Проектируем эстетически привлекательные конструкции

Каждый инженер-проектировщик помнит принципы, которые нужно учитывать при проектировании конструкции для общественного использования: безопасность, удобство эксплуатации и эстетическая привлекательность. Академические программы обучения сосредотачиваются на первых двух и порой совсем не оставляют места для изучения третьего принципа. И дело не только в том, что ВУЗы обходят вниманием третий принцип, но и в том, что в большинстве случаев особое значение придается лишь первым двум. К примеру, трудно встретить заявку на участие в торгах по проектированию моста, в которой бы эстетика учитывалась точно так же, как экономическое обоснование проекта.

Принципы проектирования конструкций
Рисунок 1. Принципы проектирования конструкций

Давайте ответим на пару вопросов. Если вы осмотритесь в своем городе, какая конструкция в городском ландшафте выделяется и привлекает наибольшее внимание? Является ли эта конструкция визитной карточкой вашего города? Привлекает ли такое сооружение взгляды широкой публики? Если такая конструкция найдется, то, скорее всего, ее будет отличать красивый дизайн и превосходное архитектурное решение. Такой ответ заставляет задуматься о важности эстетической составляющей в строительных конструкциях.

Мосты играют особую роль в облике любого города. Следовательно, проектирование их эстетического облика имеет большое значение, но для реализации таких проектов далеко не всегда привлекают архитектора. По сути, архитектурное проектирование большинства мостов выполняется инженером-конструктором. Такое положение вещей является призывом к действию для проектировщиков: необходимо повысить важность эстетической составляющей, особенно при проектировании мостов.

Говорят, «о вкусах не спорят». И действительно, угодить всем необыкновенно сложно, особенно если дело касается эстетики. Не существует волшебной формулы, по которой можно было бы создать эстетически безупречный облик моста, и любая конструкция будет иметь своих сторонников и критиков. Тем не менее, некоторые концептуальные решения уже получили общее признание и определенно могут способствовать увеличению лагеря сторонников.

Проектируем эстетический облик

Данные рекомендации представлены в виде компиляции методических руководств по проектированию эстетического облика мостов — от работы немецкого инженера Фрица Леонхардта, датированной 1968 годом, до руководства по проектированию министерства транспорта Австралии (2019 год).

Важно подчеркнуть, что основное внимание уделено именно эстетической составляющей. Для сравнения, в некоторых из принципов приведены коэффициенты гибкости и размерные соотношения, которые не следует путать с требованиями к устойчивости или минимальной прочности.

Общий контекст и расположение

Проектирование мостов должно проводиться с учетом элементов ландшафта и окружения. К примеру, нужно учитывать сооружения, расположенные поблизости, и их архитектуру. Чтобы получить информацию из первых рук, следует провести консультации с населением, поскольку именно местные жители пользуются мостами.

К примеру, вход в замок, изображенный на рисунке, прекрасно сочетается с мостом, учитывая окружающий архитектурный ансамбль.

Замок и мост Святого Ангела во время заката
Рисунок 2. Замок и мост Святого Ангела во время заката (Рим, Италия)

Стоимость

Если бы единственными принципами проектирования конструкции были безопасность и экономичность, то самый дешевый мост стал бы самым подходящим решением. Тем не менее, подобный подход не всегда является наиболее экономически эффективным, поскольку переменные параметры: техническое обслуживание, удобство и долговечность, также важны и могут обозначить другие направления в проектировании конструкции моста.

Не следует забывать и о стратегической составляющей в эстетике конструкции, которая может повысить ее туристическую ценность. Например, мост «Золотые ворота» в Сан-Франциско (США) является знаковым сооружением и всегда выступает как коммерчески привлекательный туристический объект. Безусловно, мы не говорим о том, что каждый мост должен представлять собой такое знаковое сооружение. Тем не менее, сбалансированное сочетание важности, величины и эстетики конструкции послужит тому, что на процесс архитектурного проектирования будут направлены необходимые усилия.

Мост Золотые Ворота
Рис. 3. Мост Золотые Ворота (Сан-Франциско, США)

Проектируем пролетное строение моста

Пролетное строение является той частью моста, которая имеет наиболее «видимую» площадь, поэтому результатом большего внимания к его деталям станет более приятный глазу внешний вид.

Гибкость главных балок моста

Одним из ключевых аспектов при проектировании эстетического облика является передача идеи безопасности сооружения. Слишком тонкая конструкция не будет выглядеть безопасной на взгляд обывателя. При проектировании конструкции необходимо учитывать коэффициент гибкости видимой части сооружения.

Коэффициент гибкости зависит от типа пролетного строения, но в большинстве случаев он колеблется от 10 до 40:

  • Стальные фермы: в среднем 10
  • Стальные балки: от 10 до 30, в среднем 25
  • Бетонные балки: от 20 до 30, для мостов с малыми пролетами
  • Жесткие бетонные рамы: в среднем 40

Основная идея состоит в том, чтобы придать мосту безопасный вид, но не переусердствовать в этом. Например, на Рисунке 4 мост справа создает впечатление стабильного и устойчивого моста по сравнению с мостом слева.

Сравнение гибкости главных балок
Рис. 4. Сравнение гибкости главных балок

Пропорции поперечного сечения

Проектирование эстетического облика мостов связано с соотношением размеров поперечного сечения. Пропорциональное поперечное сечение определяет изящество, симметрию и строительную акустику. На приведенной ниже схеме показаны пропорции, предложенные Инженерной школой Кардиффского университета.

Пропорции поперечного сечения
Рис. 5. Пропорции поперечного сечения

Симметрия

Существуют общие принципы симметричности конструкций, которые должны быть применены к каждой части моста:

  • Постоянный шаг поперечных балок.
  • Равная ширина вылетов консоли.
  • Симметричные металлические перила и расположение уличного освещения.

К примеру, этот мост в Турции выглядит незавершенным из-за разницы арок в каждом пролете. Создается впечатление, что ему не хватает третьей арки слева такого же размера, как та, что построена справа.

Арочный каменный мост в центре города
Рис. 6. Арочный каменный мост в центре города (Кастамону, Турция)

Парапет

Парапет является самой заметной частью пролетного строения. Этот конструктивный элемент связан с различными аспектами, влияющими на эстетический облик: освещением, дренажем и защитным покрытием.

Самая красивая конструкция может остаться незамеченной, если она не освещена. На мосты обычно падает солнечный свет, и, чтобы улучшить освещение, достаточно немного наклонить боковую поверхность к солнцу. Такая конструкция получает больше солнечного света в течение более долгого времени, чем вертикальная или перевернутая поверхность.
Другая проблема может быть связана с материалом моста, например, следует учитывать тот факт, что бетон склонен к обесцвечиванию и накоплению органических веществ при длительном контакте с водой. Процесс обесцвечивания и загрязнения ускоряется в зависимости от качества воды. Поэтому для поддержания хорошего внешнего вида бетону необходимо обеспечить надлежащее водоотведение.

При возведении моста основную конструкцию обычно используют для крепления и поддержки вспомогательных элементов, таких как кабели, трубы и т. п. Такие элементы могут ухудшить эстетический облик моста, поэтому можно использовать парапет, чтобы скрыть их.

Проектирование парапетного ограждения с целью улучшения эстетического облика мостов
Рис. 7. Проектирование парапетного ограждения с целью улучшения эстетического облика мостов

Высота главной балки

У мостов с малыми и средними пролетами главные балки обычно имеют постоянную высоту. Это благоприятно сказывается на экономической составляющей строительства, так как такой подход требует меньшего количества более мелких деталей, а выполнение опалубочных работ значительно упрощается. Тем не менее, балки с вутами (переменной высоты) позволяют оптимизировать распределение материала. Там, где требуется повышенная прочность, материала используется больше. Такое концептуальное решение часто применяется в мостах со средними и длинными пролетами. Конструкция реагирует на усилия, прилагаемые в каждой части моста, что также добавляет сооружению элегантности. Балки переменной высоты являются экономически эффективными на пролетах более 60 метров длиной.

Мост с одинаковой и переменной высотой главной балки
Рис. 8. Мост с одинаковой и переменной высотой главной балки

Пропорции балок переменной высоты
Рис. 9. Пропорции балок переменной высоты

Для главных балок переменной высоты также требуется учитывать размеры промежуточных опор, поскольку они будут размещены в более высокой части балки. Их размер должен быть соответствующим, чтобы опора не выглядела слабой.

Угол падения солнечных лучей

Одна из стратегий, направленных на повышение визуального изящества пролетного строения, заключается в том, чтобы поиграть с углом падения солнечных лучей. Например, мост без вылета консоли и парапета будет выглядеть скорее прочным, чем изящным. Правильный вылет консоли мостового полотна (2/3 высоты главной балки согласно большинству руководящих принципов) помогает скрыть балку и уменьшить размер конструктивного элемента.

Глубокие тени, создаваемые различной шириной консоли
Рис. 10. Глубокие тени, создаваемые различной шириной консоли

Если главная балка имеет вертикальные стенки, то тень будет сильнее, чем у балки с наклонными стенками. Наклонные стенки улавливают меньше света и, следовательно, делают балку визуально более изящной.

Влияние наклонных стенок или поверхностей в восприятии изящества сооружения
Рис. 11. Влияние наклонных стенок или поверхностей в восприятии изящества сооружения

Другой стратегией повышения визуального изящества сооружения является использование криволинейных парапетов, которые улавливают солнечный свет тонкой линией. Например, в конструкции этого моста используется скругленная граница настила.

Замковый мост (Бристоль, Англия)
Рис. 12. Замковый мост (Бристоль, Англия)

Проектируем опоры и пилоны

Большинство спроектированных мостов имеют узкие промежуточные опоры. Опорные элементы не обладают большой эстетической «гибкостью», но даже для них можно следовать основным рекомендациям.

Ригели и оголовки

Выступающий «классический» ригель
Рис. 13. Выступающий «классический» ригель

Ригель передает реакции нескольких балок на тело опоры. Этот элемент часто выделяется визуально в профиле пролетного строения, поэтому существуют некоторые рекомендации по решению этой эстетической проблемы:

По возможности элементы должны быть интегрированы в тело опоры таким образом, чтобы в самой высокой точке выделялось только тело опоры.

Если возможно, оголовок не должен пересекать наружные грани крайних главных балок и расширяться по направлению от них.

В случаях, когда приведенные выше рекомендации не могут быть применены, можно использовать скошенный конец. Основные принципы по использованию скошенных концов для достижения эстетического облика приведены ниже.

Влияние наклонных ребер или граней в восприятии изящества поверхности
Рис. 14. Влияние наклонных ребер или граней в восприятии изящества поверхности

Одним из прекрасных примеров стилизации ригелей промежуточных опор и следования предыдущим и многим другим рекомендациям является мост Самуэля де Шамплена.

Мост Самуэля де Шамплена (Канада)
Рис. 15. Мост Самуэля де Шамплена (Канада)

Шаг опор по фасаду сооружения

Общий руководящий принцип в этом случае заключается в сохранении симметрии путем использования равных продольных интервалов шага. Тем не менее, это не гарантирует, что пролетное строение и опорные элементы будут сбалансированы и пропорциональны. Возьмем, к примеру, Винданский мост в Новом Южном Уэльсе, который из-за количества свай в опорных элементах и их близкого расположения внешне представляет собой тяжеловесную и сложную конструкцию.

 Винданский мост над озером Иллаварра
Рис. 16. Винданский мост (Новый Южный Уэльс, Австралия)

В местах, где устройство фундамента требуется провести на крутых уклонах, идеальным условием является поддержание угла между верхней частью одной опоры и нижней частью другой. Тем не менее, это не экономичный подход, так как все пролеты будут разными. Когда мы имеем дело с большим количеством пролетов, сбалансированным решением станет использование длин пролета и распределения их по мосту так, чтобы разные пролеты были одинаковой длины.

Пролеты пропорциональны высоте опор
Рис. 17. Пролеты пропорциональны высоте опор

Симметрия шага опор моста через реку Мозель на дороге к Цельтингену
Рис. 18 Симметрия шага опор моста через реку Мозель на дороге к Цельтингену

Поперечное возвышение опор

Старые конструкции опор можно заменить на более эстетически привлекательные. Так, рамная конструкция опор заменена на один и тот же тип современного внешнего вида, которые выстроены пропорционально для каждой части моста.

Опоры разной высоты
Рис. 19. Опоры разной высоты

Основные параметры для Т-образных опор
Рис. 20. Основные параметры для Т-образных опор

При проектировании прочих опор необходимо следовать рекомендациям относительно разности сечения по высоте, которая может отличаться на поперечных и продольных уклонах.

Продольное возвышение опор

Опоры должны быть достаточно узкими, чтобы обеспечить экономическую эффективность и безопасность, но при этом не слишком тонкими, чтобы не пропадало ощущение безопасности, даже гарантированное расчетами.

Толщина опор по фасаду моста
Рис. 21. Толщина опор по фасаду моста

Береговые устои

Для однопролетных мостов визуальная гибкость и размеры береговых устоев должны быть сбалансированы, чтобы конструкция выглядела достаточно безопасной, но при этом не перекрывала окружающий ландшафт, становясь его доминантой. На приведенном ниже рисунке вариант моста справа предпочтительнее, чем вариант моста слева.

Однопролетные мосты с крупными береговыми устоями и очень легким пролетным строением и малыми береговыми опорами и менее легким пролетным строением
Рис. 22. Однопролетные мосты с крупными береговыми устоями и очень легким пролетным строением (справа), и малыми береговыми опорами и менее легким пролетным строением

Прочие аспекты

В данной статье были приведены базовые рекомендации, касающиеся эстетического облика мостовых сооружений. Рекомендации по окраске и освещению вы можете найти в профильной литературе. Ниже приведены некоторые источники, в том числе и зарубежные:

  1. Пунин А.Л. «Архитектура отечественных мостов».
  2. Гибшман Е.М. «Архитектурное проектирование мостовых сооружений».
  3. Васильев А.И. «Мосты — зеркало цивилизации. История мостостроения и мостостроительной науки».
  4. Ефимов П.П. «Архитектура мостов».
  5. Фриц Леонхардт «Мосты: эстетика и дизайн».
  6. Minnesota Departments of Transportation (MnDOT) (1995). Aesthetic Guidelines for Bridge Design.
  7. New York Department of Transportation (NYSDOT) (2008). Bridge Design Manual, Chapter 23: Aesthetics.

midas Civil

Скачайте демо-версию midas Civil

Начните пользоваться уже сегодня! После скачивания демо-версии
вам будут доступны обучающие материалы по началу работы.