Растяжение, вектор и давление

Два занятия мы смотрели, как материал уходит из конструкции: сначала массу сменила форма, потом оболочка дошла до восьми сантиметров на шестьдесят метров. Дальше уходить некуда — можно только сменить знак усилия.

Вопрос занятия: что даёт растяжение и чем оно расплачивается. Одиннадцать зданий: вантовая сеть, висячая кровля, стержневая сетка, воздух, тент и стальная мембрана — а в конце разговор о том, почему сегодня так почти не строят.

Dorton Arena 1952 г.

Dorton Arena

Два занятия подряд всё, что мы разбирали, работало сжатием: масса, свод, оболочка. Здесь линия переламывается. В Роли, штат Северная Каролина, впервые в мире постоянная кровля здания работает растяжением.

Седло между двумя арками. Две наклонные параболические арки пересекаются крест-накрест, а между ними натянута вантовая сеть седловидной формы: одно семейство тросов провисает и несёт нагрузку, другое выгнуто вверх и прижимает сеть, не давая ей полоскаться на ветру. Предварительное натяжение делает мягкую систему жёсткой.

Куда уходит распор. Арки расталкивают опоры с огромной силой, и гасят её подземные затяжки — то есть распор спрятан в землю, а снаружи остаётся только чистый жест двух арок. Замысел принадлежит Матвею Новицкому, расчёт и осуществление — Фреду Северуду; сам Новицкий погиб в авиакатастрофе до начала стройки.

Запомните схему — она вернётся. Мембрана, натянутая между арками, — это не то же самое, что кровля, подвешенная к мачтам. Ближайший родственник Dorton Arena в нашем ряду не Ёёги, а велотрек в Крылатском.

Национальный гимнасий Ёёги 1964 г.

Национальный гимнасий Ёёги

Токио, Олимпиада. Кэндзо Тангэ строит зал, в котором кровля не стоит и не лежит — она висит.

Схема взята у подвесного моста. Между двумя мачтами перекинут несущий трос пролётом около 126 метров, к нему подвешена кровля, а тяга уходит в массивные анкерные устои. Отсюда характерный провисающий силуэт и закрученный план: конструкция здесь целиком определяет и форму, и движение зрителя.

Цена висячей схемы. Всё, что мачта и трос не удержали, должно быть заведено в землю: анкеры — сооружения сами по себе. Запомните разницу, она пригодится через две точки: здесь кровля **подвешена к мачтам**, а не **натянута между арками**.

Биосфера в Монреале 1967 г.

Биосфера в Монреале

Экспо-67, павильон США. Бакминстер Фуллер собирает почти полную сферу диаметром около семидесяти шести метров из стержневой сетки.

Это работа вектором. Ни оболочки, ни арки: усилие расходится по множеству коротких стержней, каждый работает на чистое сжатие или растяжение, и ни один не является критическим. Потеря одного стержня из тысячи ничего не решает — прямая противоположность системе с единственным замком.

Чем платит. Количеством узлов. Материала мало, а работы много: каждый узел надо изготовить, привезти и собрать. В 1976 году акриловая оболочка сгорела за полчаса — остался каркас, который и стоит до сих пор как самостоятельное сооружение.

Павильон США на Экспо-70 1970 г.

Павильон США на Экспо-70

Осака, три года спустя. Кровля размером 142 на 83 метра — и держит её воздух.

Воздухоопорная конструкция. Мембрана на вантовой сетке прижата к земле по контуру, а внутри поддерживается небольшое избыточное давление — доли процента от атмосферного, человек его не замечает, но для площади в тысячи метров этого достаточно, чтобы держать кровлю. Первая крупная постройка такого рода.

Условие существования здания — работающие вентиляторы. Выключили — кровля легла. Это самая честная иллюстрация того, что конструкция может быть не объектом, а **процессом**: здание живо, пока его поддерживают. Дёшево, быстро, временно — и павильон действительно разобрали после выставки.

Олимпийский парк в Мюнхене 1972 г.

Олимпийский парк в Мюнхене

И снова Олимпиада, но идеология прямо противоположна токийской монументальности: после 1936 года Германии нужны были «лёгкие игры». Фрай Отто и Гюнтер Бениш накрывают стадион и залы прозрачными тентовыми сетками.

Форму здесь не назначали, её искали. Мыльная плёнка на проволочном контуре сама принимает минимальную поверхность; физические модели из сеток и чулок дают геометрию, которую невозможно начертить. Это прямое продолжение линии Гауди и Ислера — только теперь на растяжении.

Здесь же рождается современный расчёт. Посчитать такую сетку вручную нельзя, и Мюнхен становится одной из первых больших задач, решённых численно, на ЭВМ. Физическая модель и компьютер начинают работать в паре — ровно то, что вы будете делать в Rhino.

Чем платит. Стоимостью, шумом дождя по лёгкой кровле и сроком службы ткани: покрытие меняют раз в поколение. Лёгкость — не бесплатная.

Трибуна гребного канала «Крылатское» 1973 г.

Трибуна гребного канала «Крылатское»

Возвращаемся к задаче, которую разбирали в прошлый раз на стадионе во Флоренции и на Сарсуэле, — накрыть зрителя, не поставив опору перед ним. В Крылатском её решают гибридно, и решение стоит разобрать на разрезе.

Конструкция не касается земли. Бетонная трибуна на 3 400 мест стоит на консольных «ногах» и подтянута стальными оттяжками: часть работы делает консоль, часть — растянутая ванта. Отсюда эффект парящего объёма, который невозможно объяснить, не показав схему.

И мелочь, которая выдаёт качество проекта. Трибуна развёрнута к трассе под углом восемь градусов — чтобы с неё был виден именно финиш. Конструктивный подвиг здесь подчинён тому, ради чего зритель вообще пришёл.

Велотрек «Крылатское» 1979 г.

Велотрек «Крылатское»

Рядом, к той же Олимпиаде, — велотрек, и вот он в нашем ряду занимает особое место.

Две седловидные мембраны толщиной четыре миллиметра. Стальные листы натянуты между наклонными арками над эллипсом 168 на 138 метров, внутренних опор нет. Четыре миллиметра стали на такой пролёт — это то же самое отношение, что восемь сантиметров бетона на шестьдесят метров в Новосибирске: материал работает в чистом виде.

Схема — та же, что в Роли, а не в Токио. Мембрана натянута между арками, работающими на сжатие, а не подвешена к мачтам. Арки выведены наружу и стали образом «крыльев» — снова случай, когда траектория усилия и есть архитектура.

Спортивный комплекс «Олимпийский» 1980 г.

Спортивный комплекс «Олимпийский»

Москва, тот же олимпийский год, но схема другая и масштаб предельный: стальная мембрана размерами 183 на 224 метра, уложенная на опорное кольцо.

Предел схемы «мембрана на кольце». Растянутый лист передаёт всё на замкнутый контур, который работает на сжатие: система изящная и очень экономная по материалу. Зал при этом трансформируемый — перегородка делит его на две независимые арены.

Что с ним стало. В 2019 году комплекс закрыли и разобрали под реконструкцию. Для разговора о зрелищном здании это отдельный сюжет: конструктивно уникальное сооружение пережило свою программу — зал на 35 тысяч мест оказался неудобен и для спорта, и для концертов.

СКК «Петербургский» 1980 г.

СКК «Петербургский»

И самая тяжёлая точка ряда. Ленинград, тот же год: круглый зал диаметром 160 метров, накрытый цельносварной стальной мембраной толщиной шесть миллиметров, подвешенной 112 вантами к опорному кольцу. Около восьми тысяч тонн конструкции на высоте сорока метров.

Это вершина эффективности. Каждый элемент работает в чистом усилии, лишнего металла нет нигде. Но у такой системы есть оборотная сторона: равновесие заперто в опорном кольце, и резерва в ней нет — перераспределять усилия некуда.

31 января 2020 года при демонтаже кровли произошло обрушение. Нарушение последовательности разборки вывело систему из равновесия, и покрытие сложилось целиком, за секунды. Погиб рабочий. Это не «старая конструкция устала» — это свойство схемы: локальный отказ в ней мгновенно становится глобальным.

Вывод, который надо унести в проект. Эффективность и живучесть — разные качества, и иногда противоположные. Шестнадцать зонтов Дворца труда переживут потерю одного, купол из 1620 элементов перераспределит усилия, геодезическая сетка не заметит выбитого стержня. Спросите себя на защите: что будет, если один элемент вашей схемы откажет?

Национальный театр Тайчжуна 2016 г.

Национальный театр Тайчжуна

Два последних объекта — про то, куда всё это пришло сегодня. Тойо Ито строит на Тайване театр, внутри которого нет ни одной плоской стены: пространство перетекает, стены становятся полом и потолком.

Свободная форма стала построимой через повторяющийся элемент. Здание собрано из 58 катеноидов — поверхностей, которые минимальны, то есть форму им задаёт не дизайнер, а натяжение. Один и тот же элемент, повторённый и состыкованный, даёт впечатление абсолютной свободы. Метод сборки: сетка арматуры и набрызг бетона — привет планетарию Цейса, только через девяносто лет.

И честный вопрос к такой архитектуре. Конструкция здесь не выражает усилий — она их скрывает: форма выбрана ради впечатления, а работа перенесена на технологию стройки. Хорошо это или плохо, решайте сами — но заметьте, что связь «форма = нагрузка» здесь впервые в нашем ряду разорвана сознательно.

Сфера (Лас-Вегас) 2023 г.

Сфера (Лас-Вегас)

Конец ряда. Зал на восемнадцать тысяч мест внутри сферы диаметром около 157 метров, снаружи полностью покрытой экраном.

Конструкция перестаёт быть выразительной. Снаружи — стальной каркас сферы, работающий как пространственная сетка, но увидеть его нельзя: он под экраном. Внутри — отдельная чаша зала, между ними техническое пространство. Двойная оболочка, как во Флоренции, только вместо хода для каменщиков там инженерные сети и оборудование.

Зрелище переехало на поверхность. Две тысячи лет конструкция сама была аттракционом: Пантеон, Ёёги, Крылатское поражали тем, как они стоят. Здесь поражает то, что показывают, а как это держится — никого не касается. Вопрос, с которого начинался курс — зачем городу зрелищное здание — получает неожиданный ответ: чтобы быть экраном.

Почему оболочки теряют актуальность

Потому что оболочка проиграла не расчётом, а экономикой стройки — ровно тем же, чем по всей лекции выигрывали и проигрывали остальные.

1. Она экономит дешёвое и тратит дорогое. Оболочка снимает 60–70 % бетона и арматуры — то есть самое дешёвое, что есть на стройке. А требует опалубки, лесов, геодезии и квалифицированных рук — самого дорогого. Пока труд был дёшев (Мексика Канделы, послевоенная Италия Нерви, СССР), схема работала. Как только стоимость рабочего часа выросла втрое-вчетверо, экономия материала перестала её окупать. Кандела говорил об этом прямо: его оболочки были дёшевы, потому что дёшевы были каменщики.

2. Уникальную форму нельзя положить в каталог. Балку, ферму, профлист, панель можно заказать по прайсу с известным сроком. Оболочку каждый раз надо изобретать вместе с опалубкой. Индустрия ушла туда, где цена и график предсказуемы. Горькая ирония в том, что Нерви победил опалубку сборностью — а сборность потом победила саму оболочку.

3. На тот же пролёт появились сухие конкуренты. Пространственные стержневые структуры, стальные и клеедеревянные фермы, ванты, мембраны, пневматика. Всё это монтируется зимой, без мокрых процессов, без выдержки бетона и распалубки, бригадой монтажников вместо артели бетонщиков.

4. Физика здания. Восемь сантиметров бетона — прекрасная конструкция и никакая теплоизоляция: точка росы оказывается в несущем элементе. Утеплить и гидроизолировать поверхность двоякой кривизны дорого и неремонтопригодно. Современные теплотехнические требования по тонкому монолиту бьют особенно жёстко — оболочка перестаёт быть тонкой, как только её одевают.

5. Нормы и ответственность. Оболочка держится геометрией, поэтому чувствительна к её отклонениям: сантиметры погрешности меняют устойчивость, добавляется риск хлопка — потери устойчивости щелчком. Нормы требуют учитывать несовершенства, ползучесть, трещинообразование; запасы растут, толщина растёт, экономия тает. Плюс простая профессиональная логика: инженер делает то, что нормы описывают явно, — за это не отвечать головой.

6. Изменилась программа зала. На современном покрытии висит полтонны на квадратный метр: свет, звук, экраны, воздуховоды, страховочные подвесы, техэтаж. Оболочка не любит ни сосредоточенных нагрузок, ни отверстий. Ферма — любит: в ней сети живут внутри. Для зрелищного здания это, пожалуй, решающий довод.

7. Срок жизни функции. Оболочку нельзя прорезать, надстроить и перепланировать, а здания сегодня меняют назначение за десять-пятнадцать лет. Жёсткая форма — обязательство, которое заказчик брать не хочет.

Но умерла не механика, а технология. Работа формой вернулась в другом обличье и живёт отлично:

• гридшеллы — та же оболочка, но собранная из каталожных стержней сухим монтажом (двор Британского музея, деревянная Мультихалле в Мангейме);
• дерево и CLT — клеедеревянные оболочки и своды, где форма делается на станке с ЧПУ;
• новая опалубка — тканевая, надувная, роботизированная, печать на месте; в ETH есть лаборатория, которая строит тонкие каменные своды вообще без арматуры;
• и Тайчжун в нашем ряду — живое доказательство: свободная оболочка построима, если свести её к повторяющемуся элементу. Только стоила она как несколько обычных театров.

Оболочка не устарела как конструкция — устарел способ её изготовления. Форма следует за нагрузкой, но выживает та форма, которая следует ещё и за производством. Именно поэтому сквозной сюжет занятия — не про прочность, а про кружала, опалубку и сборку.

Чем кончается ряд

Тридцать четыре объекта за три занятия, одна задача и, по сути, четыре способа победить гравитацию — именно в таком порядке они и появились.

Массой — Пантеон, Кёльн, Святой Пётр: работает всё, что тяжело, и половина материала занята тем, что держит саму себя. Формой на сжатие — от Флоренции и Гауди до Торрохи, Канделы и Нерви: материал уходит, остаётся кривизна. Вектором — геодезические сетки, где усилие раздроблено на сотни стержней. Растяжением и давлением — ванты, мембраны, тенты и воздух, где то, что раньше было бедой, стало принципом.

И три платы, которые не исчезают никогда. Распор — его надо куда-то деть: контрфорс, затяжка, кольцо, анкер. Стройка — временная конструкция часто дороже постоянной, и именно она, а не нагрузка, определяла решения от Брунеллески до Нерви. Живучесть — чем эффективнее система, тем меньше в ней запаса, и СКК это доказал ценой жизни.

Теперь ваш вопрос к собственному проекту. Какой из четырёх ответов вы выбрали, куда уходит ваш распор, кто и чем будет строить вашу кровлю — и что произойдёт, если один элемент откажет. Всё это должно быть видно на разрезе, а не рассказано словами.