Двойная оболочка купола

Двойная оболочка купола — это архитектурно-строительная конструкция купола, состоящая из двух отдельных, пространственно разнесённых оболочек (внешней и внутренней), соединённых между собой несущими элементами (рёбрами, стойками, фермами) или образующих единую пространственную систему. Основное функциональное назначение такой конструкции — разделение защитных и эстетических функций купола, а также обеспечение возможности создания больших пролётов, улучшения тепло- и звукоизоляции, размещения инженерных систем и достижения сложных архитектурных форм.

История

Концепция двойной оболочки купола известна с античности, однако её широкое распространение связано с развитием строительных материалов и методов расчёта в XIX—XX веках.

Античность и Средневековье

Первые известные примеры — римские купола, такие как Пантеон (около 126 г. н. э.). Хотя его купол монолитный, он имеет внутреннюю кессонированную поверхность и внешнюю гладкую, что можно рассматривать как прообраз разделения функций. В византийской архитектуре, например, в соборе Святой Софии в Константинополе (537 г.), купол опирается на паруса и подпружные арки, но его конструкция не является двойной оболочкой в современном понимании.

Эпоха Возрождения

Филиппо Брунеллески при строительстве купола собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции (1420—1436) применил конструкцию, близкую к двойной оболочке. Купол состоит из двух слоёв кирпичной кладки (внутреннего и внешнего), соединённых между собой рёбрами и горизонтальными связями. Это позволило возвести огромный пролёт (42 м) без использования массивных лесов и обеспечило необходимую жёсткость.

Новое время

В XVII—XVIII веках двойные оболочки использовались в барочных и классицистических куполах (например, купол собора Святого Петра в Риме, купол Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге). В этих случаях внешняя оболочка часто выполняла декоративную функцию, а внутренняя — несущую.

Индустриальная эпоха

С появлением металлических конструкций (чугун, сталь) и железобетона в XIX—XX веках двойные оболочки стали применяться для перекрытия больших пространств (вокзалы, выставочные павильоны, стадионы). Пример — купол Рейхстага в Берлине (архитектор Норман Фостер, 1999), где внешняя оболочка — стеклянная, а внутренняя — зеркальная, образующая световой конус.

Конструктивные особенности

Двойная оболочка купола может быть реализована несколькими способами:

• Раздельные оболочки — внешняя и внутренняя оболочки являются самостоятельными конструкциями, соединёнными между собой стойками, рёбрами или фермами. Пространство между ними используется для размещения коммуникаций, вентиляции, освещения.
• Составная оболочка — оболочки работают совместно, образуя единую пространственную конструкцию (например, ферменный купол). Внешняя и внутренняя оболочки могут быть выполнены из одного материала (железобетон, сталь) или разных (стекло, металл, дерево).
• Сетчатая оболочка — обе оболочки образованы сеткой из стержней, соединённых в узлах. Пространство между ними заполняется светопрозрачными или теплоизоляционными материалами.

Материалы

• Камень и кирпич — исторические материалы, использовались в куполах Брунеллески и римских постройках.
• Железобетон — позволяет создавать тонкостенные оболочки большого пролёта (например, купол Дворца спорта в Риме, 1957).
• Сталь и алюминий — применяются в современных большепролётных куполах (стадионы, аэропорты).
• Стекло — используется для внешней оболочки с целью естественного освещения (купол Рейхстага, купол «О2 Арена» в Лондоне).
• Дерево — в современных клеёных деревянных конструкциях (например, купол спортивного комплекса в Тампере, Финляндия).

Классификация

По функциональному назначению и конструктивному решению выделяют несколько типов двойных оболочек куполов:

• Конструктивно-декоративные — внешняя оболочка выполняет декоративную функцию, внутренняя — несущую (купола эпохи Возрождения и барокко).
• Теплоизоляционные — пространство между оболочками заполняется утеплителем (минеральная вата, пенополистирол) для улучшения теплозащиты.
• Светопрозрачные — внешняя оболочка выполнена из стекла или поликарбоната, внутренняя — из светорассеивающего материала (ткань, плёнка, перфорированный металл). Используются в атриумах, зимних садах, выставочных павильонах.
• Акустические — внутренняя оболочка имеет перфорацию или специальные звукопоглощающие панели для улучшения акустики (концертные залы, театры).
• Инженерные — пространство между оболочками используется для размещения инженерных систем (вентиляция, кондиционирование, освещение, пожарная сигнализация).

Применение

Двойные оболочки куполов применяются в различных типах зданий и сооружений:

• Культовые сооружения — соборы, церкви, мечети (купола храмов, минареты).
• Общественные здания — театры, концертные залы, музеи, выставочные центры.
• Спортивные сооружения — стадионы, крытые арены, бассейны (например, купол стадиона «Лужники» в Москве, купол «Газпром Арены» в Санкт-Петербурге).
• Транспортные объекты — вокзалы, аэропорты, автобусные станции (купола терминалов).
• Промышленные здания — ангары, цеха, склады.
• Жилые и офисные здания — атриумы, зимние сады, остеклённые купола над внутренними дворами.

Примеры

• Купол собора Санта-Мария-дель-Фьоре (Флоренция, Италия) — один из первых известных примеров двойной оболочки. Внешняя оболочка — кирпичная, внутренняя — кирпичная с кессонами. Пролёт — 42 м.
• Купол Исаакиевского собора (Санкт-Петербург, Россия) — внешняя оболочка — металлическая, покрытая медью, внутренняя — кирпичная, оштукатуренная. Пролёт — 21,8 м.
• Купол Рейхстага (Берлин, Германия) — внешняя оболочка — стеклянная, внутренняя — зеркальная, образующая световой конус. Пролёт — 40 м.
• Купол «О2 Арена» (Лондон, Великобритания) — внешняя оболочка — стальная сетчатая, покрытая тефлоновой мембраной, внутренняя — акустическая. Пролёт — 365 м.
• Купол стадиона «Фишт» (Сочи, Россия) — внешняя оболочка — стальная, покрытая мембраной, внутренняя — акустическая. Пролёт — 200 м.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Большие пролёты — возможность перекрытия пространств до 300—400 метров.
• Разделение функций — внешняя оболочка защищает от осадков и ветра, внутренняя — обеспечивает акустику, теплоизоляцию, эстетику.
• Улучшение тепло- и звукоизоляции — воздушная прослойка между оболочками снижает теплопотери и шум.
• Размещение инженерных систем — пространство между оболочками позволяет скрыть коммуникации.
• Архитектурная выразительность — возможность создания сложных форм и световых эффектов.

Недостатки

• Сложность расчёта и проектирования — требуется учёт совместной работы оболочек, температурных деформаций, ветровых нагрузок.
• Высокая стоимость — увеличение расхода материалов и трудоёмкости строительства.
• Сложность монтажа — требуется точная сборка и контроль качества соединений.
• Пожароопасность — при использовании горючих материалов (дерево, полимеры) требуется дополнительная противопожарная защита.

Интересные факты

• Купол собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции до сих пор остаётся самым большим кирпичным куполом в мире.
• В куполе Исаакиевского собора использовано около 1000 тонн металла, что делает его одним из самых тяжёлых металлических куполов XIX века.
• Купол Рейхстага является одним из самых посещаемых архитектурных объектов в Германии — ежегодно его осматривают более 2 миллионов человек.
• В России двойные оболочки куполов применяются при строительстве крупных спортивных арен (стадионы «Лужники», «Фишт», «Газпром Арена»).

Источники

• Архитектура гражданских и промышленных зданий. Том 2. Основы проектирования. — М.: Стройиздат, 1985.
• Купола: конструкция, расчёт, проектирование / Под ред. В. И. Трофимова. — М.: Издательство АСВ, 2003.
• Шерешевский И. А. Конструкции гражданских зданий. — М.: Архитектура-С, 2005.
• История архитектуры: учебник / Под ред. Н. В. Барановского. — М.: Стройиздат, 1980.
• Материалы сайта «Архитектура и строительство» (статья «Двойные купола: история и современность»).