CC BY
37ПРЕДПОСЫЛКИ ФОРМИРОВАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В СОВРЕМЕННОЙ АРХИТЕКТУРЕ
УДК 72.036:69.033.15 ББК 85.11:38.708
К.А. Пшеничникова
Московский архитектурный институт (государственная академия), Москва, Россия Аннотация
Статья посвящена истории формирования пневматических конструкций от первых прототипов до зданий и сооружений XX-XXI века. Цель статьи заключается в выявлении предпосылок возникновения и развития пневматических воздухоопорных оболочек в контексте современной архитектуры. Установлено, что ранее казавшиеся невозможными идеи таких структур сегодня воплощаются в работах архитекторов и конструкторов. Отмечается влияние социальных, научных, экономических, культурных и технологических факторов. В статье показано, что исследование развития пневматических воздухоопорных конструкций дает возможность спрогнозировать направление их дальнейшего развития в XXI веке. Полученные результаты могут быть использованы для теории и практики формирования архитектурных объектов на основе пневматических конструкций, приобретающих всё большую актуальность в современной отечественной и зарубежной архитектуре.1
Ключевые слова: пневматические конструкции, воздухоопорные конструкции, фторполимер ETFE, 3D-моделирование в архитектуре
BACKGROUND FOR THE FORMATION OF PNEUMATIC STRUCTURES IN MODERN ARCHITECTURE
K.A. Pshenichnikova
Moscow Institute of Architecture (State Academy), Moscow, Russia Abstract
The article is devoted to the history of the formation of pneumatic structures from the first prototypes to buildings of the XX-XXI century. The purpose of the article is to identify the prerequisites for the emergence and development of pneumatic air shells in the context of modern architecture. It is established that previously seemed impossible ideas of such structures are now embodied in the works of architects and designers. The influence of social, scientific, economic, cultural and technological factors is noted. The article shows that the study of the development of pneumatic air structures makes it possible to predict the direction of their further development in the XXI century. The results can be used for the theory and practice of the formation of architectural objects based on pneumatic structures that are becoming increasingly important in modern domestic and foreign architecture.2
Keywords: pneumatic structures, air-support structures, fluoropolymer ETFE, 3D-modeling in architecture
1
Для цитирования: Пшеничникова К.А. Предпосылки формирования пневматических конструкций в современной архитектуре // Architecture and Modern Information Technologies. - 2018. - №3(44). -С. 183-200 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://marhi.ru/AMIT/2018/3kvart18/10 pshenichnikova/index.php
2 For citation: Pshenichnikova K.A. Background for the Formation of Pneumatic Structures in Modern Architecture. Architecture and Modern Information Technologies, 2018, no. 3(44), pp. 183-200. Available at: http://marhi.ru/eng/AMIT/2018/3kvart18/10 pshenichnikova/index.php
Начиная с XIX века научно-технический прогресс способствует развитию динамической архитектуры, реагирующей на потребности человека и адаптирующейся к социальной среде. Пример динамической архитектуры, отражающей изменения общества -пневматические воздухоопорные оболочки. За прошедшее столетие появилось много новых материалов и технологий, которые разрабатывались инженерами и применялись в течение короткого периода времени и затем исчезали, однако пневматические воздухоопорные структуры по-прежнему актуальны ввиду их легкости, эргономичности, прочности и эстетическим качествам. Целью исследования является выявление исторических и современных предпосылок, оказавших влияние на концепцию развития идей воздухоопорных конструкций в архитектуре. Задачи исследования: провести анализ и систематизировать представления о пневматических структурах в зависимости от временного периода и области применения (архитектура, инженерия, промышленность и другие). Гипотеза возможного будущего развития воздухоопорных конструкций может быть сформирована при понимании истоков и принципов их возникновения.
Воздухоопорные конструкции достигли расцвета в 1980-1990-х годах, однако использование в современной архитектуре инновационного материала - фторполимера ETFE (композиционный полимерный материал: фторированный сополимер этилена и тетрафторэтилена) - создает новые возможности для легкого, прочного и долговечного перекрытия зданий. Это дает основания для дальнейшего развития пневматических конструкций в будущем. Становление новых взглядов на воздухоопорную архитектуру и совокупность исторических и современных предпосылок привели к тому, что воздухоопорные оболочки вновь обрели актуальность в XXI веке.
Пневматические воздухоопорные конструкции функционируют по принципу опирания оболочки на воздух при давлении 100-400 Па и крепления на опорный контур в виде грунта или жестких конструкций [1]. Работу по изучению пневматических воздухоопорных конструкций и систематизацию полученных данных провели советские и зарубежные исследователи XX века: Ермолов В.В., Бэрд У.У., Бубнер Э. [1], Лебедев Ю.С. [2], Орса Ю.Н. [3], Фрей О., Тростель Р. [4] и др. Изучение воздухоопорных структур в XXI веке проводят: Ле Куйе А. [6], Печина П. [10], Маклин У., Сильвер П. [9], Хенсел М., Менджес А. [5], профессоры и ученики школы АА (Архитектурной Ассоциации) в Лондоне, Университете Штутгарта в Германии и другие практики и теоретики архитектуры.
В связи с архитектурной оригинальностью пневматика, как правило, отождествляется с направлениями XX-XXI веков, однако пневматические воздухоопорные конструкции имеют более долгую историю. Предпосылки появления пневматических воздухоопорных оболочек берут свое начало из глубокой древности. Историческое развитие пневматических воздухоопорных конструкций можно условно разделить на несколько этапов: 1) древнейшие времена; 2) XV-XVIII века; 3) XIX-XX век; 4) XXI век. К первым реализованным образцам в этой области принято относить парус, приобретающий форму и приводимый в действие при помощи ветра. Прообраз паруса был создан на заре цивилизации, когда человек впервые начал строить лодки, и вышел в открытое море. Помимо паруса, изображения из Ассирии (древнее государство в Северном Междуречье, территория современного Ирака) показывают, что воины пересекали реки на наполненных воздухом козьих шкурах [6]. Греки и римляне использовали раздутые шкуры животных как для изготовления подводных дыхательных аппаратов, так и для надувных матрасов для отдыха солдат (рис. 1).
В дальнейшем простейшие гибкие пневматические системы использовались в качестве приютов и шатров кочевыми народами. Причиной появления подобных сооружений послужила необходимость человека в легкой транспортировке, простоте возведения и компактности жилища. В качестве материалов покрытия использовались шкуры, простейшие тканые циновки или переплетенные растительные волокна. С течением времени форма и типология применения аналогичных конструкций изменялись в зависимости от региона и времени. Они все еще используются в некоторых частях света, но в развитых странах такого рода сооружения в течение долгого времени были забыты
как устаревшие и неэффективные. В XIX веке они были вновь сконструированы, усовершенствованы и развиваются вплоть до настоящего времени, являясь прототипом современных пневматических конструкций [10].
Рис. 1. Первые пневматические конструкции. Гравюры Scriptores rei militaris, 1532 г. [6]
Эволюция инженерной мысли
Последующему развитию прототипов пневматических воздухоопорных конструкций способствовали эксперименты по разработке и созданию воздушного шара. Предшествующая реализованным запускам первая попытка конструирования воздушного шара принадлежала бразильскому священнику Б. Гужману в 1709 году3. Однако успех в этой области был достигнут только в 1782 года, когда братья Монгольфье построили воздушный шар диаметром 11 метров, который поднимался на высоту более 30 метров над землей. В 1783 году Ж.А. Шарль создал первый воздушный шар, при подъеме которого использовался водород4. Кульминацией в этой сфере являлось изобретение дирижабля в конце XIX века. В 1900 году Немецкий граф Фердинанд фон Цеппелин продемонстрировал первый успешный полёт дирижабля LZ-125. Идея интегрирования технологии «Цеппелинов» в архитектуру принадлежала Ф.У. Ланчестеру, получившему патент на пневматическую систему для амбулаторных больниц, одобренный в 1918 году, но не реализованный по причине отсутствия необходимых материалов (рис. 2а-д).
Значимым этапом в развитии пневматических воздухоопорных конструкций можно считать конец XIX - начало XX века. В этот период отмечается появление патентов на строительство пневматических сооружений различной типологии. Первым идею пневматического воздухоопорного здания запатентовал английский инженер Ф.У. Ланчестер в 1917 году (английский патент № 119339), однако ещё в 1893 году
3
Crouch T. Launching the Balloon Era, 2017.-10 p. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://airandspace.si.edu/stories/editorial/launching-balloon-era (дата обращения 01.04.18)
4 History. First experiments with pneumatic structures [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://sites.google.com/site/pneumaticstructures/history (дата обращения 04.04.18)
5 Чаушьян С. «Небесные Титаники». История расцвета и упадка эры дирижаблей // Аргументы и Факты. - 2015. - 9 с. [Электронный ресурс].- Режим доступа:
http://www.aif.ru/society/history/nebesnye titaniki istoriya rascveta i upadka ery dirizhabley (дата обращения 08.04.18)
русский инженер Г. Сумовский получил американский патент № 511472 на аэробалку, что предполагало строительство мостов из соответствующих элементов [3].
Рис. 2. Прототипы пневматических воздухоопорных конструкций: а) летательный аппарат Б. Гужмана 1709 г.; б) воздушный шар братьев Монгольфье 1782 г.; в) воздушный шар Ж.А. Шарля 1783 г.; г) дирижабль LZ 127 «Граф Цеппелин»; д) Патент Ф У. Ланчестера на пневматическую структуру для больниц 1918 г.
Период Второй мировой войны и развитие промышленности
Следующий существенный этап эволюции пневматических воздухоопорных конструкций связан со Второй мировой войной. В книге К. Мэллори «Архитектура войны» 1973 года автор выделяет два направления военной строительной деятельности. Во-первых, цепь происходящих событий противостояла развитию дорогостоящих конструкций в связи с необходимостью финансирования производства военной техники. Во-вторых, необходимо было найти архитектуру, которая могла реагировать на социальные изменения, имела возможность быстрого возведения и была экономически целесообразна [8]. Увеличение количества радаров в Арктике, Северной Канаде и на Аляске, патрулирующих небо над Северной Америкой с целью обеспечения раннего предупреждения о нападениях с севера, привело к необходимости создания специальных сооружений, которые могли служить укрытием радиолокаторов от экстремальных погодных условий. Военные учитывали, что сооружения из традиционных материалов толстостенные, что могло помешать силе сигнала радаров. Армией США было принято решение о спонсировании группы исследователей во главе с У. Бэрдом для разработки тонкостенных неметаллических укрытий. У. Бэрд реализовал первый надувной купол на территории Корнеллской авиационной лаборатории, Буффало, Нью-Йорк, в 1948 году6. Поддерживаемый воздухом купол был полностью круглым и функционировал как большой воздушный шар над рамой (рис. 3а).
Воплощение этой идеи стало возможным благодаря передовым достижениям в тканевых технологиях. Первый воздухоопорный прототип обтекателя был изготовлен из неопрена с покрытием из стекловолоконной ткани. Укрытия должны были быть легким, мобильным и развертываемым в короткие сроки и без каких-либо металлических деталей, что является идеальным требованием для пневматических конструкций. Именно такие характеристики ВВС США искали для защиты дорогостоящего радиолокационного оборудования в труднодоступных районах. Решение У. Бэрда было уникальным и эффективным, что вдохновило его и других инженеров на многочисленные идеи и размышления о потенциале сооружений, сконструированных с помощью ткани и воздуха, выходящих за рамки этого особого военного назначения.
Впоследствии, после завершения Второй мировой войны произошел стремительный рывок в области развития химических полимеров, что привело к появлению новых материалов: дакрона, синтетического каучука, поливинилхлорида и нейлона. Начало производства этих материалов способствовало дальнейшей рационализации в сфере пневматических воздухоопорных конструкций и позволило начать их серийное производство. В 1956 году У. Бэрд основал компанию «Birdair» в Нью-Йорке. Во главе с У. Бэрдом его команда приступила к разработке пневматических воздухоопорных сооружений коммерческого типа. Инженеры проектировали покрытия для складов, бассейнов, спортивных сооружений и заводов. В скором времени подобные компании начали появляться в Европе и Японии. В результате в 1957 году на обложке журнала «LIFE» был представлен дом основателя компании «Birdair» У. Бэрда (рис. 3б). В зимнее время он представлял собой воздухоопорный бассейн, отражающий взгляд на жизнь в будущем7.
6 A Dome History Snapshot: The Radome // The Farley Group. Air-Supported Structures. - 2016. - 3 с. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.thefarleygroup.com/blog/a-dome-history-snapshot-the-radome.htm (дата обращения 12.03.18)
7 Industry leader, keeper of the technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.birdair.com/about/company-history (дата обращения 01.04.18)
AMIT 3(44) 2018 187
а) б)
Рис. 3. Воздухоопорные конструкции У. Бэрда: а) У. Бэрд на первом пневматическом куполе, 1948 г.; б) дом основателя компании «Birdair» У. Бэрда на обложке журнала LIFE 1957 г.
Обращение к науке
Если У. Бэрд и специалисты являлись новаторами и инициаторами по части
изучения пневматических воздухоопорных сооружений экспериментальным путем с последующей реализацией их на практике, то первые научные исследования в этой области, в особенности по части формообразования, принадлежат немецкому архитектору Ф. Отто. В 1967 году был проведен первый международный коллоквиум по пневматическим конструкциям, организованный «Международной Ассоциацией по оболочкам и пространственным конструкциям» с целью обмена опытом, который проходил в университете Штутгарта. В этом мероприятии приняли участие: Ф. Отто, У. Бэрд, В. Ланди, Х. Ислер, Д. Бини, Н. Лэнг и С. Прайс [9]. Также были проведены конференции в Дельфте в 1972 году и Венеции в 1977 году. Технические достижения в области материалов и научные исследования пневматических воздухоопорных сооружений способствовали стремительному росту новых проектов. Примером одной из таких работ служит конкурсный проект стадиона в Кувейте, выполненный инженером П.Л. Нерви и архитектором К. Танге в 1970 году. [2]. В другом проекте архитектор Ф. Отто представил идею арктического города под куполом (рис. 4).
а) б)
Рис. 4. Концепции воздухоопорных конструкций 1970-х гг.: а) стадион в Кувейте, конкурсный проект 1970 г. Инж. П.Л. Нерви, архитектор К. Танге [2]; б) арктический город под куполом, архитектор Ф. Отто
В СССР, несмотря на теоретические исследования в области пневматических воздухоопорных конструкций, реализация таких объектов на практике происходила несколько медленнее, чем в Европе, США, Канаде и других странах. Первое пневматическое сооружение в СССР - сферический купол диаметром 36 метров - было смонтировано в 1959 году. Позднее, в 1960 году был сооружен полуцилиндрический свод со сферическими торцами и автоматической системой регулирований подачи воздуха и в 1961 году свод представили на выставке ВДНХ в Москве [3].
Изменение образа мышления
Небезынтересен тот факт, что до 1960-х годов пневматические воздухоопорные конструкции в основном применялись для таких областей, как реклама и военная отрасль. Однако в 1960-х годах, когда на рынок был введен недорогой массовый пластик, «пневматическая лихорадка» охватила Европу и Соединенные Штаты. Помимо известных архитекторов и инженеров, изучавших и проектирующих объекты пневматической архитектуры, вторая половина XX века отражала яркий дебют молодого поколения архитекторов, которые высказывались против устоявшейся модернистской архитектуры. Группы архитекторов, выступающих за радикальную архитектуру, стали возникать по всей Европе в ответ на монотонность модернистских зданий. Многие из этих команд считали пневматические конструкции идеальным инструментом, позволяющим подорвать традиционные понятия архитектуры.
В конце 1960-х годов появилась парижская группа «UTOPIE», в которую вошли архитекторы Ж. Аубер, Ж. Юнгманн и А. Стинко, а также социолог Ж. Бодрийяр. Они высказывали резкую критику в адрес устоявшийся архитектуры, урбанизма и повседневной жизни французского общества. Они переосмыслили эстетику пневматических конструкций, используя их как форму социального выражения, отражающую плавучесть, эфемерность и мобильность, отличавшуюся от социальных устоев послевоенного европейского общества. Группа «UTOPIE» пропагандировала пневматические технологии в своем журнале «UTOPIE» с 1967 по 1979 годы и на выставке «Structures Gonflables», проводившейся в марте 1968 г. в Париже в музее современного искусства. Их экспозиция вызвала большой интерес у архитекторов и дизайнеров из Европы, Соединенных Штатов и Японии. Одна из основных работ на выставке - «Dyodon» - показала новаторские исследования по пневматическим структурам [7]. Проекты группы были игривыми, мобильными, легкими и контрастировали с монолитными городскими блоками 1950-х годов (рис. 5). Команда «UTOPIE» была вдохновлена разработками армии США, американским архитектором Р.Б. Фуллером и комиксами, что нашло свое отражение в их радикальном творчестве. Другие группы молодых архитекторов этого направления, которые следует упомянуть, - это «Coop Himmelblau и Haus Rücker» в Австрии, группа исследований в Нидерландах и группа «UFO» во Флоренции. Итальянская группа «UFO» оккупировала архитектурный факультет во Флоренции с февраля по май 1968 года. Под влиянием преподавания У. Эко студенты организовали семь мероприятий, в которых использовали надувные объекты в качестве основного экспозиционного материала. Произошедшие события именовали «Urboeffimiri / Scala 1:1».
В начале 1970-х годов венский архитектурный коллектив «Haus-Rucker-Co» разработал ряд коллажей и рисунков, которые сопоставляли надувные формы с существующими архитектурными объектами. Серия изображала причудливые раздутые шары выступающие, помещенные внутри или полностью обволакивающие здания [11]. Инсталляции часто содержали элементы травы, синего неба, горных вершин и пальм. Утопические воздушные пузыри контрастировали со стерильными экстерьерами. В 1972 году коллектив, состоящий из Г. Келпа, К. Пинтера, Л. Ортнера и М. Ортнера, конструировал надувные покрытия для зданий и интерактивные мембраны. Эти крупномасштабные экспозиции были частью экспериментов с синтетическими материалами, которые происходили с 1967 по 1973 годы и были вызваны интересом к экологии (актуальной проблеме 1970-х годов) (рис. 5в). Их рисунки, коллажи, инсталляции
и искусственные экосистемы исследовали взаимосвязи между архитектурой и природой. Манифесты и эксперименты групп архитекторов и художников 1960-1970-х годов укрепили ассоциации «пневматического пузыря» как символа утопии. В развитие пневматических технологий были заложены геополитические, технологические и экономические цели.
в)
Рис. 5. Работы архитектурных коллективов «UTOPIE» и «Haus-Rucker-Co»: а) экспериментальный проект «Dyodon» по проекту группы «UTOPIE» 1967 г. (по [7] в авторской интерпретации); б) экспозиция «живая пневматика», группа «UTOPIE», 1967 г. [7]; в) коллектив «Haus-Rucker-Co» 1968 г., пневматическая структура «Oase No. 7», Германия, 1972 г. (по [11] в авторской интерпретации)
Международные выставки. Эпоха большепролетных конструкций
Мобильность пневматических структур вдохновляла архитекторов и инженеров, изучающих этот тип конструкций, на участие во временных и передвижных выставках. Пневматические конструкции служили идеальными быстроразборными павильонами для посещения большого количества людей на выставках EXP0-70 (Осака, Япония) и Химия-70 (Москва).
На выставке ЭКСПО-70 был представлен павильон «Атомы за мир», разработанный В. Ланди и построенный компанией «Birdair». Пневматические объекты были особенно актуальны в связи с качеством почвы и высокой сейсмичностью региона, где проводилась выставка8. Среди представленных пневматических сооружений на ЭКСПО-70 наиболее интересны два: павильон «Fuji», спроектированный Ю. Мурата и М. Кавагути, удивил публику необычной формой, состоящей из 16 раздутых арок (рис. 6а), и пневматический павильон «Mushballon», спроектированный фирмами Tanero Oki Architects и Shigeru Aoki Research Office9. Архитекторы и инженеры создали трансформируемый надувной павильон бионической формы гриба. Трансформация конструкции осуществлялась при одновременных действиях вдувания или выдувания воздуха из баллона при помощи подвесных шнуров (рис. 6б).
а) б)
Рис. 6. Пневматические павильоны выставки ЭКСПО-70 (Осака, Япония); а) павильон «Fuji», архитекторы Ю. Мурата, М. Кавагути; б) павильон «Mushballon», Tanero Oki Architects, Shigeru Aoki Research Office
8 Relive the glory of the 1970 Osaka Expo. Complete with space frames, Metabolism, inflatables, and geodesic domes [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://archpaper.com/2015/06/relive-glory-1970-osaka-expo-complete-space-frames-metabolism-inflatables-geodesic-domes/ (дата обращения 21.04.18)
9 EXPO 1970 (Osaka): Mush-Balloon / TensiNet [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tensinet.com/index.php/about/members-of-tensinet?view=project&id=3839 (дата обращения 28.03.18)
Семидесятые годы XX века также характеризуются возникновением большепролетных пневматических воздухоопорных оболочек, способных перекрывать пролеты до 168 метров. Это стало возможным благодаря усилению пневматических мембран канатами и стержнями и прогрессу в области материалов. Покрытия для пневматических воздухоопорных сооружений стали обладать улучшенными характеристиками прочности и долговечности, что позволило расширить типологию их применения. История развития пневматических воздухоопорных конструкций позволяет проследить рост пролетов, а также расширяющуюся классификацию форм и типологии зданий и сооружений.
Мобильность, простота возведения и легкость в транспортировке сделали пневматические оболочки еще более привлекательными для архитекторов при строительстве крупномасштабных зданий. Спустя некоторое время после выставки EXPO-70 в Осаке, в период 1974-1984 годы американский инженер Д. Гейгер разработал несколько проектов с использованием армированных кабелем пневматических мембран для спортивных стадионов в США и Канаде. Самый крупный из них - стадион «Pontiac Silverdome» - был реализован в 1975 году в Мичигане, США. Проекты Д. Гейгера продемонстрировали существенные экономические преимущества пневматических воздухоопорных оболочек по сравнению с другими материалами, которые использовались при строительстве стадионов и зрелищных сооружений. Таким образом, общее число реализованных пневматических зданий и сооружений к 1976 году составило уже более 50 000.
Впоследствии стали появляться воздухоопорные здания с металлическим каркасом. Примером служит спортивная арена в Канаде, построенная в 1979 г. и спроектированная инженером Д. Синоски, а также пневматический купол, смонтированный в Японии по проекту М. Кавагучи. К концу XX века в разных странах мира было возведено множество амфитеатров, стадионов, спортивных арен, павильонов и других большепролетных зданий на основе пневматических воздухоопорных оболочек.
Современные предпосылки
Современное общество и его технические возможности изменились и кардинально отличаются от того, что было в 1960-1980-х годах. Появились технологические новшества, которые привели к различным изменениям в социальной структуре общества. Технический прогресс повлиял на развитие многих сфер деятельности человека и, в частности, архитектуры.
Технологические предпосылки развития пневматических конструкций в современной архитектуре заключаются в возникновении новых строительных материалов и развитии промышленной робототехники. На сегодняшний день возможна реализация тех проектов, которые раньше казались утопическими. Воплощение разнообразных архитектурных объектов на основе пневматических воздухоопорных конструкций стало реальным благодаря изобретению «умного» светопрозрачного материала: фторполимера ETFE. Современные воздухоопорные оболочки ETFE долговечны (20-30 лет), могут быть применены на разных объектах и соответствовать всем требованиям изоляции, освещения и эстетики здания. Для лучшей теплоизоляции в XXI веке стали производить двухслойные и трехслойные оболочки (в XX веке полимерные пленки были однослойными, что препятствовало активному развитию воздухоопорных конструкций в России в связи с холодным климатом во многих частях страны), что делает современные воздухоопорные сооружения термостойкими. Преобразования в области материалов позволили расширить область применения пневматических конструкций и проводить более смелые формообразующие эксперименты10. В доказательство можно привести пример пневматического сооружения на горнолыжном курорте в Австрии, реализованного архитектурным бюро «Obermoser» в 2013 году (рис. 7а).
Advantages of ETFE film. Discover a new world of architecture. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.makmax.com/business/etfe advantages.html (дата обращения 15.04.18)
Важно подчеркнуть, что помимо улучшенных показателей герметичности и сопротивления нагрузкам, современная пневматическая оболочка имеет вес 0,1% от веса стекла и пропускает до 95% солнечного света, который беспрепятственно проникает внутрь. Фторполимер ETFE может менять уровень прозрачности и подсвечиваться при помощи технологии LED-освещения (перспективное направление в технологии искусственного освещения, основано на применении светодиодов). Примером служит реализованный в 2010 году в Астане (Казахстан) проект культурного центра «Khan Shatyr Entertainment Center» архитекторов «Foster + Partners» (рис. 7б).
Экологические предпосылки развития пневматических конструкций в современной архитектуре состоят в том, что существующие воздухоопорные оболочки - 100% перерабатываемый материал, который является прочным, универсальным и относительно экологичным полимером, благодаря чему он все чаще находит применение в строительстве «зеленых» зданий и сооружений. В частности, команда британских архитекторов «Stanislaw Mlynski + Krishan Pattni + Anna Stojcev» создала конкурсный проект дома на дереве «Tree Hopper». Идея проекта основывается на устойчивом развитии и концепции «город в городе». В проекте авторы применили воздухоопорные конструкции для обитаемых капсул (рис. 8а).
б)
Рис. 7. Современные светопрозрачные конструкции: а) здание на горнолыжном курорте в Австрии, архитектурное бюро «Obermoser», 2013 г; б) центр «Khan Shatyr Entertainment Center», Астана, Казахстан, архитектурное бюро «Foster + Partners», 2010 г.
Ещё одно преимущество таких конструкций состоит в том, что малый вес полимерных материалов не требует больших расходов на переработку и транспортировку, и это минимизирует их «углеродный след» в окружающей среде. Фторполимер ETFE является огнестойким. Материал эффективно прошел международные испытания. Комбинация легкого веса и огнестойкости позволяет применять пневматические воздухоопорные конструкции в аэрокосмической области. Материал менее огнеопасен из-за более высокого содержания фтора по сравнению с другими материалами из пластмассы и ткани. Этот современный полимер выделяет вредные вещества при горении только при температуре выше 800 градусов. Фторполимер имеет ещё и преимущества самовентиляции и самоочищения.
Достижения в области развития пневматических воздухоопорных конструкций в последнее десятилетие позволили расширить область применения пневматических конструкций и проводить более смелые формообразующие эксперименты. Так, архитектор Б. Лам спроектировал пневматический небоскреб «Inflation Tower» в Абу-Даби11. Идея автора заключалась в художественном осмыслении изменяющегося общества и присущем ему непостоянстве, где небоскреб будет выступать в качестве символа мимолетной городской идентичности современных городов (рис. 8б).
Модернизация компьютерных технологий
Современный уровень развития компьютерных технологий позволяет архитекторам и конструкторам применять новейшие методы проектирования: принципы робототехники, Эй-моделирование и печать спроектированных моделей на 3й-принтере. Примером внедрения таких инноваций служит проект пневматического павильона, реализованного командой архитекторов и инженеров М. Дёрстельманна, В. Косковски, М. Прадо, Г. Шибера, Л. Васи в 2015 году12. Исследовательский павильон «ICD» был сконструирован в университете Штутгарта, Германия. Сооружение демонстрирует архитектурный потенциал нового метода строительства пневматических сооружений, основанного на робототехническом процессе (рис. 8в).
а)
11
Inflation Tower - A Pneumatic Skyscraper for Abu Dhabi / Becky Lam, 2011 [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.evolo.us/architecture/inflation-tower-a-pneumatic-skyscraper-for-abu-dhabi-becky-lam/ (дата обращения 01.04.18)
12 ICD/ITKE Research Pavilion / University of Stuttgart, 2015 [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://icd.uni-stuttgart.de/?p=12965 (дата обращения 18.03.18)
в)
Рис. 8. Проекты современных пневматических объектов с применением 3D-моделирования и робототехники: а) проект «Tree Hopper». Архитекторы Stanislaw Mlynski + Krishan Pattni + Anna Stojcev; б) проект пневматического небоскреба «Inflation Tower», Абу-Даби. Архитектор Б. Лам. 2011 г.; в) исследовательский павильон «ICD», Штутгарт, Германия. 2015 г.
Важно и то, что современные проекты, основанные на принципах 30-моделирования, демонстрируют возможность существования пневматических воздухоопорных сооружений в космическом и подводном пространствах. Так, знаменитый английский архитектор Н. Фостер в рамках конкурса, объявленого NASA в 2015 году, создал проект «Mars Habitation». Это пневматическая 3D-печатная модульная среда обитания на Марсе (рис. 9а). Предлагаемый проект является первым шагом на пути к развитию будущего применения пневматических конструкций для космических целей13. Что касается разработок в подводном пространстве, то в 2012 году группа «LIQUIFER Systems Group GmbH» из Австрии представила первую концепцию погруженного в водную среду обитаемого сегмента, включающего внутреннее жилое пространство (рис. 9б). Среда обитания задумана как надувная структура с возможностью создания комплексных
13 Foster + Partners | Branch Technology Win First Prize in NASA 3D Printed Habitat Challenge. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.fosterandpartners.com/projects/mars-habitat/ (дата обращения 01.04.18)
AMIT 3(44) 2018 195
парниковых отсеков14. Однако, несмотря на интересную задумку, данный проект нуждается в доработке. Ввиду возможного давления внутри оболочки, необходимого для сопротивления давлению воды, в подобной структуре человеку может быть некомфортно.
б)
Рис. 9. «Внеземные» пневматические структуры: а) проект «Mars Habitation», архитекторы «Foster + Partners», 2015 г.; б) подводная структура по проекту «LIQUIFER Systems Group GmbH» 2012 г.
Небезынтересным аспектом пневматических структур является тот факт, что они представляют собой симбиоз искусственного и натурального, несмотря на синтетическую природу материалов. Еще в 1970-е годы Ю.С. Лебедев описывал пневматические конструкции в книге «Архитектура и бионика», что говорит о взаимосвязи воздухоопорных структур с формами природы [2]. Зачастую природа и технология рассматриваются в контексте противоположностей. Такие свойства, как эластичность, легкость, гибкость и многофункциональность находят отражение в живой природе, тогда как тяжелые, жесткие, монофункциональные, оптимизированные и долговечные материалы относятся к миру технологий. Пневматические структуры обладают первыми, природными свойствами. Гибкость конструкции достигается путем изменения давления. Многофункциональность - это возможность объекта к трансформации и изменяемости изначальной функции. Ограниченный срок службы (20-30 лет) современных полимеров
Medusa: from subsea to the moon [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://spacearchitect.org/portfolios/medusa-from-subsea-to-the-moon/ (дата обращения 10.04.18)
придает пневматическим воздухоопорным конструкциям характерный преходящий характер. Это дает возможность переосмысления объекта через 30 лет на основании выводов о его влиянии на «дух» места.
Стратегия с пневматическими воздухоопорными объектами заключается в быстром и экономичном построении с минимальным объемом затрачиваемых ресурсов в течение ограниченного периода времени и с возможностью простого демонтажа. Это отвечает экономическим, экологическим и социальным предпосылкам, сформированным в XXI веке, которые следует учитывать в архитектуре современного, стремительно меняющегося мира. Благодаря этим свойствам пневматические структуры объединяют природу и технологию, отражая философию архитектурной бионики.
Важно отметить экономические предпосылки применения пневматических конструкций, которые заключаются в низкой стоимости полимерных материалов в сравнении с другими конструктивными материалами. Транспортировка и монтаж фторполимерных пленок также значительно дешевле ввиду их небольшого веса. Сегодняшняя социальная и климатическая обстановка в некоторых частях мира свидетельствует о необходимости архитектуры реагировать на возникающие сложные ситуации с гуманитарной точки зрения. Мобильность, быстровозводимость и способность к адаптации позволяют пневматическим воздухоопорным сооружениям становиться укрытиями для беженцев, людей потерявших своих жилища по причине природных катаклизмов; для людей, работающих в суровых климатических условиях. Примером подобных сооружений служит проект адаптивных пневматических укрытий, спроектированный в школе АА (Архитектурной Ассоциации) в Лондоне в 2004 году (рис. 10). Автор этого проекта предлагает идею быстроразборных убежищ для беженцев на Ближнем Востоке. Политические, социальные и религиозные конфликты часто приводят к перемещению и принудительной миграции большого числа людей, а этот проект решает проблемы их временного размещения с помощью низкотехнологичной пневматической защитной системы [5].
Рис. 10. Проект пневматических убежищ, школа АА, Лондон, 2004 г. (по [5] в авторской интерпретации)
Формообразующие эксперименты
При анализе процесса развития формообразования пневматических конструкций необходимо отметить один из актуальных принципов их моделирования - тенсегрити. Это уникальная структурная система, состоящая из непрерывных элементов растяжения и прерывистых компрессионных элементов. Термин впервые ввел в 1961 году
Р.Б. Фуллер. Однако рационализаторами тенсегрити следует считать также и Д. Эммериха и Д. Снелсона. Перспективное исследование Р. Фуллера в области синергетической геометрии было важным для понимания и использования тенсегрити-структур [12]. Предполагается, что тенсегрити является основным принципом в построении организмов живых существ, а также межклеточной коммуникации. Исследования в этой области подходят и для возможности создания трансформируемых пневматических и других гибких структур. Конструкции могут видоизменяться в разнообразные архитектурные пространства и подстраиваться под различные условия освещения или вентиляции. В дополнение к этому, такие системы можно легко транспортировать и устанавливать на существующих объектах и как самонесущую структуру.
Подводя итоги исследования можно сформулировать следующие основные выводы. Возникновение пневматических конструкций определено влиянием разнообразных факторов и предпосылок. Целесообразно рассматривать феномен «воздушной» архитектуры комплексно, так как ее развитие обусловлено успехами в разных областях науки. Были выявлены основные этапы и предпосылки формирования воздухоопорных конструкций: 1) древние времена; 2) эволюция инженерной мысли и эксперименты по разработке и созданию воздушного шара; 3) период Второй мировой войны и развитие промышленности; 4) середина XX века и научные исследования архитекторов и конструкторов; 5) середина XX века и изменение образа мышления (архитектура «протеста»); 6) конец XX века - международные выставки и появление большепролетных зданий; 7) XXI век - экономические, экологические, технологические, динамические и социальные предпосылки.
Изучение пневматических конструкций невозможно без восприятия идей, которые в них заложены. Стремительное развитие науки и техники создает картину динамического и меняющегося общества, где новые идеи архитекторов и конструкторов раскрывают безграничные возможности для творчества, а всё новые проекты подтверждают большие успехи в этом направлении. Только принимая во внимание технологические аспекты и достижения в области создания новых материалов, а также изучив предпосылки формирования архитектурных объектов на основе воздухоопорных конструкций можно сделать прогноз дальнейшего развития этого направления в архитектуре.
Источники иллюстраций
Рис. 1. [6].
Рис. 2(а-д). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://clck. ru/EKGxA
Рис. 3(а-б). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.thefarleygroup.com/blog/a-
dome-history-snapshot-the-radome.htm, http://www.birdair.com/about/company-history
Рис. 4(б).[Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://ru.pinterest.com/offsite/?token=815-
449&url=http%o3A%o2F%o2Fmegaestructuras.tumblr.com0/o2Fpost°/o2F57799055564&pin=34417 3596507002110&client tracking params=CwABAAAADDYwNDgxNzg1MDY3MgA Рис. 6 (а-б). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.kawa-struc.com/projects/projects 0302 e.htm (в авторской интерпретации), http://www.tensinet.com/index.php/about/members-of-tensinet?view=project&id=3839 (в авторской интерпретации)
Рис. 7(а-б). [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://www.skiinfo.de/tirol/soelden/skigebiets-bilder-id138568--gaislachkogel-solden.html (в авторской интерпретации), https://www.fosterandpartners.com/projects/khan-shatyr-entertainment-center/#gallery (в авторской интерпретации)
Рис. 8(а-в). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://cargocollective. com/otco/T REE-HQPPER?epik=0QI70E IWn5py (в авторской интерпретации),
http://www.evolo.us/architecture/inflation-tower-a-pneumatic-skyscraper-for-abu-dhabi-becky-
lam/ (в авторской интерпретации), http://icd.uni-stuttgart.de/?p=12965 (в авторской интерпретации)
Рис. 9(а-б). [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://www.fosterandpartners.com/projects/mars-habitat/ (в авторской интерпретации), http://spacearchitect.org/portfolios/medusa-from-subsea-to-the-moon/ (в авторской интерпретации)
Литература
1. Ермолов В.В. Пневматические строительные конструкции / под ред. Ермолова / В.В. Ермолов, У.У. Бэрд, Э. Бубнер. - М.: Стройиздат, 1983. - 439 с.
2. Лебедев Ю.С. Архитектура и бионика / изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1977. - 221 с.
3. Орса Ю.Н. Особенности архитектурной композиции пневматических сооружений: дис. канд. архитектуры: 18.00.02 / Орса Юлий Николаевич. - М., 1983. - 152с.
4. Отто Ф. Пневматические строительные конструкции. Конструирование и расчет сооружений из тросов, сеток и мембран / перевод с немецкого А.А. Гогешвили / Ф. Отто, Р. Тростель. - М.: Стройиздат, 1967. - 319 с.
5. Hensel M. Adaptive Pneumatic Shelters / M. Hensel, A. Menges // AA London. Diploma Unit 4, 2004. - 3 s.
6. LeCuyer A. ETFE Technology and Design // Graphic design: Esther Mildenberger. - Berlin: Birkhauser Verlag AG, 2008. - 160 s.
7. Les Utopies Gonflables. Jean-Paul Jungmann et le groupe Utopia // Beyond books: Science and architecture, 2010. - 9 s.
8. Mallory K. The Architecture of War // Pantheon Books [1st American ed.] edition, 1973. -370 s.
9. McLean W., Silver, P. Air structures / W. McLean, P. Silver. - London: Laurence King Publishing Ltd, 2015. - 161 s.
10. Pecina P. Application of tensile membrane structures in architecture / Paula Pecina: Dissertation Bachelor of Architectural Technology and Construction Management (BATCoM) Via University College. - Denmark. 2012. - 31 s.
11. Spatial Agency: Haus-Rucker-Co, Group-Vienna, Austria // Spatial Agency: book, 2016. -4 s.
12. Valentín Gómez-jáuregui. Controversial Origins of Tensegrity // Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium. - Valencia, 2009. - 11 s.
References
1. Ermolov V.V., Berd U.U., Bubner. E. Pnevmaticheskiye stroitelnyye konstruktsii [Pneumatic building constructions]. Moscow, Stroyizdat, 1983, 439 p.
2. Lebedev Yu.S. Arkhitektura i bionika [Architecture and Bionics]. Moscow, Stroyizdat, 1977, 221 p.
3. Orsa Yu.N. Osobennosti arkhitekturnoy kospozitsii pnevmaticheskikh sooruzheniy. [Features of the architectural arrangement of pneumatic structures. (Cand. Dis)]. Moscow, 1983, 152 p.
4. Otto F., Trostel R. Pnevmaticheskiye stroitelnyye konstruktsii. Konstruirovaniye i raschet sooruzheniy iz trosov. setok i membran [Pneumatic building structures. Design and calculation of structures from cables, nets and membranes]. Moscow, Stroyizdat, 1967, 319 p.
5. Hensel M., Menges A. Adaptive Pneumatic Shelters. AA London. Diploma Unit 4, 2004, 3 p.
6. LeCuyer A. ETFE Technology and Design. Graphic design: Esther Mildenberger. Berlin, Birkhauser Verlag AG, 2008, 160 p.
7. Les Utopies Gonflables. Jean-Paul Jungmann et le groupe Utopia. Beyond books: Science and architecture, 2010, 9 p.
8. Mallory K. The Architecture of War. Pantheon Books [1st American ed.] edition, 1973, 370 p.
9. McLean W., Silver P. Air structures. London, Laurence King Publishing Ltd, 2015, 161 p.
10. Pecina P. Application of tensile membrane structures in architecture. Dissertation Bachelor of Architectural Technology and Construction Management (BATCoM) Via University College, Denmark, 2012, 31 p.
11. Spatial Agency: Haus-Rucker-Co, Group-Vienna, Austria. Spatial Agency: book, 2016, 4 p.
12. Valentin Gômez-jauregui. Controversial Origins of Tensegrity. Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium, Valencia, 2009, 11 p.
ОБ АВТОРЕ
Пшеничникова Кристина Андреевна
Аспирант кафедры «Основы архитектурного проектирования», Московский архитектурный институт (государственная академия), Москва, Россия e-mail: [email protected]
ABOUT THE AUTHOR Pshenichnikova Kristina
Postgraduate Student, Chair «Foundations of Architectural Design», Moscow Institute of Architecture (State Academy), Moscow, Russia e-mail: [email protected]
