Архитектурная бионика: архитектура через призму биологии
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Стандартна ли живая природа? Чем достигается одновременное единство и бесконечное разнообразие ее форм и красок? Эта проблема все более занимает умы не только биологов, но и архитекторов и строителей. Ею занимается архитектурная бионика. Группа прогрессивных архитекторов пытались применить принципы развития живой природы для создания особо удобных, экономичных и красивых архитектурных комплексов, связи архитектуры с климатом, солнцем. Вдруг заимствование «опыта» живой природы даст возможность соединить в гармоничное целое мир «природы № 1» с «природой № 2», создаваемой человеком?
К слову об архитекторах, если вы ищите рейтинг архитекторов в Киеве, то такие лучшие архитектори могут быть найдены по этой ссылке.
Важнейший вопрос при создании любого архитектурного проекта — найти эффективное соотношение между затратой средств (в широком смысле слова) и их отдачей. И тут, внимательно рассмотрев структуры многих живых организмов, мы увидим в них максимальное соответствие экономии энергии и свободного развития. Ветви, стволы и корни деревьев, раковины конусовидны — это «конусы устойчивости» (экономия энергии) и у них же «конусы роста и развития» (трата энергии).
Растения или их части нередко закручиваются в виде спирали; и форма такая не случайна — она тоже дает возможность тщательно сохранять энергию. В архитектуре такое закручивание можно смоделировать достаточно просто: при помощи непрерывного, по прямым и криволинейным, направляющим, вращения стандартных элементов. Получаются закрученные поверхности. Такие оболочки-скорлупы могут стать основой и для перекрытий средних пролетов, и для строительства высотных сооружений с небольшой площадью опоры: ветры будут бессильно скользить по витой поверхности, не причиняя вреда сооружению.
Кости и мышцы животных работают как предварительно напряженные конструкции: кости — на сжатие и изгиб, мышцы и сухожилия — на растяжение, как арматуры. Такой принцип проектирования архитектурных сооружений даст возможность значительно экономить материал. Внутри стеблей трав и стволов деревьев действует система перераспределения и ослабления сил от ветровых нагрузок. Познание ее чрезвычайно интересно для проектирования высоких зданий и сооружений, особенно в районах Севера.
Целесообразность, с которой устроен стебель растения, вызывает восхищение. Он вытянут резко вверх, получает огромное количество тепла, света и воздуха и несет нагрузки, в сотни раз превосходящие его массу.
Отношение площади основания стебля к его высоте характеризует стойкость конструкции по отношению к ветровым нагрузкам. «Коэффициент стройности» у тростника равен 1:200, у ржи 1:500, и еще при этом стебель ржи несет колос, масса которого в 1.5 раза больше массы стебля.
В конструкции Останкинской телебашни растягивающая сила от собственных колебаний башни передается на предварительно-напряженные, туго натянутые стальные канаты, проходящие внутри башни. Канаты стягивают отдельные цилиндрические блоки, что имитирует вертикальные волокна стеблей и деревьев. Это помогло преодолеть огромные силы ветровой нагрузки. Однако «коэффициент стройности» телебашни лишь 1:30 — несравнимо меньше, чем у стеблей злаков.
У стебля есть узлы — демпферы, особо устроенные упругие шарниры, играющие важную роль в перераспределении изгибающих сил. Но как их смоделировать?
В современной архитектуре применяют конструкции, названные скорлупами по аналогии с природными оболочками. Чрезвычайно важная особенность их работы, как сказал итальянский инженер, создатель олимпийских комплексов в Риме П. Л. Нерви, «принцип работы по форме», то есть единство геометрических и механических свойств конструкции. Испанский архитектор Э. Торроха говорит по этому поводу: «Лучшим сооружением является то, надежность которого обеспечивается главным образом за счет его формы, а не за счет прочности материала. Последнее достигается просто, тогда как первое, наоборот, с большим трудом». И приводит пример работы тела животного «по форме» — леопард способен втягивать на дерево свою жертву, вес которой может пятикратно превышать его собственный. Итак, от скорлупы ореха до тела леопарда, все может «пригодиться» в архитектурной бионике.
Привлекает также комплексность свойств оболочек-скорлуп живой природы — способность сопротивляться механическим нагрузкам и одновременно быть тепло-, гидроизоляцией. В лаборатории архитектурной бионики теории и истории архитектуры исследуют именно такие природные оболочки, с тем, чтобы смоделировать их, найти оптимальные формы и физические свойства. Эти оболочки похожи на закручивающиеся поверхности стеблей растений или опорных костей животных, их называют «турбосомы» («турбо» — вращение, «сома» — тело).
Все заимствования у живой природы должны быть максимально простыми, технологичными и рассчитаны главным образом на индустриальное исполнение. Турбосомы вполне отвечают этим требованиям.
В бионической лаборатории получают удивительно точные копии живых объектов. Воспроизводятся самые сложные, с мельчайшими деталями формы. На смоделированном листочке дерева видна каждая прожилка и даже зафиксировалась капля воды. Для этого понадобилось найти особые модельные материалы. Бионические исследования лаборатории решают, разумеется, и главное: насколько удобна, красива, технически рациональна будет для архитектуры форма живой природы. Скажем, в живой природе часто встречаются конструкции в виде разнообразных ребристых, решетчатых и тому подобных систем: структура мельчайших морских организмов — радиолярий и диатомей, нерватура листа растений, грудная клетка животных и птиц и т. д. Тонкая прозрачная пленка листа дерева поддерживается жестким каркасом — его нерватурой, по которой, образно говоря, и растекаются несущие силы. В архитектуре также давно известно разделение несущих и несомых (ограждающих) элементов конструкций.
Большого конструктивного и эстетического эффекта добился П. Л. Нерви в покрытии Главного зала Туринской выставки. Он заимствовал для покрытия основные структурные элементы листа виктории-регии. В этом покрытии сочетается оболочка-скорлупа и решетчатая структура.
Байтовые (канатные) конструкции напоминают паутину. А мембранные и тентовые (палаточные) конструкции вполне аналогичны кожным покровам, широким мышцам и сухожилиям животных, перепонкам водоплавающих птиц, крыльям летучих мышей, плавникам рыб.
Способность мембранных конструкций выдерживать большие растягивающие усилия использовал самым оригинальным способом архитектор Г. Б. Борисовский. Это проекты «падающих» домов. Представим себе две поставленные на достаточно большом расстоянии железобетонные колонны. Заставим их падать в противоположные стороны друг от друга, но между ними подвесим прочный стальной канат, основания колонн зафиксируем шарнирами. Канат удержит колонны от падения, сам натянется, как струна. Подпорные колонны приобретут устойчивость, а канат превратится в жесткую конструкцию. Если заставить «падать» два ряда колонн (или две стены), а между ними натянуть по этажам сетки или мембраны, то они натянутся и превратятся в междуэтажные перекрытия. «Падать» могут даже два параллельно стоящие дома с натянутой между ними сеткой. Тогда сетку можно использовать самыми разными способами, например, подвесить «сады Семирамиды». Паук, кстати, также рассчитывает на натяжение своей паутины наклонными (падающими) ветвями, к которым прикреплены ее нити.
Складывающиеся листья растений, раскрывающиеся лепестки цветов наталкивают архитекторов на идеи трансформируемых складывающихся систем. Бионические исследования помогают решить весьма трудную задачу: удачно сочетать единообразие с разнообразием.
Архитектурная бионика не только «скользит по поверхности», но и «заглядывает вглубь» — изучает структуры растений и животных с точки зрения создания новых эффективных строительных материалов. Ткани растений и животных, самые различные по физическим свойствам, работают как единая система. Заполнение пространства между микрофибрилами (тонкими белковыми нитями) лигнином приводит к значительному повышению способности растительных оболочек работать на сжатие и растяжение.
Строители и архитекторы с древнейших времен так или иначе использовали формы и «технику» природы или стремились «вписать» свои сооружения в природный ландшафт. Изучая механические особенности работы стеблей растений, Галилей создал формулу статического расчета балки, этой формулой пользовались вплоть до начала XIX столетия. Зодчий итальянского Возрождения Ф. Брунеллески, проектируя купол Флорентийского собора, взял за образец форму скорлупы птичьего яйца.
Сегодня перспективы архитектурной бионики трудно переоценить. Без нее не решить значительных проблем архитектуры — ее комплексного развития, ее внутреннего единства техники, функции и эстетики, сохранения живой природы. И вообще создания гармоничной архитектурно-природной среды нашего с вами существования.
Автор: А. Вайсман.