Несущие субструктуры светопрозрачных фасадов

На самом деле, когда многократно уменьшается процент глухих ограждений и капитальных стен, в таком сооружении как объект зрительного восприятия начинают работать в полной мере несущие ажурные конструкции, которые задумываются архитекторами и конструкторами по законам строительной механики и сопротивления материалов. И в то же время, это чистая эстетика инженерии.
Такая инженерия реализует законы природы. Архитектор с развитой ассоциативной памятью или целенаправленно изучающий природные явления может использовать бионические принципы. Реализовать те законы, по которым существуют, «законструированы», биологические организмы — растения, животные — или, например, возникают продукты их жизнедеятельности — соты, паутина, гнезда...
Эстетическая потребность людей нынешнего поколения в невесомости стен и инженерная работа над реализацией задач их прочности и стала базой для комплексного направления в архитектуре и конструкторском искусстве, которое получило наименование «структурное остекление» (Structural glazing). Этому способствовало развитие науки об инженерных расчетах металлических конструкций, которые позволили выполнять несущие основы стен все более ажурными, использующими силы растяжения тонких профилей и тросов, образующих несущую систему светопрозрачного здания.
Главный тектонический элемент здания из стекла — несущая основа здания в целом, которая одновременно поддерживает стекла или стеклопакеты светопрозрачного ограждения, так называемая субструктура
В конкретном сооружении или в конкретной фасадной системе в эстетическом плане субструтура, узлы соединения и солнцезащитные устройства образуют единый эстетико-стилевой алфавит ее архитектурного языка.

• Share

• Share

• Share

• Share

• Share

В настоящем докладе рассматриваются разновидности несущих конструкций для больших витражей и стеклянных крыш — так называемых субструктур. Этот термин (Substructure) является устоявшимся в западной практике реализации проектов структурного остекления и переведен нами буквально, хотя можно было бы использовать перевод термина — «подконструкция».
Можно обнаружить в результате расчетов, что с увеличением остекленной поверхности, к которой не подходят несущие элементы здания, простая решетка из алюминия или стали уже не справляется с ветровыми нагрузками. Поэтому по вертикали или горизонтали возникают столбы или тяги усиления в виде прямоугольных или круглых труб или двутавров. Индивидуально изготавливаемые большие двутавры могут иметь ажурную среднюю полку. Так, стандартные усилители витражей в виде ферм, либо шпренгельных балок уже предлагаются фирмами-производителями витражных профилей.
Для увеличения жесткости субструктуры из столбов или горизонтальных балок в плоскости фасада также используются растяжки — диагональные и крестообразные, узлы соединений которых с несущими элементами эстетически обыгрываются (цилиндрическая резьба устройств натяжения, лекальной формы петли-косынки, узлы соединения сферической формы).
При большем пролете целесо­образно заменить сплошные элементы фермами, которые могут быть стержневыми и тросо-стержневыми. Внешний контур фермы может работать исключительно в состоянии растяжения и, в этом случае, интерпретироваться в конструкции вантом.

• Share

Если формируется конструкция купола, ферма может быть пространственной, то есть состоящей из спаренных плоских ферм и иметь криволинейный контур. Эффектно, когда ритм поперечных стержней совпадает с модулировкой разрезки стеклопакетов.
Фермы, соединяющиеся в двух или нескольких перекрестных направлениях, образуют пространственную решетку и позволяют перекрывать большие поверхности остекления.
Архитектор может реализовать весьма эффектный прием, похожий на лучи солнца, поддерживающие тонкостенную стеклянную цилиндрической формы оболочку, длинными стержнями, сходящимися в одну точку. Для полукруглых стеклянных оболочек — удачны радиальные пространственные системы, использующие принцип велосипедного колеса.
Иногда применяются сплошные сетчатые пространственные структуры на 3-угольном или 6-угольном модуле по типу знаменитых куполов Фуллера. Необычайная жесткость таких систем, объяснение которой нужно искать в конструктивных расчетах и испытаниях натурных моделей подобных конструкций, позволяет минимизировать диаметр стержней и сделать их визуально невесомыми. Иногда сетка пространственных элементов благодаря найденной кривизне купола сохраняется в пределах поверхности оболочки. Но при больших пролетах применяется, как правило, стабилизирующий контур стержней, либо система модульных элементов сетчатого купола становится трехмерной, входит в интерьерное пространство.
Особое направление — древовидные вертикальные субструктуры — столбы с горизонтальными консолями, поддерживающими точечные крепления больших стекол. Иногда подобные системы поддерживают целые группы «пауков» точечного креп­ления и внешне начинают походить не только на деревья, но и на мачты парусных кораблей.
Другой поход — бионические формы, выполняемые в стали, армоцементе, а иногда и на основе нового материала армостекла, которое, например, широко применяет в своих работах архитектор Сантьяго Калатрава, ассоциативно напоминают скелеты диковинных животных. Подобные образные ассоциации происходят в силу конструктивной пластичности элементов несущих конструкций, такой же, как в скелетах животных и рыб. Они могут поддерживать иерархичность организации несущих конструкций, подобно ветвям деревьев. Светопрозрачные заполнения в таких сооружениях почти невидны и позволяют бионическому скелету доминировать в образном восприятии сооружения.
Разновидностей этих и других несущих систем применяется довольно много. Они могут базироваться на интерпретациях конструктивной схемы здания, поисках образных аналогов из живой природы и беспрецедентных фантазиях архитекторов, проверенных конструктивными расчетами. При этом принципиальным в расчете и конструировании несущих субструктур является только один принцип. Перемещение в узле прикрепления стеклопакета или стекла не должно превышать критерий деформации при любом сочетании нагрузок.
Это сочетание нагрузок и воздействий для различных сезонов и погодных условий, с моделированием сейсмики и возможных геологических колебаний и вибраций, учитывается с помощью адекватной расчетной схемы и использования стандартных и специализированных компьютерных программ. В зависимости от величины, ответственности и класса сооружения, а также с учетом способа прикрепления светопрозрачных элементов величина допустимого перемещения в узлах выдерживается в интервале 1:300–1:500 от пролета.

• Share

Таким образом, несмотря на внешнюю иллюзорность и аморфность восприятия оболочек из стекла, в сооружениях со структурным остеклением ярким образным элементом становятся субструктры. Выбор рисунка субструктур зависит от фантазии архитектора и расчетов конструктора. Нередко автор должен выступать в едином лице инженера-дизайнера, владеющего и вопросами эстетики и ощущением работы конструкции. Источником для вдохновения должна служить природа, бионические исследования «живых» конструкций.
При этом субструктуры — это явление из области «хай-тека» — архитектурного стиля, связанного с реализацией высоких технологий. В проектировании и производстве элементов для субструктур (стержней, несущих стеклянных пластин, вантов, их соединений) используются в большой степени достижения машиностроения, чем в традиционной архитектуре. В Европе и Америке формируется сеть иногда и небольших, но креативно организованных производственных предприятий, осуществляющих своеобразный «индпошив» таких конструкций по проектам архитекторов и инженеров. Специализированные производства осуществляют точные лазерные выкройки по компьютерным чертежам, фрезерование и литье. Комплектование одной серии субструктур производится на нескольких специализированных производствах — все как в машиностроении.
В Украине создатели структурного остекления находятся на самом старте данного направления. Впрочем, производственный потенциал при наличии соответствующих архитектурных заказов позволяет быстро освоить и данную целину, о чем свидетельствуют новые постройки некоторых архитекторов.

Сергей Буравченко, главный архитектор института УкрНИИПграждансельстрой, член-корреспондент Украинской Академии Архитектуры, кандидат архитектуры.
По материалам доклада на IV Международном конгрессе «Окна. Двери. Фасадные системы», Киев, январь 2009 г.