Голландский художник Мауриц Корнелис Эсхер, прославившийся своими «геометрическими» гравюрами, однажды заметил: «Строительный кирпич имеет форму прямоугольного параллелепипеда, и это логично, потому что такие кирпичи соединять друг с другом проще всего. Но любой человек, любящий и понимающий красоту правильных тел, может пожалеть, что строители не используют другие формы. Например, тетраэдры, перемежающиеся с октаэдрами, могут складываться один с другим не хуже традиционных кирпичей».
Художник, любящий и понимающий красоту геометрии, опередил, как оказалось, современных архитекторов. Правильные многогранники действительно оказываются превосходными строительными элементами. Правда, не во всех случаях. Обычный кирпич нет нужды заменять. Зато в каркасных металлических конструкциях многогранники будут незаменимы...
Ажурные сооружения из металла особенно знаменитыми стали с того времени, как в конце прошлого века в Париже поднялась башня инженера Эйфеля. Мосты, башни, опоры, казавшиеся воздушными и невесомыми, появились во многих странах мира. Среди них и конструкции, рожденные талантом русского инженера-строителя Владимира Шухова. Их и сегодня можно увидеть в Москве. Например, старую телевизионную башню на Шаболовке или перекрытие-дебаркадер на Киевском вокзале. Каждая конструкция требовала сложнейших расчетов. Всякий раз необходимо было придумывать ее «скелет». И эти ажурные конструкции из металла нужно было собрать из минимального числа различных форм и размеров деталей. Это оправдано и для уникальных творений, и для перекрытий цехов, павильонов, для опор линий электропередачи. В эпоху индустриального строительства нужны стандарт и универсальность. Но все же даже опора линий электропередачи собирается сейчас из многих десятков типоразмеров деталей. Оправдано ли это? Нельзя ли собирать опору из каких-то простых «кирпичей»?
Несколько лет назад такую проблему поставила перед собой группа специалистов кафедры инженерных сооружений Московского архитектурного института. Первым итогом их работы стали предложения по унификации металлических стержней для сборки перекрытий заводских цехов и павильонов. Для того чтобы соорудить каркас для крыши, нужно лишь три вида стержней. Они монтировались так, что составляли ребра таких равносторонних многогранников, как тетраэдр и октаэдр. Состыкованные друг с другом в определенной последовательности, они образовали объемную и прочную конструкцию, которая могла служить крышей. Такие перекрытия были использованы при строительстве цехов, рынков, павильонов — они показаны на фотографии. Но ученые МАрхИ понимали, что геометрия может дать им в руки еще большие возможности.
...Руководителя этой группы специалистов, старшего научного сотрудника кафедры инженерных сооружений Владимира Григорьевича Никифорова я застал за довольно странным занятием. Он играл то ли в кубики, то ли в детский конструктор. Перед ним на столе я увидел «кубики» в виде многогранников и спаянные из проволоки ажурные остовы различных фигур: башенки, своды, фермы.
— Все эти модели конструкций сделаны по новому принципу, предложенному нашей группой, — объяснил ученый. — Посмотрите внимательно — они собраны из кусочков проволоки одной и той же длины. Так же будет и на стройке — из одного типа металлического стержня можно собрать каркас любого сооружения, каким бы замысловатым по форме оно ни было...
В проволочных телах моделей можно было заметить определенный строгий порядок. Здесь тоже было сочетание многогранников. Как кирпичи, накладывались они один на другой. Еще они напоминали строение кристаллов...
— Так оно и есть, — сказал Владимир Григорьевич. — Природа самостоятельно создала немало прочных конструкций. Скажем, кристаллические решетки таких особо твердых кристаллов, как алмаз, боразон, борфосфор, тоже составлены из октаэдров и тетраэдров...
Казалось бы, давно надо было воспользоваться патентом, выданным природой. Однако так легко рассуждать. Когда архитекторы приступали к поиску, им и в голову не приходило взглянуть в научные исследования по кристаллографии... Вот еще одно подтверждение того, что интересные идеи часто лежат на стыках самых разных, ничем, казалось бы, не схожих научно-технических направлений. Впрочем, архитекторы все равно не могли бы просто скопировать строение кристалла.
Задача стояла такая: каркасная конструкция практически любой формы должна собираться из стержней одной длины. При этом она должна быть прочной. Ясно, что здесь нужен был некий «кирпич» — многогранник. С точки зрения геометрии лучше всего, казалось, подходит куб. Куда ни поверни — все его грани и ребра равны. Он, как говорят, высокосимметричен. Собирать из него можно что угодно — крышу, башню, дом. Но, к сожалению, у куба нет необходимой жесткости. Построенное из «кубиков» ажурное сооружение будет «ходить» и «складываться» под напором нагрузок.
Как сделать куб жестким? Архитекторы превратились на время в геометров, рисуя самые различные варианты: делали диагональные «распорки», вписывали в куб всевозможные многогранники. И в конце концов пришло решение вовсе отказаться от куба и использовать лишь вписывавшиеся в него многогранники с равными по длине ребрами: ку-бооктаэдр, полуоктаэдр, тетраэдр и другие. Различные их сочетания позволят строить любые жесткие и прочные каркасы.
— Разве не удобно собирать любое по форме сооружение из двух по виду деталей? — говорит мой собеседник. — Нужно лишь иметь металлические стержни какой-то одной определенной длины и узлы крепления. Для сборки используется только гаечный ключ, потому что крепятся стержни болтами и гайками. Такие унифицированные детали удобно изготовлять на заводах, удобно перевозить...
Область применения конструкций в виде многогранников может быть очень широкой. Из них легко собирать вышки ЛЭП, опоры антенн, ветродвигателей, гелиостанций, каркасы зданий, перекрытия цехов, остовы летних павильонов, всевозможные стенды.
Первыми разработкой специалистов МАрхИ не случайно заинтересовались инженеры, занимающиеся использованием ветряных электрогенераторов и солнечных установок. И тем и другим нужны легкие и прочные опоры, способные сопротивляться напору сильного ветра и вынести энергоустановки наверх — поближе к солнцу и ветру.
— А мы еще и усложнили задачу, — говорит ученый. — Прикинув на эскизах сооружения гелиоустановок, мы обнаружили, что наши многогранники могут сыграть две роли. Во-первых, послужить опорным элементом, а во-вторых, стать своеобразной ячейкой для одного фотоэлемента. И если собрать из них экраны, то на минимуме площади уместится тогда максимум элементов...
Архитекторы уже разработали целую серию самого различного вида опор и несущих элементов для гелиоустановок. Из них можно сделать экраны солнечных элетростанций.
...Когда-нибудь такая картина станет привычной: к небу поднимутся ажурные и невесомые конструкции, похожие на огромные кристаллы...
В. ИСТОМИН
Рисунок А. МАШАТИНОЙ