Строительство и архитектура/1. Архитектурные решения объектов строительства и конструкций

к.т.н. Мухамедшакирова Ш.А.

арх. Федосова Е.С.

Казахская головная архитектурно- строительная академия, Казахстан

Взаимовлияние конструкций и формы в проектировании гражданских зданий

В статье предлагаются вопросы формы в архитектуре, каркасных сооружений с навесными стенами, влияние горизонтальных воздействий на системы с различным шагом колонн.

Современные пространственные конструкции одновременно и являются формой. Чтобы изучить взаимодействие конструкций и формы необходимо обладать знаниями статики и свойств материалов.

Формы строительных конструкций выражают красоту и тектонику. Особенно интересны сложные геометрические формы (тела вращения, элементы гиперболических параболоидов, коноидов и др.).

Факторы формообразования жестких и устойчивых конструкций можно объяснить и увидеть при помощи бумажных макетов и рисунков. Концепция пространственных конструкций и идея архитектора должны отображать реальность и исключать однообразие в архитектуре зданий и достигнуть художественного эффекта, живости и выразительности зданий и сооружений.

Приемы композиции и формирование архитектурных деталей возможно из монолитного железобетона, при возведении зданий из стальных элементов, что возможно выполнить в полносборном строительстве из железобетона.

При формообразовании подход к архитектуре должен выполняться с учетом средств композиции, т.е. игры света и тени, использования ритма, контраста легкого и тяжелого. Любая форма всецело зависит из правильно примененной и грамотно решенной конструкции, т.е. должна быть логика тектонического построения. Истинная архитектура создается при тесном сотрудничестве архитектора и инженера и анализ конструктивных и архитектурных особенностей зданий их форм рассматривается по архитектурному произведению в целом.

Проблемы тектоники, т.е. связь формы и конструкции зависят от технических и научных достижений.

Любой архитектурный замысел осуществляется с помощью техники и принимает свою форму, которая отражает эпоху. Парфенон, готика созданы творческим вдохновением авторов на основе тех технических средств и строительных материалов, присущих их времени. Нельзя нарушать единство искусства и техники, ибо техника и процесс художественного творчества связаны. Под техникой подразумевается структура несущего остова. Функциональный анализ конструкции сооружения более полно раскрывает закономерности архитектурной формы.

Ван де Вельде [·] черту красоты архитектуры сформулировал как «полное соответствие между средствами и целью». Мис ван дер Роэ сказал: «Функция является искусством».

Данные высказывания при правильном понимании выражают единство искусства и техники в современной архитектуре.

Рис.1. Архитектура позднего классицизма.

К примеру, простой вертикальный столб является элементом, воспринимающий нагрузку. Колонна встречается в архитектуре всех стран. Капитель и база расположены выше и ниже стержня колонны, в сотнях вариантов символически изображают передачу усилий, сама колонна сохраняет свою цилиндрическую или призматическую форму.

Типы колонн: Ангкор Камбоджа, Индия, Ионический стиль, Романский стиль, Готический стиль, пучок наклонных колонн, витая колонна и витой пучок колонн.

Витая колонна – это искажение формы колонны, здесь тектоника уступает место театральному эффекту. Система нервюр в готических соборах являются конструкцией и тектонической формой. В поздней готике нервюры относятся к категории орнамента и не являются тектонической формой. В ХХ в. в архитектуре жило направление соответствующее каркасному строительству (высотные здания в Чикаго, США).

Архитектор Ле Корбюзье чисто интуитивно предугадал новый мир инженерных форм и придал им художественное выражение.

В настоящее время архитектура в большей степени основана на технике, для понимания архитектуры требуются знания конструкции. Сейчас архитектуру необходимо рассматривать не только с эстетической стороны, но и рассматривать предпосылки развития тектонических форм. Техника занимает довлеющее значение в процессе формообразования архитектуры и ее надо поставить на службу архитектуре. Надо найти правильную взаимосвязь архитектуры как искусства и строительной техники без их противопоставления.

Железобетонные и стальные каркасные системы состоят из несущих и ненесущих элементов. Сам каркас состоит из жестко соединенных между собой ригелей и стоек и применяется в многоэтажном строительстве.

Облик наших крупных городов (Астана, Алматы) состоит из каркасных зданий из стали и бетона, город Верный строился из деревянных фахверковых зданий.

Каркасные здания с жесткими решетчатыми фасадами и большие размеры зданий не вызывают чувство красоты. При рассмотрении конструктивных форм наибольший интерес вызывает открытый каркас. Возможность непосредственного восприятия конструкции способствует проникновению в тектонику сооружения.

В высотных зданиях учитываются преимущественно ветровые и сейсмические нагрузки, а вертикальные нагрузки учитываются во вторую очередь. В зданиях средней и малой этажности восприятие ветровой нагрузки обеспечивается поперечными стенами, лестничными клетками или шахтами лифтов внутри здания, следовательно, ветровые и сейсмические нагрузки не влияют на внешний архитектурный облик здания.

Сетка каркаса должна отвечать поставленным задачам и быть увязана с конструктивной схемой здания. Пропорции здания отражают единство функции и формы и форма органически взаимосвязывается с общей структурой здания.

Сетка колонн проектируется с узким и широким шагом. При узком шаге колонн полнее можно использовать внутреннее пространство здания.

При выборе шага колонн учитываются функциональные требования, вопросы экономичности и требования архитектуры.

Тектоническая стройность колонн связана с сечениями колонн, т.к. их утолщение нарушает их стройность.

Монотонность каркасных фасадов объясняется пренебрежением требованиями тектоники, что уничтожает разнообразие в самой конструкции и теряется творчество при композиции фасада.

При широком шаге колонн конструкции железобетонных перекрытий подчинены конструктивным законам. В этом случае архитектору дается большая творческая свобода и многие различные формы и соотношения могут быть правильными с точки зрения тектоники.

Законченность архитектурной композиции фасада каркасной конструкции определяется формой завершения сетки каркаса на гранях здания. Поверхность стены в каркасных зданиях представляет сложное сочетание тонких прямолинейных конструктивных элементов каркаса с заполнением из оконных проемов и подоконных панелей.

Ясность решения фасада должна соответствовать действительному распределению усилий. Не должно быть разрыва между архитектурным и расчетно-статическим подходом к решению проекта.

Сначала создается проект каркаса с хорошими пропорциями.

Для развития подлинно тектонических форм мышление «свободы художественного творчества» не должно приводить к произволу над конструкцией.

Угол здания имеет важное архитектурное значение. На углу пересекаются смежные наружные плоскости объема здания. Грань угла является одновременно их началом и концом. Стены каменных зданий с простыми нерасчлененными поверхностями легко сопрягаются на углах. Фасады же каркасных зданий имеют всегда сложное членение и представляют собой более или менее рельефную поверхность.

Выразительность архитектуры заключается в функциональной целесообразности всех частей здания, при проектировании здания архитектор обязан вдуматься в простые явления статики, т.е. правильное распределение нагрузок.

Сущность каркасного здания это создание тектонической решетки несущего остова.

Учитывая вопросы тектоники, решения фасадов длинной и короткой сторон здания принимаются без угловой колонны, благодаря применению правильной конструкции архитектура фасадов становится более разнообразной даже без декоративных средств.

Угловую колонну можно не проектировать, устраивая вынос перекрытия в виде консоли. Вынос дает возможность правильно и оригинально решить архитектуру здания. Если при чрезмерно большом выносе консоли размеры балки в месте защемления не меняются, то балка перенапрягается, и равновесие конструктивной системы нарушается. Заниженные размеры элементов в месте защемления вызывают перенапряжение материала и лишают конструкцию необходимой жесткости.

Первоначальная архитектурная форма любой части здания зависит от конструкции и назначения данной части здания. К примеру, пологая форма крыши предшествует современной плоской крыше и при сквозном проветривании соответствует требованиям строительной физики.

Для архитектора важно функционально и конструктивно определить верхнюю часть каркасного здания и наиболее лаконичными средствами достигнуть тектонически правильного решения.

Для композиции фасада из навесных панелей существуют те же правила, что и для композиции каркасных фасадов.

При решении угла каркасного здания необходимо создать впечатление легкости по требованиям тектоники. Уширение же рядовых колонн для того, чтобы угловая колонна казалась более стройной, противоречит самой сущности каркасной системы. Угловая колонна в статическом отношении почти никакого значения не имеет, и небольшая нагрузка углов может быть легко воспринята выступающей консолью перекрытия и переделана на рядовые колонны.

Колонны длинной стороны здания, воспринимающие почти одинаковую нагрузку и имеющие одинаковые размеры, членят фасад в соответствии с несущей функцией каркаса. Первоначальная архитектурная форма какой-либо части здания в первую очередь зависит от конструкции и назначения данной части. Как бы различны ни были архитектурные формы на высших стадиях развития, вначале они всегда представляли рациональную форму, определяемую конструкцией и функциональным назначением сооружения.

Архитектуре каркасного здания с четким горизонтальным и вертикальным членением фасада наилучшим образом соответствует решение, при котором несущие колонны не смещены, а установлены по одной вертикальной оси и упираются прямо в фундамент.

«Обогащение» фасада каркасного здания путем дробного его членения, применения облицовки из дорогостоящих материалов, использования световых эффектов, декоративных решеток и профилированного листового металла является украшательством, не относящиеся к тектоническому решению.

В каркасных зданиях угловые колонны воспринимают только вертикальные усилия, поэтому нет необходимости делать угол массивным. Элементам угла здания и карниза недопустимо придавать одинаковые формы и недопустимо придавать одинаковые формы и размеры, так как такие приемы нарушают масштабность и тектонику здания.

В изгибаемых элементах существует предельный пролет конструкций, который нельзя увеличивать, не изменяя формы. Определенное соотношение между конструктивной высотой и пролетом конструкции зависит от определенной абсолютной величины и материала.

Архитектурный замысел воплощается с учетом свойств материала с сохранением законов пропорции и формы, зависящих от тектоники. Оптимальная форма конструкции в каждом случае зависит от абсолютных размеров конструкции или сооружения. На примере самой природы: небольшие зверьки являются самыми большими прыгунами, что не присуще слону и т.д.

Учитывая зависимость формы от абсолютной величины конструкции необходима осторожность при использовании выводов абстрактных исследований к строительным конструкциям.

Следовательно, унификация форм, примененная к элементам, которые по существу не являются равными, нарушает масштаб и приводит к обеднению архитектурного облика сооружения. Дифференциация частей здания в зависимости от их назначения создает правильный масштаб целого. В каркасной конструкции дифференциация приводит к тектонически-правильным формам.

Формы сооружений порождаются в соответствии с эпюрой изгибающих напряжений, вызываемых ветром и другими воздействиями (высотные здания, башни, мачты). Любую форму необходимо создавать в зависимости от распределения внутренних усилий с полным использованием несущей способности материалов в сечениях.

Внешний облик сооружения в целом проектируется динамичным и вместе с тем необходимо впечатление устойчивости. В этом и выражается тектоничность решения зданий и сооружений.

В заключение – архитектурное формообразование без современной техники и технологии становится беспредметным, а строительная техника и технологии – бесплодными без взаимосвязи с архитектурным конструированием. Реальность архитектурной формы теперь глубоко уходит в механизмы работы материала в конструкции, знать которые архитектору становится необходимым.

Литература:

1. Танаков В.В., Нагорнаев В.В. «Архитектурное конструирование», Симферополь, 2008

2. Пономарев В.А. «Архитектурное конструирование». М., 2009

3. «Объемно-пространственная композиция». Под ред. Степанова А.В., М.: Архитектура, 2004