2.4. Архитектоника, биотектоника и природа

Для природных объектов характерно широкое распространение основных характеристик архитектоники и биотектоники – органичного использования пространства, Золотого сечения, симметрии, подобия, спирали.

Традиционное понятие «форма в живой природе» – поверхность, очерчивающая объем животного или растения, статично, не учитывающее их главного свойства – свойства роста. Чтобы исследовать морфогенез, формообразование, необходимо понятию «форма» дать динамичное определение, которое объединяло бы в одно целое представление о росте как энергетическом процессе и освоении пространства при развитии из зародыша (Точки начала роста). Такой взгляд включает цель исследования и заключенное в нем содержание. Необходимо учитывать, что все происходящие в процессе роста изменения форм животных и растений происходят в пространстве.

Растения – сложно и по заданному плану устроенные живые организмы. В мире растений, в отличие от животных, клеточные структуры не компонуются из готовых конструкций других живых организмов, а создаются изначально. Растения находятся в тесных отношениях с окружающей средой – произрастают там, где есть свет, тепло, вода, кислород, углекислый газ, минеральные питательные вещества, из которых они формируются. Растения, как и животные, размножаются методом дихотомических делений и спариваний.

«Правильное деление пространства, наблюдаемое в структуре кристаллов, изучено широко. О свойствах пространства, определяющих гармонию форм в живой природе, известно несравнимо меньше. Существует, следовательно, особая область симметрии, не оцененная в полной мере, не понятая физиками и геометрами, глубоко не исследованная. Интересно понять, что такое жизнь с точки зрения геометрии. Формы живых существ человек может описать только на языке геометрии, увидеть смысл понятия «гармония» на языке биолога и геометра» (Шевелев, 2000).

Высшее совершенство в строении дерева, являющегося частью материи, могло сформироваться лишь в полном соответствии с глобальными свойствами и законами материи, с законами природы. Рост и форма изучаемого объекта в процессе математического моделирования выражаются одной формулой. Золотое сечение представляет собой в природе фундаментальную константу формообразования, но константу неявную, а глубоко скрытую от поверхностных наблюдений (Шевелев, 1986).

Особым подходом, способным во многом обогатить развитие современной архитектуры, отличается архитектурная бионика. Архитектурная бионика зародилась в середине XX в.; к настоящему времени в мире создано большое число зданий и сооружений с использованием ее принципов.

Архитектурная бионика – использование в архитектуре форм живой природы (морских раковин, лепестков цветов, панцирей черепах, изогнутых листьев растений и т.д.). К ней относятся биологические структуры и их развитие в динамике, биоматериаловедение, биотехтоника (создание новых конструкций), архитектурно-биологическая экология, урбанистика и др. Аппроксимацией формы является замена криволинейных поверхностей плоскогранными поверхностями с использованием правильных и неправильных многогранников.

В русских деревянных церквах нашла выражение гармония стройных остроконечных елей, а в их главах – фактура сосновых или еловых шишек. В золотых главах русских церквей («луковицах») отразились, возможно, также природные формы.

Архитектурная бионика – это использование принципов формообразования живой природы и построения ее структур для решения не только вопросов архитектурного конструирования, но и организации архитектурного пространства, экологических вопросов, цвето-световой организации среды, эстетики.

Архитектурная бионика, опираясь на методологическую основу философии, обогащает мировосприятие раскрытием конкретных существенных взаимосвязей между принципами и законами биосферы и техники; архитектурная бионика создает по образцу природы новые элементы и комбинации, не существующие в природе (Лебедев, 1977).

Основным способом существования материи является движение преимущественно в форме вращения, а основными формами существования – время и пространство. При этом вращение происходит по спирали, обеспечивающей развитие структур материи. В спиральном движении находится 60% общего числа галактик, входящих в состав Вселенной. К ним относятся и наша Галактика – Млечный путь. У спиральных галактик есть плоская составляющая – диск, в котором сосредоточена большая часть галактического вещества.

Числа е-натуральное и Ф имеют важнейшее значение в организации материи. Натуральный логарифм является математическим выражением движения (вращения) космических объектов в условиях гравитации. Золотое сечение Ф (фи) является основным соотношением в устройстве материи, в формировании ее структур.

В живой природе функции и формы сближены и взаимно обусловлены. Для конструктивной формы стволов и стеблей растений характерно распределение строительного материала по линиям максимальных напряжений, в связи с чем опорные элементы организма обладают значительной его массой. Одной из опорных форм в природе является конус. Он присутствует в конструктивном построении крон и стволов деревьев, стеблей и грибов, раковин и пр.

Для крон деревьев характерно занятие максимального пространства с целью повышения возможностей синтезирования строительного материала. Для крон деревьев характерно взаимодействие двух конусов; кроны внизу начинают развиваться по принципу конуса роста (основание конуса вверх), а заканчивают развитие по принципу гравитационного конуса – вершиной вверх. Архитекторы в своей работе также используют принцип конуса.

В природе часто встречаются конструкции в виде яйца. Благодаря непрерывности и плавности форм они обладают свойством равномерного распределения сил по всему сечению, а геометрия формы помогает этой конструкции стать прочнее. Формирующаяся с возрастом яйцевидная форма кроны многих светолюбивых древесных пород (наряду с формой гравитационного конуса теневыносливых древесных пород) является оптимальной, способствуя повышению прочности ствола. Древесина ствола древесных пород с формой кроны в виде гравитационного конуса, наоборот, обладает рыхлостью, так как такая крона не способствует формированию прочности ствола из-за сравнительно ограниченных ветровых нагрузок. Древесные породы (сосна, лиственница) с яйцевидной формой кроны (сосредоточенной в верхней части ствола и способствующей усилению ветровой нагрузки), формируют мощную глубокую корневую систему, а деревья с конусовидной формой кроны (ель, пихта) – поверхностную.

В природе встречается большое разнообразие геометрических форм: окружности, овалы, кубы, ромбы, квадраты, треугольники, многоугольники и др. При исходных принципах развития (линейный, плоскостной, пространственный), несмотря на бесконечность форм и множественность принципов формообразования, выделяют несколько наиболее распространенных принципов пространственного развития – линейный, радиально-концентрический и спиральный. Кроме того, развитие происходит и по кривым различных порядков – параболе, гиперболе, синусоиде и др.

Линейное пространственное развитие имеет две разновидности – линейно-полосовое и линейно-сетевое. Радиально-концентрический принцип развития является наиболее распространенным в природе – в виде окружности, на базе овала, эллипса, квадрата, прямоугольника, многоугольника и других геометрических фигур. Сочетание радиально-концентрического и линейно-полосного принципов дает лучевой способ развития.

В основе спирального пространственного развития лежит спираль – кривая, закручивающаяся вокруг точки на плоскости (плоская спираль) или вокруг оси (винтовая спираль). Спиральный принцип пространственного развития осуществляется непрерывным нарастанием объекта вокруг центральной точки или центрального ядра. Развитие пространства может осуществляться или по горизонтали без роста в высоту (горизонтальная спираль), только в высоту (вертикальная спираль) или в высоту и ширину (при этом она может быть восходящей или нисходящей). Наиболее сложными в геометрическом отношении являются параболический и гиперболический принципы развития объектов.

Спираль – плоская кривая, которая обычно обходит вокруг одной (или нескольких точек), приближаясь или удаляясь от нее.

Выделяют алгебраические спирали – гиперболическую, архимедову, параболическую и псевдоспирали (логарифмическая спираль).

С

Рис. 13. Архимедова спираль

пираль Архимеда (архимедова спираль) – плоская кривая (рис. 13, 16), описываемая точкой М, равномерно движущейся по прямой ОА, в то время как эта прямая равномерно вращается в плоскости вокруг одной из своих точек О. Уравнение в полярных координатах r = aφ, где а – постоянная.

Г

Рис. 14. Гиперболическая спираль

иперболическая спираль, плоская кривая (рис. 14), описываемая точкой М, движущейся по вращающейся прямой так, что ее расстояние от центра вращения О меняется обратно пропорционально углу поворота φ.

Параболическая спираль – плоская трансцендентная кривая, уравнение которой в полярных координатах имеет вид

Каждому значению соответствуют два значения – положительное и отрицательное. Кривая имеет бесконечно много двойных точек и одну точку перегиба (рис.15).

С

Рис. 15. Параболическая спираль

пираль является одной из форм проявления движения. Изменяя форму конструкции, придавая ей форму спирали, природа достигает в конструкции дополнительную жесткость и устойчивость в пространстве. Раковины моллюсков, закрученные в виде турбоспирали – это проявление способа достижения наибольшей прочности при экономном расходовании материала (благодаря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают огромное гидравлическое давление на больших глубинах).

Полярные коэффициенты – числа ρ и φ (рис. 17), связаны с прямоугольными координатами x и y формулами:

х = ρ cosφ, (1)

y = ρ sinφ, (2)

где: 0 ≤ ρ < ∞, 0 ≤ φ < 2π

Координатные линии – концентрические окружности (ρ = const) и лучи (φ = const). Каждой точке плоскости О_ху (за исключением точки 0 (нуль)) соответствует пара чисел ρ, φ и обратно. Расстояние ρ точки М от точки 0,0 (полюса) называется полярным радиусом, а угол φ – полярным углом.

Уравнение в полярных координатах ρ = aφ, где а = υ/w. Кривая состоит из двух ветвей (соответствующих положительным и отрицательным значениям φ).

Для растительных объектов характерна динамическая адаптация объектов к изменяющимся условиям среды, обеспечивающая сохранение и эволюцию биологического вида. Ацикличные процессы динамической адаптации являются эволюционными, а необратимые изменения являются эволюционным преобразованием (Сапрыкина, 2005).