Целью и результатом архитектуры является формирование пространства для жизни и деятельности человека путем превращения материи. При этом создается искусственная среда, которая воплощается в таких формах, как здания, сооружения, элементы благоустройства и т. д. Но каждая материальная форма, каждый объект, который мы хотим создать, подвергается силовым, атмосферным, деформационным и другим воздействиям естественной и искусственной среды.
Несущая система является механизмом, который отводит воздействия среды в направлениях, которые не вредят форме и пространству. Этот механизм обеспечивается конструктивной формой объекта и различается в природных и искусственных системах.
В природных системах – несущая конструкция неотъемлема от функции и формы объекта. В искусственных системах – функция обуславливает несущую конструкцию, которая существует отдельно от нее в форме объекта.
Примером сопоставления и следования природным системам в строительстве может являться высотное здание Taipei 101, высотой 509,2 м. Разбитие здания по высоте на секции распределительными фермами-аутригерами и применение вертикальных диафрагм подобно узлам и волокнам в стебле бамбука. В то же время, в отличие от растения, в котором волокна совмещают несущую способность с транспортировкой питательных веществ по стеблю, здание имеет отделенные системы, которые обеспечивают различные функции – лифты, водоснабжение и водоотведение, вентиляция, электрооснащение и т. д.
Несущая система является основным инструментом материального оформления среды и составляет базис для создания формы и пространства, выполняет не только механические, но и технологические, эстетические, психологические, физиологические функции. Форма несущей конструкции имеет почти неограниченные возможности интерпретации. Однако она, а вместе с ней и воля архитектора, подчинены законам механики. Фактически, несущая конструкция воплощает в себе стремление и результат синергетического синтеза возможностей формы, материалов и действующих усилий. В действительности, противопоставить принципу максимума энтропии мы можем только наши материалы и наш конструкторский гений.
Несущая конструкция как система осуществляет непрерывное взаимодействие с внешней окружающей средой. При этом воздействия, которые внешняя среда оказывает на конструкцию, могут быть принципиально двух природ: силовыми и несиловыми.
Несиловые воздействия, которые прямо преимущественно не приводят к возникновению внутренних усилий, но вызывают изменение состояния конструкции, называются влияниями. На выходе несущей конструкции как системы можно наблюдать различные изменения ее состояния. Силовые воздействия вызывают появление перемещений и деформаций, в то время как несиловые – регистрируемые изменения цвета, межмолекулярных связей и т. п.
Несущая конструкция как система имеет точки восприятия входящих сигналов – нагрузок и влияний, и точки выхода – где можем наблюдать отклик системы на воздействие.
Нагрузки и влияния в точках выхода нейтрализуются или передаются другим системам. При поглощении системой внешних сигналов без передачи другим системам идет ее энергонасыщение, что также регистрируется на точках выхода. Как правило, если говорить про силовые воздействия на здания, точками выхода являются опоры и фундаменты, в которых осуществляется заземление усилий, которые приходят с каркаса.
Таким образом, несущая строительная система должна переориентировать силовые воздействия и заземлить их в основание.
В результате работа конструкции происходит в двух основных фазах:
1) восприятие нагрузок;
2) переориентация нагрузок в силовые потоки и направление их в опоры.
С точки зрения напряженного состояния и способа действия принято выделять четыре основных конструктивных механизма восприятия и заземления внешних действий в основание:
1. Путем активизации формы конструкции. Несущая система под действием внешней нагрузки адаптируется к внешним воздействиям.
Таким способом происходит работа висячих нитей и других подобных конструкций. Конструкция пролетной нити принимает форму так называемой цепной линии, которая соответствует линиям главных растягивающих напряжений в балочной аналогии. У активных по форме конструкций возникает одноосное или двухосное напряженное состояние – растяжение.
2. Путем векторного разложения усилий в узлах решетчатых систем, таких как фермы и структуры. Нагрузки направляются в опоры путем чередования сжатых и растянутых стержней. В механизме фермы работа верхнего пояса фермы также напоминает очертания линий главных сжимающих напряжений в балочной аналогии.
В элементах, активных по вектору конструкций, возникает разнознаковое одноосное напряженное состояние – растяжение или сжатие.
3. Путем активизации работы сечений. Если форма пролетной конструкции не совпадает с линией давления, она вынуждена работать на изгиб, проводя внешние силы до заземления всем сечением.
К таким элементам относятся, к примеру, балки и рамы. При изгибе нормальные напряжения распределяются по сечению неравномерно. Криволинейные линии главных сжимающих и растягивающих напряжений в балке как бы имитируют сжатые арки и растянутые нити.
Благодаря этому в сечении создается пара сил и внутренний момент, который обуславливает жесткость балки на изгиб.
Кроме моментов в активных по сечению конструкциях образуются поперечные усилия, а конструкциях рамного типа – также и продольные усилия.
4. Путем активизации поверхности, которая старается избежать прямого конфликта с внешним силовым потоком, рассекая и рассеивая его, плавно направляя в опоры. Так работают, в частности, арочные и пространственные конструкции типа оболочек. Благодаря их кривизне возникает распор, который уравновешивает поперечный изгиб.
В конструкциях, активных по поверхности, возникают все три компонента напряженного состояния – продольные, поперечные усилия и моменты.