6. Тектоника современных пространственных конструкции

Любая конструкция в той или иной мере является пространственной, так как она материальна и фактически имеет три измерения, однако рассчитываются на прочность обычные конструкции лишь в двух измерениях.

Давно замечено, что обыкновенная стропильная система может сохраняться при значительных разрушениях стен. Это указывает на неучтенные резервы прочности конструкции, рассчитываемой, как правило, на сопротивление усилиям лишь в одной плоскости. Так, в стропилах рассчитываются в первую очередь сечения поперечного разреза конструкции. Это оправдано тем, что каждая пара стропил устанавливается последовательно и несет соответствующий участок кровли. Стропила объединяют опорные прогоны и обрешетка. Этого достаточно, чтобы создать пространственный характер работы конструкции. Под пространственной работой конструкции подразумевается равномерное распределение усилий в ней по трем измерениям, обеспечивающее наиболее полное вовлечение всего материала в работу, отсутствие его инертных масс.

Общий технический прогресс, создание высокопрочного железобетона—«армоцемента», применение в строительстве стали и других эффективных материалов открыли перед архитектурой небывалые возможности. В формообразовании конструкций как решающий фактор выступает логичное распределение усилий в зависимости от свойств и качеств используемого материала и обусловленная им пространственная жесткость формы. Прочность материала подкрепляется свойствами формы.

Эффективность наиболее простых пространственных конструкций — железобетонных складок, характеризуется тем, что они могут выдерживать нагрузку, многократно превышающую вес самого изделия. Нагляднее всего свойства этой формы можно себе представить следующим образом. Гладкий листок бумаги, положенный на две опоры, прогибается. Однако если этот листок сложить гармошкой, то образовавшуюся форму можно нагружать до тех пор, пока складки не распрямятся.

Очертания складок бывают самые разнообразные: простейшие прямолинейные с параллельными сторонами, веерообразные в плане и—более сложные, имеющие стрелу подъема в пролете, встречные, вклинивающиеся друг в друга, наконец, рамные складчатые системы.

Простота и эффективность складчатых конструкций позволяют применять их для покрытий больших пролетов, а также в рамных и стеновых конструкциях, когда для них необходимы особая легкость и прочность. Разнообразие форм складок позволяет перекрывать пространства самых сложных очертаний.

Один из удачных примеров применения складчатых конструкций—большой зал заседаний здания ЮНЕСКО в Париже (1958, архитекторы М. Брейер, Б. Зерфюсс, инж. П. Л. Нерви). Зал, имеющий в плане форму трапеции, образован веерообразно расходящимися складками. Складки использованы в двухпролетной рамной конструкции как для ригелей, так и для стоек (илл. 55). В зоне максимального изгибающего момента складки раскреплены поперечной плитой, плавно поднимающейся к вершинам складчатых ригелей. Форма складок обеспечивает ясное членение объема и внутреннего пространства, она позволила эффективно использовать материал. Складки являются ведущей архитектурной темой сооружения.

Еще более полно используется прочность материала в форме оболочек двоякой кривизны или скорлуп, широко распространенных в природе. Достаточно указать лишь на некоторые отношения приведенной толщины конструкций (т. е. толщины, не учитывающей пустоты в массиве) к перекрываемому пролету. Так, если толщина купола собора св. Петра в Риме соответствует 1/13 его пролета, то в грандиозном Дворце выставок на площади Дефанс в Париже (1959, арх. Б. Зерфюсс и др.), где расстояние между опорами составляет 250 м., это отношение равно 1/1570- Для сравнения заметим, что толщина скорлупы куриного яйца составляет 1/100 его диаметра.

Значительная толщина и массивность каменных куполов объясняются тем, что каменная кладка не может полностью преобразовать горизонтальные усилия распора в усилия сжатия по опорному кольцу. Поэтому, как правило, возникала необходимость усиления опорного кольца стяжками-обручами— металлическими или деревянными. Стремление уничтожить распор породило и стрельчатую форму сводов готических соборов и силуэт купола Флорентийского собора.

Каменная кладка купола, несмотря на усиление опорного кольца стяжками, не в состоянии полностью воспринять горизонтальные усилия в нижней части. Возникают трещины, которые иногда разделяют купол на сегменты. симметрично уравновешивающие друг друга. Конструкция при этом работает как ряд плоских арок: этим и объясняется большая тол-шина каменных куполов и их опор, воспринимающих усилия распора.

Казалось бы, формы современных оболочек во многом повторяют форму каменных сводов и куполов. Однако, будучи выполненными из прочных материалов, позволяющих обеспечить равномерное распределение усилий по всей поверхности, они работают по-новому. Цилиндрические оболочки, при сходстве их геометрической формы с формой цилиндрического свода, в распределении статических усилий не имеют с ним ничего общего. Цилиндрический свод опирается на продольные стены— монолитность формы цилиндрической оболочки позволяет опирать ее на торцы, оставляя сводным больший пролет. В монолитной железобетонной полусфере усилия распора полностью воспринимаются конструкцией и на опорном кольце преобразуются в вертикальные усилия. Оболочки имеют самое широкое применение—от разного рода покрытий и консольно выступающих навесов до стен зданий.

Оболочки двоякой кривизны—форма еще более совершенная, чем цилиндрические оболочки, изгиб цилиндрической оболочки по большому пролету увеличивает ее жесткость и позволяет с ее помощью перекрывать пространства, достигающие сотен метров. Пространственная жесткость таких форм значительно больше, чем цилиндрических оболочек, он могут быть выполнены без дополнительных укреплений —диафрагм, бортовых элементов необходимых для оболочек одинарной кривизны. Простейший вид оболочки двоякой кривизны —полусфера.

Классическим примером использования сферической оболочки может служить малая спортивная арена, построенная к Олимпийским играм 1960 года в Риме (арх. А. Вителлоцци, инж. П. Л. Нерви). Ее покрытие собрано из ромбических элементов. В интерьере ромбическая сетка ребер, определенная технология изготовления, складывается в чрезвычайно выразительный рисунок нижней поверхности купола. Ребра, концентрируя нагрузку, передают ее наклонным вилкообразным опорам, расположенным по окружности. Кроме того, ребра создают необходимую жесткость против вспучивания при возникновении неравномерной нагрузки. Вспорушенные края купольной оболочки придают ей дополнительную жесткость.

Для оболочек свойственна непрерывность кривизны и толщины или постепенное их нара- стание и убывание. Если оболочка имеет отверстие, то краевой элемент, обрамляющий отверстие, своей прочностью должен возместить нарушение непрерывности формы. Оболочка, как правило, несет равномерную грузку, а опорная конструкция собирает рас- средоточенные усилия. Поэтому сооружение может иметь лишь несколько точек опоры.

В архитектуре кроме сферических куполов часто применяются треугольные, четырехугольные и многоугольные сегменты сферических поверхностей со срезанными торцами. Статическая работа сферической оболочки, в которой усилия сжатия и растяжения действуют по касательной к форме, не вызывая сколько-нибудь заметных изгибающих моментов, характерна и для любой другой поверхности двоякой кривизны.

Коноидальные поверхности, гиперболические параболоиды, обладая всеми свойствами поверхности двоякой кривизны, наряду с изящной формой удобны тем, что поддаются точному расчету. Коноидальные поверхности образуются с помощью прямой, один конец которой движется по прямой, а другой—по кривой. Эти формы, хорошо сочетающиеся с прямолинейными поверхностями, нашли широкое применение в покрытиях промышленных зданий.

Поверхность гиперболического параболоида образуется вращением гиперболы вокруг оси. Хорошо известная форма градирен—гиперболический параболоид. Эта форма такова, что усилия распределяются в ней по касательным к изгибам поверхности и наиболее близко совпадают с кривой давления.

Членения гиперболического параболоида, вырезы в его поверхности могут проходить по сетке прямых образующих. В этом случае возникает возможность ограничить поверхность двоякой кривизны четырьмя прямыми линиями, т. е. получить криволинейную поверхность покрытия, четырехугольную в плане.

Параболические гиперболоиды удобны для осуществления, так как в своей основе они могут иметь прямолинейные элементы. Эта форма может также сочленяться из отдельных ромбических элементов, что нашло широкое применение в строительстве упомянутых градирен.

В современной архитектуре часто применяются формы, составленные из ряда гиперболических поверхностей. Сочленения отдельных гиперболических поверхностей, ограниченных прямыми линиями, могут быть выявлены, если каждая составляющая часть работает самостоятельно, опираясь на свои опоры, либо отдельные поверхности гиперболического параболоида сливаются в более сложную поверхность двоякой кривизны.

Восемь сегментов гиперболического параболоида с криволинейными сочленениями составляют целостную конструкцию покрытия ресторана в Ксохимилко (1957, Мексика, инж. Ф. Кандела). В вершине свода сегменты гиперболического параболоида соединяются в единую поверхность. К краям она постепенно переходит в волнообразные своды. Плавность перс-хода одной волны свода в другую и необычная легкость характеризуют это сооружение.

Еще в конце прошлого века известный русский ученый В. Г. Шухов (1852—1939) на основе смелых экспериментов и оригинальных расчетов создал целую серию пространственных стержневых конструкций покрытий промышленных и общественных зданий. В первые годы Советской власти Шуховым был создан замечательный проект 350-метровой мачты на основе конструкции стержневого гиперболоида. Правда, осуществить и натуре Шухову удалось лишь 160-метровую радиомачту на Шаболовке в Москве. Стержневые пространственные конструкции получили широкое распространение в строительстве технических сооружений.

Полусфера и цилиндр—формы, обладающие наиболее ясными математическими закономерностями, — широко применялись в строительстве. Однако кривые давления, зависящие от распределения нагрузки, далеко не всегда соответствуют этим формам. Применение более сложных поверхностей двоякой кривизны и прежде всего гиперболических параболоидов внесло много нового в развитие архитектурной формы, свободной от однообразия элементарной геометрии и приближающих ее к естественному многообразию природных форм.

Архитектор Э. Сааринен при строительстве здания аэровокзала в международном аэропорту имени Дж. Кеннеди (Нью-Йорк, 1962) сделал определенный шаг в развитии пластичности новой архитектурной формы (илл 54). В формообразовании этого здания нет ни одной простейшей геометрической формы. Здесь в чистом виде не найдешь ни прямого угла, ни окружности. Четыре оболочки двоякой кривизны образуют внутреннее пространство и внешнюю форму, остекленные ленты зазоров между оболочками служат для того, чтобы в здание сверху поступал дневной свет. Ребра, обрамляющие покрытие, по мере роста нагрузки становятся все более массивными и переходят в четыре мощных устоя, удерживающих сооружение. В целом эта динамическая композиция напоминает создание природы.

Использование свойств стали не только на сжатие и изгиб, но главным образом на растяжение позволило создать легкие подвесные конструкции, которые могут перекрывать огромные пространства при минимальном количестве опор. На этой основе возникла принципиально новая архитектурная форма, отличающаяся легкостью и изяществом.

В комплексе Национального стадиона в Токио (1964, архитекторы К. Танге, К. Камийя, инж. И. Цубои) применена оригинальная ван-товая конструкция для покрытия зала размером 126х130 м, который вмещает 50-метровый плавательный бассейн, бассейн для прыжков с вышкой и трибуны на 15000 зрителей.

Покрытие этого сооружения удерживают два стальных троса (диаметр каждого 33 см), натянутых между двумя железобетонными устоями и укрепленных в массивных контрфорсах. Архитектурная форма здания логично вытекает из его конструктивной структуры. Абрис здания определяется конфигурацией трибун и расположением бассейнов, вертикалями устоев и натяжением вант. Пластичность формообразования связывает здание с национальными художественными традициями.

Говорить о создании стройной тектонической системы пространственных конструкций еще преждевременно, хотя отдельные сооружения достигли большой выразительности. С развитием пространственных конструкций открывается возможность создания форм более сложных, чем те, которые доступны элементарной геометрии, и подчиненных геометрическим закономерностям высшего порядка. Несомненно, что развитие пространственных конструкций оказывает революционизирующее влияние на архитектуру. Художественное освоение новых систем—выявление их пластики, соразмерности членений и закономерностей восприятия — основная задача архитекторов.