Эволюция мембранных конструкций

Куршакова В.Н.

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЕЙШИХ МЕМБРАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СОВРЕМЕННОЙ АРХИТЕКТУРЕ

Сокращение природных ресурсов, повышение требований к энергосбережению, а также стремление каждого заказчика получить уникальный в чем-то объект заставляют огромный круг специалистов работать над созданием новейших материалов. В этом процессе принимают участие не только химики, но и инженеры, конструкторы, архитекторы. В настоящее время можно заметить тенденцию, согласно которой материалы, применявшиеся ранее только в одной области, модифицируются и начинают использоваться в других областях.

Сегодня мембранная архитектура становится еще более актуальной и требует некоторого переосмысления подходов. Автор ставил целью проанализировать эволюцию мембранных конструкций и их уязвимые места, а также используемые в настоящее время материалы в них и рассмотреть конкретный пример эксплуатирования таких конструкций – футбольный стадион «Альянс Арена» в Мюнхене. В статье также дается попытка представить будущее таких структур, основываясь на проектах, которые должны быть воплощены в ближайшее время.

Эволюция мембранных конструкций

Рис.1. Мембраны: а) нулевой гауссовой кривизны; б),в),г) положительной гауссовой кривизны на круговом (б,в) и прямоугольном (г) планах; д),е) отрицательной гауссовой кривизны на круговом (е) и четырехугольном (д) планах [1,337]

С самых ранних, еще добиблейских времен, человечество было знакомо с тентовыми конструкциями. Несколько жердей образовывали каркас, на который можно было натянуть шкуру, это давало возможность укрыться от непогоды и опасностей. Возможно, что это были самые первые архитектурные изыски человека. Со временем менялись материалы и усложнялись конструкции, однако до середины 20 века они по-прежнему были довольно примитивны. Начиная со второй половины 50-х годов, происходит бурное развитие в теории формообразования и математического моделирования поверхностей мембранных конструкций. На рубеже 60-70-х годов мембранные конструкции уже покрывали огромные пространства, составляющие порой десятки тысяч квадратных метров. В настоящее время, с появлением новых материалов и технологий, мембранная архитектура становится еще более актуальной и требует некоторого переосмысления подходов [4].

Мембранные конструкции можно классифицировать следующим образом:

1. Каркасно-тентовые конструкции характеризуются наличием несущего каркаса, как правило, из металла, дерева или пластика. Ткань выкраивается плоскими участками с учетом геометрии каркаса, однако натяжение происходит только в одном направлении. В результате чего ткань имеет возможность совершать колебания под воздействием ветровой нагрузки и со временем выходить из строя (рис. 1 а).

2. Предварительно напряженные мембранные конструкции с поверхностями отрицательной гауссовой кривизны характеризуются тем, что кривизны этих поверхностей имеют разные знаки. Предварительное напряжение в таких конструкциях достигается путем искривления опорного контура, оттягиванием вверх или притягиванием вниз промежуточных опорных точек. Для обеспечения равного напряжения во всех точках и направлениях поверхность должна быть минимальной. Это означает, что такие формы оболочек отличаются высокой стабильностью и хорошо противостоят статическим и динамическим нагрузкам (рис. 1 д, е).

3. Воздухоопорные конструкции относятся к предварительно напряженным, однако с тем отличием, что кривизны поверхностей одинаковы во всех направлениях. Предварительное напряжение создается в замкнутом пространстве повышенным давлением воздуха (рис.2 а, б) [4].

Рис.2а. Подготовка к работе летнего кафе на основе воздухоопорной конструкции [5]	Рис.2б. принципиальная схема воздухоопорной конструкции [6]

4. Пневмолинзы и пневмопанели используются как конструктивные элементы в виде арок, стержней, стоек, балок, стеновых панелей и элементов кровли. Давление воздуха в оболочках создается компрессорами и периодически поддерживается. К таким элементам предъявляются высокие требования по герметичности оболочек.

Современные материалы, используемые в мембранных конструкциях, превращают их из временных сооружений в полноценные долговременные архитектурные конструкции, обладающие рядом преимуществ по сравнению с традиционными.

Наибольшее распространение для целей использования в мембранной архитектуре получили: полиэстер, покрытый поливинилхлоридом (ПВХ); стекловолокно, покрытое политетрафторидэтиленом (PTFE), а также пленки из этилентетрафторидэтилена (ETFE).

ПВХ-ткани – широко используемый материал с большими возможностями по разрывной нагрузке, достаточно эластичен (удлинение под нагрузкой до 30%) и хорошо обрабатывается. ПВХ-ткани могут быть полупрозрачными и светоблокирующими. Возможно окрашивание ПВХ в массе или нанесение рисунка на готовое изделие. Поверхность ПВХ-тканей покрывается специальными составами и лаками для защиты от солнечной радиации, плесени и старения. Путем введения специальных добавок можно менять свойства и усиливать противопожарную защиту и стойкость к холоду. Срок службы отдельных видов ПВХ-тканей составляет примерно 20 лет.

PTFE-ткани на основе стекловолокна обладают уникальными свойствами по несущей способности и прочности. В течение всего срока службы (по меньшей мере 30 лет) PTFE-ткани успешно противостоят неблагоприятным условиям окружающей среды. Также как ПВХ-ткани, ткани на основе PTFE могут быть полупрозрачными и хорошо рассеивать свет [4].

Рис.3. Общий вид стадиона "Альянс Арена". Мюнхен. Германия [2]

Примером использования панелей ETFE для решения сразу нескольких задач служит недавно созданный футбольный стадион в Мюнхене от прославленной пары – Жака Херцога и Пьера де Мерона (рис. 3).

Сооружение напоминает необычное сплюснутое облако с оболочкой, состоящей из множества пластиковых надутых подушек, и футбольным полем внутри. Местные жители называют новую постройку то надувной лодкой, то НЛО [2].

Общие данные

Говорят, что строительный бум в Германии спадает, однако в стране все еще появляются неординарные постройки, спроектированные архитекторами с мировыми именами. Так что вполне естественно, что как только появилась внешняя оболочка «Альянс Арены», этот семиэтажный стадион признали одним из символов города наравне с местным собором в стиле баварского барокко и куполом Олимпийского стадиона, построенного в 1972 году архитекторами Гюнтером Бенишем и Фраем Отто.

Для приезжающих в город из аэропорта или просто с севера стадион станет первым впечатлением от столицы Баварии. Для швейцарских архитекторов Жака Херцога и Пьера де Мерона «Альянс Арена» – далеко не первый проект спортивного сооружения, в их архиве: спортивный комплекс «Пфаффенхольц» в Сен-Луи, стадион Св. Якова в Базеле и Олимпийский стадион в Пекине.

Придумывая форму здания, архитекторы отталкивались от очертаний игрового поля, которое, как они справедливо полагают, является фокусной точкой всего сооружения. Таким образом, проект начался с футбольного поля, которое затем обнесли тремя ярусами трибун, рассчитывая как углы обзора со всех ключевых точек, так и абрис отверстия на кровле над полем с точки зрения наилучшего освещения и затенения. Выработанная кривая позволила создать практически равные условия для всех посетителей, вне зависимости от расположения их мест. Уклон трибун здесь самый крутой в мире, благодаря чему каждый зритель даже на верхнем ряду последнего, третьего, яруса будет чувствовать себя в гуще событий. Архитекторы исходили из опыта строительства театра, где ярусы расположены друг над другом. Большая часть общественных пространств и помещений для игроков разместилась под трибунами и в этажах, разделяющих ярусы. Этот принцип придуман давно – примерно так же спланирован римский Колизей (рис. 4) [2].

Рис.4. Разрез модели стадиона [2]

Издалека мюнхенский стадион более всего напоминает большую овальную подушку или облако: фасад плавно переходит в стационарную часть крыши (есть также и раздвижная). Тема подушки продолжается и в более мелком масштабе – все внешнее покрытие здания состоит из большого количества ромбовидных пластиковых надутых панелей, в них поддерживается постоянное давление, которое можно изменять в зависимости от погодных условий.

Рис.5. Моток бичевки стал источником вдохновения для архитекторов при проектировании "Альянс Арены"[2]

При проектировании архитекторам пришлось решать множество задач практического свойства. Многое сделано для удобства игроков и фанатов. Но самый любопытный аттракцион этого сооружения возник при разрешении иной проблемы – одновременной принадлежности стадиона двум командам, у каждой из которых есть свои болельщики, свои символы, свои игры. Это и подвело швейцарцев к идее использования специальной динамической системы цветного освещения фасада. Если на стадионе проходит игра Вауеrn – нижние 11 рядов панелей становятся красными. Синий цвет означает, что играет TSV 1860, а для национальной сборной и остальных случаев выбран нейтральный белый [2].

Все эти идеи архитекторов были воплощены посредством использования ETFE-панелей. Этот инновационный материал позволил создать оболочку, вызывающую в воображении разные образы, напоминающую одновременно и моток бечевы, и облако, и летающую тарелку, и организовать цветовое освещение фасадов, изменяющееся в зависимости от того, кто играет на поле (рис. 6).

Рис.6а.Синяя подсветка - играет TSV 1860	Рис.6б. Красная подсветка - играет Bayern	Рис.6в. Белая подсветка - для игр национальной сборной и остальных случаев [2]

Обеспечивают такую цветовую игру флуоресцентные лампы, спрятанные между панелями покрытия в горизонтальных стыках. Они прикреплены на кронштейнах к основной несущей конструкции. На каждом кронштейне находятся две группы (обоймы) – по три лампы с высокоэффективными параболическими отражателями для каждой из них. Одна группа подсвечивает низ верхней подушки, а вторая – верх. Двунаправленная подсветка обеспечивает равномерность свечения (рис. 7, 8).

Рис.7. Разрез по северной трибуне (вдоль оси) [2]

Рис.8. Разрез внешней оболочки [2]

Между такой обоймой и панелью-подушкой закреплена трехцветная пластина, где на каждую из трех ламп приходится свой цвет. Этот своеобразный фильтр выполнен из плексигласа, производство которого позволило создать оттенки, четко совпадающие с командными цветами. Чтобы лампы не было видно снаружи, на нижние ряды панелей нанесен точечный рисунок, уменьшающий степень их прозрачности. В зависимости от того, какая команда играет на поле, включается одна из трех ламп (рис.8) [2].

• Панели крепятся на металлическую конструкцию фасада-крыши, представляющую собой сетку из дуговых направляющих: к горизонтальным поясам крепятся наклонные стойки под углом 45°. Эта конструкция, в свою очередь, прикреплена на относе к бетонной основе из перекрытий и наклонных колонн. К сетке надувные панели крепятся при помощи специальных алюминиевых зажимов. Толщина пленки, из которой выполнены панели, варьируется от 2 до 4 мм. Показатель больше у нижних «подушек» – для предотвращения повреждения оболочки в результате вандализма. Предполагается, что простые порезы можно будет починить при помощи специального сварочного шнура из того же материала. К каждой панели подведено по два отвода от воздушных каналов, опоясывающих здание между каждым рядом панелей.

• Панели различаются по размеру. Всего 1437 разновидностей – от 2x7 м до 6x17 м, а также по степени прозрачности. Срок их службы составляет как минимум 25 лет. Они не горючи, у них малая теплопроводность, и благодаря гладкой поверхности они самоочищаются во время дождя. Для удаления дождевой воды между подушками предусмотрены пластиковые желоба.

Рис.9. Процесс монтажа оболочки [2]

• На возведение оболочки потребовалось 11 месяцев и труд 60 строителей-альпинистов. Для обслуживания фасада изнутри на вторичной конструкции прикреплены специальные служебные люльки, способные перемещаться вдоль линии оболочки. При установке панелей на горизонтальной поверхности крыши вместо обычных лесов использовались специальные сетки, подвешенные к металлической структуре [2] (рис.9).

Главный конструктор проекта, Хорст Маус (Horst Maus) (Alpine Bau Deutschland AG) отмечает, что «было действительно сложно придумать способ сборки, крепления и надувания панелей. И архитекторы, и инженеры сделали все возможное для того, чтобы найти оптимальное решение, а ведь получить разрешение на использование некоторых материалов конструкции было достаточно сложно».

Конструктивные решения

Кроме создания оболочки и организации подсветки фасадов, панели ETFE участвуют в данном сооружении и в процессах вентиляции: предусмотрено 19 панелей на высоте 51,41 м, которые могут открываться.

«Альянс Арена» в 2004 году была названа в списке пяти самых пожаробезопасных зданий Германии, т. к. особенностью полимера ETFE является его негорючесть, а в остальном здание решено достаточно традиционно. Herzog & de Meuron полностью оправдали надежды клубов и городских властей, создав функциональное и эффектное сооружение, которое способно впечатлить даже тех, кто не интересуется футболом [2].

В настоящее время материалом для подобных мембранных конструкций служат фторполимеры. Изначально они широко использовались только в химической, автомобильной, авиационно-космической, электронной, медицинской и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. Кроме того, из них изготовляют пленки промышленного назначения, которые и явились прототипом материала для панелей ETFE. Спрос на фторполимеры высок, и во многих недавних исследованиях предсказывается рост объемов продаж этих материалов на 5-6% ежегодно до конца этого десятилетия [3].

Фторопласты – синтетические термопластичные полимеры, принадлежащие к классу фторолефинов, являются продуктами полимеризации фторпроизводных олефинов. Широко применяются также композиции на основе фторопластов, когда во фторполимер вводятся наполнители, повышающие износостойкость, прочность, твердость или упругость, изделий из фторопластов. В качестве наполнителей для фторопластовых композиций применяют материалы, выдерживающие температуру спекания фторопласта. Наиболее распространенные наполнители можно разделить на следующие группы: порошкообразные (металлические – медь, серебро, свинец, никель, бронза, олово, алюминий; минеральные – кварц, стеклопорошок, ситал, керамика, слюда, каолин; органические – графит, сажа, уголь, кокс), волокнистые (армирующие наполнители): нетканые – стекловолокно, асбестовое, графитовое, кварцевое, базальтовое волокно, металлические усы; тканые – стеклоткани, графитовые, асбестовые и базальтовые ткани, армирующие наполнители каркасного типа (металлическая смятая сетка; смятая фольга).

Наполнители можно вводить во фторопласт каждый в отдельности или в различных сочетаниях (комбинированные наполнители), в зависимости от назначения композиций. Введение графита используют в тех случаях, когда надо повысить механическую прочность и сохранить стойкость; введение бронзы повышает теплопроводность, твердость, стабильность размеров, в 450 раз увеличивает износостойкость композиции; введение дисульфида молибдена увеличивает твердость и прочность, снижает коэффициент трения; введение стекловолокна повышает износостойкость, стабильность размеров при водопоглощении и усадке, теплостойкость, уменьшает коэффициент линейного расширения и хладотекучесть композиции со стекловолокном. При использовании в качестве наполнителей стекловолокна, кремнезема, асбестовой ткани, металлической ваты увеличивается жесткость композита, уменьшается относительная деформация при невысоких коэффициентах трения [10].

Известные своей исключительной устойчивостью к воздействию химических веществ и коррозии, возможностью использовать при температуре до 260° C и природной смазывающей способностью, фторполимеры широко применяются для производства антипригарных покрытий, сальников, материалов для герметизации, внутренних покрытий труб и контейнеров, а также изоляции для проводов и кабелей. Спрос на фторполимеры увеличивается за счет действия нескольких факторов. Эти материалы очень тепло- и пожаростойки, а производители автомобилей проявляют интерес к фторполимерным компонентам для двигателей благодаря имеющемуся у тех сочетанию устойчивости к воздействию тепла, масел и смазок. Такие материалы не стареют при длительном световом и атмосферном воздействии, способны окрашиваться в разные цвета [3]. Высокая химическая стойкость и термостойкость, отличные диэлектрические свойства и высокая стойкость к радиационному излучению делают их незаменимым материалом для изготовления изделий, эксплуатируемых в экстремальных условиях: высоких температурах, повышенных радиационных излучениях и агрессивных средах. Интервал рабочих температур – от минус 100 до плюс 200 °С. [10]

Этилен-тетрафторхлорэтилен (ETFE)

Основной чертой этого сополимера является простота обработки. Он хорошо приспосабливается к экструзии, а также литьевому формованию и формованию из расплава, трансферному формованию или прессованию, центробежной формовке и выдувному формованию. В расплавленном состоянии ETFE имеет высокую текучесть, и поэтому он обеспечивает более высокую скорость обработки, чем другие фторполимеры, такие как FEP и перфторалкоксидные смолы. Постоянная температура использования ETFE – примерно 150°C – ниже, чем у других фторполимеров. Тем не менее, для этого материала характерны: механическая жесткость и химическая инертность [3].

Пленки из ETFE используются для ламинирования стекловолоконных тканей и металлических сеток, в такой комбинации они выполняют роль защиты от всех видов климатических воздействий. Благодаря тому, что ETFE-пленки пропускают свет на 95%, их используют как прозрачные кровли зданий в виде пневмолинз и пневмопанелей [4].

Кроме того, панели ETFE позволяют регулировать теплопроводность оболочки за счет того, что в них может быть закачан разный объем воздуха (рис.10).

Рис.10. Регулирование теплопроводности оболочки:

а) сбережение тепла внутри помещения; б) охлаждение.

Из новейшего строительного материала – пластика ETFE – уже построены британский центр изучения экологии Eden Project и небоскреб торгово-развлекательного центра «Хан Шатыры» в Астане (Казахстан) (рис.11 а) [8].

Подобные пластиковые панели будут применяются и на других значительных сооружениях, например, в китайском Национальном плавательном центре (National Swimming Centre) для Олимпиады - 2008 (архитектура - PTW Architects) (рис.11 б).

Рис.11а) Проект "Эден". Корноулл. Англия [8];

б)"Водяной куб" - бассейн будущих Олимпийских игр, разработан швейцарской компанией Herzog&DeMeuron [www. core77.com] [9]

Проект "Водяной куб" (Watercube). – это 70 тысяч квадратных метров, 18 приспособлений для спортсменов и 17 тысяч сидячих мест для зрителей. Как пишут сами создатели, куб "в качестве структурного и тематического "лейтмотива" ассоциирует воду с квадратом, являющимся основной формой дома, согласно китайским традициям и мифологии". Первое, что бросается в глаза, это, конечно, внешний вид здания. Кажется, что он покрыт "кожей" из прозрачных пузырьков или молекул и действительно очень похож на водный куб (рис.12) [9].

Рис.12. Watercube снаружи и изнутри [ http://ptw.com.au ; http://nav.be ]

PTW играет с геометрией, совмещая естественные, если не сказать природные элементы, вроде кристаллов, клеток и молекулярных структур, с некоей натуральной же хаотичностью. Несмотря на свой органический вид, структура — простая стальная пространственная рама, состоящая из двух частей: запутанной внутренней (хитросплетение трёх узлов и четырёх различных членов) и внешней, формирующей крышу и потолок. Здесь структура из панелей ETFE (Ethylen Tetrafluorethylen) развивается уже не двухмерно, как в «Альянс Арене» в Мюнхене, а трехмерно, судя по доступным иллюстрациям этого объекта (рис. 13).

Рис.13. Структура "Куба" [ http://arcspace.com ] [9]

Структуры из данного материала, особенным образом реагирующие на освещение и проекции, PTW разрабатывала совместно с китайскими партнёрами и фирмой Arup. Говорится также, что структура на основе ETFE "идеально подходит для сейсмических условий Китая".

Кроме того, австралийские архитекторы подчёркивают и тот факт, что Watercube – это "очень эффективный зелёный дом", то есть дружественное экологии сооружение. Просто обычные плавательные центры достаточно энергоёмкие, а высокотехнологичная оболочка здания "Водяного куба" улавливает до 90% "входящей" солнечной энергии, которая используются для подогрева воды в бассейне и других целей внутри здания.

Как пишут архитектурные журналы, "Watercube" будет иметь воздействие на всю архитектуру XXI века". Так ли это, ещё предстоит выяснить. Но очевидно, что представление о плавательных бассейнах "Водяной куб" изменить вполне может [9].

О возрастающей популярности структур из ETFE – панелей говорят и результаты международного конкурса на реконструкцию стадиона имени Кирова в Санкт-Петербурге. В трех из пяти проектов-финалистов предполагается использование этих структур (рис.14).

Рис.14. Kisho Kurokawa architect & associates. Конкурсное предложение по реконструкции стадиона им. Кирова "Космический корабль" в Санкт-Петербурге [7]

Развитие технологий во второй половине ХХ века привело к прорыву в области мембранной архитектуры. Мембранные покрытия стали таким же важным элементом в строительстве, как камень, стекло, металл и дерево. Дальнейшее развитие технологий идет в направлении создания многослойных форм мембранных конструкций, обладающих свойствами полноценной тепло- и звукоизоляции, а также конструкций, использующих солнечную энергию [4]. Материал ETFE является эффективным и недорогим решением оболочки в сегодняшней архитектуре, позволяя использовать его там, где применение традиционных материалов, типа стекла, невозможно [9].

Единственной слабой стороной таких конструкций является необходимость непрерывного высококачественного инженерного обеспечения.

Многие архитекторы и строители убеждены, что Пекинский комплекс и предыдущие проекты с использованием пластика ETFE — это только начало триумфального шествия «пластмассовых пузырей» и «воздушных замков», которые в будущем кардинально изменят городской ландшафт [8].

Литература

1. Инженерные конструкции [Текст]: Учеб. для вузов по спец. «Архитектура»/В. Н. Голосов, В. В. Ермолов, Н. В. Лебедева и др.; под ред. В. В. Ермолова. – М.: Высш. шк., 1991. – 408 ил.
2. Фадеева М. Воздушная подушка [Текст]/ ARX №02[03] апрель-май 2006
3. Гордон Грэфф www.Newchemistry.ru [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://www.omnexus.com
4. Новиков Ю. Н. Архитектурные мембранные конструкции [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://www.flexpro.ru/text.htm
5. http://aero-k.narod.ru/photo10.jpg
6. http://www.air-dome.ru/img/wysiwyg/baloon.png
7. http://asi-cisp.spb.ru/ru/page131.html
8. http://www.lotzman.ru/de_news.html?topic=3&expand=1000
   по материалам stroing.ru
9. www.membrana.ru
10. http://www.polymerbranch.com/catalogp/view/10/275.html