Пневматические конструкции низкого давления. Говорят, что история архитектуры является историей устремлений человека создать перекрытия наибольшего пролета, что римляне могли перекрывать пространства с большим пролетом, чем греки; что готические строители во многом шли дальше римлян; что со времен Железного моста в центральных графствах Англии мы получили возможность перекрывать максимальные пространства... Если это так, то тогда самое замечательное изобретение осталось незамеченным.

Часто утверждают, что теоретически не существует пределов пространства, которое можно перекрыть пневматичской конструкцией, и при определенных обстоятельствах это утверждение может быть обосновано. Практически можно перекрыть пространство площадью во много квадратных миль с помощью уникальной техники, причем себестоимость перекрытий снижается по мере увеличения пролета. Чем можно объяснить, что такая, не имеющая себе равных, техника пока не революционировала архитектуру?

Возможно, рассказ о трех моих неудачах с пневматическими конструкциями объяснит причины этого явления. История испытаний пневматических конструкций довольно драматична. Первым был испытан параболический купол высотой 7,9 м, построенный студентами-архитекторами Художественного колледжа в Брэдфорде в 1963 г. Мы применили прозрачную полиэтиленовую пленку с Т-образным соединением шва (в котором под действием избыточного давления появлялись маленькие дырочки) и наполненную водой трубу основания, или, точнее, частично наполненную водой, так как при диаметре 38 см в нее входило свыше 3 т воды. И хотя масса воды была достаточной, чтобы удержать купол, он все же поднялся вверх и опрокинулся. Дело в том, что основание оказалось недостаточно ровным, и вся вода стекла к более низкому уровню, оставив незакрепленной остальную часть периметра купола. Простой случай «кратковременного недомыслия» вогнал в краску всех участников неудачного эксперимента, исправленного позже устройством более тщательно подготовленного основания.

Вторым был луковицеобразный купол высотой 9,1 м, выполненный из черного полиэтилена студентами Архитектурной школы в Лидсе в 1965 г. Я предполагал загнуть край оболочки внутрь и засыпать его песком, но студенты отговорили меня от этого, предложив использовать колбасообразные трубы из того же полиэтилена, наполненные песком и продетые в петли, специально для этого приваренные к оболочке.

Испробовав эту конструкцию в течение двух недель в помещении, мы вынесли ее наружу. Был включен только один вентилятор из трех запроектированных, и давление внутри оболочки было очень слабым. Дул порывистый ветер, который трепал конструкцию и оборвал все петли, а мы, шестеро участников эксперимента, ухватившись за оболочку, попеременно то взмывали вверх, то опускались на землю. И, наконец, руки разжались, ветер подхватил оболочку и понес ее прочь, как огромную черную летучую мышь.

Основные выводы испытаний: необходимо хорошее крепление периметра, при проектировании луковицеобразного купола нельзя делать чрезмерно длинной вытяжную трубу (в противном случае с большого расстояния он будет выглядеть как горошина на барабане).

В обоих этих куполах внутреннее давление превышало атмосферное примерно на 15 кг/см². Третий неудачный эксперимент проведен с куполом, наполненным воздухом под давлением около 63 кг/см².

Этот купол был сделан по заказу кинофирмы «XX век Фокс» для фильма «Прикасаемые». Нас пригласили в качестве консультантов, и режиссер предложил соорудить для съемок фильма прозрачную сферу в ³/₄ с диаметром около 25 м.

Сфера в ³/₄ представляет собой пневматическую конструкцию, довольно сложную для расчета давления внутри купола и вне его. Кроме того, невозможно было получить по-настоящему прозрачную ткань с покрытием. Изучив различные возможности, мы, наконец, остановились на прозрачной ПВХ пленке и нейлоновой сетке.

Когда все исследования и изготовление деталей были завершены, началась установка купола. Трубчатый стальной подиум был покрыт тканью, и с помощью напыления ему придали вид бетона, были сделаны зеркальный пол из полированных алюминиевых панелей, вход снизу из «пружинящей» двери и установлен абсолютно бесшумный вентилятор.

К несчастью, во время укладки пола подача воздуха внутрь была уменьшена и еще более снижена в результате установки решетки в верхней части купола. «Мы думали, — как мне сказали позднее, — что выходит такое же количество воздуха, как подается, но воздух выходил намного быстрее». В купол воздуха поступало недостаточно, и конструкция «обмякла». С гор подул ветер, ударил в купол, и верхушка его лопнула. Результат, конечно, парадоксален: взрыв был настолько эффектен, что его намеренно повторили в кульминации фильма.

Когда же были предприняты все меры предосторожности, купол вел себя прекрасно. Это был самый большой в мире прозрачный купол, давший возможность режиссеру Роберту Фримену провести съемки.

До недавнего времени большинство пневматических конструкций проектировалось на основании предшествующего опыта. Некоторые предприниматели наладили производство и выпустили в продажу ряд стандартных форм, уже оправдавших себя на практике. Однако, когда возникала необходимость в новом материале, возникали сложности, так как специалистов-проектировщиков в этой области не существовало, а сам процесс проектирования пневматических конструкций еще не был достаточно разработан. Вероятно, этим можно объяснить медленное развитие пневматических конструкций в Европе, и, в особенности, в Великобритании.

Но теперь картина меняется. Изданы справочники, где излагаются основы проектирования и расчета разнообразных форм; все больше инженеров интересуются этим предметом. Однако расчеты, касающиеся проверки работы пневматической формы, сложны, занимают много времени и должны исходить из конкретного проекта, который является результатом разумного или, скорее, интуитивного подхода проектировщика к предмету.

Пневматическая конструкция низкого давления будет устойчивой, если внутреннее давление будет равно или же будет слегка превышать массу оболочки. Если масса ткани составляет 1,4 кг/м², потребуется давление, лишь немного ее превышающее. Этого достаточно для стабильности конструкций только при тихой погоде.

Ветер — причина многих осложнений, и поэтому внутреннее давление всегда должно быть равно или, когда требуется, слегка превышать давление, оказываемое на конструкцию ветром. Устойчивая форма может предотвратить вибрацию, которая иногда достигает угрожающей величины.

Оболочка должна также выдерживать давление снега, который может скапливаться на горизонтальных или почти горизонтальных плоскостях.

Так как внутреннее давление в конструкциях этого типа равномерно распределяется по всей поверхности, нужно определить самое сильное возможное внешнее давление и учитывать его при проектировании. Максимальное давление должно определяться в каждом отдельном случае — например, если человеку надо взобраться на конструкцию для ухода или чистки. В этом случае было бы неправильным считать, что этой нагрузке (около 40 кг/см²) нужно создать противодействие по всей поверхности оболочки. Правильнее считать, что временная локализованная деформация допустима.

Можно подумать, что при выборе материала оболочки проектировщики руководствуются общим уровнем напряжения, который должна выдержать оболочка, но в действительности может возникнуть очень сильная концентрация напряжения, которая и будет диктовать прочность мембраны.

Итак, основная цель расчета заключается в том, что оболочка в целом должна выдержать максимальную нагрузку в любой части. Можно по-разному «раскраивать» оболочку для улучшения эксплуатационных свойств в определенных местах, однако это не всегда возможно по финансовым соображениям.

Наконец, должна быть рассчитана подъемная нагрузка, определяемая давлением, приходящимся на единицу площади основания. Эту нагрузку считают одинаковой по всему периметру, хотя в действительности при порывах ветра она может различаться.

Форма диктуется стремлением к минимальной площади поверхности. Она может быть также изменена за счет раскраивания. Например, если бы кто-нибудь надувал оболочку кубической формы, она бы стремилась к форме шара. К форме можно Добавлять всевозможные отростки, но и они при надувании будут походить на причудливые шары с рогами и носами.

Шары приводят к пузырям. Поэтому логическое проектирование пневматических конструкций низкого давления может быть основано именно на изучении формы пузырей.

Пузырь, как и любая пневматическая форма низкого давления, состоит из оболочки, заключающей в своем объеме воздух под невысоким давлением, достаточным для восприятия массы оболочки. Пузырь всегда ограждает определенный объем при минимальной площади поверхности оболочки.

Не будем говорить об очевидном случае с мыльным пузырем. Каждый, вероятно, может представить себе проволочное кольцо, которое, каким бы ни было сложным по своей конфигурации, будет затянуто лежащей в одной плоскости пленкой. Однако, если кольцо согнуть, пленка приобретет форму, которая может оказаться очень сложной, но будет все же самой малой по площади возможной поверхностью.

Здесь я привожу слова автора многих работ о природе пузырей и не только пузырей, но также и о физическом строении вещей и явлений природы, например капель воды и т. п., Д'Арси Уэнтуорта Томпсона, который в 1917 г. опубликовал великолепную книгу «О развитии и форме», необходимую каждому проектировщику.

Интересно, скольких из нас удивляла и эта книга, и те необычайные факты, которые автор время от времени находил. Например, при анализе состоящего из кремнезема скелета представителя семейства губок, известных под названием Радиолярии ¹, он случайно заметил, что «никакой системой из шестиугольников нельзя оградить пространство; при равных или неравных шестиугольниках, правильных или неправильных — при всех обстоятельствах это математически невозможно».

¹ Радиолярии, или лучевики, — группа морских организмов, обладающих наружным скелетом, часто имеющим геометрически правильные формы решетчатых шаров, многогранников и пр. (прим. науч. реб.).

Таким образом, прежде чем перейти к недавним публикациям работ Фрея Отто, заметим, что проектирование должно отталкиваться от этого положения. Всегда нужно помнить, что для проверки работы новой формы, созданной проектировщиком, необходимы сложные расчеты. Сначала сделайте эту форму, и это сэкономит вам уйму времени и денег.

Некоторые мои работы с пузырями привели меня к выводам, противоречащим признанным положениям. Например, высказано предположение, что форма мыльного пузыря, покоящегося на плоской поверхности, является идеальной для пневматической конструкции низкого давления. Это правильно лишь при условиях, когда необходимо только уравновесить массу оболочки при помощи внутреннего давления, но во всех практических случаях лучшим сравнением послужил бы пузырь, надуваемый воздухом, поступающим снизу. Именно этот вид наглядной демонстрации может иногда дать довольно различные результаты, в особенности в тех случаях, когда пузырь надувается над неправильным в плане основанием, например в форме звезды. Пузырь поднимается над основанием рядом растянуттых парусов купола, в котором оболочка соединяется с основанием скорее под острым, чем под прямым углом.

В области пневматических конструкций низкого давления еще предстоит многое сделать, и я с нетерпением жду того дня, когда можно будет осуществлять климатический контроль над огромными пространствами. Почему наши спортивные стадионы до сих пор открыты, хотя лучшие спортивные результаты достигаются в идеальных условиях? Почему на курортах у нас, в Великобритании, до сих пор не осуществят вполне реального — не перекроют больших площадей моря и суши и тем самым не «побьют» курорты Средиземноморья их же собственной картой? Почему мы строим наши города на открытом воздухе и создаем тысячи микроклиматов, когда можно сделать над ними общую крышу? Но как бы мы жили, если бы это было сделано, и что сталось бы с архитектурой?

Пневматические конструкции высокого давления. Пневматические конструкции высокого давления обычно состоят из разделенной на отсеки полой оболочки, которая надувается воздухом, например надувной матрац, или трубы, надутые до умеренно высокого давления и несущие оболочку покрытия.

Первые пневматические конструкции высокого давления принадлежали ко второму типу, и они продолжают еще сооружаться. Однако при больших пролетах размер трубы настолько увеличивается, что сооружение может быть выполнено из труб, поставленных рядом.Некоторые из особенностей пневматических конструкций высокого давления, свидетельствующие об их перспективах, можно показать на примере работ Института военной техники в Кристере и Института королевских воздушных сил в Кардингтоне (оба в Великобритании). Представьте себе хранящийся в кузове небольшого грузовика мост, который можно надуть выхлопными газами, чтобы навести переправу для грузовика через овраг; пневматический подъемник, с помощью которого можно поднять человека на определенную высоту; подушку-домкрат для автомашины, которая надувается выхлопными газами; пневматическое покрытие (на сей раз низкого давления), которое можно использовать для переправы танка через реку; надувные дамбы (плотины); надувные, работающие на сжатие элементы для сооружения палубных надстроек — все это демонстрирует неограниченные возможности пневмоконструкций. И я убежден, что будущее пневматических конструкций высокого давления скорее в специализированном применении, как приведенные выше, нежели в больших пространственных покрытиях.

Дело в том, что я не убежден в надежности пневматических конструкций высокого давления. Под грандиозным по размерам пневматическим покрытием низкого давления легко может пролететь небольшой самолет, притом без риска, что оболочка тут же взорвется. Например, при проектировании пневматического покрытия низкого давления для стадиона Уэмбли в Великобритании было подсчитано, что если выключить все компрессоры подачи воздуха и открыть все 79 дверей, составляющих квадрат, сторона которого равна 2,28 м, то на спуск воздуха потребуется около 4 ч. Давление внутри помещения настолько слабое, что воздух не вырывается, а медленно выходит подобно легкому ветерку.

А в конструкциях высокого давления один небольшой прокол грозит немедленным оседанием всей конструкции. Для того, чтобы локализовать аварию, можно сдублировать конструкцию или разделить ее на мелкие отсеки, или же оборудовать ее компрессором для компенсации утечки воздуха, но до тех пор, пока у нас не будет самосклеивающейся оболочки, слабая прочность оболочки останется самым существенным недостатком.

Я хорошо прочувствовал этот недостаток сам, когда разрабатывал другой, неосуществленный проект для стадиона Уэмбли. Покрытие состояло из полой, разделенной на отсеки и наполненной гелием оболочки, поднимающей прозрачное растянутое покрытие, которое в свою очередь прикреплялось по всему периметру существующего здания стадиона. Исследования показали, что, хотя имелись достаточно прочные ткани, выдерживающие когти птиц, а маленькие дырочки не шли в счет, нужен был самосклеивающийся материал. Тем не менее проект был осуществим как с конструктивной, так и с экономической точек зрения, и проектировщики могли начать изыскания потенциального источника дешевого гелия, получаемого на определенных месторождениях нефти и природного газа.

Я убежден, что пневматические конструкции являются самым важным открытием, когда-либо сделанным в области архитектуры; что они могут освободить жилую среду от скованности и могут сыграть существенную роль в развитии общества.