Бионическая архитектура. Аналоги природных форм в архитектурном пространстве
Анатолий ЛиповВ статье излагаются концептуальные основы бионической архитектуры, главные тенденции и проблемы её развития, а также выдвигается тезис о том, что внедрение принципов бионики в архитектурное проектирование способствует улучшению механических характеристик материалов и конструкций, благодаря чему бионика может называться одним из наиболее значимых архитектурных стилей современности.
Перевод выполнен по изданию: Jiang Yin and Wenchang Yang Review of the research on «structural bionic» method of large sculpture // OP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 242, conference 1. 2017. Issue 1, p. 012083
Бионика предполагает воспроизведение природных закономерностей в промышленных аналогах, и на сегодняшний день «бионическая» оптимизация архитектурных конструкций является одним из важнейших принципов проектирования. В природе существует множество примеров прочных и устойчивых образований с высокой удельной жёсткостью, механические свойства которых весьма различны. Сегодня эти природные структуры являются источниками вдохновения для бионического проектирования.
Однако само топологическое пространство биосистем и присущие им свойства обусловливаются конкретной средой и уникальны для каждого отдельно взятого случая. Поэтому комплементарная интеграция механических аналогов природных структур и расширение сферы их применения является для бионики важным направлением исследований. Несмотря на многочисленные примеры успешного применения бионических принципов в архитектурном проектировании, данная проблема до сих пор не имеет эффективного решения.
1. Введение
Исследуя примеры эффективных решений в природных образованиях, бионика механически воспроизводит функции и образы естественных структур, что позволяет конструктивно совершенствовать архитектурные объекты. Кроме того, исследования в области бионики помогают в разработке дизайн-проектов, а также способствуют повышению общего качества конструкции.
Основополагающие принципы архитектурной бионики исходят из того, что в природе уже содержатся решения для проблем, которые возникают в процессе строительства. Поэтому основная задача исследований заключается в поиске и введении в архитектурную практику соответствующих аналогов природных структур. Как особое архитектурное направление, бионика фокусируется на двух аспектах: конфигурации и структуре.
Основополагающие принципы архитектурной бионики исходят из того, что в природе уже содержатся решения для проблем, которые возникают в процессе строительства.
В настоящее время конфигурация сосредоточена в основном на декоративных особенностях и редко рассматривает конструктивное напряжение, в то время как бионическая структура сфокусирована на имитации внутреннего строения организмов, что способствует появлению в архитектурной практике новых и эффективных решений.
2. Статус исследования за рубежом
Бионическая структура использует принципы инженерной механики и опирается на морфологию и свойства живых организмов различных организационных уровней (микро, мезо и макро). На основе этого впоследствии моделируются текстуры и конструкции, сходные по функциям с их естественными аналогами — так возникают новые идеи, способствующие повышению надёжности конструкций или возникновению уникальных эстетических характеристик у изначально утилитарных объектов [1]. Архитектура (в особенности бионическая) придаёт большое значение конструкционным элементам, а потому структурная бионика быстро зарекомендовала себя в качестве одной из наиболее значимых отраслей.
Впервые воспроизводить особенности живых организмов в архитектуре начали в прошлом веке, когда на основе доступных на тот момент технологий инженеры-конструкторы разработали ряд новых бионических структурных систем. В настоящее время научные достижения в области бионики постепенно смещаются в инженерную практику, сочетая различные принципы морфологического строения живого:
1) Древовидная структура [2-3]: несущая конструкция разветвляется, имитируя строение дерева, что позволяет грамотно распределить нагрузку. Мейнхард Геркан и Карстен Брауэр [4] использовали эту идею в 1980 году в планировке терминалов в аэропорту Штутгарт (фото. 1).
Читайте также
Древовидная структура обладает эффектной формой, не требует больших затрат материала и занимает меньше пространства благодаря сравнительно небольшому диаметру опоры. Сегодня конструкции такого типа активно применяются в выставочных залах, местах проведения массовых мероприятий и иных большепролётных сооружениях.
2) Мембранная структура [5]: в природе существует множество примеров пузырчатых структур. В 1967 году немецкий архитектор Фрай Отто [6] воспроизвёл структуру пузыря, когда проектировал павильон всемирной выставки «Экспо-67» в Монреале, Канада, выполнив купол строения из лёгкой и прозрачной органической плёнки. Это новаторское архитектурное решение стало первым примером использования мембранной структуры. Другим классическим примером является стадион «Токио Доум» в Японии (фото 2).
В последние годы мембранная структура вызывает серьёзный интерес у исследователей. Например, Чан Ванг [7] занимается изучением элементов этой конструкции и в своих работах детально описывает строение мембраны, асимметричное распределение нагрузки и вибрационные характеристики.
3) Структура паутины (в конструкции подвесных кабельных линий): паутина мягкая и гибкая, а потому идеально подходит для изучения свойств растяжения волокна. По образу и подобию паутины была спроектирована конструкция подвесных кабельных линий [8]. Материалы, используемые при строительстве, обладают свойством растяжимости, что позволяет уменьшить нагрузку и при этом увеличить сроки эксплуатации.
Появление подвесных кабельных линий оказало значительное влияние на проектирование висячих мостов. В 1998 году в Японии был построен мост Акаси Кайкё [9], который имеет два основных кабеля длиной около 4000 метров и диаметром 1,12 метра каждый. Кабели состоят из 290 тонких тросов весом около 50 тыс. тонн.
4) Структура раковины: раковина морского гребешка способна выдерживать огромное давление воды, и волнообразная геометрическая поверхность явно способствует повышению её прочности. Дон Шилин [10], взяв за основу строение глубоководного гребешка, разработал его технический аналог, благодаря чему появилась элегантная конструкция, которая способна принимать на себя большой вес, не требуя больших затрат материала.
5) Сетчатая структура [11-12]: прожилки на листьях напоминают сеть, которая способна равномерно распределить вес конструкции. Филипп Кокс и Ричардсон Тейлор [13] использовали это при проектировании олимпийского стадиона «Австралия» в Сиднее.
6) Структура бамбукового стебля: полая структура бамбукового стебля повышает устойчивость конструкции и предотвращает поперечные смещения [14]. Ли Цзюань [15] опирался на характеристики бамбукового стебля, работая над проектом небоскрёба «Тайбэй 101», высота которого составляет 509 метров. В здании 101 надземный этаж и 5 подземных; после 27 этажа каждые 8 этажей горизонтальные аутригерные фермы соединяют колонны в ядре здания с внешней нагрузкой. Это значительно повышает устойчивость к сильным ветрам и землетрясениям.
В Китай бионическая архитектура пришла довольно поздно. В последние годы исследователи сосредоточились на изучении механических свойств, теории проектирования и методах бионического строительства. Чжоу Цинцин [16] анализировала статистические и динамические характеристики, а также показатели прочности пористых структур и их влияние на безопасность и устойчивость опорных конструкций зданий. Хэ Ён Цзюнь [17] использовал характеристики бамбуковых стеблей в проектировании парковок. Чжан Лон [18] опирался на структурную бионику в проектах крупнопролетных зданий. Чжан Цянь [19] разработал новую конструкцию, в основе которой лежит ломаная линия кабеля, имитирующая трёхмерную древесную структуру. Ван Кэ [20] выполнил топологическую оптимизацию стрелы подъемного крана на основе сетчатых структур и проанализировал статические и модальные характеристики этой модели, доказав, что благодаря методу бионического проектирования можно значительно оптимизировать консольные балки и фермы. На основе того же метода Ван Цюаньчжан [21] анализировал статические и динамические характеристики, а также показатели устойчивости здания, сконструированного по принципу стебля бамбука. Эффективность метода бионического проектирования научно доказана.
Читайте также
Подводя итог, можно сказать, что бионическая архитектура стремится воспроизводить принципы работы биологических прототипов. В природе существуют тысячи непохожих друг на друга организмов. Различия в их строении выполняют разнообразные функции и позволяют им лучше приспосабливаться к жизни в той или иной среде. Поэтому и бионика порой отклоняется от классических методов технического проектирования и придаёт архитектурным сооружениям уникальные и запоминающиеся визуальные характеристики. Внедрение в архитектурные конструкции сложных индивидуальных решений и прорывы в области бионического проектирования уже способствуют практическому применению таких аналогов природных объектов, как древовидная структура, мембранная оболочка и т. д.
Внедрение в архитектурные конструкции сложных индивидуальных решений и прорывы в области бионического проектирования уже способствуют практическому применению таких аналогов природных объектов, как древовидная структура, мембранная оболочка и т. д.
3. Основные тенденции и проблемы развития
В последние годы бионическая архитектура становится всё более популярной и непрерывно развивается. Однако анализ, изготовление и установка, а также методы архитектурного проектирования и оценки по-прежнему опираются на традиционный опыт, который постепенно перестаёт отвечать вызовам бионики, а потому реализовывать её принципы в крупных масштабах в настоящее время затруднительно. Между тем, можно выделить следующие её специфические особенности:
- Архитектурная концепция, как правило, разрабатывается художниками, которые зачастую сосредотачиваются на внешних характеристиках объекта, игнорируя внутренние, что нередко создаёт угрозу безопасности или приводит к неоправданно высокому расходу материалов.
- Совершенная форма живого организма — это не только искусство, но и результат его адаптации к условиям окружающей среды. Часто она продиктована требованиями практичности и эффективности. Бионическая архитектура, в свою очередь, не только черпает вдохновение в природных орнаментах, но и стремится к искусственному воспроизведению их свойств.
- Образцы бионической архитектуры уникальны, на каждом этапе планирования и строительства воплощаются нестандартные и индивидуальные методы и решения, которые не могут непосредственно применяться в других проектах. Бионика незаменима для системы целевого управления (например, сейсмического индекса, индекса контроля смещения) и разработки общих методов проектирования, которые могут служить подспорьем для аналогичной инженерной практики.
Таким образом, в бионической архитектуре существует множество проблем, которые ещё только предстоит решить. Необходимо непрерывно развивать системный метод проектирования и оценки крупномасштабных проектов, а также работать над расширением области его применения.
4. Заключение
В настоящий момент в Китае начинает активно исследоваться и развиваться бионическая архитектура. Это предполагает появление особого типа строений, которые сильно отличаются от привычных. Каждая такая конструкция уникальна [22]. В отличие от обычных зданий, бионические архитектурные сооружения воспроизводят различные природные формы и структуры. Это направление является одним из самых перспективных для современной строительной инженерии. Благодаря развитию бионики в будущем может появиться огромное количество более совершенных и эффективных инженерных решений, а социально-экономический эффект даст толчок к эволюции архитектурных стандартов.
Читайте также
Источники
[1] Lv Fu Xun.Towards 21 Century: the past and future of architectural bionics // Architectural Journal, 1995,06: 14-17.
[2] Wu Yue，Zhang Jian Liang, Cao Zheng Gang.Form-finding analysis and engineering application of branching structures // Journal of Building Structures, 2011, 32(11): 162-168.
[3] Zhu Zheng Hao. The bionic optimization and analysis and calculation of the cast-steel joint with three branches // Applied Mechanics and Materials. 2014, Vol(548-549): 548-549.
[4] Zeng Xiao Hong Stuttgart Airport // World Architecture Review, 2000，09116-121.
[5] Noor, M.S.M. HooiMin Yee，Kok Keong Choong，et al. Tensioned Membrane Structures in the Form of Egg Shape // Applied Mechanics and Materials, 2013,Vol. ( 405-408), 989-92.
[6] Zhou Wei Hua.Frei Otto and Light-qualitied load-bearing Structure // World Architecture,1998,08: 70-73.
[7] Wang Changguo, Li Yunliang, Du Xingwen, et al. Simulation analysis of vibration characteristics of wrinkled membrane space structure // International Journal of Space Structures, 2007, 22(4): 239-246.
[8] Ye Qing hui，Tao Jian,Yu Dong Liang，Li Zhong Xue.A Survey of bionic design in spatial structures // Structural Engineers，2010, 26(3): 13-18.
[9] Jin ZengHong. Brief introduction of Akashi // Foreign bridge, 2001, 02:13-18.
[10] Zhuo Xin, Dong Shi Lin Research on structural from bionics architecture of scallop form //. Spatial Structures, 2004, 04:19-22.
[11] Park Young-Min Semi-active vibration control of space truss structures by friction damper form maximization of modal damping ratio // Journal of Sound and Vibration, 2013, 332(20): 4817-4828.
[12] Sofla A.Y.N. A rotational joint for shape morphing space truss structures // Smart Materials and Structures, 2007, 16(4)1277-1284
[13] Wang Da Sui，Lu Dao Yuan，Huan，et al. Structure design of jinta in Tianjin // Journal of Building Structures, 2009, 3 (S1)1-7.
[14] Richard Green B.E. Sydney Homebush Multi Use Arena, Proceedings of the LSA98 Conference，Australia，2000: 11-19.
[15] Li Zu Yuan Taipei 101 building //Architectural Journal，2005,05: 2-36.
[16] Zhou Qing Qing. Analysis on the mechanical properties of Swallow-like Space Truss Structure.Tianjin, Tianjin University，2012.
[17] He Yong Jun, Liu Xiao Hua，Zhou Xu Hong Research on Arrangement of hoop-layers of imitating bamboo drum type tridimensional parking structure //Journal of Hunan University, 2013, 40（4:1-7).
[18] Zhang Long Bionic In Large Span Architectural Design Applied Research[D].Tianjin: Hebei University of Technology, 2013.
[19] Zhang Qian Form-finding Optimization Analysis and Structure Performance Research of Tree Structure.Tianjin: Tianjin University，2013.
[20] Wang Ke Optimization Design of Tower Crane Boom Based on Structural Bionic Method. Taiyuan: North University of China, 2015.
[21] Wang Qun Wang Bionics design and mechanical properties analysis of large-scale wind turbine Tower. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2016.
[22] Zhu Yu Long, Jiang Huan Jun Applications and future outlook of bionic architecture of steel structures in china //Structural Engineers, 2014, 30（2:164-169).
