Rambler's Top100


Архитектоника объемных форм. Авторы: Данилова О.Н., Шеромова И.А., Еремина А.А., редактор: С.Г. Масленникова

Контрольные вопросы

1. Комбинаторные принципы композиции.

2. Комбинаторные элементы и их взаимное расположение в композиции.

3. Способы комбинаторного формообразования. Достоинства и недостатки каждого способа.

4. Примеры комбинаторных форм в природе.

5. Природные аналоги для разработки комбинаторного элемента.

6. Комбинаторика в архитектуре, дизайне, в проектировании костюма.

7. Формообразование объектов с элементами комбинаторики.

8. Комбинаторный метод группировки элементов костюма.

Тема 6. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ В АРХИТЕКТУРЕ И ИНЖЕНЕРИИ
Формообразование в живой природе

В живой природе функция и форма тесно сближены и взаимообусловлены. Образование механических тканей живых организмов связано с интенсивностью роста и влиянием многих внешних факторов. Природные формы обладают гармоничной согласованностью частей целого, единством общей логики развития, взаимосвязью формы и структуры. Формообразование в живой природе характеризуется пластической сопряженностью, постепенными переходами от одной части формы к другой, развитием пластики формы по принципу взаимосвязи элементов структуры. Встречаются в природе и правильные геометрические формы и фигуры – окружности и овалы, ромбы и кубы, треугольники, квадраты и другие многоугольники. Бесконечное множество сложных, удивительно красивых, легких, прочных и экономичных конструкций создается в результате комбинирования этих элементов. Нередко природа унифицирует конструкции, то есть строит их из элементов одной и той же формы: лепестки цветов, семена злаков, ягоды малины, ежевики, чешуйки рыб, змей, шишек, панцири животных и т.д., что является примером яркого проявления ритма в животном и растительном мире. Гармоничное расположение упорядоченных многообразных или одинаковых элементов формы вызывает ощущение динамики и закономерностей красоты. В современной науке при объяснении закономерностей структурного формообразования живых организмов, проявляющегося как приспособительная реакция на изменения внешней среды, используется метод симметрии, включающий разновидности асимметрии. Симметрия характерна для всего живого и неживого в природе: листья, цветы, травы, насекомые, кристаллы и т.д. по своей природе симметричны. Тело человека – тоже симметричная форма с вертикальной осью симметрии, проходящей через середину тела. Метод симметрии является основным теоретическим принципом классификации кристаллов (кристаллография). Наиболее экономичной в отношении затраты материала является конструкция, составленная из плотно сомкнутых правильных шестиугольников или шестигранников. Она очень часто встречается в природе, и наиболее замечательное явление – пчелиные соты, имеющие единственный конструктивный элемент – ячейку в виде шестигранной призмы. Феноменом структурной гармонии форм естественного происхождения является отношение «золотого сечения», которое наблюдается в самых различных природных объектах: в пропорциях растительных и животных организмов, в биоритмах головного мозга, в природе планетарных систем, в энергетическом взаимодействии на уровне элементарных частиц и т.д. Формообразование в природе отражает эволюцию развития живых организмов и корректировки их структуры для достижения идеального варианта.

Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техники, однако по конструкции природные формы гораздо тоньше и намного совершеннее того, что умеет делать человек. Развитие формы в пространстве и во времени проходит дискретно-поступательно, фиксируя тем самым переход накопившихся количественных изменений в новое качество. В живой природе развитие формы проходит для каждого вида своим определенным путем (в своем ритме) с развитием в первую очередь несущих, а затем несомых элементов (или фиксацией циклов развития – годичные кольца дерева, дугообразное развитие раковины и т.д.). Этот процесс отражается на внешнем строении формы.

В конструктивном построении крон и стволов деревьев, стеблей и соцветий, грибов, раковин и пр. одной из опорных форм является конус. Устойчивость конусообразных форм выражается в форме статичного конуса, или конуса гравитации (конус основанием вниз), ее легко заметить в кроне или стволе ели, в шляпке или ножке белого гриба. Это оптимальная форма для восприятия ветровых нагрузок и действия сил тяжести. Начало развития выражается в форме динамического конуса, или конуса роста (конус основанием вверх), проявляется в грибах бокальчик, лисичка. В природе на основании комбинаций двух одинаковых по форме, но разных по своему началу конусов возникают различные формообразования. Примером являются кроны многих деревьев, которые внизу начинают развиваться по принципу роста, а заканчивают по принципу конуса гравитационного – вершиной вверх. Большая прочность и устойчивость высоких сооружений, созданных природой, обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, способностью работать как на сжатие, так и на растяжение. В стеблях злаков большую роль играют его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой особо устроенные упругие шарниры-демпферы, и не случайно сильная буря вырывает с корнем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака.

В мастерской природы часто встречаются конструкции в виде сводов различных пространственных форм (скорлупа ореха и яйца, панцири и раковины животных, гладкие листья, лепестки растений и др.). Пространственно изогнутые и тонкостенные оболочки, благодаря непрерывности и плавности формы, ее геометрии, обладают свойством равномерного распределения сил по всему сечению. Идеальную по прочности форму изобрела природа для тонкой (0,3 мм) яичной скорлупы. Скорлупа состоит из 7 слоев, каждый несет свою определенную функцию. Слои не расслаиваются даже при самых резких изменениях температуры и влажности, представляя собой яркий пример совместимости материалов с различными физико-механическими свойствами. Повышенную прочность яичной скорлупе придает тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным натяжением. Страус придаёт яичной скорлупе не только нужную форму, но и особую структуру. Скорлупа страусиного яйца представляет собой идеальную оболочку для существования и развития живого организма. Причем, по своему химическому составу скорлупа страусиных яиц ничем не отличается от скорлупы яиц куриных: это та же самая известь.

Напряжение клеточных оболочек, вызванное давлением жидкости в клетках (внутриклеточным давлением), получило название тургор. Благодаря тургору растения приобретают упругость, происходит активное формообразование в природе, особенно при отсутствии в организме арматурной ткани, как у медуз, гусениц, помидоров, патиссонов.

Спираль, представленная на рис. 27, – одна из форм проявления движения, роста и развития жизни. Описывая спираль, вытягиваются стебли растений, двигаясь по спирали, раскрываются лепестки некоторых цветов, например флоксов, развертываются побеги папоротника. В то же время спираль является в природе и сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Изменение формы природной конструкции в виде спирали приводит к устойчивости в пространстве и появлению дополнительной жесткости в конструкции. Раковины простейших одноклеточных организмов форманифер и раковины моллюсков, закрученные в одной или разных плоскостях (турбоспирали), – это также проявление способа достижения наибольшей прочности при экономном расходовании материала. Благодаря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают большое гидродавление при погружении на глубину.

Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-изогнутые ребристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений. Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветвляющейся в них сетке жилок. Этот каркас выполняет основную – несущую – роль, тогда как другие элементы конструкции, например пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения.

Паутинные нити – самые тонкие линии, которые видит человек невооруженным глазом. Паутина удивительно прочна: она крепче стальной проволоки того же диаметра и настолько эластична, что не рвется, растягиваясь почти на четверть своей длины. Ловчие сети пауков представляют собой большое разнообразие висячих, плетеных сооружений, поскольку каждый вид этого животного строит сеть собственной формы и конструкции.

Рис. 27. Изменение формы природной конструкции в виде спирали раковины моллюсков

Биоформы в художественном конструировании

Формы предметной среды создавались человеком сначала на основе подражания формам природы. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надежностью, прочностью, экономичностью расходования строительного материала при разнообразии форм и конструкций. Не исключено, что среди исчезнувших с лица Земли многочисленных видов животных и растений были и такие, которые могли бы помочь науке решить не одну техническую проблему. По мере познания окружающей среды у человека начало развиваться абстрагированное мышление. Это позволило создавать предметные формы исходя из их назначения и возможностей материалов. Формообразование объектов во многом стало определяться технологическими особенностями их создания, что утвердило свои ритмы организации внешней формы (ритмы кладки деревянных изб, каменных крепостей, кирпичных стен, плетеных поверхностей, вязаных изделий, ритмы конструктивных швов, соединяющих полотнища тканей). Таким образом, ритмическая организация формы, созданной человеком, есть внешнее проявление внутренней структуры, полученной определенным технологическим путем.

Природные формы были неиссякаемым источником идей для художников и конструкторов, многие из них обладали обширными познаниями в ботанике и черпали вдохновение в мире растений. Цветы, стебли и листья, благодаря своим изогнутым силуэтам, служили творческим источником для формообразования в стиле ар нуво. Наиболее распространенной темой стали бутон (символ появления новой жизни), раковина, волна, пламя, облако, экзотические растения с длинными стеблями и бледными цветками. Предпочтение отдавалось лилиям, кувшинкам, ирисам, орхидеям. Для создания живописного узора стилизовали пальмовые листья, водоросли, яркие и грандиозные насекомые, птицы – стрекозы, павлины и ласточки, змеи и борзые собаки. В большой моде было изображение женского тела, особенно в сочетании с фантастическими завитками и волнами длинных волос, напоминающих языки пламени или океанские волны.

Бурный рост технической мысли, начавшийся с середины XX столетия, развитие биологии, кибернетики и других наук привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления – бионики [Воронцова, 1981]. Бионика (от греч. bion – элемент, ячейка жизни) изучает особенности строения жизнедеятельности организмов для создания новых систем (приборов, механизмов) и совершенствования существующих. Бионика занимается изучением аналогий в живой и неживой природе для дальнейшего использования установленных принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов при совершенствовании существующих технических систем, созданием принципиально новых машин, аппаратов, строительных конструкций. Изучая процесс окраски у животных, бионики заимствовали идею изменения цвета в зависимости от изменения температуры. Ученым удалось создать особые термометрические краски, с помощью которых легко узнать, как нагреваются во время работы различные детали машин и механизмов. Бионики давно исследуют конструктивные особенности принципов работы оригинальных «живых движителей», отличающихся высокой проходимостью, маневренностью, надежностью и экономичностью. На их основе разрабатываются проекты вездеходных, прыгающих, ползающих и других универсальных средств передвижения. По принципу вакуумной присоски стали делать подъемные краны, стоящие на прижатой к земле стальной чаше, из-под которой откачивают воздух. В основе движения шагающего экскаватора лежит гидропривод, напоминающий гидропривод пауков. Чтобы не проваливаться при ходьбе, у пингвинов существует оригинальный способ передвижения – на животе, отталкиваясь крыльями и ластами от снега. Создана снегоходная машина «Пингвин», развивающая скорость по рыхлому снегу до 50 км/час.

Первым, кто начал изучать механику полета живых моделей с бионических позиций, был великий Леонардо да Винчи. Он пытался построить летательный аппарат с машущим крылом. Идея создания летательного аппарата по принципу полета насекомых – энтомоптера, – зародившаяся в глубокой древности, продолжает оставаться на повестке дня для биоников. В 1923 г. В. Татлин создал уникальную модель летательного аппарата, основанного на принципе действия птичьего крыла и выполненного из дерева, шелка, алюминия, китового уса и других материалов. Автор построил аппарат на принципе использования живых органических форм. Наблюдения над этими формами привели его к выводу о том, что «наиболее эстетичные формы и есть наиболее экономичные. Работа над оформлением материала в этом направлении и есть искусство». Принцип рациональности и функциональности формы, ее соответствие свойствам материала – важная часть татлинской концепции формообразования.

Бионика – это наука об использовании знаний о конструкциях и формах, принципах и технологических процессах живой природы в технике и строительстве. Архитектурная бионика – ветвь бионической науки, исследующая принципы формообразования гармонически сформированных функциональных структур. В строительном искусстве ярче, чем в какой-либо другой сфере деятельности человека, видны первые шаги бионики. Архитектурная бионика не предполагает копирование форм живой природы: в архитектуре используются законы и принципы формообразования наиболее гармонически сформированных функциональных структур в органическом мире. В живой природе структурную организацию формы определяет характер ее функционирования (способ жизни, развития). Финский дизайнер Алвар Аалто заметил: «В творениях природы формы возникают из их внутренних конструкций». Основой создания природообразных структур является анализ конструктивной целесообразности форм. Изучение природных форм позволило архитекторам разработать новые типы структур: соединенные по спирали, пружинящие, построенные на шарнирах, соединенные по принципу центрально-осевой симметрии, с трансформирующимися конструкциями. Подобного рода объекты несут новые образы, их ритмическая организация одновременно и новая, и столь знакомая становится признаком оригинального дизайна. К этим явлениям следует чутко относиться проектировщику костюма, ибо костюм должен вписываться в окружающую, быстро меняющуюся среду.

Все изменения формы растений и животных (открывающиеся и закрывающиеся в зависимости от времени суток лепестки цветов, изменения пространственной формы частей растений в зависимости от света и механических раздражений) носят временный характер и в биологии называются обратимыми движениями, а в архитектонике – трансформациями. Принцип трансформации природных конструкций и систем представляет большой интерес для архитекторов при решении проблемы «движущейся архитектуры». Особое внимание уделяется вопросу создания трансформирующихся сооружений для районов с неустойчивым климатом, требующим  автоматически регулируемого покрытия для зданий.

На основе исследования конструктивных особенностей принципов работы оригинальных живых моделей, отличающихся высокой маневренностью, надежностью и экономичностью (насекомые, черные морские ежи, ящерицы, пингвины, горные козлы, тигры, леопарды и проч.), разрабатываются проекты вездеходных, прыгающих, ползающих и других универсальных средств передвижения. Биомеханика (от греч. bios – жизнь) изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механические явления (при движении, дыхании и т.д.).

Закрученная форма природных конструкций подсказала архитекторам новую форму спиралевидной основы здания – турбосомы. Она аэродинамична, любые ветры лишь обтекают ее тело, не раскачивая и не принося никакого вреда. Турбосома может быть использована при строительстве высотных домов.

Принцип сопротивляемости конструкции по форме, которая проявляется в складчатых листьях, в закручивающихся в спираль или в трубочку листьях и лепестках растений, принимающих другую пространственную форму, нашел широкое применение в современном строительстве. Складчатые конструкции, образованные из плоских поверхностей, просты в изготовлении и в монтаже, они могут перекрывать весьма большие сооружения.

Паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив начало строительству подвесных мостов. Принципы построения природных конструкций из тонких натянутых нитей, а также конструкций из нитей с натянутыми между ними мембранами легли в основу вантовых конструкций. Прототипами для них послужили паутина, перепончатые лапы водоплавающих птиц, плавники рыб, крылья летучих мышей. В формообразовании современного костюма распространены образные темы, повторяющие прозрачность и деликатность строения паутины в трикотажных переплетениях. Тончайшие нити вискозы и шелковой пряжи в структурах и хаотичных рисунках, полученных на основе спущенных петель, – идеальные переплетения для вечерней одежды. Металлизированная пряжа с эффектом ржавчины и окисления позволяет создать ощущение каркаса – структуры, существующей как бы отдельно от тела и создающей объемные скульптурные силуэты. Трикотаж, напоминающий кокон, создают из веревок и лент, как бы обвязанных или оплетенных вокруг тела. С одной стороны, он защищает, а с другой – ограничивает подвижность.

Вантовые конструкции являются наиболее эффективным решением для покрытия зданий с большим пролетом – висячие покрытия. Заинтересовал архитекторов и принцип конструкции листьев растений: лист обладает достаточной механической прочностью, которая в значительной степени зависит от жилок, пронизывающих его плоскость от основания до верхушки. Взяв за основание жилкование листа тропического растения Виктории регии, итальянский архитектор П. Нерви сконструировал плоское ребристое покрытие фабрики Гатти в Риме и покрытие большого зала Туринской выставки, добившись большого конструктивного и эстетического эффекта. Используется в архитектурной практике и принцип построения пространственно-решетчатых систем: радиолярий, диатомовых водорослей, некоторых грибов, раковин, даже микроструктуры головки тазобедренной кости, которая никогда не работает на излом, а только на сжатие и растяжение. Подобная система может быть использована в конструировании опорных рам, ферм, подъемных кранов. Ученые обнаружили, что распределение силовых линий в конструкциях Эйфелевой башни и в берцовой кости человека идентично, хотя инженер не пользовался живыми моделями. Известный математик-конструктор Ле-Реколе установил, что прочность биологической конструкции скелета заключается в соответствующем расположении в материале не плоскостей, а пустых пространств, то есть обрамлений отверстий, соединяемых различным образом. На основе конструктивного изучения структуры костей и других природных моделей родился в архитектуре принцип дырчатых конструкций, положивший начало разработке новых пространственных систем. Так французские инженеры использовали принцип дырчатых конструкций при строительстве моста в виде внешнего скелета морской звезды. Перфорация, плетение, сетки и другие конструкции, способные создавать легкие пружинящие поверхности, активно используются дизайнерами в мебельном производстве. Ажурность сетчатых конструкций применяется как художественное средство.

Архитекторы в своем творчестве нередко используют принцип конуса. Так, в конструкции Останкинской телебашни отчетливо виден конус гравитации. На основе принципов построения природных высотных конструкций строители проектируют высотные здания нового типа – типа стволовой конструкции. По принципу строения стебля пшеницы разработан проект высотного здания, у которого основание более узкое, чем средняя часть. Упругие демпферы, разделяющие здание по высоте на несколько элементов, снижают силу ветрового напора и сокращают нагрузку на основание.

Стебель бамбука при значительной высоте и предельно малом диаметре имеет абсолютную устойчивость. Ряд соединенных полых элементов трубчатого сечения делают эту конструкцию легкой, утолщения и мембраны в местах соединений обеспечивают ее прочность. Эта оригинальная, созданная природой конструкция стала прообразом современных телескопических антенн, спиннингов, настольных ламп.

С развитием городов и ростом населения перед строителями встала задача проектирования значительных по объему и размеру зданий без тяжелых трудоемких покрытий и промежуточных опор. Поэтому легкие и прочные, тонкостенные и экономичные природные конструкции заинтересовали архитекторов. Принцип конструкции этих оболочек лег в основу создания легких, большепролетных стальных и железобетонных покрытий различной кривизны, которые нашли широкое применение при строительстве спортивных комплексов, кинотеатров, выставочных павильонов и т.д. В современных постройках толщина купола измеряется миллиметрами, и получали такие купола название оболочек-скорлуп. Скорлупа страусиного яйца обладает особой микроструктурой, допускает газообмен содержимого яйца с внешней средой, однако не пропускает внутрь микроорганизмы и молекулы веществ, своими размерами превышающие молекулу кислорода. Задача бионики состоит в имитировании свойств скорлупы страусиных яиц – этой природной упаковки – техническими средствами, используя имеющиеся технические возможности, сконструировать некую слоистую структуру, которая даёт такой же физический эффект, как природная скорлупа.

Принцип тургора живых моделей привел к появлению в архитектуре совершенно новой области строительной техники – созданию пневматически напряженных конструкций. Пневматическое напряжение, создаваемое избыточным давлением газа или жидкости, обеспечивает гибкой герметичной оболочке несущую способность и устойчивость при любых видах нагрузок. Важнейшими преимуществами надувных систем являются экономичность, малый вес, транспортабельность, компактность, быстрота монтажа, поэтому принцип тургора получил сейчас широкое применение особенно при сооружении временных построек: выставочных и ярмарочных павильонов, спортивных залов, туристических лагерей, овощехранилищ и пр. Наиболее распространенными формами надувных построек пока являются цилиндрический свод и сферический купол, хотя принцип тургора допускает огромное разнообразие пневматических конструкций.

Современные компьютерные технологии и программы позволяют моделировать и просчитывать воздушные потоки в помещениях и зданиях любой конфигурации. Однако когда речь заходит о поиске действительно новаторской идеи, то на неё инженеров гораздо чаще наталкивает всё же не компьютер, а живая природа. При возведении здания техникума в Санкт-Августине под Бонном Кёльнское объединение инженеров-строителей разработало необычную конструкцию вентиляционно-отопительной системы, идея которой позаимствована у термитов. Прежде чем попасть в аудитории, воздух проходит по подземному воздуховоду длиной в 150 метров: зимой такое техническое решение обеспечивает нагрев, а летом – охлаждение поступающего внутрь здания воздуха, делая в значительной мере излишними кондиционеры.

Принцип построения живых конструкций и унифицированных элементов используется строителями при возведении секционных домов из однотипных элементов. Конструкция пчелиных сот легла в основу изготовления панелей для строительства жилых зданий, однако в дальнейшем, с целью экономии материала, конструкторы стали собирать панели из одного элемента – треугольника с продленными сторонами. При сборке получается сотовая конструкция, но без двойных стенок. Весьма успешно используют принцип пчелиных построек и гидростроители – при возведении плотин, шлюзов и других гидросооружений они применяют сотовые каркасы.

Poker razz odds calculator