Строительство и архитектура/1. Архитектурные решения объектов строительства и реконструкции

Веселова Е.А., Семерикова М.Л.

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

Купольные покрытия: архитектурно-конструктивные решения

Применение купольных конструкций в современном строительстве весьма привлекательно и в функциональном и в композиционном отношении. Большое разнообразие существующих на данный момент объемно-пространственных и конструктивных решений куполов способствует индивидуализации архитектурного облика здания. Купольные конструкции уникальны по ряду признаков и вызывают интерес у современных проектировщиков, предоставляя широкие возможности для реализации новых архитектурных идей с целью создания яркого, запоминающегося образа здания. Купольные конструкции играют важную роль в формировании облика здания и должны соответствовать его имиджу и функциональным особенностям.

В связи с этим появилась необходимость в теоретическом обобщении, комплексном анализе в выявлении предпосылок возникновения купольных конструкций их формирования и типологических особенностях.

Большое разнообразие объемно-пространственных форм и конструктивных решений купольных конструкций позволяет применять их в объектах гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения, а так же в различных климатических зонах, в том числе и в условиях сурового климата. В настоящее время существует множество классификаций купольных конструкций, основными из которых являются:

а) по конструкции: гладкие, ребристые, ребристо-кольцевые, сетчатые, геодезические, пластинчатые, волнистые и складчатые;

б) по форме: сферические, эллиптические, стрельчатые, зонтичные и другой формы;

в) по стреле подъема: подъемистые (высокие) купола, при высоте подъема 1/2 -1/5 диаметра и пологие, при высоте подъема менее 1/5 диаметра;

г) по условиям работы: с элементами предварительного напряжения, ненапрягаемые;

д) по материалам: металлические (сталь, алюминиевые сплавы), железобетонные, бетонные, из каменных материалов, дерево, пластмасс, тканевых материалов (воздухоопорные);

е) по технологии возведения: монолитные, сборно-монолитные, сборные.

При выборе архитектурного решения важно правильное определение технических характеристик куполов, конструктивные схемы которых достаточно разнообразны и имеют в своей основе принципиальные различия.

Гладкие купола имеют гладкие внутреннюю и внешнюю поверхности и проектируются, как правило, из железобетонных монолитных конструкций.

Ребристые купола состоят из отдельных плоских ребер, поставленных в радиальном направлении; верхние пояса ребер образуют поверхность купола. Между ребрами устанавливаются прогоны и связевые элементы, обеспечивающие пространственную жесткость конструкции.

Ребристо-кольцевые купола помимо меридиальных ребер, имеют соединенные с ними горизонтальные кольца, придающие пространственную жесткость конструкции и воспринимающие усилия распора.

В ребристых и ребристо-кольцевых куполах возможно применение светопрозрачных ограждений между ребрами и кольцами в виде остекления.

Формообразование ребристых, ребристо-кольцевых куполов сводится к определению формы и координат плоской арки, образованной из двух диаметральных ребер. Форма арки определяется на этапе архитектурного проектирования, расчет координат ведется по известным формулам аналитической геометрии.

Эволюция развития куполов шла по пути увеличения количества связей и конструктивных элементов или, другими словами, от концентрации материала в ребрах к равномерному распределению материала, а следовательно, и усилий по всей поверхности купола. Создание в конце XIX века металлических куполов скомпонованных на основе радиально-кольцевой системы, но со связями в каждой ячейке, ограниченной соседними ребрами и кольцами, ознаменовало появление нового конструктивного типа куполов, которые впоследствии были названы сетчатыми.

Для уменьшения деформативности стержневая сетка должны максимально соответствовать форме криволинейной поверхности купола, что достигается изменением типоразмеров элементов сетки, начиная от опорного кольца до вершины купола. В дальнейшем развитие сетчатых куполов шло по пути разработки разнообразных способов членения поверхностей, прежде всего сферической, на конструктивные элементы (стержни или панели) для формирования несущего каркаса купола. В основе разнообразия способов разрезки поверхности купола на конструктивные элементы лежат два направления: а) меридиональная разрезка поверхности вращения, б) применение правильных многогранников, вписанных в сферу. Купола с разрезкой на основе правильных многогранников в ряде литературных источников еще называют геодезическими или кристаллическими.

Пластинчатые купола собираются из металлических пластин (панелей) которые имеют выштампованные ребра жесткости и соединяются между собой по контуру сваркой или узловыми соединениями. Формообразование сетчатых и пластинчатых куполов является более сложным процессом. Поверхности сетчатых оболочек в основном ограничиваются двумя классами: поверхности параллельного переноса (эллиптический параболоид, круговая поверхность переноса, гиперболический параболоид) и поверхности вращения (сфера) и т.п. Преобладающее количество сетчатых куполов построено на сфере, поэтому различные вопросы их формообразования, а так же всевозможные расчёты проводят, используя модель сферы.

Волнистые и складчатые купола имеют поверхность, состоящую из оболочек двоякой кривизны (коноидальных, синусоидальных, параболоидных) или складчатых оболочек выпуклой или вогнутой формы. Их выполняют монолитными или сборно-монолитными из сопряженных сегментов оболочек-волн. Размер волны (складки) принимается в зависимости от диаметра купола и архитектурного решения.

Волнистая или складчатая конструкция куполов, в отличие от гладких обладает рядом преимуществ: открытые наружные торцы волн обеспечивают полноценное верхнебоковое естественное освещение внутренних пространств, а выразительная объемная форма конструкции обогащает композицию фасада и интерьер здания.

Выбор и расчет геометрической схемы купола является первой и очень ответственной стадией проектирования, так как именно от этого зависит число типоразмеров элементов, конструкция узлов сопряжений, способы изготовления и монтажа элементов и, в конечном итоге, эффективность конструкции.

Приведенные основные конструктивные формы куполов нельзя противопоставлять друг другу, каждому из них присущи свои достоинства и недостатки, для каждого характерны свои области применения в зависимости от функционального назначения здания и технологических процессов, протекающих в них.