Развитие технологии сетчатых оболочек

сетчатые оболочки

     В прогрессивной зарубежной архитектуре последних 10-20 лет обилие замысловатых, зачастую парадоксальных конструктивных решений стало одним из неотъемлемых компонентов успеха. Норманн Форстер, Ричард Роджерс, Сантьяго Калатрава, Франк О. Гери и многие другие мастера западного Hi-Tech и деконструктивизма в своих шедеврах часто используют конструкции с криволинейными очертаниями. Один из способов создания таких архитектурных «неровностей» — использование покрытий на основе сетчатых оболочек.  
Этот вид покрытий — всего лишь один из многочисленных вариантов возведения оболочек. Однако некоторые интересные свойства таких конструкций, присущие только им, стоят того, чтобы на них остановиться поподробнее.  
 

История 
     Прежде чем начать знакомство с современной мировой практикой применения сетчатых конструкций, совершим краткий экскурс в историю этого класса покрытий. В принципе, попытки создания криволинейных покрытий предпринимались еще в Древнем Риме. По существу, активно применявшиеся древними римлянами купола и своды — ничто иное, как первые оболочки, ювелирно собранные из кирпичей специальной формы. Эта купольно-сводчатая «номенклатура» первых оболочек просуществовала без особенных дополнений вплоть до XIX века. Изменялись пропорции, варьировалась форма линии, образующей поверхность, а по сути купола оставались куполами, своды — сводами, арки — арками. Мастера различных эпох и архитектурных школ научились достаточно эффективно использовать все возможности этих конструкций. Казалось, что после пышного конструктивного разнообразия готики и барокко, ничего принципиально нового к инструментарию, отработанному в эти эпохи, добавить уже нельзя. Расширению номенклатуры новых форм покрытий мешала «кирпичная» технология их строительства. Например, при простом увеличении размеров купола (не говоря уже об усложнении его формы) собственный вес кирпичного покрытия становится настолько большим, что требует значительного увеличения толщины несущей конструкции, а это, в свою очередь, опять увеличивает вес — и так до бесконечности.  

     В середине XIX века ситуацию облегчила появившаяся возможность в большом количестве использовать в строительстве сталь и чугун. Именно тогда стали активно применяться огромные купола и своды на основе металлического каркаса. Применение металла позволило не только снизить массу покрытия, но и дало возможность делать эти конструкции светопрозрачными — так как заполнение каркасов можно было делать стеклянным. Успешное и активное развитие этих конструкций, одновременно с повышением качества и объемов производства металла в конце XIX века и создало необходимый «базис» для возникновения целого спектра новых металлических конструкций. Из металла становилось строить не только выгодно, но и модно. Пассажи, оранжереи и выставочные павильоны, сверкающие на солнце тоннами стекла и металла, поражали воображение жителей XIX столетия.  

     Как раз в этот момент, в период самого разгара «первой металлической революции» и возникли первые сетчатые оболочки а также несущие конструкции на их основе. С достаточной долей достоверности можно утверждать, что изобретателем этого вида конструкций стал знаменитый русский инженер В. Г. Шухов. Именно ему первому пришла в голову идея использования совместной статической работы системы из металлических стержней, перекрещивающихся в двух направлениях. При такой конструкции покрытие работает как одно целое, причем все стержни несут приблизительно одинаковую нагрузку, что позволяет изготавливать их одного сечения. Говорят, идея использования сетчатых конструкций у Шухова родилась благодаря казусу, аналогичному тому, который позволил Ньютону открыть закон всемирного тяготения. В роли яблока послужило обычное цветочное кашпо, сплетенное из прутьев. Его прочность оказалась достаточной, чтобы выдержать вес взрослого человека, вставшего на него одной ногой. Это и стало причиной экспериментов с конструкциями, аналогичными по своему устройству тому самому «плетеному горшку».  
 
  ,

«Второе дыхание»  
      На протяжении всей первой половины XX века сетчатые оболочки чаще всего применялись в промышленном строительстве. С их помощью перекрывали производственные цеха и выставочные павильоны, где требовалось с минимальными затратами металла перекрыть пролеты более 30-40 м.  

     При строительстве жилых и административных зданий сетчатые оболочки до недавнего времени применялись крайне редко. Жесткие рамки безраздельно властвующего в 20-50-х годах XX века воинствующего Корбюзианско-Райтовского функционализма сводили к минимуму возможность использования обтекаемых сетчатых «выпуклостей» в светских постройках. Вторую жизнь этим, к тому времени достаточно «затертым» промышленной архитектурой, конструкциям вернуло увлечение многих мировых архитекторов эстетикой филигранно спроектированных и исполненных в материале различных конструкций. Впоследствии это увлечение стало называться «стилем Hi-Tech».  

     Сетчатые оболочки как нельзя кстати пришлись для манифестации новых подходов в формообразовании. С одной стороны, их вид крайне «технотронен», что позволяет без ущерба для общей композиционной идеи вживлять их в самые экстремальные Hi-Tech-постройки. С другой — с помощью сетчатых оболочек можно создать максимально биоморфный объем. Это отвечает еще одному крайне модному в последние 20 лет веянию в архитектуре — стремлению создать «экологические» по формообразованию постройки. В этой области занятен опыт чешского архитектора и инженера Яна Каплицки, который создал множество проектов так называемых био-домов. Большая часть из них предполагала использование металлических сетчатых оболочек в качестве несущих конструкций для остекления. К сожалению, ни один более или менее серьезный проект неистового чеха так и не был реализован.

Технологические нюансы 
     Несмотря на внешнюю ажурность и легкость сетчатых оболочек, их изготовление до недавнего пор оставалось крайне дорогостоящим и трудоемким делом. Именно сложность технологии строительства сдерживало более широкое применение этих конструкций. Главная проблема любых сетчатых оболочек — узлы соединения перекрещивающихся стержней. В самом элементарном варианте, когда собирается оболочка небольших размеров, эти стержни попросту свариваются между собой газовой или электросваркой. Но при увеличении габаритов и, прежде всего, пролетов оболочек, сечение несущих элементов становится больше. В результате возникает необходимость разработки специальных узлов соединения. Как правило, изготовление этих узлов требует заводской точности, что, естественно, значительно удорожает их производство. 
В момент сборки оболочки также необходима филигранная точность монтажа, не всегда доступная (особенно в России).  
   

        Широкое распространение в современной прогрессивной архитектуре сетчатые оболочки получили благодаря внедрению компьютерного моделирования и вычислительных программных комплексов, позволяющих расчитывать и проектировать конструкции, а также появлению новых строительных материалов и технологий.

     Одни из первых сетчатых оболочек в полном смысле этого слова — перекрытие Выксунского завода оболочкой двоякой кривизны, построенное в 1893 году, слева — сетчатые шатровые навесы Нижегородской выставки (1896 год). Оба эти сооружения «принадлежат перу» Шухова.

     Торговые павильоны в г. Мангейм (Германия), построенные по проекту Хьюго Херинга и Фрая Отто. Оба павильона практически целиком изготовлены из сетчатых оболочек, перекрывающих площадь 9500 м 2 . Стеклянные заполнения ячеек «сетки» позволяют осуществить естественное освещение интерьера по всей поверхности «стен» и «кровли».

      Музей фруктов в г. Яманаши (Япония) — традиционный специфический японский взгляд на сетчатые оболочки, насыщенно выраженный уроженкой Страны восходящего солнца Итсуко Хосегава. Здесь оболочки используются и как несущие конструкции для остекления, и просто как металлическая решетка, обозначающая объем сооружения.