У. У. Бэрд (США)
Первым крупным пневматическим сооружением был воздухоопорный обтекатель антенны радиолокатора. Это сооружение диаметром 15,25 и высотой 12,2 м (рис. 1) было возведено для того, чтобы удовлетворить потребности ВВС США в тонком безметаль-ном погодостойком укрытии, предназначенном для защиты крупных антенн новых радарных систем, разрабатывавшихся в США в конце второй мировой войны.
Испытания масштабной надувной модели в аэродинамической трубе показали, что стабильность сооружения можно обеспечить путем предварительного напряжения прочной оболочки сферической формы посредством поддержания сравнительно небольшого давления внутри сооружения. Поскольку результаты наших испытаний выглядели обнадеживающими, с лабораторией был заключен контракт на строительство прототипа. Полноразмерный обтекатель-прототип был изготовлен и смонтирован в 1948 г. Исключительно хорошие эксплуатационные качества этого первого воздухоопорного обтекателя привели к немедленному принятию их для использования на радарных установках на севере США и в Канаде, и им приписывается заслуга в возникновении нового вида промышленности.
Около 10 лет работа над пневматическими сооружениями была направлена в первую очередь на получение улучшенных материалов и применение этих сооружений, в том числе куполов-обтекателей различного назначения, надувных параболических антенн, башен и других в военном деле. Однако, убедившись в том, что пневматические конструкции представляют собой наиболее эффективную конструктивную форму, пригодную для образования больших, свободных от промежуточных опор сооружений, мы с коллегами постарались распространить применение воздухоопорных сооружений и на другие области, такие как строительство товарных складов и баз отдыха. Вначале это не имело успеха и не привлекло внимания архитекторов и инженеров к новому виду конструкций, где применялись инженерные принципы и материалы, не считавшиеся пригодными для строительства зданий.
Подобные сооружения получили широкую известность и привлекли внимание других компаний, работавших с тканями и обычно выпускавших палатки, навесы, тенты и т. д. Однако из-за отсутствия опыта и квалифицированного инженерного персонала многие из сооружений, предложенных этими компаниями, были плохо запроектированы и изготовлены и оказались неудачными в эксплуатации. В то время не существовало стандартов на конструкции данного типа. Чтобы установить хотя бы минимальные стандарты на приемку таких сооружений, некоторые из более солидных компаний объединились с фирмой «Бэрдэйр» и создали ассоциацию «Эйр стракчерз мэнюфэкчурерз энд саплайерз ассошиэйшн» (ASMSA), которая разработала и издала рекомендуемые минимальные стандарты на проектирование и эксплуатационные показатели пневматических сооружений. Эти стандарты использовались в качестве основы для строительных правил в ряде штатов. В связи с небольшими масштабами только зарождающейся промышленности ассоциация была позднее аннулирована, а вместо нее создана организация «Эйр стракчерз инститьют» как часть ассоциации «Кэнвэс продактс ассошиэйшн интернэшнел». При покровительстве этой организации рекомендуемые стандарты на эксплуатационные показатели были включены во многие строительные правила. Однако их применение обычно ограничивалось временными сооружениями, так как доступные в то время материалы не могли соответствовать многим требованиям, предъявляемым к постоянным сооружениям.
Поскольку архитекторы и инженеры проявили мало интереса к тканевым сооружениям и не имели опыта или технической квалификации, чтобы их проектировать, большинство решений раннего времени было разработано изготовителями. Однако сотрудники фирмы «Бэрдэйр» были убеждены в том, что тканевые конструкции, в особенности воздухоопорные сооружения, предоставляют огромные возможности в области строительства большепролетных сооружений для отдыха или спорта, и продолжали разрабатывать новые решения. Хотя в то время имелись условия для того, чтобы продемонстрировать возможности наших сооружений применительно к крупным куполам-обтекателям для радиолокационных антенн и объектам коммерческого назначения, мы сознавали, что для одобрения принципа опирания на воздух необходимо заинтересовать архитекторов и инженеров этим новым принципом. Поэтому я часто выступал с докладами на собраниях профессиональных обществ и на симпозиумах.
Благоприятная возможность совместной работы с архитекторами и инженерами возникла в связи с разработкой конструкций для ярмарок и выставок. Здесь архитекторы и экспоненты в равной степени были заинтересованы в создании чего-то нового и необычного, что привлекло бы всеобщее внимание. Они были меньше, чем обычно, связаны ограничительными правилами и требованиями. Кроме того, поскольку предполагалось, что сооружения будут использоваться всего год или два, долговечность материала не имела значения. Передвижных выставок устраивалось довольно много, и транспортабельность и простота возведения сооружений из ткани имели большой успех. Фирма «Бэрдэйр» изготовила 14 сооружений для Всемирной ярмарки в Нью-Йорке в 1965 г. и с тех пор принимала участие почти в каждой большой ярмарке или выставке. Всемирные ярмарки и выставки дали нам возможность продемонстрировать многосторонность тканевых сооружений. Павильон США на выставке ЭКСПО-70 в Осаке, Япония, обеспечил нам первую действительную возможность показать выдающиеся качества воздухоопорного сооружения, усиленного канатами. Это сооружение привлекло огромное внимание во всем мире, продемонстрировав возможности воздухоопорных оболочек перекрывать большие площади без внутренних поддерживающих конструкций. Успех павильона привел к разработке новых материалов и проектных решений, позволивших тканям получить признание как материала, пригодного для изготовления постоянных строительных конструкций, во всем мире.
Ранние разработки. Развитие пневматических конструкций прошло ряд разных, но часто взаимно перекрывающихся стадий. На каждой стадии они получали признание в связи со своими уникальными свойствами, но зачастую по очень разным причинам. Ниже кратко описаны некоторые из сооружений раннего времени, разработанных на каждой стадии.
Сооружения военного назначения
Далее последовала разработка серии военных сооружений разного назначения. Первый транспортабельный полевой военный склад был переделан из нашего первого коммерческого склада. Чтобы обеспечить полевое хранение крупных машин или самолетов, мы предложили ангар с поддерживающим каркасом — воздухоопорное сооружение с каркасом из легких арок, которые поддерживают оболочку, когда сооружение открыто. Такое решение позволило получить очень легкий мобильный ангар, который в закрытом и поддутом виде мог противостоять сильному ветру и большим снеговым нагрузкам (рис. 4). После разработки идеи двухслойных и пневмокаркасных куполов-обтекателей мы запроектировали ряд ангаров и укрытий пневмопанельной конструкции. Наш метод раскроя и изготовления привел в результате к ячеистой стеновой конструкции, которая обеспечила почти двойную конструктивную эффективность по сравнению со стержневыми пневмокар-касньши решениями, предложенными ранее. При таком решении невысокое давление воздуха обеспечивало большое предварительное напряжение в тканевых стеновых элементах, что повышало устойчивость стенок при боковых нагрузках. На рис. 5 и 6 представлены сооружения этого типа.
![]() | ![]() | ![]() |

Воздухоопорные куполы-обтекатели для антенн радиолокаторов, как и другие мягкие оболочки, предназначались для применения в военных целях, так как только они могли обеспечить решение существующих тогда проблем. Военные ведомства не считались с тем, будут ли сооружения отвечать требованиям норм и правил, установленных для обычных сооружений, а интересовались только тем, чтобы они могли выполнять нужную работу. Несмотря на это, наша проектно-строительная практика разработки обтекателей антенн радиолокаторов и других укрытий военного оборудования дала бесценный опыт и возможность продемонстрировать надежность решений и оборудования, равно как и показала исключительные возможности пневматических конструкций как для воздухоопорных, так и для пневмопанельных сооружений. Мы не только разработали много новых конструктивных концепций, но и оказались в состоянии в процессе совместной работы с поставщиками предложить новые материалы с исключительными свойствами. К последним относится, например, дакрон с диагональным дублированием слоев, покрытый хайпалоном. Этот материал обладает выдающейся прочностью и высокими эксплуатационными качествами, и его использовали с высоким предварительным напряжением в куполообразных укрытиях для антенн радиолокационных станций.
Сооружения гражданского назначения
Успех военных сооружений раннего времени привел к постепенному применению пневматических конструкций в различных сооружениях гражданского назначения. В основном они использовались вначале для складов, так как позволяли получить складские помещения большой высоты, хорошо защищенные от непогоды и со свободным от промежуточных опор пространством.
Хотя первоначально воздухоопорные сооружения рассматривались как временные, их низкая стоимость и многие другие преимущества вскоре привели к признанию их для использования в качестве обычных складов. Единственным крупным недостатком была потеря воздуха при открытых дверях. Для обеспечения беспрепятственного доступа автомашин в помещения складов независимо от погоды наиболее удачными оказались шлюзы с откатными навесными дверями. Поскольку была доказана неэкономичность устройства обширных шлюзов при небольших сооружениях, в особенности шлюзов, достаточно больших, чтобы пропускать трейлеры, средние размеры складского сооружения возросли до 30—36 м в ширину и 60—90 м и даже более в длину. Увеличение размеров таких сооружений привело также к возрастанию напряжений в ткани, что потребовало применения более прочных и дорогих материалов. Поскольку размер сооружений возрос, их уязвимость к повреждениям также увеличилась.
Чтобы повысить надежность сооружения и вместе с тем допустить использование материалов, которые были разработаны специально для небольших сооружений, фирма «Бэрдэйр» и другие изготовители цвели в практику усиление оболочек канатами. Несколько сооружений раннего времени были усилены за счет кольцевого размещения канатов только в цилиндрической части сооружения, так как напряжения от избыточного давления воздуха на данных участках были выше, чем на сферических торцевых участках. Это, однако, не оказалось удачным для крупных сооружений, так как при сильном ветре высокие напряжения ткани развивались также и в торцевых участках. Для дополнительного усиления была применена установка канатов на сферических концевых участках, однако это привело к недостаточному использованию прямоугольных концевых участков и ограничивало полезную площадь склада. По существу сооружения на прямоугольном плане оказались гораздо более практичными, но такое решение плана привело к неравномерным продольным напряжениям оболочки, в результате чего ее было нелегко усиливать канатами.
Большинство ранних гражданских сооружений были однослойными. Однако вскоре, по мере роста потребности в более эффективном использовании энергии, появилась необходимость в улучшении теплоизоляции там, где требовалось отопление помещения. Пневматическую конструкцию можно утеплить обычным образом, но большой объем теплоизоляции снижает ее транспортабельность, а при укладке слоя теплоизоляции значительно уменьшается светопроницаемость оболочки, что исключает возможность использования дневного освещения. В связи с этим требовалось найти другие решения теплоизоляции.
Общий коэффициент теплопроводности наших двухслойных обтекателей радиолокационных антенн составлял 2,8—3,4 Вт/(м2·К) и при использовании внутренней отражающей обшивки мог быть снижен до 1,7 Вт/(м2·К). Такие же результаты можно было получить на наших сооружениях без потери транспортабельности путем подвески легкой оболочки, образующей замкнутую воздушную прослойку.
Воздухоопорные сооружения использовались также в качестве теплин, однако мы не будем здесь их рассматривать, так как обычно используемые при этом поливинилхлоридные и полиэтиленовые пленки имеют сравнительно низкую долговечность. Наиболее распространенным применением принципа воздушного поддува для теплиц было использование двойных полиэтиленовых пленок, уложенных поверх жестких арочных конструкций. Для стабилизации и поддержки пленок производился поддув пространства между двумя слоями. Благодаря воздушной прослойке уменьшался общий коэффициент теплопроводности, а тем самым снижались и теплопотери. При сравнительно частом размещении опор слабое давление воздуха создает небольшие напряжения в оболочке, обеспечивая необходимую устойчивость. Поскольку полиэтилен дешев, такая конструкция обеспечивала получение сравнительно эффективных сооружений с низкой стоимостью. Однако, поскольку пленки не обладают стойкостью против ультрафиолетовой деградации, их ежегодно заменяют. Для облегчения замены пленок на небольших сооружениях были разработаны удачные решения, но они не подходят для крупных или постоянных сооружений.
Полагают, что если будут разработаны материалы более высокого качества, то возникнут благоприятные возможности для возведения воздухоопорных теплиц. Принцип опирания на воздух позволяет возводить большепролетные оболочки низкой стоимости. Однако при этом требуются более долговечные материалы с высокой светопроницаемостью, а также сложные устройства, обеспечивающие контроль поступающей солнечной энергии и теплопотерь при необходимости экономии энергии. Эти проблемы постоянно изучаются в связи с разработкой нейтральных к солнечному излучению материалов покрытия.
Популярность воздухоопорных сооружений в значительной степени обязана их низкой стоимости, а также тому, что они обеспечивают хорошую защиту от непогоды. Наиболее часто применяемым материалом была ткань из нейлона или полиэфирного волокна, покрытая поливинилхлоридом. Применение акриловых полиуретановых покрытий или пленок «тедлар» дало возможность уменьшить движение пластификаторов к поверхности, помогая тем самым сохранять оболочку чистой и привлекательной и увеличивать срок ее службы. Долговечность мягких оболочек зависит в первую очередь от материалов и методов конструирования, поэтому наибольший срок службы пневматических сооружений при использовании обычных материалов составляет обычно всего 7—10 лет.
Несмотря на проблемы, возникшие из-за неопытности изготовителей и, как следствие, из-за того, что эксплуатационные качества некоторых ранних сооружений были ниже установленных стандартов, ожидается, что воздухоопорные сооружения в США будут продолжать применять для размещения товарных складов и хранилищ, так как они обеспечивают отличную защиту от непогоды при низкой стоимости. Если они правильно запроектированы и правильно эксплуатируются, то обладают хорошей надежностью. Опыт показал, что проблемы, с которыми пришлось неожиданно столкнуться в ранних сооружениях, были в первую очередь вызваны небрежностью владельцев или плохой эксплуатацией сооружений. Так как оболочка является конструктивным элементом, а не просто покрытием, ее следует держать в хорошем состоянии. Давление воздуха нужно поддерживать постоянно, система воздухоподачи должна быть надежной и способной обеспечить эксплуатацию в случаях неисправности механической или электрической систем. Полная потребность в энергии для поддува и освещения невелика. Пневматические сооружения с правильно запроектированным воздухоподающим оборудованием при хорошей эксплуатации находились в непрерывной работе свыше 15 лет, выдерживая при этом штормовые ветры без повреждений.
Однако резкое повышение стоимости энергии за несколько последних лет значительно ограничило применение воздухоопорных конструкций мобильного типа, где требуются большие расходы тепла. С другой стороны, растущая забота о контроле окружающей среды повысила интерес к применению воздухоопорных сооружений для укрытия резервуаров с чистой водой или водоемов, чтобы предотвратить их загрязнение.
Рекреационные сооружения
Одновременно с огромным интересом к теннису в 60-е годы в США возник все возрастающий интерес к круглогодичным теннисным кортам. Воздухоопорные сооружения давали возможность укрыть в зимние месяцы теннисные корты, расположенные на открытом воздухе, чтобы обеспечить их круглогодичное использование при небольших затратах. Возможности большепролетных сооружений с высоким потолком оказались идеальными для теннисных кортов. Полупрозрачный белый материал обеспечивал хорошее естественное освещение. Использование непрямого отраженного света позволяло избежать подвески к конструкциям осветительных средств, что давало преимущество перед обычными осветительными системами.
Спрос на воздухоопорные сооружения для теннисных кортов быстро возрастал в 60-е годы и в начале 70-х. Большинство таких покрытий представляли собой однослойные оболочки без какого-либо усиления. Однако, так как потребность в более крупных многокортных сооружениях увеличивалась, началось широкое применение крупных оболочек, усиленных канатами и обладающих большей надежностью при пониженной стоимости. Оболочки фирмы «Бэрдэйр» с усилением имели дополнительное преимущество как покрытия теннисных кортов, так как у них была большая высота потолка в углах здания, что обеспечивало отсутствие каких-либо ограничений при игре в тыльных углах кортов.
![]() | ![]() | ![]() |
Пневматическая архитектура. В ранние годы своего развития, когда пневматические сооружения использовались в первую очередь в военных целях или для сезонного применения, немногие архитекторы проявляли интерес к воздухоопорным сооружениям, предназначенным для постоянного применения в строительстве. Их обычные формы расценивались скорее как непривлекательные, а возможности перекрытия больших пролетов для организации отдыха еще небыли признаны. У нас, однако, была возможность работать с архитекторами при проектировании ряда уникальных сооружений специального назначения. В двух наших ранних конструкциях были, использованы пневмолинзовые покрытия.
Театр Центра искусств в Бостоне
Школьный бассейн в Мамаронеке
Главные успехи при работе с архитекторами связаны, однако, с проектированием передвижных зрелищных или выставочных сооружений. Транспортабельность наших тканевых сооружений, простота и быстрота возведения и демонтажа делали их особенно привлекательными. Поскольку такие сооружения предназначались обычно для временного применения, их использование не было жестко ограничено строительными правилами или требованиями.
В соответствии с профилем фирмы «Бэрдэйр» и благодаря ее опыту в разработке как пневматических, так и тентовых конструкций мы имели благоприятную возможность разрабатывать многие выставочные сооружения.
В дополнение к небольшим сооружениям, которые можно было возвести за несколько часов для кратковременного использования с применением винтовых анкеров или балластных мешков, наполненных песком или водой, мы разработали ряд крупных выставочных сооружений. Основными из них являются следующие.
«Пентадом» (пятикупольник)
Выставочное здание «Атомы для мира»
Это сооружение также использовалось для демонстрации мирного использования атомной энергии в малых странах, особенно в Центральной и Южной Америке.
Наибольшую возможность совместной работы с архитекторами предоставляла разработка уникальных павильонов и выставочных зданий для всемирных ярмарок и выставок. Именно на таких зданиях мы имели возможность продемонстрировать универсальность как пневматических, так и тентовых сооружений, и возможности их разностороннего применения, включая обширные выставочные залы без внутренних опор и залы для общественных собраний. Некоторыми из таких сооружений, разработанных и построенных фирмой «Бэрдэйр», являются следующие.
Всемирная ярмарка в Нью-Йорке, 1964 г.
Павильон Шэфера. Два выставочных здания фирмы «Шэфер Бир» имели пневмолинзовые покрытия. Использование этой конструкции дало основную экономию при строительстве за. счет снижения нагрузок на фундамент. Узор с применением сусального золота, нарисованный на внутренней оболочке, дал возможность получить весьма привлекательный интерьер.
Перечисленные сооружения, каждое из которых заметно отличается от других, позволили показать многосторонность архитектурных возможностей пневматических сооружений.
Выставка «ЭКСПО-67» в Монреале (Канада)
Павильон провинции Онтарио. На выставке «ЭКСПО-67» не было крупных воздухоопорных сооружений, зато мы имели возможность работать с фирмами «Фзйрфилд» и «Дюбуа», проектируя уникальную тентовую конструкцию. Хотя это сооружение и предназначалось для работы в течение всего двух лет, оно оставалось на месте в качестве примечательного экспоната выставки «Человек и его мир» в течение семи лет. Конструкция была изготовлена из специально разработанного материала, состоящего из стеклоткани, покрытой поливинилхлоридом. Отдельные панели представляли собой предварительно напряженные гиперболические параболоиды различной формы размером приблизительно 15,25X30,5 м. Требуемый точный раскрой был определен с помощью ЭВМ. с учетом необходимой компенсации, вызванной особенностями двухосной силовой характеристики материала. В связи со стабильностью размеров материала не требовалось никакого повторного напряжения ткани, чтобы сохранить ее натяжение во время всего периода службы. Этот материал был позднее намечен фирмой «Бэрдэйр» для использования его для оболочки павильона США на «ЭКСПО-70», а затем послужил основой для новых материалов с тефлоновым покрытием, разработанных для мягких оболочек сооружений стационарного типа.
Выставка «ЭКСПО-70», Осака (Япония)
Павильон США. Это был первый удобный случай продемонстрировать возможности воздухоопорной конструкции, усиленной канатами. Дальнейшее развитие конструкции описано ниже.
Выставочное здацие Службы путешествий США. Здание представляло собой сферическое воздухоопорное сооружение с картой мира, нанесенной на его поверхность. В нем размещался театр с расположенным по окружности экраном, охватывающим 360°. Оно было запроектировано как передвижной экспонат, и его показывали во многих странах мира, перевозя вместе с экспозицией.
Выставка «ЭКСПО-74», Спокан, шт. Вашингтон (США)
Фирма «Бэрдэйр» запроектировала и установила тентовый павильон США на выставке «ЭКСПО-74». Это было очень большое сооружение с напряженной тканью, поддерживаемое тросами. Оно оказалось характерным экспонатом выставки.
Успех этого сооружения способствовал появлению огромного интереса к пневматическим сооружениям для применения их в разных целях. Серьезное препятствие представляли требования правил пожарной безопасности для мест возможного скопления людей. Несмотря на то, что многократно было доказано, что воздухоопорные сооружения обладают уникальной огнестойкостью, свойствами автоматического дымоудаления и самозатухання в сочетании с небольшой массой сгораемого материала, эти свойства не были признаны строительной инспекцией. Чтобы такие сооружения получили широкое признание, возникла необходимость в материале, который прошел бы суровые огневые испытания и отвечал также другим требованиям строительных правил, предъявляемым к обычным материалам.
Ниже дано описание нескольких воздухоопорных сооружений нового поколения, возведение которых стало возможным благодаря разработке ширфилла — нового материала из стеклоткани, покрытой тефлоном.
Студенческий центр колледжа и драматическая студия в Ла Верне
Студенческий центр колледжа и драматическая студия в Ла Верне (Калифорния) площадью 5307 м2 (см. рис. 25). Автор проекта — бюро «Шейвер партнершип», Салайна (Канзас). Это первое стационарное тентовое сооружение с оболочкой, которое изготовлено из стеклоткани, покрытой тефлоном. Покрытие представляет собой точно раскроенную оболочку, двухосно напряженную усилиями, создаваемыми предварительным напряжением радиальных тросов. Сооружение находится в эксплуатации приблизительно десять лет и не имеет признаков износа или разрушения. Оно до сих пор такое же белоснежное и привлекательное, как тогда, когда было впервые установлено.
Спортивный зал колледжа, Миллиген
Спортивный зал колледжа в Санта-Клара
Купол-обтекатель на телебашне в виде тора, Торонто
Купол-обтекатель на телебашне в виде тора диаметром 42,6 м, Торонто (Канада) (рис. 27). Авторы проекта — Джон Эндрьюс, Уэбб, Зерафа и др. (Торонто). Тороидальный обтекатель, укрывающий оборудование микроволновой антенны, поднятой на высоту 410 м, находится под обзорной площадкой и рестораном. Стеклоткань, покрытая тефлоном, прочна, погодостойка и радиопрозрачна. Лед, снег и пыль не пристают к поверхности, которая остается чистой и сохраняет свои высокие эксплуатационные качества.
Стадион «Силвердом»
Спортивный зал университета Эр-Рияд
Стадион и центр отдыха Флоридского университета
Стадион Сиракьюсского университета
Стадион «Метровом»
Стадион «Метровом» площадью 36 230 м2, Миннеаполис (Миннесота). Автор проекта — бюро «Скидмор, Оуингс и Меррил». В покрытии этого стадиона использована конструкция с диагональными канатами и анкерным кольцом, примененная инженерами Гейгером и Бергером во многих более ранних сооружениях. Внутренняя компоновка стадиона, однако, совсем другая, поскольку он запроектирован так, чтобы обеспечить игру в футбол и бейсбол. Опыт, приобретенный фирмой при проектировании, изготовлении и монтаже прежних оболочек, должен помочь сделать его одним из лучших сооружений в мире, стоимость которого существенно ниже по сравнению с крытыми стадионами обычной конструкции.
Высокая конструктивная эффективность воздухоопорных оболочек делает их идеальными для крупных сооружений больших пролетов. В связи с малой массой материалов тканевых сооружений общая стоимость энергии, необходимой для строительства, обычно гораздо ниже, чем для традиционных конструкций. Высокая теплоотражающая способность материалов из ширфилла делает их пригодными для применения в жарких солнечных районах. Новые материалы и новые решения, разрабатываемые в настоящее время, предоставляют также возможность эффективного применения пассивной системы использования солнечной энергии. Хотелось бы выразить уверенность, что такие разработки приведут к возможности полного обеспечения сооружений энергией, и это будет способствовать признанию воздухоопорных сооружений как стационарных зданий.
Следует ожидать, что тканевые сооружения — и воздухоопорные и тентовые — будут играть все более важную роль в строительстве.
Примечания
1. Более подробные сведения об этом материале приведены в другой статье У. У. Бэрда, помещенной в данной книге.