7.Гипары в архитектуре

С каждым годом оболочки привлекают внимание все большего числа специалистов. Инженеры находят в них большие конструк­тивные возможности, дающие экономический эффект. Архитекторов привлекает новизна и оригинальность форм и решений. Но ар­хитектура оболочковых зданий по существу находится еще в на­чальной стадии своего развития. И творчество в ней, естественно, сопряжено с трудностями объективного и субъективного характера. Непривычные формы оболочек трудно воспринимаемы. Они разбивают многие извечные представления человека о здании, в осо­бенности такие формы как гипары.

Проектирование оболочек сопряжено с трудностями. Сравни­тельно небольшой опыт применения оболочек в архитектуре еще не позволяет в полной мере обобщить и художественно осмыслить те их специфические особенности, без учета которых невозможны художественно полноценные произведения. В результате иногда наблюдается общий, формальный подход к оболочкам, выражающийся в погоне за экстравагантными формами, без учета стати­ческих, геометрических особенностей формы, ее оптимального вы­бора и характера психологического воздействия на зрителя, а также функциональных требований.

Композиционные возможности гипара очень велики, и задача архитектора состоит в том, чтобы найти оптимальное решение. 3а критерий оптимальности должны приниматься: функциональность, экономичность, конструктивная целесообразность, пластич­ность формы. В каждом конкретном случае поиск пространствен­ного решения гипаров должен основываться на функциональных требованиях - от функции к форме при последующем достижении единства. Цель, преследуемая архитектором (при решении определенной задачи), состоит не только в применении конкретного гипара-оболочки. Использование последнего должно быть лишь результатом поиска оптимального решения поставленной задачи.

В то же время можно сказать, что в принципе любая поставленная задача ограничения пространства может быть решена посредством гипара. Архитектурные возможности гипара заключены в его форме, обладающей ярко выраженной пространственностью, объемностью и в силу этого способностью к ограничению пространства в степени, приближающий его к известным в архитектуре стереометрическим формам: параллелепипеду, конусу, полусфере.

В этом смысле речь может идти о гипаре - оболочке как архитектурной форме, которая, как и любая другая, имеет свои специфи ческие особенности, отражающиеся в организации объемнопространственной структуры зданий.

В зависимости от функциональной нагрузки по ограничению пространства все гипары можно разбить на три группы, каждая из которых имеет свою специфику объемно-пространственного решения: гипары-покрытия, гипары-здания, консольные гипары.

Гипары-покрытия.

Предполагается наличие субструкций (несущих стен, колонн), поддерживающих покрытие. Ввиду того что наружные стены и колонны не могут воспринять значительные горизонтальные усилия, неизбежно возникающие при работе гипара, необходимо устраивать затяжки либо применять статически урав­новешенные композиции гипаров. Функции гипаров этой группы ограничиваются покрытием пространства и близки к функциям покрытий других типов. Гипары-покрытия в виде единичных оболочек, применяются чаще всего в промышленных зданиях, реже - в общественных зданиях, из-за необходимости устройства затяжек.

В промышленных зданиях часто используются покрытия в виде группы оболочек. Под группой подразумевается такое расположение оболочек, составляющих покрытие, при котором каждая из них функционирует обособленно от других и не имеет с другими общих контуров. В промышленных зданиях такая система может быть удачно решена в случаях, когда затяжки допускаются функциональными требованиями. Например, фабрика в Ахмадабаде (Индия) покрыта железобетонными единичными оболочками в виде группы размером в плане 6,3 Х 9 м (рис. 18). Три угла каж дой оболочки, находящиеся в горизонтальной плоскости, опираются на колонны, четвертый угол приподнят на 2,97 м, образуя два вертикальных фонаря треугольной формы. На рис. 18 показаны компоновки, при которых достигается разностороннее естест­венное освещение помещений.

Удачный пример применения группы оболочек в общественных зданиях - покрытие кассового зала вокзала в Схидаме, Голлан­дия (рис. 19). Кассовый зал представляет собой здание линейной композиции размером в плане 72 Х 9 м; располагается параллельно зданию вокзала на расстоянии 7 м от последнего. Покрытие 24 обособленные оболочки размером в плане 5 Х 5 м, диагонально располагающиеся тремя рядами. Верхние углы оболочек двух крайних рядов образуют карниз здания. Благодаря способу опи­рания распоры в двух крайних рядах оболочек взаимно погашаются. Распор оболочек среднего ряда воспринимается железобетонными балками, связывающими опары с близко расположенным зданием вокзала. Таким образом, система уравновешена и необходимость в затяжках отпала.

В результате найденной композиции покрытия получилось вполне функциональное, пронизанное светом пространство с минимальным числом промежуточных опор.

В общественных зданиях эффективно применение покрытий центрических композиций группой из трех, четырех, пяти оболочек. Преимущество таких композиций по сравнению с другими в том, что возможно естественное освещение центральной части покрываемого пространства фонарями оригинальных симметричных форм. Пример центрической композиции в виде группы из пяти оболочек - покрытие актового зала женской гимназии в Саутворке (рис. 20). Актовый зал представляет собой двухэтажное здание, пятиугольное в плане, со стороной 27 м. В первом этаже располагаются вспомогательные помещения. Центральную часть верхнего этажа занимает круглый в плане зал диаметром около 25 м.

В пяти свободных углах располагаются классы. Здание по­крыто пятью гипарами на прямолинейном контуре. Внутренние верхние углы гипаров направлены к вертикальной оси симметрии

здания и отделены один от другого фонарем в виде пятиконечной звезды, через который осуществляется естественное освещение зала. Нижние углы гипаров опираются на пять колонн, стоящих посреди наружных стен здания в своеобразных карманах, исполь­зуемых в качестве лестничных клеток. Перед каждой колонной устроен небольшой бассейн для сбора ливневых вод. Расположением затяжек в толще перекрытия эффектно решается труднейшая задача уравновешивания оболочек без нанесения ущерба интерьеру. Однако художественная выразительность этой композиции значительно ослаблена тем, что авторы не подчеркнули легкость покрытия. Наружные стены выдвинуты до предела, создавая ви­зуальный барьер, мешающий воспринять толщину оболочки.

В составных покрытиях, т. е. сочетаниях оболочек, в отличие от ранее рассмотренных групп оболочек исключена возможность устройства верхнего света. Это ограничивает их применение в качестве покрытий общественных зданий. Указанный недостаток может компенсироваться устройством бокового освещения, что обеспечивается оболочками определенных сочетаний.

Для покрытия павильона астрофизики университета в Мехико Ф. Кандела применил сочетание из двух оболочек на криволинейном контуре. Подобное решение удовлетворяет требованиям, предъявляемым к павильону: отсутствие боковых проемов, тонкостенное ограждение из железобетона. Чтобы удовлетворить первому требованию, автор поднимает здание на опоры, устраивая вход снизу. Заданный план размером 12 х 10,75 м покрывается двумя сочетающимися железобетонными оболочками толщиной 1,5 см, которые по контуру в виде параболических арок жестко связаны с рамой платформы. В этом небольшом здании благодаря смелому инженерному решению достигнуто гармоническое единство целого и деталей.

На рис. 22 показаны возможные сочетания трех, четырех и более оболочек центрической и линейной композиции. По способу опирания различают оболочки двух видов: с коньковым опиранием при свободно нависающих углах и с угловым опиранием.

Распространен прием устройства покрытий в виде групп соче­таний оболочек, состоящий в различных способах компоновки покрытия оболочками вышерассмотренных форм. Способ компоновки покрытий определяется технологическими и конструктивными требованиями, а также планировочным решением здания и может применяться для зданий с различным характером композиций: глубинной, линейной, живописной (свободной).

Группы сочетаний элементов чаще всего применяются для про­мышленных зданий с глубинной композицией. Прямоугольная сетка колонн промышленных зданий обусловливает использование сочетаний элементов на прямоугольном плане соответствующих размеров. Яркий пример соответствия формы покрытия характеру технологического процесса – ситценабивная фабрика в Воркестере (Англия), представляющая собой здание размером в плане 45 Х 45 м и шагом колонн 6,5 м. Способ сочетания оболочек, покрывающих набивной цех, обеспечивает верхнее освещение, удовлетворяя требованиям заказчика к этому цеху.

Два боковых пролета по 9 м заняты под наборный и упаковочный цехи. Требование об отсутствии выступающих частей конструкций, на которых могла бы скапливаться пыль, также удовлетворено. Благодаря статической уравновешенности системы покрытия удалось избежать устройства затяжек.

При глубинных композициях, свойственных промышленным зданиям, чтобы обеспечить верхнее освещение, часто возникает необходимость отделять оболочки небольшими площадками, используемыми для устройства внутреннего водоотвода. Подобный прием применен Ф. Канделой в покрытиях промышленных зданий в Мексике: заводов в Ксочи-Милко, Сан-Бартоло .

Экономичным типом оболочек считаются зонтообразные обо­лочки, диапазон применения которых в качестве покрытий весьма широк. «Зонтами» покрыты промышленные здания, спортивные сооружения, трибуны ипподрома в Колумбусе (США), обществен­ные здания, торговые центры и даже жилые дома. Существуют зонты двух разновидностей-прямой и опрокинутый (рис. 24, б, в). Покрытие в виде прямого зонта применено инж. Д. Барони в начало тридцатых годов в Италии. Опрокинутый зонт или воронкообразная оболочка впервые введены в строительство для покрытия завода в Нове Место (Чехословакия) в 1934 г. инж. К. Грубаном.

Имея примерно одинаковую жесткость, зонты системы Д. Барони более устойчивы, чем «опрокинутые зонты», но последние более выгодны в эксплуатации, поскольку ливневые воды могут отводить­ся по трубам, скрытым в опорах оболочек. Кроме того, они обла­дают большими композиционными возможностями.

Наряду с зонтообразными оболочками большое распростра­нение получили гипары на криволинейном контуре - лоткообразные оболочки (рис. 24, д, е), конструктивно-экономический эффект которых может быть увеличен благодаря применению предвари­тельного напряжения.

При линейной композиции из-за небольшой ширины зданий (развитие по длине) отпадает необходимость устраивать верхнее дневное освещение и внутренний водоотвод, что расширяет воз­можности выбора форм оболочек. Для зданий (чаще всего общественных) с нерегулярным планом могут применяться свободные композиции, художественно выразительные и весьма эффективные конструктивно, например здание института государства в Лондоне, схема покрытия и фрагмент интерьера которого показаны на рис. 26. Форма покрытия этого здания (квадрат в плане со стороной 60 м) представляет собой группу из пяти оболочек. Покрытие опирается на стены и две стойки в нижних углах оболочек.

Гипары-здания.

Оболочки, «опущенные на землю», исключают применение субструкций в виде стоек, несущих стен, необходимых при гипарах-покрытиях. Оболочка сама выполняет несущие, порывающие и ограждающие (частично или полностью) функции, Т. е. становится зданием. Такое конструктивное единство ранее дифференцированных (зрительно и статически) конструктивных элементов составляет специфику оболочек и требует соответствующего архитектурного выражения.

Данным композиционным приемом наиболее полно раскрывается природа гипара, что позволяет максимально использовать его архитектурно-конструктивные свойства.

Различают два вида гипаров-зданий: с точечным опиранием уг­лами на контрфорсы или продолженными несущими ребрами непосредственно на фундамент; с опиранием по линиям пересечения оболочки с горизонтальной плоскостью - уровнем земли. Такие оболочки зрительно воспринимаются вырастающими из земли.

Объемно-пространственные решения оболочек с опиранием на контрфорсы близки к объемно-пространственным решениям гипаров-покрытий. Посадка оболочки на низкие опоры в виде контрфорсов (высота которых колеблется от 0,5-2 м) сопряжена с проблемой «мертвого пространства» в зоне опор, решение которой отражается на объемно-пространственной структуре здания. Од­нако опирание оболочек на контрфорсы, воспринимающие, кроме вертикальных, и горизонтальные усилия оболочки, расширяет композиционные возможности, позволяет значительно увеличить пролет оболочки.

Самыми распространенными гипарами-зданиями в виде единич­ных оболочек являются гипары на прямолинейном пространствен ном контуре, квадратные или ромбические в плане, применяемые для залов различного назначения. Размеры их колеблются от 15 до 60 м. Крупнейший из звестных гипаров этого вида - зал универсального назначения в Людвигсхафене (ФРГ). Последний

х

э

представляет собой квадратную в плане оболочку со стороной 60 м .

Существуют два приема объемно-планировочного решения ги­паров в виде единичных оболочек: план оболочки адекватен плану помещения; план оболочки расположен диагонально по отношению к плану помещения. При диагональном расположении оболочки относительно плана помещений пространство под оболочкой используется не полностью, но объемно пространственные решения полу чаются более выразительными. Применение этого приема целесообразно тогда, когда оболочка устраивается над помещением, входящим в состав развитого по длине здания. Благодаря такому расположению оболочкой подчеркивается домини­рующее значение зала в комплексе.

Другой характерный пример - оболочка концертного зала в Эдинбурге (Великобритания). Одноэтажное, вытянутое в плане здание музыкальной школы оканчивается концертным залом, покрытым единичной оболочкой. Пространство у опор не используется. Хорошо найдены пропорции пологой оболочки

47, 7м

в сочетании с одноэтажным объемом, однако интерьер имеет недостаток. Зал ориентирован не вдоль выпуклой параболы оболочки, как в зале Шицуока, а вдоль вогнутой, что значительно снижает акустические качества зала.

Форма составных оболочек, особенно поставленных на землю, т. е. гипаров-зданий, значительно разнообразнее, чем одиночных оболочек. По форме составные гипары-здания бывают прямоли­нейного и криволинейного контура. Кривизна контуров оболочек придает мягкость форме: такая оболочка ассоциируется с совер­шенными природными оболочками.

В архитектурной практике известны гипары-здания в виде сочетаний из трех, четырех и более элементов, составляющих оболочку на криволинейном контуре. Как показывает статический анализ оболочек такого типа, усилия скорлупы каждого из элементов передаются по образующим к ендовы м - линиям сопряжения элементов, оставляя контуры оболочки ненапряженными. Это позволяет в ряде случаев оставлять края оболочки свободными от контурных балок.

Ресторан в Лонг-Биче- одна из крупнейших составных оболочек с криволинейными контурами. Оболочка пролетом 60 м возведена над центральным залом, входящим в состав вытянутого в плане здания ресторана. Она выглядит легкой, изящной, непринужденно простирающейся над вытянутым объемом здания. Зрительная легкость здания достигается умело выявленной толщиной оболочки (5 см): стеклянное ограждение подоболочкового пространства, а также бортовые ребра отодвинуты от краев оболочки.

Один из видных зодчих современности Ф. Кандела видел обла­гораживание формы оболочки в освобождении ее от бортовых балок. Среди возведенных им оболочек (железобетонных на криволинейном контуре) лучшими по праву считаются зал в Акапулько и ресторан в Ксочимилко (Мексика). Обе оболочки центрической композиции и лишены бортовых балок. Ресторан в Ксочимилко представляет собой взаимное пересечение четырех седлообразных элементов, в результате чего получается сочетание из восьми лепестков. Изящество оболочки достигается применением свободных контуров, а также тектонично решенными опорами. Самым распространенным типом оболочек-гипаров на криволинейном контуре является крестовый свод, образованный пересечением двух седлообразных гипаров. Оболочки такого типа использованы для покрытия биржевого зала в Мехико и разливочного цеха фирмы Бакарди (Мексика) . Три крестовых свода из гипаров, поставленные в ряд, покрывают пространство 25,5 Х90 м. Опоры двух смежных оболочек в виде продолженных ендов сходятся на уровне земли в одной точке и имеют общий фундамент. Треугольные фонари с горизонтальными членениями остекления гармонируют с параболическими контурами оболочек, консольно-нависающими над остекленным вертикальным ограждением здания.

Композиция составных гипаров--зданий на прямолинейном контуре аналогична композиции гипаров--покрытий. Наиболее часто встречаются гипары в виде сочетаний из трех, четырех и преимущественно конгруэнтных оболочек. Покрытие, состоящее из четырех оболочек, применил арх. И. Асихара для гимнастического зала на 3000 чел. в Токийском парке Комазава. Оболочка опирается четырьмя несущими ребрами, проходящими через линии сопряжения элементов. Консольно нависающие четыре угла оболочки создают живописную затененность остекленного здания.

Значительным достижением в архитектурном освоении гипаров можно назвать церкви Вицента в Кайокане и В. Милагроза в г. Мехико, запроектированные Ф. Канделой совместно с архитекторами Э. дела Мора и Ф. Кармана и построенные в Мексике 1959 г. Особенно удачно объемно-планировочное решение здания церкви Вицента, в котором композиция оболочки соответствует функциональному назначению здания (рис. З3). Три гипара сгруппированы в треугольную в плане оболочку с медианой треугольника, равной 30,11 м. В центре треугольника устроен алтарь, а в трех отсеках вокруг него расположены сиденья. Интерьер освещен сверху решетчатым фонарем с цветным остеклением, связывающим три элемента оболочки. Здание посажено в центре круглой площадки, окруженной густой зеленью парка. Вокруг трех контрфорсов оболочки устроены водоемы, куда стекаются ливневые воды. Бла­годаря сплошному боковому остеклению здание просматривается насквозь, подчеркивается легкость оболочки. Оболочка церкви В. Милагроза, возведенной над площадкой 30 Х 50 м, состоит полностью из гиперболических параболоидов, толщина которых 3,5 см. Пространственное решение здания просто. К щипцовой оболочке (высота конька 20,9 м) примыкает шатер, образованный панелями, каждая из которых составлена из четырех элементов. Такое сочетание элементов панелей продиктовано конструктивными функциональными требованиями, формируя интересный интерьер .

Отличительной особенностью гипаров--зданий второго вида (с опиранием по линии пересечения оболочки с горизонтальной плоскостью, т. е. «вырастающих из земли») является многогранность функций оболочки, т. е. оболочки данного вида выполняют все функции ограничения ространства: функции покрытия, стен, опор, в отличие от гипаров-зданий первого вида, лишь частично ограждающих пространство. Роль оболочки доведена до максимума. Не только объемно-пространственная структура, но и тектоника, пластичность решения, художественный образ здания формируются компоновкой оболочки. Отсутствие дифференциации усиливает ощущение цельности оболочки. Не случайно поэтому выдающиеся мастера современного зодчества (Ле Корбюзье, Ф. Кандела, К. Тайге) прибегали к гипарам-оболочкам с исполь­зованием этого композиционного приема.

Гипаров--зданий рассматриваемой группы построено пока сравнительно немного. Наиболее типичные и яркие примеры - католическая церковь в Токио (рис. 35), павильон фирмы .«Филиппс» на международной выставке в Брюсселе (плавательный бассейн в Сан-Паоло (Бразилия).

Павильон «Филиппс» представляет собой ассиметричную композицию из 12 неконгруэнтных гипаров на турах. Геометрия оболочки разработана французским математиком Б. Лафайем. Линия опирания составной оболочки не совпадает с прямолинейными образующими элементов, в результате чего получается криволинейный план произвольных очертаний площадью примерно 1000 м². Однако он так же, как и все сооружения в целом, строго функционален. Большая крутизна поверхностей оболоч­ки сводит подоболочковое «мертвое про­странство» до минимума, позволяя исполь­зовать практически всю перекрываемую площадь. Объемно планировочная структура павильона, состоящего из залов, переходящих один в другой, соответствует характеру и способу экспозиций. Конструктивное решение оболочки, разработанное инж. Дюйстером, также новаторское. Применены сборные железобетонные плиты, встроенные между двумя сетками . из тросов, прикрепляющиеся к железобетонным бортовым элементам. Мнения по поводу архитектурного решения павильона резко расходятся. Некоторые авторы называют его формалистическим произведением с надуманными формами. Однако при более тщательном анализе нельзя не заметить архитектурной, конструк­тивной и функциональной логики данного сооружения. К. Зигель , например, считает павильон большой творческой удачей авто­ра, намного опередившей наше время.

Консольные гипары.

Архитектурные аспекты гипаров данного вида из-за минимального числа субструкций и открытого пространства под оболочкой сводятся к поискам формы - компоновке элементов. Существующие консольные гипары могут быть разделены на два типа, различающихся конструктивной идеей компоновки, а также характерами форм: гипары консольные и двухконсольные,вееро­образные гипары-оболочки.

Первой оболочкой в форме гипара был двухконсольный навес вылетом консоли 12,5 м, построенный Б. Лафайем [82] в 1933 г.

Оболочка состоит из рамы с коньковым ригелем, к которой с обеих сторон симметрично примыкают по два гипара. Часть распора уравновешивается в горизонтальном коньке, другая воспринимается рамой. Подобный прием сочетания гипаров применил Эмон в проекте ангара для самолетов, предложенном еще 1930 г. Веерообразные композиции из гипаров благодаря скульптурности используются как малые архитектурные формы - козырьки навесов для проходных, малых эстрад, фонтанов и т. д. Конструктивная основа таких композиций, - складки, собираемые в пучок в месте опоры. Как известно, складки обладают большой жесткостью, которая в данном случае усугубляется двоякой кривизной составляющих элементов.

Список литературы

1. Ю.А. Дыховичный, Э.З. Жуковский «Пространственные составные конструкции» 1989г.

2. И.Е. Милейковский, А.К. Купар «Гипары, расчет проектирование пологих оболочек покрытий в форме гиперболических параболоидов» 1977г.

3. В.Н. Байков, Э. Хампе, Э. Рауэ «Проектирвоание железобетонных тонкостенных пространственных конструкций» 1990 г.