Сводовете и куполите се използват за покриване на пространства с различна форма
Екостроителство

Сводове и куполи в архитектурата

Сводовете и куполите се използват за покриване на пространства с различна форма. Куполите могат да бъдат разглеждани като сферични сводове.

Въпреки че са познати от древността, тяхното приложение бе изместено от други индустриални конструкции и знанието за тях бе забравено. Напоследък интересът към сводовете и куполите се възражда. Фондацията на световноизвестният британски архитект Норман Фостър реализира проект за летище за дронове в Руанда.

Концепция за Droneport
Фиг. 1. Концепцията за Droneport е инициирана от Джонатан Ледгард, който я разработва в École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) в Швейцария (източник: Norman Foster Foundation)
Пример за изграждане на куполи от направени на място непечени пресовани глинени блокове
Фиг. 2. Куполите се изграждат от направени на място непечени пресовани глинени блокове (източник: Norman Foster Foundation)
3D принтери за куполи
Фиг. 3. В Италия от фирмата WASP са реализирани и първите 3D принтирани куполи от земя (източник: WASP)
3D принтерите наподобяват вид оси които изграждат от глина своите „къщи“
Фиг. 4. 3D принтерите наподобяват вид оси които изграждат от глина своите „къщи“

НАСА проведе конкурс за строителство на Марс. Екип AI. SpaceFactory от Ню Йорк е победителят на второ място в 3D-Printed Habitat Challenge.

Снимка на проекта победил в състезанието 3D-Printed Habitat Challenge
Снимка на проекта победил в състезанието 3D-Printed Habitat Challenge
Фиг. 5. Екипът SEArch + / Apis Cor от Ню Йорк е победителят на четвъртото място в 3D-Printed Habitat Challenge

Основният въпрос при проектиране и изграждане на сводове и куполи е свързан с овладяването на силите на опън, които действат в тези конструкции.

Различни способи за балансиране на хоризонталните сили при сводове и куполи
Фиг. 6. Различни способи за балансиране на хоризонталните сили при сводове и куполи

На фиг. 6. са показани различни способи за балансиране на хоризонталните сили при сводове и куполи. Те са както следва:

  • A) с директно отвеждане във фундаментите;
  • B) с контрафорси;
  • C) с контрафорси, свързани с арки;
  • D) с подова конструкция, например стоманобетонна плоча;
  • E) с обтегачи;
  • F и G) чрез сводове, разположени под нивото на централния купол.

Когато за база служат стени, хоризонталната компонента се поема с големи дебелини на зидовете, с контрафорси или обтегачи.

Сводове от глинеста почва могат да поемат много малки опънни напрежения. Съществуват форми, при които хоризонталните сили се свеждат до минимум. За тяхното проектиране се използва така наречената „верижна линия“. Тази линия се получава от окачена в двата си края и свободно провиснала верига. Антонио Гауди използва този прост принцип. Той изработвал макети от окачена на тавана тъкан, пропита с гипс. След втвърдяване, обръщал обратно получените форми, които служели за прототип на много негови произведения.

Сферичен купол
Фиг. 7. Схема на сферичен купол

В сферичния купол съществуват натискови (на фиг. 7. с червено) и опънни (на фиг. 7. със синьо) усилия. Вдясно на фиг. 7. е показан купол с форма, в която действат само натискови сили.

Верижна линия
Фиг. 8. Верижна линия

Малко известен факт на днешните строители и специалисти е, че сводове и куполи могат да се изпълнят без кофраж.

Нубийски свод

Нубиският свод е известен от 6000 години. Неговото възраждане дължим на известният египетски архитект Хасан Фатхи.

Използва се формата на верижната линия, като височината на свода съставлява от 55% до 70% от дължината на отвора. Зида се без кофраж с наклонени от 65 до 70 градуса редове. Всеки ред представлява наклонена арка, която се подпира върху предишната. Сводове с по-малка височина са типични за Иран, но изискват прецизност в изпълнението и по-голяма якост на натиск на тухлите.

Използват се тухли с дебелина 5-6 см. Традиционните размери на тухлите за Египет са 24х14х5 см, за Иран – 20х20х5 см.

Принцип на изграждане на нубийски свод
Фиг. 9. Принцип на изграждане на нубийски свод

При на изграждането на нубийски свод, за очертаване на линия, близка по форма до верижната, се използват три връвчици, завързани в общ възел в единия от краищата, с дължина ⅓ от отвора на свода. Височината е 62% от отвора на свода.

Строителство на нубийски свод
Фиг. 10. Строителство на нубийски свод (източник: Siddharth Menon Architect)
Направа на свод без кофраж чрез зидане на редове-арки от ъглите към центъра.
Фиг. 11. Направа на свод без кофраж чрез зидане на редове-арки от ъглите към центъра
Направа на свод без кофраж чрез зидане на редове-арки, успоредни на основата (базата)
Фиг. 12. Направа на свод без кофраж чрез зидане на редове-арки, успоредни на основата (базата)
Изпълнение на купол от коб с укрепване от предварително оплетени прътове, вилно селище Омая
Фиг. 13. Изпълнение на купол от коб с укрепване от предварително оплетени прътове, вилно селище Омая (снимка: арх. Б. Буров)
Изграждане на сферичен купол
Фиг. 14. Изграждане на сферичен купол (снимка: craterre.org)

Куполи на хоризонтални редове

Куполите най-често се зидат на хоризонтални редове (пръстени) без кофраж. Най-често срещани и най-лесни за изпълнение са сферичните куполи.

Използва се подвижен водач от дърво или метал с дължина равна на радиуса, закрепен шарнирно в центъра на купола. След завършването си, всеки ред се самозаключва и не може да падне. Ако е необходимо, последните редове се предпазват от приплъзване по време на зидане чрез висящи тежести, завързани с канап.

Строителство на купол от пресовани земни блокове
Фиг. 15. Строителство на купол от пресовани земни блокове

На фиг. 15. на преден план се вижда металният водач. На заден план през отворите се виждат висящите тежести, които временно прикрепват тухлите от всеки следващ ред с метални куки. Бангалор, Индия. Арх. Читра Вишванат

Купол от пресовани земни блокове. Временното закрепване на тухлените редове става с висящи тежести
Фиг. 16. Купол от пресовани земни блокове

Авгански купол

Използва се за покриване на помещения с правоъгълна форма. Състои се от арки, наклонени под 30 градуса. Зидането започва едновременно от всички ъгли докато арките се заключат в центъра на купола. Стая с размери 4×4 м се покрива за половин ден от пет човека. По време на зидането в широката част на фугите се поставят камъчета, които заклинват реда. Това позволява на работниците да се движат от външната страна на купола преди втвърдяване на свързващия разтвор. Така се избягва направа на работно скеле от вътрешната страна.

Етап в направата на авгански купол
Етап в направата на авгански купол
Фиг. 17. Етапи в направата на авгански купол (снимка: craterre.org)

Примерни изпълнения:

Фиг. 18. Направа на купол от печени тухли без кофраж
Фиг. 19. Направа на куполи и сводове от печени тухли без кофраж

Каталонски (Guastavino) свод

Тънки черупки с форма на свод или купол са използвани масово по времето на испанския ренесанс. Още древните римски строители са въвели свод от два слоя тънки тухли.

В Термите на Каракала са използвали за първия слой големи теракотни плочи 60х60 см („pentádoron“), за втория – по-малки плочи ⅔ от предишните („laterculi“). Тази конструкция се споменава в Испания през 1382 г., въпреки че е използвана и преди това в Каталония, Валенсия и Майорка. Наричани са още каталонски свод или Guastavino свод на името на американския инженер Rafael Gustavino, който ги въвежда в САЩ през 1881 г.

За разпространението на каталонския свод в миналото е допринесъл фактът, че опитните майстори са можели да покриват пространства от 4-6 м бързо и без кофраж.

Антонио Гауди прилага с голямо майсторство каталонския свод в няколко свои произведения, най-известното от които е катедралата Саграда Фамилия в Барселона.

Каталонският свод е използван също по-късно от архитектите Льо Корбюзие и Мис ван дер Рое.

Каталонския свод се изгражда от два или по-вече слоя тънки кухи тухли или плътни плочи. Тухлите са леки и се закрепват помежду си с бързо свързващ разтвор без кофраж. Тухлите от всеки горнен слой се полагат под ъгъл 45 градуса с хоросан върху долния. Като резултат се получава тънка и лека черупкова конструкция.

Благодарение на редица архитекти и инженери от цял свят днес каталонския свод се възражда като елегантна съвременна хай-тек конструкция. Най-известен от тях е американският инженер John Ochsendorf.

Информация по темата:

Каталонски свод
Фиг. 20. Каталонски свод (източник: scielo)
Каталонски свод в катедралата Саграда Фамилия. Антонио Гауди, Барселона
Фиг. 21. Каталонски свод в катедралата Саграда Фамилия. Антонио Гауди, Барселона (източник: gaudiallgaudi.com)
Фиг. 22. Пример за направа на каталонски свод
Стълбище в университета Карнеги Мелън
Фиг. 23. Стълбище в университета Карнеги Мелън. Черупкова конструкция от тухли 15х30х2.5 см. Този метод е патентован от Rafael Guastavino през 1885 г. (снимка: Michael Freeman)
Черупкова конструкция (каталонски свод), изградена без кофраж от тънки пресовани на място земни блокове с дебелина 10 см
Фиг. 24. Черупкова конструкция (каталонски свод), изградена без кофраж от тънки пресовани на място земни блокове с дебелина 10 см

На фиг. 24. е показана снимка на най-известната работа на архитект Peter Rich и инжинер John Ochsendorf. Посетителски център в Национален парк Мапунгубве Mapungubwe, Южна Африка. Източник на снимката: SMITHSONIAN MAGAZINE.

Посетителски център в Национален парк Мапунгубв, Южна Африка
Фиг. 25. Посетителски център в Национален парк Мапунгубв, Южна Африка

На горната снимка (фиг. 25.) куполите са от два слоя тухли, покрити със замазка. Подпорното разстояние достига 18 м.

Конферентен център Pines Calyx, Дувър, Англия
Фиг. 26. Конферентен център Pines Calyx, Дувър, Англия, 2006 г.

Двата каталонски купола на на конферентния център Pines Calyx изобразени на фиг. 26., (по-големият е с диаметър 12 м.) са проектирани от американският инженер John Ochsendorf. Изградени са от три слоя непечени пресовани плочи от местния материал креда. От същия материал чрез метода на трамбованата земя са направени и стените. Постигнат е 80% по-малък въглероден отпечатък от традиционните сгради.

Хай-тек конструкция от гранит. Collier Memorial, Бостън, САЩ
Фиг. 27. Хай-тек конструкция от гранит. Паметникът се състои от 32 масивни гранитни блока, прецизно оформени с компютър и монтирани заедно в плитка отворена куполна арка с 5 радиални крила, наподобяваща пръстите на отворена ръка Collier Memorial, Бостън, САЩ. Архитект J. Meejin Yoon

Сводове и куполи от торби с пълнеж от земя (superadobe)

Тази концепция е била първоначално представени от американския архитект от ирански произход Надър Халили по проект на NASA за изграждане на местообитания на Луната и Марс, като „Velcro-adobe“. Къси или дълги пясъчни торби сe пълнят с пръст на място и се подреждат в дълги редове. Прилагат се старите принципи на вечните форми на арки, куполи, сводове и апсиди с единична или двойна кривина. Тези форми предполагат само натискови сили, които укрепват редовете дин към друг.

През 1991 г. Надър Халили основава неправителствената организация Cal-Earth (Тhe California Institute of Earth Art and Architecture), която проучва и експериментира този вид строителство. Конструкциите от торби с пълнеж от земя са преминали тестове за земетръсна устойчивост в Калифорния. Използваните форми са устойчиви на силни ветрове. Техният дизайн и топлинна маса създадат удобни жилищни пространства на базата на проверени от времето, устойчива на тежки условия архитектура, като например в родния Иран на Надър Халили.

Снимка на Надър Халили на фона на едно от неговите архитектурни прозиведения
Фиг. 28. Снимка на Надър Халили, основателят на Cal-Earth, на фона на едно от неговите архитектурни прозиведения
Формата на верижната линия позволява създаване само на натискови усилия в конструкцията.
Фиг. 29. Формата на верижната линия позволява създаване само на натискови усилия в конструкцията.

Формата на верижната линия позволява създаване само на натискови усилия в конструкцията (фиг. 29.).

Реципрочни (взаимноподдържащи се) стуктури

Терминът реципрочни структури е въведен от Graham Brown, който разви този тип конструкции във Великобритания, се използва в смисъл на взаимно поддържащи се структури, защото съставните им елементи (греди, пръти, дъги) многократно се подкрепят един с друг. Най-често се използват за направата на покриви и мостове. Основното им предимство е възможността да се използват сравнително малки и леки еднакви или подобни съставни елементи за по-големи подпорни разстояния.

Реципрочната конструкция е самостоятелно поддържа триизмерна структура, съставена от три или повече полегати пръта (греди), които образуват затворен контур. Вътрешният край на всеки прът лежи върху и е подкрепен от съседния. Конструкциите могат да бъдат опростени (единично реципрочни) или с по-голяма сложност (двойно, тройно и т.н. реципрочни).

Единично реципрочната конструкция се състои от взаимно поддържащи се греди, разположени тангенциално като лъчи около централна точка на симетрия и образуват вътрешен многоъгълник. С външните си краища гредите образуват многоъгълен полигон или кръг, носен от стени, дървен пояс или колони. Когато конструкцията служи за покрив, вътрешния полигон може да се използва за горно осветление.

Големите структури, изградени като комплексна мрежа от една или на няколко сходни реципрочни единици имат вътрешноприсъща красота, получена от подобието и симетрията на съставните елементи. Проектирането на големи структури е сложна и комплексна задача.

Реципрочните структури са познати от историята. Индианското типи, ескимоската тента и покривът на някои неолитни землянки използват подобен принцип. В Япония има доказателства за будисткия монах Chogen (1121–1206), който използвал спираловидно поставени една над друга дървени греди за строителство на храмове и светилища. Леонардо да Винчи в свои скици е предложил варианти на реципрочни конструкции.

Скица на Леонардо да Винчи на самоподдържащ се мост
Фиг. 30. Вляво: скица на Леонардо да Винчи на самоподдържащ се мост (източници на изображенията: (вляво) researchgate.net, (вдясно) core77.com)

Мостът на Леонарно да Винчи (фиг. 30.) вероятно е проектиран за военни цели като временно съоръжение.

Двоен реципрочен купол
Двоен реципрочен купол
Фиг. 31. Двоен реципрочен купол с диаметър 8 м в лекционна зала Hill Holt Wood
Различни възможности за дизайн на реципрочни куполи, представени в Reciprocal Frame Structures Made Easy
Фиг. 32. Различни възможности за дизайн на реципрочни куполи, представени в Reciprocal Frame Structures Made Easy
Направа на реципрочен покрив на експериментална сграда със сламени бали в с. Извор, Родопите
Фиг. 33. Направа на реципрочен покрив на експериментална сграда със сламени бали в с. Извор, Родопите, арх. Николай Маринов
Реципрочна конструкция на голяма сцена Trasfiguration 2015 г., с. Долен
Фиг. 34. Реципрочна конструкция на голяма сцена Trasfiguration 2015 г., с. Долен, арх. Николай Маринов
Реципрочен свод
Фиг. 35. Реципрочен свод (източник: samanthabush.weebly.com)
Реципрочен купол на The Bunraku Pupper Theater, архитект Ishii Kazuhiro
Фиг. 36. Реципрочен купол на The Bunraku Pupper Theater, архитект Ishii Kazuhiro
Реципрочен купол от бамбук
Фиг. 37. Реципрочен купол от бамбук (източник: tempodivivere.it)
Фиг. 38. Направа на реципрочен купол от бамбук от студенти от инженерния факултет на университета в Aquila, Италия
Фиг. 39. Сглобяване модел на реципрочен купол
Фиг. 40. Сглобяване на реципрочен купол Япония

Геодезически купол

Геодезическият купол представлява мрежеста черупка с форма на сферичен многостен съставена от пръти. Първият геодезически купол (въз основа на икосаедър) е създаден от немски инженер Walther Bauersfeld за планетариума в Йена, Германия през 1926 г. Популяризирането на тези структури дължим на американският инженер Ричард Бакмистър Фулър, който ги патентова. През 1967 г. по негов проект в Монреал, Канада е построен павилионът на САЩ.

Геодезическите куполи се прилагат за зали, оранжерии, преносими сглобяеми конструкции, жилища и др. Те са леки и устойчиви на натоварване, вятър и земетръс, имат благоприятно съотношение материал/обем и до 50 м диаметър се сглобяват без използване на скеле и подпори. Могат да се изпълнят от различни материали: метал, дърво, пластмаса, триъгълни панели от дърво или бетон.

Когато куполно пространство се използва за жилище е добре да не бъде разделяно със стени на по-малки стаи. В противен случай се образуват нефункционални остри ъгли, които трудно могат да бъдат обзаведени и ще се получат неестетични и неизползваеми обеми.

Покривът на мулти-функционална зала в Нагоя, Япония, е най-голямата геодезична стуктура с диаметър 187.2 м
Фиг. 41. Покривът на мултифункционална зала в Нагоя, Япония, е най-голямата геодезична стуктура с диаметър 187.2 м
Къща от КОБ под геодезически купол близо до полярния кръг в Норвегия
Фиг. 42. Къща от КОБ под геодезически купол близо до полярния кръг в Норвегия (източник: designbuild-network.com)

Автор: арх. Георги Георгиев

Още по темата – подбрано от ЕкоХъб

Видеозаписи от семинара за строителство на куполни къщи на Вадим Иевлев:

Comments are closed.