Большепролетные конструкции в архитектуре зданий и сооружений


Н. А. Бузало, А. А. Тумасов, Н. Г. Царитова






                БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В АРХИТЕКТУРЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ





Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 69.07
ББК 38.44:39.112
     Б90





Рецензенты:
профессор, доктор технических наук (ЮРГПУ(НПИ)) Г. М. Скибин; профессор, доктор технических наук (ДГТУ) С. Г. Шеина





    Бузало, Н. А.
Б90     Большепролетные конструкции в архитектуре зданий и сооружений :
     учебное пособие / Н. А. Бузало, А. А. Тумасов, Н. Г. Царитова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 144 с. : ил.
         ISBN 978-5-9729-0965-0

     Выполнена классификация большепролетных покрытий зданий и сооружений, показаны принципы формообразования и характерные особенности различных видов покрытий, даны примеры авторских работ известных архитекторов. Рассмотрены системы мостостроения.
    Для студентов строительных направлений подготовки.

                                                      УДК 69.07
                                                      ББК 38.44:39.112













ISBN 978-5-9729-0965-0

     © Бузало Н. А., Тумасов А. А., Царитова Н. Г., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..................................................5
Глава 1. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ.....................7
Глава 2. БИОНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ............................16
2.1. Методологические направления формообразования......16
2.2. Природообразные формы в эволюционном развитии архитектуры.............................................18
Глава 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ
ПОКРЫТИЙ. КОНСТРУКЦИИ НА ПРОЛЕТ И ЖЕСТКИЕ ОБОЛОЧКИ................................................27
3.1. Конструкции «на пролет»............................27
  3.1.1. Плиты-настилы..................................28
  3.1.2. Складки........................................30
  3.1.3. Цилиндрические оболочки........................32
  3.1.4. Сводчатые конструкции..........................35
3.2. Жесткие оболочки...................................38
  3.2.1. Крестовые своды................................38
  3.2.2. Сомкнутые своды................................40
  3.2.3. Оболочки положительной Гауссовой кривизны......41
  3.2.4. Оболочки отрицательной Гауссовой кривизны......44
  3.2.5. Зонтичные оболочки.............................47
  3.2.6. Жесткие купола.................................48
Глава 4. СИСТЕМЫ РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ...................54
4.1. Структурные плиты с перекрестными ребрами..........56
4.2. Плиты регулярной структуры из отдельных стержней и из объемных элементов.................................57
4.3. Плиты регулярной структуры пластинчатые............61
4.4. Сетчатые своды и оболочки..........................62
4.5. Сетчатые купола....................................64
Глава 5. ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ...............................69
5.1. Подвесные системы..................................69
5.2. Фермы из тросов....................................71
5.3. Сетки из тросов....................................73
5.4. Сетки из тросов и балок............................75
5.5. Висячие оболочки...................................76
5.6. Покрытия с жесткими вантами........................77
5.7. Мембранные покрытия................................79
5.8. Комбинированные системы висячих покрытий...........82
Глава 6. ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПОКРЫТИЯ......................85
6.1. Тентовые покрытия..................................85
6.2. Пневматические конструкции.........................90

3

  6.2.1. Пневмоопорные конструкции....................92
  6.2.2. Пневмонапряженные конструкции................99
6.3. Трансформируемые жесткие системы................100
Глава 7. МОСТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ.........................105
7.1. Основные системы мостов.........................105
7.2. Балочные мосты..................................110
7.3. Рамные мосты....................................113
7.4. Арочные мосты...................................114
7.5. Висячие и вантовые мосты........................116
  7.5.1. Висячие мосты...............................119
  7.5.2. Вантовые мосты..............................121
Глава 8. БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ СПОРТИВНЫЕ
СООРУЖЕНИЯ...........................................123
БИБЛИОГРАФИЯ.........................................141

4

            ВВЕДЕНИЕ



    Во все этапы развития архитектуры пространственные конструкции воплощали последние достижения технической мысли человека в сочетании с художественным представлением о форме и пространстве. Пространственные сооружения выражали стремление к бесконечному, легкому и многообразному.
    Термин «пространственные» определяет конструкции, имеющие трехмерную организацию по сравнению с плоскостными, имеющими значительные размеры по длине и высоте и концентрацию материала (фермы, балки). Все гармонично сформированные пространственные конструкции, как правило, имеют природные аналоги, отвечают требованиям оптимального распределения материала, минимальной массы не только за счет прочностных свойств материала, но и за счет оптимальности формы. Природа веками шлифовала пространственные формы своих произведений (кости скелета, стебли и листья растений, скорлупа ореха, панцирь моллюска и многих других), которые имеют оптимальные показатели прочности, жесткости, устойчивости, приспособленности к окружающей среде, сохранив при этом изящество и художественное совершенство.
    Пространственные конструкции позволяют перекрывать все б о льшие и б о льшие пролеты сооружений, необходимость в которых связана с социальными и функциональными процессами, требующими свободных объемов для проведения спортивных и зрелищных мероприятий, политических и выставочных форумов, концертов, фестивалей, ярмарок. За последние десятилетия активно вошли в городскую среду, соперничая между собой в элегантности и красоте, легкости и нереальной мощи, современные трехмерные конструкции, находящиеся в авангарде передовых архитектурных течений.
    Создатели таких конструкций не прекращают творческие поиски новых решений, так как появляется новый социальный заказ на высокодуховную и оптимально организованную среду. Появление новых строительных материалов, поиски новых принципов формообразования и конструирования, возможность использования средств компьютерного моделирования и точных методов расчета позволяют совершенствовать все виды пространственных конструкций, выявлять композиционные средства их художественной выразительности.

5

    Пространственные конструкции и реализованные ими формы создают художественно активные объекты среды, позволяющие композиционно сформировать градостроительный ансамбль как в новой, так и в исторической застройке.
    Геометрическое многообразие пространственных (трехмерных конструкций) представлено в данном пособии.

6

Глава 1



            ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ


    История развития архитектуры и строительства неразрывно связана с историей человечества, так как формируя ту или иную пространственную среду строитель призван был выполнять социальный заказ общества. Традиционные и новые функциональные процессы, культовые церемонии требовали все больших и больших размеров помещений, что стало одной из предпосылок создания конструкций, способных перекрывать значительные пролеты. Особое место среди конструкций, способных перекрывать средние и большие пролеты (от 18 до 200 метров), принадлежит пространственным.
    Особенность пространственных конструкций заключается в их органичной связи с формой, что дает право говорить об архитектурно-конструктивной системе, где форма есть следствие оптимально работающей конструкции, где конструкция реагирует на эстетические и художественные требования создаваемой формы. Эта совокупность создает значительное многообразие архитектурно-композиционных возможностей, позволяющих решать художественные задачи формирования той или иной среды. Известные олимпийские ансамбли Токио и Сочи (рис. 1.1, 1.2), запоминающийся образ Оперного театра в Сиднее (рис. 1.3), градоформирующее значение римского Пантеона (рис. 1.4), поразительный масштаб футбольного стадиона в Милане (рис. 1.5) - эти запоминающиеся образы есть продукт творческого осмысления различных архитектурно-конструктивных систем.
    В строительной практике мы знаем примеры ситуаций, когда новые материалы и конструкции давали начало стилеобразованию, очевидно, что современные пространственные системы формируют стилистику творческого многообразия поразительной легкости и масштабов.
    Пространственные архитектурно-конструктивные системы - визитная карточка современности, олицетворяющая передовую инженерно-техническую и художественную мысль человечества на данном этапе развития и демонстрирующая неограниченные возможности науки и техники.

7

a

б

Рис. 1.1. Олимпийский спортивный комплекс йоги в Токио. 1961-1964 гг., арх. К. Танге: a - общий вид; б - бассейн

8

Рис. 1.2. Комплекс олимпийских спортивных сооружений в г. Сочи. 2014 г.

Рис. 1.3. Оперный театр в г. Сиднее (Австралия).
1973 г., арх. Й. Утзон

    История развития пространственных конструкций - это история борьбы проектировщика за освоение пространства неограниченных размеров, борьба с силами гравитации, поиски необходимых для этих целей материалов и форм, часто заимствованных у природы. Особыми индикаторами развития конструкций в истории человечества являлись такие сооружения как крытые стадионы и мосты. С увеличением пролетов перекрываемых пространств плоскостные конструкции стали трансформироваться в пространственные.


9

a

б

Рис. 1.4. Пантеон в Риме, 125 г.:
a - внешний вид, б - внутреннее пространство

10

Рис. 1.5. Стадион «Джузеппе Меацца» (Сан Сиро) в Милане (Италия) после реконструкции в 1989 г., арх. У. Стаккини и А. Куджини

    Самыми доступными строительными материалами для древних зодчих были древесина и камень. Известна грандиозная каменная постройка купольной ступы в Санчи (Индия) диаметром около 30 метров, датируемая III-I веком до нашей эры (рис. 1.6).


Рис. 1.6. Ступа в г. Санчи (Индия). III-I век до н.э.

11

    Каменные своды древнеперсидских айванов III века нашей эры пролетом до 23 метров дают представление об искусстве мастеров древних цивилизаций (рис. 1.7). Появление искусственного камня - бетона сказалось на эволюции пространственных купольных конструкций, чему свидетелем является существующий с 126 года после рождества Христова до сегодняшнего дня купол Римского Пантеона (рис. 1.4), внутренний диаметр которого 43,3 метра.

Рис. 1.7. Каменные своды айванов в Иране. III век н.э.

    Материалы археологических изысканий демонстрируют ажурную древнеармянскую конструкцию из веток или бревен «азарашен» в жилом доме раннего средневековья «глхатун», в котором взаимным пересечением линейных элементов создано коническое пространственное покрытие (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Народное жилище Глхатун в Армении. III-IV век н.э.

12