КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

Архитектурная форма включает в себя три главные составляющие: функционирование пространства, конструкций и строительных материалов.

Все материальные средства живой природы направлены на достижение одной цели — функционирования. В результате функционирования пространства происходит структурирование и осмысление свойства формы.

Определенная функция осуществляется только в определенной форме, что приводит к возникновению законов формообразования. Каждая форма обладает определенными действиями (плоским формам свойственно скольжение, форма птицы ассоциируется с полетом, шар катится). Форма, по принципу Роу (биолог конца XIX в.), хороша, если она действует. По словам Гёте означали, что если форма соответствует образу действия живых организмов, то она со всей силой действует на этот образ жизни [1]. Значит формы в живой природе возникают не случайно, они закономерны и поддаются анализу и изучению.

Тектоника — одно из важных свойств, которое определяет степень отражения на поверхности формы её конструктивной основы, проявляющая себя через соотношение отдельных частей формы (пропорции) или членение на составляющие элементы. Поэтому действие принципа (или свойства) тектоники рассматривается и как процесс тектонизации форм.

Архитектор А.К. Буров говорил, что архитекторы — старейшие тектонисты. Тектоника есть пластически опосредованная — с целью определенного эмоционального воздействия на человека — конструкция.

Понятие тектоника архитектурных форм — искусство, композиционная идея архитектурного объекта, которой должны подчиниться все средства гармонизации. Еще одним составляющим архитектурной формы является строительный материал. Строительный материал — это химические вещества, из которых он состоит. Для строителей материал — это однородная субстанция с одинаковыми механическими свойствами, масса, не имеющая структуры, но обладающая определенными физическими свойствами.

Рассмотрим конструктивные составляющие архитектурных форм.

Сетчатые и ребристые конструктивные системы: Структурные решетки.

Главная черта систем — распределение функций между несущими и несомыми (ограждающими) элементами конструкций зданий и сооружений. Сетки и ребра располагаются в криволинейно-изогнутых или прямолинейных плоскостях и имеют соотношение поперечного сечения и линейных размеров образуемых ими поверхностей. Решетчатые системы представляет собой комбинацию взаимно пересекающихся ферм [1]. В живой природе можно наблюдать аналоги решетчатой системы — листья растений — «пластинка» с четко выраженными прожилками — нерватурой, также внутренние решетчатые образования в плоских костях животных и птиц (лопаточная кость, кость крыла птицы и т. д.). Ребристая система представляет собой образование подобие грудной клетки человека, животного или птицы.

Характерной чертой систем является структурность пространственных решеток. В конструкциях зданий Пьера Луиджи Нерви можно проследить явное сходство с живой природой, животного, птицей. Он использовал природные принципы усиления материала тканей по линиям главных напряжений, наблюдающиеся в семенных коробках растений и листьях, морских раковинах и т. д. Взяв за основу нерватуру листа водяного экзотического цветка Виктории Регии он конструирует плоское ребристое покрытие фабрики Гатти в Риме. Прекрасный вид потолкам придают ребра, которые создают своеобразный орнамент. В проекте Большого зала Туринской выставки (1948—1950 гг.) — П.Л. Нерви также применил принципы формообразования живой природы. За основу Нерви принял туже нерватуру листа Виктории Регии.

Рисунок 1. Структура листа водяного. Рисунок 2. Покрытие фабрики Гатти цветка — Виктории Регии в Риме

Рисунок 3. Покрытие главного зала. Рисунок 4. Ангар в Орбетелло Туринской выставки(1948—1950 гг.) (1938 г.) Инж. П.Л. Нерви

Стержне-вантовые, вантовые, мембранные и тентовые конструкции.

В стержне — вантовых конструкция функции их элементов делятся по видам напряжений: стержни работают только на сжатие, ванты — на растяжение. Конструкторы заменили растянутые элементы стержневых систем тонкими стальными нитями — вантами, которые превышают запас прочности и тем самым делают конструкцию облегченной [3]. Принцип их работы подобен с костно-мускульной системой человека, животного, птицы. Без напряжения мышцы рук человека находятся в расслабленном состоянии. Если же человек берет в руки какой-либо груз, мышцы-ванты моментально натягиваются, напрягаются и фиксируются в определенном положении стержней — скелетов. В результате система (скелет-мышцы) становиться «жёсткой».

Стержне-вантовые системы легче стержневых более чем в два раза, которые имеют хорошее соотношение между механической способностью и собственным весом. В стержне-вантовых системах и есть недостаток — их трудно соединять с жесткими ограждающими элементами покрытия. Они очень удобны при перевозки — в сложенном состоянии.

Другой вид — вантовые системы — напоминает природные паутины. Системы воспринимают только растягивающие усилия, требуют опор — устоев для своего натяжения. Они представляют собой натянутые различным способом стальные нити, которые или бетонируются, или по которым укладывается изоляционный материал.

Рисунок 5. Олимпийский стадион в Монреале. Арх. Роже Тайлинбером (1976 г.)

Несущие конструкции — ванты, которые имеют маленькую массу. К растягивающимся относятся так же мембранные и тентовые (палаточные) конструкции.

Рисунок 6. Тентовые конструкции. Олимпийский стадион в Мюнхене. Арх Г. Бениш и д. р. (1972 г.)

В живой природе — по принципу механической работы конструкции имеют большое сходство с кожными покровами, перепонками водоплавающих птиц, плавниками рыб, мышцами и сухожилиями животных, крыльями стрекоз, крыльями летучей мыши и т. д.

Системы регулярной структуры.

Этот раздел конструкций начал формироваться в конце 50-х — начале 60-х годов текущего столетия, однако идея построения пространственно жестких конструкций кристаллического строения была известна давно, еще в 30-е годы. В те годы Г. Белл применил конструкции для каркасов летательных аппаратов. Французский ученый Р. Ле Риколе установил сходство регулярных структур с прочными образованиями органической природы. Он впервые исследовал ортогональные структуры, которые состоят из тетраэдров и октаэдров, и воплощены в конструкции покрытия из дерева. Потом появляются стержневые системы И. Фридмана (Франция), Р.Б. Фуллера, С. Дю Шато, К. Ваксмана (США) [2]. Их называют «структурными конструкциями» “structure” на многих языках означает не только структуру, но и конструкцию. Структурные плиты образуются путем пересечения плоских ферм в двух, трех и более направлениях с разбиением плиты на квадратные, треугольные и шестиугольные ячейки (рис. 7). Верхние и нижние пояса плоских ферм располагаются в одних вертикальных плоскостях. Если нижние пояса ферм, в схеме (рис. 7, а) смещаются на полшага относительно нижних поясов и размещаются раскосы в наклонных плоскостях, то получается структура, показанная на (рис. 8). Также будут строиться системы других конфигураций (рис. 9). В таких системах выделяют многократно повторяющийся пространственный элемент «кристалл», в виде пирамиды, параллелепипеда и т. д. (рис. 10).

Рисунок 7. Схемы перекрытий их вертикальных перекрестных форм: а), б) — при расположении ферм в двух направлениях, в), г) — тоже, в трех направлениях

Одним из видов кристаллических структур — «стержнелистовой» вариант, который включает обшивки в работу всей системы. Листовая часть имеет складчатую поверхность, которая образует пирамиды или тетраэдры, и является несущей конструкцией и ограждением.

Рисунок 8. Структурная плита: 1. — верхние пояса, 2. — нижние пояса, 3. — наклонные раскосы

Рисунок 9. Схемы конструкций регулярной структуры

Рисунок 10. Кристаллы структур

Архитекторов привлекают такие системы своим своеобразием и многообразием рисунков кристаллической структуры (рис. 9). Возможностью варьирования формы поверхностей в плане и в разрезах зданий. Эти конструкции благодаря связям и пространственной работе более жесткие, чем плоские, что позволяет проектировать покрытия с несущими структурными плитами в два раза меньше высоты, чем традиционные (1/15...1/25 от пролета). Благодаря регулярности структур, повторяемости размеров существенно снижает удельные трудозатраты на изготовление.

Список литературы:
1.    Гореев В.В. Металлические конструкции / Под ред. В.В. Горелова — М.: «Высшая школа», 2004. — 492 с.
2.    Ведеников Г.С. Металлические конструкции. Общий курс. / Под ред. Г.С. Веденикова. — М.: Стройиздат, 1998. — 760 с.
3.    Лебедев Ю.С., Рабинович Ю.И., Попожай Е.Д. Архитектурная бионика / Под ред. Ю.С. Лебедева. — М.: Стройиздат, 1990. — 269 с.