Бионическая архитектура

Бионическая направленность уже издавна позволяла создавать формы построений и формы архитектуры исходя из их природного назначения и возможностей природных материалов, т.е. как конструирование, так и само построение объектов стало во многом предопределяться особенностями создания подобных форм природой с характерной для нее взаимосвязанной организацией внешних форм и использованием их в строительстве: типы каменных кладок и креплений, кладки деревянных изб, плетеных поверхностей, конструктивных швов, соединяющих полотнища тканей, луковичные формы православных церквей и т.д. Всё время существования цивилизации и культуры природные формы выступали неиссякаемым источником для технических и технологических решений, выступая уподоблением природному формообразованию.

В этом плане внимание архитекторов, конструкторов, дизайнеров и т.д. к законам формообразования и использование в этих областях форм живой природы предстает  глубоко закономерным и обусловленным, ибо живая природа в процессе своего развития имеет тенденцию  и стремится к органической целесообразности существования, связанной с минимальным  расходом энергии, строительного материала  и времени. Подобная целесообразность и направленность природных форм, как представляется, и стала основой  использования закономерностей  формообразования живых структур в  конструктивном, техническом и технологическом  плане в искусственных объектах.

Формообразование  в живой природе характеризуется  пластичностью и комбинаторностью, взаимосвязью элементов структуры, разнообразием как правильных геометрических форм и фигур –– окружностей, овалов, ромбов, кубов, треугольников, квадратов, различного рода многоугольников, так и бесконечным множеством чрезвычайно сложных и удивительно красивых, легких, прочных и экономичных конструкций, созданных в результате комбинирования этих элементов. В этом смысле формообразование в природе отражает не только эволюцию развития живых организмов, но и многочисленные корректировки их структуры для достижения идеального варианта.

Проблематика  науки и творчества в области  архитектурной бионики может  быть отнесена к следующим основным позициям. 
1. Биоматериаловедение охватывает широкую сферу исследовательских и экспериментальных работ, объектом которых является изучение удивительных свойств биоматериалов и их "производных" — тканей животных организмов, стеблей и листьев растений, нитей паутины, усиков тыкв, функциональных систем организмов и т.п. 
Современное биоматериаловедение ставит трудные задачи создания новых строительных материалов, обладающих новыми свойствами и составом на основе структуры биоматериалов живой материи. Кроме того, правильное использование самих биоматериапов в архитектурной практике в более широких границах, чем обычное "зеленое строительство", проводимое для достижения оздоровительных целей и создания защитных конструкций архитектуры , — одна из перспективных и важных его задач. 
2. Биотектоника является широкой областью изучения и освоения закономерностей, форм и строения живой материи и их применения в области конструирования. В фокусе своих научных и творческих интересов биотектоника концентрирует освоение новых способов и технических средств, сочетаемых с поисками эстетических форм конструкций, для материальной организации пространственной среды человеческой жизни в архитектуре. 
Главные проблемы биотектоники заключаются в создании новых конструкций на основе принципов и способов действия биоконструкций в живой природе; способов связи и узлов конструкций, взятых из конструирования живой природы; в создании целостных материальных структур как органического единства конструктивных и неконструктивных элементов на основе взаимодействия подобных элементов в живой природе; в использовании систем интернации и экстернации для осуществления новых тектонических систем в архитектуре по образцам живой природы; в осуществлении адаптации и роста гибких тектонических систем на основе адаптации и роста живых организмов. 

Важным  моментом, сыгравшим свою роль в  обращении архитекторов и конструкторов  к живой природе, явилось внедрение  в практику пространственных конструктивных систем, выгодных в экономическом  отношении, но сложных в смысле их математического расчета. Прообразами  этих систем во многих случаях были структурные формы природы. Такие  формы начали успешно применяться  в различных типологических областях архитектуры, в строительстве большепролетных  и высотных сооружений, создании быстро трансформирующихся конструкций, стандартизации элементов зданий и сооружений и  т.д.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется  новым строительным технологиям. Так  в области разработок эффективных  и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные  ракушки, например у широко распространенного  «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда  жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше.

В качестве примера архитектурно - бионического моделирования можно привести следующий фрагмент из научных отчетов: «Исследование вертикальных конструктивных форм живой природы» (Ю.С.Лебедев, В.Ф.Жданов при участии Л.И.Беловой).

В 1970-1980 гг. с целью изучения поставленной задачи были предприняты исследования купальницы европейской (Trollus europalus L).Сбор экземпляров на стадии цветения составил 70 шт (в Подмосковье, на Кольском полуострове в Заполярье). Линейные размеры – длина (высота) несущего стебля растения, длина междоузлий измерялись с точностью +- 0,5 мм; предельная относительная ошибка измерений диаметра междоузлий, а также веса органов и в целом всего растения не превышала +- 10%.

Высота  несущего стебля от корневой шейки  растения до основания чашелистика  изменяется в пределах 37-78 см. Вероятностное  распределение данного параметра  соответствует нормальному закону. Среднее значение его 55,1; коэффициент  вариации +-16%.

Несущий стебель содержит не более8 междоузлий. Наиболее распространены растения с 3-4 узлами (4-5 междоузлий) на стебле.

Вероятностное распределение размещения узлов  на стебле растений имеет полимодальный  характер; особенно стоит отметить две устойчивые моды, соответствующие  классовом интервалом распределения  со средним значением 0,425 и 0,575. Наличие  этих мод обусловлено внутренними  генетическими факторами, присущими  данному виду растений.

Статистическая  обработка измерений длин междоузлий показала, что средние значения относительных  величин данного параметра хорошо согласуются с числами, функционально  связанными с «золотым сечением»  Далее в таблицу сводятся числовые ряды, выражающие средние значения длины междоузлий растений с различным  числом узлов. Подробнее этот расчет см. «Архитектурная бионика» Лебедев  Ю.С. (1990г М:Стройиздат)

Измерения диаметров междоузлий показывает, что  их относительные значения также  можно представить в виде числового  ряда, каждый член которого является функцией «золотого сечения». Наибольшее значение диаметра характерно для верхнего конца  первого междоузлия; среднее значение 3мм, наименьший – верхнему концу  последнего междоузлия; среднее значение находится в интервале 1,8-1,9 мм. Коэффициент  вариации диаметров каждого междоузлия равен в среднем 17%.

На основании  полученных результатов можно построить  различные геометрические модели стебля. На поперечных разрезах стебля у основания  конструкции фигура сечения имеет  форму окружности , которая затем  сменяется формой многоугольника с 13 (11-15) вершинами, переходящее по мере продвижения к вершине в восьмиугольник. При этом изменение фигуры сечения сопровождается ее вращением, а ребра жесткости – каннелюры – образуют винтовую поверхность. Такая конструкция обеспечивает вертикальную и пространственную жесткость, а также возможность использования внутреннего пространства для обеспечения биологических процессов жизнедеятельности растения. Далее вычисляется еще ряд показателей, характеризующих сечения и конструкцию целиком (отношение масс, объемного веса, площадей, объемов и т.д.) Использование подобной конструкции можно наблюдать и в ряде современных проектов и построек. 
 
Вот несколько биологических конструкций, используемых в архитектуре:

• Паутина – необычайно легкий, экономичный сетчатый материал;
• Пчелиные соты, воск;
• Муравьиное гнездо. Принцип его построения напоминает о зданиях, возводимых людьми. Имеются подвальные помещения, каждое из которых имеет сво предназначение;
• Мягкая мочалка. Ее необычайный узор подходит для изготовления прочных и одновременно элегантных конструкций, которые, например, можно использовать как большие емкости для перевозки воды или масла;
• Клеточная мембрана. Двойной переплет жировых китаров, обволокивающий живую клетку, уже используется в так называемой микро-архитектуре.

Можно привести 5 наиболее известных технологий:

1. энергоэффективное здание с низким потреблением энергии или с нулевым потреблением энергии из стандартных источников (Energy Efficient Building or Zero Energy Efficient Building)
2. пассивное здание (Passive Building). В нем предусмотрено применение энергосберегающих строительных материалов и конструкций. В таких зданиях почти нет традиционных отопительных систем.
3. биоклиматическая архитектура (Bioclimatic Architecture). Одно из направлений в стиле hi - tech. Главный принцип биоклиматической архитектуры - гармония с природой: "… чтобы птица, залетев в офис, не заметила, что она внутри него". В основном, известны многочисленные биоклиматические небоскребы, в которых наравне с заградительными системами, активно применяется многослойное остекление (double skin technology) обеспечивающее шумоизоляцию и поддержку микроклимата вкупе с вентилляцией.
4. интеллектуальное или умное здание (Intellectual Building). Здание, в котором оптимизированы потоки света и тепла в помещениях и ограждающих конструкциях, с помощью компьютерных технологий и автоматизации.
5. здоровое здание (Healthy Building). Здание, в котором, наряду с применением энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии приоритетными являются природные строительные материалы (смеси из земли и глины, дерево, камень, песок, и т.д.) Технологии «здорового» дома учитывают достижения в области очистки воздуха от вредных испарений, газов, радиоактивных веществ (газ Радон), мелко-частичной пыли (вызывающей аллергические болезни), формальдегидов (выбросы от курения) бактерий и т.д.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.История использования форм живой природы в архитектурной практике.

Духовный  аспект создания бионических форм связан

с попыткой осознать предназначение человека.

В соответствии с этим архитектура трактуется

как «место», где раскрывается смысл человеческого бытия>.

Архитектурная бионика возникла не случайно. Она  результат предшествующего опыта  использования в том или ином виде (чаще всего – ассоциативном  и подражательном) определенных свойств  или характеристик форм живой  природы в архитектуре – гипостильные залы египетских храмов в Луксоре и Карнаке, капители и колонны античных ордеров, интерьеры готических соборов, образный строй русских церквей.

Созданные из камня монументальные египетские сооружения будто вырастают из бескрайних песков Ливийской пустыни, а пирамиды Теотиуакана в Мексике похожи на высящиеся над землей горы. Кроме того, в строительстве пирамид использован принцип, на котором основано все множество объектов органической природы, - принцип «золотого сечения».

Еще одна концепция бионической архитектуры – создание эко-домов, которые строятся из природных материалов, органично вписываются в природный ландшафт и являются автономными самообеспечивающимися системами. С этой точки зрения, к бионической архитектуре можно отнести все еще привычные нам деревенские дома, являющиеся частью вполне автономной системы отдельных сельских хозяйств. В более глобальном смысле сюда «вписываются» все постройки, которые возводились человеком еще до начала повального технического бума. Возможно, строились они из натуральных материалов (дерева, глины) исключительно потому, что ничего другого попросту и не было – применение железобетона в строительстве, например, насчитывает не более 160 лет - но сути это не меняет. Все они являются своего рода эко-домами с той лишь разницей, что современная концепция эко-дома шагнула дальше: сегодня при проектировании экологичного жилья большое внимание уделяется разработке систем, которые позволяли бы использовать энергоресурсы природы для обеспечения его обитателя современными благами цивилизации – светом, теплом, горячей водой.

К бионической архитектуре относят также здания и архитектурные комплексы, которые органично вписываются в природный ландшафт, являясь как бы его продолжением. Пожалуй, к одним из самых ярких примеров такой архитектуры можно отнести творения современного швейцарского архитектора Петера Цумтора. Наравне с современными строительными материалами, он использует уже существующие природные элементы – горы, холмы, газоны, деревья, практически не видоизменяя их. Его сооружения словно растут из земли, а, порой, настолько сливаются с окружающей природой, что их не сразу можно обнаружить, как, например, Термы в Швейцарии, которые со стороны кажутся просто зеленой площадкой.

Возникновение данной области в истории архитектуры  является относительной новацией: так, зодчий итальянского Возрождения Ф.Брунеллески  в качестве основы для конструирования  купола Флорентийского собора взял скорлупу яйца, а Леонардо да Винчи копировал  формы живой природы при изображении  и конструировании строительных, военных и даже летательных аппаратов. И ныне принято считать, что первым, кто начал изучать механику полета живых моделей «с бионических позиций», был именно Леонардо да Винчи, которому принадлежит «первенство» в изобретении модели геликоптера (вертолета) и который пытался построить летательный аппарат с машущим крылом (орнитоптер).