В этой статье представляется новая и вновь открытая информация об использовании физических моделей в процессах проектирования, выполняемых инженерами-архитекторами и строителями. За последние три столетия сюда вошли механические модели, модели поиска формы и модели измерения. Модели измерения были и остаются особенно важными для инновационных инженерных проектов, которые выходят за рамки текущего опыта или не имеют прецедентов. В этих случаях, в дополнение к своему собственному опыту и современной инженерной науке, от инженеров требуются дополнительные доказательства того, что их инновационные конструкции будут функционировать по назначению, будут безопасными и в которых они могут иметь достаточную уверенность, чтобы начать строительство. Автор утверждает, что физические модели играли и продолжают играть важную роль в инновациях в технике и внесли равный вкладу инженерной теории в достижение прогресса в технике. Примеры взяты из истории строительной техники, особенно железобетонных и решетчатых оболочек, а также из архитектурной акустики.
Ключевые слова: физические модели, история, инженерное проектирование, инновации.
Существует несколько способов, с помощью которых строительный проект может быть инновационным, и по определению они включают в себя проектирование и создание чего-то, чего раньше не делалось. Примеры, использованные в этой статье, взяты в основном из строительной техники, но в равной степени могут быть взяты из других отраслей архитектурного и гражданского строительства (Аддис, 2007). Во-первых, и довольно редко, проект может представлять собой совершенно новый тип конструкции или техники. Например, растяжение конструкции Фрея Отто, которые были изготовлены из полиэфирной мембраны, или конструкции вантовой сети, которые он разработал в Штутгартском университете для павильона Германии на Монреальской выставке в 1967 году и для Олимпийских игр в Мюнхене в 1972 году. Другим примером является использование предварительного напряжения в армированных железобетонных конструкциях, которые были разработаны Эжен Фрейсине в конце 1920-х годов.
Чаще всего инновации принимают форму создания чего-то знакомого, но в некотором смысле выходящего за рамки предыдущего опыта. Это может быть более длинный пролет моста или крыши определенного типа, или мост такого же размера, но намного легче по весу, или построенный новым способом, который дешевле или быстрее построить. Это могла быть конструкция знакомого типа, изготовленная из нового или незнакомого материала, или она могла выдерживать гораздо большие нагрузки, чем раньше, как это было в случае с первыми железными железнодорожными мостами в 1830-х и 1840-х годах. Третий способ, благодаря которому структура может быть инновационной, заключается в том, что она может быть спроектирована по-новому, возможно, с использованием новых технических наук или, по сути, с использованием инженерных наук впервые. Наконец, инновационная структура может быть знакомого типа, но использоваться в незнакомом контексте или ситуации со своими уникальными характеристиками, а это означает, что ее необходимо спроектировать по-другому. Например, длиннопролетная крыша для здания в сейсмоопасной зоне или здание, построенное на грунте с сильно меняющимся уровнем грунтовых вод.
Фактически, большое количество строительных проектов должны иметь инновации во всех четырех сферах, которые были описаны ранее. Таким примером стал мост Британия в северном Уэльсе, спроектированный и построенный Робертом Стивенсоном в 1840-х годах. Это был коробчато-балочный мост, сделанный из кованых железных пластин, который должны были перевозить железнодорожные локомотивы по пролету беспрецедентных размеров — 140 м — и спроектированный в то время, когда инженерная теория не могла решить проблему коробления железных пластин. В процессе проектирования было построено более 40 моделей из кованого железа в масштабе от 1:33 до 1:6, а в некоторых случаях восстановлено после разрушения и повторно испытано (Аддис 2021: 187–203) (рис. 1, 2). Вообще говоря, инновации в технике происходят тогда, когда что-то в новом проекте уводит его в неизвестность, где прецедент мало чем поможет. Как только неизвестное становится привычным, граница, определяющая пределы прецедентов, сдвигается, такова суть прогресса в технике (Аддис 2003).
Выводы
Физические модели использовались в процессе проектирования инновационных инженерных проектов на протяжении веков. Использование моделей сократилось с середины 1970-х годов по мере роста надежности и мощности компьютеров, а инженерные науки становились все более сложными и способными рассчитывать все более сложные инженерные явления. Однако модели по-прежнему широко используются там, где требуются инновации в отношении тех технических явлений, которые пока не могут быть достоверно рассчитаны, фиксируются математическими моделями, которые могут обрабатываться компьютерами. В области архитектурного и гражданского строительства к ним относятся воздействие ветра на инженерные конструкции, движение воды в реках, устьях и приливных зонах, поведение как старых, так и новых конструкций при землетрясениях, акустика зданий и для проектирования особенно необычных конструкции.
Литература:
1. Аддис, В. 1990. Структурное проектирование — природа теории и дизайна. Чичестер: Эллис Хорвуд.
2. Аддис, В. (ред.). 1999. Проектирование конструкций и гражданского строительства. Том 12 из серии «Этюды в
3. История гражданского строительства». Олдершот: Эшгейт (Вариорум).
4. Аддис, Билл. 2003. Характер прогресса в истории строительной техники. В: Труды
5. Первый международный конгресс по истории строительства, Мадрид, под редакцией С. Уэрты и др., 123–129. Мадрид: Институт Хуана де Эрреры.
6. Аддис, Билл. 2005. История использования моделей для проектирования конструкций. В: Очерки истории.
7. Теории структур: В честь Жака Хеймана, под редакцией Сантьяго Уэрты, 9–44.
8. Мадрид: Институт Хуана де Эрреры.
9. Аддис, Билл. 2007. Строительство: 3000 лет проектирования, проектирования и строительства. Лондон и Нью-Йорк: Файдон.
10. Аддис, Билл. 2013. «Игрушки, которые экономят миллионы»: история использования физических моделей в структурном проектировании. Инженер-строитель. 91 (4 апреля): 11–27.
11. Аддис, Билл, 2014. Физическое моделирование и поиск формы. В: Оболочечные конструкции для архитектуры: форма.
12. «Нахождение и оптимизация», под редакцией С. Адриансенса, П. Блока, Д. Винендала и К. Уильямса, 32–43. Абингдон: Рутледж.
13. Аддис Билл, (ред.). 2021. Физические модели: их историческое и современное использование в гражданском строительстве.
