Archivolta 4(60)2013 4/2013 s. 42-47

Strukturalna skra form swobodnych Semi-monocoque i monocoque Structural skin of free forms Semi-monocoque and monocoque, Krystyna Januszkiewicz WA Politechnika Poznaska

Sowa kluczowe: architektura, projektowanie cyfrowe, strukturalna skra, formy swobodne. powierzchnie Semi-monocoque, monocoque Keywosds: architecture, digital design, digital surface, structural skin, free-forms. semi-monocoque, monocoque Streszczenie Do urzeczywistnienia projektu cyfrowego potrzebne jest techniczne opanowanie materiau, gdy nowe rozwi-zania geometryczne czsto otwieraj drog do poszukiwa nowych materiaw i vice versa. Wymusza to ustale-nie relacji midzy geometri form swobodnych a materiaem. Wirtualna powierzchnia swobodna narzuca takie rozwizania techniczne i materiaowe, ktre kwestionuj dotychczasow logik mylenia o budynku. Chodzi tu o zasad czenia konstrukcji nonej i skry w jeden tektoniczny element. Taka strukturalna skra, nie tylko implikuje nowe materiay, ale take geometri krzywych i fad, ktre bd w stanie utrzyma cigo skry i wyeliminuj system dodatkowych podpr. Strukturalna skra to zintegrowanie powierzchni i struktury w jedno. Strukturalne skry albo skorupy zwane monocoque i semi-monocoque udoskonalay si wraz z rozwojem przemysu lotniczego i samochodowe-go. Na pocztku XXI w. nastpuje integracja rnych gazi przemysu i transfer technologii do architektury okaza si nieunikniony. Adaptujc takie rozwizania, architekci ponownie rozwizuj problemy zalenoci midzy porzdkiem geometrycznym a zoonoci strukturaln formy. Na przykadzie zrealizowanych obiektw przedstawia si rnorakie strategii czenia struktury i skry w jeden tektoniczny element samonony.

Abstract For the realization of a digital project, technical mastery of the material is needed, as new geometric solutions often pave the way for exploration of new materials and vice versa. This forces to determine a relationship between the geometry of free forms and the material. Virtual free surface imposes such technical solutions and materials which question the current logic of thinking about a building. This is about the principle of combining the load bearing structure and the skin into one tectonic element. Such a structural skin not only implies new materials, but also the geometry of curves and folds that will be able to maintain the continuity of the skin and will eliminate the system of additional supports. The structural skin is the integration of surface and structure into one. The structural skins or shells, called monocoque and semi-monocoque, have improve with the development of the aerospace and automotive industries. At the beginning of the twenty-first century, an integration of different branches of industry took place. As a result, transfer of technology to architecture proved to be inevitable. By adopting such solutions, architects are again resolving the problems of the relationship between geometric order and structural complexity of forms. The executed objects are examples of various strategies of combining the structure and the skin into one tectonic self-supporting element.

Nowa architektura, wyaniajca si z cyfrowej rewolucji technologicznej znajduje ekspresj w krzy-woliniowych formach swobodnych o wysokim stopniu zoonoci. Wielo podej i postaw twr-czych sugeruje rnorakie intencje projektantw. A to co ich czy, nie jest li tylko pragnieniem projektowania krzywoliniowych form, lecz chci wykorzystywania technologii cyfrowych do inte-gracji zamysu twrczego z jego realizacj w sposb, ktry jest bezprecedensowy od czasu rednio-wiecznych mistrzw budowlanych. Architektury nie mona ju projektowa jako formy dla funkcji, formy ktra na etapie projektu koncepcyjnego zajmuje si tylko sama sob, a dopiero w dalszych fazach projektu rozwizywane s jej aspekty inynierskie. Projektowanie z uyciem narzdzi cyfro-

Archivolta Publishing House Michal Stepien

wych wymaga aby forma, konstrukcja i materia byy obecne w projekcie od najwczeniejszych jego etapw wzajemnie na siebie wpyway i wzajemnie z siebie wynikay.

Do urzeczywistnienia projektu potrzebne jest techniczne opanowanie materiau, gdy nowe roz-wizania geometryczne czsto otwieraj drog do poszukiwa nowych materiaw i vice versa. Wymusza to ustalenie relacji midzy now geometri a nowymi materiaami. Powierzchnia wirtualna narzuca takie rozwizania techniczne i materiaowe, ktre kwestionuj logik modernistycznego mylenia o budynku. Chodzi tu o zasad czenia konstrukcji nonej i skry w jeden tektoniczny element. Taka strukturalna skra, nie tylko implikuje nowe materiay, ale take geometri krzywych i fad, ktre bd w stanie utrzyma cigo skry i wyeliminuj system dodatkowych podpr. W oczekiwaniu na odpowiednie materiay dla architektury siga si zatem po metody i materiay sto-sowane w przemyle lotniczym, stoczniowym i motoryzacyjnym. Reaktywowane s take struktury membranowe i pneumatyczne (ptarz: AV 3/2013). Prekursorska budowla Prekursorsk budowl monocoqow jest Statua Wolnoci w Nowym Jorku, dar rzdu francuskiego dla USA w stulecie uchwalenia Deklaracji Niepodlegoci. Pomnik wykonany zosta we Francji i przekazany w 1884 ambasadorowi amerykaskiemu w Paryu, a nastpnie przetransportowany zosta przez Atlantyk. Jest to dzieo francuskiego rzebiarza Frdrica Auguste'a Bartholdiego (1834-1904). Przedstawia posta kobiec trzymajc w prawej doni pochodni, a w lewej za tablic, na ktrej umieszczona jest data uzyskania niepodlegoci przez Stany Zjednoczone. Posta ta ma wysoko 46,6 m, a jej obwd w talii wynosi 11 m przy wadze 229 ton. Wewntrz znajduj si trzy cigi spiralnych schodw. Dwa z nich prowadz do platformy widokowej na wysokoci korony wieczcej, a trzeci do balkonu wok pochodni. Wzniesienie tak okazaego pomnika byo na owe czasy nie lada wyzwa-niem. Chodzio bowiem nie tylko o podzia na segmenty do transportu i ich monta na postumencie o wysokoci 47 m, ale take o konstrukcj zapewniajc stabilno posgu oraz uzyskanie moliwie najmniejszego jego ciaru. Istotne byo take otrzymanie cigoci powierzchni zewntrznej. Zlecenie na opracowanie inynierskie otrzyma Gustave Eiffel (1832-1923) znany ju konstruktor stalowych mostw ukowych. Zrealizowany w 1877 przez firm Eiffel & Cie most Maria Pia przez rzek Douro osign rozpito uku 352 m pobijajc wczesne rekordy. Rozwizanie przyniosy stalowe tamy mocowane od wewntrz, bezporednio do rzebiarz-skiej obudowy z miedzi i zintegrowane poprzez system stalowych belek rozporowych z samonon konstrukcj schodw. Po wykonaniu testw na modelach w mniejszej skali okrelono ukad tam tak, aby kada tama, w ukadzie poziomym i pionowym, znajdowaa najlepsz pozycj pod wzgldem przenoszonych obcie. Dziki temu rozwizani moliwe byo nie tylko precyzyjne zespolenie segmentw posgu ale take wsppraca dwch rnych materiaw, co znacznie obniyo ciar rzeby. Maszyny atajce i dynamiczne auta Strukturalne skry albo skorupy zwane monocoque i semi-monocoque udoskonalay si wraz z rozwojem przemysu lotniczego i samochodowego. Ich francuska nazwa (coque muszla) przyja si w latach 30. XX w., gdy przemys lotniczy uruchomi szersz produkcj nowych, wytrzymaych i lekkich kadubw. Chodzi o udoskonalon metod konstrukcyjn zapocztkowan w latach 1909-1912 w produkcji jednoosobowych samolotw sportowych Deperdussin Monocoque. Zainspirowany wwczas przelotem kanau La Manche przez Louisa Blriota, francuski przedsibiorca Armand Deperdussin zaoy firm Aroplanes Deperdussin, ktrej pierwsze hangary stany w 1909. W tym samym roku pozna znakomitego inyniera Louisa Bchereau, ktremu powierzy stanowisko dyrek-tora technicznego swojej firmy. Bchereau by odpowiedzialny za konstrukcj wszystkich maszyn powstaych w tej wytwrni. Jednoosobowy samolot Deperdussin Monocoque by redniopatem z pojedynczymi skrzydami krytymi ptnem. W budowie samolotw zastosowano skorupowy kadub, std te nazwa monocoque. Modelujc ebra kaduba na drewnianej formie uzyskiwano lekk, mocn i aerodynamiczn konstrukcj. Samolot by tani i prosty. W tym samym roku zacza si jego produk-cja seryjna. W 1911 zmieniono nazw firmy na Socit Pour Avions Deperdussin (SPAD). W kocu roku zosta zbudowany dwumiejscowy samolot, ktry otrzyma oznaczenie Deperdussin B. Mg on rozwija prdko nawet do 160 km/h. Samoloty te byy uywane w pocztkowym okresie I wojny wiatowej jako samoloty rozpoznawcze.

Strukturalna skra to zintegrowanie powierzchni i struktury w jedno. Pocztkowo struktur monocoque stanowiy wrgi z drewna, profilowane odpowiednio do ksztatu kaduba, ktre pokry-wano tkanin, arkuszami sklejki, blachy, budujc rodzaj skorupy. W 1916 francuska firma lotnicza LFG rozpocza t metod produkcj samolotw Roland C.II, wykonujc z drewna klejonego ele-menty strukturalne i powierzchni kaduba, dziki czemu samolot okaza si bardziej wytrzymay ni zakadano. Stopniowo drewno zastpowano komponentami z metali lekkich, jak duraluminium. Tak metod zastosowa Buckminster Fuller i zaprojektowa w 1928 pierwszy w historii moto-ryzacji samochd o konstrukcji monocoque i o opywowym ksztacie, ktry nazwa Dymaxion Car. Nazw Dymaxion utworzy Fuller od sw dynamic i maximum efficiency, ktrych znaczenie to dyna-mika i maksimum wydajnoci1. By to rewolucyjny, wwczas samochd, ktrego ksztat wynika ze studiw w tunelu aerodynamicznym. Tego rodzaju badania nie byy wtedy tak oczywiste jak dzisiaj2. Prototyp Dymaxion Car wykonano w 1933 w fabryce Bridgeport. W produkcji seryjnej auto miao by wykonane ze stopw metali lekkich i plastiku. Ten trjkoowy pojazd mieci 11 pasaerw i kierow-c. Zastosowano tylny napd, dziki czemu auto rozwijao prdko do 190 km/h, zuywajc przy tym 1 litr benzyny na 12 km (8,3 l/100 km). Promie skrtu mieci si w dugoci pojazdu. Auto byo wtedy niezwykle ekonomiczne i lekkie. W 1934 wyprodukowano tyko krtk seri tego modelu. Wacicielem Dymaxion Car No. 3 by Leopold Stokowski, ktry przekaza auto Muzeum Automobili w Rino (Nevada). W 1943 Fuller na zamwienie przemysowca Henry Kaisera przygotowa now wersj Dymaxion Car ju o trzech silnikach nowej generacji, chodzonych przez pd powietrza. Model ten take nie by produkowany w seriach komercyjnych3. Do dzi samochd ten stanowi rdo inspiracji dla projektantw.

Monocoque rozpowszechniy si take w przemyle motoryzacyjnym, gdy w 1934 Citron zapre-zentowa swj pierwszy seryjny samochd o samononym nadwoziu (7CV Traction Avant). W latach 80. XX w. zesp McLarena rozpocz budow monocoque z wkien wglowych kompo-zytowego materiau dwa razy wytrzymalszego od stali i piciokrotnie lejszego. Transfer do architektury Wysokie wymagania przemysu lotniczego, samochodowego i okrtowego wymusiy udoskonalenia narzdzi cyfrowych w zakresie modelowania, szybkiej wizualizacji i manipulacji plikami graficznymi oraz sprawne uaktualnianie zmian. Przemys motoryzacyjny wprowadzi wiele usprawnie w mode-lowaniu prototypw i produkcji masowej. Osignito, przy duej zoonoci produktu, optymaln dokadno pasowania oraz szybko kompletacji. Techniki te okazay si inspirujce dla architektw, zwaszcza te procesy, ktre koordynuj i cz ze sob projektowanie, konstruowanie i wykonawstwo.

W przeszoci architekci czsto korzystali z dowiadcze, technik i technologii wypracowanych w innych domenach projektowania, budowania i konstruowania.

Statki, podobnie jak budynki, s obiektami o znacznej zoonoci. Jeli chodzi o rozmiar i uytko-wanie s wystarczajco podobne by da podstawy do porwna i transferu technologii. Na przykad, Andrea Palladio, projektujc dach Bazyliki na Piazza dei Segniori w Vicenzie (1617) jako odwrcony kadub odzi, korzysta z ekspertyz budowniczych okrtw. Przystpujc do jego budowy, sprowadzi z Wenecji dowiadczonych szkutnikw. Przez stulecia podpatrywano rozwizania okrtowe, by stoso-wa je w architekturze.

W XX w. niektre z tych zasad zaczto stosowa w przemyle samochodowym i lotniczym, a zau-fanie do budowniczych statkw przetrwao do dzi. Dom, ktry byby zbudowany jak samolot, z lek-kich substytutw kamienia, cegy i drewna sta si jednym z postulatw, jakie przedstawi Antonio SantElia (18881916) w wizjonerskim projekcie Citta Nuova (1914).

Le Corbusier, projektujc Maisons Citrohan (19191922), uwaa, e domy musz by wykonywa-ne przez maszyny w fabryce i skadane tak jak Ford skada samochody na tamach. Projektujc dom tak jak automobil, odchodzi si od architektury akademickiej4. W Vers une Architeckture (1923)

1 W 1927 B. Fuller zaoy w Nowym Jorku 4-D Company po to, eby projektowa artefakty i prowadzi prace badawcze nad now wizj ycia na Ziemi. Tu powstay projekty okrelane wsplnym mianem Dymaxion World, a opisane pniej w ksice Critical Path (1981). 2 Pierwsze laboratorium aerodynamiczne zbudowa G. Eiffel (18321923) w poowie XIX w. 3 Por. M. Pawley, Buckminster Fuller, Designing for Mobility, New York 1990, s. 68. 4 Por. R. Bnaham, Rewolucja w architekturze, Wyd. Art. i Film., Warszawa, 1979, s. 271272.

Le Corbusier odnosi si bezporednio do statkw, samolotw i samochodw, wskazujc na ich zalety, ktre powinny cechowa dom czowieka epoki maszynowej produkcji seryjnej. Architekci za powinni budowa swoje domy w fabrykach samolotw i samochodw takimi samymi metodami konstrukcyjnymi, z takim samym lekkim szkieletem, usztywnieniami metalowymi i podporami rurowymi. Wypowiedziane wtedy sowa Le Corbusiera s dzi znamienne: Domy z lekkich tworzyw, elastyczne i stabilne jak karoseria auta lub kadub samolotu, s w zamierzeniu pomysowe oferuj wygody, ktrych mdry czowiek mgby sobie tylko yczy. Aby mieszka w takim domu trzeba mie umys mdrca, oywiony przez LEsprit Nouveau. Nadejdzie pokolenie, ktre bdzie wiedziao jak mieszka w Maisons Voisine5.

Le Corbusier nigdy swojej wizji nie zrealizowa. Fuller za skorzysta z okazji, gdy po II wojnie wiatowej przystosowywano przemys lotniczy do produkcji jednostek mieszkalnych. W 1944 zgosi projekt Witchita House, ktry by rozwiniciem koncepcji schronienia Dymaxion House (1927)6. By to pierwszy w historii architektury dom zaprojektowany i zbudowany w technologii, w jakiej wytwa-rzano samoloty.

Na pocztku XXI w. nastpuje integracja rnych gazi przemysu , a architekci, wytwrcy i wy-konawcy, oferujc swoje usugi, musz koncentrowa si na cyfrowych technologiach projektowania, analizach, wytwarzaniu i montau. Transfer tych technologii do architektury okaza si nieunikniony. To nowe podejcie do projektowania i wytwarzania najlepiej realizuj architekci Kolatan and Mac Donalds w projekcie rozbudowy domu rodziny Raybouldw w Connecticut (2003). Struktur stanowi armatura z drewna, ktr nastpnie spryskano pian poliuretanow. Rezultatem jest struktura monocoque, ktra jest samonona, take bez jej drewnianych komponentw, a ktre jednak powinny pozosta. Innym przykadem jest biomorficzna forma w siedzibie DG Banku (19962001) w Berlinie, pro-jektu Gehryego. Pofadowana, o gadkiej powierzchni forma przypomina, jak chce architekt, kosk gow, by moe jednego z rumakw przy rydwanie wieczcym Bram Brandenbursk. W jej wn-trzu znajduje si sala konferencyjna i audytorium dla zarzdu. Arkusze stali nierdzewnej (2 4 m) o zoonej dwukrzywiznowej geometrii, jak i inne elementy wycito i gito na formach za pomoc narzdzi CNC metodami stosowanymi podczas produkcji jachtw oceanicznych7.

Zaznaczy naley, e system CAD/CAM powsta na potrzeby przemysu okrtowego, lotniczego i samochodowego. Spektakularnym przykadem jest Boeing 777 pierwszy komercyjny liniowiec, ktrego projekt i dokumentacja zostay w caoci wykonane elektronicznie na podstawie projektu sporzdzonego w 3D. Pierwszy lot tej maszyny odby si w lutym 2000.

Adaptujc takie rozwizania, architekci ponownie rozwizuj problemy zalenoci midzy porzd-kiem geometrycznym a zoonoci strukturaln formy. Future Systems zastosowa takie rozwizanie podczas realizacji opywowej formy NatWest Media Centre (1999) na Lord's Cricket Ground w Lon-dynie. Struktura semeni-monocoque wykonana zostaa z aluminium. Chodzio o wodoodporn skr z atwego w formowaniu materiau o waciwociach antykorozyjnych. Muszl uformowano (zgodnie z geometri projektu) z blach aluminiowych o gruboci 6 i 12 mm i montowano wstpnie w jednej z brytyjskich stoczni. Cao podzielono na sekcje o rozpitoci 26,3 m i przetransportowano na miejsce, gdzie poczono i podparto na elbetowych supach. Aluminiowe struktury semeni-monocoque uyli take Jakob i MacFarlane, projektujc w restauracj Le Georges w Centrum Pompidou w Paryu (2000) dla 200 osb. Elementy strukturalne byy cite z blachy aluminiowej o gruboci 10 mm przez urzdzenia CNC, powoki za wykonano z arkuszy blachy aluminiowej o gruboci 4 mm, ktr wyginano dwukrzywiznowo tradycyjnymi metodami stosowanymi podczas budowy statkw.

Mniej radykaln strategi czenia struktury i skry przyj Gehry i opracowywa podczas reali-zacji obiektw takich, jak: Muzeum Guggenheima w Bilbao (19921997), Experience Music Project (EMP) w Seattle (19962000) i Walt Disney Concert Hall w Los Angeles (19912003). EMP w Seattle skada si z szeciu czci, ktre wygldaj jak nieregularne, pofadowane bulwy bdce efektem jakiej erupcji. Kada z nich jest skorup semeni-monocoque zoon z kilku warstw. Ich struktur stanowi jakby klatki z wygitych ram stalowych. Aby dostarczy danych urzdzeniom

5 Por. Le Corbusier w: op. cit., s. 272. 6 Por. M. J. Gorman, Buckminster Fuller: Designing for Mobility, Rizzoli, New York, 2005, s. 23. 7 Patrz: K. Januszkiewicz, Frank O. Gehry, DG Bank. Parizer Platz, Berlin, Archivolta, 1/2002, s. 1627.

CNC (tncym i modelujcym), wykonawca musia sporzdzi model cyfrowy tych ram. W tym celu uy niemieckiego programu inynierskiego Bocad, ktry sprawdzi si podczas realizacji struktur semi-monocoque dla Muzeum Guggenheima w Bilbao. Najpierw klatki zostay obcignite od zewntrz siatk stalow, na ktr metod cinieniow shotcrete rozprowadzono pynn mieszank betonu. W ten sposb powstaa skorupa (rodzaj substratu) zintegrowana z ramami stalowymi. Z kadej ramy wyprowadzono dostateczn liczb wypustw potrzebnych do montau kolejnych warstw skry budowli. Do zracjonalizowania pofadowanych powierzchni uyto Gramatyk Ksztatu (Shape Gramars), aby podzieli je na prostoktne pola rnej wielkoci. Wedle tak otrzymanej geometrii bya cita blacha i skadana na panelach. Blach sprowadzano z Niemiec, kolorowano w Anglii, a przycinano i zestawiano w Kansas City, by zamontowa je w Seattle. Fragmenty, gdzie powierzchnia zostaa bardziej pofadowana, a na nawet pomita, wymagay dodatkowego podparcia. Wykonano j z lekkich stopw aluminium, tak aby byo moliwe mocowanie wygitych arkuszy blachy. Na koniec powierzchnia zostaa powleczona powok reagujc na wiato i odporn na zmiany pogodowe.

Formy realizowane w Bilbao i w Los Angeles byy rezultatem twrczej wyobrani architekta roz-wijanej w poprzednich trzech dekadach. EMP za projektowa Gehry pod wpywem nowych bodcw, jakie dostarczyy mu rzeby w kamieniu wykonane przez burgundzkiego artyst Clausa Skutera, a zwaszcza kaptury mnichw na sarkofagu Filipa miaego w Dijon. Aby je odtworzy w wikszej skali, Gehry musia wprowadzi ruch taki, jaki widoczny jest w formach morskich fal i ciaach ryb, albo przeciwstawi elastyczn membran wodzie wydobywajcej si spod powierzchni ziemi8.

Proces, w ktrym najpierw powstaje powierzchnia, a potem szuka si dla niej struktury, jest

praktykowany w przemyle samochodowym i lotniczym. W architekturze jest nowy i stanowi odejcie od modernistycznego prymatu logiki konstrukcji i funkcji. Podejcie Gehryego do powierzchni jest blisze tradycyjnemu jej pojmowaniu. Eksperymenty z materiaem i powierzchni w celu zjednocze-nia struktury i skry s kontrrewolucyjne w stosunku do koncepcji Maisons Citrohan, w ktrej struktura jest niezalena od skry. Jest to powrt do koncepcji ciany nonej, ze swobod, ktrej Le Corbusier nie by w stanie sobie wyobrazi. Architekci mogliby budowa duo wicej ekscytuj-cych budowli wedug wzorca Statui Wolnoci, lecz brak jest dowiadcze i odpowiednich materiaw. Jednak zintegrowanie powierzchni i struktury zapowiada, jak sugeruje Joseph Giovannimi, kwantowy przeskok od inynierskiej elegancji do intelektualnej satysfakcji9. BIBLIOGRAFIA [1] R. Bnaham, Rewolucja w architekturze, Wyd. Art. i Film., Warszawa, 1979 [2] B. Fuller, Critical Path, St. Martin Press, 1981. [3] M. J. Gorman, Buckminster Fuller: Designing for Mobility, Rizzoli, New York, 2005 [4] K. Januszkiewicz, Frank O. Gehry, DG Bank. Parizer Platz, Berlin, Archivolta, 1/2002, s. 1627. [5] M. Pawley, Buckminster Fuller, Designing for Mobility, New York 1990.

8 F. O. Gehry w: K. Januszkiewicz, Frank O. Gehry, Experience Music Project EMP. Projekcja przeywania Muzyki w Seattle, Archivolta, 1/2001, s. 14. 9 Por. op. cit., s. 128.