Беседа восьмая. Бионика и архитектура

Приближалась сотая годовщина Великой французской революции. К этой дате решили организовать в Париже всемирную выставку, а на территории выставки - воздвигнуть башню, она должна была символизировать собой и величие французской революции и новейшие достижения техники. На конкурс поступило 700 проектов. Лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля.

По окончании строительства башни (она была собрана из 15 000 отдельных металлических частей, скрепленных 2 500 000 заклепок) известный в то время поэт Максимилиан Волошин, большой любитель всяких шуток и "розыгрышей", распустил слух, будто в Эйфелевой башне, поразившей в конце XIX столетия весь мир своей высотой и ажурностью конструкции, нет ничего нового, она якобы построена по чертежам одного арабского ученого.

Это была, конечно, шутка. Но, внимательно изучив устройство знаменитой трехсотметровой башни, которая давно уже стала таким же своеобразным символом Парижа, как у нас в Москве Кремль, архитекторы и биологи сделали неожиданное открытие: изящная конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет (совпадают даже углы несущих поверхностей) строение... большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела! Оказывается, то, что сознательно искала пытливая мысль талантливого инженера, "целесообразно" создала природа в отшлифованном тысячелетиями живом организме.

Не так давно ученые установили, что скелет лебедя устроен точно так же, как арматура современных железобетонных конструкций. Аналогично тому, как стеклянное волокно повышает прочность ламинатов, каркас из неправильных волокон какого-то "цемента" придает прочность мягкому телу лебедя. Этот каркас состоит главным образом из спонгина - белкового вещества, богатого связанным йодом. Стекловидные, заостренные на конце иглы - так называемые склеры - выполняют ту же функцию, что и стальная арматура в бетоне. Поэтому скелет лебедя, состоящий из продольных и поперечных "балок", может выдерживать значительные нагрузки.

И еще один любопытный факт. Все началось, как любит рассказывать французский профессор Роберт Ле-Риколе, с анекдотического случая. Однажды Ле-Риколе нашел в крупном макете здания... человеческий скелет, напоминающий по своей позе профессора. Кто-то из студентов хотел таким путем выразить свое отношение к методам преподавания Ле-Риколе^*. Профессор заинтересовался конструкцией скелета и велел перенести его в свой кабинет. Произвели ряд обследований и обмеров. Когда скелет взвесили, то оказалось, что он весит только 6 кг, т. е. в 10 раз меньше, чем средний человек. Исследования установили, что кость, хотя она и является чрезвычайно хрупким материалом, способна, благодаря присущему ей особому строению, выдерживать большие нагрузки, порядка 1200 - 1700 кг/см². Отсюда последовал логический вывод - прочность данного материала зависит от того, как построена его ткань.

^* (Профессор Ле-Риколе считает, что, если студент что-нибудь сделал собственноручно, построил какую-нибудь форму, она надолго закрепляется в его памяти, в то время как вещь, которую он только осматривает, легко забывается. Поэтому студенты Ле-Риколе один учебный год посвящают поискам формы, выполнению макетов.)

Рис. 1. Микрофотография большой берцовой кости

Всестороннее, тщательное изучение человеческого скелета показало, что он представляет собой необыкновенно сложный комплекс пространственных систем. Поскольку невозможно статически определить наименьшее число соединенных стержней в узлах, Ле-Риколе пришел к заключению, что "следует рассматривать не узлы, а распределение отверстий. Порядок повторения этих отверстий может дать ключ к истинному смыслу всего построения" (рис. 1).

И тогда, рассказывает Ле-Риколе, в его творчестве открылась новая глава: дырчатые конструкции. Профессор пришел к заключению, что главное - это соответствующее расположение в материале пустых пространств. Вопрос заключается не в расположении плоскостей, а в обрамлении отверстий, соединяемых разным образом. Различные способы соединения обрамлений отверстий, по твердому убеждению Ле-Риколе, позволяют решить ряд сложных проблем в сопротивлении материалов. Ученый надеется, что разработанные им пространственные системы найдут в ближайшем будущем широкое применение, и, в частности, в космонавтических конструкциях, где принимается в расчет не только сопротивление материалов, но прежде всего количество употребленного материала (снижение веса конструкций). По мнению ряда крупных архитекторов, макеты, выполняемые ныне под руководством Ле-Риколе, могут сегодня казаться утопическими, но возможно, что через несколько лет они будут основой для новых концепций овладения межпланетным пространством.

Итак, обычная кость человека предстает перед нами настоящим кладезем технических идей - стоит только всмотреться, взглянуть на нее другими глазами.

Какими же это другими?

Глаза человеческие устроены очень сложно, но у всех одинаково, и, вообще говоря, люди видят вещи такими, какие они есть. А бывает особый взгляд - взгляд через невидимую призму творческого мышления, который способен рассмотреть сущность вещи, увидеть ее метаморфозы, ее новые грани, особенности предназначения. Ведь вот же не раз, надо полагать, доводилось Александру Эйфелю видеть человеческий скелет, слышать о прочности его костей, но, когда он приступил к проектированию своей чудесной башни, ему и невдомек было искать прообраз ее конструкции в строении большой берцовой кости. Но стоило волей случая увидеть скелет человека профессору Ле-Риколе, занятому поиском новых архитектурных форм, и в его мастерской появились макеты оригинальных зданий будущего.

И еще пример. В одной из своих статей французский архитектор Огюст Перре, автор известного проекта здания театра на Елисейских полях в Париже, пишет:

"...Что касается меня, то я никогда не пытался направлять звук, считая, что лучше, как это делалось в античных театрах, дать ему свободу.

Я присутствовал однажды при убедительном подтверждении этого принципа, когда услышал в Лурде пение странников под деревьями. Никогда я не слышал более прекрасного звучания, чем здесь, в пространстве, ограниченном землей и покровом из листьев. Я решил тогда, что такого рода звучание может быть достигнуто, если построить зал "просверленный" в той же пропорции, как покрытие у листьев. По этому принципу и построен большой музыкальный зал театра на Елисейских полях. Я построил сперва закрытый зал, а внутри него - другой зал, "просверленный", как корзина. Эта система оказалась настолько удачной, что один из наиболее требовательных руководителей оркестра говорил об акустике зала, что она является "чудом". Акустические качества этого зала я объясняю тем, что "решето" зала беспрепятственно пропускает звуки, устраняя лишние звучания и эхо..."

Подлинно любознательные, подлинно преданные науке глаза ученых не раз пытались заглянуть в архитектурную мастерскую природы. Изучением структуры природного материала и особых принципов самоконструирования живых организмов занимались такие выдающиеся ученые, как Демокрит, Галилео Галилей, Роберт Гук, Герберт Спенсер, Марчелло Мальпиги и др. Известный немецкий ботаник Симон Швенденер посвятил свои исследования выяснению связи между анатомическим строением и физиологической функцией органов и тканей растений. В результате проведенных исследований ученый установил, в частности, что расположение опорных тканей в растениях обеспечивает их наибольшую устойчивость и соответствует законам механики; он разработал так называемую механическую теорию листорасположения. Так, трудами С. Швенденера было положено начало науке об архитектонике растений. Многое в ней объяснил выдающийся русский естествоиспытатель-дарвинист К. А. Тимирязев. "Роль стебля, - писал ученый, - как известно, главным образом архитектурная: это - твердый остов всей постройки, несущий шатер листьев, и в толще остова, подобно водопроводным трубам, заложены сосуды, проводящие соки... Именно на стеблях узнали мы целый ряд поразительных фактов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства". Значительный вклад в развитие науки об архитектонике растений внесли советские ботаники В. Раздорский, В. Талиев и др.

Однако подавляющее большинство проводившихся в прошлом исследований удивительных механических свойств, чудесных архитектурных форм живых организмов носило чисто академический характер, и сознательное использование в строительной технике накопленных знаний о природных конструкциях до сравнительно недавнего времени было весьма ограниченным. Скорее, имело место интуитивное заимствование у природы ее архитектурного мастерства.

Но это - в прошлом. Теперь изучение природных конструкций ведется планомерно, с использованием новых, небывало мощных и бесконечно тонких физико-математических и химических методов. Глубокие и всесторонние исследования принципов самоконструирования живых организмов за сравнительно короткий срок принесли богатый урожай открытий. Познакомимся же с тем новым, что внесено изучением природных конструкций в строительную технику и архитектуру.

В Дакаре проектировали здание театра, внутри которого не должно было быть ни одной колонны, ни одной даже декоративной опоры - все здание должно было представлять собой огромную, пустую, тонкую железобетонную "скорлупу", покоящуюся на специальном фундаменте.

Когда все расчеты были закончены, оказалось, что запроектированной конструкции здания явно не хватает прочности. Между тем естественная яичная скорлупа легко выдерживает соответствующие нагрузки. В чем же дело? Пришлось обычное "выеденное яйцо" подвергнуть тщательному изучению. Установили, что его прочность объясняется тонкой и эластичной пленкой-мембраной, благодаря которой скорлупа оказывается конструкцией с предварительным напряжением. Этим открытием строители не преминули воспользоваться при сооружении театрального здания, только мембрана была, конечно, изготовлена не из "куриного" материала, а из армоцемента.

Помимо яичной скорлупы в природе имеется множество других форм оболочек, заслуживающих подражания. Это скорлупа ореха, панцири животных, раковины и т. п. Все эти природные структуры характеризуются изогнутой поверхностью, высокой жесткостью и твердостью материала. Тонкие и легкие, они вместе с тем весьма прочны, требуют незначительного расхода "строительного материала". Эти же качества характерны и для современных строительных конструкций, называемых оболочками. И не случайно во всех странах инженеры, занявшиеся проектированием и сооружением зданий такого рода, каждый на своем языке назвали эти конструкции скорлупами. Тонкие армоцементные скорлупы толщиной 15 - 30 мм покрывают ныне без опор пространства высотой до 120 и более метров. При этом, чем больше пролет, тем тоньше и легче (до определенных пределов) должна быть скорлупа!

Заговорив о форме, рождающей прочность, нельзя не рассказать об удивительном устройстве некоторых листьев, подсказавшем архитекторам так называемые "складчатые конструкции". Речь пойдет о существующих в растительном мире листьях, имеющих ребристую форму и форму веера. В этих структурах, пожалуй, нашла свое наиболее яркое воплощение одна из самых интересных закономерностей природы - "сопротивляемость конструкции по форме".

Рис. 2. Бумажная модель складчатой конструкции (по К. Зигелю). 1 - ровный лист бумаги прогибается; 2 - придав листу складчатую форму, мы повышаем его несущую способность; 3 - при перегрузке складки распрямляются; 4 - торцевые стенки (диафрагмы) придают складкам жесткость и повышают их несущую способность

Что же скрывается за этим сухим инженерным термином, каков его смысл? Поясним простым примером. Возьмем лист обычной писчей бумаги и положим его противоположные края на подставки (рис. 2). Лист не выдержит собственного веса и прогнется. А теперь сложим тот же лист "гармошкой" и положим его опять на две опоры так, чтобы параллельные складки шли поперек пролета. Нетрудно убедиться, что такой гофрированный лист ведет себя иначе, чем гладкий. Он устойчив и может легко, не деформируясь, выдержать нагрузку, равную стократной величине его собственного веса; если же к торцам складок приклеить усиливающие полоски, то гофрированный лист сможет выдержать еще большую нагрузку. Что же произошло, ведь в нашем опыте ни размеры листа, ни его вес, ни качество не изменились? Все дело в новой форме листа - она придала ему новые механические качества. Используя принцип "сопротивляемости по форме", в США построили складчатые купола пролетом 100 - 200 м, во Франции произвели перекрытие павильона пролетом 218 м. Широкое применение получили тонкостенные пространственные складчатые конструкции и в СССР. Это стало возможным благодаря глубоким исследованиям советских ученых и инженеров, посвященным теории складок, методам возведения большепролетных сооружений.

Рис. 3. Конструкция крупной панели, изготовленной по сотовому принципу

Не так давно известный польский инженер и архитектор Адам Карвовский применил в строительстве жилых домов опыт пчел в сооружении восковых сот. Они представляют собой десятки тысяч шестигранных призм, расположенных параллельными рядами. Основание каждой призмы состоит из трех ромбов, образующих вместе пирамиду. Пчелиные соты обладают многими достоинствами. Унификация элементов здесь доведена до предела: главным и единственным конструктивным элементом всей пчелиной постройки служит шестигранная ячейка, сделанная из воска. Другое достоинство сот - их прочность. Каждый ряд ячеек пчелы кладут с "перевязкой", как каменщики кирпичную стену. Но прочность здесь - относительная, конечно, - выше, чему кирпичной стены. Соты изотропны; это значит, что их прочность одирткова во всех направлениях. Именно этими достоинствами пчелиных сооружений и решил воспользоваться Адам Карвовский при изготовлении по сотовому методу крупных панелей (рис. 3). Из шести видов панелей, изображенных на рис. 4, собираются ныне в Польской Народной Республике дома любой формы и с разным числом этажей.

Сотовые панели можно делать из самых разных материалов: из обычного железобетона, древесно-волокнистых плит, синтетических смол, шлаковой ваты, различных отходов. Вместо стали для армирования применяют пластмассы. Дома, собранные из панелей Гданьского конструкторского бюро, в 5 раз легче обычных, а затраты труда на их постройку в 20 раз меньше!

Рис. 4. Шесть видов сотовых панелей, из которых можно собирать дома любой формы и с разным числом этажей

У пчелиных сот имеется еще одно чрезвычайно важное достоинство, весь секрет которого заключается в рационально выбранной форме, в геометрическом построении восковой ячейки. Ученые не раз производили самые точные вычисления размеров главного конструктивного элемента пчелиных сот и неизменно приходили к одному и тому же результату: все острые углы трех ромбов, образующих основание каждого шестигранника, равны 70*32'. Математики доказали, что при шестигранной форме именно такая величина углов обеспечивает наибольшую вместимость сотовой ячейки при минимальных затратах строительного материала на ее сооружение.

Небезынтересно отметить, что однажды все же возникло сомнение в точности "вычислений", которые "сделали" пчелы. Один английский ученый пришел к выводу, что острый угол каждого ромба должен равняться не 70°32', а 70°34'. И стало быть, пчелы все же немного ошиблись. Неизвестно, как долго длился бы этот спор, если бы не случилось одно неожиданное происшествие, не имевшее к пчелам никакого отношения.

А случилось вот что. В бурю перевернулся и затонул недалеко от берега английский корабль. Следствие установило, что он был неправильно рассчитан, так как кораблестроители пользовались изданием логарифмических таблиц, в котором были опечатки. Вот тогда-то и выяснилось, что этим же изданием логарифмических таблиц пользовался английский ученый, заявивший, что пчелы неверно решили задачу о наибольшей вместимости ячеек. Когда же он проверил свои вычисления по другим таблицам, то выяснилось, что правы были пчелы!

Итак, за миллионы лет эволюции пчелам удалось методом проб и ошибок найти самую экономичную и самую емкую форму сосуда для хранения меда.

А нельзя ли нам, людям, воспользоваться опытом мохнатых тружениц и тоже хранить в сотах, но только железобетонных, разные продукты, например зерно? Безусловно, можно! И не только можно, но и настоятельно необходимо. Ведь ежегодно в нашей стране строятся десятки элеваторов для хранения зерна. А обычный элеватор - это просто ряд труб - силосов. Совершенства здесь мало, а железобетона расходуется много. Толщина стенок круглых монолитных башен весьма велика. И не потому, что прочность этого требует, их иначе сделать невозможно. В тонкий зазор - щель между кольцами опалубки - бетонную смесь не заложишь и уплотнительный вибратор не вставишь, волей-неволей приходится делать силосы массивными.

Иное дело сотовый элеватор, конструкцию которого разработали советские инженеры. Он строится просто и быстро. Уже в первом, высотой в пятнадцатиэтажный дом, сотовом элеваторе, сооруженном в Купино, в степи под Новосибирском, стенки силосов, собранные всего лишь из двух типовых железобетонных элементов, стали намного тоньше, бетона пошло меньше, а надежность конструкции значительно возросла. Следом за купинским поднялся в Целинограде еще более совершенный элеватор сотовой конструкции. На него ушло примерно на 30% меньше бетона, чем на его монолитного "предка", а затраты труда сократились вдвое!

Но тысячевековой опыт пчел в сооружении сот оказался полезным не только строителям жилых домов и зернохранилищ. Его весьма успешно используют при строительстве плотин, шлюзов и многих других сложных и ответственных объектов.

В последнее время в отечественной и зарубежной печати много пишут о так называемых "надувных сооружениях". Этой новинкой инженеры также всецело обязаны "изобретательству" природы. Ранней весной то тут, то там можно увидеть "чудо": нежные ростки растений взламывают асфальтовую "броню" толщиной 8 - 10 см. Подобное чудо повторяется ежегодно несметное число раз. Разрушение асфальта нежными ростками невольно поражает воображение. Откуда такая "прочность" у этих маленьких и хрупких созданий? Какая сила помогает им пробить асфальт, чтобы выбраться на волю, к теплу и солнцу?

У растительных клеток есть протоплазма и оболочка. При проникновении в клетку воды увеличивается объем клеточного сока, заключенного в особые пузырьки, вкрапленные в протоплазму. Вследствие этого облегающая пузырьки протоплазма плотно прижимается к клеточным оболочкам и растягивает их, подобно тому как надутые автомобильные камеры растягивают шины. Это напряжение клеточных оболочек, вызванное внутриклеточным давлением, называется тургором. Тур-гор и является той "силой", которая позволяет росткам "взрывать" асфальт, пробиваясь к теплу и свету. Он же создает упругость листьев и стеблей. Когда на ваших глазах сорванные и увядшие цветы "отходят" в воде, в их тканях нарастает тургор.

При нормальных условиях абсолютная величина внутриклеточного давления колеблется в пределах от 5 до 10 атм, а в отдельных случаях она во много раз превышает давление пара в котлах самых мощных локомотивов и достигает 108 атм. Здесь весь материал, как это нередко наблюдается в природе, работает на растяжение.

В 1951 г. советский инженер Л. Арсеньев, используя принцип тургора, разработал конструкцию надувного здания. Это новшество поначалу многие расценили как "весьма сомнительное", "практически неосуществимое". Но прошло несколько лет, и использование принципа тургора привело к появлению совершенно новой области строительной техники - к созданию пневматически напряженных конструкций. Пневматическое напряжение, создаваемое избыточным давлением газа или жидкости, обеспечивает гибкой герметичной оболочке несущую способность и устойчивость при любых видах нагрузок. Сейчас принцип тургора получил широкое применение в аэро- и гидростатической архитектуре США, Англии, Франции, Польши, СССР и других стран.

Различают два основных типа пневматических конструкций - воздухоопертые и еоздухонесомые (рис. 5 и 6). Возможны и комбинации конструкций этих двух типов, а также использование пневматических элементов в сочетании с жесткими конструкциями.

Рис. 5. Схема воздухоопертого купола. 1 - оболочка; 2 - анкерующий балласт; 3 - воздуходувка; 4 - тамбур (шлюз)

К воздухоопертым относятся системы, в которых избыточное давление воздуха порядка 20-100 мм водяного столба создается в самом эксплуатируемом объеме сооружения. Такое давление практически не ощущается человеком. Избыточное давление поддерживается с помощью вентиляторов или воздуходувок низкого давления. Они автоматически регулируются так, чтобы поддерживать внутри здания постоянное давление; при бурях включаются добавочные вентиляторы. На случай перерывов в подаче тока к моторам, приводящим в действие вентиляторы, воздухоопертое сооружение оборудуется запасной насосной установкой.

Рис. 6. Схема воздухонесомого арочного свода. 1 - пневматическая арка; 2 - компрессор; 3 - ограждающая оболочка; 4 - опорная пята арки

Герметичность сооружения обеспечивается воздухонепроницаемостью материала оболочки и ее плотным сопряжением с основанием. Основанием надувного здания в самом простом случае служит контурная труба из мягкого материала, заполненная водой или песком, которая располагается прямо на выровненной площадке. В более капитальных сооружениях делается сплошное бетонное основание, на котором укрепляется оболочка. Варианты крепления оболочки к основанию очень разнообразны. Чтобы слегка сжатый воздух не уходил из надувного здания при входе и выходе людей, здание оборудуется специальными герметическими дверями.

Таким образом, сооружение воздухоопертого типа состоит в общем случае из следующих конструктивных элементов: гибкой тканевой или пластмассовой оболочки, анкерных устройств различных типов, входного шлюза, имеющего две попеременно открывающиеся двери, и автоматических устройств для подачи воздуха и поддержания постоянной разности давлений.

Формы поверхностей пневматических оболочек должны отвечать определенным требованиям. При соответствующем раскрое материала и контуре опоры пневматическая оболочка под действием внутреннего избыточного давления приобретает форму поверхности наибольшего объема. Наиболее распространенными формами сейчас являются цилиндрический свод и сферический купол. Однако в пределах этого же закона формообразования допустимо огромное разнообразие форм оболочек, что открывает широкие возможности для решения разнообразных архитектурно-планировочных задач.

Наибольшую опасность для систем воздухоопертого типа представляют сильные ветры. Ветер, дующий с одной стороны купола, вызывает в различных его частях неодинаковые напряжения, а ведь оболочка надувного сооружения должна быть равномерно жесткой по всей поверхности. В случае же концентрации напряжений в одной части оболочки она может разорваться, а если опора у нее узкая, то возникает опасность опрокидывания купола. Всего этого можно избежать, поддерживая внутри здания такое давление, чтобы все точки его оболочки были напряжены до степени, препятствующей образованию складок под напором ветра.

Исследования, проведенные в аэродинамической трубе, показали, что мягкая оболочка надувной системы способна передавать чрезмерные напряжения, возникающие в одной ее точке, другим частям. Был поставлен такой опыт. В аэродинамическую трубу поместили модель надувного дома. Ураганный ветер со скоростью 320 км/час не нарушал формы купола модели при избытке давления внутри нее, составлявшем лишь 5% атмосферного!

Большой вклад в решение проблемы колебания мягких оболочек в потоке газа или жидкости внес советский ученый профессор С. Алексеев - один из авторов новой теории, позволяющей с большой точностью производить расчеты надувных систем. Эта теория получила высокую оценку видных отечественных и зарубежных механиков. Она повсеместно используется ныне при проектировании надувных сооружений.

Что касается материала для оболочек надувных систем, то многочисленные и длительные опыты показали - это должна быть прочная ткань, устойчивая к атмосферным влияниям, не становящаяся жесткой при низких температурах, не впитывающая воду, не слишком растяжимая, не портящаяся при продолжительном хранении. В настоящее время в пневматически напряженных конструкциях используются технические ткани на основе капрона, лавсана, нитрона, а также стеклянные волокна, пластмассовые армированные и неармированные пленки, тросы, тросовые сетки и другие материалы на основе минеральных и синтетических волокон, иногда - тонкие металлические листы. Лучше всех показали себя в эксплуатации оболочки, изготовленные из высококачественного нейлона. Для повышения прочности на разрыв применяется двухслойная ткань с нитями, пересекающимися под углом 45°, благодаря чему в случае надрыва она не разрывается дальше. Для придания покрытиям водо- и воздухонепроницаемости используются синтетические каучуки типа бутилкаучука, неопрена, а также полихлорвиниловые и полиэфирные смолы. Для светопрозрачных покрытий можно пользоваться пластмассовыми пленками (полиамидными, полиэтилентерефталатными, полихлорвиниловыми и т. д.).

Соединение полотнищ материи или пленки между собой зависит от напряжений в конструкции, которые в свою очередь обусловливаются требованиями, предъявляемыми к пневмосооружению. Соединения могут быть клееными или шито-клееными (при прорезиненных тканях). При использовании пленок соединение раскроенных полотнищ производится с помощью сварки - высокочастотной или тепловой.

Одна из трудностей, возникающих при эксплуатации воздухоопертых сооружений, состоит в конденсации паров, всегда присутствующих в воздухе, на внутренней поверхности оболочки, особенно в холодное время года. С этим можно бороться соответствующей вентиляцией помещения или с помощью веществ, поглощающих водяные пары из воздуха.

Рис. 7. Если оболочку, которую человек несет на плече, надуть воздухом, то получится здание площадью 12X24 м²

Зимой внешняя поверхность оболочки надувной системы обледеневает. Если площадь оболочки не очень велика, то обледенение можно устранить, изменяя давление в здании, чтобы вызвать движение оболочки и растрескивание льда. Если же оболочка велика, то на нее можно направить изнутри излучение инфракрасных ламп; такой нагрев оболочки предотвратит скопление снега и льда на ее наружной поверхности. Попутно заметим, что проблему создания отапливаемых воздухоопертых зданий можно решить путем комбинации воздушных насосов с калориферами.

Рис. 8. Начальная стадия надувания оболочки

Высокие конструктивные качества материалов, применяемых для сооружения воздухоопертых систем, обеспечивают малый вес конструкции на 1 м²перекрываемой площади (он в 100 - 200 раз меньше веса покрытия из железобетона и стали). Малый вес пневматических конструкций, компактность в демонтированном состоянии, транспортабельность, возможность заводского изготовления, быстрота монтажа и демонтажа - качества, открывающие широкие возможности их применения в сооружениях самого различного типа и назначения.

Рис. 9. Оболочка надута

На рис. 7 вы видите человека, легко несущего на плече весь "строительный материал", необходимый для сооружения здания площадью 12 X 24 м², вполне пригодного для жилья. Для того чтобы смонтировать такой дом, четырем человекам нужно потрудиться не более 4 час. Для "возведения" дома надо расстелить нейлоновую оболочку на земле, закрепить ее дно и привести в действие воздуходувку (рис. 8). Через несколько

Минут оболочка, имеющая толщину листа писчей бумаги, заполнится воздухом (рис. 9). Воздуходувка должна работать непрерывно для поддержания конструкции в надутом состоянии. Она требует столько же энергии, сколько лампа в 300 вт. Такие временные "воздушные дома" очень удобны для туристов, их легко установить в любом месте, даже на склоне горы.

Типичным примером сооружения воздухоопертого типа является пневматический зерносклад на 1800 г зерна весом всего 5 т. Его конструкция разработана Промзернопродуктом совместно с ЦНИИСК Госстроя СССР.

Малый вес конструкций, простота монтажа, транспортабельность сооружений позволяют предполагать, что такие склады найдут широкое применение для хранения зерна на целинных землях.

Рис. 10. Секция пневматического каркаса

В отличие от воздухоопертых, в воздухонесомых конструкциях давление воздуха создается в герметичных полостях несущих элементов; эксплуатируемый объем в этом случае свободен от избыточного давления. Внутреннее избыточное давление в таких сооружениях составляет от 0,3 до 5 атм, что уже требует применения компрессоров. Основными конструктивными элементами подобных сооружений служат пневматические арки, балки и колонны. Пневмокаркасный арочный свод и свод из целого ряда связанных между собой пневматических арок являются типичными примерами воздухо-несомых конструкций.

В Чехословакии изготовляются передвижные здания с каркасом из пневматических арок. Секция такого каркаса (рис. 10) имеет в плане размер 9X9 м². Арки и распорки диаметром 40 см выполняются из технической ткани и имеют пластмассовые камеры. В арках поддерживается давление порядка 0,45 - 0,5 атм. Здание состоит из двух секций. Каркас покрыт сверху латексиро-ванной технической тканью с алюминиевым напылением. Покрытие имеет оконные проемы, "застекленные" прозрачной пластмассой.

Примером пневматической воздухонесомой конструкции может служить здание театра, построенного в Бостоне (США). В здании установлено покрытие в виде диска диаметром 44 м и высотой (в центре) 6 ж. Диск состоит из двух гибких оболочек, соединенных по наружному контуру, и с помощью тросов прикрепляется к опорной кольцевой раме, покоящейся на стойках каркаса (рис. 11). Необходимое давление в покрытии поддерживается тремя воздухонагнетающимиустройствами; дно из них подает в оболочку охлажденный воздух. (Стальной каркас рассчитан так, что кольцевая рама способна выдержать вес железобетонной оболочки, причем воздухонесомое покрытие будет использовано в качестве опалубки.) Театр рассчитан на 2000 мест. Он эксплуатируется только летом. На зиму покрытие убирается. 1 м² покрытия весит 1,22 кг. Избыточное давление в покрытии составляет всего 25 мм водяного столба; несмотря на это, покрытие хорошо выдержало ураган в 1960 г.

Не так давно советские специалисты разработали несколько новых оригинальных воздухонесомых пневматических конструкций - так называемые "болыпеобъемные квазипустые" ("квази" означает "как бы") сооружения различной конфигурации, внутри которых создается неполный вакуум, т. е. квазипустота. Такие системы можно штамповать из прочного тонкостенного металлического листа, а также из высокопрочных, воздухонепроницаемых технических тканей, например прорезиненного нейлона или синтетических пленок.

Рис. 11. Общий вид летнего театра в Бостоне (внизу) и пневматическое покрытие (вверху)

Вот как устроено простейшее из таких сооружений - шарообразное. Оно состоит из наружной и внутренней сферических оболочек и связей между ними. Когда компрессор подает сжатый воздух в пространство между оболочками, сооружение, естественно, принимает форму шара - связи между оболочками не позволяют внутренней оболочке опасть. Здесь нет каркаса, его роль играет воздух между оболочками - давление воздуха противостоит внешнему атмосферному давлению. Остается только выкачать из эксплуатируемого объема шара воздух - и сооружение готово.

Полезность таких квазипустых сооружений в народном хозяйстве трудно переоценить. В них можно консервировать высокогабаритную технику (самолеты, вертолеты, тепловозы, вагоны, гидротурбины, автомобили, тракторы и т. п.). Квазипустые сооружения позволяют хорошо и без потерь сохранять урожай зерна, пока его не вывезут на элеваторы.

Весьма эффективно применение воздухоопертых и воздухонесомых сооружений в тех случаях, когда их основное назначение - защита от атмосферных воздействий: дождя, ветра, снега и т. д. Например, над открытым плавательным бассейном можно на зиму установить прозрачный купол, позволяющий пользоваться бассейном круглый год и в любом климате. На рис. 12 показана одна из надувных конструкций "Нильфранс", изготовленная из пропитанной особым составом нейлоновой ткани. Ее длина - 60 м, ширина - 40 м и высота - 19 м. Под таким куполом спортсмены

Рис. 12. Надувная конструкция 'Нильфранс' из пропитанной особым составом нейлоновой ткани

Национального спортивного института в Винсенсе тренируются в любую погоду. Другая надувная конструкция "Нильфранс" была использована для постройки велодрома, на котором проводились тренировки к Олимпийским играм 1964 г. (рис. 13). Для придания такой оболочке определенной формы достаточно надуть ее воздухом.

Рис. 13. Надувная конструкция велодрома

Недавно любители конькобежного спорта в городе Осака (Япония) получили новый крытый каток, здание которого сделано из нового материала - винилона. Для возведения над ледяным полем винилонового шатра, на изготовление которого пошло 8 000 000 м² синтетической пленки, потребовалось всего около часа - единственным строителем нового здания без единой опоры был... сжатый воздух.

Рис. 14. Передвижной выставочный павильон. Разрез, план, фрагмент входа, общий вид, 1 - двойная оболочка; 2 - купол реактора; 3 - лекционный зал; 4 - лаборатории

Не менее успешно надувные конструкции используются для сооружения ярмарочных и выставочных павильонов. Примером может служить здание павильона передвижной американской выставки. В павильоне демонстрируется опыт применения атомной энергии в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и энергетике. Он состоит из лабораторий, лекционного зала и помещения для атомного реактора. Длина здания - 92 м, наибольшая ширина - 38 м, высота - 16,3 м. Общая перекрываемая площадь 2500 м² (рис. 14).

Покрытие павильона образуют две тканевые оболочки. Пространство между наружной и внутренней оболочками разделено на восемь отсеков для сохранения несущей способности оболочки в случае местного прорыва ткани. Воздушная прослойка между оболочками толщиной 120 см служит хорошей тепловой изоляцией, препятствующей чрезмерному перегреванию излучением Солнца, что позволило отказаться от охлаждающих установок. В торцах оболочек установлены жесткие рамы, на которых смонтированы вращающиеся двери для входа и выхода посетителей. К этим рамам примыкают входные навесы в виде арочных воздухо-несомых сводов. В последние временно устанавливают две гибкие диафрагмы, образующие воздушный шлюз, когда в павильон вносят громоздкие экспонаты и оборудование. Форма сооружения и применение тканевых оболочек обеспечивают во внутренних помещениях хорошую акустику.