ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ В США
Первым крупным пневматическим сооружением был воздухоопорный обтекатель антенны радиолокатора. Это сооружение диаметром 15,25 и высотой 12,2 м (рис. 1) было возведено для того, чтобы удовлетворить потребности ВВС США в тонком безметальном погодостойком укрытии, предназначенном для защиты крупных антенн новых радарных систем, разрабатывавшихся в США в конце второй мировой войны.
Автор начал работу над этим проектом в 1946 г. в Корнеллской лаборатории аэронавтики — научно-исследовательской организации в Буффало, шт. Нью-Йорк. Чтобы соответствовать эксплуатационным требованиям, выдвинутым ВВС, купол-обтекатель должен был выдерживать ветер со скоростью до 200 км/ч и большую снеговую нагрузку. Никакого поддерживающего каркаса не допускалось, поскольку он создавал бы пймехи радиоволнам.
Испытания масштабной надувной модели в аэродинамической трубе показали, что стабильность сооружения можно обеспечить путем предварительного напряжения прочной оболочки сферической формы посредством поддержания сравнительно небольшого давления внутри сооружения. Поскольку результаты наших испытаний выглядели обнадеживающими, с лабораторией был заключен контракт на строительство прототипа. Полноразмерный обтекатель-прототип был изготовлен и смонтирован в 1948 г. Исключительно хорошие эксплуатационные качества этого первого воздухоопорного обтекателя привели к немедленному принятию их для использования на радарных установках на севере США и в Канаде, и им приписывается заслуга в возникновении нового вида промышленности.
Около 10 лет работа над пневмэтическими сооружениями была направлена в первую очередь на получение улучшенных материалов и применение этих сооружений, в том числе куполов-обтекателей различного назначения, надувных параболических антенн, башен и других в военном деле. Однако, убедившись в том, что пневматические конструкции представляют собой наиболее эффективную конструктивную форму, пригодную для образования больших, свободных от промежуточных опор сооружений, мы с коллегами постарались распространить применение воздухоопорных сооружений и на другие области, такие как строительство товарных складов и баз отдыха. Вначале это не имело успеха и не привлекло внимания архитекторов и инженеров к новому виду конструкций, где применялись инженерные принципы и материалы, не считавшиеся пригодными для строительства зданий.
В 1956 г. автор вместе с четырьмя коллегами создал фирму «Бэрдэйр стракчерз инкорпорейтед» с целью способствовать развитию коммерческого и архитектурного применения пневматических сооружений, продолжая при этом исследования и разработки в военной области. Сначала мы возвели небольшой склад (рис. 2), чтобы показать потенциальные возможности дешевого транспортабельного укрытия для хранения различных запасов, которое обеспечивает полную защиту от непогоды и вместе с тем может быть легко и быстро возведено непосредственно на грунте, что дает экономию транспортных и эксплуатационных расходов. Вскоре после этого мы представили пневматическую конструкцию, которую предполагалось установить над расположенным под открытым небом плавательным бассейном, чтобы обеспечить его круглогодичное использование.
Подобные сооружения получили широкую известность и привлекли внимание других компаний, работавших с тканями и обычно выпускавших палатки, навесы, тенты и т. д. Однако из-за отсутствия опыта и квалифицированного инженерного персонала многие из сооружений, предложенных этими компаниями, были плохо запроектированы и изготовлены и оказались неудачными в эксплуатации. В то время не существовало стандартов на конструкции данного типа. Чтобы установить хотя бы минимальные стандарты на приемку таких сооружений, некоторые из более солидных компаний объединились с фирмой «Бэрдэйр» и создали ассоциацию «Эйр стракчерз мэнюфэкчурерз энд саплайерз ассошиэйшн» (ASMSA), которая разработала и издала рекомендуемые минимальные стандарты на проектирование и эксплуатационные показатели пневматических сооружений. Эти стандарты использовались в качестве основы для строительных правил в ряде штатов. В связи с небольшими масштабами только зарождающейся промышленности ассоциация была позднее аннулирована, а вместо нее создана организация «Эйр стракчерз инститьют» как часть ассоциации «Кэнвэс продактс ассошиэйшн интернэшнел». При покровительстве этой организации рекомендуемые стандарты на эксплуатационные показатели были включены во многие строительные правила. Однако их применение обычно ограничивалось временными сооружениями, так как доступные в то время материалы не могли соответствовать многим требованиям, предъявляемым к постоянным сооружениям.
Поскольку архитекторы и инженеры проявили мало интереса к тканевым сооружениям и не имели опыта или технической квалификации, чтобы их проектировать, большинство решений раннего времени было разработано изготовителями. Однако сотрудники фирмы «Бэрдэйр» были убеждены в том, что тканевые конструкции, в особенности воздухоопорные сооружения, предоставляют огромные возможности в области строительства большепролетных сооружений для отдыха или спорта, и продолжали разрабатывать новые решения. Хотя в то время имелись условия для того, чтобы продемонстрировать возможности наших сооружений применительно к крупным куполам-обтекателям для радиолокационных антенн и объектам коммерческого назначения, мы сознавали, что для одобрения принципа опирания на воздух необходимо заинтересовать архитекторов й инженеров этим новым принципом. Поэтому я часто выступал с докладами на собраниях профессиональных обществ и на симпозиумах.
Благоприятная возможность совместной работы с архитекторами и инженерами возникла в связи с разработкой конструкций для ярмарок и выставок. Здесь архитекторы и экспоненты в равной степени были заинтересованы в создании чего-то нового н необычного, что привлекло бы всеобщее внимание. Они были меньше, чем обычно, связаны ограничительными правилами и требованиями. Кроме того, поскольку предполагалось, что сооружения будут использоваться всего год или два, долговечность материала не имела значения. Передвижных выставок устраивалось довольно много, и транспортабельность и простота возведения сооружений из ткани имели большой успех. Фирма «Бэрдэйр» изготовила 14 сооружений для Всемирной ярмарки в Нью-Йорке в 1965 г. и с тех пор принимала участие почти в каждой большой ярмарке или выставке. Всемирные ярмарки и выставки дали нам возможность продемонстрировать многосторонность тканевых сооружений. Павильон США на выставке ЭКСПО-70 в Осаке, Япония, обеспечил нам первую действительную возможность показать выдающиеся качества воздухоопорного сооружения, усиленного канатами. Это сооружение привлекло огромное внимание во всем мире, продемонстрировав возможности воздухоопорных оболочек перекрывать большие площади без внутренних поддерживающих конструкций. Успех павильона привел к разработке новых материалов и проектных решений, позволивших тканям получить признание как материала, пригодного для изготовления постоянных строительных конструкций, во всем мире.
Ранние разработки. Развитие пневматических конструкций прошло ряд разных, но часто взаимно перекрывающихся стадий. На каждой стадии они получали признание в связи со своими уникальными свойствами, но зачастую по очень разным причинам. Ниже кратко описаны некоторые из сооружений раннего времени, разработанных на каждой стадии.
Сооружения военного назначения. Успех нашего первого воздухоопорного купола-обтекателя для антенны радиолокатора дал возможность работать в тесном сотрудничестве с военными службами при проектировании мобильных сооружений, отвечающих широкому кругу требований. В добавление к крупным куполам-обтекателям на неподвижном основании мы разработали ряд более мелких, установленных на грузовики или передвижных куполов для укрытия нового передвижного радарного оборудования. Мы разработали также уникальную надувную параболическую антенну (рис. 3), на которой продемонстрировали возможность соблюдения точных допусков при параболической форме тканевой антенны, которая могла быть спущена и сложена, заняв очень небольшой объем. Другие разработки включали в себя надувные башни, а позднее двухслойные и пневмокаркасные купола-обтекатели.
Далее последовала разработка серии военных сооружений разного назначения. Первый транспортабельный полевой военный склад был переделан из нашего первого коммерческого склада. Чтобы обеспечить полевое хранение крупных машин или самолетов, мы предложили ангар с поддерживающим каркасом — воздухоопорное сооружение с каркасом из легких арок, которые поддерживают оболочку, когда сооружение открыто. Такое решение позволило получить очень легкий мобильный ангар, который в закрытом и поддутом виде мог противостоять сильному ветру и большим снеговым нагрузкам (рис. 4). После разработки идеи двухслойных и пневмокаркасных куполов-обтекателей мы запроектировали ряд ангаров и укрытий пневмопанельной конструкции. Наш метод раскроя и изготовления привел в результате к ячеистой стеновой конструкции, которая обеспечила почти двойную конструктивную эффективность по сравнению со стержневыми пневмокар- касньши решениями, предложенными ранее. При таком решении невысокое давление воздуха обеспечивало большое предварительное напряжение в тканевых стеновых элементах, что повышало устойчивость стенок при боковых нагрузках. На рис. 5 и 6 представлены сооружения этого типа.
Опыт проектирования воздухоопорных куполов-обтекателей и разработка более прочных материалов и швов повышенной прочности дали нам возможность создать защитные укрытия для наземных станций космической связи. Четыре крупных купола-обтекателя, диаметр наибольшего из которых составляет 64,6 м, а высота 50,2 м, достаточно крупные для того, чтобы полностью укрыть 16-этажное здание, были установлены в США, Франции, ФРГ и Канаде. Первый купол был смонтирован в США в 1968 г. (рис. 7). Все четыре купола до сих пор находятся в эксплуатации.
Воздухоопорные куполы-обтекатели для антенн радиолокаторов, как и другие мягкие оболочки, предназначались для применения в военных целях, так как только они могли обеспечить решение существующих тогда проблем. Военные ведомства не считались с тем, будут ли сооружения отвечать требованиям норм и правил, установленных для обычных сооружений, а интересовались только тем, чтобы они могли выполнять нужную работу. Несмотря на это, наша проектно-строительная практика разработки обтекателей антенн радиолокаторов и других укрытий военного оборудования дала бесценный опыт и возможность продемонстрировать надежность решений и оборудования, равно как и показала исключительные возможности пневматических конструкций как для воздухоопорных, так и для пневмопанельных сооружений. Мы не только разработали много новых конструктивных концепций, но и оказались в состоянии в процессе совместной работы с поставщиками предложить новые материалы с исключительными свойствами. К последним относится, например, дакрон с диагональным дублированием слоев, покрытый хайпалоном. Этот материал обладает выдающейся прочностью и высокими эксплуатационными качествами, и его использовали с высоким предварительным напряжением в куполообразных укрытиях для антенн радиолокационных станций.
Сооружения гражданского назначения. Успех военных сооружений раннего времени привел к постепенному применению пневматических конструкций в различных сооружениях гражданского назначения. В основном они использовались вначале для складов, так как позволяли получить складские помещения большой высоты, хорошо защищенные от непогоды и со свободным от промежуточных опор пространством.
Эти сооружения раннего времени обычно были сравнительно малы, примерно 18X30 м. Вход для персонала часто осуществлялся через открывающиеся внутрь двери или шлюзы. Для ввоза внутрь материалов с помощью автопогрузчиков сооружения часто оборудовались специальной сбалансированной дверью, разработанной фирмой «Бэрдэйр» (рис. 8), или навесными дверями, передвигаемыми вручную. Если двери держались открытыми всего лишь короткое время и доступ в сооружение был ограничен периодами со слабым ветром и небольшой снеговой нагрузкой, временная потеря давления не приводила к оседанию сооружения.
Большая вместимость и отличная защищенность от непогоды, обеспечиваемые такими сооружениями, привели также к их применению для хранения сыпучих материалов, которые остаются сухими, что упрощает их обработку (рис. 9). Многие материалы можно легко транспортировать с помощью конвейеров, что снижает потери воздуха. Часто применялись специальные бункерные питатели со сбалансированным давлением. Вначале были проведены эксперименты с «дверями с воздушной завесой», так как они обеспечивали возможность свободного беспрепятственного доступа в сооружение. Однако, поскольку требования к мощности и оборудованию оказались чрезмерными и поскольку эффективно мог быть сохранен только небольшой перепад давления, использование сооружений во время сильного ветра и больших снеговых нагрузок было ограничено. Использование дверей с воздушной завесой в воздухоопорных сооружениях не стало популярным в США.
Хотя первоначально воздухоопорные сооружения рассматривались как временные, их низкая стоимость и многие другие преимущества вскоре привели к признанию их для использования в качестве обычных складов. Единственным крупным недостатком была потеря воздуха при открытых дверях. Для обеспечения беспрепятственного доступа автомашин в помещения складов независимо от погоды наиболее удачными оказались шлюзы с откатными навесными дверями. Поскольку была доказана неэкономичность устройства обширных шлюзов при небольших сооружениях, в особенности шлюзов, достаточно больших, чтобы пропускать трейлеры, средние размеры складского сооружения возросли до 30— 36 м в ширину и 60—90 м и даже более в длину. Увеличение размеров таких сооружений привело также к возрастанию напряжений в ткани, что потребовало применения более прочных и дорогих материалов. Поскольку размер сооружений возрос, их уязвимость к повреждениям также увеличилась.
Чтобы повысить надежность сооружения и вместе с тем допустить использование материалов, которые были разработаны специально для небольших сооружений, фирма «Бэрдэйр» и другие изготовители цвели в практику усиление оболочек канатами. Несколько сооружений раннего времени были усилены за счет кольцевого размещения канатов только в цилиндрической части сооружения, так как напряжения от избыточного давления воздуха на данных участках были выше, чем на сферических торцевых участках. Это, однако, не оказалось удачным для крупных сооружений, так как при сильном ветре высокие напряжения ткани развивались также и в торцевых участках. Для дополнительного усиления была применена установка канатов на сферических концевых участках, однако это привело к недостаточному использованию прямоугольных концевых участков и ограничивало полезную площадь склада. По существу сооружения на прямоугольном плане оказались гораздо более практичными, но такое решение плана привело к неравномерным продольным напряжениям оболочки, в результате чего ее было нелегко усиливать канатами.
Чтобы решить эту проблему и создавать более крупные склады и рекреационные сооружения, фирма «Бэрдэйр» разработала уникальную запатентованную тросовую систему для торцевых частей сооружений, которая работала как перераспределитель нагрузки оболочки в концевых участках. Благодаря тщательному размещению тросов и использованию специального раскроя ткани в торцевых участках было достигнуто равномерное продольное напряжение в оболочке сооружения. Это позволило использовать одноосную тросовую систему, более простую в обращении и все же позволяющую иметь низкие напряжения в ткани. Заключив канаты в рукава и используя специальную конструкцию шва, не допускающую распространения раздира, мы могли свести к минимуму возможность любого повреждения ткани, снижая тем самым в значительной степени уязвимость сооружения. Другим преимуществом такого решения в противоположность обычным сооружениям на прямоугольном плане является то, что оно обеспечивает более высокое расположение покрытия в углах, увеличивая тем самым полезную площадь помещений. В торцах еще более крупных сооружений была применена видоизмененная система канатов, показанная на рис. 10 (строительный тепляк).
Большинство ранних гражданских сооружений были однослойными. Однако вскоре, по мере роста потребности в более эффективном использовании энергии, появилась необходимость в улуч- шении теплоизоляции там, где требовалось отопление помещения. Пневматическую конструкцию можно утеплить обычным образом, но большой объем теплоизоляции снижает ее транспортабельность, а при укладке слоя теплоизоляции значительно уменьшается светопроницаемость оболочки, что исключает возможность использования дневного освещения. В связи с этим требовалось найти другие решения теплоизоляции.
Общий коэффициент теплопроводности наших двухслойных обтекателей радиолокационных антенн составлял 2,8—3,4 Вт/(м2-К) и при использовании внутренней отражающей обшивки мог быть снижен до 1,7 Вт/(м2- К). Такие же результаты можно было получить на наших сооружениях без потери транспортабельности путем подвески легкой оболочки, образующей замкнутую воздушную прослойку.
Поскольку второй слой не является конструктивным, для него можно использовать очень легкие полупрозрачные материалы, обеспечивающие днем хорошее естественное освещение. Еще более высокие изолирующие свойства достигаются использованием в качестве подкладочного материала отражающей фольги, но это приводит к потере светопроницаемости оболочки. Каждый из изготовителей в США предлагал различные виды крепления подкладки. Фирма «Бэрдэйр», например, разработала подкладку, которая связана с наружным слоем в швах, а также вдоль линий канатов. В результате образуется множество отдельных подушек, что обеспечивает оболочке привлекательный внешний вид. Способ оказался исключительно эффективным, так как малые размеры подушек ограничивали конвекционные потери воздуха, связанные с его циркуляцией (рис. 11). Подкладка фирмы «Эйр-Tex» была также прикреплена вдоль швов оболочки, но не по тросовой сетке, располагаемой поверх оболочки. По проекту фирмы «Ирвин» материал подкладки прикрепляли вдоль швов с помощью тесьмы, создавая в результате длинные вертикальные воздушные полости. Хотя й предполагалось, что такая конструкция будет иметь более низкие теплоизоляционные показатели в связи с наличием конвекционных потоков воздуха в длинных вертикальных карманах, она легко допускала применение дополнительных прослоек, чтобы обеспечить дополнительные воздушные пространства там, где это требовалось. Использовать громоздкую теплоизоляцию в мобильных пневматических сооружениях непрактично из-за возникающих при этом проблем установки, снятия и хранения большого объема материала. Теплоизолирующие одеяла или пенистые материалы в связи с этим были применены только в нескольких постоянных воздухоопорных и тентовых сооружениях, которые оставались на месте после их прикрепления.
Воздухоопорные сооружения использовались также в качестве теплиц, однако мы не будем здесь их рассматривать, так как обычно используемые при этом поливинилхлоридные и полиэтиленовые пленки имеют сравнительно низкую долговечность. Наиболее распространенным применением принципа воздушного поддува для теплиц было использование двойных полиэтиленовых пленок, уложенных поверх жестких арочных конструкций. Для стабилизации и поддержки пленок производился поддув пространства между двумя слоями. Благодаря воздушной прослойке уменьшался общий коэффициент теплопроводности, а тем самым снижались и теплопо- тери. При сравнительно частом размещении опор слабое давление воздуха создает небольшие напряжения в оболочке, обеспечивая необходимую устойчивость. Поскольку полиэтилен дешев, такая конструкция обеспечивала получение сравнительно эффективных сооружений с низкой стоимостью. Однако, поскольку пленки не обладают стойкостью против ультрафиолетовой деградации, их ежегодно заменяют. Для облегчения замены пленок на небольших сооружениях были разработаны удачные решения, но они не подходят для крупных или постоянных сооружений.
Полагают, что если будут разработаны материалы более высокого качества, то возникнут благоприятные возможности для возведения воздухоопорных теплиц. Принцип опирания на воздух позволяет возводить большепролетные оболочки низкой стоимости. Однако при этом требуются более долговечные материалы с высокой светопроницаемостью, а также сложные устройства, обеспечивающие контроль поступающей солнечной энергии и теплопотерь при необходимости экономии энергии. Эти проблемы постоянно изучаются в связи с разработкой нейтральных к солнечному излучению материалов покрытия. Популярность воздухоопорных сооружений в значительной степени обязана их низкой стоимости, а также тому, что они обеспечивают хорошую защиту от непогоды. Наиболее часто применяемым материалом была ткань из нейлона или полиэфирного волокна, покрытая поливинилхлоридом. Применение акриловых полиуретановых покрытий или пленок «тедлар» дало возможность уменьшить движение пластификаторов к поверхности, помогая тем самым сохранять оболочку чистой и привлекательной и увеличивать срок ее службы. Долговечность мягких оболочек зависит в первую очередь от материалов и методов конструирования, поэтому наибольший срок службы пневматических сооружений при использовании обычных материалов составляет обычно всего 7—10 лет.
Несмотря на проблемы, возникшие из-за неопытности изготовителей и, как следствие, из-за того, что эксплуатационные качества некоторых ранних сооружений были ниже установленных стандартов, ожидается, что воздухоопорные сооружения в США будут продолжать применять для размещения товарных складов и хранилищ, так как они обеспечивают отличную защиту от непогог ды при низкой стоимости. Если они правильно запроектированы и правильно эксплуатируются, то обладают хорошей надежностью. Опыт показал, что проблемы, с которыми пришлось неожиданно столкнуться в ранних сооружениях, были в первую очередь вызваны небрежностью владельцев или плохой эксплуатацией сооружений. Так как оболочка является конструктивным элементом, а не просто покрытием, ее следует держать в хорошем состоянии. Давление воздуха нужно поддерживать постоянно, система воздухопо- дачи должна быть надежной и способной обеспечить эксплуатацию в случаях неисправности механической или электрической систем. Полная потребность в энергии для поддува и освещения невелика. Пневматические сооружения с правильно запроектированным воздухоподающим оборудованием при хорошей эксплуатации находились в непрерывной работе свыше 15 лет, выдерживая при этом штормовые ветры без повреждений.
Однако резкое повышение стоимости энергии за несколько последних лет значительно ограничило применение воздухоопорных конструкций мобильного типа, где требуются большие расходы тепла. С другой стороны, растущая забота о контроле окружающей среды повысила интерес к применению воздухоопорных сооружений для укрытия резервуаров с чистой водой или водоемов, чтобы предотвратить их загрязнение.
Рекреационные сооружения. После того, как воздухоопорные сооружения в 60-е годы получили всеобщее признание, одним из наиболее быстро развивающихся секторов рынка в США стал сектор спорта и отдыха. Вслед за использованием фирмой «Бэрдэйр» покрытий плавательных бассейнов возник огромный интерес к пневматическим сооружениям, особенно применительно к бассейнам мотелей и клубов (рис. 12). Укрывая свои существующие бассейны, расположенные на открытом воздухе, владельцы были в состоянии обеспечить их круглогодичное функционирование при сравнительно небольших капиталовложениях. При укрытии бассейнов, находящихся под открытым небом, они становились доступными круглый год. Однако использование бассейнов часто было ограниченным, так как имеющиеся материалы оболочек не отвечали строгим требованиям противопожарных правил, предъявляемым к сооружениям.
Одновременно с огромным интересом к теннису в 60-е годы в США возник все возрастающий интерес к круглогодичным теннисным кортам. Воздухоопорные сооружения давали возможность укрыть в зимние месяцы теннисные корты, расположенные на открытом воздухе, чтобы обеспечить их круглогодичное использование при небольших затратах. Возможности большепролетных сооружений с высоким потолком оказались идеальными для теннисных кортов. Полупрозрачный белый материал обеспечивал хорошее естественное освещение. Использование непрямого отраженного света позволяло избежать подвески к конструкциям осветительных средств, что давало преимущество перед обычными осветительными системами.
Спрос на воздухоопорные сооружения для теннисных кортов быстро возрастал в 60-е годы и в начале 70-х. Большинство таких покрытий представляли собой однослойные оболочки без какого-либо усиления. Однако, так как потребность в более крупных многокортных сооружениях увеличивалась, началось широкое применение крупных оболочек, усиленных канатами и обладающих большей надежностью при пониженной стоимости. Оболочки фирмы «Бзрдзйр» с усилением имели дополнительное преимущество как покрытия теннисных кортов, так как у них была большая высота потолка в углах здания, что обеспечивало отсутствие каких-либо ограничений при игре в тыльных углах кортов.
Сооружения пролетом 36,5 м, перекрывающие корты по длине, были спроектированы в модуле, равном ширине корта, что позволяло перекрывать четыре, шесть или более кортов одной оболочкой. Такая конструкция может быть легко установлена и снята неквалифицированными рабочими менее чем за один рабочий день (рис. 13). Другие фирмы также предложили некоторые интересные решения. Сооружение фирмы «Эйр-Tex» (рис. 14) и конструкция фирмы «Ирвин» с тросовым усилением (рис. 15) обеспечивали повышенную надежность большим сооружениям. Фирма «Сидэйр» разработала очень интересное школьное рекреационное сооружение. Оно состоит из основной воздухоопорной оболочки, усиленной тросами, и из торцов, поддерживаемых рамами (рис. 16). Интересное сопряжение было применено в торцах, имевшее целью обеспечить равномерную передачу усилий и не препятствовать отдельным перемещениям. Аналогичная до некоторой степени конструкция с тканевыми торцевыми стенами, поддерживаемыми деревянными стойками, консольно заглубленными в грунт, была применена в рекреационном центре на западном побережье. Недостаток этого решения заключался в том, что сильное ветровое динамическое воздействие на плоские торцевые стены с воздушными завихрениями по концам крыши вызывало колебания тканевых торцевых стен и кровли. Повышать внутреннее давление в сооружении, чтобы предотвратить это, было непрактично, вследствие чего такая конструкция широко не применялась.
В связи с ростом стоимости энергии в 70-е годы почти все изготовители для снижения теплопотерь стали снабжать свои воздухоопорные оболочки теплоизолирующей подшивкой. Хотя такой способ, а также другие усовершенствования позволили снизить теплопотери на одну треть или наполовину, этого оказалось недостаточно для того, чтобы удовлетворить новые требования по расходу энергии для некоторых районов. Поэтому использование воздухоопорных конструкций для таких сезонных сооружений, как теннисные корты и плавательные бассейны, стало сокращаться, особенно в районах с низкими зимними температурами или большими снеговыми нагрузками. По-видимому, использование сезонных пневматических сооружений будет ограничено там, где теплопотери являются решающим фактором. Потребность же в подобных сооружениях для промышленных и рекреационных целей будет продолжать расти, поскольку они являются наиболее эффективным средством перекрытия больших пролетов. Развиваются новые рынки сбыта, особенно в солнечных районах, где можно использовать преимущества оболочек, связанные с их прозрачностью и другими уникальными свойствами, и где высокие теплопотери не являются решающим фактором.
Пневматическая архитектура. В ранние годы своего развития, когда пневматические сооружения использовались в первую очередь в военных целях или для сезонного применения, немногие архитекторы проявляли интерес к воздухоопорным сооружениям, предназначенным для постоянного применения в строительстве. Их обычные формы расценивались скорее как непривлекательные, а возможности перекрытия больших пролетов для организации отдыха еще небыли признаны. У нас, однако, была возможность работать с архитекторами при проектировании ряда уникальных сооружений специального назначения. В двух наших ранних конструкциях были, использованы пневмолинзовые покрытия.
Театр Центра искусств в Бостоне (рис. 17). Этот летний театр был запроектирован в конце 50-х годов в сотрудничестве с фирмами, которые представляли Карл Кох и Пол Уэйдлингер. Здание диаметром 42,6 м имело пневматическое покрытие линзообразной формы, поддерживаемое сжатым кольцом, опирающимся на колонны высотой 12,2 м. У него были отдельные тканевые боковые стены, предназначенные для сезонного применения, которые предполагалось снимать каждую осень. Это сооружение неожиданно подверглось воздействию урагана, который пронесся над Бостоном до того, как стены были сняты. Пневмолинзовое покрытие выдержало сильный ветер без каких бы то ни было повреждений, в то время как тенты боковых стен были сорваны.
Школьный бассейн в Мамаронеке (рис. 18). Школьно-общественный бассейн предполагалось летом использовать в качестве открытого бассейна, зимой же он должен быть укрыт. Чтобы избежать необходимости создания повышенного давления в эксплуатируемом объеме всего бассейна, была запроектирована надувная линзообразная крыша, раскатываемая по канатам, перекинутым через два больших пролета. Межоболочечное пространство было поддуто, чтобы стабилизировать оболочку. Нижняя поверхность оболочек поддерживалась специальными канатами, которые снижали провисание оболочки, а также напряжения в покрытии. Система поддува была спроектирована таким образом, чтобы подавать в полость покрытия теплый воздух. Это предупреждало скопление снега на крыше н обеспечивало обогрев поверхности покрытия над бассейном, существенно повышая тем самым уровень комфорта. Эксплуатационные качества крыши оказались в высшей степени удовлетворительными, а высокая стоимость энергии в то время еще не была решающим фактором.
Главные успехи при работе с архитекторами связаны, однако, с проектированием передвижных зрелищных или выставочных сооружений. Транспортабельность наших тканевых сооружений, простота и быстрота возведения и демонтажа делали их особенно привлекательными. Поскольку такие сооружения предназначались обычно для временного применения, их использование не было жестко ограничено строительными правилами или требованиями.
В соответствии с профилем фирмы «Бэрдэйр» и благодаря ее опыту в разработке как пневматических, так и тентовых конструкций мы имели благоприятную возможность разрабатывать многие выставочные сооружения.
В дополнение к небольшим сооружениям, которые можно было возвести за несколько часов для кратковременного использования с применением винтовых анкеров или балластных мешков, наполненных песком или водой, мы разработали ряд крупных выставочных сооружений. Основными из них являются следующие.
«Пентадом» (пятикупольник). Это выставочное сооружение (рис. 19) площадью 4650 м2, построенное для агентства «Эйр баллистикс миссайл», с самого начала использовалось как главное здание выставки, посвященной Дню вооруженных сил на базе ВВС Эндрьюс. Сооружение состояло из пяти отдельных воздухоопорных куполов, соединенных между собой большими проемами, окаймленными рамами. Оно было решено в модульной системе и имело достаточно мощное воздухоподающее оборудование, так что каждый из пяти куполов можно было использовать отдельно для устройства малой выставки или укрытия для монтажа. Это сооружение раннего периода впервые продемонстрировало возможность применения воздухоопорных сооружений в качестве очень крупных транспортабельных укрытий.
Выставочное здание «Атомы для мира» (рис. 20) — передвижное здание длиной 91,4 м с переменной шириной до 27,4 м, в состав которого входили выставки, театр, классные комнаты и небольшой атомный реактор. Оно предназначалось для того, чтобы демонстрировать мирное использование атомной энергии во всем мире. Здание, разработанное в содружестве с архитектором Виктором Ланди, было комбинацией пневмопанельных торцевых секций, снабженных шлюзами с вращающимися дверями, с основной частью здания, представляющей собой воздухоопорное сооружение с двойной оболочкой. Чтобы поддерживать и стабилизировать внутреннюю оболочку, требовалась небольшая разность давления. Двойная оболочка обеспечила в результате не только повышенную теплоизоляцию, но и повышенную безопасность, так как опускание всего сооружения в случае повреждения внутренней или внешней оболочки исключалось. Второе, меньшее сооружение было разработано позднее и представляло собой пневматическую подушку с внешней оболочкой, притянутой к земле цепными оттяжками. Внутренняя оболочка, поддерживаемая тросовой сеткой и колоннами, обеспечивала свободный неограниченный проход по всей площади под куполом.
Это сооружение также использовалось для демонстрации мирного использования атомной энергии в малых странах, особенно в Центральной и Южной Америке.
Наибольшую возможность совместной работы с архитекторами предоставляла разработка уникальных павильонов и выставочных зданий для всемирных ярмарок и выставок. Именно на таких зданиях мы имели возможность продемонстрировать универсальность как пневматических, так и тентовых сооружений, и возможности их разностороннего применения, включая обширные выставочные залы без внутренних опор и залы для общественных собраний. Некоторыми из таких сооружений, разработанных и построенных фирмой «Бэрдэйр», являются следующие.
Всемирная ярмарка в Нью-Йорке, 1964 г.
Рестораны «Брасс-Рэйл» — десять сооружений высотой 22,9 и диаметром 15,24 м, состоящих из пучка надутых воздухом и удерживаемых канатами шаров, поднятых на стойке над тентовым навесом, который укрывал закусочные и сувенирные киоски (рис. 21). Каждое сооружение было указательным символом таких ресторанов и привлекало внимание посетителей.
Павильон Шэфера. Два выставочных здания фирмы «Шэфер Бир» имели пневмолинзовые покрытия. Использование этой конструкции дало основную экономию при строительстве за счет снижения нагрузок на фундамент. Узор с применением сусального золота, нарисованный на внутренней оболочке, дал возможность получить весьма привлекательный интерьер.
«Гавайская деревня». Пневматическое здание на выставке штата Гавайи представляло собой эффектное коническое пневмопанельное сооружение (рис. 22). Уникальное тканевое решение было использовано для того, чтобы создать пять «вулканов» на крыше ресторана «Пять вулканов». Отрицательное давление воздуха в решении с двойной оболочкой обеспечивало коническую форму «вулкана» и делало его интерьер открытым.
Перечисленные сооружения, каждое из которых заметно отличается от других, позволили показать многосторонность архитектурных возможностей пневматических сооружений.
Выставка «ЭКСПО-67» в Монреале (Канада).
Павильон провинции Онтарио. На выставке «ЭКСПО-67» не было крупных воздухоопорных сооружений, зато мы имели возможность работать с фирмами «Фзйрфилд» и «Дюбуа», проектируя уникальную тентовую конструкцию. Хотя это сооружение и предназначалось для работы в течение всего двух лет, оно оставалось на месте в качестве примечательного экспоната выставки «Человек и его мир» в течение семи лет. Конструкция была изготовлена из специально разработанного материала, состоящего из стеклоткани, покрытой поливинилхлоридом. Отдельные панели представляли собой предварительно напряженные гиперболические параболоиды различной формы размером приблизительно 15,25X30,5 м. Требуемый точный раскрой был определен с помощью ЭВМ. с учетом необходимой компенсации, вызванной особенностями двухосной силовой характеристики материала. В связи со стабильностью размеров материала не требовалось никакого повторного напряжения ткани, чтобы сохранить ее натяжение во время всего периода службы. Этот материал был позднее намечен фирмой «Бэрдэйр» для использования его для оболочки павильона США на «ЭКСГ10-70», а затем послужил основой для новых материалов с тефлоновым покрытием, разработанных для мягких оболочек сооружений стационарного типа.
Выставка «ЭКСГ10-70», Осака (Япония).
Павильон США. Это был первый удобный случай продемонстрировать возможности воздухоопорной конструкции, усиленной канатами. Дальнейшее развитие конструкции описано ниже.
Выставочное здацие Службы путешествий США. Здание представляло собой сферическое воздухоопорное сооружение с картой мира, нанесенной на его поверхность. В нем размещался театр с расположенным по окружности экраном, охватывающим 360 °. Оно было запроектировано как передвижной экспонат, и его показывали во многих странах мира, перевозя вместе с экспозицией. Выставка «ЭКСПО-74», Спокан, шт. Вашингтон (США). Фирма «Бэрдэйр» запроектировала и установила тентовый павильон США на выставке «ЭКСПО-74». Это было очень большое сооружение с напряженной тканью, поддерживаемое тросами. Оно оказалось характерным экспонатом выставки.
Всемирные ярмарки и выставки привлекали внимание не только широкой публики, но и архитекторов и инженеров всего мира. Однако серьезный перелом в признании принципа опирания на воздух применительно к использованию в сооружениях больших пролетов возник в связи с появлением павильона США на выставке ЭКСПО-70 в Японии. Дэвис и Броуди получили одобрение комиссии за предложенный ими проект, основой которого является уникальная пневматическая конструкция с двухслойной оболочкой. Фирма «Бэрдэйр» являлась консультантом архитекторов при разработке этого проекта, и ей было поручено изготовить само сооружение. В связи с тем, что правительство наполовину срезало ассигнования на строительство павильона, возникла необходимость резко снизить стоимость сооружения, сохранив при этом громадный объем выставочного пространства. Фирма «Бэрдэйр» предложила применить воздухоопорное покрытие, усиленное канатами, аналогичное своему проекту «Кэйблдом» (рис. 23).
В Японии в связи с тайфунными условиями для снижения аэродинамических нагрузок требовалась оболочка низкого профиля. Окончательно было выбрано сооружение с низким силуэтом размером 76,2X137,16 м (рис. 24). При этом края оболочки опирались иа земляные насыпи, которые переходили в покрытие, содействуя тем самым обеспечению более равномерной аэродинамической нагрузки на все покрытие. Фирма «Бэрдэйр» подготовила технические условия на изготовление этого покрытия, а инженер-конструктор проекта Дэвид Гейгер разработал систему канатов и опорное кольцо. Я расцениваю павильон США как выдающееся сооружение выставки «ЭКСПО-70». Там было много уникальных зданий, представлявших достижения инженерной мысли, но это сооружение продемонстрировало исключительные возможности воздухоопорной оболочки, усиленной канатами, в качестве решения проблемы экономичного большепролетного покрытия. Эксплуатационные качества сооружения были исключительно высокими. Оно надежно противостояло сильным ветрам.
Успех этого сооружения способствовал появлению огромного интереса к пневматическим сооружениям для применения их в разных целях. Серьезное препятствие представляли требования правил пожарной безопасности для мест возможного скопления людей. Несмотря на то, что многократно было доказано, что воз- духоопорные сооружения обладают уникальной огнестойкостью, свойствами автоматического дымоудаления и самозатухання в сочетании с небольшой массой сгораемого материала, эти свойства не были признаны строительной инспекцией. Чтобы такие сооружения получили широкое признание, возникла необходимость в материале, который прошел бы суровые огневые испытания и отвечал также другим требованиям строительных правил, предъявляемым к обычным материалам. Это привело к предложению об использовании стеклоткани, покрытой тефлоном . Фирма «Бэрдэйр» сотрудничала с фирмой «Кэмикэл фэбрикс» и с основными поставщиками — фирмами «Дюпон» и «Оуэнс-корнинг файберглас» — с целью разработать материал, подходящий для использования в большепролетных воздухоопорных и тентовых сооружениях. Первое применение этот материал нашел в тентовом покрытии здания студенческого центра колледжа в Ла Верне (рис. 25), запроектированного совместно с фирмой «Шейвер партнершип» и изготовленного фирмой «Бэрдэйр». Покрытие показало выдающиеся возможности нового материала. Этот материал получил широкое признание для мягких оболочек, строящихся повсюду в США, и принят сейчас к применению во всем мире.
Ниже дано описание нескольких воздухоопорных сооружений нового поколения, возведение которых стало возможным благодаря разработке ширфилла — нового материала из стеклоткани, покрытой тефлоном.
Студенческий центр колледжа и драматическая студия в JIa Верне (Калифорния) площадью 5307 м2 (см. рис. 25). Автор проекта — бюро «Шейвер партнершип», Салайна (Канзас). Это первое стационарное тентовое сооружение с оболочкой, которое изготовлено из стеклоткани, покрытой тефлоном. Покрытие представляет собой точно раскроенную оболочку, двухосно напряженную усилиями, создаваемыми предварительным напряжением радиальных тросов. Сооружение находится в эксплуатации приблизительно десять лет и не имеет признаков износа или разрушения. Оно до сих прр такое же белоснежное и привлекательное, как тогда, когда было впервые установлено.
Спортивный зал колледжа площадью 3419 м2, Миллиген (Теннесси). Автор проекта — бюро «Шейвер партнершип», Салайна (Канзас). Это первое стационарное воздухоопорное сооружение с оболочкой, изготовленной из стеклоткани с тефлоновым покрытием. Опыт, полученный при разработке данного проекта, привел к существенным улучшениям методов детального проектирования и монтажа, что способствовало признанию нового технического решения.
Спортивный зал колледжа в Санта-Клара площадью 7060 м2, Калифорния (рис. 26). Автор проекта — Альберт Гувер, Пало Альто (Калифорния). Воздухоопорная оболочка покрытия основного здания изготовлена из стеклоткани, покрытой тефлоном. Примыкающее справа здание плавательного бассейна перекрыто съемной, усиленной канатами водухоопорной оболочкой, изготовленной из полиэфирной ткани и покрытой поливинилхлоридом.
Купол-обтекатель на телебашне в виде тора диаметром 42,6 м, Торонто (Канада) (рис. 27). Авторы проекта — Джон Эндрьюс, Уэбб, Зерафа и др. (Торонто). Тороидальный обтекатель, укрывающий оборудование микроволновой антенны, поднятой на высоту 410 м, находится под обзорной площадкой и рестораном. Стеклоткань, покрытая тефлоном, прочна, погодостойка и радиопрозрач- на. Лед, снег и пыль не пристают к поверхности, которая остается чистой и сохраняет свои высокие эксплуатационные качества.
Стадион «Силвердом» площадью 37 160 м2, Понтиак (Мичиган) (рис. 28). Автор проекта — бюро «О’Делл, Хьюлетт и Люкенбах», Бирмингем (Мичиган). Считают, что это самый большой в мире крытый стадион; первый крупный стадион, перекрытый воздухоопорной конструкцией. Оболочка изготовлена из ширфилла (стеклоткань, покрытая тефлоном). Покрытие усилено стальными канатами диаметром 7,62 мм, расположенными с шагом приблизительно 12,2 м. Форма покрытия и применение акустических звукопоглощающих панелей, подвешенных к канатам, обеспечили в результате акустику помещения, значительно лучшую, чем в крытых стадионах обычной конструкции.
Спортивный зал площадью 6224 м2 университета Эр-Рияд, Саудовская Аравия (рис. 29). Автор проекта — бюро «Билдинг Сайенсиз», Таусон (Мериленд). Первое постоянное воздухоопорное сооружение на Среднем Востоке, изготовленное из материала ширфилл. Покрытие имеет полную акустическую подшивку из фэбрасорба, обеспечивающую отличные термические и акустические качества. В связи с высокой тепловой отражательной способностью материала здание может охлаждаться весьма эффективно. Высокая светопроницаемость материала обеспечивает также хорошее естественное освещение дневным светом. Как выяснилось, материал ширфилл обладает высокими эксплуатационными качествами в жарких солнечных районах, таких как Саудовская Аравия. Успешное применение ширфилла в этом здании привело к тому, что его приняли для покрытия строящегося Центра встречи паломников Хадж площадью 42,5 га.
Стадион и центр отдыха Флоридского университета площадью 9290 м2, Гейнсвилл (Флорида) (рис. 30). Авторы проекта — Кодилл Роулетт, Скотт, Хьюстон (Техас). Центральная часть покрытия главной арены является воздухоопорной оболочкой, усиленной канатами. Она полностью подшита снизу для повышения теплоизоляционных и акустических свойств. Боковые части покрытия над плавательным бассейном и другими помещениями представляют собой тентовую конструкцию. Оболочки из ткани, покрытой тефлоном, идеально подходят для жаркой погоды солнечной Флориды.
Стадион Сиракьюсского университета площадью 23-225 м2, Сиракьюс (шт. Нью-Йорк) (рис. 31). Автор проекта — Финч-Хири, Атланта (Джорджия). Хотя проект и отличается низкой стоимостью. данное сооружение представляет собой один из лучших крытых университетских стадионов в США. Полностью подшитое снизу воздухоопорное покрытие имеет отличные тепло акустические свойства, обеспечивая одновременно эффективное естественное освещение.
Стадион «Метровом» площадью 36 230 м2, Миннеаполис (Миннесота). Автор проекта — бюро «Скидмор, Оуингс и Меррил». В покрытии этого стадиона использована конструкция с диагональными канатами и анкерным кольцом, примененная инженерами Гейгером и Бергером во многих более ранних сооружениях. Внутренняя компоновка стадиона, однако, совсем другая, поскольку он запроектирован так, чтобы обеспечить игру в футбол и бейсбол. Опыт, приобретенный фирмой при проектировании, изготовлении и монтаже прежних оболочек, должен помочь сделать его одним из лучших сооружений в мире, стоимость которого существенно ниже по сравнению с крытыми стадионами обычной конструкции.
Высокая конструктивная эффективность воздухоопорных оболочек делает нх идеальными для крупных сооружений больших пролетов. В связи с малой массой материалов тканевых сооружений общая стоимость энергии, необходимой для строительства, обычно гораздо ниже, чем для традиционных конструкций. Высокая теплоотражающая способность материалов из ширфилла делает их пригодными для применения в жарких солнечных районах. Новые материалы и новые решения, разрабатываемые в настоящее время, предоставляют также возможность эффективного применения пассивной системы использования солнечной энергии. Хотелось бы выразить уверенность, что такие разработки приведут к возможности полного обеспечения сооружений энергией, и это будет способствовать признанию воздухоопорных сооружений как стационарных зданий.
Высокая прочность и малая деформативность в сочетании с другими выдающимися свойствами нового материала содействовали использованию н принятию его также в качестве оболочек многих тентовых сооружений, включая выставочные павильоны, такие как здание Флоридского фестиваля в Си-Уорлде, Орландо (Флорида), новое здание для животных в зоопарке Франклина в Бостоне (Массачусетс), магазины Баллока в Сан-Хосе и Сан-Матео (Калифорния). Высокая стабильность размеров этого материала делает его идеальным для изготовления обширных тентовых навесов, таких, например, как те, которые недавно были возведены фирмой «Бэрдэйр» в международном аэропорту Тампа. Они дали возможность создать модульные секции площадью по 0,2 га, используемые сейчас при строительстве Центра встречи паломников Хадж площадью 42,5 га в новом международном аэропорту Джидда в Саудовской Аравии (рис. 32).
Следует ожидать, что тканевые сооружения — и воздухоопорные и тентовые — будут играть все более важную роль в строительстве.
В. Ермолов, У. У. Бэрд, Э. Бубнер и др., Пневматические строительные конструкции, М., 1983