Глава о куполах из книги "Пластмассы в архитектуре"

Изображение: 

Купольная форма в отличие от сводчатой уравновешивает внешнюю нагрузку во всех направлениях. Кроме того, нагрузка,, воспринимаемая куполом, создает в нем нормальные мембранные напряжения с влиянием изгиба на относительно небольших участках поверхности. В современной практике чаще всего применяются купола, срединная поверхность которых описывается уравнением шара, эллипсоида вращения или кругового конуса (конические купола проще в изготовлении, но менее экономичны, чем сферические).

В куполах вращения, нагруженных распределенными нагрузками, по мериодиональным направлениям возникают только сжимающие напряжения.

По направлению параллелей в верхних участках возникают кольцевые сжимающие, а в нижних — кольцевые растягивающие напряжения, которые деформируют купол и вызывают напряжения изгиба. Гладкая монолитная форма купола, оптимальная для железобетона, не подходит для пластмасс ввиду их малой жесткости. Однако при соответствующем конструировании купола-оболочки с применением пластмасс могут достичь значительных размеров.. Например, на территории Ганноверской выставки над одним из павильонов был возведен купол диаметром 45 м. Это крупнейший в мире трехслойный купол, выполненный с применением пластмасс. Купол смонтирован из 40 сегментных элементов одинарной кривизны. Для удобства изготовления и транспортирования каждый сегмент разделен на три элемента.

Трехслойная конструкция купола образована стальными обшивками толщиной 1 мм (у краев 2 мм) и пенополиуретановым утеплителем толщиной 150 мм, вспененным в полости. Обрамление элементов деревянное. Стыкование элементов производится нахлестом выпусков обшивок и заклепыванием впотай. После монтажа стыковые полости заполнялись пенополиуретаном, чем обеспечивалась монолитность купола.

Возведением купола подтверждена практическая возможность многократного уменьшения массы большепролетных пространственных покрытий путем применения трехслойных конструкций с пенопластовым средним слоем.

Из однослойных пластмассовых элементов возводятся купола-оболочки небольших диаметров. Пластичность материала позволяет формовать сборные элементы любой кривизны, чем достигаются оптимальные условия монтажа. Соединяться сборные однослойные элементы могут на клею, как, например, при устройстве акрилатовых зенитных фонарей, на специальных зажимах, либо на болтах или заклепках.

В последнее время получают распространение однослойные купола из пенопластов. Конструкции такого рода используются, кроме прочего, и для организации временных жилищ. По проекту, разработанному в ФРГ, в Турции налажено производство пенопластовых куполов диаметром 5 м, высотой 3 м. Каждое жилище рассчитано на проживание 8—10 чел. Освещение обеспечивается через дверной проем и светоаэрационный фонарь в вершине купола.

Дома изготавливают на месте при помощи легко транспортируемой установки, которая осуществляет набрызг смеси полиуре-тановой смолы с другими компонентами на непрерывно вращающуюся пневматическую установку. Вспенивание и отверждение смеси происходит на поверхности оболочки. Для изготовления купола требуется всего 1 ч. Общая масса установки (включая источник питания и пневмонасосы) составляет 2,5 т, что позволяет перевозить ее на одном грузовом автомобиле. Длительная эксплуатация возведенных куполов показала, что они обеспечивают хорошую защиту от атмосферных воздействий и обладают достаточной долговечностью.

Несколько иную технологию изготовления пластмассовых куполов применили выпускники Калифорнийского университета при строительстве стальных корпусов в Дэвисе. Каждый из 14 куполов был изготовлен набрызгом полимерной смеси во вращающейся форме и затем извлечен оттуда краном. Смесь состояла из 25% битого стекла, 70% полимерный смолы марки «Нетрон» и 5% огне-защитного порошка. После установки купола покрывали изнутри пятисантиметровым слоем пенопласта, на который после его отверждения наносился трехмиллиметровый слой цементного раствора. При правильном конструировании и изготовлении пенопластовые купольные оболочки могут достигать значительных размеров. Например, в Японии архит. М. Курокава изготовил пенопластовый купол диаметром 12 м. Купол запроектирован как жилой дом с гибкой планировкой.

Специфичность пенопласта как однородного, пластичного конструкционного материала в какой-то мере подчеркнута свободной вырезкой проемов в оболочке — для веранды и дверей. Однако следует отметить, что монолитные пенопластовые купола не обладают какой-либо зрительно воспринимаемой качественной специфичностью по сравнению с железобетонными: фактура пенопласта напоминает фактуру оштукатуренного железобетона, а его толщина может даже превосходить толщину железобетона в аналогичных куполах.

И тем не менее в проектно-строительной практике за рубежом отмечаются попытки найти какие-то новые формы для пенопластовых куполов. Интересен с этой точки зрения «Биодом» — купольное сооружение, построенное по проекту западногерманского архитектора Р. Дёрнаха. Основная идея сооружения—дать образ жилища, по композиции и методам возведения отвечающий естественным, природным закономерностям. Действительно, нарочитая «брутальность» общей формы, отсутствие строгой геометрической закономерности . в ее построении, грубая кладка из необработанных брусков пористого пенопласта — все это контрастно противостоит принципам современной архитектуры из легких индустриальных материалов. Интересно отметить, что кладка из пенополистирольных брусков, примененная при возведении «Биодома», — это не что иное, как упрощенная реплика индустриально отработанной технологии изготовления куполов из тех же пенопластовых брусков, но изгибаемых специальной машиной по необходимому радиусу. Соединяются бруски между собой сваркой.

Поиски новых типов пластмассовых куполов идут и по другому пути — по пути трансформации оболочек вращения в иные формы, позволяющие использовать не круглое, а многогранное или овальное основание.

Параллельно с куполами, имеющими гладкую поверхность, интенсивно развиваются различные виды пластмассовых куполов с каркасно-ребристой структурой поверхности. Наиболее характерны здесь геодезические купола, позволяющие из тонкостенных листовых панелей собирать оболочки значительных размеров. Много таких куполов появилось в начале 60-х годов в Англии, США и Канаде, где они, в основном, использовались для укрытия радарных установок. Диаметры таких куполов-сфер весьма значительны—18, 25 и даже 43 м. Некоторые зарубежные специалисты считают практически возможным создание сферических куполов из трехслойных панелей диаметром до 150 м.

Каркас геодезического купола может создаваться ребрами или отгибами панелей, а в некоторых случаях и самостоятельно, чаще всего выполненной из алюминия стержневой опорной структурой. Подобный принцип использован в здании общественного центра международного лагеря «Волга». Здесь структура из алюминиевых трубок как бы поддерживает пластмассовую оболочку на весу. Это интересный тектонический прием, дающий четкое представление о статике покрытия и функционально различной роли двух его составляющих — несущего каркаса и ограждения.

Поддерживающий купольный каркас может иметь не только геодезическую структуру. Проекты и постройки, осуществленные в последние годы, демонстрируют различные виды такого каркаса. В одном случае — это меридионально-кольцевая структура, эстетическая невыразительность которой частично преодолевается пластичностью формы акрилатовых заполняющих панелей. В другом— каркас решен в виде пересекающихся дуг и тем самым подчеркивает сферичность купола. Акрилатовое «остекление» в этом случае играет уже пассивную роль простого заполнителя. В третьем — ребра панелей создают наружный каркас в виде сетки с ромбовидными ячейками.

Волнистая поверхность куполов, так же как и сводов, может освободить от необходимости применять структурный каркас и тем самым значительно облегчить и саму оболочку, ее изготовление и монтаж. Поэтому уже давно ведется поиск рациональных, учитывающих специфику пластмасс волнистых куполов. Одним из первых обратился к этой проблеме западногерманский архитектор Д. Зернинг. С середины 60-х годов он разрабатывает различные типы пластмассовых оболочек, в том числе и волнистых куполов. Форма куполов Зернинга очень пластична, мягка и, словно бы выражая органическое происхождение самого материала, напоминает произведение природы. Пластической структурой своей формы они отражают принципы архитектурной бионики.

На основе аналогичных принципов в США был разработан проект волнистого купола диаметром 20 м над аудиторией Национальной академии в Вашингтоне. Поверхность купола предусматривалось собрать из трех типов пластмассовых элементов, имеющих форму гиперболического параболоида. Сочетание встречных волн-складок обеспечивало очень жесткую и в то же время пластически выразительную поверхность. Однако практически, из-за соображений технологической простоты, возводятся купола с упрощенными меридиональными лоткообразными волнами, статически менее эффективными, чем вышерассмотренные, но тем не менее позволяющие возводить полностью пластмассовые купола диаметром до 20 м, а при использовании легкого подкрепляющего каркаса —до 30 м.

Купола с крупными меридиональными волнами-складками, выполненные из пластмасс, железобетона или армоцемента, имеют почти идентичные пластические характеристики формы. Однако если железобетон позволяет воспринимать изгибающие моменты.

В опорной части утолщением конструктивного слоя, то а пластмассовых куполах жесткость опорного контура обеспечивается, главным образом, бортовыми элементами, поэтому форме этих элементов при конструировании должно быть уделено особое внимание. Очевидно, высота бортовых ребер не должна быть равномерной по всему контуру, чтобы не усиливать однообразие волнистой формы. Небольшая масса пластмассовых куполов обусловливает небольшую величину распорных усилий, что позволяет в качестве опорного кольца использовать конструкции легкого стенового ограждения. В качестве примера можно назвать жилые дома, выпускаемые американской фирмой «Спейс Шелл Инк». Стены в этих домах образуются круглой в плане волнистой оболочкой вращения диаметром понизу 11,9 м, а на уровне карниза 14 м (оболочка имеет расширение кверху). Высота здания в центре 4 м, у карниза 2,1 м.

Купольное покрытие собирается из 18 лотковых элементов переменной ширины — от 0,3 до 2,1 м. В центре образуется отверстие диаметром 1,3 м, которое может перекрываться зенитным фонарем. Все элементы изготавливаются трехслойной конструкции (стеклопластиковые обшивки со средним теплоизоляционным слоем из пенополивинилхлорида толщиной 70 мм) с соединительными фланцами по краям. Поверхности покрыты поливинилфторидной пленкой толщиной 0,25 мм, которая повышает стойкость к воздействию огня и атмосферы и одновременно служит отделочным слоем.

Проектом предусматриваются два вида соединения элементов— болтовое и клеевое (эпоксидным составом), причем швы закрываются поливинилхлоридными профилями. Стеновые элементы крепятся к плите пола клиновидными рейками, а наверху они выступами входят в пазы между элементами покрытия.

В доме нет окон: в комплект входят шесть светопрозрачных акриловых стеновых панелей. На монтаж оболочки требуется 48 чел.

Конструкции изготовляются на автоматической поточной линии, причем прессуются одновременно две обшивки — внутренняя и внешняя (цикл изготовления 10 мин). Обшивки с трех торцевых сторон обрамляются торцевыми элементами шириной 70 мдЛ, после чего образовавшаяся полость заполняется теплоизоляционным материалом и устанавливается замыкающий элемент обрамления. Здание имеет выразительный архитектурный облик. Волнистость и взаимный наклон стеновых и купольных элементов создают интересный общий силуэт.

Рассмотренные примеры показывают, насколько разнообразно и широко применяется волнистая поверхность в пластмассовых куполах. Но зато складчатая поверхность в куполах в отличие от сводов используется очень ограниченно, главным образом в небольших жилых домах. В 1968 г. в Мексике построен жилой дом дачного типа в виде складчатого купола диаметром 8 м (по проекту Д. Инфанте). Однако для создания приемлемого жилого интерьера пришлось зашить изнутри складки, т. е. создать вторую, но уже гладкую оболочку.

Купола с поверхностью из объемных пирамидальных элементов также не получили широкого распространения в практике строительства из пластмасс. Применение листовых материалов способствует сближению формальных признаков многогранных куполов, выполненных из алюминия и из пластмасс. Положительное влияние пластмасс сказывается в возможности более разнообразной фактуры— от бархатистой до глянцевой. Это в значительной степени нейтрализует геометризм структурной формы и в итоге делает форму более живой, масштабной, лишает ее «холода» металлических структур.

Характерным примером многогранного купола является конструкция, разработанная архит. Г. Эммерихом. Оболочка собирается из одинаковых дельтовидных пластмассовых элементов. Из 40 таких элементов можно собрать купол площадью 174 м2. Однако при всей их универсальности купола Эммериха не могут быть безоговорочно причислены к объектам архитектуры. Это скорее «математическое обеспечение» архитектуры, но не живое зодчество. Поэтому заслуживают внимания любые предложения, в которых делаются попытки преодолеть исходное механистическое начало, оставаясь, разумеется, в рамках необходимой рациональности.

С этой точки зрения интересен проект купольного жилого дома, разработанный штуттгартскими архитекторами В. Пимплем и X. Штенцелем. Купол изготовлен из полиэфирного стеклопластика толщиной 5 мм и имеет диаметр 10 м при высоте 5 м. Сборные элементы-скорлупы имеют отогнутые фланцы для соединения. Элементам придана форма треугольника со срезанными углами, так что при соединении получается проем для окна или вентилятора. Удачно найденная форма объемных элементов, сочетание их с круглыми проемами образуют достаточно живописную необычную форму купола.

Покрытия-оболочки с поверхностью отрицательной гауссовой кривизны в статическом отношении наиболее рациональны. Характерными представителями такого рода оболочек являются гиперболические парабалоиды (гипары), а также воронкообразные конструкции. Конструкции из воронкообразных элементов, обладая всеми достоинствами оболочек двоякой кривизны, имеют еще одно важное качество — возможность независимой работы каждого элемента, имеющего свою опору.

Один из наиболее ранних примеров использования таких конструкций — школа в Лос-Анджелесе, пространственная композиция которой образована сочетанием воронкообразных элементов размером в плане 4,8X4,8 м, высотой 60 см с центральной колонной из стальной трубы диаметром 12,5 см. Каждый такой элемент собирается на месте из четырех одинаковых частей, имеющих форму гипара и выполненных из полиэфирного стеклопластика с пенополистирольным утеплителем толщиной 25 мм. Масса 1 м2 такой конструкции составляет 20 кг, что, примерно, в 10 раз легче, чем аналогичное железобетонное покрытие. Воронкообразные элементы соединены между собой болтами. Для этого края элементов имеют выступающие вниз ребра, которые одновременно служат для усиления жесткости конструкции. Пространственная независимость секций друг от друга позволяет создавать разнообразные композиции, а также оставлять проемы в покрытии для световых фонарей. Подобные же воронкообразные конструкции, но гораздо большего размера (19,4X19,4 м), применены в покрытии нового здания аэровокзала в Дибае.

В этих двух примерах воронкообразные элементы имеют жесткую геометрическую форму опрокинутых пирамид. Такая форма упрощает изготовление, но не отражает важнейшего качества полимерных материалов — пластичности. В конструкции садового павильона в Ванкувере функциональное назначение сооружения потребовало более декоративный формы, что, в свою очередь, определило максимальное использование именно пластических возможностей материала. В результате воронкообразные элементы приобрели упругоизогнутый профиль не только по вертикальным сечениям, но и по горизонтальным. Всего в покрытии павильона использовано 12 стеклопластиковых элементов размером в плане 2,4X2,4 м и высотой 1,5 м. Каждый элемент опирается в центре на стальную трубчатую колонну высотой 2,4 м, через которую отводится воде- с покрытия. Элементы монтировались независимо друг от друга.

Пластично решенные воронкообразные элементы используются и в покрытии рынка во Фресне, пригороде Парижа.

Использование пластмасс для этого здания было вызвано экономическими соображениями: только легкие материалы могли избавить от устройства сложных и дорогостоящих фундаментов в чрезвычайно слабых грунтах района строительства. В покрытии рынка применено -18 воронкообразных, квадратных в плане элементов. Элементы изготовлены из цветного непрозрачного полиэфирного стеклопластика без теплоизоляции и имеют размеры в плане 6X6 м, высоту 1,7 м, толщину 6 мм, массу 375 кг. Собираются элементы на болтах и на клею из четырех одинаковых секций, для чего предусмотрены бортовые фланцы. Швы после монтажа проклеиваются поливинилхлоридной лентой. Характерная особенность конструкции - колонны высотой 1,6 м выполнены не из стали, а из такого же стеклопластика, что и воронкообразные элементы, и имеют трубчатое, суживающееся книзу сечение. Аналогичные конструкции применены в покрытии рынка в Иври, пригороде Парижа.