Треугольник в основе быстровозводимых конструкций

Сообщение доцента БГПА Г. М. Гавриковой "Математизированные средства разработки и реализации архитектурной продукции", сделанное ею на международной научно-практической конференции "Жилище XXI века. Опыт проектирования и экспериментального строительства жилых зданий нового поколения"

Существует проблема объединения усилий инженера-строителя и архитектора в процессе разработки и реализации зданий и сооружений нового поколения. Инженер, решая проблему архитектурной формы, опирается на единственную жесткую позицию - элементы, из которых состоит эта архитектурная форма. И сводит решение этой проблемы к решению ряда точечных задач. В данном случае можно говорить об индуктивном методе решения задачи.

Восприятие архитектора - совершенно противоположное, он подходит к архитектурной форме с художественных позиций, оценивая ее по ее красоте, то есть по степени ее эмоционального воздействия на потребителя.

Красота окружающего мира воспринимается нами через великое многообразие природных форм. И, естественно, у архитектора, у пытливого художника возникает вопрос: как же природа создает все это многообразие, эту уникальную красоту, которая и поддерживает в нас высокий интеллектуальный потенциал, который и сделал из нас homo sapiens. Определив механизм создания этой красоты, движущую силу этого механизма, то есть определив программу, мы должны позаимствовать эти механизм, силу и программу работы природы на нашем уровне и использовать их для решения наших прикладных задач.

Еще Аристотель сказал, что как только человек начинает изучать природу, он сталкивается с вопросами бесконечности или вопросами множества. И действительно, если мы рассмотрим аспект многообразия в растительном мире, то придем к пониманию отдельных строительных элементов таких систем. В растительном мире это, естественно, клетка. Сравнительный анализ подсказывает нам, что наличие, с одной стороны, одноклеточного растительного организма, с другой, многоклеточных растительных формирований и есть залог движущей силы создания многообразия.

Как известно из математики, отношение прироста площади к приросту объема выражается отношением квадрата к кубу. А биологи говорят: чем больше площадь взаимодействия клетки с реальным окружающим миром, с наружной средой, тем в большей степени в этой клетке активизируются процессы обмена.

Повышение интенсивности обменных процессов в клетке дает ей возможность более активно приспосабливаться к изменениям окружающей среды. И если растение состоит из одной клетки, упомянутое отношение квадрата к кубу соблюдается неукоснительно. Но если рассматривается какой-то растительный организм, состоящий из множества клеток, то отношение квадрата к кубу не соблюдается, наоборот, площадь поверхности организма увеличивается гораздо быстрее, чем его объем. А раз так, то, значит, увеличивается интенсивность обмена клетки, следовательно, увеличивается ее приспособляемость к изменяющимся условиям наружной среды. Вот это и есть механизм - жесткая жизненная сила основывается на теории множеств.

С помощью теории множеств и понятий, связанных с топологическими пространствами, возможно создание таких архитектурных систем, которые можно назвать эволюционирующими, которые смогут работать по определенной программе, в том или ином автоматическом режиме.

Одно из понятий топологии (геометрии множеств), которые можно использовать для решения этих задач, - это зависимость от мерности топологического пространства вариантности элементов, его составляющих. Какова мерность пространства или искусственной формы, такова и степень свободы элементов, его составляющих, то есть вариантность.

Это математическая база, на которой следует строить всю систему взаимодействия элементов в этой структуре.

Система взаимодействия обязательно будет ориентирована на вопросы аппроксимации этого пространства и вопросы конгруэнтности. Вопросы же аппроксимации и конгруэнтности непременно укладываются в очень жесткие технологические концепции серийности в наших конкретных задачах.

Вопросы аппроксимации пространства являются краеугольными позициями топологической геометрии (как определение или задание абсолютно твердого тела любой формы в пространстве может быть задано тремя точками, не лежащими на одной прямой, то есть треугольником). Множество таких треугольников и задаст любую геометрию.

Далее нужно, чтобы эта структура, состоящая из треугольников, работала в автоматическом режиме, нужно определить систему взаимодействия этих треугольников, то есть систему отнесения. Система эта разработана и основывается на координатных сетках.

Традиционное эвклидово пространство задается координатными сетками, плоскости которых располагаются под углом 90 градусов друг к другу. В связи же с вышеизложенным, с необходимостью работать в топологических пространствах, имеющих свою степень разрешения задачи, приходится переходить от декартовой к полярной системе координат с угловыми константами 120 градусов.

Эта 120-градусная угловая константа и позволяет получить координатные сетки отнесения, состоящие из конгруэнтных треугольных дисков, причем эти диски равносторонние, каждый угол составляет 60 градусов. Векторы такой сетки располагаются под углом 120 градусов.

Данную плоскостную координатную сетку можно назвать двухпараметрической модульной сеткой трехмерных многообразий, потому что, пользуясь такой сеткой, можно получить трехмерные многообразия. Такая сетка дает возможность разрабатывать так называемые архитектурные конструкторы - номенклатуру всех конструктивных элементов, входящих в понятие здания или сооружения - ограждающих или несущих конструкций.

На базе такой координатной сетки, при помощи которой возможна разработка архитектурного конструктора, очень близкого по своей основе к технологическому потенциалу ДСК, можно разработать кинематический аналог такого конструктора. Поскольку треугольник - это элемент, геометрически неизменяемый, значит, удаляя одну сторону этого треугольника, можно получить ромбическую сетку. Ромбическая сетка позволяет использовать так называемый кинематический вариант на основе кинематического анализа поверхности Шварца.

Такая кинематическая сетка отнесения дает возможность работать уже не в структуре архитектурного конструктора, а в более мобильной архитектуре, позволяющей создавать быстровозводимые структуры. В свое время в БГПА был выполнен конкурсный проект быстровозводимых зданий для системы бытового обслуживания. Было разработано несколько вариантов быстровозводимых мобильных блоков бытового обслуживания. Сетка - ромбическая гармошка - собирается на заводе, перевозится на любом автомобиле, доставляется на строительную площадку, где механически раздвигается и приводится в проектное положение. В качестве кинематичекого шарнира используется диагональ ромба.

Возводя такие здания с использованием клеедеревянных либо металлических конструкций, можно отстроить разрушенный Северный Кавказ.

Еще один конкурсный проект заказал БГПА концерн "Белресурсы". В конкурсе на лучший проект здания бизнес-центра принимали участие многие проектные институты, а также студенческий коллектив БГПА, руководимый Г. М. Гавриковой, который и выиграл этот конкурс, разработав все необходимые металлоконструкции, которые, будучи доставленными на стройплощадку, раздвигались и поднимались на проектную отметку.

Что же касается проектов, где используется архитектурный конструктор со всеми его элементами, то уже в 1998 г. Г. М. Гаврикова предложила данную идею Минстройархитектуры РБ; был заключен хозяйственный договор, и совместная с главным инженером ГП НИПТИС В. А. Потерщуком работа в этом направлении дала положительные результаты.

Можно использовать структурные виды перекрытий из треугольных коробчатых элементов, а в качестве стеновых ограждений - газосиликатные блоки. Аспирант БГПА из Ливана в соответствии с полученным им заданием сделал с использованием идеи и программы архитектурного конструктора проект большого образовательного центра для детей-сирот. И жилье, и здание учебного центра, и общественный блок, и столовая - все сделано из одних и тех же конструкций.

Это очень важный фактор: существует единая программа, которую можно использовать для автоматизированного проектирования разного типа сооружений.

Еще один интересный студенческий проект предполагает навеску этажей без дополнительных инженерных мероприятий. Наклонные стены и пластичная объемная структура зданий и сооружений позволяют с альтернативных позиций решать вопросы энергоэффективности зданий. Стена - не пассивное по отношению к солнечной энергии ограждение, а конструкция типа перископа, которая сама ищет солнечный свет, а с северо-западной стороны может быть глухой. И излишняя изрезанность фасада, и наклон его поверхностей помогают решать определенные задачи знергоэффективности здания.

Конкретный пример использования этой программы для реконструкции -студенческий курсовой проект, являющийся проектом реконструкции детского сада по улице Козлова в Минске. Еще несколько примеров проектирования студентами БГПА реконструкции - это проекты, выполненные с подачи ГП "Минскпроект" (реконструкция зданий районного молодежного клуба, детского сада, реабилитационного детского центра).

Проектирование по этой же программе многоэтажного гаража было осуществлено с использованием ромбической координатной сетки, но не в стержневом, а в вантовом варианте. На диски перекрытий надевается сетка типа чулка, закрепляется на первом и последнем диске и затем обжимается на стрикционной линии этой структуры.

Получается преднапряженная, чрезвычайно жесткая и легкая, в иных вариантах экономически труднодостижимая система, которая может работать в условиях повышенной сейсмичности.

Егор ЗОЛОТОВ