстве моста в виде внешнего скелета морской звезды.
Ле-Реколе, исследовав строение некоторых радиолярий, разработал ряд универсальных конструктивных ячеек, которые могут быть применены в различных пространственных конструкциях — от перекрытий залов до мостов и плотин. Возможно, в будущем они найдут применение и в конструкциях, предназначенных для полета в космос, поскольку в подобных сооружениях особенно принимается в расчет не только сопротивление материала, но и его количество.
СПИРАЛЬ Спираль в то же время является в природе и сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Лишь изменяя форму конструкции, придавая ей вид спирали, природа, таким образом, достигает в конструкции дополнительную жесткость и устойчивость в пространстве. Так, например, завиваются в спираль, приобретая этим дополнительную жесткость, тонкие и длинные стебли огурцов или тыквы, длинные листья рогоза и тонкие ножки грибов. Раковины простейших одноклеточных организмов форманифер и раковины моллюсков, закрученные в одной или разных плоскостях (турбоспирали) — это также проявление способа достижения наибольшей прочности при экономном расходовании материала. Благодаря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают большое гидродавление при погружении на глубину.
Закрученная форма природных конструкций, как способ достижения большой устойчивости в пространстве при экономном расходовании «строительного» материала, подсказала архитекторам новую форму спиралевидной основы здания — турбосомы. Турбосома аэродинамична, любые ветры лишь обтекают ее тело, не раскачивая и не принося ей никакого вреда. Она может быть использована при строительстве высотных домов.
ВАНТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ Паутинные нити — изумительное творение природы, самые тонкие линии, которые видит человек невооруженным глазом. Паутина удивительно прочна: она крепче стальной проволоки того же диаметра и настолько эластична, что не рвется, растягиваясь почти на четверть своей длины. Легкие, изящные и прочные плетения пауков привлекли внимание инженеров. В частности, паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов.
Принципы построения природных конструкций из тонких натянутых нитей, а также конструкций из нитей с натянутыми между ними мембранами легли в основу вантовых конструкций. Прототипами для них послужили помимо паутины такие, например, природные модели, как перепончатые лапы водоплавающих птиц, плавники рыб, крылья летучих мышей и др.
В вантовых конструкциях основным несущим элементом сооружения служит «стальная паутина»— разным образом натянутые стальные тросы или система тросов (тросовые фермы), по которым укладываются тонкие мембраны из стали, алюминия, дерева и пр. Для покрытия зданий с большим пролетом вантовые конструкции сейчас представляются наиболее эффективным решением.
ОБОЛОЧКИ В мастерской природы часто встречаются конструкции в виде сводов различных пространственных форм (скорлупа ореха и яйца, панцири и раковины животных, гладкие листья, лепестки растений и др.) Пространственно изогнутые и тонкостенные, они, благодаря непрерывности и плавности формы, обладают свойством равномерного распределения сил по всему сечению.
Идеальную по прочности форму изобрела природа для тонкой яичной скорлупы. В ней также нагрузка из одной точки передается на всю ее поверхность. Но своеобразие этой конструкции не только в особой геометрической форме. Несмотря на то, что толщина скорлупы равна примерно 0,3 мм, она состоит из семи слоев, каждый несет свою определенную функцию. Слои не расслаиваются даже при самых резких изменениях температуры и влажности, представляя собой яркий пример совместимости материалов с различными физико-механическими свойствами. Повышенную прочность яичной скорлупе придает еще тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным напряжением.
Принцип конструкции этих оболочек лег в основу создания легких, большепролетных стальных и железобетонных покрытий различной кривизны, которые нашли широкое применение при строительстве спортивных комплексов, кинотеатров, выставочных павильонов и т. д. Основное качество таких покрытий — легкость, и чем больше пролет, тем легче купол. В современных постройках толщина купола измеряется миллиметрами, и получили такие купола название оболочек-скорлуп.
СЕТЧАТЫЕ, РЕШЕТЧАТЫЕ И РЕБРИСТЫЕ КОНСТРУКЦИИ Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-изогнутые ребристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений.
Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветвляющейся в них сетке жилок. Этот каркас выполняет основную — несущую — роль, тогда как другие элементы конструкции, например, пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения. Это также один из примеров достижения прочности при минимальной затрате материала. Особенно привлек к себе внимание лист тропического растения Виктории, встречающегося в водах Амазонки и Ориноко. Плавающие листья этой крупной водяной кувшинки вырастают до 2-х м в диаметре и выдерживают, не погружаясь в воду, вес до 50 кг. С нижней стороны этот лист как бы укреплен толстыми и прочными прожилками, похожими на канаты. Продольно изогнутые жилки скреплены между собой серповидными поперечными диафрагмами. Такая конструкция создает прочную основу для размещения между жилками тонкой полупрозрачной пленки листа.
Взяв за основу жилкование листа Виктории регии, итальянский архитектор П. Нерви сконструировал плоское ребристое покрытие фабрики Гатти в Риме и покрытие большого зала Туринской выставки, добившись большого конструктивного и эстетического эффекта. Принцип построения листа Виктории регии использовали и наши архитекторы при сооружении потолка фойе Тульского драматического театра. Они протянули по потолку железобетонные нервюры, которые несут огромный пролет.
КОНСТРУКЦИИ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ Ребристая форма листа манжетки, бука, лапчатки придает им по сравнению с такими же листьями, имеющими гладкую поверхность, дополнительную жесткость, прочность и устойчивость в пространстве. Так, лист манжетки благодаря ребристой форме удерживает тяжелую каплю воды и не сминается под тяжестью во много раз большей, чем его вес. В этом заключается одна из интереснейших закономерностей природы — сопротивляемость конструкций по форме. Она проявляется не только в складчатых листьях, но и тогда, когда листья или лепестки растений свертываются в трубочку, закручиваются в спираль, образуют причудливые желоба, то есть принимают другую пространственную форму без затрат на это дополнительного строительного материала. Такое изменение формы в пространстве обеспечивает растению, его листьям и цветкам наибольшую прочность и позволяет, например, закрученным длинным листьям рогоза держаться в вертикальном положении, а нежным, длинным лепесткам венерина башмачка противостоять ветру.
Принцип сопротивляемости конструкций по форме, существующий в природе, нашел широкое применение в современном строительстве. Складчатая конструкция — одна из простейших среди многообразия пространственных конструкций. Образованные из плоских поверхностей, они просты в изготовлении и в монтаже. Они могут перекрывать весьма большие сооружения, например, зал ожидания на Курском вокзале или легкоатлетический манеж Института физкультуры в Москве.
Подражая природным структурным формам, мостовикам удалось создать ряд оригинальных проектов и сооружений. Так, взяв за основу форму полусвернутого листа, инженеры спроектировали мост через реку, сочетавший в себе поразительную прочность и легкость, экономичность и красоту конструкции.
СТВОЛОВАЯ АРХИТЕКТУРА Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техники. Примерами тому являются растение пухонос из семейства осоковых и фабричная дымовая труба. Их конструкции в поперечном сечении оказались удивительно похожими, хотя создавались независимо друг от друга.
Высокие сооружения, созданные природой, по конструкции гораздо тоньше и намного совершеннее того, что умеет делать человек. Немало в природе растений, отличающихся большой высотой при минимальной площади опоры. Они приспособлены к действию внешних нагрузок и гравитации. Большая прочность и устойчивость таких высотных природных конструкций обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, способностью их работать как на сжатие, так и на растяжение. В стеблях злаков большую роль играют его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой особо устроенные упругие шарниры-демпферы. И не случайно сильная буря вырывает с корнем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака.
На основе принципов построения природных высотных конструкций строители проектируют высотные здания нового типа — типа стволовой конструкции. По принципу строения стебля пшеницы разработан проект высотного здания, у которого основание более узкое, чем средняя часть. Упругие демпферы, разделяющие здание по высоте на несколько элементов, снижают силу ветрового напора и сокращают нагрузку на основание.
ТРАНСФОРМАЦИЯ Мир живой природы наполнен движением. Чутко ощущая изменения, происходящие во внешней среде, — колебания температуры, влажности, освещенности и другие природные факторы, — живые организмы приспособились регулировать поступление количества необходимого им тепла, влаги, света и реагировать на механические раздражения — временно изменять свою форму или положение в пространстве отдельных своих элементов.
Все изменения формы растений и животных носят временный характер. В биологии такие движения называются обратимыми движениями, а в архитектуре — трансформациями.
Принцип трансформации природных конструкций и систем представляет большой интерес для архитекторов при решении проблемы «движущейся архитектуры». Создаются проекты легких, складных транспортабельных домиков различного назначения, быстро трансформируемых помещений (залов, арен) с изменением площади и планировки. Примером тому является спортивный стадион на проспекте Мира в Москве. Это самое большое в нашей стране закрытое спортивное сооружение, которое за короткий срок можно трансформировать в легкоатлетический манеж, гимнастический помост, поле для футбола, хоккея или площадку для скоростного бега на коньках и т. д.
Особо стоит перед архитекторами проблема создания трансформирующихся сооружений для районов с неустойчивым климатом, требующим здания с автоматически регулируемыми покрытиями.. Группой архитекторов создан проект стадиона в Киеве с крышей в виде цветка, лепестки которого поднимаются и опускаются в зависимости от погоды.