ПРИНЦИПЫ АРХИТЕКТУРНО-КОНСТРУКТИВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ТРИАНГУЛЯЦИОННЫХ СТРУКТУР

Тумасов А.А.

Современные пространственные конструкции в основе своей являются проявлением взаимодействия инженерной мысли и архитектурного творчества а лучшие примеры их использования в организации материальной среды олицетворяют гармонию рационального и эмоционального, массового и индивидуального.

Тектоническое единство конструкции и архитектурной формы в стержневых пространственных системах открывает широкие возможности комбинаторных поисков различных геометрических образований, эстетических принципов освоения всего объекта и его элементов, новых технологических приемов динамического процесса формообразования.

Настоящие исследования направлены на разработку архитектурно-конструктивной системы, способной на основе регулярной стержневой структуры в высокоэффективных механизированных методов возведения создавать многообразие архитектурных форм, организующих пространство для различных процессов.

Существующие стержневые регулярные структуры в своей основе имеют плоскую опорную сетку, представляющую определенным образом организованную совокупность узлов и связей. Известны пять параллелограмматических систем, отличающихся друг от друга по признакам симметрии и параметрам связей (квадратная триангуляционная, ромбическая, прямоугольная, косая параллелограмматическая). Наибольшим диапазоном преобразований обладает из них та, которая имеет максимальное число зеркальной и поворотной симметрии, соответствующее числу возможных трансформаций. Такой плоской решеткой является триангуляционная (правильная треугольная). обладающая симметрией 6 m. Связи между узлами этой решетки ( стороны равносторонних треугольников ) имеют одну величину; элемент решетки- разносторонний треугольник обладает свойством конгруэнтности и абсолютной жесткости.

В практике формообразования известны принципы создания из плоской триангуляционной сетки развертывающихся криволинейных поверхностей (конической и цилиндрической), при этом отдельные жесткие стержни (стороны треугольников) соединяют в узлах шарнирами, обладающими лишь одной степенью свободы. В этих преобразованиях используется лишь изгиб плоских сетей в одном из трех направлений, соответствующих ориентации стержней. Способность получения пространственной формы из плоскости позволяет осуществлять наземную сборку конструкций, a затем монтаж всей системы изгибом с помощью подъемно-транспортных средств.

Для аналогичного получения сложных криволинейных поверхностей из плоской триангуляционной сети автором разработан метод изгиба и замыкания на контуре развертки проектируемой формы. Он заключается в том, что развертку будущей пространственной формы, имеющую запрограммированные по расположению и форме вырезы по контуру, изгибают за счет перемещения узлов при замыкании вырезов. Форма и размеры получаемых пространственных образований зависят от величины и конфигурации развертки, ее ориентации относительно осей изгибов, количества и формы вырезов. Симметрия будущей формы во многом связана с симметрией развертки и, поэтому, получаемые пространственные оболочки условно можно разделить на три группы:

1 группа - оболочки поверхности одинарной кривизны с увеличением складчатости к контуру (симметрия m и 2 m) ( рис. 1а );

2 группа - оболочки поверхности двоякой кривизны с увеличением складчатости к контуру ( симметрия m и 2 т ) ( рис. 1б );

3 группа - поверхность вращения с увеличением складчатости к контуру ( симметрия 3 т и 6 m ) ( рис. 1в ). Складчатость контура стержневой оболочки и пространственная ориентация элементов структуры в опорной ее части – одна из важных тектонических характеристик формы.

Композиционные приемы формирования объемно-пространственной структуры архитектурного объекта на основе плоской решетки включают комбинаторные поиски единичной материальной оболочки из целостной плоской заготовки, а также метод блокировки отдельных пространственных форм в более сложные компоновочные группы.

  Рис.1. Пространственные симметричные формы

из конечных разверток плоских стержневых сетей:

а – оболочки поверхности одинарной кривизны с увеличением складчатости к контуру; б – оболочки             поверхности двоякой кривизны с увеличением складчатости к контуру;

в – оболочки поверхности вращения с увеличением складчатости к контуру

Однослойные пространственные сетчатые формы, с необходимой для процесса трансформации шарнирной связью стержней в узлах и без дополнительных мероприятий по обеспечению ее устойчивости, возможно использовать лишь при небольших пролетах. Дальнейшее увеличение пролета требует введения раскосов и связей, что в совершенстве приводит к формированию двухслойной системы. Архитектурно-строительная практика знает множество схем плоских двухслойных структур, жесткость и геометрическая неизменяемость которых обеспечивается как самой системой структурирования пространства, то есть геометрией во всех плоскостях, так и типом соединения стержней. Разрабатываемые автором схемы стержневых структур при наличии шарнирных связей способны трансформироваться из плоскости, то есть изгибаться по одному или по всем трем направлениям триангуляции, лишь в случае изменения длины стержней верхнего или нижнего слоев в соответствующих изгибу направлениях (рис. 2). Возможно предложить несколько вариантов инженерно-технического осуществления регулируемого изменения длины составных стержней верхнего или нижнего слоев структуры (гидравлический, механический, пневматический), что позволит автоматизировать процесс трансформации плоского структурного покрытия, создать самовозводимые и саморегулируемые покрытия общественных в производственных зданий, сооружений.

Рис.2. Двухслойная трансформируемая структура

 Необозримую палитру форм представляет использование комбинаций вышеизложенных методов архитектурно-конструктивного формообразования стержневых структур. Используя одни и те же конструктивные элементы - унифицированные узловые соединения и стержни, возможно создание опорных элементов, выполняющих несущую функцию и висячих оболочек-сеток в качестве ограждений. В таблице I представлены принципиальные схемы образования комбинированных систем на основе стержневой триангуляции. B первом случае в качестве опор создают стержневые вертикальные образования – «стойки»; во второй случае опорами – «ядрами жесткости» могут служить стержневые правильные или полуправильные многогранники и произвольные формы, выполненные методом замыкания на контуре; в третьем случае несущими элементами являются объемные стержневые арки, устанавливаемые с определенным шагом.

 Таблица 1

Комбинированные структуры выступают гибким материальным средством в формировании архитектурно-пространственной среды. Как гибкая живая ткань организма, пространственно-развитая триангуляционная система может адаптироваться в конкретной архитектурно - планировочной ситуации, качественно и количественно изменять свою форму за счет удаления и прибавления «клеток» ткани, операций пространственной ее трансформации.

Весь комплекс приемов использования триангуляционной сетки в архитектурном формообразовании основан на единой конструктивной системе, целесообразность использования которой в различных отраслях народного хозяйства является очевидной и связанной с ее архитектурно - композиционной гибкостью и вариабельностью, инженерно-конструктивной логичностью и технологической простотой, малой материалоемкостью и мобильностью