W celu ukształtowania przestrzeni zgodnie z zamierzeniami i realizacją postulatów dobrej architektury, czyli: trwałości, funkcjonalności i estetyki obiektu, staramy się tworzyć nowe formy architektoniczne – obiekty budowlane, które opierają się na stabilnej konstrukcji i elementach wykończeniowych, nadających obiektom kształt i styl. Konstrukcja jest niczym innym jak sposobem łączenia elementów budowli w taki sposób, by budynek był stabilny i bezpieczny dla otoczenia oraz osób mających w nim przebywać, jest także szkieletem obiektu i często stanowi dominujący element architektury: [1], [2], [3], [4], [5], [[6], i in. Możemy wyróżnić osiem rodzajów systemów konstrukcyjnych, które są najlepszym połączeniem pomiędzy formą architektoniczną i konstrukcją [7]. Systemy zestawiono w spisie treści i krótko scharakteryzowano w  artykule.

Konstrukcje powłokowe

Konstrukcje powłokowe  (łupinowe, cienkościenne) (ang. coating structures) to cienkościenne żelbetowe lub z blach metalowych lekkie struktury nośne, które mają za zadanie przekrycia powierzchni dachowych. Zaczęto je stosować od początku XX wieku.

Charakteryzują się dużą rozpiętością i bardzo małą grubością i najczęściej obciążone są powierzchniowo. Ich powierzchnia geometryczna może być uformowana w postaci:

• jednokrzywinowo (powłoki walcowe),
• dwukrzywiznowo posto- i krzywo-kreślnie, obrotowe (kopuły)
• specjalne ( kształty na wzór parasola, jaja, muszli). 

Stosowane są do przekrywania wielkogabarytowych powierzchni np.: obiektów sakralnych, hal wystawienniczych ,hal magazynowych i przemysłowych.  Na rys.1 i 2 pokazano przykłady konstrukcji powłokowych: Centre Pompidou w Metz [8] oraz kopuła prętowa w obiekcie Złote Tarasy w Warszawie [9].

Rys.1a. Centre Pompidou-Metz, stolica Lotaryngii Francja (2010), arch. Shigeru Ban [8]

Rys.1b. Centre Pompidou-Metz, (fragment) [8]

Rys.2. Złote Tarasy , Warszawa, (2007), arch . Jerde Partnership [9]

Rys.2b. Złote Tarasy , Warszawa, (2007), (fragment) [9]

Konstrukcje membranowe

Konstrukcje membranowe ( namiotowe) głównym elementem konstrukcyjnym i powłoką dachu jest wisząca tkanina techniczna, przędzina, folia. Konstrukcje te słyną ze swojej funkcjonalności ,ponieważ pozwalają na przykrycie dużej powierzchni przy stosunkowo małej liczbie podpór. Warunkiem jest krzywiznowe wygięcie (odpowiednie ukształtowanie tkaniny ujemne lub dodatnie). Tkaniny techniczne muszą być wiotkie i przenosić tylko naprężenia rozciągające ,aby spełnić rolę elementu konstrukcyjnego [10]. Przekrycia membranowe stosowane są najczęściej w obiektach sportowych ( stadiony, wielofunkcyjne hale sportowe, korty tenisowe, baseny). Z powlekanych tkanin technicznych wykonuje się także zadaszenia obiektów użyteczności publicznej ( parkingi samochodowe, dworce kolejowe i autobusowe itp.) Tego typu materiały konstrukcyjne mogą tworzyć również elementy fasad [11]. Przykłady obiektów z przekryciem membranowym pokazano na rys. 3 i 4.

Rys.3a. Kościół Piotra i Pawła w Maassluis (2007). Pracownia Royal Haskoning Architects [12]

Rys.3b . Kościół Piotra i Pawła w Maassluis (2007) podczas montażu.  [12]

Rys. 4a. Amfiteatr Kadzielnia – Kielce, (2010) , Pracownia KS engineering [13]

Rys. 4b. Amfiteatr Kadzielnia – Kielce, (fragment ) [13]

Konstrukcje cięgnowe

Konstrukcje cięgnowe są dziś synonimem nowoczesności i ekonomiczności celowości i logiki dzieła- jako wymóg ekonomiczności i zamierzenia twórcy [14]: w budowlach wielkich przekryć pokonywania wielkich rozpiętości. Cięgno jest elementem konstrukcji , który przenosi jedynie sił y rozciągające, Przykładami cięgien w budownictwie są elementy nośne w konstrukcjach wiszących, wieszaki do podwieszania, odciągi przy wysokich konstrukcjach. Zaletami stosowania  cięgien są m,in.:  duża swoboda w kształtowaniu bryły budynku,  możliwość otrzymania dużej rozpiętość i powierzchni, mały ciężar konstrukcji, który zawdzięczamy wysokiej wytrzymałości materiału jak również występowania w  przekrojach poprzecznych cięgien ( lin) tylko naprężenia rozciągającego. Konstrukcje cięgnowe znajdują zastosowanie w takich obiektach budowlanych jak: mosty wiszące i podwieszane,– kolejki linowe i wyciągi narciarskie, napowietrzne linie energetyczne, pawilony wystawowe i hale widowiskowo- sportowe [15].

Rys.5. Most Akashi Kaikyō [16]

Na rys.5 pokazano najdłuższy most na świecie w 1998 r (3911 m) Akashi  Akashi Kaikyō [16]. Konstrukcje cięgnowe najczęściej stanowią element do mocowania membran (tkanin). Na przykład pokazane na rys. 4 przekrycie amfiteatru  Kadzielnia w Kielcach jest jednocześnie jednym z najciekawszych konstrukcji cięgnowych w Europie.

Konstrukcje kopułowe

Kopuły to powłoki obrotowe, znane i stosowane do przekrycia dużych rozpiętości są już od wieków. Kopuły przekrywają głównie budynki o kształcie kolistym, eliptycznym oraz wielobocznym. Najczęściej tworzone są poprzez obrót płaskiej krzywej wokół osi pionowej. W konstrukcjach tego typu występują różnego rodzaju siły oddziałujące: południkowe i równoleżnikowe.  Pierwsze z nich prowadzą do naprężeń ściskających w stronę południka. Drugie z kolei przyczyniają się do powstawania naprężenia ściskającego najwyższego w zworniku kopuły. Wykonywane były początkowo z kamienia i cegły, teraz są wykonywane z żelbetu lub elementów prefabrykowanych stalowe. Stosowany jest do różnego rodzaju obiektów, zarówno o charakterze przemysłowym, sakralnym oraz obiekty gastronomiczno-rozrywkowe, np. kina, dyskoteki, kawiarnie. Kopuły mogą także być wykorzystane jako przekrycia dla obiektów sportowych takich jak boiska, korty tenisowe oraz jako kopuły geodezyjne [17]. Na rys.6 pokazano jedną z najstarszych na świecie kopułę Panteonu w Rzymie (125 r ne).

Rys.6a. Kopuła Panteonu w Rzymie (125r.ne) [18]

Rys.6b. Kopuła Panteonu w Rzymie (widok wnętrza) [18]

Przekrycia łukowe

Ustrój nośny z łuków płaskich , stężane układami poprzecznymi lub ukośnymi . Konstrukcje łukowe zaczęły pojawiać się już w czasach starożytnych. W każdym ze styli architektonicznych możemy zaobserwować użycie łuków do przesklepienia otworów okiennych i drzwiowych, jako samodzielne budowle ( łuki tryumfalne) oraz najczęściej jako sklepienia nad pomieszczeniami różnego typu. Na początku funkcjonowały jako sklepienia odcinkowe z czasem przechodzące w bardzo złożone formy sklepień krzyżowo-żebrowych aż po czasy obecne jako przekrycia o bardzo dużych rozpiętościach i dzięki swoim zaletą stając się coraz popularniejszymi. Łuk jest to konstrukcja, która w płaszczyźnie działania sił ma kształt zakrzywionego pręta, a podparcie umożliwia częściowe przejęcie obciążeń przez rozporowe działanie ustroju. Łuki są stosowne  w konstrukcji hale targowych,obiektów sportowych, hal wystawowych, obiektów lotniczych, rolnych i przemysłowych. Na rys. 7 pokazano jedną z ciekawszych konstrukcji żelbetowych w której zastosowano kopułę żebrową , ale również łuki. Jest nią hala stulecia we Wrocławiu, którą w roku 2006 wpisano na listę dziedzictwa światowego UNESCO.

Rys.7 Hala Stulecia – Wrocław (1913), arch.Max Berg [19]

Konstrukcje ramowe

Konstrukcje ramowe są najczęściej stosowane z innymi układami stężeń pomiędzy płaskimi układami poprzecznymi budynków i hal. Ramami  nazywamy konstrukcje składające się z prętów połączonych ze sobą za pomocą sztywnych, podatnych i przegubowych węzłów. Pionowe  pręty ram nazywamy słupami,aq  poziome – ryglami lub belkami.  Ramy dzielimy na: jednoprzęsłowe, wieloprzęsłowe, wielopiętrowe. Układy ramowe najczęściej stosowane  w budownictwie przemysłowym  np. w konstrukcjach hal przemysłowych, ale stosowane są też w budownictwie powszechnym (mieszkaniowym i użyteczności publicznej). Ramy wykonuje się z rozmaitych materiałów: drewna, stali, żelbetu monolitycznego, prefabrykowanego, i sprężonego. Na rys. 8 pokazano konstrukcję ramową pasażu pomiędzy pawilonami MTP  w Poznaniu. Ramy mają rygiel łukowy z drewna klejonego, a słupy są stalowe.

Rys.8. Połączenie pasażu między pawilonami w Poznaniu [20]

Konstrukcje tarczowo- płytowe

Konstrukcje tarczowo-płytowe są układem złożony z płaskich ścianek (pionowych – tarcz, poziomych – płyt). Układ płytowo-tarczowy, zwany często płytowo-ścianowym lub ścianowym  jest przestrzennym układem płaskich ścianek najczęściej prostopadłych do siebie oraz obciążonych pionowo i poziomo. Sztywność konstrukcji zapewniona jest przez ściany, stropy i klatki schodowe. Układ ten stosowany jest zazwyczaj w budownictwie mieszkaniowym o niskiej i średniej wysokości (do 30 kondygnacji) [21].

Rys.9. Hotel Narvil w Serocku (obok Warszawy) (2012) Pracownia KM Rubaszkiewicz [22]

Na rys. 10 pokazano stosowane układy ścian i stropów budynkach tarczowo-płytowych.

Rys.10. Układy konstrukcyjne ścianowe:  podłużne (góra, lewa), poprzeczne (góra, prawa), mieszany  (dół, lewa), mieszany- stropy krzyżowo zbrojone (dół, prawa)

Konstrukcje pneumatyczne

Konstrukcje pneumatyczne, to powłoki wypełnione sprężonym powietrzem ( na zasadzie balonu). Jest to rodzaj konstrukcji powłokowych czy membranowych, które swoją formę oraz nośność utrzymują dzięki działaniu powietrza, gazu lub cieczy. Ustroje te stworzone są ze specjalnych tkanin technicznych, które pod wpływem ciśnienia naprężają się tworząc oczekiwaną bryłę. Konstrukcje pneumatyczne narażone są między innymi na obciążenie wewnętrznym ciśnienie powietrza, aerodynamiczne parcie wiatru, oraz obciążenia  śniegiem. Konstrukcje muszą być solidnie zamocowane. Do tego stosuje się specjalne układy lin, które mocują konstrukcję na całym jej obwodzie. Są to liny stalowe, na stałe zakotwione w ziemię. Dzięki temu przy mało wyniosłych konstrukcjach eliminuje się ryzyko zawalenia się konstrukcji pod wpływem zalegającego śniegu. Konstrukcje pneumatyczne stosuje się do przekrycia obiektów widowiskowych, pawilonów wystawowych, aren cyrkowych , hal sportowych, przemysłowych itp. Pierwszą konstrukcją z materiału tekstylnego był tzw. „ dom podpierany powietrzem” stworzony przez Waltera Birda w 1949r. w USA, choć pomysł zrodził się w 1917r.  Obiekty te miały charakter militarny. (rys.11) [23]. Na rys 12 pokazano współczesną konstrukcję  pneumatyczną: Tokyo Dome – stadion w Tokio, 1988 r. [24].

Rys.11. Dom podpierany powietrzem (1949). Autor: Walter Bird

Rys.12. Stadion Tokyo (1988) [24]

Opracowano na podstawie referatu zaprezentowanego przez   Małgorzatę Adamiec,  studenta kierunku Architektura (4 rok, 8 sem, rok ak. 2014/15) w ramach  przedmiotu Konstrukcje budowlane, prowadzonego na Politechnice Świętokrzyskiej w Kielcach. Dokonano korekt redakcyjnych.

 Literatura

1. Harris C. M. (Red). (2006). Dictionary of architecture & construction (Wydanie 4), McGraw-Hill, New York
2. Schierle G. G. (2006), Architectural structures, University of Southern California, Los Angeles
3. Macdonald A. J. (2001), Structure and architecture (2 Wydanie), Architectural Press, Oxford
4. orusiewicz W. (1978), Konstrukcje budowlane dla Architektów (3 zmienione i uzupełnione). Arkady, Warszawa
5. Charleson A. (2005), Structure as architecture: a source book for architects and structural engineers. Elsevier/Architectural Press, Oxford ; Burlington, MA
6. Buczkowski W., (2009), Budownictwo ogólne, Tom 4: Konstrukcje, Arkady, Warszawa
7. Chodor L., (2013), Konstrukcje budowlane dla Architektów. Przegląd systemów kon-strukcyjno-architektonicznych, Wykład 2 z przedmiotu Konstrukcje budowlane dla Architektów, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, Technological University of Kielce, [ https://chodor-projekt.net/wp-content/uploads/PIPress/Wyklady/KB2/1-%282015%29-KB2-Przeglad-systemow-konstrukcyjnych.pdf ]
8. Archirama.pl, (2011). Sztuka pod kapeluszem – centrum Pompidou-Metz, [ http://www.archirama.pl/architektura/centrum-pompidou-metz,67_192.html ]
9. WarszaWikia.com, (2010), Wszystko o Warszawie: Złote Tarasy [ http://warszawa.wikia.com/wiki/Z%C5%82ote_Tarasy ]
10. Ambroziak A., Kłosowski P. ,(2008), O projektowaniu konstrukcji membrano-wych. Inżynieria i Budownictwo, 8/2008
11. Muratorplus.pl, (2014), Zadaszenia membranowe. Rodzaje materiałów i właściwości. Muratorplus.Pl, [http://www.muratorplus.pl/technika/dachy/zadaszenia-membranowe-rodzaje-materialow-i-wlasciwosci_82048.html]
12. Bryla.pl, (2011), Współczesna architektura sakralna. [ http://www.bryla.pl/bryla/51,85298,6367252.html?i=24 ]
13. K2 Engineering, (2010), Konstrukcje membranowe, [ http://www.k2se.com/realizations/4?locale=pl ]
14. Tofil J. (2010), Rozwój współczesnych przekryć o konstrukcji cięgnowej. Czasopismo Techniczne. Architektura, R. 107(z. 7-A/2), 381—386, [ https://suw.biblos.pk.edu.pl/resources/i4/i2/i8/i3/r4283/TofilJ_RozwojWspolczesnych.pdf ]
15. swiat-szkla.pl, (2007), Konstrukcje cięgnowe w budownictwie wielkopowierzchniowym, [ http://www.swiat-szkla.pl/aktualnoci/101-wydanie-11-2007/937-konstrukcje-ciegnowe-w-budownictwie-wielkopowierzchniowym.html ]
16. Wikipedia. (2015), Most Akashi Kaikyo. In Wikipedia, wolna encyklopedia, [ https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Most_Akashi_Kaiky%C5%8D&oldid=43019617 ]
17. [ http://www.ppukom.pl/konstrukcje/stalowe/ ]
18. Panteon w Rzymie. (n.d.). Retrieved May 3, 2016, from [ http://cudaswiata.archeowiesci.pl/2009/04/panteon-w-rzymie/ ]
19. Młodzi Wrocław, (2012). Hala Stulecia Wrocław, [ http://mlodzi.wroclaw.pl/podmiot/18-hala-stulecia/zdjecia ]
20. Wikipedia, Konstrukcja szkieletowa budynków, [https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Konstrukcja_szkieletowa_budynk%C3%B3w&oldid=45507395 ]
21. budynków w konstrukcji lekkiego szkieletu drewnianego, Civil and Environmental Engineering / Budownictwo i Inżynieria, 2 (2011), s. 577–582, [ http://www.biswbis.pb.edu.pl/2011_04/418.pdf ]
22. Sztuka Architektury, (2016). Hotel jak drzewo. Retrieved May 3, 2016, [ http://www.sztuka-architektury.pl/index.php?ID_PAGE=36621 ]
23. Bereza W. (2007), Współczesne metody analizy konstrukcji pneumatycznych. Czasopismo Techniczne, 4-A, 253–258 [ https://suw.biblos.pk.edu.pl/resources/i5/i2/i1/r521/BerezaW_WspolczesneMetody.pdf ]
24. Wikipedia, (2015), Tokyo Dome. In Wikipedia, wolna encyklopedia, [https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Tokyo_Dome&oldid=42344414]

________________________________