206.

...ten wzorzec jest uzupełnieniem wzorca KONSTRUKCJA WYNIKA Z PRZESTRZENI SPOŁECZNYCH (205). Tamten określa związek między przestrzeniami społecznymi a konstrukcją, ten zaś — taki rodzaj konstrukcji, który jest dyktowany względami czysto inżynierskimi. Jak się przekonasz, wzorzec ten jest zgodny z poprzednim i pomaga go tworzyć.

  Inżynierowie mówią zazwyczaj, nie ma odpowiedzi na to pytanie. Zgodnie z obecną praktyką inżynierską najpierw należy dokonać arbitralnego wyboru spośród możliwych podstawowych systemów i dopiero wówczas, korzystając z teorii i obliczeń, można określić wielkości elementów w ramach wybranego systemu. Ale podstawowego wyboru — przynajmniej zgodnie z panującymi dogmatami — nie można dokonać na podstawie teorii.

  Każdemu człowiekowi o umyśle badawczym wyda się to wręcz nieprawdopodobne. To, że tak ważna decyzja, jak wybór pomiędzy systemem słupowo-belkowym, systemem ścian nośnych i systemem sklepień, zależy jedynie od kaprysu i że nie można nawet brać pod uwagę niezliczonych kroci możliwych systemów mieszanych, leżących pomiędzy tymi archetypami — to wszystko wiąże się raczej ze statusem dostępnej teorii niż z jakimiś wnikliwymi przemyśleniami.

  Wątpliwości te są uzasadnione. Postaramy się wykazać, iż archetypowym, najlepszym rozwiązaniem problemu racjonalnego rozkładu konstrukcyjnego budynku jest takie, które leży pomiędzy tymi trzema sławnymi archetypami. To system ścian nośnych, podtrzymywanych w niedużych odstępach przez pogrubione usztywnienia, takie jak słupy, i przekrytych systemem sklepień.

  Charakterystykę nałbardziej racjonalnej struktury przedstawimy w trzech etapach. Najpierw opiszemy trójwymiarowy charakter typowego systemu pomieszczeń i przestrzeni w budynku. Następnie zdefiniujemy racjonalną konstrukcję jako najmniejszą i najmniej kosztowną ilość materiału nego w sposób stabilny w pasie pomiędzy pomieszczeniami, który może przenieść ciężar własny oraz obciążenia wynikające z użytkowania pomieszczeń. Na koniec omówimy szczegóły charakteryzujące racjonalny układ konstrukcyjny¹.

  Żeby go opisać, wychodząc od podstawowych rozważań, przeanalizujemy najpierw typowe kształty pomieszczeń — KSZTAŁT PRZESTRZENI WEWNĘTRZNEJ (191), a następnie pokażemy, jaki wynika stąd nałbardziej racjonalny układ konstrukcji budynku:

  1. Granicę każdej przestrzeni, widzianej w planie, tworzą odcinki, które zasadniczo są liniami prostymi, choć nie muszą być idealnie proste.

  2. Wysokości przestrzeni w budynku różnią się od siebie w zależności od funkcji społecznych tych przestrzeni. W uproszczeniu: wysokość pomieszczenia zależy od wielkości powierzchni jego podłogi — większe pomieszczenia są wyższe, małe — niższe (ZRÓŻNICOWANA WYSOKOŚĆ POMIESZCZEŃ (190)).

  3. Krawędzie przestrzeni są zasadniczo pionowe mniej więcej do wysokości głowy, to znaczy do poziomu około 180 centymetrów. Powyżej tej wysokości granice przestrzeni mogą na nią zachodzić. W zwykłym pokoju górne narożniki między ścianami a sufitem nie pełnią żadnej funkcji i dlatego nie ma sensu uważać ich za istotną część przestrzeni.

  4. Każda przestrzeń ma poziomą podłogę [!].

  5. Budynek można więc określić jako upakowanie wielościennych przestrzeni, z których każda przypomina w przekroju pszczeli ul i ma wysokość zależną od wielkości.

  Jeżeli stosujemy się do zasad wzorca KONSTRUKCJA WYNIKA Z PRZESTRZENI SPOŁECZNYCH (205), możemy założyć, że ten trójwymiarowy układ przestrzeni musi pozostać nienaruszony i nieprzerwany przez elementy konstrukcyjne. To oznacza, że racjonalna konstrukcja musi polegać na takim rozplanowaniu materiałów, by wypełniały one jedynie odstępy między przestrzeniami.

  Możemy sobie przedstawić najbardziej prymitywną z takich możliwych struktur, jeśli przeprowadzimy w wyobraźni proste doświadczenie. Wykonamy bryłki wosku odpowiadające każdej przestrzeni, jaka znajdzie się w budynku, i tworzymy z nich trójwymiarowy układ, pozostawiając przerwy między wszystkimi sąsiadującymi ze sobą bryłkami. Następnie zalewamy cały zestaw bryłek jakąś „płynną masą konstrukcyjną”, tak żeby zupełnie pokryła całość i wypełniła wszystkie przerwy. Pozwalamy, by masa stwardniała, po czym wytapiamy cały wosk, który przedstawiał przestrzenie. To, co pozostało, jest w na)bardziej ogólnym zarysie konstrukcją budynku.

  Oczywiście taka urojona konstrukcja, wykonana z płynnej masy konstrukcyjnej, nie jest rzeczywista. A poza tym jest raczej nieekonomiczna — wykonana w skali budynku, wymagałaby użycia dużej ilości materiału. Teraz musimy zadać sobie pytanie, jak wykonać konstrukcję podobną do opisanej w naszym eksperymencie, ale zbudowaną z jak najmniejszej ilości materiału. Jak zobaczymy, najbardziej racjonalna będzie konstrukcja ściskana, w której zginanie i rozciąganie są zredukowane do minimum, oraz konstrukcja ciągła, w której wszystkie elementy są ze sobą sztywno połączone tak, że każdy z nich przenosi przynajmniej część naprężeń wywołanych przez jakikolwiek rodzaj obciążenia.

  1. Konstrukcja ściskana. W racjonalnej konstrukcji chcemy, żeby każdy kilogram materiału przyczyniał się do zwiększenia jej nośności. A konkretnie, by naprężenia rozkładały się w materiale równomiernie w każdym centymetrze sześciennym. Tego wymogu nie spełnia na przykład zwykła drewniana belka. Największe naprężenia występują w górnej i dolnej części belki; na jej środkową część oddziałują tylko bardzo małe naprężenia, ponieważ w odniesieniu do rozkładu naprężeń jest tu zbyt dużo materiału.

  Możemy ogólnie powiedzieć, że w elementach, które podlegają zginaniu, zawsze następuje nierównomierny rozkład naprężeń. Naprężenia mogą się równomiernie rozkładać w materiale tylko wtedy, kiedy w konstrukcji w ogóle nie występuje zginanie. Krótko mówiąc, w doskonale racjonalnej konstrukcji nie może występować zginanie.

  Istnieją tylko dwa rodzaje konstrukcji, w których całkowicie unika się zginania: konstrukcje wyłącznie rozciągane i konstrukcje wyłącznie ściskane. Chociaż konstrukcje wyłącznie rozciągane są interesujące z teoretycznego punktu widzenia i odpowiednie do szczególnych zastosowań, to jednak względy opisane w DOBRYCH MATERIAŁACH (207) decydują o tym, że należy je odrzucić, ponieważ materiały potrzebne do ich wykonania są kosztowne i trudne do zdobycia, podczas gdy niemal wszystkie materiały są odporne na ściskanie. Należy szczególnie wziąć pod uwagę to, że zasoby drewna i stali, dwóch podstawowych materiałów odpornych na rozciąganie, są niewystarczające i mogą — ze względów ekologicznych — przestać być używane w dużych ilościach [zobacz znowu DOBRE MATERIAŁY (207)].

  2. Konstrukcja ciągła. W racjonalnej kon$rukcji prawdziwe jest nie tylko stwierdzenie, że naprężenia rozkładają się równomiernie w pojedynczych elementach, po ich obciążeniu. Prawdą jest również to, że konstrukcja działa jako całość.

  Rozważmy przykład kosza. Pojedyncza witka wikliny jest słaba. Sama nie wytrzyma dużych obciążeń. Ale kosz ma taką zmyślną konstrukcję, że wszystkie witki współpracują ze sobą przy przenoszeniu nawet najmniejszego obciążenia. Jeśli w jednym miejscu naciśniesz kosz palcem, wszystkie witki — nawet te najbardziej oddalone od miejsca nacisku — współpracują, żeby przenieść obciążenie. Ponieważ cała konstrukcja pracuje jako całość, aby przenieść obciążenie, żadna jej część z osobna nie musi być bardzo mocna.

  Ta zasada ma szczególne znaczenie w takiej konstrukcji jak budynek, który musi wytrzymać różnorodne warunki obciążenia. W pewnej chwili silny wiatr wieje w jednym kierunku; w innym momencie budynkiem wstrzasa trzęsienie ziemi, w późniejszych latach nierównomierne osiadanie powoduje zmianę rozkładu ciężaru własnego elementów, ponieważ niektóre fundamenty osiadają głębiej niż inne; i oczywiście, w czasie kiedy budynek jest używany, ludzie i meble stale się przemieszczają. Gdyby każdy element miał być wystarczająco silny, by samodzielnie przenosić maksymalne obciążenie, któremu może być poddany, musiałby być niezmiernie duży.

  Kiedy jednak budynek jest ciągły, jak kosz, tak że każda z jego części pomaga przenieść nawet najmniejsze obciążenie, wówczas oczywiście nieprzewidywalny charakter obciążeń w ogóle nie stwarza trudności. Elementy konstrukcyjne mogą być całkiem nieduże, ponieważ niezależnie od wielkości obciążeń działających w budynku, ciągłość jego struktury zapewni rozłożenie tych obciążeń na wszystkie elementy konstrukcyjne i budynek będzie działał jako całość, by je przenieść.

  Ciągłość budynku zależy od połączeń między jego elementami: od rzeczywistej ciągłości materiału i od kształtu. Bardzo trudne, prawie niemożliwe jest wykonanie ciągłych połączeń między różnymi materiałami w ten sposób, by obciążenia przekazywane były równie skutecznie jak w materiale ciągłym. Dlatego istotne jest, by cały budynek został wykonany z jednego materiału, który rzeczywiście będzie ciągły od elementu do elementu. Kształt połączeń między elementami także ma zasadnicze znaczenie. Kąty proste stwarzają warunki do powstawania nieciągłości — siły mogą rozkładać się w całym budynku tylko wtedy, kiedy wprowadzi się ukosy na krawędziach styku: ściany z sufitem, ścian ze ścianami, słupów z belkami.

  Jeżeli założymy, że racjonalny budynek będzie miał konstrukcję zarówno ściskaną, jak i ciągłą, możemy wnioskować, jakie będą główne morfologiczne cechy jego struktury.

  1. Wszystkie sufity, stropy i pokoje muszą być sklepione. To oczywiste. Jedynie kształt kopuły czy sklepienia pracuje wyłącznie na ściskanie. Stropy i dachy mogą zachować ciągłość ze ścianami tylko wtedy, gdy są zakrzywione w dół przy krawędziach. Kształt przestrzeni społecznych także bezpośrednio do tego zachęca — przecież trójkąt przestrzeni pomiędzy ścianami a sufitem nie służy żadnym celom użytkowym, jest naturalnym miejscem na materiał konstrukcyjny.

  2. Wszystkie ściany muszą być nośne. Każda nienośna ściana działowa wyraźnie przeczy zasadzie ciągłości, w myśl której wszystkie cząstki budynku uczestniczą w przenoszeniu obciążeń. Co więcej, słupy, między którymi znajduje się działowa ściana nienośna, wymagają ukośnych stężeń. Ściana zapewnia takie wzmocnienie w sposób naturalny. Ciągłość ścian, stropów i sufitów można uzyskać tylko przez działanie ściany, która wiąże je wszystkie ze sobą.

  3. Na swej długości ściany muszą być usztywnione w regularnych odstępach pilastrami. Jeżeli ściana ma się składać z określonej ilości materiału, to będzie pracować najefektywniej, kiedy ten materiał zostanie rozłożony niejednorodnie, tak by powstały pionowe żebra. Tak zbudowana ściana nie ulega wyboczeniom — w większości wypadków nośność ścian na ściskanie może być, ze względu na grubość, wykorzystana tylko pod warunkiem zastosowania żeber-pilastrów zobacz wzorzec OSTATECZNE ROZMIESZCZENIE SŁUPÓW (213). Poprawia to także wytrzymałość ściany na obciążenia poziome, ponieważ w tym wypadku usztywnienia pionowe zachowują się jak belki.

  4. Wszystkie połączenia między ścianami a stropami oraz między dwiema ścianami muszą zostać pogrubione przez dodanie materiału, który utworzy wyokrąglenie wzdłuż linii łączenia. Ze względu na ciągłość połączenia są najsłabszymi punktami, a zwłaszcza połączenia pod kątem prostym. Jednak ze wzorca KSZTAŁT PRZESTRZENI WEWNĘTRZNEJ (191) wiemy, że nie można uniknąć prostych kątów tam, gdzie ściany stykają się ze ścianami; a oczywiście muszą być również mniej więcej proste kąty tam, gdzie ściany stykają się ze stropami. Aby przeciwdziałać negatywnym efektom kąta prostego, konieczne jest „wypełnienie” tego kąta materiałem. Ta zasada zostanie rozwinięta we wzorcu POŁĄCZENIA SŁUPÓW (227).

  5. Otwory w ścianach muszą mieć pogrubione krawędzie i być zaokrqglone w górnych narożnikach. To wynika bezpośrednio z zasady ciągłości i zostanie dokładnie omówione we wzorcu RAMY JAKO POGRUBIONE KRAWĘDZIE (225).

  Dlatego:

  Układ wewnętrznych sklepień jest podany we wzorcach UKŁAD KONDYGNACJI I STROPÓW (210) i SKLEPIENIA STROPOWO-SUFITOWE (219), a ukształtowanie zewnętrznych sklepień, które tworzą dach, omówiliśmy we wzorcach UKŁAD DACHÓW (209) i SKLEPIENIA DACHOWE (220). Rozkład usztywnień, które tworzą ścianę, przedstawiono we wzorcu OSTATECZNE ROZMIESZCZENIE SŁUPÓW (213). Układ pogrubień w miejscach, gdzie ściany spotykają się z innymi ścianami, podano we wzorcu SŁUPY W NAROŻNIKACH (212), natomiast pogrubienia miejsc, gdzie ściany stykają się ze sklepieniami we wzorcu BELKI OBWODOWE (217). Konstrukcję słupów i ścian przedstawiono we wzorcach SŁUPY SKRZYNKOWE (216) i MEMBRANA ŚCIENNA (218). Informacje na temat pogrubienia krawędzi otworów okiennych i drzwiowych znalazły się we wzorcu RAMY JAKO POGRUBIONE KRAWĘDZIE (225), a o nieprostopadłych połączeniach między słupami i belkami — we wzorcu POŁĄCZENIA SŁUPÓW (227)...