Сергей Стромков,
инженер первой категории отдела технической поддержки, компания «Арксофт»
Гиперболоидная конструкция башен выдающегося русского инженера и конструктора XX века Владимира Григорьевича Шухова — прорывная как для своего времени, так и для современности. Шуховские гиперболоиды вдохновляли лучших архитекторов мира: Гауди, Ле Корбюзье, Нимейера, Нормана Фостера. Однако работы замечательного инженера долго оставались без внимания на его родине, в России.
Мы решили привлечь внимание к уникальному архитектурному и инженерному наследию страны и воссоздали в программе nanoCAD Конструкторский BIM модель Шуховской башни на Оке, — располагая лишь фотографиями и двумя чертежами.
Стремящаяся ввысь, легкая и воздушная Шуховская башня на Оке считается даже более совершенной, чем аналогичное сооружение в Москве. Башня, которая расположилась недалеко от Дзержинска на берегу реки, признана объектом культурного наследия федерального значения и рекомендована к включению в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.
Нам, коренным дзержинцам, показалось очень символичным воспроизвести знаменитую гиперболоидную конструкцию, разработанную выдающимся русским инженером и построенную рядом с нашим городом. Сделать это было решено в отечественном программном продукте.
Почему из шести башен на Оке осталась одна
Пятисекционная 128метровая башня недалеко от Дзержинска — единственная в мире гиперболоидная многосекционная опора линии электропередач. Это лишь одна, последняя из шести ажурных сетчатых конструкций, которые возвышались по обоим берегам Оки на протяжении XX века.
Шуховская башня на Оке, спроектированная
в nanoCAD Конструкторский BIM
Четыре парные башни высотой 128 и 68 метров на низком берегу и две поменьше — по 20 метров — на высоком служили опорами линии электропередач и помогали освещать Нижегородскую область. Башни были построены с 1927 по 1929 год по проекту и под руководством Владимира Шухова, творца Шуховской теле и радиобашни в Москве. Кстати, именно под впечатлением ее постройки Алексей Толстой написал фантастический роман «Гиперболоид инженера Гарина».
Вообще количество изобретений Шухова поражает воображение: от создания первых в мире гиперболоидных конструкций и металлических сетчатых оболочек строительных конструкций до установки термического крекинга нефти, создания морских мин, а также трубчатых паровых котлов, — и это далеко не полный список.
Шуховская башня на Оке (фото взято из открытых источников интернета. Профиль DedushkaMPS)
Но вернемся к башням. До нашего времени дожила лишь одна из них, героиня нашего проекта: четыре башни демонтировали после изменения маршрута ЛЭП, предпоследнюю сдали на металлолом, несмотря на статус объекта культурного наследия. Тем важнее было обратить внимание на чудом уцелевшую конструкцию — памятник советского конструктивизма.
Процесс воссоздания Шуховской башни на Оке в nanoCAD Конструкторский BIM
Сейчас ею занялись и региональные власти: ведутся работы по укреплению береговой линии (башня стоит на кольцевом бетонном фундаменте диаметром 30 метров непосредственно на берегу Оки, так что течение подтачивает песчаный берег, создавая угрозу повреждения фундамента и обрушения конструкции) и превращению башни в туристическую достопримечательность Нижегородской области.
Чем уникальны гиперболоидные конструкции
Гиперболоидные конструкции — несмотря на свою видимую кривизну — строятся из прямых балок. Это сооружения в форме однополостного гиперболоида или гиперболического параболоида, то есть дважды линейчатых поверхностей: через любую их точку можно провести две пересекающиеся прямые, которые будут целиком принадлежать поверхности.
Вдоль этих прямых и устанавливаются балки, образующие характерную решетку. Такая конструкция является жесткой: если балки соединить шарнирно, она все равно будет сохранять свою форму под действием внешних сил.
Шуховская башня на Оке состоит из пяти 25метровых секций, по форме являющихся однополостными гиперболоидами вращения. Секции опоры сделаны из прямых профилей, упирающихся концами в кольцевые основания. На верхней секции установлена опорная конструкция с горизонтальной стальной траверсой длиной 18 метров для крепления трех высоковольтных проводов.
Сохранившиеся чертежи Шуховской башни на Оке
Придуманная и впервые разработанная Шуховым, такая конструкция предполагает малое количество материала для постройки, но при этом дает низкую ветровую нагрузку при высокой прочности и большой высоте.
Шуховская башня на Оке — не только памятник архитектуры, но и памятник смелости инженерной мысли, история и память, запечатленные в стали!
Процесс создания каркаса секции
Как шла работа над воссозданием башни в nanoCAD Конструкторский BIM
Работа с nanoCAD Конструкторский BIM позволила осмыслить наследие прошлого, понять, как проектировалось и воплощалось уникальное сооружение.
Фотографии и два чертежа
Нам удалось найти всего два чертежа. Один — чертеж нашей башни. В нем содержалась вся информация, достаточная для построения предварительного каркаса и основных элементов конструкции: размеры секций, размеры и количество профилей. Но не было ничего о верхней конструкции и траверсе. Эту информацию мы нашли на втором чертеже, который относился к не сохранившейся 68метровой башне. Конструкцию колец основания секций пришлось строить по фотографиям с учетом некоторых данных из чертежа. Также по фотографиям создавались узлы крепления конструкции и другие элементы, которых нет на чертеже общего вида.
Как построить одну секцию башни...
Очень хотелось прикоснуться к этому чуду инженерной мысли. Поначалу нас просто пугала сложность конструкции башни Шухова. Но, приступив к работе, мы разбили проект на небольшие понятные задачи и, последовательно решая одну за другой, постепенно пришли к поставленной цели. nanoCAD Конструкторский BIM показал себя как надежный и умный помощник.
Главной задачей проекта стало построение модели, которая максимально соответствовала бы реальной конструкции в принципиально важных моментах — в конструкции секции, а точнее в проработке наклонных образующих профилей.
Построение соединительных профилей
Наиболее сложным и интересным было построить одну секцию, а значит понять все особенности профилей секций, образующих гиперболоидную конструкцию. При построении скелета конструкции использовались простые примитивы наподобие отрезков и окружностей с нулевой толщиной. Это простая задача, которая сразу позволила визуализировать гиперболоидную конструкцию и уже на этом этапе дала довольно впечатляющий результат.
Моделирование образующего профиля
Однако дальше надо было задать отрезкам форму, учитывая, что эта форма — уголок с определенным положением в пространстве и ориентацией граней. Оказалось, что простая балка не может быть положена на отрезок так, чтобы в обоих основаниях получился требуемый узел. Более того, визуально пересекающиеся отрезки в каркасной модели имеют идеальное касание в одной точке, но в объемной модели уголки образуют жесткие коллизии друг с другом.
После детального изучения вопроса подтвердились догадки о том, что каждый профиль, являясь прямым, тем не менее торсионно завинчивается вдоль оси. Это позволяет полке профиля подходить к обоим основаниям по касательной, а с пересекающимися профилями соприкасаться полками — между пересекающимися профилями дополнительно вставлена пластина, компенсирующая незначительную взаимную непараллельность соприкасающихся полок.
В результате решено было использовать два способа: выдавливание по спиральной траектории и выдавливание с переходом. Первый способ потребовал довольно трудоемкой подготовки: следовало правильно расположить сечение выдавливания относительно начала профиля, что весьма нетривиально, и задать спираль выдавливания, которая имеет большую длину, но при этом в ней нет даже четверти витка. Второй способ дал практически моментальный результат: указываешь начальный профиль сечения у нижнего основания, конечный профиль у верхнего основания — и вуаля, профиль завинчен! Построение остальных секций — дело техники.
Сборка конструкции
...и как соединить секции между собой
Второй важной задачей стало построение узлов соединений, для чего требовалось обеспечить точные количественные показатели: метраж, крепеж и другие.
При кажущейся простоте конструкции в ней достаточно много необычных элементов. Это гнутые профили в кольцах оснований, завинчивающиеся профили, образующие гиперболическую конструкцию, составные профили.
При моделировании верхней конструкции с траверсой приходилось часто менять ПСК и внимательно следить за многочисленными элементами конструкции, образующими паутину. Сама траверса требовала пристального внимания буквально к каждому профилю.
В работе над моделью башни такие, казалось бы, нехитрые инструменты, как сетка осей, круговой массив, деление отрезка на равные части, позволили за считанные минуты отстроить каркас. А база данных элементов, конструктор оборудования и выдавливание по криволинейной траектории так же быстро превратили каркас в объемную конструкцию, позволив в подробностях увидеть каждый элемент сопряжения, проработать десяток черновых вариантов, рассмотреть свои ошибки и практически сразу исправить их. Имея в руках такой удобный инструмент, как nanoCAD Конструкторский BIM, сложно представить, как инженеры начала прошлого века создавали подобные проекты на бумаге.
Что дальше
Этот проект дал импульс развитию и оптимизации самой программы nanoCAD Конструкторский BIM. Все задачи, которые были поставлены на первом этапе создания модели Шуховской башни, решены. Сейчас в модели еще нет некоторых узлов крепления элементов конструкций между собой, но работа над ее созданием продолжается и будет доведена до конца.
Часть этих задач дала разработчикам понимание, в каком направлении нужно вести работы над улучшением инструментов nanoCAD Конструкторский BIM и расширением его функциональности. Например, мы обратили внимание на завинчивание прямолинейных элементов из базы данных.
Работа в nanoCAD Конструкторский BIM — это возможность развивать и поддерживать инновационные решения в проектировании, изучать, хранить и применять опыт предшественников уже на новом уровне. Полет инженерной мысли соединяет времена и вдохновляет на творчество, а потенциала конструкций В.Г. Шухова хватит еще на много лет вперед!
