Использование стали и стекла для крыш и фасадов со свободной формой и сложной геометрией

Немного истории
Применение поверхностей со свободной формой восходит к инженерной механике, в частности, для создания кузовов транспортных средств. Однако, в последние годы эта технология также проложила путь в современную архитектуру. Внедрение свободных форм состоялось в ту область строительства, которая представляет определенный вызов инженерам для реализации как при изготовлении элементов строения, так и при их монтаже.
Множество усилий было приложено к исследованию, что же может служить геометрическим базисом для поверхности со свободной формой. Ясно, что решение такой нетривиальной задачи было выполнено благодаря хорошим знаниям различных соотношений и совместимости между примитивами (простейшими первичными элементами), задействованными в строительной конструкции, причем на уровне может быть даже более высоком, чем структурный анализ. Однако, для стороннего наблюдателя это может выглядеть как простая геометрическая задача совместимости многослойных и многоугольных объектов, которая часто решается методом простой подгонки по месту или другими хитростями. Проиллюстрировать ошибочность такого мнения может попытка создания оболочки объекта со свободной формой из стальных и стеклянных элементов в виде сети с четырехсторонними ячейками.

Настоящее — мечты становятся реальностью
В процессе внедрения поверхностей со свободной формой сложность заключалась не столько в самом рациональном 3D-моделировании, а больше в понимании взаимодействия двух главных материалов — стали и стекла, которые совместно формируют поверхность конструкции. Именно это наиболее критично при создании конструкции. Никогда нельзя упускать из виду, что допуски на изготовление и зазоры для монтажа по-разному влияют на свойства материалов и их поведение. Каждая стадия по изменению геометрии формы и отдельных элементов в процессе монтажа требует тщательного предварительного анализа и расчета для определения безопасных напряжений в стали и, особенно, в стекле.

Примеры реализации
Здесь представлены, так сказать, вехи в эволюции строительства зданий со свободной формой, сопровождающиеся изменениями в средствах расчета и моделирования и накоплением навыков проектировщиков. Целью было минимизировать визуальный барьер между наружным и внутренним пространством, то есть — добиться как можного меньшего числа конструктивных фрагментов, сохраняя при этом реализуемость, надежность и задуманную архитектурную выразительность для всей конструкции.

  

  Британский музей, Лондон
Контракт на строительство крыши Высшего Суда в Британском музее, Лондон, был получен более десяти лет назад. Крыша общей площадью 6000 м² вокруг Старого читального зала слегка смещена от центра помещения Высшего Суда.

Британский музей. Крыша вокруг Старого читального зала

Инженерами-конструкторами при разработке геометрии поверхности был использован специальный процесс поиска стыковки элементов. Критериальным фактором для общего расчета стала максимизация размеров стеклянной панели и стальных поддержек (по числу элементов и размеру). Подрядчик в итоге получил в работу 4878 сваренных пустотелых остроугольных элементов и 1566 узлов крепления, все из них уникальны и по размеру, и по месту расположения над Старым читальным залом. Также было использовано 3312 элемента остекления различных размеров и формы.
Одной из сложностей было разработать узел крепления так, чтобы он соединил различные элементы и перераспределил силы и изгибающие моменты. Результатом разработки стал патентованный узел крепления, похожий на звездочку, каждый из которых вырезался из толстой стальной плиты, а его шесть лучей были разнонаправлены, но перпендикулярны поверхности плиты-заготовки.

Британский музей, интерьер

Стеклянные панели из стекла с высокоэффективным защитным покрытием были установлены непосредственно на стальные элементы заподлицо снаружи благодаря кромке ступенчатой формы на стекле. Стекло закреплено на конструкции уплотнением впотай. Множество форм и размеров были просчитаны автоматически и передавались непосредственно на оборудование, которое изготовляло элементы конструкции без ручного вмешательства.
Последовательное и непрерывное развитие и улучшение существующего инструментария для проектировщиков позволяет добиться реализации сложного индивидуального проекта без существенных различий со стоимостью решения, реализованного стандартными элементами. Этот проект стал отправной точкой для расширенного применения объектов со свободной геометрией.

Share Геометрия системы

Share Конструкция узла

  

  Zlote Tarasy, Варшава
Проект этого атриума в городском центре вывел развитие концепции свободной формы на новый уровень. Волнистая крыша перекрывает 10200 м² торговых площадей в виде куполов с выгнутыми и вогнутыми участками. Всего несколько колонн с зонтичными оголовками поддерживают крышу изнутри, предохраняя крышу от спонтанного обрушения сразу всей застекленной поверхности. Спереди здания крыша расширяется вплоть до выходов, спускаясь к земле, формируя главный вход своими складками, выходя на передний план всего решения и становясь «соединителем» интерьера и экстерьера публичного пространства, который стал адекватным выразительным элементом для нового центра городской активности.

Share

Share

При рассмотрении поведения конструктивных элементов были предварительно тщательно изучены и рассчитаны все возможные подвижки и смещения. Опорный соединительный узел элементов остекления сначала смещал наружную кромку стальной поддержки начиная с центра, а затем — к нижней кромке. Когда анализируешь этот узел крепления, можно заметить, что у него нет пересечения линий в простой вершине, то есть, необходимо другое инженерное решение. Литая клемма из нержавеющая стали по спецзаказу крепит треугольное стекло к стальным профилям. Это позволяет обойтись малым числом узлов крепления и скомпенсировать геометрические отклонения формы поверхностей и деталей.

Share Zlote Tarasy, центральный вход

Share Геометрия системы

  

  Festival City, Дубай По сравнению с проектом в Варшаве, этот пример выглядит проектом с геометрией попроще. Поверхность — тороидальный сегмент 12000 м², особая форма образована проекцией меньшего (внутреннего) круга на больший, т.е. креплением плоских четырехсторонних фасадных элементов кругами выпукло и наружу. Четырехугольные панели стекла с напылением представляются более экономически выгодными по сравнению с треугольным решением. Архитектурный замысел состоял в диагональном чередовании сетки из света и тени, однако в итоге эта сетка визуально оказалась смесью треугольников и четырехугольников по диагонали поверхности тора.

Share	Share Festival City. Монтаж
	Share Геометрия системы

  

  Белый город, Лондон
Проект White City — большого центра отдыха и развлечений в Западном Лондоне — не только потребовал разработки сложной геометрии поверхности, но и адаптации функциональных аспектов, таких как дымоудаление. Дым накапливался в сводах больших пролетов. Центральной частью проекта стал так называемый Wintergarden (зимний сад), где крыша свободной формы с диагональными элементами перекрывает около 7650 м² кондиционированной площади.
Структура крыши образована стальными стержнями и узловыми элементами со встроенными стеклопакетами и матовыми накладками для крепления. Конструктивная поддержка осуществлялась рядом колонн с зонтичными оголовками. Пакет контракта на заказ включал дизайн, конструирование, инжиниринг и строительство, т.е. финализацию создания геометрической поверхности свободной формы. Задающими параметрами для конструирования стала разница пространственных углов стержней, сходящихся в верхушках свода. Хорошо подобранная подложка ячеек, образующих поверхность со свободной формой, минимизирует разницу между углами и упрощает решение. Были проанализированы разные схемы ячеистой структуры, включая смесь треугольных и квадратных панелей или схему из разносторонних четырехугольников.
Тесная кооперация дизайнеров и строителей еще на ранней стадии проработки дизайнерских и строительных решений в огромной степени повлияло на реализуемость и успешность проекта. Таким образом, столь сложные проекты можно решать только в связке процессов Дизайн/Строительство и Инжиниринг/Строительство, когда в группу дизайнеров стразу включены строители, а по мере реализации проекта выполняются несколько итераций, каждая из которых требует присутствия разработчиков, чтобы художественная концепция имела эстетически, конструктивно и экономически желаемый результат для всех участников.

White City. Геометрия системы

White City. Зимний сад

Обзор на будущее
Ведущие позиции в индустрии не только опираются на прошлый опыт, а на постоянно развивающиеся решения по дизайну и инжинирингу процессов для создания структур со свободной формой. Предыдущий опыт лишь позволяет сравнить степень затрат и степень оптимизации конструкции и использования ресурсов.
Процессы автоматического производства по индивидуальным размерам означают наличие постоянного диалога между изготовителем и заказчиком. Экспертиза монтажа поверхности со свободной формой помогает улучшить понимание как она будет себя вести, и сделать поправки в конструкцию и технологию еще на ранней стадии проектирования.
Исследования и разработки специализированных программ по пространственному моделированию приводят к мысли о создании сетевых распределенных вычислительных мощностей «3-D net» по проектированию конструкций с поверхностью со свободной формой, охватывающих и академические институты. Творческий альянс с другими учеными в области естественных наук тоже очень важен. Такая кооперация расширяет научный поиск и приложения. Геометрия формы, которая была недостижима ранее, ныне возможна, что дает дизайнерам широкий ряд новых возможностей для реализации идей и развития промышленности.
Концепция крыш и фасадов со свободной формой — весомый вклад в развитие концепции урбанистической среды обитания, которая сейчас находится в процессе трансформации. И, конечно, это создает базу для новых воплощений проектов со свободной формой поверхности.

---