Раздвигая границы с помощью бамбука: пример структурной инженерии

Раздвигая границы с помощью бамбука: пример структурной инженерии

В мире, борющемся с экологическими проблемами, дальновидные архитекторы и инженеры все больше склоняются к более устойчивым решениям. В то время как сталь и бетон уже давно доминируют в строительной отрасли, бамбук теперь выходит в центр внимания как привлекательная альтернатива. Благодаря мощному сочетанию прочности, гибкости и экологичности бамбук быстро становится популярным материалом для тех, кто стремится расширить границы устойчивой архитектуры.

Преодолением этого преобразующего момента в устойчивом дизайне является своевременное появление серии электронных книг «Бамбуковые структуры», на которых основана эта статья. Первый том, выступая в качестве пробного камня в этой области, посвящен процессу структурного проектирования храма Луум — мастер-классу по инженерному делу из бамбука. Руководство представляет собой нечто большее, чем просто теоретический текст; это всеобъемлющее руководство, изобилующее реальными знаниями, передовыми исследованиями и практическим опытом.

Использование бамбука в качестве конструкционного материала – явление далеко не новое; он имеет богатую историю, насчитывающую тысячи лет. Несмотря на свои древние корни, большая часть этих традиционных знаний недооценивается, поскольку современный строительный сектор стал чрезмерно ориентирован на материалы на минеральной основе. Однако сегодня бамбук переживает глобальное возрождение, раскрывая гармоничное сочетание древней мудрости и современной инженерии. Это слияние не только открывает новые возможности для устойчивой архитектуры, но и ощущается как долгожданная и неизбежная эволюция строительной отрасли.

Храм Луум: символ устойчивого дизайна

Храм Луум, расположенный среди пышных пейзажей Тулума в Мексике, — это больше, чем просто привлекательное архитектурное чудо; это новаторский пример того, что происходит, когда традиционная мудрость встречается с современной инженерией. Созданная для того, чтобы противостоять ураганным ветрам скоростью 250 км/ч и значительным сейсмическим силам, эта конструкция воплощает в себе привлекательные возможности, которые возникают, когда мы используем уникальные свойства бамбука в качестве конструкционного материала.

Архитектурное видение было концептуализировано дизайнерским бюро CO-LAB, воплощено в жизнь Architectura Mixta и вдохновлено культовыми работами легендарного архитектора Феликса Канделы. Проектированием руководил Эстебан Моралес, который описывает структурную систему как пять пересекающихся гиперболических параболоидов, состоящих из бамбуковых арок и расщепленных бамбуковых балок.

Соотношение прочности и веса бамбука часто превосходит сталь, что делает его не только прочным, но и легким. Гибкость является еще одним преимуществом: особенно при использовании в разделенной форме бамбук позволяет архитекторам создавать органические, плавные формы, которые бросают вызов традиционным геометрическим ограничениям, способствуя принятию инновационных структурных подходов, основанных на жесткости формы и биомимикрии. Быстрый рост бамбука и его способность улавливать углерод также делают его экологически превосходной альтернативой традиционным строительным материалам, включая древесину.

С другой стороны, работа с бамбуком также требует в некоторых аспектах особой осторожности. Из-за его легкого веса особое внимание необходимо уделять фундаменту, поперечным связям и жесткости конструкции, которые необходимы для уравновешивания его уязвимости к силам ветра. Хотя низкая прочность бамбука на сдвиг представляет собой проблему, адекватное понимание его свойств позволяет творческим системам компенсировать это, и критическое внимание к лечению также не подлежит обсуждению. Этот материал также может быть подвержен атакам насекомых и имеет ограниченный срок службы, поэтому важно включать превентивные подходы к «сохранению за счет дизайна» в качестве неотъемлемой части любой конструкции на основе бамбука.

Храм Луум сочетает в себе баланс между этими преимуществами и проблемами. Например, соединенная между собой диафрагма крыши сделана из перекрестных слоев бамбуковых циновок — современный намек на эмпирические методы прошлого, которые придают конструкции впечатляющую устойчивость к боковым нагрузкам. Чтобы учесть естественную гибкость и подвижность бамбука, конструкция включает в себя шарнирное основание и центральное компрессионное кольцо. Этот подход не только отражает внутренние сильные стороны бамбука, но и обходит его ограничения, демонстрируя образцовый способ устойчивого и инновационного строительства.

Инженерный процесс

Определяющей особенностью проекта храма Луум стала успешная интеграция современных инженерных концепций из бамбука с вневременной архитектурной основой. Вместо того, чтобы просто следовать стандартным процедурам, команда инженеров вышла на новую территорию, разрабатывая индивидуальные методы, придерживаясь при этом международно признанных стандартов. Этот изобретательный подход умело прошёл сквозь сложную нормативно-правовую базу Мексики, связанную со строительством бамбука, а также создал солидный прецедент для будущих проектов по бамбуку.

Техническому рабочему процессу проекта способствовал надежный набор программных инструментов. Процесс проектирования конструкции начался с AutoCAD 3D, где геометрия конструкции была смоделирована и совместима для следующих этапов. После этого был проведен структурный анализ с использованием специализированного программного обеспечения для структурного анализа SAP2000 v.14.

Для ориентации процесса проектирования структура была разделена на три основных типа элементов:

Арки, простирающиеся по краям конструкции и радиально от центра; Балки, проходящие по слоям и соединяющие основные арки в несколько слоев; Диафрагма крыши имеет жесткую поверхность, полученную в результате нескольких слоев триангуляции балок и расщепленного плетения под крышей.

Поскольку проект расположен в регионе, подверженном ураганным ветрам и сейсмической активности, в инженерной стратегии особое внимание уделялось жесткости формы, триангуляции и прочной диафрагме. Эти элементы были специально выбраны для компенсации боковых сил, которые могут поставить под угрозу конструкцию. Следовательно, каждый компонент структуры был взаимосвязан и спроектирован так, чтобы функционировать слаженно, обеспечивая устойчивость к самым экстремальным силам природы.

Что касается величин нагрузки, при проектировании учитывались значительные сейсмические нагрузки и ураганные ветровые нагрузки со скоростью 250 км/ч. Они были объединены с собственными нагрузками (вес конструкции и кровли) и временными нагрузками для получения расчетных внутренних сил для каждого элемента конструкции. Для этого был использован метод допустимых напряжений, соответствующий наиболее адекватному подходу к проектированию конструкций из бамбука. Затем нагрузки умножались на предписанный коэффициент нагрузки для каждой из требуемых комбинаций нагрузок в соответствии со структурными нормами, специфичными для бамбука. Наконец, при окончательном проектировании конструктивных элементов учитывались максимальные внутренние силы, обнаруженные в наиболее напряженных элементах арки, балки и диафрагмы крыши.

Благодаря структурным знаниям, таким как внутренние силы, действующие в конструкции для каждого сочетания нагрузок, структурные компоненты были спроектированы на основе строительных норм, специфичных для бамбука, таких как NSR-10 (Колумбия) и ISO 22156 (международный). Затем для проектирования соединительных элементов между структурными компонентами было использовано специализированное программное обеспечение, такое как WoodWorks® Connections, SFS Timber Work и APF Wood Joint.

В самой верхней части конструкции сходятся первичные арки, соединенные между собой центральным стальным компрессионным кольцом. Эта конструктивная особенность гарантирует, что каждый кончик арки сходится к центральной точке, напоминающей расходящиеся лучи звезды. Проводя параллель с крыльями самолета, которые в определенной степени сгибаются и подпрыгивают во время полета, чтобы предотвратить разрушение конструкции, бамбуковые конструкции используют аналогичный инженерный принцип. Чтобы бамбуковые компоненты могли сгибаться и адаптироваться во время неблагоприятных явлений, таких как ураганы или землетрясения, без разрушения, центральное компрессионное кольцо имеет прочные шарнирные соединения, как показано на последующих изображениях.

В этом проекте был проведен детальный анализ для определения механических соединений в основании. Шарнирно спроектированные, подобно центральному сжимающему кольцу, соединения между бамбуковыми арками и фундаментом допускают вращательное движение. Такая стратегия проектирования гарантирует, что бамбуковые элементы будут защищены от избыточных сил сдвига и изгиба, которые не являются их сильными сторонами. Вместо этого бамбук в первую очередь испытывает силы растяжения и сжатия, параллельные его волокнам.

Как мы видели, бамбук — это не просто быстро возобновляемый ресурс, это конструкционный материал, способный изменить ландшафт устойчивой архитектуры в ближайшие десятилетия. От своих исторических корней до современного применения бамбук доказывает, что, когда традиции встречаются с инновациями, происходит волшебство.

Раскройте потенциал бамбуковых конструкций

Для тех, кто серьезно относится к следующей волне зеленого строительства и понимает практические аспекты использования бамбука в качестве конструкционного материала, серия электронных книг «Бамбуковые конструкции» может стать важным руководством. В этой недавней публикации подробно рассматриваются методологии, детали проектирования и примеры приложений, служащие бесценным ресурсом как для новичков, так и для экспертов в этой области. Этот первый том, разработанный на основе методов структурных расчетов, использованных в проекте храма Луум, устраняет долгожданный дефицит ресурсов и предлагает более широкой аудитории четкое представление о структурном проектировании бамбука.

Узнайте больше об электронной книге «Бамбуковые структуры» здесь.