Развитие конструктивных систем в архитектуре

                                    Конструктивные типы зданий

Конструктивные  элементы зданий соединяясь между собой  образуют несущий остов (скелет) здания.

    По виду несущих элементов различают следующие типы зданий:

1. бескаркасный - несущие элементы: стены. Такой тип зданий применяется в жилом строительстве, для школ, больниц и т.д.;
2. каркасный - несущие элементы: колонны, ригели, плиты перекрытия; ограждающие элементы: стены. Применяется в высотных домах и больших помещениях;
3. с неполным каркасом - несущие элементы: внутренние колонны и наружные стены. Применяется редко.

Каждый конструктивный тип здания имеет несколько конструктивных схем, которые отличаются расположением  несущих элементов.

Для бескаркасного конструктивного типа:

1. с продольным расположением несущих стен;
2. с поперечным расположением несущих стен;
3. с перекрестным расположением несущих стен. Применяется только для панельных зданий.

Для каркасного конструктивного типа зданий:

1. с продольным расположением ригелей;
2. с поперечным расположением ригелей;
3. безригельные.

                         Обеспечение пространственной жесткости

Здание и его  элементы подвергаются воздействию  горизонтальных и вертикальных нагрузок. Устойчивость и пространственная жесткость  обеспечивается:

1. в бескаркасных зданиях. Надежное соединение поперечных стен и стен лестничных клеток с продольными стенами. Надежное соединение междуэтажных перекрытий между собой и стенами;
2. в каркасных зданиях. Надежное соединение колонн, ригелей и перекрытий в геометрически неизменяемую систему (многоярусная рама). Установка между колоннами диафрагмы жесткости на каждом этаже. Укладка в междуэтажных перекрытиях плит распорок между колоннами.

    4. ТЕНДЕНЦИИ  РАЗВИТИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ.

На  сегодняшний день различают пять основных конструктивных систем зданий.

1. Каркасная система,  когда основные  нагрузки воспринимаются  несущим каркасом  здания.

2. Стеновая система,  когда нагрузка  воспринимается продольными  либо поперечными  несущими стенами.

3. Ствольная система,  когда нагрузки  воспринимаются одним  или несколькими  пространственными  стержнями закрытого  или открытого  сечения высотой  на здание.

4. Оболочковая система,  когда здание сложной  конфигурации возводится  в виде оболочек  различной формы  и кривизны.

5. Объемно-блочная  система, когда  здание собирается  из полностью готовых  к эксплуатации  объемных модулей.

В практике проектирования наряду с основными широко применяются  комбинированные конструктивные системы, например, каркасно-стеновая, в которой  сочетаются два типа вертикальных несущих  конструкций: в центральной части  здания нагрузку несут колонны, а  снаружи по периметру здания - стены. В оболочково-стеновой системе внутреннее пространство здания перекрывает пространственная конструкция в виде тонкостенной оболочки, передающей нагрузки на наружные несущие стены.

При проектировании объектов массового строительства  применяют в основном две схемы: каркасную и стеновую. Объемно-блочные  системы, представляющие собой индустриальный вариант стеновой системы, применяются  гораздо реже. Ствольные и оболочковые  системы пока не нашли применения в программах строительства доступного жилья.

Рассмотрим каждую архитектурно-конструктивную систему  в отдельности:

Каркасная архитектурно-конструктивная система из древесины, металлопрофилей  и пластика (фахверковые  конструкции).

Формирование  фахверка как стиля и строительного  метода возведения домов началось в XV веке в Германии. Применение такого метода строительства зданий обуславливалось  не только техническими соображениями, но и экономическим положением, историко-социальными  традициями германского общества того времени.

Предшественниками фахверковых домов можно назвать  постройки старых металлургических заводов, конструкция которых состояла из заглубленных в землю вертикальных деревянных опор, объединенных горизонтальными и наклонными балками и связями в жесткий несущий каркас, на который опиралась кровля. Со временем от заглубления столбов отказались по причине загнивания и вследствие этого недолговечности каркаса, а также большой зависимости таких опор от грунтовых условий. Только в XV веке становится обычным ставить фахверковую конструкцию на горизонтальные шпалы и лаги, а позднее и устраивать фундамент из камня, а в последствии и из бетона.

Заполнение межкаркасного  пространства ранних построек выполнялось  из дерева и часто, особенно в жилых  домах, украшалось резными панелями. Наивысший пик применения резных украшений приходился на конец XVI - начало XVII веков.

С развитием  производства новых пожаробезопасных строительных материалов и их применением  в фахверковом строительстве, а  также с все большей тягой  к историческим постройкам и сохранению уникального колорита и своеобразия, в XX веке фахверк переживает настоящую  “эпоху возрождения”. В теперешней Германии насчитывается около 2 000 000 построек в стиле фахверк, в том  числе и очень древних, изучая конструкцию которых можно проследить всю историю развития этого направления  в архитектуре.

Современный фахверк, конечно же изменился по сравнению  с тем, что строилось 200 лет назад. Облик здания не концентрируется  на “деревянных кружевах”, а применяется  больше стекла, больше балок. Сознательно  применяются конструкции, позволяющие  создать площадь остекления, зрительный эффект “растворения” границы интерьера, сблизить человека с природой.

Новые технологии позволяют строить каркас фахверка не только из древесины, но и из более  эффективных материалов: алюминия и  пластмассы.

Профили из дерева. Древесина - многовековой природный  строительный материал. Этот “самопополняющийся”  вид сырья - материал будущего. Натуральный  цвет деревянной поверхности выглядит всегда очень теплым, но при этом древесину можно окрасить во все  цвета спектра. По сравнению с  другими материалами она обладает лучшими теплоизоляционными свойствами: имея лишь небольшую утечку тепла, она  не допускает образования конденсата. И наконец, материал из древесины  обладает наилучшей звукопоглощающей способностью. Клееная древесина  состоит из тонких, технически хорошо высушенных, склеенных еловых досок, сохраняющих стабильность формы. Поэтому  даже и при больших расстояниях  между опорами не нужно опасаться, что деревянные профили будут  деформироваться или покрываться  трещинами в результате изменения  температуры (внутренней или внешней). В основном несущие элементы конструкции  фахверка покрывают черным, белым, серым  или прозрачным тоном защитного  состава, состоящего из натуральных  масел, и позволяющей сохранять  древесину сухой, трудновоспламеняемой и стойкой к энтомологическому поражению. Защитный состав способствует созданию высокой устойчивости к погодным условиям и ультрафиолетовым лучам.

Профили из алюминия. Из алюминия изготавливаются термически разделенные профили. Две полые  половинки разделяются проложенным  внутри изолирующим слоем, при этом выход тепла наружу значительно  снижается. Алюминий имеет несколько  преимуществ: при строительстве  домов из него проще изготовить профили  сложной формы, поскольку он значительно  легче, чем сталь, но при том же пределе прочности алюминий позволяет  отделывать большие пролеты относительно тонкими профилями. Возможное многократное использование материала. Кроме  того, неоспоримые достоинства алюминия перевешивают на чаше весов его недостатки: этот материал особенно хорош для  использования его с наружной стороны помещения, потому что под  воздействием кислорода его поверхность  окисляется и автоматически создается  защитный слой, препятствующий воздействию  атмосферных явлений.

Профили из пластмассы. Эта конструкция получила свое развитие на основе способа изготовления окон из пластика и приобрела большую  популярность. И не только благодаря  низкой цене, но и простоте ухода. Последнее  объясняется устойчивостью материала  к воздействию влаги и ультрафиолетового  облучения без предварительной  обработки поверхности. Возможно повторное  использование пластмассовых профилей. Хорошая изолирующая способность  не требует применения термического разделения, но существует опасность  деформации при больших температурных  перепадах. Поэтому профили из пластмассы нуждаются в дополнительном усилении стальными стержнями. К тому же стальной стержень снижает теплоизоляционные  свойства, а возможность деформации из-за жары допускает окраску только белым цветом.

Основные преимущества фахверковой конструкции позволяют  решить сразу несколько инженерно-строительных задач и обеспечить:

жесткость и  стабильную устойчивость конструкции, надежность и долговечность конструкции, экономию материалов, кратчайшие сроки  строительства. Подобные дома эффектно смотрятся за счет внутреннего освещения, что придает им особый характер. А живое взаимодействие света  и тени действует как исключительный элемент оформления. Присутствующая в интерьере система балок  придает дому “дух эпохи”, что делает его оригинальным.

Стеновая  архитектурно-конструктивная система из стекла (ламинированное стекло-триплекс).

Одним из величайших достижений человечества является изобретение  стекла - уникального материала, без  которого немыслимы сегодня архитектура  и строительство.

Такие его физико-механические свойства, как прозрачность, способность  работать в широком диапазоне  температур и любых климатических  условиях, высокая твердость и  исключительная химическая стойкость, а также открывшиеся благодаря  его изумительным эстетическим качествам  безграничные возможности для оригинальных архитектурных решений, объясняют  растущую популярность стекла в архитектурно-строительной практике.

На сегодняшний  день 15-50% от общей площади фасада большинства современных зданий приходится на долю остекления. Причем из года в год увеличивается количество объектов, в которых стекло служит не только для заполнения световых проемов, но и используется в качестве несущих и самонесущих конструктивных элементов. Основной акцент в разработке данных качеств отдан малоэтажному строительству. Результат всеобщего  увлечения стеклом характеризуется  рядом положительных моментов:

• стеклянный фасад требует меньше затрат на эксплуатацию, нежели любой другой;
• сплошное ленточное остекление позволяет улучшить световой режим;
• способствует обеспечению комфорта на рабочих местах и в быту;
• позволяет зрительно расширить помещения, сближая человека с природой.

Благодаря комбинации технологии ламинирования и закалки  стекла, снижение риска неожиданного разрушения увеличивает привлекательность  широкого применения закаленных сортов стекла. В нашей стране данные сооружения могут быть применимы для теплого  климата Краснодарского края и Кавказа. “Невидимая архитектура” - так охарактеризовал  объект, завоевавший Гран-при, один из членов жюри ежегодного конкурса Du Pont. Эта экспериментальная постройка  была создана во Франции - загородная резиденция в Бургундии. Роль первой скрипки в своем минималистском решении голландский архитектор Дирк Ян Постел отвел парящей в  воздухе крыше, так что использование  многослойного стекла в данном случае абсолютно закономерно: автор даже отказался от стальных балок. Структурная  оболочка крыши выполнена из напряженной  древесины и весит около 2 тонн. Нагрузка распределена между двумя  стеклянными панелями, расположенными по ее сторонам, и панелями максимальной толщины, которые обеспечивают боковую  устойчивость и “прижимают” конструкцию  к земле. Четыре небольшие панели “гасят” динамические нагрузки. Все  это было сначала собрано внизу  и поднято на устойчивые временные  подмости, а затем, после завершения строительства стеклянного периметра, аккуратно переложено на его “плечи” - таким образом удалось добиться равномерного давления крыши на несущие  конструкции.