Архітектурна біоніка: архітектура через призму біології
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Чи стандартна жива природа? Чим досягається одночасна єдність і нескінченна різноманітність її форм і фарб? Ця проблема все більше займає розум не тільки біологів, а й архітекторів і будівельників. Нею займається архітектурна біоніка. Архітектори Ю. С. Лебедєв і В. В. Зефельд намагалися застосувати принципи розвитку живої природи для створення особливо зручних, економічних і красивих архітектурних комплексів, зв’язку архітектури з кліматом, сонцем. Раптом запозичення “досвіду” живої природи дасть можливість з’єднати в гармонійне ціле світ “природи № 1” з “природою № 2”, створюваною людиною?
Найважливіше питання при створенні будь-якого архітектурного проекту – знайти ефективне співвідношення між витратою коштів (в широкому сенсі слова) і їх віддачею. І тут, уважно розглянувши структури багатьох живих організмів, ми побачимо в них максимальну відповідність економії енергії і вільного розвитку. Гілки, стовбури і коріння дерев, раковини конусоподібні — це «конуси стійкості» (економія енергії) і у них же «конуси росту і розвитку» (трата енергії).
Рослини або їх частини нерідко закручуються у вигляді спіралі; і форма така не випадкова — вона теж дає можливість ретельно зберігати енергію. В архітектурі таке закручування можна змоделювати досить просто: за допомогою безперервних, за прямими і криволінійними, направляючих, обертання стандартних елементів. Виходять закручені поверхні. Такі оболонки-шкаралупи можуть стати основою і для перекриттів середніх прольотів, і для будівництва висотних споруд з невеликою площею опори: вітри будуть безсило ковзати по крученій поверхні, не завдаючи шкоди спорудженню.
Кістки і м’язи тварин працюють як попередньо напружені конструкції: кістки — на стиск і вигин, м’язи і сухожилля — на розтяг, як арматури. Такий принцип проектування архітектурних споруд дасть можливість значно економити матеріал. Всередині стебел трав і стовбурів дерев діє система перерозподілу і ослаблення сил від вітрових навантажень. Пізнання її надзвичайно цікаве для проектування високих будівель і споруд, особливо в районах Півночі.
Доцільність, з якою влаштоване стебло рослини, викликає захоплення. Воно витягнуте різко вгору, отримує величезну кількість тепла, світла і повітря і несе навантаження, яке в сотні разів перевершує його масу.
Відношення площі підстави стебла до його висоти характеризує стійкість конструкції по відношенню до вітрових навантажень. “Коефіцієнт стрункості” у очерету дорівнює 1:200, у жита 1:500, і ще при цьому стебло жита несе колос, маса якого в 1.5 рази більше маси стебла.
У конструкції Останкінської телевежі розтягуюча сила від власних коливань вежі передається на попередньо-напружені, туго натягнуті сталеві канати, що проходять всередині вежі. Канати стягують окремі циліндричні блоки, що імітує вертикальні волокна стебел і дерев. Це допомогло подолати величезні сили вітрового навантаження. Однак “коефіцієнт стрункості” телевежі лише 1:30 — незрівнянно менше, ніж у стебел злаків.
У стебла є вузли-демпфери, особливо влаштовані пружні шарніри, що грають важливу роль в перерозподілі згинальних сил. Але як їх змоделювати?
У сучасній архітектурі застосовують конструкції, названі шкаралупами за аналогією з природними оболонками. Надзвичайно важлива особливість їх роботи, як сказав італійський інженер, творець Олімпійських комплексів в Римі П. Л. Нерві, «принцип роботи за формою», тобто єдність геометричних і механічних властивостей конструкції. Іспанський архітектор Е. Торроха говорить з цього приводу: «кращою спорудою є та, надійність якої забезпечується головним чином за рахунок її форми, а не за рахунок міцності матеріалу. Останнє досягається просто, тоді як перше, навпаки, з великими труднощами». І наводить приклад роботи тіла тварини «за формою» – леопард здатний втягувати на дерево свою жертву, вага якої може п’ятикратно перевищувати його власну. Отже, від шкаралупи горіха до тіла леопарда, все може «стати в нагоді» в архітектурній біоніці.
Привертає також комплексність властивостей оболонок-шкаралуп живої природи – здатність чинити опір механічним навантаженням і одночасно бути тепло -, гідроізоляцією. У лабораторії архітектурної біоніки теорії та історії архітектури досліджують саме такі природні оболонки, з тим, щоб змоделювати їх, знайти оптимальні форми і фізичні властивості. Ці оболонки схожі на закручені поверхні стебел рослин або опорних кісток тварин, їх називають «турбосоми» («турбо» — обертання, «сома» — тіло).
Всі запозичення у живої природи повинні бути максимально простими, технологічними і розрахованими головним чином на індустріальне виконання. Турбосоми цілком відповідають цим вимогам.
У біонічній лабораторії отримують дивно точні копії живих об’єктів. Відтворюються найскладніші, з найдрібнішими деталями форми. На змодельованому листочку дерева видно кожну прожилку і навіть зафіксувалася крапля води. Для цього знадобилося знайти особливі модельні матеріали. Біонічні дослідження Лабораторії вирішують, зрозуміло, і головне: наскільки зручна, красива, технічно раціональна буде для архітектури форма живої природи. Скажімо, в живій природі часто зустрічаються конструкції у вигляді різноманітних ребристих, гратчастих і тому подібних систем: структура найдрібніших морських організмів — радіолярій і діатомей, нерватура листа рослин, грудна клітка тварин і птахів і т. д., тонка прозора плівка листа дерева підтримується жорстким каркасом — його нерватурою, по якій, образно кажучи, і розтікаються несучі сили. В архітектурі також давно відомий поділ несучих і несомих (огороджувальних) елементів конструкцій.
Великого конструктивного і естетичного ефекту домігся П. Л. Нерві в покритті головного залу Туринської виставки. Він запозичив для покриття основні структурні елементи листа Вікторії-Регії. У цьому покритті поєднується оболонка – шкаралупа і гратчаста структура.
Байтові (канатні) конструкції нагадують павутину. А мембранні і тентові (наметові) конструкції цілком аналогічні шкірним покривам, широким м’язам і сухожиллям тварин, перетинкам водоплавних птахів, крил кажанів, плавників риб.
Здатність мембранних конструкцій витримувати великі розтягуючі зусилля використовував найоригінальнішим способом архітектор Г. Б. Борисовський. Це проекти «падаючих» будинків. Уявімо собі дві поставлені на досить великій відстані залізобетонні колони. Змусимо їх падати в протилежні сторони одна від одної, але між ними підвісимо міцний сталевий канат, підстави колон зафіксуємо шарнірами. Канат утримає колони від падіння, сам натягнеться, як струна. Підпірні колони придбають стійкість, а канат перетвориться в жорстку конструкцію. Якщо змусити «падати» два ряди колон (або дві стіни), а між ними натягнути по поверхах сітки або мембрани, то вони натягнуться і перетворяться в міжповерхові перекриття. «Падати» можуть навіть два паралельно стоячі будинки з натягнутою між ними сіткою. Тоді сітку можна використовувати самими різними способами, наприклад, підвісити «сади Семіраміди». Павук, до речі, також розраховує на натяг своєї павутини похилими (падаючими) гілками, до яких прикріплені її нитки.
Складені листя рослин, розкриті пелюстки квітів наштовхують архітекторів на ідеї трансформованих складних систем. Біонічні дослідження допомагають вирішити досить важке завдання: вдало поєднувати однаковість з різноманітністю.
Архітектурна біоніка не тільки «ковзає по поверхні», але і «заглядає вглиб» — вивчає структури рослин і тварин з точки зору створення нових ефективних будівельних матеріалів. Тканини рослин і тварин, найрізноманітніші за фізичними властивостями, працюють як єдина система. Заповнення простору між мікрофібрилами (тонкими білковими нитками) лігніном призводить до значного підвищення здатності рослинних оболонок працювати на стиск і розтягнення.
Будівельники та архітектори з найдавніших часів так чи інакше використовували форми і «техніку» природи або прагнули «вписати» свої споруди в природний ландшафт. Вивчаючи механічні особливості роботи стебел рослин, Галілей створив формулу статичного розрахунку балки, цією формулою користувалися аж до початку XIX століття. Зодчий італійського Відродження Ф. Брунеллески, проектуючи купол Флорентійського собору, взяв за зразок форму шкаралупи пташиного яйця.
Сьогодні перспективи архітектурної біоніки важко переоцінити. Без неї не вирішити значних проблем архітектури – її комплексного розвитку, її внутрішньої єдності техніки, функції та естетики, збереження живої природи. І взагалі створення гармонійного архітектурно-природного середовища нашого з вами існування.
Автор: А. Вайсман.