ДИАГОНАЛЬНЫЕ ОБОЛОЧКОВЫЕ СИСТЕМЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И АРХИТЕКТУРЕ

DIAGRID STRUCTURES. RELEVANCE OF APPLICATION IN CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE

Ekaterina Shalaeva

student, faculty of architecture, State University of Land use Planning,

Russia, Moscow

Polina Lokhtacheva

student, faculty of architecture, State University of Land use Planning,

Russia, Moscow

Ekaterina Doktorova

student, faculty of architecture, State University of Land use Planning,

Russia, Moscow

Andrey Koshkin

Senior Lecturer, department of construction, State University of Land use Planning,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Сетчатые диагональные оболочки - современная технология строительства зданий, позволяющая создавать уникальные архитектурные объекты с необычной формой и высотой. Они обладают рядом преимуществ, таких как высокая устойчивость, экономия материала и возможность реализации самых сложных проектных задач. Эту статью можно будет использовать для изучения новых методов строительства и развития архитектуры.

ABSTRACT

Diagrid structures are a modern building construction technology that allows you to create unique architectural objects with an unusual shape and height. They have a number of advantages, such as high stability, material savings and the ability to implement the most complex design tasks. This article can be used to study new methods of construction and development of architecture.

Ключевые слова: здание; система; высота; модуль; нагрузка; элемент.

Keywords: building; system; height; module; load; element.

Введение

В последние несколько десятилетий «сетчатые диагональные оболочки» (diagrid structures) стали особенно популярны в архитектуре и инженерии для зданий различного назначения, формы, высотности и т.д.

Сетчатые оболочки имеют возможность адаптироваться и обеспечивать поддержку структуры широкому разнообразию непрямолинейных геометрических форм, изогнутым и ломанным линиям. Применение сетчатых оболочек относительно высоты по большей части ограничено высотными или многоэтажными зданиями по причине характера их работы. В подобных конструкциях вертикальные несущие элементы, которые являются привычными, и колонны заменяются наклонными элементами, которые образуют структурную оболочку здания с ромбовидным узором, характерным для этого типа оболочки. При этом колонны внутри здания полностью или частично исключаются, а нагрузка от перекрытий и кровли переносится на балочную или ферменную систему, которая, в свою очередь, передает их на оболочку. Сетчатые оболочки принимают на себя как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки без привычного структурного ядра за счет триангуляции элементов и эффективных распределений материала- это дает возможность создания совершенно уникальных зданий.

Можно выделить ряд преимуществ сетчатых оболочковых систем, с точки зрения особенностей архитектуры и конструкций:

• высокая устойчивость, благодаря треугольным элементам;
• возможность использования шарнирных соединений;
• обеспечение большого количества вариантов распределения нагрузки и снижение возможности разрушения;
• снижение собственного веса конструкций, благодаря чему снижается и нагрузка на фундамент;
• уменьшение материалоемкости;
• появляется возможность обеспечения структурной поддержки множества различных форм;
• создание уникальной формы здания не только в плане, но и по высоте;
• даже при простой форме здания, оно имеет архитектурную выразительность в образе;
• Параметры сетки несущих элементов могут иметь разные варианты за счет изменения размеров, угла наклона, формы и количества самих ячеек;
• большое поступление солнечного света за счет панорамного остекления;
• появляется возможность создавать интерьеры, в которых не присутствуют колонны;

Если рассматривать эту систему с точки зрения менеджмента, то можно также выделить ряд особенностей:

• появляется необходимость совместной работы архитектора, инженера и производителя, т.к. должны учитываться сложность проектирования, дизайна и визуальное влияние оболочки здания на конструкцию здания;
• интеграция опыта и специализации не только от архитекторов, но и от инженеров;
• необходимость использования BIM – технологий;

Эффективность от использования сетчатых оболочковых систем не единожды была подтверждена различными уже реализованными проектами зданий в XXI веке.

Создание и развитие сетчатых оболочковых систем с диагональными элементами

История того, как создавались и развивались сетчатые оболочки в качестве каркаса для высотных и уникальных зданий и сооружений начинается с выдающегося российского инженера Владимира Шухова в 1896 году. Эмпирические методы структурного анализа явились основой для методов структурного проектирования, которые наиболее широко использовались в России в конце девятнадцатого и начале двадцатого века. Использование наиболее сложных методов анализа для оценки напряжений в статически неопределенных системах в то время не были широко распространены. Шухов разработал математические методы для создания структурных расчетов, необходимых для проектирования своих конструкций. Предполагается, что свои методы он получил от объединения геометрии Лобачевского с работой Чебышева по минимумам, максимумам и приближениям функций. Также Шухову приписывают разработку графико-статического метода определения усилий в элементах, которые он проектировал.

Металлические несущие системы высотных зданий прошли долгий путь развития. Основной проблемой строительства высотных зданий с точки зрения инженерии, как известно, являются повышенные ветровые нагрузки. Обыкновенный рамная конструкция, которая основой для металлических каркасов, без дополнительного усиления плохо сопротивляется подобным воздействиям. Именно по этой причине инженеры стали искать варианты более эффективного решения несущей системы здания. Одним из возможных решений подобной проблемы стали наклонные элементы, характер работы которых позволяет рассеивать ветровую нагрузку и воспринимать ее через осевые усилия, что приводит к меньшим изгибным деформациям здания в целом – так появились рамные каркасы с связевыми элементами.

Следующим шагом в развитии системы стало появление несущей системы с поясными фермами, которые играли роль своеобразных дисков жесткости, разделяя здание по высоте на модули. Дополнительной задачей проектировщиков в обязательном порядке является эффективное распределение материала по высоте и сечению здания. Исходя из этого, можно заметить, что оболочковые системы, удовлетворяют критерию по рациональному распределению материала по сечению, создавая высокий момент инерции всей конструкции, при этом влияние повышенных ветровых нагрузок всё также оптимально может компенсироваться наклонными элементами, меняющими характер работы конструкций на горизонтальные нагрузки с изгибного на осевое воздействие.  Можно заметить, что применение в проекте диагональных сетчатых оболочек лежит на пересечении решений как инженерно-конструкторских, так и архитектурных в современном мире строительства. Такая концепция вписывается в существующую обстановку градостроительства, когда все стремятся к усложнению форм здания во всех направлениях, а также к достижению всё больших и больших высот. Конструкции сетчатых оболочковых систем относятся к виду «активных по высоте» и «активных по форме» несущих систем, благодаря чему они становятся весьма популярным решением несущего каркаса современных высотных зданий со сложной структурой и формой.

Первым зданием, поддерживаемым оболочковой системой, стало IBM Building, спроектированное архитектурным бюро Curtis and Davis Architects, при поддержке инженерной компании Leslie E. Robertson Associates. После реализации проекта IBM Building, диагональные оболочковые системы забылись в качестве решений для несущего каркаса зданий на несколько десятилетий инженерами и архитекторами. Новый шаг к развитию сетчатые оболочковые системы сделали благодаря английскому архитектору Норману Фостеру. С начала XXI века его архитектурное бюро «Foster and Partners» стало все чаще использовать диагональные оболочки для своих проектов, первым из которых стало здание «London City Hall». Оболочковая система здания стала эффективным решением, способным обеспечить необходимую сложную форму здания, при этом воспринимая весь вес стеклянных ограждающих панелей.

Авторы различных исследований обращают внимание на достаточно высокие показатели эффективности работы подобной оболочки на динамические нагрузки. Сейсмические характеристики привычных оболочковых систем были подробно изучены. Для подобного исследования был спроектирован 36-этажный оболочковый каркас с различными наклонами элементов, а сейсмические характеристики оценивались с помощью нелинейных статических и динамических анализов. Анализ показал более высокую прочность и меньшую пластичность для оболочковых структур. Также отмечают, что по мере увеличения наклона элементов здания сдвиг самих конструкций уменьшается, как и поперечные силы.

Высотность зданий с диагональными оболочковыми системами

Все проекты с рассматриваемой оболочковой системой можно разделить на 3 группы по высоте:

• Средней высотности – до 100 м;
• Высотные – от 100 до 500 м;
• Супервысокие – более 500 м.

­­

Рисунок 1. Количество проектов с диагональной оболочковой системой различной высотности

Как можно заметить, по графику на рис. 1, высотность зданий с использованием диагональных оболочковых систем с каждым годом только возрастает. Подобные системы всё чаще и чаще становятся главным решением для проектов высотных зданий, а в последние годы даже применяются в качестве каркаса супервысоких зданий. По большей части, это связано с тем, что диагональные оболочки действительно эффективно сопротивляются горизонтальным нагрузкам, которые являются, в свою очередь, самой основной проблемой на таких высотах. Для оболочкового каркаса распределение материала по сечению здания в плане как раз обеспечивает высокий момент инерции, который так же позволяет эффективно работать и на горизонтальные нагрузки. При этом, однако, следует учитывать соотношение размеров здания в плане и его высоты, по достижению определенного показателя данного соотношения, оболочковые системы все же перестают быть экономически эффективными.

Модули диагональных оболочковых систем

Для проектирования диагональных оболочковых систем, как правило, здание разбивают на части с повторяющейся геометрией – так называемые модули (рис. 2), которые по высоте занимают несколько этажей здания.

Рисунок 2. Принципиальная схема модуля диагональной оболочки

Размеры модулей можно разделить на 4 группы:

• 2-4 этажа;
• 6-8 этажей;
• Более 10 этажей;
• Непостоянные модули;

 Согласно графику (рис.3), можно заметить, что количество этажей, которое охватывает каждый модуль, со временем только растет, а за последние несколько лет приобретают популярность непостоянные модули, с различным углом наклона и размерами, которые могут доходить даже до 16-18 этажей.

Рисунок 3. Размеры модулей диагональных оболочковых систем

Такой быстрый рост использования нерегулярных модулей можно объяснить тем, что они имеют более высокую приспособляемость к форме здания и конструктивную эффективность из-за того, что несущая способность подобных модулей и акцент на восприятие горизонтальных или вертикальных нагрузок может меняться за счет изменения угла наклона и размеров элементов. Однако, как мы можем видеть, модули среднего и малого размера по-прежнему не выходят из использования. Это можно объяснить отсутствием экономической эффективности применения непостоянных модулей, для зданий высотой до 500 метров и с неизменным планом этажей, так как проектирование и изготовление неунифицированных элементов и узлов несет за собой большие затраты, а также невозможностью подстроить модули большого размера под форму здания.

Еще один важный критерий для модулей оболочковых систем - угол наклона диагоналей к горизонту. От угла наклона диагоналей зависит эффективность восприятия нагрузок, так чем круче угол наклона, тем элементы лучше воспринимают вертикальные нагрузки и создают наиболее высокую жесткость здания при изгибе. Из этого следует, что по мере увеличения высоты самого здания будет увеличиваться и оптимальный угол наклона диагоналей, что мы и можем увидеть, сравнив проекты PRADA Boutique с высотой 28 метров и углом наклона элементов 33° и Lotte Super Tower с высотой 556 метров и углом наклона от 60° до 79°.

Исследователь K.S. Moon сравнил диагональные оболочковые системы, угол наклона в которых изменяется в горизонтальном направлении, в вертикальном или в обоих направлениях сразу. Его сравнения показывают, что регулярный угол наклона по всей высоте здания является эффективным решением для зданий с количеством этажей от 40 до 60 (а), в то время как непостоянный угол будет оптимальным в зданиях от 70 этажей и выше (б) (рис.4).

Рисунок 4. Варианты оптимального угла наклона диагональных элементов.

Форма зданий в плане и по высоте

Как можно сделать вывод из рассматриваемых проектов, в основном это симметричные в плане фигуры, большая часть которых представляет собой круг, эллипс или другие изогнутые формы. Такие формы свойственны больше высотным зданиям, так как ветровые нагрузки в них начинают играть основную роль при проектировании конструкций и некоторые изменения здания в сторону более сглаженной формы могут значительно уменьшить влияние ветровой энергии, возникающие моменты, а также образование завихрений (рис. 5).

Рисунок 5. Влияние формы здания на обтекание ветром

Заключение

Оболочковые системы, благодаря стремительному развитию технологий информационного моделирования и методов проектирования в XXI веке, получили огромный толчок для их активного применения. Данные несущие конструкции имеют большой интерес как для инженеров-конструкторов, так и для архитекторов, так как совмещают в себе большое количество положительных характеристик как для каркаса здания, так и для архитектурной выразительности проекта. Эффективность сетчатых оболочковых систем множество раз была подтверждена на практике при строительстве уникальных зданий. В свою очередь, при выборе данных систем в качестве основного несущего каркаса здания необходимо учитывать ряд факторов таких, как например:

• высотность здания;
• форму в плане и по высоте;
• геометрические особенности;
• угол наклона элементов оболочки;
• эффективное деление на модули;
• преимущественные нагрузки на систему.

Отдельное внимание стоит обращать на экономическую целесообразность проектирования сетчатых оболочек, так как их конструктивные особенности требуют больших затрат различных ресурсов как на разработку каркаса в целом, так и на его отдельные элементы, узлы.

Список литературы:

1. Шухова Е. М. Труды и дни инженера В. Г. Шухова // Наше наследие. 2004. № 70. С. 82–98.
2. Кускочева А.Г. Применение гиперболических конструкций в строительстве и архитектуре. // Информация и образование: границы коммуникаций. 2011. №3(11). С. 323-327.
3. Ахметзянов Р.И., Данченко Л.В., Рыбалкина Р.И. Геометрические и конструктивные особенности гиперболоидных конструкций // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 4. С. 59-64
4. Якуба О.В., Бардин А.В. Диагонально-сетчатые несущие конструкции в высотных зданиях // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. 7 (22). С.82-91
5. Копытов М.М. Металлические конструкции каркасных зданий: учебное пособие. М: Издательство АСВ, 2016. 400 с.
6. Плетнев В.И., Самсонов А.В. Анализ и развитие конструктивных форм высотных зданий // Вестник гражданских инженеров. 2004. № 1. С. 64-70.
7. Магай А.А., Дубынин Н.В. Особенности архитектурной типологии высотных зданий. // Архитектура и строительство России. 2009. № 4. С. 22-29.