Архитектурно-строительные конструкции оболочек из древесины

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • достижения современной архитектуры в области проектирования и строительства большепролетных пространственных структур из древесины;
• • возможности клееной древесины в архитектуре;
• • основные нормативные документы для проектирования зданий и сооружений из древесины;
• • основные принципы разработки конструкций из древесины;

уметь

• • использовать в реальном проектировании знание физико-механических свойств древесины разных пород;
• • выбирать рациональную форму здания из нескольких предложенных вариантов, опираясь на знание картины распределения внутренних силовых факторов, технологические и эргономические требования к сооружению;
• • ориентироваться в существующем потоке информации по архитектурно-строительным конструкциям и сооружениям различного назначения из древесины;

владеть

• • информацией о последних достижениях строительной науки применительно к деревянным архитектурно-строительным конструкциям различного назначения;
• • знанием о потребностях современного общества в сооружениях из древесины;
• • навыками проектирования большепролетных пространственных конструкций из клееной древесины.

Объемно-планировочные и конструктивные решения оболочек из естественной и клееной древесины на примерах сооружений 1980;2013 гг. постройки.

В параграфе 8.5 приведены примеры оболочек, возведенных из древесины в 1920—1980;х гг. Отмечались основные преимущества конструкций из древесины.

Если и строительстве большепролетных железобетонных оболочек с 1965 г. наметился определенный застой, то строительство деревянных большепролетных сооружений оболочечного тина продолжалось прежними темпами, нельзя сказать, что быстрыми, но постоянными. Применение деревянных оболочек значительно расширилось, когда появились клеевые деревянные конструкции.

На заводских поточных линиях доски склеивают зубчатыми торцами (рис. 13.1), превращая их в длинномерные материалы, которые затем можно склеить в пакеты и получить принципиально новый строительный материал — клеевую древесину, которая намного превосходит естественную древесину по своим конструктивным свойствам. В клееных изделиях можно использовать низкосортную древесину и маломерные доски, которые благодаря применению высокопрочных клеев и механизированной технологии склейки превращаются в первоклассный строительный материал. Для изготовления несущих клееных деревянных конструкций необходимо использовать пиломатериалы преимущественно 2-го сорта и в небольших объемах 3-го сорта для укладки в среднюю по высоте сечения зону. Использование короткомерных пиломатериалов длиной менее 2 м 3-го и 4-го сортов приводит к росту себестоимости и резкому снижению качества несущих конструкций. Клееная древесина достаточно огнестойка даже без специальной пропитки. Особенно эффективно применение клееной древесины в большепролетных арочных (рис. 13.2), купольных (рис. 13.3) и сводчатых (рис. 13.4) покрытиях зданий и сооружений.

Рис. 13.1. Зубчатые клеевые соединения:

а — вертикальное; б — горизонтальное; в — диагональное.

Рис. 13.2. Арочная оболочка из древесины.

Рис. 13.3. Деревянный купол в процессе строительства.

Рис. 13.4. Деревянный свод арочного типа. Москва, спортзал МГСУ, март 2013 г.

Рис. 13.5. Тонкостенная сплошная оболочка из бруса (компания «Биоархитектура»).

Существует большое количество классификационных признаков, на основании которых можно сгруппировать пространственные деревянные структуры. Однако любая классификация будет условной. К классификационным признакам можно отнести материал конструкций, геометрию и принципы формообразования поверхности деревянной оболочки, ее пологость, форму плана, характер работы конструкции под нагрузкой и многое другое. Например, по форме деревянные покрытия, как и покрытия из любого строительного материала, делятся на своды (цилиндрические поверхности) и купола (поверхности вращения или зонтичные поверхности, см. рис. 13.3). По конструктивному исполнению оболочки могут быть тонкостенные сплошные (рис. 13.5), ребристые (рис. 13.6), сетчатые (рис. 13.7).

Сетчатые деревянные оболочки можно классифицировать по форме составляющих сетку фигур. Деревянные оболочки могут быть выполнены одно-, двухи трехслойными.

Сводчатые покрытия бывают двух типов: безраспорные и распорные своды.

Кружально-сетчатый свод представляет собой конструкцию, составленную из коротких стандартных косяков (досок, брусков), расположенных по двум взаимно пересекающимся винтовым линиям (рис. 13.8). Узловые сопряжения в сетке свода образуются.

Рис. 13.6. Ребристая оболочка из древесины в процессе строительства.

Рис. 13.7. Сетчатая оболочка покрытия, купол спортивного сооружения. США, г. Такома, 1983 г.

Рис. 13.8. Разбивка в плане сетки для кружально-сетчатых сводов:

а — прямоугольная; б — ромбическая; в — схемы узлов системы С. И. Песельника; г — расчетная схема при помощи врубок (рис. 13.8, в) или стальных креплений (болтов, рис. 13.9, а иногда и скоб).

В ребристо-кольцевых куполах непрерывные кольцевые прогоны, пересекающие меридиональные ребра, не только работают на местный изгиб, но и воспринимают растягивающие кольцевые усилия (рис. 13.10). Ребра с кольцевыми прогонами соединяются, как правило, шарнирно.

Кружально-сетчатые купола из сомкнутых сводов, образуемые из одинаковых фрагментов сводов, в плане имеют форму правильного многоугольника.

Рис. 13.9. Фрагмент кружально-сетчатого свода с болтовыми креплениями в узлах.

Рис. 13.10. Фрагмент ребристо-кольцевого купола.

Рис. 13.11. ТРК «Питсрлэнд». Санкт-Петербург.

12 июня 2012 г. в России официально открылся уникальный многофункциональный торгово-развлекательный комплекс (ТРК) «Питерлэнд» (Санкт-Петербург, побережье Финского залива) с одним из самых больших деревянных куполов в мире диаметром 92 м (рис. 13.11).

На рис. 13.12 показаны современные варианты конструкций из дерева при создании большепролетных сооружений. Это стало возможным благодаря появлению клеевых изделий, новых средств для защиты от гниения и возгорания, а также разработке усовершенст;

Рис. 13.12. Современные возможности конструкций из дерева:

а — крытое ноле для футбола с деревянным покрытием. Финляндия, г. Хельсинки, РООК Architect’s Office; б — Metropol Parasol — самая большая в мире конструкция из дерева. Испания, г. Севилья, 2011 г., арх. бюро Дж. Майера (J. Mayer, Н. Architects), фото Ф. Алода; в — символ планеты Земля — ЦЕРН-глобус науки и инноваций. Швейцария, г. Женева, 2007 г., арх. Дж. Т. Бючи (G. Т. Biichi) и Г. Дессимоц (Н. Dessimoz); г — купол О. Джукаи. Япония, г. Акита, 1997 г. (дождевая вода, стекающая с купола, используется для внутреннего водоснабжения) вованных методик расчета. Клееная древесина — материал с прекрасными архитектурными и конструктивными возможностями.

Часто архитекторы для самовыражения проектируют небольшие, но запоминающиеся сооружения оболочечного типа, используя дерево в качестве строительного материала. Благодаря их произведениям чувствуешь, насколько пластичным материалом может быть древесина. Для иллюстрации приведем несколько фотографий (рис. В.45).

Некоторые компании поставили строительство небольших деревянных куполов на поток (рис. 13.13, 13.14). Они, как оказалось, лучше удовлетворяют требованиям эргономики и именно их предпочитает человек для временного пребывания и отдыха.

Рис. 13.13. Геодезический купол с деревянным каркасом из бруса.

Рис. 13.14. Сборка деревянного каркаса геодезического купола.

Эргономика — эго наука о приспособлении рабочих мест, предметов и объектов труда для наиболее безопасного и эффективного труда работника, исходя из физических и психических особенностей человеческого организма.

Предложения и фантазии архитекторов не имеют предела. А если эти фантазии совпадают с реальными потребностями или желаниями человека, то сооружение становится уникальным. Например, любопытная башня «Прогулка по вершинам деревьев» («Tree Top Walk») находится в Национальном парке «Баварский лес» (рис. ?.46, а). Высота башни — 44 м, а длина спиральной деревянной дорожки с уклоном 6% составляет около 500 м. Такой уклон дорожки позволяет беспрепятственное движение по ней даже людям с ограниченными возможностями. Внутри башни растут три гигантские 38-метровые ели. Посетители могут двигаться вверх начиная с уровня земли и заканчивать свой путь у верхушек деревьев, одновременно обеспечивая себе 360-градусный обзор самих деревьев и охраняемого лесного ландшафта. Легкая башня выполнена из клееного бруса и стянута металлическими тросами (рис. В.46, б).

Из больших сооружений, выполненных из дерева, которые наиболее часто попадают в различные справочники и путеводители, можно указать на деревянный купол стадиона Северо-Мичиган;

Рис. 13.15. Деревянный купол стадиона Superior Dome. США, г. Маркетт.

ского университета, США, который был принят в эксплуатацию в 1991 г. и на то время был самым большим деревянным куполом в мире с диаметром 163,4 м (рис. 13.15). По конструкции это геодезический купол с 781 деревянной балкой. Купол запроектирован на снеговую нагрузку в 2,87 кПа и скорость ветра в 130 км/ч.

Компания Western Wood Structures, Inc., работающая в области проектирования ребристо-кольцевых деревянных куполов, впервые построила в Японии купол серии «VARAX dome», рассчитанный на восприятие очень больших снеговых нагрузок и сейсмических воздействий (рис. 13.16). Ограждающие конструкции купола диаметром 36,6 м покоятся па трех системах ребер.

Один из самых больших деревянных куполов мира расположен в г. Одате (Япония). Его размеры в плане — 178×157 м в главных осях, высота — 52 м (см. рис. 13.12, г). Он больше, чем купол в Такоме (см. рис. 13.7) длиной 160 м вдоль одной из осей и больше купола, изображенного на рис. 13.15. Купол в Одате запроектирован архитекторами фирмы Тоуо Ito & Associates, а построен Takenaka Corporation (1995−1997). Тефлоновая пленка покрывает купол сверху. Купол используется как спортивное сооружение и как место проведения многолюдных мероприятий.

Выше вскользь была упомянута оболочка из клееной фанеры (см. рис. В.45, г). Тонкостенные клеефанерные своды из клеефанерных полотнищ в основном имеют стрельчатое или круглое очертание с затяжкой или с передачей распора непосредственно опорам (рис. 13.17).

Рис. 13.16. Вид изнутри на купол сооружения Gymnasium Dome Ashiro. Япония, компания Western Wood Structures, Inc.

Рис. 13.17. Схема клеефанерного кругового свода.

Криволинейные плиты покрытия с фанерными обшивками могут быть изготовлены в заводских условиях. Их используют в зданиях с наружным отводом воды с кровли, в отапливаемых зданиях при относительной влажности воздуха в помещениях до 75% и в неотапливаемых при расчетной температуре наружного воздуха не ниже -5°С. Целесообразность применения клеефанерных плит определяется малым весом при высокой несущей способности, так как они выполняют одновременно функции прогонов и пастила, а также обеспечивают теплозащиту сооружения. Для их изготовления используют фанеру повышенной водостойкости марки ФСФ толщиной не менее 8 мм, состоящую из нечетного числа слоев шпона хвойных пород сосны и лиственницы, а также комбинированную из березового шпона. В качестве утеплителя применяют несгораемые и биостойкие теплоизоляционные материалы: полимерные плиты из пенопласта, пенополиуретана, стекломаты или минераловатные жесткие и нолужесткие плиты на синтетическом связующем. Под утеплителем устраивают пленочную или обмазочную пароизоляцию.

Иногда фанерные листы после специальной обработки непосредственно используются как несущий и ограждающий материал. Правда, это возможно для определенных погодных условий. Сооружение, представленное на рис. 13.18, собрано из фанерных листов 1,2×1,2 м за восемь дней силами трех рабочих.

И наконец, рассмотрим деревянный дом из отесанных вручную бревен, который опирается на монолитный ленточный фундамент, облицованный валунами (рис. 13.19). Крыша его выполнена в форме гиперболического параболоида. Дощатое покрытие уложено па прямые стропила, которые совпадают с прямыми образующими гипара. Контур крыши также совпадает с прямыми образующими гипара. Сверху крыша покрыта дерном, растет трава, а сама постройка похожа на естественный холм, к чему и стремился архитектор И. Фирсов, вписавший этот дом в окружающую среду, не срубив лишнего дерева. Участок с домом отделяют от береговой линии.

Рис. 13.18. Помещение для работы с фанерной крышей.

Рис. 13.19. Дом архитектора И. Фирсова. Берег Финского залива, г. Приморск.

чуть больше 100 м. Этот стиль в архитектуре можно назвать стилем естественной экологии. Его цели совпадают с целями ноосферной архитектуры, которая была рассмотрена в параграфе 11.2.