Пространственным развитием арок являются купольные и оболочечные конструкции, которые позволяют реализовать эффективные и привлекательные решения для концертных залов, больших помещений общественного спортивного и иного назначения. Купола и оболочки, являясь преимущественно выпуклыми конструкциями, всегда являются акцентами среды застройки и органично вписываются в природный рельеф. Кроме того, положительная кривизна позволяет максимизировать внутренний объем при минимальной внешней поверхности, что сокращает расходы на ограждение и подчеркивает компактность здания.
Классификация куполов и оболочек
Формы, которые образовывают купольные конструкции, представляют собой криволинейные или разбитые на плоскости пространственные поверхности положительной кривизны.
Различают в основном сферические, эллиптические и стрельчатые купола. Также иногда вычленяют конические, зонтичные и некоторые другие формы. Как правило, купола организовываются на круглом или овальном плане как поверхности вращения, но также применимы и трех-, четырех-, многоугольные планы и другие конфигурации, повышающие конструктивную и архитектурную сложность. По конструктивной системе выделяют в основном ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые купола. Ребристый купол представляет собой конструкцию, образованную из радиально расположенных арок. В верхней точке арочные ребра замыкаются на кольцо, работающее на сжатие. В нижней части купол должен иметь опорный контур или фундамент, воспринимающий радиальный распор и заземляющий вертикальное усилие.
Ребристо-кольцевые купола имеют горизонтальные меридиональные кольцевые элементы, которые образуют с ребрами единую пространственную систему, а также выполняют роль прогонов покрытия.
Сетчатые купола могут не иметь ребер, в них стержни расположены в определенном порядке, основанном на регулярной системе ячейки либо блока. Наибольшее распространение получили треугольные системы геометрии ячеек сетчатых куполов, а также геодезические, стержни которых являются ребрами элементов многогранников, вписываемых в сферическую поверхность купола.
Конструкции покрытий из сетчатых куполов, имеют существенные преимущества перед другими пространственными покрытиями:
Оболочки являются конструкциями, которые сопредельны с куполами по своему формообразованию. Они могут образовывать своды, складки и цилиндрические поверхности. По конструктивной схеме различают континуальные оболочки, которые образуют сплошные поверхности, и дискретные, которые формируют из отдельных элементов. Континуальные оболочки формируются из тонко- или толстолистовой сплошной либо профилированной стали, и использоваться как ограждающие и как самостоятельные несущие конструкции. Дискретные оболочки образуют из отдельных регулярно расположенных стержней. Они могут быть также классифицированы как пространственные стержневые конструкции, описанные выше, и иногда как сетчатые купола, являясь синтезом различных принципов взаимодействия несущей системы с внешним силовым потоком.
Особенности проектирования куполов и оболочек
Купола и оболочки являются конструкциями, которые активизируют свою поверхность для рассредоточения внешнего силового потока. Ребристые и ребристо- кольцевые купола рассчитывают и проверяют почти также, как и арочные конструкции. При проверке первого предельного состояния сетчатых куполов и оболочек контролируют прочность и устойчивость отдельных стержней, а также местную и общую устойчивость стержневой системы. Континуальные оболочки требуют особого внимания, листы, из которых они состоят, работают в сложном напряженно-деформированном состоянии и подвержены местной потере устойчивости. Прогибы пологих куполов и оболочек также являются фактором, влияющим на их формообразование и размеры сечений.
Из-за сложных поверхностей купола и оболочки требуют тщательного внимания при сборе ветровых и снеговых нагрузок. Для большепролетных и сложных по форме конструкций могут потребоваться специальные аэродинамические исследования. Также большие поверхности листовых оболочек чувствительны к температуре, которая может действовать неравномерно. Диаметральный размер ребристых и ребристо-кольцевых куполов принимают в границах 24-100 м, а подъем высоты 1/5-1/8. Высота ребер принимается в пределах 1/60-1/100 пролета, а шаг ребер в уровне нижнего опорного кольца – 6-12 м. Однослойные сетчатые купола позволяют перекрывать наибольшие пролеты для купольных конструкций – до 150 м, а двухслойные – до 400 м при строительной высоте сечения 1/100-1/150 пролета. Диапазон применимости однослойных сетчатых оболочек 30-60 м. При более значительных пролетах рекомендуется применять двухслойную сетчатую структуру с отношением строительной высоты к перекрываемому пролету 1/50-1/100.
Купола и оболочки как конструктивный инструмент архитектурной формы
Поскольку округлые формы оказывают психологически позитивное воздействие, соответствуя нашему внутреннему архетипу целостности, купольные строения создают комфортную и гармоничную архитектурную среду. Благодаря значительному внутреннему пространству и большепролетности купола и оболочки нашли широкое применение как покрытия спортивных комплексов, концертных залов, выставочных павильонов и т. д. Современные технологии моделирования быстровозводимых зданий и производства стальных конструкций дают возможность континуальным и дискретным оболочкам формировать нестандартные и смелые решения, обладающие высокой архитектурной выразительностью. Хотя тонкостенность континуальных листовых оболочек визуально не различима, их основное преимущество-это, как и у мембран, совмещение несущих и ограждающих конструкций. Дискретные оболочки, напротив, могут быть оставлены максимально открытыми во внутреннем и внешнем пространстве. Кроме того, максимально открытые выпуклые конструкции могут быть использованы для дополнительного расширения функциональных возможностей. Например, на них могут быть размещены солнечные батареи, обеспечивающие быстровозводимому зданию нулевой энергетический баланс, как это сделано в решении стадиона Kaohsiung.