Архитектурно-строительные конструкции металлических оболочек

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • достижения современной архитектуры в области проектирования и строительства большепролетных металлических пространственных структур и оболочек;
• • выдающиеся пространственные металлические сооружения различных стран;
• • основные принципы конструирования стержневых и сетчатых оболочек;
• • основные принципы конструирования ребристо-кольцевых металлических куполов;

уметь

• • выбирать соответствующие строительные конструкции для проектирования и возведения зданий и сооружений различного назначения;
• • выбирать рациональную форму здания из нескольких предложенных вариантов, опираясь на знание картины распределения внутренних силовых факторов, технологические и эргономические требования к сооружению;
• • не допускать отступлений от проекта, приводящих к авариям и разрушениям конструкций из металла;
• • оценивать техническое состояние объекта;

владеть

• • информацией о последних достижениях строительной науки применительно к архитектурно-строительным конструкциям из металла;
• • навыками проектирования большепролетных пространственных конструкций из прокатных металлических профилей;
• • знанием о потребностях современного общества в сооружениях из металла;
• • знанием о потребностях современного общества в сооружениях, обладающих большой пространственной свободой форм.

Примеры стержневых и сетчатых металлических оболочек, построенных во второй половине XX — начале XXI в.

В настоящее время двумерные (однослойные) стержневые структуры в форме заданной поверхности бывают двух видов: структуры с линейчатой срединной поверхностью и структуры, полученные путем аппроксимации поверхностей ненулевой гауссо;

Рис. 12.1. 22-метровая коническая стержневая структура.

Источник: designboom.con.

Рис. 12.2. Цилиндрическая структура с одним семейством вертикальных стержней. Санкт-Петербург, угол ул. Добролюбова и Мытнинской наб.

вой кривизны плоскостями, желательно, одного типоразмера (паркетирование поверхности). В первом случае одно семейство прямых стержней структуры может не совпадать (рис. 12.1) или совпадать (рис. 12.2) с прямолинейными образующими срединной поверхности, взятой за основу. В другом варианте стержни ставятся вдоль прямых линий пересечения двух аппроксимирующих плоскостей. На рис. 12.3 изображена сферическая поверхность, аппроксимированная системой пятиугольных пластин.

В последние годы сетчатые оболочечные структуры применяют даже чаще, чем железобетонные тонкостенные оболочки. На рис. В.37 представлен проект общего покрытия из стали и стекла двух отдельно стоящих зданий гостиниц в Абу-Даби (ОАЭ). Покрытие опирается на 10 V-образных колонн, а горизонтальные воздействия воспринимаются подкосами, установленными на уровне перекрытий гостиниц. На рис. 12.4^[1] даны наиболее важные узлы соединения стержневых элементов этого покрытия, состоящего из более 5000 соединений. Гладкая поверхность оболочки аппроксимирована плоскими прямоугольными элементами, что облегчило остекление оболочки, причем эти элементы кре;

Рис. 12.3. Сферическая поверхность, аппроксимированная системой пятиугольных пластин, фирма «Кимидори Кенчику» (Kimidori Kenchiku), Япония.

Puc. 12.4 [5]. Узлы соединения стержневых элементов покрытия с контурными балками.

(пояснения: primary structure — главный стержень; secondary structure — второстепенный стержень; edge beam — контурная балка; strut — подкос; steel box — стальной короб; spherical cap — сферический шарнир) пятся к неплоской решетке оболочки, чем обеспечивается устойчивость к динамическому воздействию ветра. V-образные колонны диаметром от 508 до 914 мм и толщиной 30 или 40 мм и контурная балка диаметром 559 мм и толщиной от 14 до 70 мм имеют трубчатое поперечное сечение, а элементы решетки выполнены из горячекатаного прямоугольного полого стального проката 100? 250 мм с толщиной стенки от 7 до 40 мм.

Часто стержневые оболочечные структуры выполняют роль декоративного дополнения к основному сооружению и придают ему более легкий воздушный вид. Стальная структура башни в 41 этаж в Цинциннати, США, состоящая из 15 арок и сотен других стальных элементов, выглядит как тиара (рис. 12.5, а). На рис. 12.5, б представлена ее трехмерная модель, разработанная Т. Томазетти. Тиара в плане имеет форму эллипса с осями 48,5 X 28,3 м и стрелу подъема в 39,6 м. Главные арки изготавливаются из труб диаметром 16 дюймов (1 дюйм = 2,54 см), другие арки — из труб диаметром от 4 до 8,625 дюймов. Железобетонная плита, на которой устанавливается тиара, — толщиной 8 дюймов. Основные стальные арки заанкерены в основание при помощи стальных стержней диаметром 38 мм. Выбранное конструктивное решение обеспечивает.

Рис. 12.5. Здание в 41 этаж, увенчанное стальной короной из 51 арки. США, г. Цинциннати, 2011 г.

конструкции жесткость в вертикальном и боковом направлениях. Конструкция рассчитана также на 5 см наледи на каждую трубу.

Рассмотрим более подробно двумерные стальные стержневые структуры, построенные на основе однополостного гиперболоида вращения (см. рис. 11.1). Тот факт, что через каждую точку однополостного гиперболоида вращения проходят две прямые, лежащие целиком на гиперболоиде, очень импонирует архитекторам и проектировщикам, так как дает возможность проектировать сооружение в виде пространственной стержневой системы. Рассмотрим примеры построенных стержневых сооружений в форме однополостного гиперболоида вращения. Считается, что эта форма сооружений создает им оптимальные условия для аэродинамики, прочности и устойчивости.

Идея В. Г. Шухова о создании опорной части водонапорных башен из решетчатых конструкций, стержни которых совпадают с прямолинейными образующими однополостного гиперболоида вращения, была использована при проектировании известной башни в Цыхануве (рис. 12.6) и во многих других сооружениях. В 2003 г.

Рис. 12.6. Гиперболическая башня. Польша, г. Цыханув.

Рис. 12.7. Диспетчерская башня аэропорта. Испания, г. Барселона.

была построена гиперболоидная башня Шухова в Цюрихе. Авторы башни — архитекторы Даниэль Рот и Александр Ком (Daniel Roth, Alexander Kohm).

Сочетание цилиндрической, конической форм и формы однополостного гиперболоида вращения удачно совмещено архитектором Р. Бофиллом в диспетчерской башне аэропорта Барселоны (рис. 12.7).

Известны и другие подходы к созданию интересных стержневых сооружений в форме однополостного гиперболоида вращения. В Гуанчжоу (Китай) построена уникальная 610-метровая сетчатая башня-оболочка в форме однополостного гиперболоида вращения. Образующие наклонные стержни-колонны в ней совпадают с прямолинейными образующими однополостного гиперболоида вращения.

Можно спорить о целесообразности придании формы однополостного гиперболоида пешеходному переходу, изображенному на рис. 12.8, но такого перехода больше нигде нет. Возможно, это и было одной из целей авторов проекта.

Геометрическая схема гиперболоида вращения была положена в основу памятного символа Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (Фермилаб), США (рис. В.38). Получилась очень простая, но надолго запоминающаяся стержневая структура. Светомузыкальная скульптура построена в г. Хюснес, Норвегия (рис. В.39). Здесь стержни совпадают с прямолинейными образующими линейчатой поверхности отрицательной гауссовой кривизны.

Есть еще одна область применения сетчатого однополостного гиперболоида вращения. Это — малая архитектура во внутреннем пространстве большепролетных сооружений. Сама по себе стержневая структура в форме однонолостного гиперболоида обладает определенной эстетической ценностью (см. рис. В.38, В.39), поэтому архитекторы иногда ее используют в виде самостоятельного элемента внутреннего интерьера сооружения. На рис. 12.9 показан фрагмент центральной части купола в виде висячего покрытия здания Дворца спорта в Генуе (Италия) с подвешенным в центре однополостным гиперболоидом вращения.

Стержневые конструкции и сооружения прочно занимают свою нишу в архитектуре общественных и промышленных зданий. При.

Рис. 12.8. Пешеходный переход. Англия, г. Манчестер, 2010 г., арх. Н. Фостер.

Рис. 12.9. Вид на покрытие Дворца спорта изнутри. Италия, г. Генуя.

Рис. 12.10. Деловой центр «Балтийскан жемчужина» .

Источник:cih. ru.

Рис. 12.11. Мост через реку Куру. Грузия, г. Тбилиси.

меры возведенных стальных стержневых структур показывают высокий уровень достижений строительной техники и науки. Приведем без комментариев еще две сетчато-стержневые структуры (рис. 12.10, 12.11).

В мировой практике применения сетчато-стержневых структур насчитывается более 130 различных систем, отличающихся прежде всего конструкцией узла сопряжения стержней. Именно в узле сопряжения сосредоточены главные особенности технологии изготовления и сборки конструкции, определяющие отличия одной системы от других.

Одной из первых нашла применение в строительстве система немецкой фирмы «Меро» (1942), предложившей пространственностержневые сборно-разборные каркасы кристаллического строения для зданий военного назначения (см. рис. 10.7). Позднее такие конструкции нашли применение и в мирном строительстве. Некоторые узловые соединения стержневых систем уже были рассмотрены ранее, см. рис. 10.6−10.11.

На рис. 12.12 приведены наиболее характерные узловые сопряжения стержневых структур [4]. На рис. 12, а — соединение уголковых стержней на болтах внахлест. Применяется в нижних узлах структурных конструкций системы «ЦНИИСК», работающих преимущественно в одном направлении. На рис. 12.12, б — соединение типа «Юнистрат». Разработано фирмой Unistrul Corporation совместно с Лабораторией стальных конструкций Мичиганского университета (США). Узловая фасонка выполнена штамповкой с отверстиями и шпонками для соединения на болтах стержней гнутого профиля. Подобное узловое соединение в отечественном строительстве не нашло применения в повторяющихся объектах. Однако ввиду большой простоты рекомендуется его освоить для использования в конструкциях серийного изготовления. На рис. 12.12, в — соединение системы «Сокол», состоящее из шести тонкостенных пирамидальных деталей, изготовленных из листов с помощью штам;

Рис. 12.12. Наиболее характерные узловые сопряжения стержневых структурных плит [4].

повки. Эти детали между собой и с элементами составного гнутого профиля соединяются с помощью болтов нормальной точности. Для обеспечения необходимой жесткости детали узла имеют вокруг отверстия выштампованные выступы. На рис. 12.12, г — узловое соединение «Триодетик». Разработано фирмой Fentiman (Каната). Узловой элемент представляет собой цилиндр, вдоль образующих которого имеются пазы с рифлеными стенками. Концы стержней опресовываются по профилю пазов, вставляются в цилиндр и фиксируются в прорезях узла двумя крышками, соединенных болтом. Сборка структурной конструкции с применением данных узлов существенно упрощается, поскольку для завершения требуется постановка только одного болта. Рекомендуется подобное узловое соединение освоить промышленностью для использования в серийно изготавливаемых конструкциях. Па рис. 12.12 д-з — комбинированные соединения. К этой группе относятся соединения, в которых применяется заводская сварка, а сборка узла осуществляется на болтах. Соединение на фланцах, представленное на рис. 12.12, е, разработано ЦНИИПСК для трубчатых стержней. На рис. 12.12, ж показано соединение уголковых профилей на болтах при помощи листовых фасонок, приваренных в заводских условиях к длинноразмерным поясам. Соединение применяется в верхних узлах конструкций системы «ЦНИИСК», работающих преимущественно в одном направлении. Соединение па болтах при помощи пространственных фасонок, свариваемых в заводских условиях из отдельных листов, дано на рис. 12.12, з. На рис. 12.12, и, к — соединения, осуществляемые с применением монтажной сварки. Соединение, приведенное на рис. 12.12, и, разработано в ФРГ фирмой «Маннесман». К шару привариваются по периметру трубчатые стержни, а в соединении системы «ЦНИИСК» (рис. 12.12, к) концы трубчатых стержней сплющиваются и собираются в пространственном узле. Образовавшееся между концами стержней пространство заполняется расплавленным металлом. На рис. 12.12, л — соединение, собираемое полностью при монтаже.

В настоящее время ежегодно появляется большое количество патентов на новые узлы сопряжения.

Помимо рассмотренных двумерных стержневых структур, очерченных по заданным поверхностям, намного шире применяются трехмерные пространственные стержневые структуры в виде оболочек (рис. 12.13), многогранников (рис. 12.14), пластин (рис. 12.15). Эти пространственно-стержневые структуры с легкостью перекрывают большие пролеты и площади при незначительном весе.

Помимо указанных трех типов стержневых структур, перекрывающих большие площади, имеются стержневые структуры в виде ажурных стоек. Здание Школы бизнеса при университете Чикаго (США) — это несколько параллелепипедов, но вот внутреннее пространство сада поражает воображение (рис. В.40).

В Брестском государственном техническом университете разработана, испытана и успешно внедрена уникальная металлическая структурная конструкция системы «БрГТУ» с узлами из полых шаров. Структурные конструкции относятся к классу пространст.

Рис. 12.14. Лувр. Франция, г. Париж, 1989 г., арх. Й. М. Пей.

Рис. 12.13. Арочная стрельчатая стержневая структура в процессе возведения. Московская обл., Дмитровский район, 2012 г.

Рис. 12.15. Перекрестно-стержневая структура.

венных стержневых конструкций, используемых в качестве несущих элементов зданий общественного и производственного назначения. Система «БрГТУ» позволяет запроектировать структурные покрытия (рис. В.41, 10.12) для любых нагрузок, снизить требуемую точность изготовления элементов структуры и упростить сборку узлов с существенным снижением трудоемкости. Авторы структурных конструкций гарантируют экономическую целесообразность применения структуры, но сравнению с другими структурными системами, в том числе сокращение расхода стали до 20% на 1 м² покрытия здания, уменьшение трудозатрат на строительной площадке до 25%, сокращение сроков возведения в 1,5 раза, снижение стоимости до 10−20%. Срок окупаемости — до 3 лет. Система «БрГТУ» с узлами из полых шаров успешно использована при проектировании и строительстве покрытия летнего амфитеатра «Славянский базар» в г. Витебске (рис. В.42), покрытия Универсального спортивного зала МКСК «Минск — Арена» и покрытия Дворца водных видов спорта в г. Бресте.

Архитектура стержневых оболочечных структур нс стоит на месте. Молодой архитектор Куей-Джун Мао (Kuei-Jyun Мао) предлагает для внедрения абстрактные стержневые структуры (рис. 12.16), которые не лишены привлекательности и могут увлечь молодых архитекторов.

Иногда бывает сложно определить принадлежность пространственной стержневой структуры к определенному классу металлических оболочек: сетчатым или радиально-стержневым структурам. Одним из знаменитых архитекторов, делающим сетчатые оболочки, является Норман Фостер, автор сетчатого покрытия Большого двора королевы Елизаветы Британского музея (рис. 12.17).

Рис. 12.16. Эскизы металлических стержневых структур.

Источник: kueijynmao.wordpress.com.

Рис. 12.17. Покрытие Большого двора королевы Елизаветы Британского музея, Лондон:

а — вид изнутри; б — типовой узел сочленения элементов сетчатой оболочки (все прямоугольные профили привариваются к стандартной стальной пластине) Стержневых и сетчатых металлических оболочек, очерченных по различным поверхностям, за рассматриваемый период построено очень много. И каждый год их будет появляться еще больше. В данном параграфе? юказаны только основные направления, но которым идет развитие технологий применения этих оболочек. Здесь же представлены основные типы узловых соединений стержней, играющих важную роль в проектировании стальных оболочек рассматриваемого типа. Формы стержневых и сетчатых металлических оболочек могут быть очень разнообразными, что делает их привлекательными для применения в сооружениях малого объема (рис. 12.18, 12.19).

Рис. 12.18. Металлический каркас сооружения. Московская обл., г. Химки.

Рис. 12.19. Сооружение с металлическим каркасом. Московская обл., г. Химки.

• [1] Рисунок приводится в оригинальной версии для демонстрации того, как это делается «у них» .