Пластика высотных зданий на основе оболочковых систем

     Применить стержневые каркасные конструкции типа колонн, плоскостные в виде стен, внутренние стержни на всю высоту здания с полым сечением, так называемые стволы жесткости или объемно-пространственные наружные конструкции в виде оболочек замкнутого сечения – это зависит от назначения здания, его высоты, состояния грунтов и видов атмосферных влияний. Несущие элементы любой из этих систем способны воспринять все оказываемые на них воздействия. Как это достигается? Каждый раз индивидуальным конструкторским решением. К примеру, чтобы воспринять воздействия по горизонтали и вертикали при использовании стержневой системы, сопряжение колонн с ригелями во всех узлах конструкции должны быть жесткими во всех направлениях.

     Стеновая  система применяется при строительстве  только жилых домов, в которых  конструктивная и планировочная структуры совпадают. Самое высокое здание, построенное по этой системе – 47-этажный жилой дом в Кельне. Стены и перегородки дома выполнены из монолитного железобетона, что делает его чрезвычайно прочным. Каркасная конструктивная система применяет уже более века при строительстве зданий до 60 этажей со стальным каркасом. Здание «Пан-Америка» в Нью-Йорке – энциклопедический пример таких сооружений.

     В Москве при сооружении высоток у  Красных ворот и на Смоленской площади впервые применили железобетонный каркас, который используют по сей день при строительстве зданий до 35 этажей. В ствольной конструктивной системе несущей конструкцией является ствол жесткости – вертикальный полый сквозной стержень на всю высоту здания. Сечение стен монолитного ствола составляет в нижних этажах от 40 см до 100 см, а в верхних – от 20 см до 30 см. Иногда ствольную систему комбинируют с каркасной – располагают каркас по наружному контуру здания. Как правило, в стволе располагают лифтовые шахты и устраивают округлые холлы.             Оболочковая конструктивная система жестче всех рассмотренных, поскольку несущие конструкции расположены по периметру здания. По этой причине ее применяют при строительстве самых высоких сооружений.

     Конструирование высотных зданий имеет свою специфику с точки зрения объемной формы, пропорций, выбора конструктивных систем и элементов зданий.

Оболочковая конструктивная система

     С 1960 х годов в высотное строительство  активно внедряются вновь изобретенные конструктивные системы – ствольная и оболочковая. Их изобретение запатентовано американским инженером Ф. Каном в 1961 г.

     Оболочковая конструктивная система отличается максимальной жесткостью среди рассмотренных  в связи с тем, что несущие  конструкции расположены по внешнему контуру. Поэтому она наиболее часто применяется в проектировании самых высоких зданий – 200 м и выше.

     Основной  оболочковой системе сопутствуют  две комбинированных – оболочково-ствольная («труба в трубе») и оболочково-диафрагмовая («пучок труб»). 
 
        Как в основной-оболочковой, так и в комбинированной – оболочково-ствольной, в центре плана располагают ствол с размещенными в его пространстве лифтовыми шахтами и холлами.

     Различие  между вариантами заключается в  предусмотренном проектом распределении  горизонтальной нагрузки: только на оболочку (при этом ствол работает только на вертикальные нагрузки от перекрытий) либо на оболочку и ствол. В последнем  варианте несколько утяжеляются конструкции перекрытий в связи с их включением в работу на горизонтальные воздействия. Тем не менее большинство высотных зданий оболочкового типа построено на оболочково-ствольной системе, хотя отдельные выдающиеся объекты (например, 110-этажные башни-близнецы WTC в Нью-Йорке и 100-этажное здание Хинкок-билдинг в Чикаго) имели (имеют) основную оболочковую конструктивную систему.

     Индивидуальной  специфической задачей проектирования оболочковых зданий стало решение  конструкции несущей наружной оболочки, совмещающей несущие и ограждающие функции.

     При дальнейшем возрастании высоты здания жесткость рассмотренных конструкций  оболочек может быть недостаточной. С этой целью в нереализованных  до настоящего времени проектах предложено устройство оболочек из перекрестно-стержневых структур с такой же конструкцией горизонтальных аутригеров-ростверков.

     Средством повышения жесткости оболочки может  служить также переход от оболочковой  к оболочково-диафрагмовой конструкции («пучку труб»). 
 
        Конструкцию оболочки выполняют как из стальных элементов, так и из железобетона. Железобетонные оболочки выполняют монолитными или сборными, но чаще всего из конструктивного легкого бетона, совмещая несущие и теплоизолирующие функции стены. В последние годы оболочки в Европе выполняют преимущественно монолитными из тяжелого бетона (перфорированная стена) с последующим утеплением и внешней облицовкой. 
        Для элементов стальных оболочек чаще всего применяют прокатные или сварные элементы закрытого прямоугольного сечения также с последующим утеплением и облицовкой.

     Конструкции высотных зданий непрерывно совершенствуются и становятся все более разнообразными. В последнее десятилетие получают активное внедрение трубобетонные  конструкции железобетонного каркаса. Их высокая несущая способность способствовала пересмотру сложившегося за последние 30 лет подхода к назначению для зданий выше 300 м только оболочковой конструктивной системы. Так, например, при возведении в Куала-Лумпуре в 1998 г. двух башен Петронас-Тауэр высотой по 452 м успешно прошла апробацию каркасно-ствольная система с трубобетонным каркасом. 
        Не менее специфичны и отдельные конструкции и элементы высотных зданий, на решении которых от фундамента до крыши сказываются требования комплексной безопасности.

Оболочки в природе

     Некоторые трудности, связанные с проектированием  и возведением в натуре оболочек (не простые методы расчета и в  особенности сложных криволинейных, типа сводчатых, форм оболочек, необходимость  устройства сложной опалубки в процессе строительства оболочковых конструкций в случае применения монолитного железобетона), в последние годы сократили их внедрение в практику. Однако нет сомнения, что при дальнейшем совершенствовании технологии они снова займут подобающее им место. Пока в архитектурной практике применяют довольно небольшой набор геометрических форм оболочек: цилиндрические, полусферические, коноиды, гиперболические параболоиды, т.е. фигуры, доступные для современных методов расчета. Строительство же их ведется главным образом на базе сборного железобетона. Такое применение оболочек, хотя и позволяет достаточно широко вести типовое 
строительство, но не дает возможности варьировать их форму, т.е. использовать их самое ценное качество, а отсюда ограничивает и поиски архитектурных решений.

       Оболочки живой природы интересны не только в смысле геометрии форм, сочетаемой с принципами распределения в них напряжений от действующих нагрузок. Привлекает также комплексность их свойств. 
Возьмем в качестве примера череп человека, вернее, черепную коробку, как ее называют по-немецки Schadeldach "черепная крыша", или черепное покрытие. Основная функция черепной коробки — защитная как от механических воздействий, так и от статических (компрессивного характера). Форма черепа при этом имеет очень большое значение.

     С морфологической точки зрения, черепная коробка представляет собой сфероид, образованный (если брать средний  возраст человека) из примерно одинаковой по толщине оболочки, плавно изменяющей свою кривизну. Именно благодаря своему равномерному сечению (за исключением оснований черепа, где оболочка становится толще) черепная коробка по принципу своей механической работы сближается с современными искусственными оболочками.

       Строение костей черепа по поверхности изменяется от средней части к надбровным дугам и к затылку, где толщина кости увеличивается и в ней возникают пазухи: в первом случае пазуха, заполненная воздухом, во втором — жидкость. Особо жизненно важные районы мозга тщательно предохраняются, так как такая конструкция хорошо амортизирует силовые воздействия. Но думается, что здесь проявляется и общая закономерность тектоники конструкций вообще, и, в частности, оболочек. Было бы противоестественно, если бы в оболочках их толщина нарастала кверху, к вершине свода. Несомненно, что здесь действует и закон тяготения, требующий устойчивости системы и приближения центра тяжести к ее основанию, а также — необходимость нейтрализации "распора", возникающего в оболочках, у основания конструкции.

     Хотелось  бы обратить также внимание на асимметричность  контура оболочки черепа, что подтверждает многостороннее приспособление конструктивной формы к выполняемым ею функциям. При равномерном сжатии черепной коробки с двух сторон по вертикали в ней возникают ближе к основанию растягивающие напряжения и к темени — сжимающие. При одно 
стороннем динамическом сжатии разрывы появляются в районе действия силы.  
    В противоположность, например, яйцу черепная коробка не представляет собой монолитное поле, а состоит из различных костей. Примечательно их соединение, к которому с вниманием должны отнестись конструкторы. Это соединительно-тканевые швы, напоминающие рисунок орнамента меандра и образованные входящими друг в друга тупыми зубцами соседних костей черепа. Соединительно-тканевые швы не исключают необходимой жесткости черепа, но в то же время придают ему упругость, являющуюся хорошим амортизирующим фактором по отношению к динамическим нагрузкам и вместе с тем позволяет снизить затраты материала на "строительство" тканей по отношению к возможной статической нагрузке.

     Микроструктура оболочки черепа — слоистая. Если проследить ее строение снаружи внутрь, то первым слоем будет кожа, затем сухожилия, костная ткань, имеющая пористое строение, и на границе с мозговым веществом — витринная (полированная) ткань. Между коробкой и витринной тканью располагается пограничный слой, представляющий собой частый ряд перегородок, предназначенных для локализации распространения трещин в случае повреждения черепной коробки в столь важном слое, каким является витринная поверхность.

     Большой интерес представляет такая природная оболочка, как скорлупа птичьего яйца — геометрия его формы, структура скорлупы и т.д. Многие ученые занимались этим, казалось бы, простым объектом, но до сих пор, насколько известно, не было выведено достаточно убедительное уравнение его формы.

     Уравнение этой кривой при различных значениях ft (коэффициент, характеризующий форму  кривой) и постоянной большой оси  дает целое семейство кривых, у  которых отношение малой оси  к большой колеблется в пределах 0,75 — 0,86. В этот диапазон попадает целый ряд меридиальных сечений птичьих яиц. Например, отношение от 0,75 до 0,80 соответствует формам куриных яиц, а от 0,81 до 0,84 — формам перепелиных яиц и т.д.

     Ю.С.Лебедевым  совместно с Г.В.Брандт запроектированы  на основе геометрии птичьих яиц жилые домики для зоны отдыха (ЦНИИЭП курортных зданий и туристских комплексов, Н.И.Александрова).

     В живой природе заслуживают внимание довольно распространенные виды асимметричных  оболочек, форма которых отвечает асимметрично действующим нагрузкам (например, ветровым). Они не только более живописны, чем симметричные, но при правильном учете наиболее вероятных основных направлений нагрузок дают и экономию материала.

     Сетчатые  и ребристые конструктивные системы; структурные решетки. Характерная  черта этих систем — распределение функций между несущими и несомыми (ограждающими) элементами конструкций здания. Наиболее, прочный материал сосредоточивается на линиях главных напряжений, образуя сетки, ребра, решетки.

     Сетки и ребра могут быть расположены  в прямолинейных или криволинейно изогнутых плоскостях и имеют незначительные соотношения поперечного сечения и линейных размеров, образуемых ими поверхностей. У решетчатых систем типа структур это соотношение значительно больше. Решетчатые системы можно представить себе как комбинацию взаимопересекающихся ферм. В живой природе яркий аналог первым системам — "структура" широкого листа растения (березы, клена, вяза) с ярко выраженными прожилками — нерватурой, вторым — внутреннее решетчатое образование в плоских костях животных и птиц (лопаточная кость, кость крыла птицы и т.д.), а также рассмотренная выше решетка витринной поверхности черепной коробки.

     Ребристая система может иметь свою специфику  и представлять собой образование  типа грудной клетки человека, животного или птицы (собственно, ее название и заимствовано отсюда). Но в противоположность им в архитектуре она должна удовлетворять установленным нормам деформаций и превратиться в жесткую конструкцию, закрепленную или поперечными связями (плоскими, стержневыми), или прочными заделками оснований и жестким скреплением концов ребер.

     В то же время решетчатые системы (структуры) могут, условно говоря, беспредельно заполнять пространство, структуризируя его и создавая возможность функционального  использования межрешеточного пространства с архитектурными целями (в этом случае они напоминают в сильно увеличенном виде молекулярные или кристаллические решетки, клеточную структуру растений, пористую структуру морских губок, диатомей и т.д.), 
Характерная черта рассматриваемых систем — это их структурность, как бы отражающая всеобщий принцип структурности живой природы. Особенно это касается объемных решеток, образованных из узлов, связей и полей между ними. Неудивительно поэтому, что в архитектурной терминологии часто происходит смешение понятий "структуры". Э.П.Пиньеро представляет себе структуру как средство материального существования архитектурной формы (т.е. придает этому понятию более широкий смысл, чем конструкции).