наверх
 
Удмуртская Республика


Г. А. Цвингман. Основные типы куполов, их конструкция и архитектура. 1936

«Проблемы архитектуры : Сборник материалов : Том I, книга 2» (Москва : Издательство Всесоюзной Академии архитектуры, 1936)  ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КУПОЛОВ, ИХ КОНСТРУКЦИЯ И АРХИТЕКТУРА Г. А. Цвингман
 
 
Статья инженера Георгий Альфредовича Цвингмана «Основные типы куполов, их конструкция и архитектура» из сборника «Проблемы архитектуры : Сборник материалов : Том I, книга 2» (Москва : Издательство Всесоюзной Академии архитектуры, 1936).
 
 
 

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КУПОЛОВ, ИХ КОНСТРУКЦИЯ И АРХИТЕКТУРА

Г. А. Цвингман

 
 

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 
Купол — одна из древнейших форм покрытий — является весьма характерной и своеобразной архитектурно-конструктивной схемой многих сооружений.
 
В древние времена купола широко применялись в религиозно-культовых сооружениях и осуществлялись главным образом в каменных материалах и в дереве. Храмы, гробницы и разные памятники у многих народов имели купольную форму покрытий, которая в большинстве случаев являлась одним из наиболее интересных архитектурно-конструктивных элементов всего сооружения в целом.
 
Впоследствии, в эпоху феодализма, а также при торговом капитале и промышленном капитализме, купола стали одной из доминирующих архитектурных форм не только в церковном строительстве, но и во многих других сооружениях.
 
Крепости, бастионы, склады, сокровищницы, тюрьмы, казематы и т. п. нередко перекрывались куполами и шатрами. Даже жилищное строительство у некоторых народов в прежнее время характеризовалось освоением купольных форм. Купола в большинстве случаев завершают, как бы венчают, все сооружение, придают ему известную высотность и создают декоративный вид, интересный в архитектурном отношении.
 
Во многих случаях купол может стать и самостоятельным сооружением. В таких зданиях, как театры, цирки, стадионы, манежи, планетарии и т. п., купола являются главной формой, центральной архитектурно-конструктивной схемой всего здания.
 
Большое количество клубов, народных домов, выставочных павильонов, зал для собраний, аудиторий и т. п., как в прошлом столетии, так и в настоящее время, возводится с применением купольных покрытий, при весьма значительных пролетах. Следует отметить, что для многих подобных сооружений купол является единственно рациональным, наиболее целесообразным решением покрытия.
 
За последнее время область освоения куполов расширилась применением их в промышленных, сельскохозяйственных, гидротехнических и санитарно-технических сооружениях. Газгольдеры, каупера, резервуары, баки и даже отдельные специальные производственные цеха и складские помещения в оптимальных своих решениях имеют тот или иной тип купольного покрытия. В капитальном сельскохозяйственном строительстве деревянные купола и шатры применяются в покрытиях силосных башен, силосных ям, сараев, навесов, складов демонстрационных павильонов и т. п. В санитарно-технических сооружениях купола применяются для покрытия разного рода напорных баков и резервуаров надземного и подземного типа, осуществляемых плавным образом в железобетоне. Наконец, и в гидротехническом строительстве купольные формы также нашли себе применение, как, например, гидроустановка Кулиджа в Америке, имеющая серию отдельных купольных ячеек довольно больших размеров. Здесь особенно интересно, что даже такое гидротехническое сооружение, как плотина, воспроизводит в своих рабочих конструктивных элементах основную схему купольных сечений.
 
Таким образом, можно констатировать, что область рационального применения купольных покрытий очень велика во всех отраслях современного строительства.
 
Социалистическое строительство в городе и в деревне большого количества культурно-бытовых сооружений неизбежно должно будет использовать купол, как одну из главных архитектурно-конструктивных форм.
 
Для научного исследования были приняты в первую очередь купола потому, что они представляют собой исключительный интерес не только с точки зрения архитектурной, но и в отношении конструктивно-инженерного решения как малых, так и сложных покрытий в сооружениях значительного масштаба.
 
Поэтому чрезвычайно важно выявить основные оптимальные формы простых и сложных купольных покрытий при разных габаритах, из разных стройматериалов (металла, дерева, железобетона и камня), с учетом всех новейших достижений науки и техники у нас в Союзе и за рубежом, что и является основной целевой установкой научно-исследовательской проработки рассматриваемой темы.
 
В геометрическом смысле купол может быть охарактеризован как поверхность вращения, образующая которой пересекается с осью. При этом необходимо различать прямой купол, который и есть, собственно, нормальная купольная поверхность, и обратный купол — в виде воронки или бункера. Более точно формулировать определение купола можно так: купол есть пространственная архитектурная форма покрытия (с вертикальной осью) целого сооружения или одного из его элементов; отдельные точки поверхности купола взаимно сближаются в плоскостях горизонтальных сечений, по направлению к вершине его, и образуют выпуклую снаружи форму покрытия. Геометрическая форма купольного покрытия очень близка к форме тела вращения, получающегося при вращении около вертикальной оси узкой полосы (профиля или образующей), пересекающей эту ось в наивысшей точке, т. е. в вершине купола. Если нижняя точка образующей движется не по окружности или близкой к ней замкнутой кривой (эллипс, коробовая и т. п.), а по вписанному в нее многоугольнику, то покрытие называется граненым куполом. Следовательно, так называемые «сомкнутые своды» фактически являются простейшими гранеными куполами.
 
Очень близко к понятию купола подходят и шатровые покрытия (пирамидальные, конические), образованные вращением прямой полосы. Если профиль образующей купола не доведен до его вершины, т. е. до пересечения с осью вращения, то наверху образуется круглый или многогранный проем, окаймленный сжатым кольцом, что считается характерной особенностью куполов и шатров.
 
 
Рис. 1. Каменный тонкостенный купол мечети Селимие в Истамбуле (Константинополе) (1567—1574 гг.)
Рис. 1. Каменный тонкостенный купол мечети Селимие в Истамбуле (Константинополе) (1567—1574 гг.)
 
 
Купола имеют габариты, характеризующиеся диаметром (D), стрелой подъема (высота f) и толщиной рабочего покрытия (h). В современных сооружениях габариты куполов могут быть диаметром от 3,0 до 400,0 м, высотой от 0,3 до 200,0 м, при толщине рабочих элементов покрытия от 0,003 до 10,0 м. Весьма характерными показателями габаритов купольных покрытий являются также и соотношения этих величин между собой. Если взять за основу диаметр купола, то отношение f/D может быть в пределах от 1/10 до 2—3, в то время, как диапазон колебания h/D возможен в пределах от 1/1000 до 1/4. Эти предельные соотношения являются принципиально вполне возможными и ограничивают понятие формы купольного и шатрового покрытия в строительстве. Конечно, оптимальные габариты находятся между этими пределами и целиком зависят от архитектурной формы, материала и конструктивного решения.
 
 
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КУПОЛОВ, ИХ КОНСТРУКЦИЯ И АРХИТЕКТУРА Г. А. Цвингман
 
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КУПОЛОВ, ИХ КОНСТРУКЦИЯ И АРХИТЕКТУРА Г. А. Цвингман
 
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КУПОЛОВ, ИХ КОНСТРУКЦИЯ И АРХИТЕКТУРА Г. А. Цвингман
 
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КУПОЛОВ, ИХ КОНСТРУКЦИЯ И АРХИТЕКТУРА Г. А. Цвингман
 
 

2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА

 
Чрезвычайно большое разнообразие возможных решений куполов значительно усложняет установление основных признаков систематизации и выбор основного и оптимального типа, удовлетворяющего всем предъявляемым требованиям. Купола и купольные сооружения можно разбивать на группы по материалу несущей конструкции, по форме поверхности и плана, по статически-конструктивным признакам, по архитектурно-декоративному оформлению интерьера и экстерьера, по типу освещенности и утепленности кровли, по историческому развитию, принимая во внимание особенности проектирования, возведения, эксплоатации и т. д.
 
 
Рис. 2. Деревянный тонкостенный купол покрытия газгольдеров (1932 г.)
Рис. 2. Деревянный тонкостенный купол покрытия газгольдеров (1932 г.)
 
 
Выявление наиболее характерных групп купольных покрытий и правильная оценка их позволят установить единую четкую систему развития типовых архитектурно-конструктивных решений куполов.
 
По величине диаметра (D) следует различать купола: а) малые — с диаметром от 4 до 10 м, б) средние — с диаметром, от 10 до 30 м и в) большие — с диаметром свыше 30 м.
 
По величине стрелы подъема (f) т. е. по высоте своей, купола делятся на группы: а) с пониженной высотой, когда f < ½ диаметра купола, б) с нормальной высотой, когда f = ½ диаметра, в) с повышенной высотой, когда f > ½ диаметра, и, наконец, г) со стрельчатой формой, когда f более диаметра.
 
По толщине рабочей конструкции (h) куполов различают: а) купола с малой толщиной конструкции, составляющей 1/1000—1/200 его диаметра, б) купола с нормальной толщиной рабочей конструкции, с соотношением к диаметру 1/200—1/40, и, наконец, в) купола с большой толщиной рабочей несущей конструкции, составляющей 1/40 диаметра и более.
 
По типу поверхности купола бывают: а) с криволинейной поверхностью, причем наиболее часто встречаются сферические (шаровые) купола, параболические или гиперболические второй, третьей и высших степеней, коробовые и эллиптические; б) с граненой (многогранной) поверхностью.
 
 
Рис. 3. Металлические тонкостенные купола кауперов (1932 г.)
Рис. 3. Металлические тонкостенные купола кауперов (1932 г.)
 
 
Очертания плана помещения, перекрываемого куполом, может также служить одним из критериев их систематизации. Различаются купольные покрытия, перекрывающие помещения, имеющие в плане очертание квадрата, прямоугольника, круга, эллипса, многоугольника и т. п. Но, конечно, купольная форма покрытий более характерна для сооружений, имеющих в плане круговой или правильный многогранный контур. При соотношении сторон прямоугольника, равном 3:1, купольная форма покрытия еще может иметь место, но при большем соотношении все резче будет выявляться типичное сводчатое очертание, при котором возможны только овальные полукупольные схемы торцовых частей его. Поэтому один купол может быть еще применен для перекрытия эллиптического плана, вписанного в прямоугольник, меньшая сторона которого составляет не менее ⅓ от большей. В противном случае при неизбежности применения купольных покрытий нужно осуществить не один, а несколько куполов, расположенных в один ряд по главной оси помещения.
 
 
Рис. 4. Железобетонный тонкостенный купол Большого театра в Новосибирске (1934 г.)
Рис. 4. Железобетонный тонкостенный купол Большого театра в Новосибирске (1934 г.)
 
 
Рис. 5. Строительство Большого театра в Новосибирске
Рис. 5. Строительство Большого театра в Новосибирске
 
 
По типу членения основной формы купола можно выделить две группы: а) полные купола — обыкновенные и б) рассеченные, дающие разные формы купольных, в том числе шатрово-конических, сечений, как, например, раковины, полукупола (абсиды) и пр.
 
Рассеченные купольные формы дают только части купольных очертаний. В основном купольные членения, образованные вертикальными и наклонными плоскостями сечений, воспроизводят одну только внешнюю схему части купола, в то время как в инженерном отношении они часто состоят из отдельных рам, арок и сводов.
 
В отношении доминирующего характера напряжения в конструкции купола следует различать: а) сжатые оболочки и сжато-изгибаемые каркасные формы и б) подвесные, растянутые купольные формы, которые образуют известную группу вантовых, расчаленных купольных покрытий.
 
Конечно, наиболее характерным видом работы конструкции купола является сжатие, которое возникает не только в меридиональном направлении, но также по направлению параллели, т. е. в кольцах горизонтальных сечений.
 
 
Рис. 6. Каменный сплошной купол Пантеона в Риме (115—125 гг.)
Рис. 6. Каменный сплошной купол Пантеона в Риме (115—125 гг.)
 
 
В зависимости от формы купола, типа нагрузок и места их приложения усилия и внутренние напряжения могут иметь разные знаки, но обязательно действуют в двух основных направлениях.
 
По системе передачи распора следует выделить отдельные группы куполов, а именно: а) купола, которые передают распор непосредственно на грунт, через фундаменты; б) купола, передающие распор не только на грунт, но и на другие рабочие элементы покрытий или вертикальных ограждений всего сооружения; в) купола, воспринимающие распор специальным опорным растянутым кольцом, которое в свою очередь может либо лежать на сплошных стенах, либо быть подпертым в отдельных точках на колоннах; г) купола, не дающие никакого распора на опоры, поглощая его кольцами основной конструкции.
 
 
Рис. 7. Каменный сплошной купол Пантеона в Риме (115—125 гг.)
Рис. 7. Каменный сплошной купол Пантеона в Риме (115—125 гг.)
 
 
Возможно также свободное опирание на землю кольца, которое будет в этом случае работать, как замкнутая балка-кольцо на упругом основании. В куполах и шатрах распор положительного и отрицательного (знака может восприниматься не только внизу, у опоры, но и в отдельных ярусах покрытия кольцевыми элементами, работающими на растяжение или на сжатие, в зависимости от направления распора. Этой характерной и неотъемлемой особенностью куполов определяется возможность, путем отрезывания нижнего купольного пояса, получать самостоятельно работающую верхнюю часть купола с распором, погашенным в замкнутом нижнем кольце. Нижнее кольцо купола может быть выделено, и функции его могут быть переданы стенам и стойкам, имеющим специальные рабочие части, которые несут купол. Однако во всех случаях распор от нормальной конструкции воспринимается работой на растяжение замкнутого кольца. При наличии подвижных опор (катков) купол, как опрокинутый горшок, таз или чашка, даже при самых больших размерах его, может не оказывать распирающего действия на несущие его стены.
 
По характеру и степени освещенности купольные покрытия могут быть разделены на следующие характерные группы: а) купола без отверстий для света; б) купола с малым освещением, и главным образом верхним; в) купола с большой освещенностью при использовании боковых проемов; и, наконец, г) специально световые, стеклянные купола.
 
Степень утепленности помещения с купольным покрытием может в свою очередь стать отправным пунктом для выявления: а) холодных, б) полутеплых и в) теплых куполов.
 
Ввиду значительных наклонов купольных перекрытий, наиболее характерными в качестве гидроизоляционного покрова куполов являются кровельные материалы, дающие в основном не целостный покров, а составной чешуйчатый. В этом отношении различаются купола: а) крытые черепицей — гончарной, цементной или мраморной; б) крытые этернитом, асбофанерой или шифером; в) крытые дранью или щепой; г) крытые руберойдом; д) железом, свинцом или медью; наконец, е) купола, имеющие комбинированное покрытие из разных материалов, как, например, наверху — из руберойда или железа, а внизу — из этернита, черепицы и т. п. Выбор кровельного материала имеет большое значение при решении экстерьера всего купольного покрытия.
 
 
Рис. 8. Шатер покрытия церкви над гробом господним в Иерусалиме, реставрированный в 1810 г.
Рис. 8. Шатер покрытия церкви над гробом господним в Иерусалиме, реставрированный в 1810 г.
 
 
Рис. 9. Каменный сплошной купол храма-музея Айя София в Истамбуле (532—537 гг.)
Рис. 9. Каменный сплошной купол храма-музея Айя София в Истамбуле (532—537 гг.)
 
 
При анализе купола со статической точки зрения естественно выделить следующие характерные группы:
  • а) сплошные купола-оболочки, являющиеся наиболее совершенными решениями, в которых самая оболочка полностью несет на себе функции рабочей и ограждающей конструкции; к сплошным куполам должны быть отнесены тонкостенные (безреберные), ребристые и волнисто-складчатые формы их;
  • б) сквозные купола с жестким пространственным каркасом, в которых несущие функции оболочки переданы отдельным закономерно расположенным стержням; сквозные формы куполов наиболее характерны для материалов, хорошо работающих на поперечный изгиб и на продольные силы; шарнирно- и жестко-стержневые, а равно сетчато- и кольце-стержневые формы куполов должны быть признаны весьма совершенными сквозными типами, в которых используются все преимущества замкнутой каркасной купольной формы двоякой кривизны и где кольцевые связи являются основными конструктивными элементами, полностью участвующими в работе всего покрытия в целом;
  • в) ложные купола-шатры, воспроизводящие только внешнюю архитектурную форму; несущие элементы их работают в основном, как обычные плоскостные трехшарнирные системы. Радиально расположенные балочные, рамные и арочные конструкции создают только куполообразное очертание покрытия и, воспринимая уменьшающуюся к вершине до нуля нагрузку, ничем не отличаются от плоских параллельно поставленных балок, рам и арок, образующих несущий каркас; к этой же группе должны быть причислены подвесные купола, а равно и все другие сложные комбинированные производные решения.
 
 
Рис. 10. Каменный сплошной купол храма-музея Айя София в Истамбуле (532—537 гг.)
Рис. 10. Каменный сплошной купол храма-музея Айя София в Истамбуле (532—537 гг.)
 
 
Систематизация куполов возможна также и с точки зрения наличия или отсутствия специальных акустических и зрительных подвесных потолков, специальных надстроек над куполом и декоративного оформления интерьеров и экстерьеров.
 
В создании архитектурного образа в различных архитектурных стилях купол имел, безусловно, исключительное значение. Ему придавалась ведущая роль, как одному из основных формообразующих факторов в архитектуре. Ни одна архитектурная форма не имела такого многообразия художественного содержания, как купол. В качестве примеров можно привести многие памятники архитектуры разных эпох, как, например, купол Пантеона в Риме, купол Айя София в Константинополе, Флорентийский собор, собор св. Петра в Риме, Пантеон в Париже и много других.
 
Конечно, анализ куполов с узко архитектурной точки зрения или же только с искусствоведческой стороны, безусловно, может вскрыть много весьма интересных положений исторического характера их развития. Однако для современного реального строительства в настоящей статье нас более должны интересовать инженерно-конструктивная сущность купольных покрытий и их технические формообразующие факторы.
 
Физико-механические свойства основных стройматериалов, из которых возводятся несущие элементы куполов и шатров, настолько различны, что каждому материалу соответствуют свои специфические архитектурные формы, свои характерные сопряжения и конструктивные детали, вследствие чего могут быть выделены в самостоятельные группы куполов: а) каменные, б) деревянные, в) металлические и, наконец, г) железобетонные.
 
 
Рис. 11. Каменный ребристый купол мавзолея Ильдшанту-Ходабенде в Султане (1304 г.)
Рис. 11. Каменный ребристый купол мавзолея Ильдшанту-Ходабенде в Султане (1304 г.)
 
 
Каменные купола уже применялись в Индии, Персии, Греции и Риме и достигли высшей ступени своего развития в период X—XVIII вв. Созданные лучшими архитекторами памятники разных эпох — Пантеон в Риме, Айя София в Константинополе, собор во Флоренции, собор св. Павла в Лондоне, собор св. Петра в Риме, Пантеон и Собор инвалидов в Париже, башня Гур Эмира и др. — являются сооружениями мирового характера, в которых каменный купол, как архитектурно-конструктивная форма, занимает центральное положение.
 
 
Рис. 12. Каменный ребристый купол собора во Флоренции (1421—1434 гг.)
Рис. 12. Каменный ребристый купол собора во Флоренции (1421—1434 гг.)
 
 
Рис. 13. Каменный ребристый купол собора св. Петра в Риме (1506—1626 гг.)
Рис. 13. Каменный ребристый купол собора св. Петра в Риме (1506—1626 гг.)
 
 
Рис. 14. Каменный ребристый купол собора св. Петра в Риме (1506—1626 гг.)
Рис. 14. Каменный ребристый купол собора св. Петра в Риме (1506—1626 гг.)
 
 
Если мы проанализируем каменные купола, то и их можно очень интересно разобрать с точки зрения развития от малых пролетов до самых больших.
 
Каменные купола могут иметь разные конструктивные формы. Максимально отвечают камню, как строительному материалу: тонкостенные, ребристые и арочно-каркасные решения.
 
Следует отметить, однако, что в настоящее время в капитальном строительстве всех стран значительно сокращена область применения камня в купольных покрытиях.
 
Деревянные купола, несмотря на то, что являются одними из наиболее древних, представляют для строительства в СССР и по настоящее время большой интерес. Они применяются не только в своих простейших решениях, но и в новейший: тонкостенных, ребристых и волнисто-складчатых, сетчатых и кольцевых формах, как покрытия для разных культурно-бытовых, промышленных и сельскохозяйственных сооружений.
 
За последние годы у нас в Союзе возведены тысячи деревянных куполов малых пролетов. Однако имеется также немало осуществленных большепролетных куполов, как, например, в цирках: саратовском, диаметром 46,4 м, и ивановском, диаметром 50,0 м.
 
 
Рис. 15. Деревянный ребристый купол покрытия резервуаров (1931 г.)
Рис. 15. Деревянный ребристый купол покрытия резервуаров (1931 г.)
 
 
Оптимальные архитектурно-конструктивные формы деревянных куполов, выявленные в результате проработки темы, характеризуются значительной огнестойкостью, малой уязвимостью в отношении загнивания, четкостью конструктивного решения, изяществом архитектурных форм и индустриальными методами их возведения.
 
Весьма оригинальны новейшие решения деревянных куполов, к которым следует отнести тонкостенные косяковые купола, волнисто-складчатые формы, пространственно-каркасные решения их из серповидных арок и рам сплошного сечения или с решеткой на нагелях, шпонках и клею.
 
Металлические купола, впервые возведенные в Германии, Франции и Англии 100—150 лет тому назад из железа и чугуна, открыли новый этап в развитии каркасных сквозных форм купольных конструкций.
 
Именно в металле был впервые осуществлен не только рамный, но и арочный каркас для сооружений большого масштаба. Металлический купол-шатер павильона Международной выставки в Вене в 1873 г., имеющий пролет 105,0 м, металлические купола многих цирков в Германии (в Дрездене, Мюнхене, Берлине) и у нас в Ленинграде, покрытие зала торжественных собраний во Франкфурте на Майне — являются лучшими формами металлических куполов, которые сохраняют определенную ценность и по настоящее время. В течение последних лет у нас в Союзе возведено много сотен самых разнообразных типов металлических куполов, однако только небольших пролетов и главным образом в специальных промсооружениях (кауперах, баках, резервуарах, газгольдерах и пр.).
 
 
Рис. 16. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Базеле (1929 г.)
Рис. 16. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Базеле (1929 г.)
 
 
Большой интерес представляют металлические сетчатые купола, осуществленные на базе применения решетки типа Цольбау, чугунный купол Исаакиевского собора в Ленинграде, купола покрытия многих театров и павильонов за границей и, наконец, последний купол, запроектированный для зала Дворца советов, который при пролете в 142,0 м будет также металлическим, из высокосортных нержавеющих сталей.
 
Железобетонные купола во многих случаях дают наивыгоднейшие конструкции как в отношении расхода материалов, так и в отношении капитальности сооружения и создания многообразных форм. Тонкостенные, многогранные и каркасные железобетонные купола нашли впервые широкое применение в Германии для крытых рынков при весьма значительных пролетах, в залах для собраний, для цирков и в разных промсооружениях.
 
Именно в железобетоне возможно создать идеальную жесткую монолитную конструкцию, а поэтому получить одно из лучших решений сплошных, ребристых и волнисто-складчатых форм куполов. За последние годы в СССР возведены тысячи железобетонных тонкостенных куполов малых пролетов, в виде покрытий разного рода резервуаров и баков, а также в разных гражданских сооружениях. В Новосибирске в 1934 г. сооружен самый большой в мире железобетонный тонкостенный купол диаметром 60,0 м при толщине рабочей конструкции в 8 см. Особенно удачно конструируются в железобетоне разного рода комбинированные многозонные купола, имеющие в каждом ярусе разные конструктивные решения, оптимальные для соответствующего диаметра. Несомненно, что в ближайшие годы железобетонные купола получат еще более широкое применение в капитальном строительстве СССР.
 
Такая систематизация представляет, конечно, большую ценность с инженерно-конструктивной точки зрения и незаменима для лиц, которые интересуются только одними купольными конструкциями из данного материала, их расчетами, областью применении того или другого типового решения. Однако с точки зрения архитектора эта классификация не является полноценной, поскольку дает освещение купола только с узко конструктивной точки зрения, на базе данного материала.
 
 
Рис. 17. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Лейпциге (1929 г.)
Рис. 17. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Лейпциге (1929 г.)
 
 
В процессе архитектурного творчества одной из наиболее сложных и ответственных задач является выбор того или иного решения, наиболее удовлетворяющего требованиям задания. При проектировании архитектор прежде всего создает плановое и объемное решение своего сооружения. Конечно, он одновременно намечает и выбирает оптимальные архитектурно-конструктивные формы как для всего сооружения в целом, так и для отдельных его элементов, выявляя основные и отделочные стройматериалы.
 
Поэтому для архитектора чрезвычайно важным является понимание и знание законов развития архитектурной формы, оптимальных габаритов и возможных конструктивных решений в разных стройматериалах. В современных условиях каждый архитектор должен иметь ясное представление, как могут видоизменяться отдельные формы сооружений, каким образом могут трансформироваться определенные формы в разных стройматериалах. Ведь каждый основной стройматериал — металл, дерево, железобетон и камень — имеет свои оптимальные конструкции, максимально отвечающие всем физико-механическим качествам его. Для архитектора выбор стройматериала для несущих и ограждающих конструкций является, конечно, обязательным, но он будет не первоочередным исходным пунктом, а производным, и выявляется уже после того, когда в основном создано плановое и объемное решение сооружения. Тот или другой стройматериал, безусловно, оказывает очень большое влияние на форму и габариты отдельных конструктивных элементов сооружения, однако в процессе архитектурного творчества он не может иметь решающего значения.
 
 
Рис. 18. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Лейпциге (1929 г.)
Рис. 18. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Лейпциге (1929 г.)
 
 
Основным формообразующим моментом необходимо признать архитектурно-конструктивную схему элемента или всего сооружения, в которой неизбежно суммируются наиболее важные архитектурные, статические и конструктивные факторы. Поэтому, взяв в основу форму сооружения и анализируя возможность ее осуществления в разных стройматериалах, устанавливая при этом оптимальные габариты и соотношения их, мы выявили, что многие архитектурные формы купольных покрытий осуществлялись исключительно в одном материале, в то время как эти самые формы вполне рациональны и в других материалах или же могут быть возведены одновременно из разных стройматериалов.
 
Выявление основных положений развития конструктивных форм куполов только в одном основном стройматериале неизбежно вылилось поэтому в установление общей закономерности развития архитектурно-конструктивной формы купольных покрытий вообще.
 
Статическая схема оболочки, очертание и конструктивная идея несущих рабочих элементов купола полностью соответствуют архитектурно-конструктивному признаку, который, таким образом, и должен стать отправным пунктом исследования куполов.
 
 
Рис. 19. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Лейпциге (1929 г.)
Рис. 19. Железобетонный ребристый купол крытого рынка в Лейпциге (1929 г.)
 
 
При этом необходимо различать следующие типовые схемы купольно-шатровых покрытий:
 
I. Сплошные купола-оболочки
  • а) безреберные тонкостенные,
  • б) ребристые,
  • в) волнисто-складчатые.
 
II. Каркасные купола
  • А. Плоскостные каркасы (шатры):
    • а) балочно-каркасные,
    • б) рамно-каркасные,
    • в) арочно-каркасные.
  • Б. Пространственные каркасы (сквозные стержневые купола):
    • а) шарнирно- и жестко-стержневые (имеют меридианы, кольца и раскосы из прямолинейных стержней),
    • б) сетчато-стержневые (диагональные, кружальные),
    • в) кольце-стержновые (ступенчатые).
 
III. Комбинированные купола (разных форм, разных материалов и конструкций):
  • а) подвесные купола-шатры,
  • б) сложные решения куполов (сегментные, многозонные, двухъярусные и многоярусные).
 
Для наглядности приводим таблицу, в которой последовательно даны все эти типовые формы куполов в характерных схемах, с указанием ориентировочных габаритов возможного осуществления каждого из них в равных материалах (см. таблицу схем в начале статьи).
 
 
Рис. 20. Простейшая волнисто-складчатая «парусная» схема
Рис. 20. Простейшая волнисто-складчатая «парусная» схема
 
 

3. СПЛОШНЫЕ КУПОЛА-ОБОЛОЧКИ

 
Сплошные, безреберные, тонкостенные купола-оболочки являются первичной и самой простой, а также одной из наиболее характерных и лучших форм купольных покрытий (таблица-схема № 1).
 
Основным отличительным признаком их служит, как показывает уже и само название, наличие сплошной тонкостенной (безреберной) оболочки, которая совмещает в себе функции несущей конструкции и ограждения.
 
Купола-оболочки возводятся, как монолитные сооружения, и в основном осуществляются целиком из одного и того же материала. Внутренние и наружные поверхности куполов-оболочек могут быть совершенно ровными и гладкими, без каких бы то ни было выступающих ребер и граней, что является во многих отношениях одним из их главных положительных качеств. Этим куполам максимально отвечают темные помещения. В них, однако, все же возможны разные световые и вентиляционные проемы, которые на практике часто и осуществляются. Эти проемы могут быть как в верхних центральных частях купола, так и в средних или находиться ближе к опорным частям, у распорного нижнего кольца. В зависимости от материала, из которого возводится тонкостенный купол-оболочка, световые и вентиляционные проемы могут быть большей или меньшей величины.
 
 
Рис. 21. Основная схема простейшего волнисто-складчатого купола со складками треугольной формы
Рис. 21. Основная схема простейшего волнисто-складчатого купола со складками треугольной формы
 
 
Рис. 22. Основные схемы волнисто-складчатых куполов со складками арочной формы и большими крайними проемами
Рис. 22. Основные схемы волнисто-складчатых куполов со складками арочной формы и большими крайними проемами
 
 
В каменных, металлических и железобетонных куполах конструировать всякие проемы несколько легче, нежели в деревянных оболочках. Средний каменный купол Пантеона в Париже имеет в нижних своих частях четыре очень больших отверстия, которые сделаны и для уменьшения веса всего покрытия и для освещения межкупольного чердачного пространства.
 
Очень характерным примером большого количества световых отверстий в нижних частях куполов-оболочек является каменное купольное покрытие собора (ныне музея) Айя София в Истамбуле (Константинополе). Средний его купол над центральной частью имеет по периметру 36 отверстий значительных размеров.
 
 
Рис. 23. Основные схемы и типы складок-волн (1934 г.)
Рис. 23. Основные схемы и типы складок-волн (1934 г.)
 
 
Сплошные купола-оболочки могут быть возведены во всех основных стройматериалах. В конструктивном отношении эти тонкостенные формы осуществляются следующими четырьмя способами:
 
Во-первых, сплошной купол может быть выложен из отдельных стандартных элементов, укладываемых в виде постепенно наслаиваемых концентрических замкнутых кругов-колец. Такое решение наиболее типично для камня, хотя возможно и в дереве (кольце-массивные купола). Оно позволяет осуществить кружально-косяковую оболочку, в которой отдельные косяки из досок устанавливаются в покрытие совершенно аналогичным способом, как камни и блоки в каменных куполах.
 
Во-вторых, тонкостенную оболочку купола можно получить, скрепляя между собой по продольным швам отдельные пространственные секторные звенья (наподобие апельсинных ломтиков). Тонкостенные купола такой конструктивной схемы применяются в металле для покрытия кауперов и резервуаров. Не исключена возможность осуществления в аналогичной схеме тонкостенного купола в железобетоне и даже в дереве, которые могут быть применимы при малых пролетах, как сборно-разборные решения.
 
Третий способ конструирования тонкостенных куполов сводится к созданию единой, прочной и устойчивой во всех направлениях монолитной оболочки, которая имеет оптимальное решение в железобетоне.
 
Наконец, последний тип куполов-оболочек решается в виде отдельных изогнутых длинных элементов, наслаиваемых в определенной системе друг на друга и скрепляемых специальными связями, нагелями-гвоздями. Рассматриваемое многослойное решение купола-оболочки наиболее типично для дерева и не может быть осуществлено ни в камне, ни в железобетоне.
 
Тонкостенные купола-оболочки применяются главным образом при малых и средних размерах сооружений.
 
 
Рис. 24. Каменный волнисто-складчатый купол храма Сергия и Вакха в Истамбуле
Рис. 24. Каменный волнисто-складчатый купол храма Сергия и Вакха в Истамбуле
 
 
К наиболее характерным примерам сплошных куполов-оболочек надо отнести:
  1. Каменный, совершенно гладкий купол мечети Селимие в Адрианополе, построенный арх. Синаном в 1567—1574 гг. (рис. 1).
  2. Каменные гладкие купола мечетей Сулеймана и Магомета II в Истамбуле (Константинополе).
  3. Деревянные купола многослойного типа, пролетом в 32,0 м со стрелой подъема в 5,5 м, для покрытия газгольдеров, осуществленные в СССР в 1931—1932 гг. по проекту Гипроазота инж. Р. В. Мильвицким (рис. 2).
  4. Деревянный купол кружально-косякового типа, пролетом в 20,0 м, запроектированный инж. Кашкаровым для покрытия павильона Петровского парка в Москве в 1933 г.
  5. Металлические купола из котельного железа для покрытия кауперов в типовом решении Гипромеза и Стальпроекта (рис. 3).
  6. Железобетонные купола малой высоты для покрытия фойе кино «Ударник» и театра при I Доме ВЦИК и СНК в Москве.
  7. Железобетонные купола для покрытия водных резервуаров, диаметром от 5,0 до 25,0 м, в типовом решении Союзводоканалстроя и др.
  8. Железобетонный внешний купол планетария в зоопарке в Берлине, пролетом в 24,9 м, с толщиной оболочки в 6 см, построенный в щитовой подвижной опалубке с жестким каркасом из металлической арматуры; осуществлен в 1928 г. по проекту Мацдорф, Саленге и Эрмиш.
  9. Железобетонный купол-шатер для покрытия корпуса высокого напряжения Всесоюзного электроинститута в Москве, запроектированный инж. А. А. Гвоздевым в 1928 г., имеет диаметр в 20,0 м при высоте 4,0 м и толщине в 12 см; перекрывает квадратное в плане помещение.
  10. Железобетонный купол покрытия Большого театра в Новосибирске, запроектированный проф. П. Л. Пастернаком и инж. Б. Ф. Матэри, диаметром в 60,0 м, при высоте подъема в 22,0 м и толщине в 8 см, построенный в 1934 г. (рис. 4—5).
 
Это самый большой в мире тонкостенный купол, толщина оболочки которого относительно тоньше скорлупы яйца больше чем в три раза, так как у него отношение h/D = 1/750, а у скорлупы яйца это же отношение составляет в среднем 1/250.
 
Осуществляя тонкостенный купол-оболочку целиком из стекла (стеклянный прозрачный камень), можно получить светопрозрачное купольное покрытие, используемое, как фонарь для освещения. Такие стеклянные купола были осуществлены за границей в течение последних лет при пролетах до 25,0 м.
 
При больших габаритах тонкостенные купола-оболочки уже являются менее рациональными, поскольку значительно уменьшается их устойчивость и неизбежно увеличивается расход материала, в результате чего получается большой собственный вес покрытия, что и явилось диктующим условием для разработки других архитектурно-конструктивных форм.
 
Одним из первых куполов, в котором весьма четко и ясно в архитектурном отношении показана ребристость, является знаменитый каменный купол Пантеона в Риме (рис. 6—7). Он построен в 115—125 гг. нашей эры по проекту Аполлодора из Дамаска и перекрывает пролет в 44,0 м при высоте в 19,0 м. Следует отметить, однако, что внутренние ребра, идущие по меридианам и по направлению широт и образующие кессоны, имеют скорее декоративное значение, нежели конструктивно-инженерное, принимая во внимание их размеры и толщину основного массива купола.
 
К промежуточным от тонкостенных к собственно ребристым решениям следует причислить и шатровое покрытие церкви над гробом господним в Иерусалиме, диаметром 18,0 м, реставрированное в 1810 году (рис. 8).
 
Каменный купол храма Айя София, ныне музея в Истамбуле, осуществленный в 532—537 гг. нашей эры, диаметром в 31,5 м, должен быть также отнесен к переходным конструктивным схемам (рис. 9—10). На внутренней поверхности купола находятся выступы, правда, только по направлению меридианов, придающие ему ребристый вид. Эти ребра, надо полагать, имеют больше декоративное значение и не являются основными несущими элементами или ребрами жесткости. Поражает смелость строителей, которые осуществили без подробных расчетов столь сложное и оригинальное по своей схеме купольное покрытие.
 
 
Рис. 25. Каменный купол Медрессе Ханым в Самарканде (1398 г.)
Рис. 25. Каменный купол Медрессе Ханым в Самарканде (1398 г.)
 
 
В типичных ребристых куполах имеется особый рабочий элемент — ребро, назначение которого сводится исключительно к уменьшению гибкости основной рабочей несущей оболочки (таблица-схема № 2).
 
 
Рис. 26. Волнисто-складчатые купола большого масштаба в типовом решении (1934—1935 гг.)
Рис. 26. Волнисто-складчатые купола большого масштаба в типовом решении (1934—1935 гг.)
 
 
В конструкции купола ребро может располагаться в основном либо снизу оболочки, либо сверху. Возможно и такое положение ребер, когда они выступают и по наружной и по внутренней поверхностям оболочки. В этом случае последняя может прикрепляться к ребру не только в нейтральной его части, посредине его поперечного сечения, а также и у нижней или у верхней его грани.
 
Ребра жесткости могут располагаться по оболочке в самом разнообразном направлении. Во-первых, они могут быть направлены только по меридианам или только по параллелям в виде горизонтальных колец жесткости. Такая система менее желательна в конструктивном отношении. Более рациональное решение получается, когда тонкостенная оболочка имеет соответствующие ребра жесткости одновременно в обоих главных направлениях. Основные ребра жесткости следует направлять тогда по меридианам, а второстепенные — по параллельным кольцам, которые одновременно служат для устойчивости основных меридиональных ребер. Наконец, возможна спиральная система расположения ребер под разными углами в двух взаимно пересекающихся направлениях. Такое решение может быть получено из обычной сетки по типу сводов Цольбау, когда она служит не как несущая конструкция, а только как второстепенный элемент жесткости, необходимый для устойчивости основной рабочей оболочки купольного покрытия.
 
 
Рис. 27. Волнисто-складчатые купола большого масштаба в типовом решении (1934—1935 гг.)
Рис. 27. Волнисто-складчатые купола большого масштаба в типовом решении (1934—1935 гг.)
 
 
Ребристые купола могут иметь только одну оболочку, которая достаточна при небольших пролетах покрытия. При весьма значительных габаритах купольного сооружения предпочтительнее парная рабочая оболочка. В этом решении ребро является, кроме того, еще и скрепляющим элементом. Оно обычно располагается в середине между обеими рабочими оболочками, которые могут быть совершенно одинаковой толщины и по форме подобны одна другой.
 
 
Рис. 28. Деревянные балочно-каркасные шатры силосных башен
Рис. 28. Деревянные балочно-каркасные шатры силосных башен
 
 
Практика реального строительства, однако, дает много примеров, когда эти оболочки имеют различную толщину и разные очертания. Нижнюю оболочку устраивают более мощной, в то время как верхняя, при незначительной толщине, используется преимущественно, как кровельное ограждение. Так, например в каменных ребристых куполах собора во Флоренции и собора св. Петра в Риме толщина нижних оболочек около 2,5 и 2,3 м, в то время как толщина верхних оболочек не превышает 0,9 и 0,8 м.
 
Куполом ребристой формы при парных оболочках можно перекрыть очень большие пролеты, в несколько сот метров. Осуществление в ребристых куполах разного рода световых и вентиляционных проемов не представляет особенной сложности. Наличие как бы каркаса из ребер обеспечивает для световых проемов жесткость краев-бортов, которые в этих местах должны быть только несколько более мощными.
 
 
Рис. 29. Деревянные балочно-каркасные шатры силосных башен
Рис. 29. Деревянные балочно-каркасные шатры силосных башен
 
 
Рис. 30. Деревянные балочно-каркасные шатры больших габаритов (1934 г.)
Рис. 30. Деревянные балочно-каркасные шатры больших габаритов (1934 г.)
 
 
Расстояние между парными оболочками, соответствующее рабочей высоте ребер, при больших пролетах купола может достигать значительных размеров. В каменных ребристых куполах соборов во Флоренции и Риме расстояние между оболочками, достигающее 2,5 и 2,1 м, используется для устройства специальных ходов и галлерей, нужных в эксплоатационном отношении.
 
Возведение каменных ребристых куполов более сложно, чем тонкостенных гладких оболочек, так как устройство ребра требует специальных приспособлений в виде особого типа лесов и опалубки. Эти недостатки не относятся к деревянным и металлическим ребристым купольным формам, в которых ребра могут быть использованы в период монтажа, как кружала и подмости. Ребристые купола с парной оболочкой при возведении являются еще более сложными решениями, так как специальные опалубки и подмости для верхней оболочки, при малых размерах ребер, должны быть оставлены в покрытии, как замурованные.
 
 
Рис. 31. Деревянный балочно-каркасный шатер гаража в Нюрнберге
Рис. 31. Деревянный балочно-каркасный шатер гаража в Нюрнберге
 
 
Всевозможные варианты ребристых форм, как показали исследования, могут быть осуществлены в любом из основных материалов: в камне, в дереве, в металле и в железобетоне, и являются одними из лучших характерных типов куполов вообще.
 
Возможность осуществления больших пролетов, значительная устойчивость стенки, рациональное использование материала, возможность создания двух оболочек со средними проемами в целях облегчения конструкции, устройство обслуживающих ходов и вентиляции, использование ребра, как декоративного элемента в архитектурном отношении, — все это должно быть признано за положительные качества ребристых форм куполов.
 
Конструкция оболочки в ребристых куполах решается таким же образом, как и в обычных тонкостенных куполах.
 
 
Рис. 32. Чугунное балочно-каркасное шатровое покрытие старой Биржи в Антверпене
Рис. 32. Чугунное балочно-каркасное шатровое покрытие старой Биржи в Антверпене
 
 
Рис. 33. Металлический балочно-каркасный шатер цирка Отто в Берлине
Рис. 33. Металлический балочно-каркасный шатер цирка Отто в Берлине
 
 
Рис. 34. Металлический балочно-каркасный шатер-ротонда павильона Всемирной выставки в Вене (1873 г.)
Рис. 34. Металлический балочно-каркасный шатер-ротонда павильона Всемирной выставки в Вене (1873 г.)
 
 
Лучшими примерами ребристой формы куполов являются покрытия следующих сооружений:
 
1. Каменный стрельчатый купол мавзолея Магомета Ильдшанту Ходабенде в Султане (Иран), построенный в 1304 г.; имеет диаметр в 29,85 м со стрелой подъема в 21,15 м при парной оболочке, усиленной меридиональными и кольцевыми ребрами (рис. 11).
 
2. Каменный многогранный купол собора во Флоренции, построенный Брунеллески в 1421—1434 г., диаметром в 40,0 м при высоте подъема в 38,0 м, опирается в плане на периметр правильного восьмиугольника (рис. 12).
 
3. Каменный сферический купол собора св. Петра в Риме осуществлен по проекту Микельанджело в период 1506—1626 гг., имеет диаметр в 40,0 м со стрелой подъема в 30,0 м, при высоте купола от уровня пола в 111,0 м (рис. 13—14).
 
Эти каменные ребристые купола каждый в своем роде являются классическими образцами не только в архитектурном отношении, но и с чисто инженерно-конструктивной точки зрения.
 
4. Деревянный купол церкви св. Стефана в Эссене в Германии имеет рабочую оболочку и очень мощные главные ребра, помимо второстепенных, которые несколько приближают его к арочно-каркасным решениям.
 
5. Деревянный купол, диаметром в 60,0 м, со стрелой подъема в 10,0 м, покрытия резервуаров в типовом решении 1931 г. (рис. 15).
 
6. Деревянный купол покрытия театра Дворца культуры Ленинской слободы в Москве; запроектирован с диаметром в 40,0 м и со стрелой подъема в 18,0 м.
 
7. Железобетонный восьмигранный купол крытого рынка в Базеле, осуществленный в 1929 г. акционерным обществом Диккергоф и Видман, пролетом в 60,0 м; имеет толщину рабочей оболочки в 8 см (рис. 16).
 
 
Рис. 35. Металлический рамно-каркасный купол-шатер городского зала в Ганновере (1912 г.)
Рис. 35. Металлический рамно-каркасный купол-шатер городского зала в Ганновере (1912 г.)
 
 
Рис. 36. Деревянный арочно-каркасный купол-палатка, жилище негритянского племени вакара
Рис. 36. Деревянный арочно-каркасный купол-палатка, жилище негритянского племени вакара
 
 
Рис. 37. Деревянный арочно-каркасный купол из серповидных элементов сплошного двутаврового сечения на гвоздях (1931—1932 гг.)
Рис. 37. Деревянный арочно-каркасный купол из серповидных элементов сплошного двутаврового сечения на гвоздях (1931—1932 гг.)
 
 
Рис. 38. Деревянный арочно-каркасный купол из серповидных ферм на гвоздях, непосредственно опирающихся на фундаменты (1931 г.)
Рис. 38. Деревянный арочно-каркасный купол из серповидных ферм на гвоздях, непосредственно опирающихся на фундаменты (1931 г.)
 
 
Рис. 39. Деревянный арочно-каркасный купол из серповидных ферм на гвоздях, передающий распор колец, которые опираются на стойки (1931 г.)
Рис. 39. Деревянный арочно-каркасный купол из серповидных ферм на гвоздях, передающий распор колец, которые опираются на стойки (1931 г.)
 
 
 
8. Железобетонный купол покрытия рынка в Лейпциге, построенный инж. Дишингером в 1929 г., имеет пролет в 76,0 м, со стрелой подъема в 33 м. Его средняя часть является характерной многогранной ребристой оболочкой (рис. 17—19).
 
9. Железобетонный купол, диаметром в 150,0 м и высотой в 44,0 м, запроектированный в 1931 г. инж. Дишингером по конкурсному заданию строительной полиции Берлина и имеющий среднюю зону в виде парной, т. е. верхней и нижней, рабочей оболочки.
 
 
Рис. 40. Деревянный арочно-каркасный купол цирка в Саратове (1930 г.)
Рис. 40. Деревянный арочно-каркасный купол цирка в Саратове (1930 г.)
 
 
Из новейших решений куполов следует отметить волнисто-складчатые фермы их, которые были конструктивно выявлены и детально разработаны в дереве, в металле и в железобетоне в результате проведенного мною анализа купольных покрытий в кабинете строительной техники ВАА (таблица-схема № 3).
 
Малая жесткость при больших пролетах тонкостенных решений и наличие значительно выдающегося ребра-арки в ребристых и каркасных формах послужили главным стимулом для выявления типовых волнисто-складчатых конструкций купольных покрытий. В статическом отношении во многих случаях они могут быть рассмотрены, как обычные трехшарнирные схемы и как защемленные консоли (рис. 20—22). В поперечном сечении складки могут иметь треугольное, трапецоидальное или же арочное (дуговое) очертание (рис. 23). Складки располагаются непосредственно одна за другой, что дает наименьшую по ширине ендовую часть кровли.
 
Образуемый складками острый угол между соседними гранями не является удачным решением ни в архитектурном, ни в конструктивном отношении. Поэтому желательно устройство в складке специальной нижней ендовой части, которая, однако, не должна быть шире 3—5 м. Ввиду того, что каждая из сторон складки есть также и основная рабочая конструкция, световые проемы, как показала практика проектирования, лучше конструировать в верхних частях при наличии трапецоидальной или дуговой арочной складки.
 
«Зонтичные» купола и так называемые «мелон-купель», некоторые решения «сотовых» куполов, а также «крестовых сводов» (при повышенной стреле подъема) и «парусных сводов», известные в архитектуре, являются промежуточными и первичными производными формами основных современных волнисто-складчатых куполов в их типовых решениях. По внешнему очертанию волнисто-складчатую поверхность напоминает также и натяжной купол парашютов, которые по своей статической работе представляют собой конечно-растянутую и вздутую сплошную тонкостенную или усиленную меридиональными жгутами (как бы ребристую) оболочку.
 
 
Рис. 41. Деревянный арочно-каркасный купол цирка в Иванове (1934 г.)
Рис. 41. Деревянный арочно-каркасный купол цирка в Иванове (1934 г.)
 
 
Своеобразный интерьер, создаваемый волнисто-складчатыми формами куполов, позволяет иметь прекрасную освещенность помещения при наличии совершенно гладкой, но многогранной поверхности.
 
Оригинальное новейшее оформление купольного покрытия волнисто-складчатого типа дает возможность уже в настоящее время предусмотреть широкую область применения его в ближайшие годы у нас в Союзе для самых разнообразных сооружений.
 
Благодаря изогнутой форме оболочки имеется возможность значительно увеличить момент инерции сечения, что позволяет получить очень большую мощность конструктивного решения при минимальном собственном весе и при больших габаритах сооружения.
 
Волнисто-складчатые формы купольных покрытий возможны во всех материалах, однако не все формы складок могут быть выполнены в том или другом стройматериале. В камне эти решения возможны только при арочной форме складки-волны, которые и были осуществлены на практике, как, например, покрытие храма св. Сергия и Вакха в Истамбуле, пролетом в 18,0 м при стреле подъема в 7,3 м, и некоторые другие (рис. 24).
 
Весьма характерную внешнюю волнисто-складчатую форму имеет каменный купол Медрессе Ханым, построенный Тимурам в 1398 г. в Самарканде (рис. 25). Однако его ребристость в виде мелких наружных меридиональных складок-волн имеет, надо полагать, не конструктивное, а чисто декоративное значение. С внутренней стороны в нижних своих частях у опор купол имеет радиально расположенные пилястры, придающие ему резко выраженную ребристость. Железобетонные и деревянные двутаврового сечения, с перекрестной стенкой, складки могут дать самые разнообразные схемы и позволяют создать наиболее четкие конструктивные решения (рис. 26—27). Эти формы куполов неплохо могут быть сконструированы в металле на базе широкого освоения сварных металлических соединений.
 
 

4. ПЛОСКОСТНЫЕ КАРКАСНЫЕ СХЕМЫ

 
Балочно-каркасные схемы являются типичными шатровыми покрытиями и должны быть отнесены к простейшим каркасным формам (таблица-схема № 4). В основном они воспроизводят конические и пирамидальные шатры, которые характеризуются незначительной выпуклостью внешней поверхности. Основной несущий каркас состоит из отдельных наклонно стоящих элементов, радиально расположенных, сходящихся наверху в сжатом кольце, а внизу упирающихся в нижнее растянутое опорное кольцо.
 
Сквозные формы балочного каркаса более рациональны при средних пролетах. Жесткий каркас купола позволяет дать хорошее освещение с любой схемой расположения световых проемов. В этих куполах кровельное покрытие совершенно не участвует в работе несущего каркаса. Оно непосредственно опирается на верхние грани рабочих элементов или же лежит на прогонах и второстепенных поперечных балках. Эти балочные каркасные формы шатров мыслятся преимущественно в дереве, металле и в железобетоне. Решить в камне балочно-каркасную схему шатра не представляется возможным ввиду плохой работы камня на поперечный изгиб и значительного собственного его веса.
 
В производственном отношении рассматриваемая форма имеет некоторые преимущества. Она может быть возведена не только как монолитная конструктивная схема, целиком осуществляемая на месте постройки, но и как сборная схема из отдельных крупных, заранее заготовленных элементов.
 
Строительная практика, как за рубежом, так и у нас в Союзе, дает возможность привести следующий перечень балочно-каркасных шатров:
 
1. Деревянные шатры, пролетом от 5,0 до 7,0 м, для покрытия силосных башен в типовом решении Гипросельхоза (рис. 28—29).
 
2. Деревянные шатры с несущими ребрами из балок цельного сечения, составного двухтаврового сечения, с перекрестной и фанерной стенкой на гвоздях, из треугольных и сегментных ферм в типовом решении кабинета строительной техники ВАА (рис. 30).
 
3. Деревянный шатер гаража для автобусов в Нюрнберге, пролетом в 19,5 на 21,9 м, из двутавровых балок, с перекрестной стенкой на гвоздях (рис. 31).
 
4. Чугунное каркасно-шатровое покрытие старой Биржи в Антверпене, построенное в 1852 г. арх. Маргелисом, перекрывающее в плане помещение площадью 40,0 на 30,0 м (рис. 32).
 
5. Металлический шатер цирка Наполеона в Париже, построенный арх. Шклиндорфом, диаметром в 20,0 м, несущий средний световой и вентиляционный фонарь и легкий подвесной потолок.
 
6. Металлический шатер цирка Отто в Берлине, пролетом в 35,0 м при стреле подъема в 9,0 м, несущий легкую кровлю без подвесного потолка. Балочные рабочие ребра имеют переменно-направленную решетку и раскреплены двумя рядами прогонов арочного типа, расположенных по кольцам (рис. 33).
 
7. Металлический шатер-ротонда центрального павильона Всемирной выставки в Вене, возведенный в 1873 г. по проекту Шведлера, пролетом в 105,0 м, несущий посредине фонарь диаметром в 31,0 м. Это покрытие является и по настоящее время самым большим реально осуществленным куполом (рис. 34).
 
8. Железобетонный балочно-каркасный шатер шахты «Людвиг» (Германия), перекрывающий в плане квадратное помещение пролетом в 18,0 м.
 
 
Рис. 42. Металлический арочно-каркасный купол павильона во Франкфурте на Майне (1907—1909 гг.)
Рис. 42. Металлический арочно-каркасный купол павильона во Франкфурте на Майне (1907—1909 гг.)
 
 
Рамно-каркасные шатры дают возможность создать жесткую своеобразную форму, в которой верхнее покрытие и стены составляют одну неразрывную схему каркаса сооружения (таблица-схема № 5).
 
Только в конце XIX в. на базе применения рамных конструкций, характеризующихся наличием жесткого соединения отдельных элементов, вертикальных ног, горизонтальных и наклонных ригелей, явилась возможность осуществить типовую рамно-каркасную схему купольно-шатровых покрытий.
 
Рамные элементы могут иметь консоли, свободный вылет которых возможен до 15,0 м. Благодаря этому легко осуществить карниз любого вылета и формы вокруг всего сооружения, защищающий от действия косого дождя и прямых солнечных лучей не только стены и оконные проемы, но также и цокольные части всего сооружения.
 
Как ноги, так и ригеля мыслятся в этих схемах только при прямолинейных и ломано-прямолинейных очертаниях. Последняя форма рамы, при наличии по оси более 4—5 изломов с жесткими узлами, но прямолинейными участками, может рассматриваться, как промежуточное решение граненого купола-шатра, в своем пределе приводящая к арочной схеме несущего элемента каркаса. Рамно-каркасная форма шатрово-купольных покрытий дает явно выраженную ребристую поверхность. Отдельные грани-ребра четко выделяются обычно на нижней (внутренней) поверхности. Однако не исключена возможность осуществления этих ребер по верху, снаружи, что является менее желательным в конструктивном отношении. В поперечном сечении ригеля и ноги рам могут иметь прямоугольное, тавровое или двутавровое сечение, со сплошной стенкой или со сквозной решеткой.
 
 
Рис. 43. Металлический арочно-каркасный купол здания ЦИТ в Москве
Рис. 43. Металлический арочно-каркасный купол здания ЦИТ в Москве
 
 
Наиболее ответственными деталями в этих шарнирных рамных конструкциях следует считать ломаные жесткие узлы, верхние и опорные шарниры. В купольно-шатровых сооружениях отдельные рамные элементы располагаются в радиальном направлении и раскрепляются между собой поперечными (кольцевыми) связями-прогонами. По рамному каркасу может быть уложено кровельное покрытие любого типа, в зависимости от уклона и назначения сооружения. Возможность осуществления обычных вертикальных световых проемов в плоскостях стен устраняет необходимость устройства специальных световых проемов в верхних частях покрытия.
 
Рамно-каркасные схемы шатровых покрытий возможны во всех основных стройматериалах, хорошо работающих на поперечный изгиб. В металле, и особенно в железобетоне, рамный каркас дает одну из весьма характерных форм конструктивных решений, которые нашли широкое применение в самых разнообразных сооружениях.
 
Значительная конструктивная сложность осуществления в дереве жесткого ломаного узла является одним из ограничительных условий применения деревянных рамно-каркасных шатровых покрытий.
 
Выполнение этих архитектурно-конструктивных форм в камне, конечно, совершенно невозможно.
 
В производственном отношении эти схемы могут возводиться на месте, как монолитные сооружения. Однако лучшим типом следует признать сборные решения, которые наиболее характерны для металла и для дерева, но также вполне возможны и в железобетоне.
 
Таким образом, к основным достоинствам рамно-каркасных схем шатровых покрытий следует отнести возможность осуществления жесткого пространственного каркаса, возможность получить по желанию резкое или смягченное разграничение отдельных плоскостей стены и покрытия и, наконец, возможность легкого устройства консолей.
 
Наиболее характерными недостатками этих схем являются: сложность конструирования узлов в некоторых материалах, наличие в этих узлах значительных отрицательных моментов, невозможность осуществления при больших пролетах и, наконец, то, что эта форма есть промежуточная архитектурно-конструктивная схема купольно-шатровых сооружений.
 
 
Рис. 44. Металлический шарнирно-стержневой купол газгольдеров в типовом решении (1928 г).
Рис. 44. Металлический шарнирно-стержневой купол газгольдеров в типовом решении (1928 г).
 
 
К числу запроектированных и осуществленных куполов-шатров рассматриваемой формы относятся:
  1. Деревянный шатер из балок и стоек двутаврового сечения для покрытия сцены летнего закрытого театра в Парке культуры и отдыха в Москве, построенный в 1923 г., с пролетам в 18,0 м и со стрелой подъема в 11,0 м.
  2. Металлический шатер городского павильона в Ганновере (Германия), возведенный в 1912 г. по проекту арх. Бонату и Шоллер, диаметром в 35,0 м, несущий подвесную куполообразную кессонную оболочку, которая оформлена наподобие Пантеона в Риме (рис. 35).
  3. Железобетонный рамного типа шатер выставочного павильона в Мюнхене, высотой в 20,0 м при пролете в 26,0 м.
  4. Типовые рамно-каркасные купола в металле, дереве и в железобетоне, разработанные кабинетом строительной техники ВАА в 1934—1935 гг.
 
Арочно-каркасные решения куполов, несомненно, являются одной из наиболее распространенных и типичных архитектурно-конструктивных форм (таблица-схема № 6). Основными рабочими несущими элементами здесь служат меридионально расположенные ребра-арки, образующие основной каркас-скелет, которые раскреплены между собой кольцевыми прогонами и подкосами.
 
 
Рис. 45. Металлический шарнирно-стержневой купол цирка Сарасани в Дрездене
Рис. 45. Металлический шарнирно-стержневой купол цирка Сарасани в Дрездене
 
 
К достоинствам этих купольных покрытий следует отнести: возможность возведения весьма больших пролетов; наличие плавного арочного очертания поверхности с выпуклостью вверх, которая может иметь любую кривизну; осуществление светопрозрачного решения; преобладание главным образом сжимающих продольных усилий при наличии небольших изгибающих моментов и поперечных сил (по сравнению с балочными и рамными каркасами шатров); и, наконец, производственные преимущества, выявляющиеся в возможности полной индустриализации не только заготовки, но и самого процесса монтажа.
 
 
Рис. 46. Деревянный сетчато-стержневой купол проекта летнего театра-цирка в Парке культуры и отдыха в Москве (1932 г.)
Рис. 46. Деревянный сетчато-стержневой купол проекта летнего театра-цирка в Парке культуры и отдыха в Москве (1932 г.)
 
 
Что касается форм ребер-арок, то они могут быть постоянного или же переменного сечения, принимая в последнем случае форму серповидного элемента трехшарнирной схемы. Серповидная форма арки соответствует покрытиям большого масштаба. Арки в поперечном сечении могут быть либо прямоугольного и двутаврового сечения со сплошной стенкой, либо со сквозной решеткой. Сплошным ребрам всегда следует отдавать предпочтение, как более устойчивым в пожарном отношении, более компактным и более простым при конструировании и возведении. Серповидные элементы крепятся одним своим концом у верхнего сжатого кольца, а другим — у нижнего растянутого распорного кольца, которое может лежать на стенах, или на грунте, или опираться на ряд отдельных стоек. При больших пролетах купола арки надлежит устанавливать на самостоятельные фундаменты, передающие вертикальное давление и горизонтальный распор непосредственно грунту.
 
Одной из слабых сторон рассматриваемых форм куполов является необходимость надежного обеспечения устойчивости сжатых арок-ребер каркаса. Это достигается постановкой отдельных подкосов и кольцевых поперечных связей в виде прогонов, неизбежных во всех каркасных схемах куполов и шатров. Ограждающая оболочка-кровля, как и во всех каркасных формах, является только своего рода нагрузкой, поскольку она свободно опирается на несущий каркас и совершенно не участвует в работе основных несущих арок каркаса всего сооружения в целом.
 
 
Рис. 47. Деревянный сетчато-стержневой купол проекта летнего театра-цирка в Парке культуры и отдыха в Москве (1932 г.)
Рис. 47. Деревянный сетчато-стержневой купол проекта летнего театра-цирка в Парке культуры и отдыха в Москве (1932 г.)
 
 
Арочно-каркасная форма куполов может быть осуществлена во всех основных стройматериалах. Для дерева, железобетона и металла они являются одними из наиболее характерных конструктивных решений.
 
Арочно-каркасные формы куполов применены в следующих проектах и сооружениях:
  1. Деревянные арочные купола-шатры малых пролетов из гнутых жердей для временных построек (жилища и склады) (рис. 36).
  2. Деревянные купола из кружально-косяковых и гнутых арок прямоугольного, двутаврового и сквозного сечения в типовом решении, по проектам Г. А. Цвингман для покрытий цирков и летних театров в Киеве, Серпухове, Курске и Сочи (1932 г.) (рис. 37—39).
  3. Деревянный купол из серповидных арок типа Гау для покрытия цирка в Саратове, построенный в 1929—1930 гг., с пролетом в 46,4 м и стрелой подъема в 15,0 по проекту инж. Дивакова (рис. 40).
  4. Деревянный купол для покрытия цирка в Иванове, построенный в 1933—1934 гг., диаметром в 50,0 м, со стрелой подъема в 24,0 м, также имеет каркас из серповидных ферм типа Гау с переменно-направленными деревянными раскосами и металлическими стойками (рис. 41).
  5. Металлический купол праздничного павильона во Франкфурте на Майне, возведенный арх. Ф. Тирш в 1907—1909 гг., с пролетом в 62,5 м и со стрелой подъема в 30,5 м, несущий наверху остекление фонаря и имеющий четырехшарнирный каркас из арочных безраскосных элементов типа Веренделя (рис. 42).
  6. Металлический купол для освещения внутреннего помещения вестибюля здания ЦИТ в Москве, диаметром в 20,0 м, со стрелой подъема в 6,0 м, имеющий рабочие элементы из серповидных ферм с переменно-направленной решеткой (рис. 43).
  7. Железобетонные арочно-каркасные купола разных конструктивных вариантов в типовом решении, разработанные кабинетом строительной техники ВАА (1934—1935 гг.).
 
 
Рис. 48. Деревянный сетчато-стержневой купол проекта стадиона в Измайловском парке в Москве (1935 г.)
Рис. 48. Деревянный сетчато-стержневой купол проекта стадиона в Измайловском парке в Москве (1935 г.)
 
 

5. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КАРКАСНЫЕ СХЕМЫ

 
Шарнирно-стержневые купола характеризуются тем, что все рабочие элементы прямолинейны, шарнирно связаны между собой в узлах, образуя ясно выраженную решетку, типичную для сквозных ферм с поясами, стойками и раскосами (таблица-схема № 7).
 
В расчетном отношении эти конструкции куполов представляют собой сложную, стержневую, пространственную, многократно статически неопределимую систему. В основном эта архитектурно-конструктивная форма воспроизводит многогранную поверхность, которая только в своем пределе может быть превращена в совершенно гладкую и ровную купольную поверхность.
 
Эти конструкции впервые были осуществлены в металле известным германским инженером Швеллером. Только по прошествии многих лет рассматриваемая схема воспроизведена была сперва в дереве, а потом в железобетоне, и притом в единичных случаях.
 
 
Рис. 49. Железобетонный сетчато-стержневой купол павильона в Кельне (1914 г.)
Рис. 49. Железобетонный сетчато-стержневой купол павильона в Кельне (1914 г.)
 
 
К основным отрицательным качествам стержне-каркасных куполов относятся: сложность статического расчета, трудность конструирования узловых сопряжений, производственные недостатки во время монтажа и ограниченная возможность рационального применения их лишь для покрытия незначительных пролетов.
 
Но если эти стержне-каркасные купола конструировать из элементов мощного двутаврового сечения, то возможно перекрывать и весьма значительные пролеты.
 
По своей конструктивной идее стержне-каркасные купола являются сборными решениями, легко монтируются индустриальными методами возведения, однако требуют высокой квалификации бригады монтажников.
 
К типичным шарнирно-стержневым куполам можно отнести следующие виды куполов:
  1. Деревянный купол павильона сельскохозяйственной выставки в Москве в 1923 г., диаметром в 17,0 м, построенный инж. Геллером и сконструированный из брусьев на болтах и врубках.
  2. Металлический сквозной купол с переменно-направленными подкосами, пролетом в 32,14 м, со стрелой подъема в 2,7 м, для покрытия газгольдеров (рис. 44).
  3. Металлический купол в типовом решении цирка Сарасани в Дрездене, построенный по проекту арх. Хейгман и Литман, пролетом в 45,0 м, при высоте в 13,0 м, с крестообразными подкосами в виде тонких тяжей (рис. 45).
 
 
Рис. 50. Железобетонный кольце-стержневой купол юбилейного павильона в Бреславле (1912 г.)
Рис. 50. Железобетонный кольце-стержневой купол юбилейного павильона в Бреславле (1912 г.)
 
 
Два последних примера шарнирно-стержневых куполов являются весьма характерными типовыми решениями металлических конструкций вообще, поскольку они осуществлены в виде идеального статически-устойчивого пространственного каркаса, при наличии треугольной сетки, имеющей шесть элементов, сходящихся в одном узле. Наименьшее количество элементов, соединяемых в одном узле, соответствует четырем (таблица-схема № 8), что требует для получения статически-устойчивого каркаса жесткого решения узлов. Поэтому только в металле и в железобетоне возможны жестко-стержневые формы куполов, некоторые варианты которых осуществлены в течение последних лет у нас в Союзе и за границей.
 
Сетчато-стержневые купола, впервые примененные в Германии по типу деревянной кружально-сетчатой решетки сводов Цольбау, дают оригинальное оформление интерьера из однотипных элементов при полной сборно-разборности их (таблица-схема № 9). Стандартность косяков и узловых сопряжений, которые могут быть не только идеально шарнирными, но и абсолютно жесткими, дает неплохое конструктивное решение, полностью удовлетворяющее требованиям индустриального производства. Однако некоторая сложность конструирования такой сетки именно в купольной форме, по сравнению с цилиндрической сводчатой поверхностью, особенно резко сказывается на верхних частях купола и принуждает считать сетчатые купола менее эффектным решением, чем другие архитектурно-конструктивные формы их. Все же, принимая во внимание опыт зарубежных стран, например США и Германии, построивших много разных сферических купольных сетчатых покрытий малых и очень больших пролетов, можно сказать, что эти формы не утратили для нас своей реальной ценности.
 
 
Рис. 51. Железобетонный кольце-стержневой купол юбилейного павильона в Бреславле (1912 г.)
Рис. 51. Железобетонный кольце-стержневой купол юбилейного павильона в Бреславле (1912 г.)
 
 
Следует различать несколько типов сетчатых купольных покрытий. По форме сетка может быть ромбической, квадратной, прямоугольной, треугольной и ломано-арочной.
 
По форме поперечного сечения костяков сетчатые купола различаются, как состоящие из косяков прямоугольной или двутавровой формы, цельного или составного профиля.
 
Сетчатые купола могут быть сконструированы из стройматериалов, хорошо работающих на поперечный изгиб и одновременно на сжатие. Поэтому наиболее характерные формы сетчатых куполов были осуществлены за рубежом и запроектированы у нас в Союзе в дереве и металле и уже затем в железобетоне.
 
В камне сетчатая схема купола может быть сконструирована только при ломано-арочной форме отверстий, которая применена была на нескольких возведенных покрытиях.
 
Сборка сетчатых куполов при помощи одной только башни и стрелы с рабочей площадкой на ней дает весьма простую и оригинальную схему монтажа.
 
 
Рис. 52. Деревянный ступенчатый купол выставки в Мюнхене (1925 г.)
Рис. 52. Деревянный ступенчатый купол выставки в Мюнхене (1925 г.)
 
 
За последние годы в СССР запроектировано несколько сетчатых конструкций куполов в разных материалах; однако приходится сожалеть, что еще до сих пор они не получили осуществления в натуре. Только после испытания ряда моделей и опытной проверки фактической работы можно будет дать окончательную техно-экономическую характеристику этим архитектурно-конструктивным решениям куполов.
 
Однотипность узловых сопряжений элементов каркаса, возможность массовой серийной заготовки их на заводах и стройдворах, а равно возможность создания светопрозрачного решения и применения для покрытий весьма больших пролетов, при наличии несложного производственного процесса, уже теперь говорят в пользу положительной характеристики этих конструкций.
 
К недостаткам сетчатых решений купольных покрытий следует отнести: некоторую сложность конструирования и заготовки элементов и узлов при разной кривизне покрытия и наклона купольной поверхности, а также наличие большего количества номеров отдельных элементов косяков, чем в цилиндрических сводах.
 
Сетчато-стержневые купола запроектированы и осуществлены в следующих сооружениях:
  1. Деревянные кружально-сетчатые купола на врубках для сельскохозяйственного строительства, запроектированные в 1932 г. инж. Песельником, с пролетами в 16,0 и 24,0 м.
  2. Купольное покрытие гимнастического зала Дворца физкультуры при заводе № 1 в Москве имеет диаметр 32 м и возведено инж. Б. Клейменовым в 1933/34 г.
  3. Покрытие зала главного павильона выставки в Сан Луи, возведенное по проекту арх. Холингворса в 1929 г. Интерес представляют сферические полукупола в торцовых частях свода, пролетом в 50,29 м, со стрелой подъема в 13,0 м, из деревянных выкружаленных косяков дугласовой сосны.
  4. Деревянный кружально-сетчатый купол цирка в Парке культуры и отдыха в Москве, пролетом в 80,0 м, запроектированный инж. Г. А. Цвингман в 1932 (г. (рис. 46—47).
  5. Деревянное кружально-сетчатое купольное покрытие стадиона на 30 тыс. зрителей в Измайловском парке в Москве, пролетом в 150,0 × 250,0 м, со стрелой подъема в 37,5 м, с опорным кольцом на высоте 25,3 м. Проект выполнен, как дипломная работа, студентом МИСИ тов. В. П. Проневичем в 1935 г. (рис. 48).
  6. Металлический сетчатый купол покрытия павильона на выставке в Милане, диаметром в 18,0 м, построенный в 1926 г. арх. Отто Бартингом.
  7. Железобетонный купол стеклянного дома в Кельне, построенный арх. Бруно Таут в 1914 г. (рис. 49).
  8. Железобетонный сетчатый купол с заполнением стеклянными камнями, построенный арх. Лефевром (Франция) в 1930 г.
  9. Каменный арочно-сетчатый купол покрытия главного нефа капеллы делла Синдоне в Турине, построенный по проекту арх. Гварини.
 
 
Рис. 53. Деревянный кольце-стержневой купол (для стадиона в Измайловском парке в Москве (1935 г.)
Рис. 53. Деревянный кольце-стержневой купол (для стадиона в Измайловском парке в Москве (1935 г.)
 
 
Кольце-стержневые купола (ступенчатые) представляют для современного строительства СССР исключительный интерес, поскольку они дают возможность создать своеобразную архитектурно-конструктивную схему покрытия при весьма значительных пролетах (таблица-схема № 10).
 
Требование обеспечить в купольном покрытии максимальное освещение естественным вертикальным светом послужило одной из основных причин применения в строительстве куполов кольцевых (ступенчатых) конструкций. Характерной особенностью их является наличие мощных, замкнутых, горизонтально расположенных, довольно широких колец, которые могут иметь небольшой уклон или к наружным частям купола или даже к внутренним. Каждый ярус с таким кольцом поддерживается снизу парными стержнями, радиально расположенными по контуру. Один из них стоит вертикально под наружным поясом кольца, а другой работает в наклонном положении в виде подкоса, поддерживая снизу внутренний пояс. Устойчивость такой схемы может быть достигнута либо устройством жестких узловых креплений стоек и подкосов к кольцам, либо установкой в вертикальной плоскости стоек раскосной фермы со светопрозрачной решеткой.
 
 
Рис. 54. Шатровое подвесное брезентовое покрытие цирка Шапито в Парке культуры и отдыха в Москве (1926 г.)
Рис. 54. Шатровое подвесное брезентовое покрытие цирка Шапито в Парке культуры и отдыха в Москве (1926 г.)
 
 
Таким образом, получается вполне устойчивый замкнутый контур, который жестко стоит на некоторой высоте, опираясь в отдельных точках на ряд стоек и подкосов. Последние работают в основнем на нормальные продольные сжимающие силы, а замкнутое кольцо поглощает изгибающие моменты, возникающие от давления ветра, а также все горизонтальные кольцевые усилия от положительного и отрицательного распора.
 
Замкнутые кольца, которые могут иметь в плане форму круга и эллипса, представляют собой обычную прямоугольную форму или двутавровую конструкцию. В поперечном сечении кольца могут быть и со сплошной стенкой и со сквозной решеткой. По верхней поверхности их устраивается кровля. Последняя возможна в совершенно плоском гольцементном решении, которое неизбежно требует применения соответствующих карнизов, бортовых элементов и устройства внутреннего водоотвода.
 
При руберойдном покрытии возможен и наружный отвод воды, который, однако, имеет целую серию недостатков по сравнению с внутренним водостоком.
 
Вся вертикальная часть купола обычно используется под оконный проем и, следовательно, остекляется. Монтаж кольце-стержневых куполов мыслится с лесов специального подвижного башенного типа или же при помощи одной или двух центрально расположенных мачт, башен или кранов, поднимающих в готовом виде целые замкнутые секции кольца со стойками и подкосами.
 
 
Рис. 55. Подвесной на расчалках купол-шатер для стадиона в Дюссельдорфе
Рис. 55. Подвесной на расчалках купол-шатер для стадиона в Дюссельдорфе
 
 
Последний метод монтажа возможен только при условии, если наружный диаметр каждой поднимаемой секции будет немного менее внутреннего диаметра нижестоящего, уже установленного кольцевого яруса, сконструированного либо в дереве, либо в металле.
 
Осуществленные за границей купольные покрытия аналогичного типа, но несколько своеобразной конструкции, возведенные в железобетоне и в дереве, оправдали себя как вполне возможные решения.
 
Кольце-стержневые формы куполов могут быть сконструированы из всех основных стройматериалов, за исключением камня. В дереве и в металле эти кольцевые формы куполов могут перекрывать весьма значительные габариты, как это показали первые проведенные мною на стройвыставке в Москве опытные проектировки и испытания на моделях.
 
К основным достоинствам рассматриваемых кольцевых ступенчатых куполов надо, следовательно, отнести возможность освоения больших пролетов, использование бокового (наиболее надежного) вертикального освещения, наличие только одного рабочего элемента внутреннего подкоса, который выходит за пределы наружных горизонтальных и вертикальных рабочих ограждений, и, наконец, производственные удобства в отношении индустриального изготовления и монтажа.
 
Слабые стороны рассматриваемых схем куполов состоят в том, что неизбежен перепад атмосферных осадков, ввиду наклонных ступенчатых плоскостей и при отсутствии внутренних водостоков; неудобства представляет также наличие внутренних подкосов или граней-ребер и, наконец, невозможность воспроизвести нормальную гнутую неступенчатую купольную форму.
 
Однако, учитывая положительные качества покрытий кольце-стержневого типа куполов не только с техно-экономической точки зрения, но также и с архитектурной, следует полагать, что эти конструкции в течение ближайших лет найдут широкое применение в строительной практике СССР.
 
 
Рис. 56. Железобетонный многозонный купол, запроектированный Дишивгером (1931 г.)
Рис. 56. Железобетонный многозонный купол, запроектированный Дишивгером (1931 г.)
 
 
К характерным решениям кольце-стержневых ступенчатых куполов можно отнести:
  1. Железобетонный купол юбилейного павильона в Бреславле, диаметром в 65,0 и высотой в 23,0 м, опирающийся на четыре пилона кольцевой арочной эстакады, построенной арх. Максом Берном в 1912 г. (рис. 50—51).
  2. Деревянный купол гаража для почтовых автомобилей на транспортной выставке в Мюнхене, диаметром в 22,0 м, возведенный в 1925 г. (рис. 52).
  3. Деревянный стержне-кольцевой купол диаметром 50,0 м покрытия демонстрационного павильона сельскохозяйственной выставки в г. Туле. Проект Г. А. Цвингман, 1935 г.
  4. Деревянный стержне-кольцевой купол стадиона на 30 тыс. зрителей в Измайловском парке в Москве, пролетам в 180,0 × 250,0 м, со стрелой подъема в 45,0 м, с опорным кольцом на высоте 25,0 м. Проект выполнен, как дипломная работа, студентом МИСИ тов. Ю. Н. Глазуновым в 1935 г. (рис. 53).
  5. Металлический стержне-кольцевой купол диаметром 45,0 м покрытия производственного цеха. Проект студента Петрова, 1935 г.
  6. Металлические и деревянные типовые решения кольце-стержневых куполов больших пролетов в разработке кабинета строительной техники ВАА (1934—1935 гг.).
 
 

6. КОМБИНИРОВАННЫЕ СХЕМЫ

 
Подвесные купола-шатры составляют своеобразную архитектурно-конструктивную группу, характеризующуюся тем, что купольная форма воспроизводится в растянутой легкой подвесной оболочке (таблица-схема № 11). Эти решения нашли большое применение во временных сборно-разборных сооружениях. Основными рабочими элементами этих куполов будут: сама куполообразная подвесная оболочка, металлические расчалки-ванты, поддерживающие ее, стойки-пилоны (иногда стены), которые воспринимают сжимающие усилия от распора, и, наконец, анкерные крепления, передающие усилия от расчалок к грунту.
 
Оболочка шатра может быть выполнена из разных материалов. Для легких палаток временного типа применяются обычный непромокаемый брезент, специально прорезиненные толстые ткани и т. п. Она возможна также в жестких тонкостенных и каркасных формах из фанеры, волнистого железа и т. п. Деревянные стойки-подпорки рекомендуются исключительно только во временных палатках-шатрах. Железобетонные, каменные и металлические стойки-пилоны, как более капитальные, являются наиболее желательными для ответственных и большепролетных сооружений.
 
 
Рис. 57. Двухъярусное железобетонное купольное закрытие планетария в Москве (1927 г.)
Рис. 57. Двухъярусное железобетонное купольное закрытие планетария в Москве (1927 г.)
 
 
Основными достоинствами подвесных купольно-шатровых покрытий следует признать их сборно-разборность, компактность во время перевозки, быстроту их установки и разборки, возможность применения и при малых и при значительных масштабах покрытия.
 
Наряду с этим подвесные купола-шатры не лишены целого ряда недостатков, которые ограничивают область применения их. К ним следует отнести: наличие металлических оттяжек, которые, находясь с наружной стороны, сильно страдают от ржавления, требуют частого ремонта и периодической окраски; неизбежность наличия многих стоек-спор значительной высоты; резко выделяющиеся по фасаду здания ванты и стойки, безобразящие архитектурное оформление здания, и, наконец, малая капитальность покрытия.
 
Шатровое брезентовое покрытие, раскрепленное металлическими тросами и деревянными стойками и примененное в летнем цирке Шапито в Центральном парке культуры и отдыха им. Горького в Москве, имеет пролет в 30,0 и 40,0 м. Этот вариант, безусловно, может быть принят, как типовое решение для сборно-разборных временных покрытий больших пролетов (рис. 54).
 
 
Рис. 58. Двухъярусное железобетонное купальное покрытие планетария в Москве
Рис. 58. Двухъярусное железобетонное купальное покрытие планетария в Москве
 
 
Рис. 59. Двухъярусное железобетонное купольное покрытие планетария в Москве
Рис. 59. Двухъярусное железобетонное купольное покрытие планетария в Москве
 
 
Спортивный зал стадиона в Дюссельдорфе запроектирован в виде подвесного купола, пролетом в 77,0 м, и расчален на тросах при сквозных железобетонных треугольных стойках (рис. 55).
 
 
Рис. 60. Двухъярусное купольное покрытие планетария в Лос Анжелосе (Америка) (1935 г.)
Рис. 60. Двухъярусное купольное покрытие планетария в Лос Анжелосе (Америка) (1935 г.)
 
 
Есть много оснований предполагать, что подвесным шатром весьма плоского типа был в свое время перекрыт и Колизей в Риме.
 
Подвесные купола-шатры можно встретить во многих современных проектах.
 
Сложные формы куполов характеризуются применением для одного и того же покрытия нескольких разобранных выше типовых архитектурно-конструктивных форм, которые к тому же могут быть еще осуществлены из разных стройматериалов.
 
Бесконечное количество всевозможных сочетаний и комбинаций делает эту группу весьма богатой оригинальными вариантами купольных покрытий, имеющих весьма много реально осуществленных и запроектированных примеров.
 
Комбинированным конструктивным решением можно часто получить лучшее разграничение функций отдельных элементов сооружения и максимально удовлетворить требованиям задания, создавая оригинальные архитектурные формы не только при больших пролетах, но также при значительных высотах купольных покрытий.
 
Эти положения должны быть признаны, как основные достоинства рассматриваемой группы.
 
К отрицательным сторонам комбинированных форм следует отнести некоторую сложность решения как в конструктивном, так и в производственном и эксплоатационном отношениях, а также неизбежность применения разных стройматериалов.
 
 
Рис. 61. Двухъярусное железобетонное купольное покрытие гаража в Аахене (Германия)
Рис. 61. Двухъярусное железобетонное купольное покрытие гаража в Аахене (Германия)
 
 
Сегментные (дисковые) купола-шатры являются одним из первых вариантов этой группы (таблица-схема № 12). Они применяются, когда необходимо создать горизонтальный жесткий потолок при внешней куполообразной форме. В конструктивном отношении они состоят из ряда ферм или арок с затяжками, верхние и нижние элементы которых взаимно пересекаются в соответствующих узлах на центральной вертикальной оси. Сегментные схемы свободно опираются, по контуру не дают распора и имеют всегда замкнутое пространство чердачного типа. Потолок крепится к нижним поясам ферм или к затяжкам. Такие купола осуществлены за границей в металле и в дереве во многих гражданских и даже промышленных сооружениях.
 
При очень больших габаритах купольных покрытий возможно применение многозонных куполов (таблица-схема № 13), характеризующихся тем, что общая схема сооружения рассекается отдельными горизонтальными плоскостями, а каждый получаемый отдельный ярус оформляется в разных, разобранных выше, типовых схемах, которые в свою очередь могут быть осуществлены также из разных материалов.
 
Так, например весьма четкой и рациональной схемой будет купольное сооружение, в котором нижняя часть возводится в виде волнисто-складчатого, арочно-каркасного или стержне-кольцевого яруса, в железобетоне и в металле, средний ярус осуществляется в ребристых формах, а самый верхний делается в виде сплошного безреберного, тонкостенного деревянного купола.
 
 
Рис. 62. Трехъярусное каменное купольное покрытие Пантеона в Париже (1750 г.)
Рис. 62. Трехъярусное каменное купольное покрытие Пантеона в Париже (1750 г.)
 
 
В качестве характерного примера такого многозонного решения можно привести проект железобетонного купола, пролетом в 150,0 м, составленный Дишингером в 1935 г.; нижняя часть купола запроектирована в виде сетчато-каркасного яруса со световыми проемами, а верхняя зона сконструирована в виде парной ребристой оболочки с центральным проемом для вентиляционного и светового фонаря, диаметром в 30,0 м (рис. 56).
 
К наиболее типичным, широко распространенным вариантам комбинированных решений следует отнести двухъярусные схемы куполов (таблица-схема № 14), в которых несущие функции принадлежат одному только из куполов, в то время как второй купол является подвесным или подпертым. В последнем случае внешнюю ограждающую оболочку составляет легкая, обычно холодная, кровля по деревянным наклонным стропилам.
 
Типичным примером такого решения может быть купол церкви в Сорбонне (Париж), возведенный по проекту арх. Лемерсье в 1635—1659 гг.
 
По этому типу осуществлено во многих странах большое количество покрытий, главным образом над храмами.
 
Двухъярусные схемы купольных покрытий с рабочим верхним куполом и подвесным сферическим потолком были широко применены за рубежом в строительстве планетариев и театров. Возможность придать подвесному потолку и кровельной надстройке любую форму и использовать чердачное помещение под вентиляционные установки и прочее является одним из достоинств двухъярусных схем.
 
Московский планетарий, построенный в 1927 г., имеет тонкостенный из железобетона внешний рабочий купол, диаметром в 27,0 м, со стрелой подъема в 16,0 м, и внутреннюю вторую купольную оболочку, образующую «небесную сферу» (рис. 57—59), проект арх. Барщ.
 
Одним из последних осуществленных решений двойных куполов является покрытие планетария в Лос Анжелосе в Калифорнии, построенного по проекту архитекторов Джона А. Аустина и Фредерика М. Ашлей (рис. 60).
 
Верхний купол имеет типичную многогранную поверхность, осуществлен из железобетона, при пролете в 24,0 м и стреле подъема в 12,0 м, а внутренний представляет легкую сферическую тонкостенную оболочку.
 
Железобетонное двухъярусное купольное покрытие гаража для автобусов в Аахене (Германия) состоит из нижнего купола, диаметром в 24,0 м и высотой в 7,9 м, и верхнего купола, диаметром в 16,0 м и высотой в 3,8 м. Оно интересно для нас в том отношении, что как верхний купол, так и нижний основной (несущий) представляют собой типовую арочно-каркасную конструкцию, которая была собрана из готовых сборных элементов (рис. 61).
 
В XVII—XIX вв. часто применялись в капитальных сооружениях еще и трехъярусные купольные покрытия (таблица-схема № 15). В таких решениях самый нижний купол является чисто декоративным элементом для оформления интерьера, средний бывает в большинстве случаев рабочим несущим, служащим опорой для ограждающего верхнего купола, светового и вентиляционного фонарей, оформляющих интерьер и экстерьер всего сооружения.
 
Купол Собора инвалидов в Париже, построенный арх. Мансаром в 1680—1706 гг., имеет диаметр в 31,0 м и представляет собой комбинированное трехъярусное решение: нижний купол — каменный, сферической формы, с большим верхним отверстием, средний — также каменный, замкнутый и, наконец, внешний купол — деревянный, с холодным кровельным покрытием, несущий на вершине фонарь.
 
Весьма характерным решением является также покрытие среднего нефа собора св. Павла в Лондоне, построенного арх. Реном в 1675 г.
 
Трехъярусная конструкция этого покрытия состоит из нижнего каменного купола, диаметром в 31,0 м, с большим отверстием в верхней части, из среднего каменного конуса, имеющего отдельные эллиптические отверстия и несущего наверху световой фонарь, и, наконец, из легкой деревянной кровли наклонной системы, придающей всему покрытию нормальную внешнюю куполообразную форму.
 
К этой группе архитектурно-конструктивных решений должно быть отнесено также трехъярусное купольное перекрытие Пантеона в Париже, построенное арх. Жаном Суффло в 1750 г. и достроенное его учеником Жаном Ронделе в 1800 г. (рис. 62). По своей конструкции все покрытие в целом является исключительно изящным сооружением, в котором камень, как стройматериал, получил непревзойденные, высшие архитектурно-конструктивные формы.
 
«Памятник битвы народов», построенный арх. Бруно Шмиттом в Лейпциге, имеет трехъярусное каминное купольное покрытие диаметром в 24,0 м.
 
Купольное покрытие Исаакиевского собора в Ленинграде, возведенное в 1818—1858 гг. арх. Монфераном, состоит из 24 чугунных элементов, являющихся опорой для внешней кровельной куполообразной оболочки, при наличии еще и нижнего купола (рис. 63).
 
Комбинированные купольные формы покрытий: здания «Альберт Голл» в Кенсингтоне (Лондон), построенного в 1867 г. и перекрывающего план в 67,06 на 56,39 метров, дворца Трокадеро в Париже, осуществленного в 1878 г. (Франция), парламента в Берне, возведенного в 1892 г., цирка Хрустального дворца в Лейпциге, пролетом в 30,0 м, построенного в 1886 г. (рис. 64), Большой оперы в Париже, построенной по проекту арх. Шарля Гарнье, нового концертного зала в Париже, реконструированного в 1927 г., и др., также являются характерными решениями сложных куполов, которые не потеряли своей ценности для современного строительства у нас в Союзе.
 
 
Рис. 63. Трехъярусный чугунный купол Исаакиевского собора в Ленинграде (1818—1858 гг.) Рис. 63. Трехъярусный чугунный купол Исаакиевского собора в Ленинграде (1818—1858 гг.)
 
 
Центральный зал заседаний Дворца советов в Москве (арх. проф. Гельфрейх, арх. Иофан, акад. арк. Щуко) запроектирован в виде огромного металлического купольного покрытия, диаметром в 142,0 м при стреле подъема в 70,0 м (рис. 65). Сложность этого сооружения состоит в том, что купол имеет опорное кольцо на высоте около 70,0 м, а верхние элементы его расположены на высоте около 140,0 м от земли. Кроме того, он воспринимает тяжесть вышестоящей башни с фигурой Ленина на вершине, при высоте всего сооружения в 420,0 м. Рабочие несущие элементы в количестве 120 представляют собой весьма мощные, клепаные, прямолинейные, сплошные и сквозные, наклонно стоящие симметрично к оси стержни, которые соединены между собой основными ярусами горизонтальных колец и образуют типичный граненый балочно-каркасный шатер. Интерьер зала оформляется специальным подвесным сферическим куполообразным потолком.
 
Дворец советов в Москве должен быть самым лучшим, красивым и монументальным памятником не только в архитектурном отношении, но также и непревзойденным образцом инженерного творчества.
 
 
Рис. 64. (Двухъярусное купольное покрытие Хрустального дворца в Лейпциге (1886 г.)
Рис. 64. (Двухъярусное купольное покрытие Хрустального дворца в Лейпциге (1886 г.)
 
 

7. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

 
Подведем итоги всему вышеизложенному:
 
1. Для архитектора большое значение имеет анализ одной и той же формы сооружения, но осуществленной в различных материалах. С точки зрения целевых установок, принятых в Академии архитектуры, анализировать одну и ту же архитектурную форму в разных материалах является наиболее рациональной и правильно поставленной задачей. Составленная мною таблица, приведенная и разобранная выше, дает архитектору возможность легко ориентироваться во всем многообразии архитектурно-конструктивных решений куполов, выбирать лучшие типовые их формы для одной и той же схемы одновременно в разных основных материалах: в металле, дереве, железобетоне и в камне.
 
2. Только на базе детального анализа возможно большего количества запроектированных и осуществленных купольных покрытий удалось установить строго логичную схему архитектурно-конструктивного формообразования куполов. Не исключена, однако, возможность включения в таблицу еще новых оригинальных, типовых форм их, которые будут выявлены при дальнейшей научно-исследовательской проработке настоящей темы и при изучении всего мирового опыта строительства купольных покрытий.
 
 
Рис. 65. Металлический балочно-каркасный и жестко-стержневой купол с подвесным потолком и башенной надстройкой покрытия для зала заседания Дворца советов в Москве (1933—1935 гг.).
Рис. 65. Металлический балочно-каркасный и жестко-стержневой купол с подвесным потолком и башенной надстройкой покрытия для зала заседания Дворца советов в Москве (1933—1935 гг.).
 
 
3. Новые оригинальные решения постоянно выявлялись в процессе сопоставления отдельных архитектурно-конструктивных форм разных куполов из разных материалов, а также путем анализа возможности рационального конструирования, учитывая форму, ее габариты и физико-механические особенности того или иного основного стройматериала. Последние новейшие технические достижения в СССР и за границей, как-то: применение высококачественных металлов, цементов, обработанной древесины, новых искусственных камней, а равно новые типы сопряжений (сварка, гвозди, инженерные клеи, зубчатые шпонки) — неизбежно явились условием создания также новых конструктивных решений куполов.
 
4. Собранные и проанализированные 240 индивидуальных решений разных куполов, будучи систематизированы по архитектурно-конструктивному признаку, дали возможность разработать 58 новых оригинальных вариантов куполов и шатров, которые, таким образом, заполняют технический ряд конструктивного развития рассматриваемых покрытий. В нашей таблице даны только лучшие типовые формы куполов, которые, однако, позволяют искать и создавать все новые и новые возможные комбинированные схемы, делать возможные оптимальные сочетания, количество которых фактически неизмеримо велико.
 
5. Для большего удобства пользования разработанными материалами на каждое индивидуальное решение купольного покрытия составляется соответствующая характеристика по следующим пунктам:
а) название сооружения, где, когда, кем и для какой цели запроектировано или осуществлено;
б) основные габариты как самого купола, так и его деталей;
в) материал и конструкция несущих и ограждающих элементов сооружения;
г) достоинства и недостатки в конструктивном, архитектурном, производственном, экономическом и прочих отношениях;
д) основные выводы: рекомендуется ли, как типовое решение без изменения, или же, при условии необходимости осуществления, требует тех или иных исправлений, отклоняется ли по таким-то соображениям и т. д.;
е) литературные источники данных с указанием названий, авторов, издательства, года и места издания, страниц и номеров, рисунков и прочих материалов.
 
Иллюстрации оформляются в виде чертежей, фото, схем и рисунков, с указанием основной схемы купольного покрытия в нормальных проекциях (план, фасад, разрез, перспектива или аксонометрия), основных габаритов его и наиболее ответственных деталей несущих и ограждающих конструкций, с соответствующей характеристикой.
 
Настоящая статья представляет собой только первые результаты научно-исследовательской проработки темы по куполам, которая в течение ближайших лет будет закончена и оформлена изданием специального труда.
 
6. Составленную таблицу основных типовых решений купольных и шатровых покрытий следует рассматривать, как полезное справочное пособие для архитекторов при проектировании, а также как задание инженерам-конструкторам для разработки типовых рабочих проектов, применительно ко всем указанным схемам.
 
Кабинет строительной техники ВАА просит всех заинтересованных архитекторов сообщить, насколько удобна эта таблица при проектировании и какие требуются еще дополнительные, более детальные, материалы. С другой стороны, мы обращаемся с просьбой также ко всем заинтересованным инженерам-конструкторам дать свои указания в отношении уточнения всех цифровых материалов таблицы, которые, конечно, являются одним из первых приближений.
 
7. Декоративное плоскостное оформление внутренней и наружной поверхностей купола (его интерьер и экстерьер), безусловно, имеет большое значение; однако специальными надстройками над купольными и подвесными потолками можно скрыть всю архитектурно-конструктивную схему основных инженерных несущих элементов. Эти декоративные потолки и строительные конструкции, акустически или зрительно необходимые, хотя и являются очень важными в архитектурном отношении, но должны быть проработаны только после того, как уже выявлены основные рабочие, несущие архитектурно-конструктивные схемы типовых купольных покрытий.
 
Декоративное решение интерьера и экстерьера купольных покрытий и отдельных несущих конструктивных и архитектурных деталей куполов и шатров всех типов составляет следующую программу разработки настоящей темы, которая может быть решена только при совместном сотрудничестве архитектора и инженера.
 
Наконец, следует отметить, что примененная методика разработки и оформления темы, характеризующаяся выявлением определенной закономерности развития куполов по форме, габаритам и материалам, позволила выявить много новых оригинальных архитектурно-конструктивных форм куполов и купольных сооружений, которые не имеют прецедентов за границей.
 

4 января 2020, 19:51 0 комментариев

Комментарии

Добавить комментарий

Партнёры
УралДомСтрой
Архитектурное бюро КУБИКА
Компания «Уралэнерго»
Фототех-Поволжье
ООО «АС-Проект»
Архитектурное бюро «РК Проект»
Джут