Проектирование мостов: синтез инженерной мысли и эстетики

Введение: инженерно-архитектурный характер мостостроения. Сооружение мостов представляет собой фундаментальную область гражданского и транспортного строительства, в которой профессионализм инженера-проектировщика полностью проявляется в осуществленной в натуре конструкции. По существу, проектирование мостов одновременно является глубокой инженерной и архитектурной задачей, сочетающей математическую точность расчетов, знания строительной механики и художественно-пространственную выразительность. При этом мост сам по себе выступает как монументальное архитектурное произведение, формирующее пространственную среду и техногенный ландшафт. Эту идею мы развиваем в данной статье, иллюстрируя её практическими примерами мостовых сооружений, построенных по проектам автора в Португалии.

В современном мостостроении фундаментальные законы механики деформируемого твердого тела, теории упругости и сопротивления материалов образуют единую систему с принципами архитектоники. Проектирование искусственных сооружений требует от специалиста не только строгого соблюдения нормативных требований по несущей способности (первая группа предельных состояний, 1ГПС) и пригодности к нормальной эксплуатации (вторая группа предельных состояний, 2ГПС), но и глубокого осмысления зрительного восприятия объекта. Мостовой переход является долговечным элементом инфраструктуры, органически встраивающимся в природный или урбанизированный рельеф.

Конструктивная целесообразность как основа эстетики моста. Конструкция моста при всей своей функциональности, экономичности, ремонтопригодности и гармонии с окружающей средой должна прежде всего отвечать действующим нормативным силовым воздействиям. Она обязана надежно воспринимать постоянные нагрузки (собственный вес конструкций, мостовое полотно) и временные подвижные нагрузки (автомобильные и железнодорожные составы, ветровые и сейсмические воздействия), безопасно передавая их через опорные части и фундаменты глубокого заложения на грунтовое основание. С точки зрения строительной механики, геометрическая форма пролетного строения и опор напрямую продиктована характером распределения внутренних усилий.

Распределение силовых потоков в пролетном строении описывается классическим соотношением дифференциальной связи при изгибе:

dM(x) / dx = Q(x), d²M(x) / dx² = q(x)

где M(x) — изгибающий момент в сечении x, Q(x) — перерезывающая (поперечная) сила, а q(x) — распределенная интенсивность внешней нагрузки. Если эта фундаментальная цель инженерного расчета достигнута, а форма элементов отражает эпюры внутренних усилий, мост неизбежно будет производить глубокое и благоприятное эстетическое впечатление. Напряженно-деформированное состояние элемента, выраженное через нормальные напряжения σ = M / W и касательные напряжения τ = QS / (I · b), создает естественную тектоническую правду сооружения.

При достижении абсолютной конструктивной и функциональной гармонии отпадает необходимость стороннего участия архитектора, за исключением случаев разработки отдельных незначительных декоративно-отделочных деталей, и то только по прямой инициативе самого инженера-проектировщика. Назначение моста должно строго определять особенности его конструктивно-технологической схемы и выбор тех строительных технологий (например, технологии навесного бетонирования, продольной надвижки или применения предварительно напряженного железобетона), которые позволяют достичь наибольшей эстетической выразительности. Вместе с тем ни технологическое «открытие» само по себе, ни элементарное желание отличиться, ни чисто конъюнктурные экономические соображения не могут оправдать создание проекта, не соответствующего функциональному назначению мостового перехода.

Субъектность инженера-проектировщика и риски внешнего вмешательства. Инженер-проектировщик мостовых сооружений в своей профессиональной деятельности должен непрерывно учитывать эстетические аспекты, поскольку именно он обладает полнотой математических и технологических знаний для адекватного решения конструктивных проблем. Никто не должен авторитарно вмешиваться в автономный процесс инженерного проектирования, хотя это и противоречит распространенному, но глубоко ошибочному мнению о жизненной необходимости чисто архитектурных «усовершенствований» готового расчетного проекта. Навязывание обязательного участия архитектора на этапах формирования несущей системы ведет к искажению силовых линий сооружения.

Более того, подобное стороннее вмешательство часто оказывает губительное воздействие на эстетику искусственного сооружения. Это происходит тогда, когда предпринимаются попытки путем искусственного приукрашивания, добавления навесных фальш-элементов или изменения естественных геометрических форм сокрыть, исказить или «улучшить» конструктивную целесообразность во имя ложных эстетических ценностей. Напротив, полное невмешательство стороннего архитектора способно эстетически спасти или нейтрализовать визуальную неадекватность проекта, позволяя строгой инженерной логике и законам физики проявиться в своей первозданной форме.

Экономика мостостроения, детализация и проблема демпинга. Недальновидная экономия финансово-материальных ресурсов не должна распространяться на инвентарную опалубку, проработку индивидуальных узлов или общую пространственную схему конструкции. В то же время экономичный проект всегда выступает следствием глубоко продуманной конструктивной концепции, целесообразной для конкретного мостового перехода и гидрогеологических условий площадки строительства, и никогда не достигается путем простого «упорядочения» или геометрического усечения форм. Пристальное внимание к мелким деталям (узлам сопряжения, водоотводу, деформационным швам, барьерным ограждениям) имеет первостепенное значение, так как плохо проработанные детали способны испортить общее впечатление даже от высококлассного объекта.

Оценка стоимости мостового сооружения должна производиться не по величине сметных затрат на этапе строительства, а по критерию совокупной стоимости жизненного цикла (Life Cycle Cost, LCC), рассчитываемой как:

LCC = C_cap + ∑ (C_maint / (1 + r)^t)

где C_cap — капитальные затраты, C_maint — ежегодные эксплуатационные расходы, r — ставка дисконтирования, t — период эксплуатации.

К сожалению, современная коммерческая конкуренция в сфере проектирования слишком часто приводит к появлению «дешевых» и некачественных проектов. Заказчики и инвесторы нередко путают долгосрочную экономическую эффективность с минимизацией первоначальных сметных затрат. Лишь немногие проектировщики обладают достаточным авторитетом и аргументацией, чтобы убедить застройщика в приоритете долговечности и эстетики над сиюминутной выгодой.

Таблица 1. Влияние качества проектирования и детализации на показатели жизненного цикла моста

Авторский надзор, натурное моделирование и академическая подготовка. Инженер-проектировщик должен наделяться приоритетным правом выбора способов распалубки, типов опалубочных систем, видов защитно-отделочных покрытий и фактуры бетона, чтобы возводимое сооружение не было обезображено неквалифицированными подрядчиками или экономящим заказчиком. При возведении уникальных, внекатегорийных и монументальных мостовых переходов проектировщику необходимо предоставлять возможность проведения испытаний на полномасштабных натурных моделях (макетах) непосредственно на строительной площадке. Это позволяет выполнять эстетические и технологические усовершенствования элементов конструкций непосредственно в процессе строительства.

В заключение необходимо подчеркнуть роль высшей школы: профильные технические университеты, осуществляющие подготовку инженеров-строителей по специальности «Мосты и транспортные тоннели», обязаны внедрять в учебные планы дисциплины по архитектуре, формообразованию и эстетике сооружений. Выпускники должны четко понимать законы композиции, пропорционирования, светотени и пространственного равновесия. Профессиональное воспитание такого уровня развивает не только утилитарный интеллект расчетчика, но и формирует высокую инженерную культуру, превращая мостостроение из ремесла в настоящее академическое и строительное искусство.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Эдвард Денисон, Йан Стюарт и др.

Источник: Как читать мосты

Данные публикации будут полезны студентам строительных и инженерных специальностей, начинающим специалистам в области гражданского проектирования и мостостроения, а также всем, кто интересуется историей архитектуры и развитием транспортной инфраструктуры.