Стоечно-балочная система

Рис. 11.1.6. Преобразование стеновой тектонической систе­мы в стоечно-балочную

Проделаем мысленно эксперимент: пластины двух параллельных стен, по верху которых уложены поперечные балки перекрытия, заменим крайними стойками, на них установим балки, заменяющие гребень стен, и вернем на место поперечные бал­ки [рис. 11.1.6). Получим каркас, обладающий, при равных пространственных параметрах и принци­пах передачи нагрузки со стеновой системой, следующими преимуществами: собственно опо-

52

ры занимают меньше места и не препятствуют пе­ремещению между ними; конструкция имеет мень­ший вес; больше независимости в установке ог­раждения и проемов. Но появляются и недостатки: теряется устойчивость, обязанная массивности стен, усложняется агрегатирование конструкции, особенно в узлах соединения балок и опоры, тре­буется, хотя и эмпирическое на первых порах, ус­тановление соотношения сечения и количества опорных стоек, толщины и формы сечения основ­ных балок. Устойчивость возвращается с установ­лением дополнительных связей; технический уро­вень сочленения конструкций неизбежно будет по­вышаться — это плата цивилизации за избавление от балластных элементов, а освоение принципов соразмерности приходит с опытом восстановле­ния обрушившихся конструкций.

и и ii и и S3

Рис. 11.1.7. Трансформация конструкции балочного пере­крытия в ферму

Сложившаяся стоечно-балочная система как дополнительный способ организации простран­ства существовала и сосуществует со стеновой системой. Их размежевание помогло лучше осоз­нать и развить полезные конструктивные качества, чтобы целесообразно соединять их в нужном со­отношении. Так, устойчивость стены и маневрен­ность каркаса стали основой надежных и удобных конструктивных систем т.н. неполного каркаса. Необходимость увеличения безопорного пролета перекрытия заставила внимательно изучить харак­тер распределения усилий в горизонтальной бал­ке. Оказалось, что в круглом бревне работает только центральная зона вертикальной пластины, верхняя часть сжата, нижняя растянута, боковой материал предохраняет центр от искривлений (рис. 11.1.7), поэтому для облегчения конструкции с сохранением ее прочности на прогиб и боковой изгиб достаточно иметь тавровый профиль. Опыт­ным путем, подтвержденным расчетами, устано­вили, что высота балки должна находиться в пре­делах 1/15—1/20 от ее длины.

При увеличении пролета сохранять цельной вертикальную диафрагму, которая становилась все шире, не имело смысла. Тогда части балки, ра­ботающие под нагрузкой, разделили на два по­яса — верхний и нижний, — заменив соединитель­ную диафрагму решеткой стоек и подкосов, в ре­зультате чего получилась ферма. Обратите внимание на разницу расстояний между элемен­тами решетки в обоих поясах. Большая частота опорных узлов — в верхней части фермы, на них будут опираться плоские плиты перекрытия. Нор­мальные соотношения размеров плоской фермы Н = L/10. Такова динамика технического развития стоечно-балочной системы, которая привела к ин­дустриальным решениям большепролетных пере­крытий обитаемых пространств.

Заметный след в художественном воображе­нии человека оставила обработка деталей агрега­та деревянных каркасов, воплотившаяся в текто­ническую логику ордерной системы. Ордером была конструктивно закреплена и художественно осмыслена система строительной организации среды в условиях гравитационного тяготения.

Исторически сложилось так, что социальный заказ на художественную интерпретацию дере­вянного ордера в вечном материале, доведение его до высот гармонизации частей и целого с уче­том всех факторов визуального воздействия при­шелся на долю древних греков.

Обаяние античного совершенства архитектур­ных достижений в силу их безупречной логики и эстетической завершенности в отражении полно­го спектра человеческих чувств и уровней вырази­тельности надолго, если не навсегда, сделало ор­дер главным языком художественного общения поколений и инвариантом тектонического мышле­ния архитекторов.

Композиционно-художественные, пропорцио­нальные и декоративные эталоны греческих и гре­ко-римских ордеров, а также допустимые пределы их формальных преобразований настолько жестко закреплены в мировой архитектурной практике, что отклонение от них воспринимается как нарушение табу.

Попытки ироничного отношения к ордерным закономерностям, допускавшиеся в архитектуре постмодернизма, сейчас расцениваются как про­явление невежества. В любом случае дизайнеру, рискнувшему «поговорить» на ордерном языке, следует внимательно ознакомиться с формами избранного ордера по канонам Палладио или Вит-рувия — не вприглядку, а с карандашом в руке. Навык пригодится для отработки критериев выбо­ра и воспитания вкуса, если доведется подбирать архитектурные формы в салонах садовой скульп­туры (рис. 11.1.8) [153].

53

жущего вещества вулканический пепел — пуццо­лана. Бетон оказался очень кстати там, где не было ни времени, ни квалифицированной рабочей силы для обтески клиновидных камней. Но арки, выполненные укладкой бетонной смеси в опалуб­ки, работали так же, как и выложенные из подо­гнанных друг к другу камней. Как показал выше силовой анализ распорной системы, суммарные усилия давления на арку распределены по ее обеим ветвям, причем на­клонные векторы усилий имеют горизонтальные и вертикальные составляющие. Сложнее всего обеспечить противодействие горизонтальной со­ставляющей, ибо эта сила стремится опрокинуть контрфорс, и он должен быть массивным и устой­чивым. Долгой жизнью римские виадуки обязаны тому, что их строили в створе ущелий, на берегах горных рек, обеспечивающих надежное погаше­ние распорных усилий (рис. II. 1.12). Арочные пролеты могли достигать размеров, недоступных при использовании деревянных кон­струкций, к тому же сгораемых. Геометрическая правильность является зало­гом прочности арки. В античности была освоена технология возведения полуциркульных арок. Пологая и стрельчатая арки оказывают, соответ­ственно, большее и меньшее давление на контр­форсы, что существенно влияет на вид сооруже­ния, где они применены (рис. II. 1.13) [11, 36]. Арка стала базовым элементом для формиро­вания распорных конструкций центричного и ли­нейного типа: купола и свода. Простейшим приемом возведения купола из штучного материала является воробовый. Он вы-

Распорные тектонические системы

Тектоника распорной системы основана на статической работе арки. Сущность этой работы заключается в уравновешивании усилий, влияю­щих на арку, включая ее собственный вес, силами противодействия опоры. Рассмотрим это на опы­те. Если установить два клиновидных камня шат­ром и приложить усилие к месту их взаимного упо­ра, то агрегат будет стремиться «разъехаться» в стороны, т.е. вертикальное усилие изменило на­правление на угловое. В теоретической механике этот процесс выглядит как сложение вертикальных и горизонтальных усилий в равнодействующую диагональную силу (рис. II. 1.11). Чтобы не допустить проседание агрегата, ос­нования камней нужно опереть на контрфорс, противодействующий силе горизонтального рас­пора равным усилием. Если это усилие будет больше, камни сомкнутся. Усложним опыт, но про­ведем его мысленно. Поставим два надежных (тя­желых и массивных) контрфорса, пусть это будут два скалистых берега горной реки. Вам нужно ре­шить задачу возведения долговременной и проч­ной переправы. В окрестностях нет подходящего по длине леса и длинных плоских камней. Есть только мелколесье для устройства временных подмостей и опалубки, которые понадобятся при устройстве арки из клиновидных камней, каждый из которых, стремясь упасть вниз, мешает сделать то же соседнему камню; так, прижатые друг к дру­гу и скрепленные вяжущим раствором, они созда­ют перемычку. Ее прочность обуславливается при-грузкой, достаточной, но не разрушающей. В на­шем опыте возведение арки начнется от ее пят и закончится замковым камнем — ключевым эле­ментом кладки, который нередко акцентируется размером и декоративной отделкой. Подобную задачу наяву решали древние рим­ляне, прокладывавшие виадуки и акведуки (путе­проводы и водопроводы) при освоении горных местностей Аппенинского полуострова. Они и счи­таются пионерами в разработке многообразного семейства распорных конструкций на основе бе­тона, для которого использовался в качестве вя-

**i

Рис. 11.1.12. Гардский мост — древнеримский виадук во Франции

Рис. 11.1.11. Формирование распорной тектонической си­стемы

 

54

полняется спиральной кладкой при помощи воро-ба — контролирующего работу шнура постоянной длины, закрепленного в геометрическом центре купола.

В куполах большого диаметра верхняя замко­вая часть (скуфья, шелыга) получается практиче-

Рис. 11.1.13. Развитие распорных конструкций: а) виды арок и направления распорных усилий; б) формирование купола и свода — концентричных и линейных типов распорных кон­струкций на основе аоки

кладке купола из керамических гончарных сосу­дов, открытых отверстиями вниз, что и придавало им описанные выше необыкновенные акустиче­ские свойства.

Линейным производным арки являются своды. Цилиндрические и крестовые своды широко ис­пользовались древними римлянами для перекры­тия хозяйственных и культовых построек. Распор продольных цилиндрических сводов погашался опиранием на массивные стены. Чтобы облегчить своды, устанавливали арки-ребра из прочного камня, а пространство между ними заполняли лег­кими плитами из пемзы и туфа. В плоскости арок для повышения устойчивости устраивали контр­форсы, придававшие плану здания внешний зуб­чатый профиль. Крестовыми сводами перекры­вали обширные помещения. Ячейка крестового свода представляет в основании квадрат (с колон­нами по углам) для того, чтобы пересекающиеся полуциркульные своды одного радиуса сомкну­лись в одном уровне {рис. II. 1.16). Повышения прочности и легкости конструкции добивались также укреплением ребер сводов и заполнением их легкими пластинами.

Арки, своды и купола циркульной формы ста­ли опознавательным знаком римской, византий­ской и романской архитектуры.

Складывается традиция формирования объе­ма культового здания из стандартных модульных секций — травей, объединяющих квадратные в плане конструктивные ячейки, завершаемые сво­дами. При этом в трех—пятинефной базилике центральный повышенный неф имеет план опор­ной ячейки вдвое шире боковых (рис. 11.1.17) [144].

От «квадратной» зависимости удалось изба­виться только создателям готической архитекту­ры, разработавшим травею на основе стрельча-

ски горизонтальной, и во избежание разрушения верх купола оставляли открытым (купол римского Пантеона) или скуфью заменяли куполом-над­стройкой меньшего диаметра (собор Св. Софии в Константинополе) (рис. II. 1.14).

Для возведения сферических куполов с цент­робежным направлением распора необходимо иметь прочное основание в виде циркульного кру­га, подготовка которого осуществлялась предва­рительным возведением квадратного в плане строения. Затем посредством тромпов и пару­сов скруглялось основание и выкладывался купол (рис. II. 1.15). Наиболее радикальным способом погашения распорных усилий был изобретенный в раннее средневековье способ последовательной передачи усилий земле через систему сводов и полукуполов, окружавших центральный купол, и контрфорсов. В итоге все сооружение приобрета­ло вид пирамиды, образованной ярусами куполов и сводов.

Уменьшению усилий распора способствовало сокращение веса купола за счет конструктивных совершенствований: вводу прочного каркаса в оболочку купола из легких материалов (пемзы);

той арки, позволившей значительно сократить бо­ковой распор, очень мешавший строителям воз­водить устремленные вверх соборы.

Освобождение конструкций здания от балласт­ного материала, замена массивных сводов на кар­кас нервюр с легким заполнением, а стен — на широкие витражи, придали скелетный вид внеш­нему облику готических соборов, который демон­стрировал систему передачи нагрузки от сводов на контрфорсы через арочные мостики — аркбу­таны (рис. 11.1.18).

Монополия на использование купольных и сводчатых конструкций большого масштаба дол­гое время сохранялась за культовыми зданиями. На основе распорных конструкций развивалась церковная архитектура Западной и Восточной Ев­ропы, стран мусульманского мира. Различные формы сводов и куполов — пологих, стрельчатых, цилиндрических — стали неотъемлемой составля­ющей в формировании образа средневекового и современного интерьеров масштабных сооруже­ний (рис. II. 1.19).

Трудоемкая и опасная техника возведения конструкций из штучных материалов была замене­на в поздние века конструированием сводов и ку­полов из легких прочных материалов, которые аг-регатировались на основе новейших технологий: сварки, замоноличивания, пластичного формова­ния в соответствии с точными статическими рас­четами, аргументирующими целесообразность и надежность формы. И в современном интерьере визуальное впечатление о распорной конструкции складывается на основе осознания ее тектониче­ской логики и красоты инженерного решения.

55

 

Байтовые и тентовые системы                     виде армированной мембраны. Висячие конструк­
ции, в которых растяжение погашается собствен-

Если распорные конструкции основаны на пе- ным замкнутым контуром, являются закрытыми

редаче усилий давления под углом к гравитацион- системами. Здесь контур выполняет функции, об-

ной нормали, то вантовые и близкие им висячие  ратные опорному кольцу купола — он испытывает

тектонические системы переводят нагрузки в сто- сжимающие усилия (рис. II. 1.20).
рону от местоположения сооружения и удержива- На основе принципа растяжения работают

ют его конструкции за счет усилий растяжения в сетчатые и тентовые конструкции {рис. II. 1.21).
тросах или стержнях, закрепленных со стороны, Висячими конструкциями создаются объемы,

противоположной нагрузке. Контрфорсы, воспри- имеющие вид палаток различного силуэта: выста-

нимающие усилия, работают в этом случае как ан-   вочные павильоны, цирки-шапито, парковые со-

керы.                                                                          оружения, складские навесы. Относительная лег-

Вынесение узлов, собирающих нагрузку, за    кость возведения, выразительность и празднич-

пределы конструкций, свойственно открытым ви- ность образа таких сооружений благоприятствуют

сячим системам: с подвеской покрытия на тросах, их привлечению к организации временных комп-

с объединением тросовой системы и покрытия в  лексов массовой посещаемости.

56