Практика применения сетчатых оболочек в архитектуре

История развития

Сетчатая оболочка -- решетчатая несущая конструкция с криволинейной поверхностью, позволяющая перекрывать большие помещения без внутренних опор. Такие конструкции используются в качестве перекрытий, башен-оболочек и в сложных сетчатых архитектурных объектах. По геометрии они подразделяются на вогнутые, вогнуто-выпуклые и выпуклые. Несущие сетчатые оболочки могут выполняться из металлов, композиционных материалов и древесины [1].

Прежде чем изучить современную мировую практику применения сетчатых конструкций, следует вкратце вспомнить историю этого класса покрытий. Первые попытки создания криволинейных покрытий предпринимались еще в Древнем Риме. Купола и своды, которые применяли древние римляне в своих постройках являются первыми примерами оболочек, собранных из кирпичей специальной формы. Вплоть до XIX века первые купольно-сводчатые конструкции практически не имели развития. Изменялись лишь пропорции купола либо варьировалась форма линии, образующей поверхность. Постепенно мастера научились использовать возможности этих конструкций достаточно эффективно, и казалось, что ничего принципиально нового к этим конструкциям добавить уже нельзя. На самом деле расширению разнообразия форм покрытий мешало то, что конструкции строились из кирпича и имели очень большой вес, особенно при перекрытии ими больших пространств (при увеличении габаритов купола или усложнении его формы увеличивался собственный вес кирпичного покрытия, поэтому требовалось значительное увеличение толщины несущей конструкции, а это, в свою очередь, опять увеличивало вес).

В середине XIX века в строительстве стали активно использовать сталь и чугун, что спровоцировало появление огромных куполов и сводов на основе металлического каркаса. Новые материалы позволили не только снизить массу покрытия, но и сделать их светопрозрачными, так как заполнение каркасов можно было делать стеклянным. Повышение качества и объемов производства металла стало основой для возникновения новых металлических конструкций, в следствие чего и возникли сетчатые оболочки и несущие конструкции на их основе [1].

Первые сетчатые конструкции были разработаны знаменитым русским инженером В. Г. Шуховым, который запатентовал три вида сетчатых несущих оболочек: висячие, выпуклые и башни-оболочки. Преимуществом таких покрытий является то, что оно работает как одно целое, причем все стержни несут приблизительно одинаковую нагрузку, поэтому могут иметь одинаковые сечения [2].

В первой половине XX века сетчатые оболочки применялись чаще всего в промышленном строительстве, где требовалось с минимальными затратами металла перекрыть пролеты более 30-40 м. При строительстве жилых и административных зданий сетчатые оболочки применялись крайне редко. Затем такие архитекторы, как Бакминстер Фуллер, Норман Фостер, Фрэнк Гери, Николас Гримшоу и Сантьяго Калатрава, внесли большой вклад во внедрение несущих сетчатых оболочек в мировую архитектуру.

В последние десятилетия, благодаря использованию компьютеров для расчета конструкций, сетчатые оболочки получили широкое распространение. О применении 3Б моделей и компьютерной параметризации можно прочитать в статье [3]. В XXI веке сетчатые и стержневые конструкции стали одним из главных средств формообразования современных зданий.

Свойства сетчатых оболочек

Одним из преимуществ при выборе сетчатых оболочек в строительстве является простота их сборки. Конструкции возводятся в более короткие сроки, в сравнении с традиционными, и требуют намного меньше трудовых ресурсов, так как отсутствует необходимость в специальном оборудование или строительной технике для монтажа.

Кроме того, при использовании сетчатых оболочек не нужны дополнительные несущие конструкции в виде различных колонн, балок, перекрытий, что даёт свободу при планировке внутренних интерьеров. Конструкция является самонесущей и часто обладает даже более высокими несущими свойствами, в сравнении с конструкциями другого типа. Нагрузки равномерно распределяются на все стержни конструкции, что в итоге исключает хрупкое разрушение. Сетчатый каркас показывает меньшие значения деформаций сжатия по высоте здания для вертикальных элементов.

Помимо высоких несущих свойств сетчатый каркас эффективен в работе на ветровую нагрузку, благодаря наклонным элементам конструкции, которые раскладывают горизонтальную нагрузку на составляющие.

В качестве фундамента для таких конструкций можно использовать множество типов фундаментов, так как за счет равномерного распределения внутренних усилий в сечениях стержней на него приходятся небольшие нагрузки. Наиболее эффективно и целесообразно применение винтовых свай, так как они имеют небольшие габариты и удобны в транспортировке, а также быстро устанавливаются.

Примеры использования сетчатых оболочек в архитектуре

В последние годы сетчатые оболочечные структуры применяют даже чаще, чем железобетонные тонкостенные оболочки. Рассмотрим некоторые здания, построенные с их использованием.

На рис. 1 представлен проект двух отдельно стоящих зданий гостиниц в Абу-Даби (ОАЭ) с общим покрытием из стали и стекла, построенных в 2009 году [4]. Это покрытие является примером оболочки, поверхность которой аппроксимирована плоскими прямоугольными элементами. Замена гладкой поверхности прямоугольными элементами облегчает остекление оболочки. Элементы крепятся к неплоской решетке, что обеспечивает устойчивость к динамическому воздействию ветра. Сетчатое покрытие опирается на 10 V-образных колонн, горизонтальные воздействия воспринимаются подкосами, установленными на уровне перекрытий гостиниц. V-образные колонны и контурная балка имеют трубчатое поперечное сечение, а элементы решетки выполнены из горячекатаного прямоугольного полого стального проката.

Рис. 1. Гостиница «The Yas Hotel», архитектурное бюро Асимптот (Asymptote), Абу-Даби, 2009г.

Часто стержневые оболочечные структуры выполняют роль декоративного дополнения к основному сооружению и придают ему более легкий воздушный вид. Например, в 2011 году была построена башня в Цинциннати, США, наверху которой установлена стальная структура, состоящая из 15 арок и сотен других стальных элементов, которая выглядит как тиара (рис. 2). Её трехмерную модель разработал Т. Томазетти. Структура в плане имеет форму эллипса с осями 48,5х28,3 м и стрелу подъема в 39,6 м. Главные арки изготовлены из труб диаметром 16 дюймов, другие арки - из труб диаметром от 4 до 8,625 дюймов (1 дюйм = 2,54 см). Железобетонная плита, на которой установлена конструкция имеет толщину 8 дюймов. Основные стальные арки заанкерены в основание стальными стержнями диаметром 38 мм. Такое конструктивное решение обеспечивает жесткость конструкции в вертикальном и боковом направлениях.

Рис. 2. Великая Американская Башня, Цинциннати, США, 2011г.

Считается, что форма сооружений на основе однополостного гиперболоида вращения создает им оптимальные условия для аэродинамики, прочности и устойчивости. То, что через каждую точку однополостного гиперболоида вращения проходят две прямые, лежащие целиком на гиперболоиде, очень привлекает архитекторов и проектировщиков, так как позволяет проектировать сооружение в виде пространственной стержневой системы [5].

В Гуанчжоу построена уникальная 610-метровая сетчатая башня-оболочка в форме однополостного гиперболоида вращения (рис. 3) [6]. Высота основной части составляет 450 метров над которой возвышается шпиль. На момент постройки башня являлась самой высокой в мире. Центральное ядро башни, которое является гасителем колебаний башни во время землетрясений и при порывах ветра, окружено сетчатой оболочкой из толстых стальных труб. Образующие в ней - наклонные стержни-колонны, совпадают с прямолинейными образующими однополостного гиперболоида вращения. Для возведения башни строителям пришлось разработать новый тип крепления конструкций, который позволил фиксировать стальные трубы под разными углами и в разных положениях. В отличие от конструкции башни Шухова в данной конструкции использовались сравнительно короткие элементы, сходящиеся в узлах, поэтому пояса башни имеют ломаную форму, а не прямую, как у Шухова. Использование коротких стержней значительно обеднило конструкцию, так как не позволило использовать важное преимущество гиперболоида как линейчатой системы.

Рис. 3. Телебашня Гуанчжоу, Китай, архитектурное бюро ARUP, 2010г.

Не всегда сетчатые оболочки применяются не в качестве несущих конструкций зданий и сооружений. Например, в г. Хюснес (Норвегия) установлена светомузыкальная скульптура в форме гиперболоида (рис. 4). Её стержни совпадают с прямолинейными образующими линейчатой поверхности отрицательной гауссовой кривизны. Конструкция не имеет специального функционального назначения, представляя собой современный арт-объект.

Рис. 4. Гиперболоидная светомузыкальная башня-скульптура Samspel, Хюснес, Норвегия

Помимо стержневых структур, перекрывающих большие площади, как в приведённой выше гостинице в Абу-Даби, имеются стержневые структуры в виде ажурных стоек. Примером может служить внутреннее пространство сада в здании школы бизнеса при университете Чикаго (США) [7]. Само здание представляет собой несколько параллелепипедов, но внутреннее пространство сада выполнено с применением сетчатой оболочки (рис. 5). Это стеклянное перекрытие шестиэтажного атриума в центре комплекса поддерживают четыре «псевдоготические» опоры, внутри которых расположены трубы, по которым дождевая вода с крыши будет поступать в резервуар под подземным гаражом для последующего использования.

Рис. 5. Школа бизнеса, Чикаго, США, 2004г.

В Гамбурге в конце 2018 года, в районе Хафен-сити, открылась станция метро «Эльббрюкен» по проекту архитекторов GMP и инженеров Schlaich Bergermann Partner (рис. 6). «Эльббрюкен» -название серии мостов, перекинутых через Эльбу в данной местности, которые являются важной достопримечательностью Гамбурга. Архитектура объекта созвучна архитектуре этих арочных мостов.

Рис. 6. Мосты через Эльбу у места расположения станции метро, 2005г.

Двухуровневое пространство станции, которое напоминает гигантский прозрачный туннель, сформировано скругленными перекрещивающимися стальными ребрами-балками (рис. 7) [8]. Из этих балок получилась жесткая самонесущая конструкция с большим запасом прочности. Кровля является главной частью станции метро. Её длина 136 м, высота около 16,25 м, а общая площадь почти 6.000 кв.м. Изнутри смонтирован подвесной стеклянный фасад, который крепится к каркасу здания, чтобы внешне решётчатый каркас пересекался с динамичными арками мостов.

Рис. 7. Станция метро «Эльббрюкен», Гамбург, Германия, 2018г.

В Сучжоу (Китай), рядом со знаменитым озером Цзиньцзи построен ТРЦ Suzhou Center Mall, один из самых больших в восточном Китае (рис. 8) [9]. Общая площадь объекта составляет 347.190 кв. Разработкой проекта и дизайном интерьера занималось международное архитектурное бюро Benoy. Яркой изюминкой торгово- развлекательного центра является скульптурная стеклянная оболочка, которая выполнена почти из семи тысяч прозрачных и цветных стеклянных панелей.

Разработкой также занималась международной компанией Schlaich Bergermann Partner. Крыша охватывает здание с обеих сторон в виде крыльев летящего феникса, что символизирует стремительное развитие Сучжоу. Площадь конструкции составляет 35.000 кв.м, она является крупнейшей в мире стеклянной крышей свободной формы.

Рис. 8. Suzhou Center Mall, Сучжоу, Китай, 2017г.

По проекту Safdie Architects в аэропорту Чанги (Сингапур) построен ТРЦ Jewel с тропическим лесом и самым высоким в мире - 40-метровым - «интерьерным» водопадом (рис. 9). Основным элементом здания является крыша купольной формы, выполненная из металлических конструкций и стеклянных панелей. Всё здание полностью выполнено из стекла и стальных конструкций, в форме оно напоминает гигантский пончик.

Рис. 9. Комплекс Jewel в аэропорту Чанги, Сингапур, 2019г.

Из окулуса (круглое отверстие в центре крыши) спускается водопад, который охлаждает интерьер, а также управляет дождевой водой, которая будет добавляться в его поток во время частых и сильных гроз, характерных для Сингапура. Дождевая вода будет идти на полив растений.

Сетчатую оболочку постройки поддерживают 14 древообразных опор. Остекление пропускает солнечный свет, необходимый для растений внутри, и одновременно защищает интерьер от излишнего жара и шума. Проектировщики также позаботились, чтобы блеск фасадов не мешал пилотам и диспетчерам.

Массимилиано Фуксас спроектировал необычный комплекс в Тбилиси, состоящий из двух объемов в виде пересекающихся «труб» (рис. 10). Внутри должны находиться выставочный зал и музыкальный театр на 566 мест. Здание выполнено из бетона, стекла и стали, поэтому внутри него много солнечного света на протяжении всего дня. При проектировании использовали технологию diagrid - решетчатое перекрытие из диагональных перекрестных элементов.

Культурный комплекс должен был стать символом города, как и знаменитый Мост Мира по проекту Микеле де Луки. Специалисты трудились над воплощением проекта 6 лет. Однако, многие общественные деятели считают, что футуристическое здание слишком громоздкое и никак не вписывается в панораму старого города, поэтому культурный центр до сих пор не функционирует.

Рис. 10. Концертный зал в парке Рике, Тбилиси, Грузия, 2012 г.

Для строительства сетчатых оболочек иногда применяют древесные материалы. Подробнее об этом написано в статье [10]. Деревянную мечеть в Кембридже (Великобритания) возводит британская архитектурная компания (рис. 11) [11]. Главный архитектор проекта Дэвида Маркса хотел построить уникальную мечеть, вписывающую в британский ландшафт, отойдя от типично османского стиля.

Рис. 11. Мечеть, Дэвид Маркс, Кембридж, Великобритания

В мечети имеется 30 деревянных колонн, от которых отходят вверх «лучи», которые переплетаются и формируют геометрический узор потолка. Колонны, построенные из изогнутых склеенных ламинированных балок, образуют основную опорную структуру здания. Каждая колонна вплетена в сетку решетчатых арок и балок, покрытых легкой крышей из древесины 1.858 квадратных метров. Ряды круговых люков встроены над опорными колоннами, что позволяет значительно рассеивать естественный свет во всем пространстве молитв. Для оптимизации геометрии здания привлекалась швейцарская фирма, разработавшая сложный 3D проект. Благодаря параметрическому дизайну, число структурных соединений было сокращено с 6.000 соединений до 145 различных деревянных частей. Компоненты конструкции были собраны менее чем за месяц.

Оригинальным примером сетчатой конструкции из дерева может служить ликероводочный завод Macallan (рис. 12) [12]. По словам Rogers Stirk Harbour + Partners, крыша здания является одной из самых сложных деревянных конструкций в мире. Она представляет собой сетку 3х3м с решеткой из клееного бруса и деревянных настилов. Конечно, деревянные кровельные решетки не являются особенно новым инженерным явлением, но в данном проекте большой интерес вызывает масштаб конструкции: длина 207 м и площадь 13.620 кв.м. Это чрезвычайно сложная система демонстрирует передовые технологии производства древесины. В ней используются 1.798 отдельных балок, а настил крыши состоит из 2.447 элементов. Общее количество использованных в конструкции элементов достигает 350.000 (включая крепления). Шесть инженеров и чертежников использовали современное программное обеспечение параметрического проектирования для проектирования крыши современного здания завода.

Рис. 12. Ликероводочный завод Macallan, Шотландия, 2018 г.

Заключение

Применение пространственно-стержневых конструкций не является новой технологией, так как их применение началось много лет назад. Изначально сетчатые оболочки применялись в промышленном строительстве, где требовалось перекрыть большие пролеты с минимальными затратами металла. Однако сейчас стержневые конструкции и сооружения активно используются в архитектуре общественных и промышленных зданий.

Очевидно, что наиболее простыми и экономичными с точки зрения затрат на строительство являются оболочки в виде геодезических куполов, однако использование других типов сетчатый оболочек позволяет разнообразить внешний облик сооружений.

Приведённые примеры возведенных стальных стержневых структур показывают высокий уровень достижений строительной техники и науки. В данной статье показаны только основные направления, по которым идет развитие технологий применения этих оболочек. Примеров их использования уже довольно много и каждый год их будет появляться еще больше. Архитектура стержневых оболочечных структур не стоит на месте. Молодые архитекторы предлагают всё больше новых абстрактных стержневых структур. сетчатый стержневой пространственный проектирование

Область применения сетчатых конструкций расширяется благодаря совершенствованию и повсеместному внедрению вычислительной техники, новых систем автоматизированного проектирования (САПР) и программируемых станков (ЧПУ) [13]. Современные технологии позволяют выйти за пределы простейших конфигураций сетчатых оболочек и строить не только геодезические купола, но и другие сетчатые формы, которые придают объектам индивидуальный запоминающийся облик.

Список литературы

1. Кривошапко С.Н. Металлические ребристо-кольцевые и сетчато-стержневые оболочки XIX - первой половины XX-го веков // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, № 6, 2014. С. 4-15.

2. Грефе Р., Перчи О., Шухов Ф.В., Гаппоев М.М., и др. «В.Г.Шухов (1853--1939). Искусство конструкции». Москва: Мир, 1994.

3. Хейфец A.K. 3D модели и алгоритмы компьютерной параметризации при решении задач конструктивной геометрии (на некоторых исторических примерах) // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», Vol. 16, No. 2, 2016. pp. 24-42.

4. Yas Marina and Hotel, Abu Dhabi, United Arab Emirates // [Электронный ресурс] [2010]. URL:https://www.asymptote.net/yas-slide-show/ (дата обращения: 18.05.2019).

5. Кривошапко С.Н. Вантовые структуры // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, No. 1, 2016. pp. 9-22.

6. Total design for the Canton Tower - Arup // [Электронный ресурс] [2010]. URL: https://www.arup.com/projects/guangzhou-tv-tower/ (дата обращения: 18.05.2019).

7. Новая бизнес-школа Чикаго [Электронный ресурс] [12 октября 2004]. URL: https://archi.ru/world/12881/novaya-biznes-shkola-chikago/(дата обращения: 18.05.2019).

8. Станция метро «Эльбрюкен» в Гамбурге. Проект gmp Architects [Электронный ресурс] [14 мая 2013]. URL: http://archplatforma.ru/?act=1&nwid=2427

9. Suzhou Center [Электронный ресурс][2017]. URL: https://www.benoy.com/projects/suzhou-center// (дата обращения: 18.05.2019).

10. Кривошапко С.Н., Пятикрестовский К.П. Из истории строительства деревянных оболочек и их возможности в настоящем и будущем // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, № 1, 2014. С. 3-18.

11. This British mosque is structured with a flowering wooden lattice // [Электронный ресурс] [17 сентября 2018]. URL: https://archpaper.com/2018/09/cambridge-mosque- britain/#gallery-0-slide-0/ (дата обращения: 18.05.2019).

12. The Macallan: Spirit of Innovation // [Электронный ресурс] [17 октября 2018]. URL: https://www.urbanrealm.com/features/629/The_Macallan%3A_Spirit_of_Innovation.ht ml/ (дата обращения: 18.05.2019).

13. Парфёнов Е., Коновалов Е. «Сетчатые оболочки - конструкции XXI века» // Инженерная защита, No. 9, июль - август 2015.

Размещено на Allbest.ru