Большепролетные конструкции от прошлого к настоящему

Два тысячелетия инженеры и архитекторы занимаются расчетом и строительством большепролетных конструкций. С развитием общества появилась нужда в больших пространствах и до сегодняшнего дня такие здания пользуются спросом. Они позволяют эффективно использовать пространство и создавать открытые помещения без внутренних колонн, обеспечивают большую гибкость в планировке, а также более экономичны в строительстве и эксплуатации, способствуют улучшению дизайна и архитектуры городов.

Арки и своды появились в древности как архитектурные элементы, позволяющие создавать устойчивые конструкции и большие пролеты. Первые арки были использованы в Месопотамии около 4000 года до н. э. Древние египтяне применяли простые арочные формы в своих постройках. Они использовали большие каменные блоки для строительства пирамид, которые имели огромные размеры и точную геометрию, что позволяло им выдерживать вес и создавать большие внутренние пространства. Но по-настоящему арка стала популярной в римской архитектуре. Главными материалами для постройки таких зданий и сооружений были камень, кирпич, дерево и бетон. В древние века, из-за недостатка должных знаний в проектировании большепролетных конструкций, инженеры завышали толщину стен, покрытий и перекрытий с целью безопасности здания, что ограничивало развитие такого строительства.

Пример древнеримской архитектуры – полусферический купол Пантеона, который является одним из самых больших в мире, до сих пор вдохновляет архитекторов и инженеров. Пролет Пантеона составляет 43,3 м, толщина стен у опор 6,3 м, в вершине – 1,5 м.

С переходом к готической архитектуре в Средние века были разработаны новые методы строительства, которые способствовали созданию большепролетных конструкций. Этот период послужил началом в проектировании и расчете покрытий и перекрытий большепролетных зданий. Высокие своды и стрельчатые арки, используемые в соборах, таких как Нотр-Дам в Париже, позволили достигать впечатляющих высот и просторных интерьеров. Эти достижения стали возможны благодаря зарождению теоретической основы проектирования оболочек покрытий, улучшению технологий кладки и применению легких материалов. Использование стрельчатых арок обеспечивало большую жесткость и устойчивость конструкций. Они позволили распределять нагрузки более эффективно, что способствовало созданию больших окон и витражей, а также увеличению внутреннего пространства.

Ребристые своды стали важным элементом в готических соборах. Их применение помогало создавать сложные и красивые потолки, а также увеличивать прочность конструкций, что особенно важно для больших пространств. Для поддержки высоких стен и сводов архитекторы начали использовать контрфорсы, распределяющие нагрузки и обеспечивающие устойчивость зданий. Это позволило строить здания с большими пролетами и высокими потолками.

19 век стал эпохой значительных изменений в строительстве. Промышленная революция привела к внедрению новых материалов, таких как сталь и чугун. Эти материалы обеспечили высокую прочность и легкость, что открыло новые горизонты для проектирования. Примером таких достижений является Эйфелева башня, завершенная в 1889 году. Эта конструкция стала символом нового подхода к архитектуре и инженерии.

Инженеры начали активно использовать металлические фермы для создания мостов и зданий. Они обеспечивали распределение нагрузки и позволяли строить большие пространства. Фермы и в наше время пользуются огромным спросом в промышленном и гражданском строительстве.

С начала 20 века наблюдается активное использование железобетона, который стал основным материалом для создания большепролетных конструкций. Благодаря этому развитию были построены крупные общественные здания, стадионы и выставочные залы. В этот период также началось использование предварительно напряженных конструкций, что позволило увеличивать пролет без дополнительных опор. Примером является Дворец спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге. Центральное здание комплекса – круглое в плане, диаметром 94 м и высотой 22 м. Здесь была опробована оригинальная вантовая конструкция покрытия главной арены.

Одним из эффективных типов пространственных конструкций для покрытий уникальных большепролетных сооружений стали металлические мембраны, в разработке которых Россия имела безусловный приоритет. Мембранное покрытие представляет собой пространственную систему из тонкого металлического листа, закрепленного на опорном контуре. Отличительные особенности конструкции – наиболее полное использование прочностных свойств тонкого листа, совмещение в одном материале несущих и ограждающих функций. Мембраной толщиной до 5 мм можно перекрывать сооружения пролетом более 200 м с разнообразным очертанием в плане. С увеличением пролета эффективность применения мембран возрастает. Они просты в изготовлении и монтаже, не нуждаются в дорогостоящих мерах по обеспечению огнестойкости, имеют минимальную строительную высоту.

В 1974 г. в Бишкеке возведен Дворец спорта, проект которого разработан в содружестве с Союзспортпроектом. Каркас здания выполнен из монолитного здания железобетона в виде раскосных ферм, расположенных по периметру размерами в плане 42,5x65,15м. Покрытие состоит из собственно мембраны толщиной 2 мм, продольных прогонов и поперечных балок - распорок. Утеплитель в виде минераловатных матов подвешен к мембране снизу, потолок выполнен из штампованных алюминиевых элементов.

С появлением компьютеров в конце 20 века инженеры начали использовать программное обеспечение для проектирования и моделирования, что позволило более точно рассчитывать нагрузки и анализировать устойчивость конструкций.

С начала 21 века в строительстве большепролетных конструкций наблюдается рост интереса к устойчивым и энергоэффективным решениям. Использование компьютерного моделирования и инновационных материалов, открывает новые горизонты для проектирования. Сегодня архитекторами и инженерами разрабатываются проекты, которые не только отвечают потребностям общества, но и учитывают экологические аспекты.

Современные строительные материалы, такие как композиты, легкие металлы и высокопрочные бетоны, позволяют создавать облегченные и прочные конструкции. Эти материалы обеспечивают возможность проектирования больших пролетов, что особенно важно для спортивных арен, выставочных центров и аэропортов. Например, использование углеродных волокон в строительстве позволяет значительно снизить вес конструкций, сохраняя их прочность.

С появлением технологий компьютерного моделирования и информационного моделирования зданий (BIM) процесс проектирования стал более эффективным. Архитекторы и инженеры могут визуализировать конструкции, оптимизировать нагрузки и выявлять потенциальные проблемы на ранних стадиях. Это значительно снижает риск ошибок и повышает качество конечного продукта.

Технологии 3D-печати начинают активно использоваться в строительстве, что позволяет создавать сложные геометрические формы и значительно уменьшать количество отходов. Это особенно актуально для больших конструкций, где сложность форм может быть значительной.

Несколько ярких примеров большепролетных конструкций, построенных в 21 веке:

Стадион «Камп Ноу» в Барселоне является самым большим по вместимости стадионом в Испании и Европе, вмещая 99 354 зрителя. Пролеты конструкции стадиона позволяют обеспечить отличную видимость для всех зрителей. Основной пролет крыши составляет около 50 метров.

Национальный стадион Пекина в 2008 был признан самым масштабным сооружением, созданным из стали и самой сложной инженерной конструкцией спортивных объектов. Его конструкция напоминает переплетение ветвей, как в гнездах, поэтому его и назвали «Птичье гнездо». Длина самого стадиона 330 м, а ширина 220 м. Его высота тоже довольно впечатляющая, в самой высокой точке сооружение достигает 70 м, при самой низкой высоте – 42,8 метра.

В парке 300-летия города Санкт-Петербурга находится самый большой купол в мире. Его диаметр составляет 90 м, а высота 43 м. Конструкция очень надежная, клееный брус дополнительно был обработан необходимыми антипиренами и биозащитными составами.

Пекинский национальный плавательный комплекс – это фантастический образец эко-архитектуры и выдающийся памятник Китая 21-го века. Общая площадь комплекса составляет около 70 тыс. м². В конструкции были использованы элементы, внешне напоминающие кристаллическую решётку из водных пузырьков, которые обладают высокой прочностью и небольшой удельной массой. Для этого здания были специально разработаны инновационные материалы.

Рис. 1. Стадион «Камп Ноу» в Барселоне

Рис. 2. «Птичье гнездо» Пекин

Рис. 3. В парке 300-летия города

Рис. 4. Пекинский национальный плавательный Санкт-Петербурга комплекс

Заключение

История развития большепролетных конструкций является ярким отражением эволюции человеческой мысли и технологий. От античных арок до современных инновационных решений большепролетные конструкции продолжают играть ключевую роль в архитектуре и инженерии, открывая новые возможности для создания функциональных и эстетически привлекательных пространств.