Стальные конструкции и архитектура. Столетие каркасного строительства из стали. Развитие и достижения

Начать мы хотели бы с более старого сооружения, которое создало хорошую подготовку для настоящего и будущего стальных конструкций, которое включено в историю строительства как пример «брутализма». Это -- средняя школа в Ханстэнтоне (Англия), запроектированная архитекторами Алисоном и,Петером Смит-сонами в 1949 г., т.е. вскоре после строительства двух наиболее значительных сооружений послевоенного времени -- жилого комплекса в Марселе (архит. Ле Корбюзье, 1948--1954 гг.) и первого институтского здания Мис ван дер Роэ в Чикаго. Здание школы в Ханстэнтоне как бы занимает промежуточное положение между бетонным массивом в Марселе и стальной архитектурой Иллинойского технологического института. Симметрия, прямоугольность и замкнутость корпуса здания, последовательность, с которой стальной каркас отделяется от плоскости стекла и от клинкерной кладки, -- все это явное возвращение к эпохе Мис ван дер Роэ, но детальная обработка стальных конструкций здесь свободна от строгой геометричности; несущие и вспомогательные конструкции открыты; проводки, трубы, каналы и решетки оборудования, сборные железобетонные элементы перекрытий сильно упрощены, если не сказать грубоваты, но в основе функционально правильны.

Строительство этого здания позволило Англии вновь занять ведущее место в международной архитектуре, как и в XIX столетии. Англичане нашли выход из дилеммы -- пуритански-чистая статика, с одной стороны, и экспрессивная динамика, с другой, благодаря своим национальным особенностям -- отрицанию доктринерской систематики, склонности к эксцентричным решениям.

Открытый стальной каркас, примененный как архитектоническое средство в комплексе Иллинойского технологического института, должен был в высотном строительстве отступить. Сторонники стальных конструкций должны были воспринять это следствие стиля «навесных стен» как шаг назад, как обнищание стиля. Было много попыток вмонтировать несущий каркас в висячий фасад или сделать каркас видимым через него. В середине 50-х годов были построены первые многоэтажные здания с выступающими несущими конструкциями. Начало было положено вновь Мис ван дер Роэ строительством «Гроун-холла» -- резиденции архитектурного факультета Иллинойского технологического института (1952--1956 гг.); в этом здании стальные рамные сплошные конструкции, решенные крайне последовательно и геометрически строго, полностью вынесены наружу, что для строительства залов не является принципиально новым.

Строительством административного здания «Инленд Стил билдинг» в 1954--1957 гг. Чикаго снова заняло ведущее положение в развитии многоэтажных деловых домов. В отношении разделения функций отдельных элементов зданий это сооружение представляет идеальную каркасную структуру. Огромная (960 м2) площадь плана 19-этажного административного здания полностью свободна и позволяет в пределах внутренней модульной сетки осуществлять любую планировку. Проходы, лестницы, санитарные узлы и другие виды оборудования объединены в квадратной башне, которая расположена асимметрично вдоль продольной стороны здания. Стоики многоэтажных сварных рам пролетом 18 м выступают за наружные стены здания. Выступающие торцовые поверхности и утопленное остекление в нижних этажах настойчиво демонстрируют несущую структуру. Стойки рам обетонированы, вся же остальная фасадная структура и безоконная башня облицованы нержавеющей сталью.

В 1955 г. в ФРГ было воздвигнуто небольшое здание, внесшее важное новшество: оно было, вероятно, первым многоэтажным административным зданием, в котором наружные стальные колонны остались без огнезащитной облицовки. В этом административном здании в Густав-сбурге стальные конструкции были особенно тщательно проработаны. По соображениям экономики и учитывая чрезвычайно короткое время, отведенное на строительство, с самого начала была поставлена задача -- оставить стальные конструкции открытыми. Наружные колонны поставлены в 15 см от фасада; поскольку экспериментально была доказана их огнестойкость, органы надзора за строительством разрешили даже применение дерева для элементов фасада.

Начиная примерно с 1960 г. открытый несущий каркас был признан повсеместно. Проектировавшееся с 1956 г., но построенное лишь в 1961--1964 гг. административное здание «Джон Дир компании в Молине (штат Иллинойс, США) архитектора Ээро Сааринена послужило стимулом для дальнейшего развития стальных конструкций. Архитектору и заказчику удалось, несмотря на противодействие противопожарного надзора, оставить стальные конструкции открытыми. Система солнцезащитных галерей во всех этажах подчеркивает несущий каркас: на продольной стороне выступают наружу колонны и главные балки, на поперечной стороне -- второстепенные балки. Галереи вокруг здания служат для навешивания солнцезащитных жалюзи и решеток. Во всех узлах главные, второстепенные и вспомогательные балки либо уложены друг на друга, либо перерезают друг друга. Все сечения элементов доступны обозрению.

Высокие затраты на прокатные и листовые профили для солнцезащиты вряд ли могли быть компенсированы упрощением системы кондиционирования воздуха и значительно повысили стоимость строительства. Однако весь комплекс с самого начала был задуман как демонстрация стального сплава кор-тен, который под атмосферным воздействием образует на своей поверхности защитный слой, предохраняющий металл от коррозии, и применяется лишь для железнодорожных рельсов. Темный цвет этой стали придает вместе с пятнами тени и игрой света на остеклении особую выразительность стальному каркасу. Здание вырастает из окружающего ландшафта как монумент культуре американского континента.

Мысль оживить открытый стальной каркас навесными солнцезащитными галереями нашла воплощение в здании посольства в Вашингтоне, запроектированном в 1958 г. Эгоном Айерманом и выстроенном в 1964 г. Наружные колонны несущего каркаса не облицованы. Стальной каркас обрамлен балконами: изящные консоли из перфорированного, поставленного на ребро стального листа, связаны швеллерным профилем, а на узких косяках из стальных труб висят продольные бруски перил и вертикальные элементы солнцезащиты из деревянных реек. Покрытые решеткой балконы создают дополнительную защиту от солнца и служат для очистки окон; они используются также и как эвакуационные проходы, благодаря чему было разрешено применить необлицованные несущие колонны в соединении с деревянными оконными рамами из древесины орегонской сосны.

Противоположностью зданию «Джон Дир компания является проект Штирлинга административного и исследовательского центра «Дорман Лонг» при прокатном заводе в Мидлсбро (Англия). Вытянутый в длину 14-этажный корпус здания приобрел мощную динамику благодаря тому, что остекленный фасад в нижней части здания установлен с наклоном; этому могучему взлету на обратной стороне соответствуют выступающие вперед башни с лестница-» и лифтами. Ломаной фасадной плоское»" следуют выставленные наружу стойка перекрывающих всю глубину здания многоэтажных рам; ветровые раскосы и продольные балки, обеспечивающие жесткость, дополняют впечатление огромной мо_« сооружения. Весь каркас находится на расстоянии ~ 60 см от остекления по требом-нию органов строительного надзора. Эти» проектом Штирлинг доказал, что и в стала можно решать задачи «бруталистическол» архитектуры и что строительному сооружению можно придать индивидуальный обр»..

С точки зрения строительной физика поставленные снаружи колонны непосредственно передают температурные колебания наружного воздуха всей несущей структуре, что в классическом варианте и в старых каркасных решениях устраняете* наличием наружных ограждающих стен. Глубокие исследования каркасных сооружений из металла и железобетона, которые начиная с 1960 г. выполнялись преимущественно по новому конструктивному типу, показали, что температурные напряжения в несущей конструкции не вызывают значительных перенапряжений. Так появилась новая, третья фаза развития современного каркасного строительства -- отодвинутый вглубь фасад с обнаженными несущими конструкциями. Он внес помимо более сильного пластического и структурного впечатления различные конструктивные преимущества, например удобную защиту стен от атмосферных воздействий и солнца, упрощение вопросов размещения и ухода за дополнительными, лежащими снаружи, солнцезащитными приспособлениями и очистки фасада.

Очень убедительно выглядит переход от скрытого к четко выявленному несущему каркасу, от сплошной фасадной стены к поставленным вне плоскости фасада стальным конструкциям на примере типа зданий, который сложился в США в 50-е годы. Это двух-трехэтажные строения, развернутые в ширину и поставленные на свободной территории или за городом, с внутренним двором для освещения и огромными помещениями для конструкторских залов, складов, лабораторий и т. д., которые занимают всю глубину плана. Наряду с преимуществами расположения среди природы малоэтажные здания экономичны благодаря сокращению внутренних коммуникаций и при соответствующей планировке -- в силу высокой степени гибкости функционального использования.

Характерными ранними примерами малоэтажных зданий второй половины 50-х годов могут служить здание «Коннектикут Дженерал Лайф Иншуренс» в Хартфорде (США), ставшее известным как первое сооружение с огромным рабочим помещением, и административное здание «Рейнолдс Металл компани» в Ричмонде (штат Виргиния, США). Оба здания проектного бюро СОМ. Они имеют гладкое стеклянное заполнение с мелким членением навесных стен. Часто поставленные, облицованные алюминием, наружные колонны в верхних этажах этого здания так изящны, что можно принять их за импосты окон, похожие на применявшиеся в институтском здании Сааринена, здании фирмы «Дженерал Моторс» в Детройте и исследовательском центре ИБМ, которые тоже представляют интересный вклад в развитие строительства малоэтажных зданий. С изяществом этих фасадов контрастирует мощь выступающих стальных каркасов в зданиях нового типа, например в инженерном корпусе «Армстронг Корк ком-пани» в Ланкастере (штат Пенсильвания), построенном в 1965 г. (проектное бюро СОМ), Низкий нижний этаж с конторскими и бытовыми помещениями имеет сетку колонн 5X8,75 м; в верхнем этаже высотой 4 м продолжаются вверх лишь наружные колонны продольной стороны; весь этаж полностью свободен от опор. Внутри просторного конструкторского помещения выделяются на основе модульной сетки с шагом 1,25 м с помощью передвижных стеклянных перегородок высотой до потолка отдельные помещения для конференций и кабинеты. Остекление внешней поверхности имеет горизонтальный модуль 2,5 м и расположено позади несущих стальных конструкций. Колонны и рандбалки, различающиеся в обоих этажах соответственно нагрузке и длине пролета, четкая форма связей -- все это, несомненно, относится к строгой школе Мис ван дер Роэ, но только еще в более отчетливой форме.

Около 1963 г. начался огромный подъем в американском высотном строительстве. При этом во главе остается Чикаго -- из пяти высочайших зданий в мире три построены в городе, который в 90-е годы прошлого столетия приступил к строительству первых высотных домов. Для новейших американских небоскребов особенно типичны поставленные снаружи несущие каркасы -- не только как средство архитектонического оформления, но и как исходный пункт и основа для высокоэффективных несущих конструкций нового типа. В течение нескольких лет высота торговых и жилых высотных зданий возрастала до 40, 60 и, наконец, более 100 этажей без чрезмерного увеличения строительных расходов в пересчете на единицу полезной площади.

Чем выше здание, тем сложнее передача горизонтальных сил и обеспечение горизонтальной жесткости каркаса. Различные типы конструкций, обеспечивающих жесткость, которые применялись в США в последние десять лет, символизируют этапы определенного прогресса в современном строительстве. В то же время это были раунды упорного состязания между двумя видами строительства -- с применением стальных или железобетонных конструкций. Железобетон благодаря монолитной природе материала и применению конструктивного легкого бетона получил широкое распространение и применялся до тех пор, пока небоскребы не достигли такой высоты, когда железобетон уже не мог конкурировать со сталью.

Более жесткие функциональные требования и экономические условия, интенсивная проработка, более высокие требования к проектированию и экономический контроль -- все это придает архитектуре построек незнакомое до сих пор напряжение. Из инженеров, которые изобрели новые несущие конструкции и системы обеспечения жесткости и выработали новую методику проектирования для высотных зданий, здесь назовем только двоих: Фазлура Хана и инженера-архитектора Мирона Гольдсми-та; оба работали в бюро СОМ и оба учились в Иллинойском технологическом институте.

Соревнование железобетона и стали в высотном строительстве началось еще 1959 г. при проектировании здания «Хартфорд Иншуренс» в Чикаго. Передача ветровых сил в нем еще не составляла проблемы; она могла быть осуществлена с помощью массивных ядер жесткости, чему способствовала большая глубина здания. Выставленные на фасад горизонтали и вертикали конструкции перекрытий демонстрируют передачу вертикальных нагрузок, они олицетворяют традиционный архитектурный принцип -- принцип балок и стоек, нагрузки и опор.

Пластический эффект свободно стоящего высотного каркаса удалось еще больше усилить в конструкции стального каркаса «БМА-билдинг» в Канзас-Сити, законченного в 1964 г. Сетка колонн здесь значительно крупнее--10,8 м вместо 6,6 м, число колонн существенно меньше; окна заглублены, причем это впечатление усиливается темным цветом остекления и алюминиевых рам; башня при одинаковой приблизительно высоте имеет меньшие размеры в плане и открыто стоит на холме. При таких размерах пролета и при таком соотношении сторон корпуса здания железобетонный каркас не мог конкурировать с металлом. Каркас выполнен из высокопрочной стали, прогоны в обоих направлениях жестко сварены с колоннами. Каркас облицован белым мрамором.

Общественный центр в Чикаго, выстроенный с 1963 по 1966 г. К. Ф. Мерфи в содружестве с проектным бюро СОМ и с привлечением широкой группы архитекторов, представляет собой сооружение, непревзойденное по смелости и четкости форм из стальных конструкций. Это -- наивысшая точка расцвета среди работ второй Чикагской архитектурной школы. Здание превосходит «БМА-билдинг» в Канзас-Сити, «Эквитейбл-билдинг» в Чикаго проектного бюро СОМ и «Континенталь-центр» в Чикаго К. Ф. Мерфи не столько высотой (31 этаж, 195 м), сколько неслыханными до сих пор пролетами перекрытия (26,5X14,7 м) Большой шаг колонн был обусловлен, во-первых, трудностями устройства основания с помощью кессонов на 30-метровой глубине на подстилающей скале; во-вторых, особенно высокими требованиями, которые предъявлялись к многочисленным помещениям непостоянного назначения: контор, конференц-залов, больших и маленьких залов судебных заседаний и т. д. Гибкость планировки простирается здесь даже на третье измерение, так как большие залы заседаний проходят через два этажа, а промежуточное перекрытие может раздвигаться. В качестве несущих элементов перекрытий в обоих направлениях применены решетчатые сварные балки высотой 1,5 м. Колонны крестообразного сечения из высокопрочной стали, примененные впервые, оказались очень удобными для приварки прогонов в любом направлении в зависимости от сетки колонн с двух, трех или четырех сторон

Разделением вертикалей и горизонталей и сокращением сечений колонн в верхних этажах достигнута наглядность всей структуры в отличие от скрытого намека на несущую структуру в фасаде здания на Лейк-Шор-Драйв. Заимствованная у того же здания металлическая облицовка несущего каркаса оптически и статически активизирована: рандбалки, как и колонны, одеты в бетон, поверх которого размещено покрытие из сваренных листов стали кор-тен. Листы стали, как и рандбалки, заанкере-ны в бетоне; это обеспечивает лучшее соединение и более высокую прочность несущего каркаса -- колебания верхней части здания при порывах ветра значительно уменьшены. Поскольку для восприятия горизонтальных усилий недостаточно одних многоэтажных рам, предусмотрено похожее на примененное раньше в здании Сигрэм ( комбинированное обеспечение жесткости: в верхней половине здания только рамы, в нижней -- рамы и расположенные между колоннами ветровые связи.

Построенный в 1962 г. «Брунсвик-бил-динг» стоит напротив Общественного центра в Чикаго и убедительно демонстрирует наступление железобетона. Для обеспечения жесткости против воздействия ветра здесь применена система рам вместе с массивным ядром жесткости. Устойчивость наружной стены сильно подчеркнута: фасадные пилястры вырастают из мощного цокольного корпуса. Но, к сожалению, цоколь стоит не на земле, а поставлен, как на ходулях, на широко расставленные опоры. Такое решение продиктовано требованиями городского транспорта, а также сложностью устройства кессонного основания.

Постройкой в 1963 г. жилого «Каштанового дома» высотой 143 м было начато применение системы «труба» для железобетонного остова зданий. Продолговатый план и изменяемость квартирной планировки не позволили устроить ядро жесткости, поэтому горизонтальные усилия полностью воспринимаются монолитной пространственной структурой наружных стен, действующей как вставленная в фундамент труба. Рекорд высоты для американских железобетонных небоскребов был достигнут в 1968 г. постройкой 52-этажного (218 м) здания «Уан Шелл Плаза» в Хьюстоне (штат Техас). Здесь ограждение действует совместно с внутренней трубой массивного ядра жесткости («труба в трубе») -- сходно со зданиями «КБС-билдинг» в Нью-Йорке, а также «Брунсвик-билдинг» в Чикаго.

Стремление к более эффективному методу обеспечения жесткости против воздействий ветра, более интенсивному использованию прочности и большой ширины диска наружной стены наблюдается и в металлическом каркасном строительстве. Однако здесь эти меры могут быть экономически оправданы для зданий на 20, 40, 60 этажей выше, чем железобетонные здания.

В здании «Юс Стил билдинг» высотой 256 м в Питтсбурге ограждения треугольного ядра жесткости превращены в каркасные диски и на углах жестко связаны друг с другом, образуя жесткую трубу, укрепленную в фундаменте и воспринимающую все горизонтальные нагрузки Ц . В верхнем этаже эта Z конструкция в виде трубы соединена с помощью жестких консолей с наружными с колоннами, которые включаются в работу при порывах ветра, воспринимая сжимающие и растягивающие усилия при деформациях трубчатого ядра и предотвращая искривление плоскости крыши; при этом они уменьшают размах колебаний верха здания. Необычно далеко выставленные, необлицованные главные колонны имеют наряду со статическими функциями другое важное значение для заказчика -- мощнейшего объединения стальной индустрии: они демонстрируют успех, которого строительство их стальных конструкций добилось _ в борьбе против обеих «наследственных болезней» -- пожарной и коррозионной . опасности. Профили коробчатого сечения, как и облицовка отступающего назад фасада, состоят из атмосферостойкой стали и заполнены водой, подаваемой системой охлаждения, которая в случае пожара должна срабатывать автоматически .

С помощью пространственных рам оказалось вполне возможным преодолеть высоту от 70 до 80 этажей. Эта высота теоретически могла бы быть удвоена, если перейти от внутренних пространственных рам к жесткому фахверку наружных стен, а прочность дисков и колонн каркаса наружных стен усилить диагональными элементами, т. е. если бы фасады решались в сетке диагональных стержней, как в высотном доме ИБМ в Питтсбурге , или если бы главные колонны были включены в фахверк, как в высотном доме «Алкоа» в Сан-Франциско, где наружный фахверк в соединении с добавочными многоэтажными рамами в центре здания служит для восприятия горизонтальных усилий и сейсмических воздействий. В 100-этажном здании «Джон Ханкок-центр» в Чикаго (архитекторы Б. Грехэм и фирма СОМ, 1968 г.) не только мощные диагонали с вертикальными элементами были объединены в жесткие узлы, но и горизонтальные рандбалки включены в решетку фасадов. Необходимая прочность оболочки и экономичность решения достигались при достаточно простом решении окон; расход стали на 1 м2 поверхности при этом не выше чем в 50-этажных дом Сильное опору, с огромными размерами распорных крестов придало зданию высшую степень архитектонической выразительности. Монументальность приобретает здесь несколько мрачный, угрожающий вид отчасти из-за облицовки стального каркаса черными анодированными алюминиевыми листами. Такая облицовка с расположенной под ней огнезащитной и тепловой изоляцией оказалась нерентабельной.

Непрерывно уменьшающиеся по мере увеличения высоты зданий площади и глубина помещений также были запланированы и обусловлены -- они соответствовали чрезвычайному разнообразию функциональных назначений. «Джон Ханкок-центр» является целым городом. Он включает парковую зону, магазины, бюро проката, общественные помещения, спортивные сооружения, комбинат бытового обслуживания; начиная с 46-го этажа, расположены жилые квартиры и, наконец, на самом верху -- ресторан и телевизионная станция. Внутренний несущий каркас рассчитан лишь на вертикальную нагрузку; внутренние колонны и балки перекрытий шарнирно связаны, а подвесные потолки могут быть удалены и вновь поставлены на место.

Международный торговый центр в Нью-Йорке, строительство которого началось в 1966 г., со своими 110-этажными близнецами-башнями высотой по 411 м отражает градостроительную идею, которая была реализована в Чикаго при возведении первого блока на Лейк-Шор-Драйв. Строгое вертикальное членение напоминает «КБС-билдинг» Сааринена, но архитектура Международного торгового центра не имеет ни строгости чикагской школы, ни бурной мощи «КБС-билдинг».

Статически речь шла вновь о системе «трубы», заделанной в фундамент, которая воспринимает ветровые усилия, а внутренние колонны, как и в «Ханкок-центр», были рассчитаны лишь на вертикальные нагрузки. С помощью жесткой связи облицовочных плит с колоннами наружная стена превращается в безраскосную раму Виренделя с тысячью ячеек -- вся оболочка «трубы» состоит из металлических пластин, прорезанных узкими оконными щелями и укрепленных ребрами жесткости коробчатого профиля.

Сборные элементы, из которых собрана па болтах гигантская стальная сетка фасада, состоят из трех подоконных листов и трех трубчатых колонн, объединенных вместе; они имеют в принципе одинаковую форму и основаны на идее железобетонных сборных элементов, которыми был облицован высотный дом Газовой компании в Детройте архитектора Ямасаки; только здесь их значение неизмеримо возросло в связи с высокими требованиями и высокой стоимостью здания. Внешняя утонченность фасадов небоскреба стоит относительно дорого, а расход стали значительно выше, чем в «Ханкок-центре».

Международный торговый центр еще не был облицован, а в Чикаго уже завершалось строительство третьего здания из числа супернебоскребов -- 109-этажного корпуса «Сирс-билдинг» высотой 445 м, запроектированного Б. Грехэмом, -- крупнейшего административного здания. Жесткость здания обеспечивается целой серией решетчатых систем: 3X3 квадрата с длиной стороны каждого квадрата по 22,5 м, соединенных вместе. При использовании здания только для конторских помещений двойной крест внутренних рядов колонн практически не мешает; умелым расположением лифтовых групп можно достичь значительной гибкости помещений, однако этому препятствовало расположение диагональных связей жесткости. Таким образом, Грехэм пришел к системе из рам Виренделя, как Ямасаки в нью-йоркской двойной башне. Расположение колонн и окон в башне «Сирс-билдинг», однако, значительно более редкое. Высокий расход стали был компенсирован удивительно коротким периодом строительства -- здание сооружено за 15 месяцев. Фасады были смонтированы из готовых элементов высотой на три этажа.

Башня «Сирс-билдинг» не только самая высокая из трех нью-йоркских башен, но и, вероятно, самая ценная с точки зрения той архитектуры, которая укоренилась в американских высотных зданиях. Металлический внешний каркас башни указывает на принадлежность ее ко второй Чикагской школе; уступчатость корпуса здания менее ярко выражена, чем в зданиях «Рокфеллер-центр» и «Вульворт-билдинг» в Нью-Йорке и в более ранних зданиях, которые имеют схожую схему из девяти квадратных призм, расположенных уступами.

Если башня «Сире» является венцом первых 100 лет каркасного строительства с применением стальных конструкций, то это не значит, что в перспективе они будут применяться только для сооружения небоскребов. Современные каркасные конструкции, как и все значительные конструкции в истории строительного искусства, там, где к ним предъявлены высочайшие требования, приводят архитекторов к простым и совершенным геометрическим формам. План башни «Сире», закономерность, с которой девять квадратов постепенно прерываются по мере подъема вверх, имеет что-то от «магического квадрата». Геометрия здесь -- родоначальница и основной принцип строительного искусства, духовная связь между архитектурным и инженерным замыслом. Стальные конструкции в наибольшей степени способствуют воспитанию ясного геометрического мышления. стальная конструкция каркасное строительство небоскреб

1. Размещено на www.allbest.ru