Формообразование бионических конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формообразование бионических конструкций

Д.Г. Ермаков, Е.Б. Рябкова

ТОГУ, Хабаровск

Абстракт

Статья посвящена вопросу становления экологического баланса с природой при помощи бионической архитектуры. Этот баланс достигается посредствам бионического формообразования и инженерных решений. На протяжении не одного тысячелетия природные формы служили объектом для подражания архитекторов, интуитивно заимствующих их в своих сооружениях. Подражание принципам природы помогало не только добиться эстетической привлекательности сооружения, но и в определенной степени обеспечить ему высокую степень прочности, устойчивости и надежности. В природе существует множество прочных и красивых пространственных экосистем, таких как, раковины моллюсков, стебли пшеницы, панцири насекомых, скорлупа птичьего яйца и многие другие. "Формы природы" на столько разнообразны по своим свойствам и эстетическим качествам, что могут быть применены при разных подходах в проектировании, неся конструктивный, функционально-пространственный или же декоративный характер.

Ключевые слова: формообразование, бионическая архитектура, бионические конструкции, оболочка, спираль, конус.

D.G. Ermakov, E.B. Ryabkova

Formation of bionic structures

Abstract

The article is devoted to the issue of the formation of ecological balance with nature with the help of bionic architecture. This balance is achieved through bionic shaping and engineered solutions. For more than one millennium, natural forms served as an object to follow for architects who intuitively borrow them in their structures. The imitation of the principles of nature helped not only to achieve the aesthetic appeal of the structure, but also to a certain extent to provide it with a high degree of strength, stability and reliability. In nature, there are many durable and beautiful spatial ecosystems, such as mollusk shells, wheat stalks, insect shells, bird egg shells and many others. The “forms of nature” are so varied in their properties and aesthetic qualities that they can be applied to different approaches in design, bearing a con - structive, functional-spatial or decorative character.

Keywords: shaping, bionic architecture, bionic structures, shell, spiral, cone.

Введение

Наука занимающаяся применением в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, называется бионика. Термин "бионика" впервые появился в 1960 г. и происходит от греческого слова (bion), означающего "элемент жизни".

Архитектурная бионика исследует законы формообразования и функционирования объектов живой природы по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности с целью применения их для совершенствования архитектурных решений, формирования комплексных архитектурных и градостроительных систем. Также она призвана помогать человечеству справляться с проблемой разобщенности с природой. Применение принципов живой природы помогает создавать объекты архитектуры, гармонирующие с природой и отвечающие эстетическим требованиям общества [1].

Стиль или направление в архитектуре, которое обращается к природным формам является био-тек (bio-tech). В 1939 году первый шаг на пути становления концепции био-тека сделал британский архитектор Фрэнк Ллойд Райт. Архитектурное сооружение, по его словам, должно быть похоже на живой организм, который растет в соответствии с законами природы, и в гармонии с окружающей средой. Такой симбиоз искусства, науки и религии он назвал органической архитектурой.

Классификация бионических конструкций

Отталкиваясь от основ формообразования различных органических веществ, можно перейти к классификации конструкции бионической архитектуры.

Конусообразные конструкции

Функция и форма взаимно обусловлены в экосистемах. Влияние многих внешних факторов и интенсивность роста связано с образованием механических тканей живых организмов. Являющихся, своего рода, строительным материалом для конструктивной формы, и распределенным по линиям максимального напряжения. Конус (рис. 1) является одной из опорных форм в природе. Он присутствует в конструктивном построении стволов деревьев, стеблей растений и пр. Конусообразные формы в природе встречаются двух типов. Первый тип - это конус основанием вниз, олицетворяющий начало устойчивости (рис. 2). Это оптимальная форма для восприятия ветровых нагрузок и действия сил тяжести. Второй тип - это конус основанием вверх, олицетворяющий начало развития (рис. 2) [3].

Рис. 1. Конус

Рис. 2. Конус начала устойчивости и конус начала развития

Спиральные Конструкции

формообразование бионический экосистема

Одна из форм проявления движения, роста и развития жизни - это спираль (рис. 3). По закону спирали развивается молекула ДНК человека и наша Галактика. В природе спираль является и сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Конструкции в виде спирали достигают дополнительной жесткости и устойчивости в пространстве. Так, например, дополнительную жесткость, завиваясь в спираль, приобретают тонкие и длинные стебли огурцов или тыквы. Закрученные в одной или разных плоскостях (турбоспирали) раковины моллюсков - также достигают наибольшей прочности при экономном расходовании материала (рис. 4). Благодаря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают большое гидростатическое давление при погружении на глубину. Закрученная форма - турбосома, обладает большой устойчивостью в пространстве, она аэродинамична, потоки ветра обтекают ее, не раскачивая и не принося ей никакого вреда [3].

Конструкции с предварительным натяжением

Яркий пример подобных конструкций в природе - это строение стеблей злаков. Они способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Под воздействием ветра они раскачиваются, прогибаясь к земле, но с такой же легкостью быстро восстанавливаются в первоначальное вертикальное положение, обеспечивая тем самым флексибельность конструкций. Внутри, конструкция стебля полая, имеющая длинные продольные волокна - склеренхимы, которые собственно и выполняют роль натянутых тросов, а междоузлия - колец жесткости (рис. 5).

Идентичность строения можно рассмотреть в конструктивной особенности Останкинской телевизионной башни. С массой в 55 тыс. т., ее общая высота 540 м 74 см. Внутри конструкция полая, в которой смонтировано семь лифтов. У стенок внутри башни под натяжением протянуты 150 стальных канатов. При сильном ветре башня может раскачиваться до 10 м, сохраняя при этом свою прочность. Она может выдерживать ветер в 15 баллов и землетрясение в 8 баллов [3].

Сетчатые конструкции

Ребристые, сетчатые и перекрестные конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений, имеют широкое распространение в природе. В процессе эволюции природа смогла создать механически эффективные ячеистые материалы, например, соты (рис. 5), древесина, различные пенообразные материалы.

Благодаря разветвляющейся сетке жилок, тонкий лист растения или прозрачное крыло насекомого (рис. 6) обладают достаточной механической прочностью. Каркас выполняет основную, несущую роль, тогда как другие элементы конструкции, например, мембрана листа или крыла, могут достигать минимального сечения. При минимальной затрате материала эта конструкция обладает высокой степенью прочности. Принцип распределения материала с расчетом на самые случайные и разнонаправленные действия нагрузок соблюдает и структура головки тазобедренной кости. Она работает только на сжатие и растяжение, и никогда не работает на излом. Уникальные свойства ячеистых материалов могут быть использованы в инженерном проектировании. Такие структуры сочетают в себе превосходные прочностные характеристики и невысокий вес. Подобная система может быть использована в конструировании, ферм, перекрытий (рис. 7) [3].

Рис. 6. Соты и крыло пчелы

Рис. 7. Ячеистое перекрытие

Оболочка

Конструкция сводов различных пространственных форм также часто встречаются в природе. Например, скорлупа ореха или яйца (рис. 8), панцири и раковины животных, листья и лепестки растений и др. Благодаря непрерывности и плавности формы, такая конструкция обладает свойством равномерного распределения сил по всему сечению, за счет этого становясь прочнее. Именно из- за изогнутой формы, лепесток цветка выдерживает удары капель дождя и садящихся на него насекомых, а тонкие сводные панцири крабов и раковины моллюсков - давление воды в глубине своего обитания.

Рис. 8. Скорлупа яйца

Рис. 9. Геодезическая оболочка

Заключение

С ростом населения и развитием городов перед архитекторами встаёт задача проектирования больших по размеру зданий без тяжелых покрытий и промежуточных опор. Поэтому легкие и прочные, тонкостенные и экономичные природные сводчатые конструкции с давних пор собирают на себе пристальное внимание инженеров и архитекторов, для подробного изучения их свойств и особенностей. Принцип конструкции этих оболочек (рис. 9) лег в основу создания легких, большепролетных стальных и железобетонных покрытий различной кривизны, которые нашли широкое применение при строительстве спортивных комплексов, кинотеатров, выставочных павильонов, оранжерей, в планетариях, в аудиториях, складах, ангарах и т. д. [3]. Применение в строительстве принципов природных структур, конструкций и материалов, принципов развития и эволюции, устойчивости структуры, конструктивной жесткости и природной гибкость, самовосстановление, реакция на изменение внешних воздействий, саморазвитие и разложение после завершения срока жизни, позволит создать живую саморастущую и функционирующую архитектуру.

Библиографические ссылки

1. Архитектурная бионика. / под ред. Ю.С. Лебедева. - М.: Стройиздат, 1990.

2. Вопросы бионики. / отв. ред. М.Г. Гаазе-Рапопорт. - М., 1967.

3. Лаврентьева К. Бионика в архитектуре: Самара,2015. - 18 с. [Электронный ресурс]. Код доступа: https://revolution.anbest.ru/construction/00675028_0.html/.

4. Научная электронная библиотека открытого доступа. [Электронный ресурс]. Код доступа: https://cyberleninka.ru/.

5. Свободная библиотека. [Электронный ресурс]. Код доступа: https:// ru.wikipedia.org/.

Размещено на Allbest.ru