Архитектурная бионика
Содержание n n Введение Основные направления Примеры конструкций Заключение
Введение n n n Уже к началу XX века архитектура претерпела существенные изменения. Сказались последствия научно-технической революции – появление железобетона и опыт непосредственного использования металла в качестве строительного материала. Сказались также изменения социального порядка – рост городов, промышленных предприятий, демографическая проблема. Необходимость строить быстро, прочно, много, и дешево оказывала давление на архитектуру и обусловила ее характер и тенденции развития в XX веке. Это определило рождение интеграционных дисциплин и течений в науке, технике и искусстве, одним из примеров которых и является архитектурная бионика. Архитектурная бионика - это новое направление архитектуре, которое занимается исследованием законов формообразования живой природы и принципов построения живых структур с целью использования их в архитектурной практике. Вернуться к содержанию
Рис. 1 n Рис. 2 Рис. 3 Немало замечательных сооружений в далеком прошлом человек создал, копируя архитектурные формы растительного мира. Всмотритесь в легкие африканские постройки, и вы увидите в них очертания ульев (рис. 2), древневосточные пагоды напоминают стройные ели с тяжело висящими ветками (рис. 3), мраморная колонна Парфенона — олицетворение стройного ствола дерева, колонна египетского храма подобна стеблю лотоса, готическая архитектура — воплощение в бесстрастном камне конструктивной логики, гармонии и целесообразности живого. Вспомните знаменитые Кижи. Их купола напоминают луковицы. Церковь в Филях, как живой организм, уменьшается с высотой, развивается от центра к периферии. Вся она как бы трепещет, все в ней тонко и гармонично. Храм Василия Блаженного. . . тот же главный ствол, от которого кверху и в сторону идет разветвление и размельчение форм (рис. 1). Удивительное родство приемов! Словно зодчие договорились об общности своих творческих принципов. Вернуться к содержанию
n n Полистав страницы истории строительного дела, можно найти еще множество примеров копирования человеком архитектоники живой природы. Однако необходимо еще раз подчеркнуть, что древнее строительное искусство было подобно организации живой природы лишь по форме. У природы зодчие учились гармоничности пропорций, логичному распределению объемов здания, подчинению второстепенного главному, верному сочетанию размеров деталей, конструктивной правде, но они не знали главного — законов формообразования, секретов самоконструирования живого. Внутренняя организация живого, конструктивная сторона листа, стебля злака и ствола дерева стали объектом исследования ученых более поздних времен. Эти исследования и заложили основу архитектурной бионики. Вернуться к содержанию
Конусообразные конструкции n В живой природе функция и форма тесно сближены и взаимно обусловлены. Образование механических тканей живых организмов связано с интенсивностью роста и влиянием многих внешних факторов. Поэтому для конструктивной формы, например, стволов и стеблей растений характерно распределение строительного материала по линиям максимальных напряжений. Опорные элементы организма обладают значительной частью его массы. Одной из опорных форм в природе является конус. Он присутствует в конструктивном построении крон и стволов деревьев, стеблей и соцветий, грибов, раковин и пр. Вернуться к содержанию
n n Среди конусообразных форм природы встречаются два начала. Первое – это начало устойчивости. Оно выражается в форме статичного конуса, или конуса гравитации (конус основанием вниз). Это оптимальная форма для восприятия ветровых нагрузок и действия сил тяжести. Ее легко заметить в кроне или стволе ели, в шляпке или ножке белого гриба, сморчка обыкновенного, у гриба зонтика. Второе начало – это начало развития, которое выражается в форме динамического конуса, или конуса роста (конус основанием вверх). Примерами конуса роста являются гриб бокальчик, гриб лисичка, слоевища некоторых видов лишайника кладонии. Но чаще в природе проявляется взаимодействие двух конусов. На основании комбинаций двух одинаковых или разных по своему началу конусов возникают различные формообразования. Примером являются кроны многих деревьев, которые внизу начинают развиваться по принципу конуса роста, а заканчиваются по принципу конуса гравитационного – вершиной вверх. Архитекторы в своем творчестве нередко используют принцип конуса. Так, в конструкции Останкинской телебашни отчетливо виден конус гравитации. Принцип конуса роста лежит в основе построения водонапорной башни в Алжире. Ярким примером взаимодействия двух конусов является конструкция водонапорной башни известного русского архитектора В. Шухова (1896). Вернуться к содержанию
Конструкции с предварительным напряжением n n Среди травянистых растений нашей средней полосы широко распространено растение манжетка обыкновенная. Его легко заметить по складчатой форме листьев и сверкающей капельке влаги, которая часто скапливается у основания листа. Именно благодаря складчатой форме листьев растение и получило свое название сложенные ровными складочками его листья напоминают старинные кружевные манжеты. Ребристая форма листа манжетки, бука, лапчатки придает им по сравнению с такими же листьями, имеющими гладкую поверхность, дополнительную жесткость, прочность и устойчивость в пространстве. Вернуться к содержанию
n n n Так, лист манжетки благодаря ребристой форме удерживает тяжелую каплю воды и не сминается под тяжестью во много раз большей, чем его вес. В этом заключается одна из интереснейших закономерностей природы – сопротивляемость конструкций по форме. Она проявляется не только в складчатых листьях, но и тогда, когда листья или лепестки растений свертываются в трубочку, закручиваются в спираль, образуют причудливые желоба, то есть принимают другую пространственную форму без затрат на это дополнительного строительного материала. Такое изменение формы в пространстве обеспечивает растению, его листьям и цветкам наибольшую прочность и позволяет, например, закрученным длинным листьям рогоза держаться в вертикальном положении, а нежным, длинным лепесткам венерина башмачка противостоять ветру. Принцип сопротивляемости конструкций по форме, существующий в природе, нашел широкое применение в современном строительстве. Складчатая конструкция – одна из простейших среди многообразия пространственных конструкций. Образованные из плоских поверхностей, они просты в изготовлении и в монтаже. Они могут перекрывать весьма большие сооружения, например, зал ожидания на Курском вокзале или легкоатлетический манеж Института физкультуры в Москве. Подражая природным структурным формам, мостовикам удалось создать ряд оригинальных проектов и сооружений. Так, взяв за основу форму полусвернутого листа, инженеры спроектировали мост через реку, сочетавший в себе поразительную прочность и легкость, экономичность и красоту конструкции. Вернуться к содержанию
Оболочки n В мастерской природы часто встречаются конструкции в виде сводов различных пространственных форм (скорлупа ореха и яйца, панцири и раковины животных, гладкие листья, лепестки растений и др. ). Пространственно изогнутые и тонкостенные, они, благодаря непрерывности и плавности формы, обладают свойством равномерного распределения сил по всему сечению. Геометрия формы помогает этим сводчатым конструкциям стать прочнее. Именно потому, что лепесток цветка изогнут, он выдерживает удары капель дождя, садящихся на него насекомых, а тонкие сводные панцири морских ежей, крабов и раковины моллюсков – давление воды в глубине моря. Вернуться к содержанию
n n n Идеальную по прочности форму изобрела природа для тонкой яичной скорлупы. В ней также нагрузка из одной точки передается на всю ее поверхность. Но своеобразие этой конструкции не только в особой геометрической форме. Несмотря на то, что толщина скорлупы равна примерно 0, 3 мм, она состоит из 7 слоев, каждый несет свою определенную функцию. Слои не расслаиваются даже при самых резких изменениях температуры и влажности, представляя собой яркий пример совместимости материалов с различными физикомеханическими свойствами. Повышенную прочность яичной скорлупе придает еще тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным напряжением. С развитием городов и ростом населения перед строителями встала задача проектирования больших по размеру зданий без тяжелых трудоемких покрытий и промежуточных опор. Поэтому легкие и прочные, тонкостенные и экономичные природные сводчатые конструкции заинтересовали архитекторов. Принцип конструкции этих оболочек лег в основу создания легких, большепролетных стальных и железобетонных покрытий различной кривизны, которые нашли широкое применение при строительстве спортивных комплексов, кинотеатров, выставочных павильонов и т. д. Основное качество таких покрытий – легкость, и чем больше пролет, тем легче купол. В современных постройках толщина купола измеряется миллиметрами, и получили такие купола название оболочек-скорлуп. Примерами таких конструкций являются кровля выставочного павильона в Париже, напоминающая лепесток цветка, она перекрывает без опор пролет более 200 м, крыша выставочного павильона в Ереване, купол цирка в Казани, крыша торгового центра в Челябинске, имеющая вид оболочки двоякой кривизны, покрывающей без единой промежуточной опоры площадь более гектара. Вернуться к содержанию
Конструкции, имеющие вид спирали n n Спираль – одна из форм проявления движения, роста и развития жизни. По закону спирали развивается Галактика и живой организм, например, растения. Первым, кто отрыл, что растущее растение описывает спираль, был Чарльз Дарвин. Описывая спираль, вытягиваются стебли растений, двигаясь по спирали, раскрываются лепестки некоторых цветов, например, флоксов, развертываются побеги папоротника. Спираль в то же время является в природе и сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Вернуться к содержанию
n n n Лишь изменяя форму конструкции, придавая ей вид спирали, природа, таким образом, достигает в конструкции дополнительную жесткость и устойчивость в пространстве. Так, например, завиваются в спираль, приобретая этим дополнительную жесткость, тонкие и длинные стебли огурцов или тыквы, длинные листья рогоза и тонкие ножки грибов. Раковины простейших одноклеточных организмов форманифер и раковины моллюсков, закрученные в одной или разных плоскостях (турбоспирали) – это также проявление способа достижения наибольшей прочности при экономном расходовании материала. Благодаря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают большое гидродавление при погружении на глубину. Закрученная форма природных конструкций, как способ достижения большой устойчивости в пространстве при экономном расходовании «строительного» материала, подсказала архитекторам новую форму спиралевидной основы здания – турбосомы. Турбосома аэродинамична, любые ветры лишь обтекают ее тело, не раскачивая и не принося ей никакого вреда. Она может быть использована при строительстве высотных домов. Вернуться к содержанию
Сетчатые, решетчатые и ребристые конструкции n n Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-изогнутые ребристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений. Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветвляющейся в них сетке жилок. Вернуться к содержанию
n n n Этот каркас выполняет основную – несущую – роль, тогда как другие элементы конструкции, например, пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения. Это также один из примеров достижения прочности при минимальной затрате материала. Тонкие крылышки стрекозы коромысла делают до 100 знаков в секунду, шмеля – более 200, комнатной мухи – до 300, а комара дергуна – до 1000 взмахов. Заинтересовал архитекторов и принцип конструкции листьев растений. Лист растения обладает достаточной механической прочностью, которая в значительной степени зависит от жилок, пронизывающих его плоскость от основания до верхушки. Особенно привлек к себе внимание лист тропического растения Виктории регии, встречающегося в водах Амазонки и Ориноко. Плавающие листья этой крупной водяной кувшинки вырастают до 2 -х метров в диаметре и выдерживают, не погружаясь в воду, вес до 50 кг. С нижней стороны этот лист как бы укреплен толстыми и прочными прожилками, похожими на канаты. Продольно изогнутые жилки скреплены между собой серповидными поперечными диафрагмами. Такая конструкция создает прочную основу для размещения между жилками тонкой полупрозрачной пленки листа. Взяв за основу жилкование листа Виктории регии, итальянский архитектор П. Нерви сконструировал плоское ребристое покрытие фабрики Гатти в Риме и покрытие большого зала Туринской выставки, добившись большого конструктивного и эстетического эффекта. Принцип построения листа Виктории регии использовали и наши архитекторы при сооружении потолка фойе Тульского драматического театра. Они протянули по потолку железобетонные нервюры, которые несут огромный пролет. Вернуться к содержанию
n Используется в архитектурной практике и принцип построения природных пространственно-решетчатых систем: радиолярий, диатомовых водорослей, некоторых грибов, раковин, даже микроструктура головки тазобедренной кости. В этих моделях особенно ярко проявляется принцип распределения материала с расчетом на самые случайные и разнонаправленные действия нагрузок. Например, структура головки тазобедренной кости построена так, что никогда не работает на излом, а только на сжатие и растяжение. Подобная система может быть использована в конструировании опорных рам, ферм, подъемных кранов. Вернуться к содержанию
Примеры конструкций n На рисунке в) изображена шаровидная морская звезда. Ее опорный скелет (рис. б) состоит из известковых пластинок, соединенных между собой мускулами. Мелкие пластинки образуют кожу. Шарообразное расположение скелетных пластинок подсказало строителям конструкцию жилого дома и других строительных сооружений. По аналогии с шарообразной морской звездой в Англии построено укрытие для радиолокатора (рис. а). Диаметр его 33, 5 м, оболочка ребристая. Ребра выполнены из алюминиевого сплава. Материалом для оболочки служит полиэфирный стеклопластик. Конструкция состоит из 775 элементов треугольной формы. Вернуться к содержанию
Рис. 1 n Рис. 2 Рис. 3 Радиолярии (простейшие организмы) обитают в теплых морях. Всю жизнь проводят в движении, образуют планктон - пищу для крупных морских животных. На рисунке 1 изображена радиолярия (организм отряда Nasselaria) в форме решетчатого колокола с перетяжками и многочисленными иглами, а на рисунке 2 - в форме радиально расположенных и одинаково развитых игл (организм отряда Acantharia). В центре радиолярий расположена капсула - скелетное образование для защиты ядра. Стенки капсулы пористые: для связи с окружающей средой. Великий конструктор природа придала им изящный вид. Их форма заинтересовала архитекторов. По типу, например, решетки радиолярии (рис. 3) (организм отряда Acantharia) выполняется проект строительной конструкции с перекрытием большой площади. В Москве и в других городах нашей страны можно встретить сейчас дома, элементы строительных конструкций которых заимствованы у радиолярий. Вернуться к содержанию
n n n Заимствуя у природы принцип конуса и другие секреты, строители соорудили Останкинскую телевизионную башню, утолщенную у основания и остроконечную. Внешне она напоминает стебель или иглу. Ее общая высота 540 метров 74 сантиметра. Масса ее 55 тысяч тонн. Внутри смонтировано семь лифтов, из них четыре скоростных. За 58 с можно подняться на смотровую площадку, на высоту 337 м. При сильном ветре башня может раскачиваться до 10 м, сохраняя при этом свою прочность. Внутри башни протянуты 150 стальных канатов подобно тому, как в стебле пшеницы или бамбука внутри имеются продольные волокна. Они спрятаны под бетонной «рубашкой» . Вот почему башня прочная и гибкая. Она может выдерживать ветер в 15 баллов и землетрясение в 8 баллов. Надежность ее рассчитана на 300 лет. Вернуться к содержанию
n Рис. 1 n Растения не только выдерживают механические нагрузки, но и реагируют в течение дня на изменение света, температуры, влажности. Эти способности растений использовал советский архитектор Ю. С. Лебедев. На выставке, проходившей в Москве в 1982 г. , демонстрировался созданный им макет жилого дома (рис. 1), который, словно цветок подсолнечника, поворачивался в течение дня вслед за солнцем. В Голландии возведены 24 необычных дома (рис. 2). Внешне они напоминают деревья. Первый этаж построен в виде ствола, а на нем - гигантские кубы, в которых размещены жилые помещения. Рис. 2 Вернуться к содержанию
n n Присмотрелись инженеры и архитекторы к куриному яйцу. Оказалось, что скорлупа его при общей толщине 0, 35. . . 0, 37 мм состоит из 7 слоев. Каждый слой имеет определенное назначение. Слои обеспечивают прочность конструкции, условия для развития цыпленка. Изучение слоистого строения скорлупы куриного яйца помогает инженерам создать новые строительные слоистые материалы с отличными механическими свойствами, легкие, пропускающие воздух и препятствующие проникновению влаги. На рисунке изображен жилой дом в форме яйца (г. Базель, Швейцария). Наибольший диаметр дома равен 7, 2 м. Оболочка его трехслойная, замкнутая, эллиптическая, из полиэфирного стеклопластика. Дом без углов, с двумя окнами, на трех опорах. На постройку такого дома расходуется небольшое количество материала. Вернуться к содержанию
n n n Заключение Архитектурная бионика – это новая страница в развитии строительной техники и зодчества, это осознанная, вызванная требованиями нашего времени необходимость изучить инженерные решения природы, познать законы, секреты ее строительного мастерства, это целенаправленный поиск оригинальных архитектурных форм, идеально рассчитанных самой природой. В том, что архитекторы и строители, как и радиотехники, электроники, кораблестроители, авиаконструкторы, машиностроители и специалисты многих других отраслей техники, обратились к природе, к ее строительному искусству, нет ничего случайного. Ведь архитектурностроительная мастерская природы без устали работает по крайней мере 2700 млн. лет, в то время как у человека строительная практика исчисляется лишь несколькими тысячелетиями существования материальной культуры. В живой природе все предельно гармонично. В архитектуре заимствуется гармония содержания и формы, обогащается эстетика. Природа порождает у человека чувство жизнеутверждения, стремления к свету, теплу. Все это архитекторы стремятся отразить в камне, металле, кирпиче, бетоне. Вернуться к содержанию
Конец
Скачать презентацию Архитектурная бионика Содержание n n Введение Основные
263535.ppt