Купольные конструкции в современной архитектуре

Введение

Современные здания и сооружения загружены новейшими технологиями, которые все больше видоизменяются. Купольные конструкции – одна из древнейших архитектурных форм, сохранившая актуальность в современном строительстве. Их применение выходит за рамки традиционного использования в культовых сооружениях: сегодня купола активно внедряются в общественные, спортивные, выставочные и жилые здания [1].

Цель работы: проанализировать типологию и функциональное назначение купольных конструкций в современной архитектуре, выявить закономерности их использования в зданиях различного назначения и оценить их вклад в формирование архитектурного облика сооружений.

Основные задачи включают: систематизировать типы современных купольных конструкций по конструктивным решениям и материалам; проанализировать их функциональное назначение в различных типах зданий – от общественных и культурных объектов до спортивных сооружений, образовательных учреждений и специальных объектов; сформулировать рекомендации по оптимальному выбору типа купола с учётом функционального назначения здания, климатических и градостроительных условий.

Купол – пространственное покрытие зданий и сооружений, по форме близкое к полусфере или другой поверхности вращения кривой (эллипса, параболы и т. п.). Купольные конструкции используются преимущественно для перекрытий круглых, многоугольных, эллиптических в плане помещений и позволяют перекрывать значительные пространства без дополнительных промежуточных опор. Образующими формами служат различные кривые, выпуклые вверх [1].

В геометрическом аспекте купол представляет собой поверхность вращения, образующая которой пересекается с вертикальной осью в точке вершины. Различают два основных типа: прямой купол, соответствующий классической купольной форме, и обратный купол, имеющий конфигурацию воронки или бункера.

Формально купол определяется как пространственная архитектурная форма покрытия сооружения либо его отдельного элемента с вертикальной осью симметрии. Характерной особенностью является постепенное сближение точек поверхности в горизонтальных сечениях по направлению к вершине, что формирует внешнюю выпуклость покрытия.

Геометрическая форма купольного покрытия очень близка к форме тела вращения, получающегося при вращении около вертикальной оси узкой полосы, пересекающей эту ось в наивысшей точке, т. е. в вершине купола [2].

Купол может выступать как самостоятельное сооружение или центральная архитектурно‑конструктивная схема здания – например, в театрах, цирках, стадионах, планетариях и т.  д. Купольные покрытия широко применяются при значительных пролётах в клубах, выставочных павильонах, аудиториях и залах для собраний – во многих случаях это наиболее рациональное решение.

За последнее время область освоения куполов расширилась применением их в промышленных, сельскохозяйственных, гидротехнических и санитарно-технических сооружениях. Газгольдеры, каупера, резервуары, баки и даже отдельные специальные производственные цеха и складские помещения в оптимальных своих решениях имеют тот или иной тип купольного покрытия. В капитальном сельскохозяйственном строительстве деревянные купола и шатры применяются в покрытиях силосных башен, силосных ям, сараев, навесов, складов демонстрационных павильонов и т. п. В санитарно-технических сооружениях купола применяются для покрытия разного рода напорных баков и резервуаров надземного и подземного типа, осуществляемых плавным образом в железобетоне. Наконец, и в гидротехническом строительстве купольные формы также нашли себе применение, как, например, плотина, воспроизводящая в своих рабочих конструктивных элементах основную схему купольных сечений.

Поэтому чрезвычайно важно выявить основные оптимальные формы простых и сложных купольных покрытий при разных габаритах, из разных стройматериалов (металла, дерева, железобетона и камня), с учетом всех новейших достижений науки и техники.

Типы современных купольных конструкций:

• Геодезические купола конструируются на основе модульной системы треугольных элементов, обеспечивающих формирование сферической поверхности. Такая геометрическая структура обуславливает высокую несущую способность конструкции и способствует равномерному распределению статических и динамических нагрузок, что повышает общую устойчивость сооружения.
• Стратодезические купола собираются из трапециевидных сегментов, что обеспечивает ряд технологических преимуществ: упрощает процесс монтажа за счёт более крупных и удобных в установке элементов, а также позволяет использовать стандартные строительные материалы без необходимости их специальной подгонки, сокращая тем самым сроки и затраты на возведение.
• Стратодезические купола собираются из трапециевидных сегментов, что упрощает монтаж и позволяет использовать стандартные материалы.
• Монолитные купола, сооружаемые методом торкретирования или с использованием опалубки, отличаются повышенной жёсткостью конструкции и обеспечивают эффективную теплозащиту за счёт сплошности массива материала без швов и стыков.
• Пневмокаркасные купола базируются на применении надувных опорных конструкций, что существенно сокращает сроки возведения и позволяет оперативно создавать перекрытия больших пролётов без необходимости использования тяжёлой строительной техники.
• Светопрозрачные купола, выполняемые из стекла, поликарбоната или ETFE‑мембран, обеспечивают высокий коэффициент естественной освещённости внутренних помещений, что способствует снижению энергопотребления на искусственное освещение.
• Композитные купола создаются с применением современных композитных материалов, обладающих оптимальным сочетанием лёгкости и высокой несущей способности, что расширяет возможности их применения в различных климатических и эксплуатационных условиях.

Плюсы купольной конструкции:

• Высокая сейсмоустойчивость и прочность конструкции сферической формы за счет соединений треугольниками;
• Разрушение даже 40 частей сферической конструкции не приведет к обрушению всего геокупола;
• Равномерное распределение нагрузок по всей поверхности геодезического купола, приводит к отсутствию опасных аномальных зон для человека внутри купольного здания
• Необходимая аэрация воздуха внутри геокупола исключает места застоя воздуха внутри него;
• Расходов на вентиляцию и отопление требуется меньше на 35 процентов, чем на отопление и вентиляцию обычного здания прямоугольной формы;
• Сферическая форма геодезического купольного здания, обдуваемая ветрами, что сберегает от разрушительных свойств ураганов и цунами.

Проблематика:

• Известная сложность расчетов. Геодезический купол невозможно чертить и рассчитывать только в двух плоскостях. Необходимо иметь развитое пространственное воображение и неплохие познания в программах 3D графики.
• При строительстве купольного сооружения возникает больше отходов строительных материалов по сравнению с количеством отходов, которые неизбежны при возведении прямоугольной постройки. Острота проблемы снижается, если учитывать при расчетах размеры применяемых строительных материалов и удачно располагать на них выкройки треугольных деталей.

В приведенном обзоре присутствуют все необходимые факторы для популяризации данного сферического архитектурного сооружения, так как купольные здания наиболее привлекательны и экономичны, в совокупности с современными материалами и правильным проектированием [3].

Заключение

Таким образом, рассмотрены различные технологии формообразования куполов, с указанием их достоинств и недостатков. Имеющиеся недостатки купольного строительства могут быть устранены при грамотном профессиональном проектировании и применении стройматериалов [4].

Купольные конструкции остаются востребованным элементом современной архитектуры благодаря сочетанию эстетики, функциональности и энергоэффективности. Развитие материалов и технологий расширяет возможности их применения – от небольших жилых домов до крупных общественных сооружений. В перспективе купола могут стать ключевым элементом устойчивого градостроительства, способствуя созданию энергоэффективных и экологичных городских пространств.