Как мы воспроизвели гениальную Шуховскую башню на Оке в nanoCAD Конструкторский BIM

    Гиперболоидная конструкция башен выдающегося русского инженера и конструктора прошлого 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.

    image
    Шуховская башня на Оке, спроектированная в nanoCAD Конструкторский BIM

    Реализацией проекта занялся Сергей Стромков, инженер первой категории отдела технической поддержки компании «Арксофт», официального партнера «Нанософт».

    Стремящаяся ввысь, легкая и воздушная Шуховская башня на Оке считается даже более совершенной, чем аналогичное строение 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, расположенную рядом с нашим городом, разработанную и построенную выдающимся русским инженером. И сделать это в отечественном программном продукте.


    Шуховская башня на Оке (фото взято из открытых источников интернета. Профиль DedushkaMPS)

    Почему из шести башен на Оке осталась одна


    Пятисекционная 128-метровая 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. 

    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. 

    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 оставшуюся в живых конструкцию – памятник советского конструктивизма.

    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.
     
    image
    Процесс воссоздания Шуховской башни в nanoCAD Конструкторский BIM

    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 25-метровых 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.

    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.

    Как шла работа над воссозданием башни в nanoCAD Конструкторский BIM


    Работа в 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 68-метровой 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.


    Сохранившиеся чертежи Шуховской башни на Оке

    Как построить одну секцию башни...

    Очень хотелось прикоснуться к этому чуду инженерной мысли. Поначалу меня просто пугала сложность конструкции башни Шухова. Но, приступив к работе, я разбил проект на небольшие понятные задачи и, последовательно решая одну за другой, постепенно пришел 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.

    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.

     image

    image
    Процесс создания каркаса секции

    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.

     image
    Построение соединительных профилей

    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 довольно 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.

    … 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.

    image
    Моделирование образующего профиля

    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.

     image

    image
    Сборка конструкции

    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, 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 Шуховских конструкций хватит еще на много лет вперед.



    А если вы хотите узнать подробнее про все этапы построения Шуховской башни на Оке в программе nanoCAD Конструкторский BIM, то смотрите наш плейлист на Youtube.



    Сергей Стромков, 
    инженер первой категории 
    отдела технической поддержки 
    компании «Арксофт»

    Оцените новую версию nanoCAD Конструкторский BIM 2.0

    Скачайте дистрибутив бесплатно на 30 дней: https://clck.ru/RBWgh


     

    Участвуйте в конкурсе хэштега и получите приз!


     
    Всего четыре шага:

    1. Скачайте новую версию nanoCAD Конструкторский BIM 2.0: https://clck.ru/RBWgh
    2. Оставьте в любой соцсети отзыв по работе в программе.
    3. Дополните отзыв скриншотами.
    4. Поставьте хэштег #попробуйКонструкторскийBIM.

    16 ноября мы подведем итоги. Авторы трех лучших отзывов получат стильные толстовки nanoCAD.
    Нанософт
    Компания

    Комментарии 26

      +2
      Есть ли возможность в домашних условиях «рассчитать» аналогичную башню на 10-30метров для антенны 4G /ветряка/солнечных панелей или бак с водой, т.е. от нагрузки. При более лёгкой (просто антенна) использовать уголки меньшего сечения и получить размеры/сечения/вес металла, который необходим для изготовления и примерно получить цену всей этой затеи. Главный вопрос как это «рассчитать» (без стократного запаса и перерасхода металла)?
        0
        Конструкторский BIM — это моделирующий и проектный софт: все расчёты, которые в него заложены, это проектные — количество, зависимости параметров от изменения других параметров, описание и т.д. Прочностные расчёты (о которых говорите вы) делает другой класс продуктов — там своя песня и математическая школа. В России используются SCAD, ЛИРА, ЛИРА-САПР, которые расчеты делают с учетом российских требований по надежности. И, насколько я знаю, у SCAD есть бесплатная версия для небольших проектов — антенну точно расчитает. У других, наверное, тоже…
        0
        Интересно, почему шуховские башни не завоевали мир? Вроде красивые, экономные по материалам и сравнительно простые в изготовлении…
          0
          Экономичные ли? Сколько стоит перекрасить такую, чтоб не ржавела?
            –1
            Про исходный вариант Шаболовской радиобашни: Планировавшаяся высота новой башни из девяти гиперболических секций составляла 350 метров (на 15 метров выше Эйфелевой башни, которая принималась во внимание при создании плана) при расчётной массе в 2200 тонн (Эйфелева башня весит 7300 тонн).
              +1
              Не, давайте сравнивать с современными вышками сотовых операторов, или хотя бы с той же Останкинской.
                +1
                Останкинская — совсем другой коленкор… А вот про сравнение с современными сотовыми мачтами и опорами ЛЭП я как раз и спрашиваю у узнающих людей — чем они лучше? Что в них такого, чего не умели делать в начале 20-го века?
                  0
                  Из Вики: Линейчатая конструкция, имеющая форму однополостного гиперболоида, является жёсткой: если балки соединить шарнирно, гиперболоидная конструкция всё равно будет сохранять свою форму под действием внешних сил.

                  Для высоких сооружений основную опасность несёт ветровая нагрузка, а у решётчатой конструкции она невелика. Эти особенности делают гиперболоидные конструкции прочными, несмотря на невысокую материалоёмкость.

                  Ну а так, если прикинуть на пальцах, то одна секция — это всего 6 разных основных элементов, два из которых многократно повторяются и являются прямыми.
                    +1
                    Вы ещё раз написали, чем хороша Шуховская гиперболоидная конструкция.

                    Я же спрашиваю, почему повсеместно строят не её, а прямоугольные фермы? Если фермы лучше, в чём сравнительные преимущества гиперболоида?
                0
                Балашихинская радиомачта — 427 метров / 421 тонна (если вики не врет)
                  0
                  И вынос строп метров на 200. Не на каждом участке можно возвести, по сравнению с Шуховской.
              +1
              А почему вы считаете, что не завоевали? Они достаточно популярны и сейчас. Многие идеи используются в современных конструкциях: www.gttp.ru/PC/pc_72.htm. Да и Вики показывает, что подобные конструкции использовались и используются много где по миру (например, мачты американских линкоров). Просто мало говорят, но вот наша статья несколько исправляет это ))
              0
              А можно ли по простому выгрузить эту модель в какой-то прочностной САПР и проверить какие нагрузки она держит в разных направлениях или это целая большая работа?
                0
                Можно выгрузить в упомянутые выше SCAD, ЛИРА, ЛИРА-САПР, а также универсальный формат IFC4…
                +1
                В далеком 2004 году я был на всероссийской олимпиаде по сопротивлению материалов, которая проходила в пансионате недалеко от данной башни и конечно же пошли на нее поглазеть. Не знаю восстановили ли сейчас, а тогда охотники за металлоломом вырезали чуть ли не половину профилей внизу башни! И она перенесла такой вандализм.
                +1
                Еще одно преимущество конструкции — сохранение формы и устойчивости при изменении температуры.
                  0
                  А 3д модельку для печати можно из этого проекта получить?
                    0
                    Теоретически можно, но тут вопрос детализации. У нас сейчас модель выполнена в масштабе 1:1. 3D печать — это обычно печать в масштабе 1:100. Т.е. болт диаметром 42 мм станет волоском в 0.42 мм… Металлический профиль 320 мм — 3 мм на модели. Рассыпается она в таком случае. Поэтому обычно надо подготавливать отдельно модель для 3D печати. Ну, либо масштаб модели увеличивать, что предъявляет требования к принтерам уже…
                      +1
                      Диаметр сопла у недорогого принтера — 0.8 мм, 3 мм вроде он достаточно стабильно печатает. С болтами хуже, увы :(
                      +1
                      Сделали SAT-версии модели (твердотельные в открытом формате) — скачать можно тут: drive.google.com/file/d/1x1CDVqU5utHnuE2h69r98l4uL_BJaEAy/view

                      Если у кого-то есть 3D принтер — попробуйте-расскажите, плз, что получилось :-))
                        +1
                        А что это за формат такой .sat? Я конечно не настоящий сварщик в 3д печати, но не смог найти, как его в слайсере моего 3д принтера открыть :( И конвертора как-то тоже не нашел. Я думал, в 3д печати .stl стандарт…
                          +1
                          В .stl я бы тоже потестил!
                          +1
                          Денис, для 3Дпечатников нужно выложит в stl и лучше на www.thingiverse.com с превью для поиска. У меня есть принтер — могу выступить бета тестером ;-)

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое