Блок 1 Основы архитектурно-конструктивного проектирования зданий и сооружений общественного и промышленного назначения.
Модуль 1.1. Истоки развития архитектурных конструкций. История создания среды обитания.
Не знать истории – значит всю жизнь оставаться ребёнком.
Марк Туллий Цицерон
1.1.1. Основные задачи архитектора при создании пространственной среды.
а). создание гармонии проектируемых зданий с окружающей средой,
б). обеспечение целостности образа внешнего облика с внутренним интерьером,
в). применение новых строительных материалов при создании совершенных конструкций, аналоги которых человек ищет в творчестве природы, в окружающем нас растительном и животном мире.
1.1.2. Истоки развития и совершенствования архитектурных конструкций.
Профессия строителя – одна из самых древних. Появление архитектурных конструкций связано с началом разумной деятельности человека. На протяжении тысячелетий мастера - строители создавали новые и совершенствовали старые конструктивные решения. Анализируя исторический опыт развития, можно убедиться, что здания становятся менее массивными, менее материалоёмкими. Как следствие этого, в строительстве утвердился принцип дифференцирования несущих и ограждающих функций конструкций. Несущие конструкции создают как бы пространственный скелет здания, а ограждающие конструкции, в виде тонкой преграды, отделяют внутреннее пространство от наружного. Внедрение в строительство новых прогрессивных конструкций, умелое применение традиционных и современных конструктивных решение, основанные на знании законов архитектуры, помогает выполнять важные задачи, стоящие перед архитекторами - строителями.
Взаимосвязь конструкции и архитектурно-художественного образа – важнейшая проблема развития зодчества. Пропорциональное, объёмно - пространственное и пластическое выражение конструктивной формы составляет главную особенность архитектурной композиции. Конструкции и строительные приёмы таят в себе неограниченные архитектурные, художественные и эстетические возможности. Поэтому опыт истории архитектуры помогает архитектору теоретически осмыслить проблему, а также решить многообразные практические задачи взаимосвязи конструкции и художественной формы.
1.1.3. Строительные конструкции сооружений первобытнообщинного и рабовладельческого строя.
Становление архитектуры - замечательного умения повелевать пространством и материалом совпадают с переходом человека к оседлой жизни около 10 тысяч лет назад. Сооружения выполнялись, в основном, из естественных материалов: камня, глины, песка, дерева. Назначение этих сооружений было связано, главным образом, с религиозными обрядами и памятными событиями (рис.1.1.1.).
Менгиры - вертикально поставленные камни, как ритуальные памятники. Они порой достигали до 20 м высоты и до 300 т веса.
Дольмены - ритуальные сооружения из нескольких камней. Они служили как погребальные камеры и одновременно надгробными памятниками.
Кромлех - ритуальное сооружение, представленное вертикально поставленными камнями, перекрытыми горизонтальными плитами.
Особого внимания заслуживают срубные постройки, в частности, курганы – сооружения мемориального характера. При возведении кургана сначала в яме сооружался мощный сруб с деревянным полом, внутри которого устраивалась вторая камера для погребения. Перекрывались камеры накатом бревен с покрытием их берестой. Засыпка землей образовала курганный холм, часто значительной высоты. В первобытном обществе следует отметить также появление каменных и деревянных крепостей.
1.1.4. Строительные приемы и конструкции архитектуры Древнего Египта.
Основными материалами для построек в массовом строительстве – кирпич - сырец, в монументальном – горные породы камня (песчаник, гранит, известняк, базальт). Кирпич изготавливался из смеси ила, мелкой гальки, рубленной соломы путем заполнения деревянных форм с последующим высушиванием на солнце. Камень высекался из скал крупными глыбами и обработанный в гигантские квадры, доставлялся к месту постройки. Кладка осуществлялась на растворе, состоящем из смеси извести, песка и глины. Сооружения возводились с применением стоечно-балочной системы и египетского ордера. Важнейшим элементом ордера служили колонны, имеющие в верхней части капитель, а в нижней базу и перекрывающий колонны горизонтальный элемент, увенчанный карнизом. Колонны, обычно, подражали формам растительного мира.
Простейшими погребальными сооружениями были масштабы, по форме близкие к усечённой пирамиде. Появились сооружения в виде ступенчатых пирамид (пирамида Джосера в Сакара, крупнейший комплекс погребальных сооружений некрополя в Гизе близ Мемфиса, основу которого составляют три пирамиды фараонов Хеопса, Хафрена, Микерина (рис.1.1.2, рис.1.1.3.)).
1.1.5. Строительные приемы и конструкции архитектуры стран Передней Азии.
В связи с почти полным отсутствием местного камня и леса, основным строительным материалом был кирпич - сырец. В качестве связующего и гидроизоляционного материала применялся битум. Раствор кладки состоял из глины с примесью золы и битума. Известковый раствор применялся позже. Широкое развитие получили сводчатые конструкции. Для облегчения производства работ и уменьшения распора своду придавали форму повышенного овала или даже стрельчатую. Позже появился обожженный кирпич, из которого возводили дворцы, купола и храмы (зиккурат в Уре, дворец Саргона II в Дур-Шаррукине (рис.1.1.4.) и др.
1.1.6. Строительные приемы и конструкции в архитектуре Древней Греции.
Греками было положено начало многим отраслям науки, они заложили основы геометрии, механики и статики, что стало базой для развития инженерных наук. При возведении зданий и сооружений применялась, в основном, стоечно-балочная система. Наиболее массовым строительным материалом был кирпич-сырец и дерево. Кладка стен велась, в основном, насухо.
В древнегреческом ордере отразилась зависимость характера пластики и пропорций системы от двух неразрывных сторон его тектонического строя – художественной и конструктивной. Два основных классических ордера – дорический и ионический.
Применение ордеров позволило создать ряд знаменитых памятников (ансамбль Афинского Акрополя, святилище Зевса в Олимпии, святилище Аполлона в Дельфах и др.). Впервые появилась литература об архитектуре (Исидор «Наука о зданиях») (рис.1.1.5., рис.1.1.6.).
1.1.7 Строительные приемы и конструкции в архитектуре Древнего Рима.
Римская эпоха выдвинула перед строителями множество практических задач, решение которых требовало обобщения опыта. Сохранился первый трактат по зодчеству: «Десять книг об архитектуре» Витрувия – энциклопедия знаний по архитектуре и инженерному делу.
В Древнем Риме продолжали развиваться стеновые и стоечно-балочные конструкции, а также нашли широкое применение арки и своды, которые стали оказывать решающее влияние на архитектуру. Кроме кирпича-сырца в практике строительства нашёл широкое применение обожженный кирпич. Также появился новый материал, искусственный монолит, полученный смешением раствора из извести и песка с каменным щебнем (римский бетон). Гидравлические добавки в виде вулканического песка - пуццолана сделали бетон водонепроницаемым и очень прочным.
Бетонные своды дополнительно армировались кирпичными арками
В римской архитектуре нашли применение ордера, развивающиеся на основе греческих образцов: тосканский, римско-дорический, римско-ионический, коринфский и композитный (сложный). Появилось множество архитектурных зданий и ансамблей (форум императора Траяна, арка Тита, арка Константина, Колизей, акведук Марция и др.) (рис.1.1.7. и рис.1.1.8.).
1.1.8. Строительные приемы и конструкции архитектуры стран Европы ХV-ХХ в.в.
Развитие архитектуры в странах Европы в ХV-ХХ в, находилось в тесной связи с особенностями их социально-политической и экономической жизни. Особенно в развитии архитектуры повлиял научно-технический прогресс. Появились новые строительные приемы и строительные материалы. Если до середины ХIХ века в строительстве применялся такой металл, как бронза, чугун, ковкое железо, которого было довольно мало, то в 1856 году был изобретён бессемеровский способ производства стали, а в 1860 году – мартеновский. Производство нержавеющей стали было начато в 1913 году. Ещё раньше французский садовник Жорж Монье изобрёл железобетон. Появление новых прочных материалов позволило формировать архитектурные формы с учетом конструктивных решений. Появился синтез конструкций и архитектуры. Известные архитекторы в своих творениях применяли новые конструктивные решения: Пьер Нерви (складки), Огюст Пере (железобетонный каркас), Ф.Канделе, М.Новицкий (висячие сетки), Ле Корбузье (на основе каркаса и трансформирующихся перегородок создание гибкой планировки помещений), в Японии Танге и Цубои (трансформирующие здания), Мисс Ван Дер Роэ (стеклянные дома) и многие другие архитекторы-конструкторы. Следует отметить российских и советских практических архитекторов: Барщ О. и Синявский М.И (тонкостенные купола), Шухов В.Г. (металлические пространственные конструкции), Лолейт А.Ф. (монолитный железобетон), Блохин Б.Н, Буров А.К. (высотные дома), Мельников К. (Дом труда в Москве), Веснин и Гинбург (ДнепроГЭС), Посохин (Новый Арбат), Никитин Н.В. (Останкинская башня) и много других. В разработке методов расчета и конструировании зданий и сооружений следует отметить получившие мировое признание работы Власова В.С., Галёркина С.С. (тонкостенные пространственные системы), Лолейта А.Ф., Блохина Б., Гвоздева А.А., Пастернака П.Л. (железобетонные конструкции), Стрелецкого Н.И., Беленя Е.И., Качурина В.К. (металлические конструкции), Герсеванова М.Н, Дмоховского В.К., Далматова Б.И., Егорова К.Е, Голубкова В.Н. (фундаментостроение) и множество других. Таким образом, создание новых конструктивных решений открывает неисчерпаемые возможности дальнейшего развития и эмоционального обогащения новых архитектурных форм с реальным использованием новых конструкций и материалов.
Рис. 1.1.1. Мегалитические сооружения эпохи первобытнообщинного строя
а - менгир; б - дольмен; в - кромлех.
Рис. 1.1.2. Пирамида (греч. piramis) - монументальное сооружение, имеющее геометрическую форму пирамиды. Наиболее известны древнеегипетские пирамиды-гробницы фараонов, достигавшие гигантских размеров и внушавшие представление о сверхчеловеческом величии правителя (пирамида Хеопса в Гизе, 28 в. до н.э., высотой - 146,6 м). Подобно древнеегипетским пирамидам возводились мемориальные сооружения в других странах, в другие временные периоды.
Рис. 1.1.3. Стоечно - балочные конструкции в Древнем Египте.
а - конструкция покрытия и световых проемов, б- поперечный разрез, в - древнеегипетские колонны
Рис. 1.1.4. Дворец Саргона II в дурр-Шаррукине. Общий вид, главный вход.
711 - 702 гг. до н.э.
Рис. 1.1.5. Конструкции и ордера в Древней Греции (1, 2 - план и поперечный разрез Парфенона, 3, 4 - план и поперечный разрез Эрехтейона, 5 - дорический ордер Парфенона, 6 - ионический ордер южного портала Эрехтейона, 7 - детали ионического ордера храма Ники Аптерос, 8 - дорический ордер и его деревянный прототип, 9 - конструкции крыши портика (Эрехтейон), 10 - кладка стен и колонн и крепление блоков).
Рис. 1.1.7. Ордерные системы в архитектуре Древнего Рима.
1 - римские ордера (по Палладио): а - тосканский; б - римско-дорический; в - ионический; г - коринфский; д - композитный; 2 - ярусная система ордеров (колизей в Риме); 3 - раскрепованный ордер; 4 - ордерная аркада (фрагмент); 5 - аркада на колоннах (фрагмент); 6 - детали композитного ордера (арка Тита в Риме); 7 - детали антаблемента композитного ордера (по Палладио).
Рис. 1.1.8. Колизей в Риме. Общий вид, разрез, план.
Модуль 1.2. Общие принципы проектирования здания и их конструктивных элементов.
1.2.1. Историческая особенность устройства и планировки городов.
С древних времен устройство древних городов располагалось возле берегов рек, озер, морей, по каньонам и ущельям горных массивов, в лесных районах. Образование города начиналось с заложения культовых строений, площади, устройства оборонительных сооружений. В некоторых городах наблюдалось этническое расселение с особенностями культуры и религии (Москва, Париж, Нью-Йорк, Одесса).
1.2.2. Генеральный план города, района. Факторы, влияющие на генплан города:
- природный ландшафт (Венеция, Москва, Алма-Ата, Одесса),
- основы формирования городских зон (общественная, жилая - селитебная, промышленная, транспортная, складская, санитарная, зона отдыха и спорта),
- наличие природных ресурсов,
-перспективы и динамика развития города (транспорт, связь, расселение, инфраструктура).
1.2.3. Виды зданий и сооружений, части зданий и сооружений.
Здание – надземное сооружение, имеющее внутреннее пространство, предназначенное для удовлетворения тех или иных потребностей человеческого общества (жилые дома, школы, театры и др.).
Инженерные сооружения – сооружения, не имеющие внутреннего пространства, подземные и подводные сооружения (мосты, радиомачты, плотины, набережные, станции метро и др.).
По своему назначении здания делятся на гражданские (жилые дома, гостиницы, общежития), общественные (театры, магазины и др.), промышленные здания и комплексы (здания, в которых выполняются производственные или технологические процессы), сельскохозяйственные, предназначенные для обслуживания различных отраслей сельского хозяйства.
Внутреннее пространство зданий состоит из отдельных помещений. Помещение – это ограждённое со всех сторон единое пространство внутри здания. Помещения, полы которых находятся на одном уровне, образуют этаж. По этажности здания подразделяются на одноэтажные, малоэтажные (1-3 этажа), многоэтажные (4-9 этажей), повышенной этажности (10-20 этажей) и высотные (свыше 20 этажей).
Здания разделяются на наземную и подземную часть.
Подвал – один или более этажей подземной части здания, помещение, полностью заглублённое под землей.
Полуподвальный (цокольный) этаж – архитектурная нижняя часть здания, несколько утолщенное, выступающее подножье здания, по высоте примерно соответствующее уровню пола в нижнем основном этаже. Цоколь - помещение, наполовину заглублённое под землёй.
Надземная часть здания (этаж) – помещения, полы которых находятся на одном уровне. Высота этажа – расстояние от отметки пола нижележащего до отметки пола вышележащего этажа.
Чердачный этаж – пространство между крышей и покрытием.
Мансарда – чердачное помещение под двухскатной, с изломом, крышей, используемое как жилое либо хозяйственное помещение.
Мезонин – надстройка над средней частью небольшого жилого дома, верхний этаж мезонин часто имеет балкон или террасу над входным портиком.
1.2.4. Требования, предъявляемые к зданиям.
- функциональная целесообразность здания (соответствие его своему назначению),
- прочность (способность здания не разрушаться, в какие бы условия при эксплуатации оно не попало),
- долговечность,
- огнестойкость (способность здания сопротивляться действию огня или температуры до потери несущей способности и устойчивости или до образования сквозных трещин или до опасного повышения температуры на противоположной от огня поверхности),
- архитектурная выразительность,
-экономичность строительства здания.
1.2.5. Нагрузки и воздействия на здание (рис. 1.2.1.).
Силовые нагрузки:
- постоянные нагрузки: собственный вес,
- временные нагрузки: ветровая нагрузка (избыточное или отрицательное давление – отсос), снеговая нагрузка (снеговые мешки), полезная нагрузка (вес оборудования, людей), сейсмические, взрывные нагрузки.
Несиловые воздействия:
- температурно-климатические воздействия,
- влажностные воздействия,
- химические агрессивные воздействия,
- биологические воздействия.
Следует помнить, что воздействие на конструкции всех нагрузок начинается с момента их изготовления, продолжается при транспортировке, в процессе возведения здания и его эксплуатации.
Рис. 1.2.1. Нагрузки и воздействия на здание
P - вес кровли, Pw - ветер, Pсн - снег, Рс - собственный вес покрытия, Pn - полезная нагрузка, Pз - звук, Pcm - сейсмическая загрузка, Pф - масса фундамента, Nt - температура, Nв - влага, Nх - химические воздействия, Nб - биоразрушения.