Физика в архитектуре и дизайне

Наука сегодня отличается повышенным уровнем абстрактности и утратой наглядности для обычного человека. В условиях современного мира наука должна максимально отвечать как запросам всего общества, так и потребностям каждого человека. Применять законы на практике – это и есть основная задача сегодня. Тема моей исследовательской работы «Физика в архитектуре и дизайне» важна, актуальна и интересна для каждого человека, так как архитектурные сооружения являются неотъемлемой частью нашей жизни и сопровождают нас повсеместно.

В своей работе я доказываю важность физических законов на всех этапах планирования строительного объекта. В современном мире архитектура, строительство и дизайн являются одними из самых значимых и востребованных специальностей. Любое архитектурное сооружение требует множества различных знаний и технологий для его реализации: не только творческих, но и научных.

В строительной сфере учитывают три подхода, в которых физика играет основную роль: архитектурный, инженерный и дизайнерский. Подробнее рассмотрим каждый из них.

АРХИТЕКТУРНЫЙ ПОДХОД

Архитектура – искусство и наука строить, проектировать здания и сооружения, а также сама совокупность всех зданий и сооружений, создающих пространственную среду для жизни и деятельности человека.

В архитектуре взаимосвязаны функциональные, технические, эстетические  свойства объектов.

Архитектурные работы часто воспринимаются как произведения искусства, культурные или политические символы, однако это отдельный вид науки, основанный на физических законах. Физика в архитектуре имеет наибольшее значение, она помогает более четко рассмотреть понятия устойчивости, прочности, и жесткости конструкций.

К возводящим зданиям существует ряд основных требований: прочность, устойчивость, экономичность, функциональная целесообразность, техническая целесообразность, архитектурно-художественная выразительность, долговечность и благоприятное влияние на людей. Все эти требования дают максимальную функциональность и безопасность сооружаемых зданий.

Если раньше макетирование зданий делалось исключительно вручную, то сегодня мы имеем уникальную возможность предоставить объект заказчикам еще на этапе разработки, то есть в виртуальном формате.

В программе ArchiCAD я создала визуализацию двухэтажного каркасно-щитового дома с мансардой, а также сделала планировку. Это реальный строительный объект ЖК «Олимпийский» г. Краснодара.

Рис. 1. Визуализация каркасно-щитового дома с мансардой

ИНЖЕНЕРНЫЙ ПОДХОД

Говоря об архитектуре и строительстве, не все сразу думают о практических вопросах, чаще это о внешнем облике и красоте зданий. Однако вопросы, связанные с отоплением, электричеством, канализацией, вентиляцией, водоснабжением и освящением - одни из самых важных и первостепенных задач для архитекторов и инженеров.

Продемонстрируем применение физических законов на практике при строительстве сооружений.

Рассчитаем нагрузку на фундамент духэтажного каркасно-щитового дома с мансардой с размерами в плане 6х9 м, воспользуемся справочными данными от поставщиков строительных материалов с усредненными значениями удельного веса всех конструкций дома: стен, перекрытий, кровли. Проведем классификацию нагрузок, а так же в программе ArchiCAD построим чертежи  дома, с точными размерами.

Чтобы посчитать вес от стен дома необходимо вычислить их периметр. Периметр наружных стен + внутренние стены: Р=47 м, среднюю высоту стен примем h=6 м. Тогда вес от конструкции стен будет равен: Р х h х удельный вес материала стен.

47 м х 6 м х 70 кг/м² = 19740 кг = 19,7 т.

Далее посчитаем вес крыши. Принимаем, что вес крыши (деревянная стропильная система с покрытием из металлочерепицы) равен 40 кг/м² (суммарный вес металлочерепицы, обрешетки, стропил). Тогда вес крыши будет равен: Sкрыши х удельный вес 1 м².

92 м² х 40 кг/м²= 3 680 кг = 3,7 т.

Также необходимо посчитать вес от перекрытий. Принимаем, что вес деревянного пола вместе с утеплителем будет равен 100 кг/м². Тогда вес от перекрытий будет равен: Sперекрытия*удельный вес*количество.

54 м²х 0,1 т/м² х 2 = 10,8 т.

После того как выполнены все необходимые расчеты, полученный вес сооружения умножаем на коэффициент надежности. В расчете для каркасно-щитового дома коэффициент принимаем равным 1,1 – для деревянных конструкций.

(19,7т + 3,7т + 10,8т) х 1,1 = 37,6 т  

Нагрузка от самого здания составит 37,6 т. Этот вес принят условно, без вычета дверных и оконных проемов.

• Кратковременные нагрузки

1. На перекрытия

Так как при проектировании и строительстве невозможно точно определить значение показателя воздействия на перекрытия, к весу конструкции перекрытия добавляют нормативное значение равномерно распределенной нагрузки – Рt

Для жилых зданий она равна 1,5 кПа (150 кг/м²). При расчете получаем:

Sперекрытия х 150 кг/м² х количество перекрытий

Нагрузки от людей (животных, мебели, оборудования) на перекрытия = 54 м² х 150 кг/м² х 2 = 16 200 кг =16,2 т.

2. Снеговая

Чтобы рассчитать климатические нагрузки на фундамент, нужно учесть снеговой район (вес снежного покрова на 1 м²) и конструктив покрытия здания (чем больше его уклон, тем меньше воздействие). Учет района строительства важен, так как вес снежного покрова сильно отличается для разных регионов. Для центральной части Российской Федерации он составляет 200 кгс/м², для значительной части Поволжья – 250 кгс/м², а для отдельных районов Сибири – уже 350 кгс/м².

Sкрыши х Расчетный вес снегового покрова х коэффициент уклона покрытия (принимаем равным 0,7 – для наиболее типовых покрытий с уклоном от 30° до 45°) х коэффициент надежности по нагрузке (принимаем равным 1,4).

Для Юга России получаем:

92 м² х 0,12 т/м² х 0,7 х 1,4 = 10,8 т

3. Ветровая

Рассчитанная ветровая нагрузка может иметь отрицательное значение, это будет означать, что вес надземной конструкции сократился. Поэтому иногда этим показателем пренебрегают.

Но если расчет выполняется для легкого сооружения, характеризующегося большой парусностью, тот же показатель будет иметь принципиальное значение, так как из-за этого может возрасти выдергивающее и горизонтальное воздействие на сваи.

В нашем примере расчетом ветровой нагрузки можно пренебречь.

• Сбор нагрузок на фундамент

Чтобы посчитать нагрузки от здания в целом необходимо суммировать все полученные данные. Суммарное воздействие на фундамент каркасно-щитового дома с мансардой с размерами в плане 6х9 м:

 37,6 т + 16,2 т + 10,8 т = 64,6 т.

Рис.2. Планировочное решение, созданное в программе ArchiCAD

ДИЗАЙНЕРСКИЙ ПОДХОД

В своей работе я доказываю, что не только в архитектурно-инженерном подходе должны применяться законы физики и математические расчеты, но и дизайнерское решение должно быть научно обоснованно. Рассмотрим дизайн с точки зрения физики.

Это искусство и наука улучшения интерьера здания для достижения более здоровой и эстетически комфортной среды для людей, использующих это пространство.

Рассмотрим физику процессов в дизайне на основе цвета. Цвет в дизайне интерьеров и его связь с законами физики очень важен.

Весь процесс начинается с Солнца. Оно излучает электромагнитные волны,  волны могут как отражаться предметами, так и быть поглощенными.  Каждая электромагнитная волна имеет разную длину, и наш глаз может видеть только часть волн, которые называются «видимое излучение». Мы способны воспринимать электромагнитные волны, длины которых распределяются между от 380 нм  до 780 нм. Восприятие наших зрительных органов и преобразование зрительных импульсов мозгом создаёт яркую цветную картинку, которая оказывает действие на психику человека. Этот факт только подчеркивает важность физических законов и на этапе разработки дизайна помещения.

Основу современных научных представлений о цвете заложил И. Ньютон. В 1666 разложив белый цвет призмой, он открыл явление дисперсии.

Хочется отметить имена ученых, которые каждый в свое время работал над раскрытием тайны света и цвета. Среди них:  Аристотель, Р.Гук, Р.Декарт, И.Кеплер, Мариотт и Ломоносов , а так же Дальтона, Гете, ЮНГ, Френель.

Великий анг. Физик в 60-е годы 19в. Дж. Максвелл установил общие законы электромагнитного поля, что свет – это электромагнитные волны.

В начале ХХ в. был открыт фотоэффект, который был объяснен квантовой теорией.

Спустя 140 лет после Ньютона Иоганн Гёте — немецкий поэт, публикует научный труд «Учение о цвете», (сам Гете считал этот труд самым великим его достижением), в котором он первым открыл явление действия цвета на психику человека. Эту задачу и решает психотерапия.

Сегодня в живописи, дизайне и архитектуре  широко используется цветовой круг Иоханнеса Иттена — швейцарского художника. Его 12-частный цветовой круг показывает наиболее распространенную в мире систему расположения цветов, их взаимодействие между собой.

Для большего понимания и выявления  стилевых и цветовых  предпочтений  клиентов мною были предложены следующие тесты. Благодаря которым я создала дизайн проект, учитывая темперамент заказчиков, эмоциональный настрой и цветовые предпочтения.

С помощью программы 3Ds Max я создала реалистичную визуализацию будущего интерьера, учитывая потребности и запросы моих заказчиков.

Архитектура -  это профессия настоящего и будущего. С каждым годом востребованность в этой профессии возрастает.

В моей работе рассмотрен многофакторный подход к оценке и созданию благоприятной (комфортной) внутренней среды обитания через влияние на нее архитектурных, инженерных и дизайнерских параметров. Только одновременный учет всех групп факторов позволяет создать равновесную и гармоничную взаимосвязь человека с окружающим пространством.

В основе созданных человеком архитектурных композиций лежат результаты многосторонних исследований. 

Физика является неотъемлемой частью архитектуры и дизайна!