Бионический метод в архитектуре

• Текст:Ю. Лебедев
  3 февраля 2026
• Добавить в кабинетДобавлено в кабинет

Единство законов развития архитектуры и живой природы предопределяется прежде всего тем, что архитектура обеспечивает, наряду с общественными функциями человека, его биологические потребности. Человек же и мир живой природы биологически едины.

Если биологические потребности человека сходны с окружающим его миром живой природы, то и средства удовлетворения этих потребностей в каких-то своих пунктах сближаются. Поэтому сходство может рассматриваться также и в техническом аспекте — в применении средств.

К. Маркс проводит прямую параллель между техникой природы и техническими средствами, создаваемыми человеком. Он говорит: «Дарвин интересовался историей естественной технологии, т. е. образованием растительных и животных органов, которые играют роль орудий производства в жизни растений и животных. Не заслуживает ли такого же внимания история образования производительных органов общественного человека, история этого материального базиса каждой особой общественной организации?»

Природа для человека, архитектора, зодчего всегда была образцом функционального и технического совершенства, резервом разнообразнейших форм и источником вдохновения. Колонны египетских или готических храмов напоминают стволы деревьев или стебли растений, а их капители — грандиозные цветы; купола русских церквей подобны луковицам; черепица кровель сходна с чешуйками рыб, раковин или древесных шишек.

В сороковых и пятидесятых годах XX века в мировой архитектурной практике вновь появились формы, напоминающие природные (рис. 1, 3). Подход к использованию принципов формообразования природы приобрел новое качество и благодаря своему новому характеру и научно-технической вооруженности получил название архитектурной бионики.

Характерная черта современного периода — это использование в архитектуре функций живой природы, неразрывно связанных с формой их проявления. От функции к форме—таков путь архитектурно-бионической практики. В этом ее принципиальное отличие от использования форм природы в основном с изобразительно-декоративными целями в архитектуре предыдущих периодов.

Архитектурная бионика, как показал существующий опыт, решает прежде всего утилитарные вопросы архитектуры (такие как экономия материала, рационализация технических систем, создание благоприятного микроклимата в помещениях и т. д.), помогает разработке проблем формирования архитектурного пространства. Вместе с этим, как мы увидим, неизбежно возникают и специфические для архитектурной бионики эстетические проблемы.

Области применения бионического метода разнообразны — жилые, общественные промышленные здания, градостроительные комплексы (рис. 2).

В настоящее время в архитектурной бионике наибольшее развитие получило использование принципов построения конструктивных или опорных систем природы.

Здесь нужно отметить прежде всего особенности «строительного материала». Механические качества живого материала, например растений, достигаются в основном не за счет твердых минеральных веществ, требующих больших усилий, времени и энергии на их создание (растения содержат всего 0,15 — 0,2% минеральных веществ, а наши здания почти целиком построены из минеральных материалов). Они достигаются в основном благодаря газообразным веществам и воде, находящимся в клетках под большим давлением и придающим упругость эластичным тканям, а также благодаря определенным образом организованной микроструктуре тканей. Принципы образования последней представляют большой интерес для создания новых видов строительных материалов. Собственно говоря, такие материалы, как газо-пенобетон, пластобетон и др., применяющиеся сейчас в строительстве, в какой-то степени уже напоминают по своей структуре и технологии производства образования некоторых живых структур, например радиолярий и диатомей. Материал природы интересен для строителей с точки зрения как его механических, так и теплоизолирующих, гидроизолирующих и других свойств.

Пользуясь аналогией с архитектурно-конструктивными формами, можно проследить следующие конструктивно-тектонические системы в природе и принципы их построения.

Это — плоские и изогнутые ребристые, решетчатые и сетчатые (каркасные) структуры. В них господствует принцип усиления материала или распределение особо прочного материала (механических тканей) по линиям главных напряжений, благодаря чему конструкция дифференцируется на несущие и несомые элементы. Ярким примером таких систем является лист дерева, в котором тонкая пленка листа, выполняющая в основном физиологические функции, поддерживается каркасом, или жилками листа, которые могут иметь различную структуру, согласованную в большинстве случаев с формой листа: в длинных листьях образуется продольное жилкование, в широких листьях — сетчатое. Поскольку лист — это консольная ребристая плита, то сечение жилок изменяется в соответствии с законами ее механической работы. Сечение жилок уменьшается от места прикрепления листа к периферии. В широких листьях к их краям для достижения устойчивости сеть тонких жилок увеличивается. С той же целью многие листья по контуру окантованы своеобразной рандбалкой. Интересно внутреннее строение жилок. В тех слоях, которые работают на изгиб, появляются дополнительные ткани — механические или арматурные (как в железобетонных балках), прочность которых на растяжение достигает часто прочности стали.

Итальянский инженер П. Л. Нерви в покрытии Главного зала Туринской выставки (1947–1949 гг.) использовал принцип построения листа дерева и структуру плавающего на воде листа экзотического цветка Виктории регии (рис. 4, а, б). Это позволило ему сделать легкое и прочное покрытие со свободным пролетом в 98 м. Подобную систему Нерви применил и в конструкции эстакады, ведущей к Большому Олимпийскому стадиону в Риме. По линиям глазных напряжений, как у листа Виктории регии, расходятся ребра и в другом произведении Нерви — в покрытии фабрики Гатти в Риме (рис. 4, в).

В живой природе каркасы, ребристые и иные аналогичные системы встречаются в скелетных образованиях животных, в структурах стеблей и стволов деревьев, в строении раковин, радиолярий, диатомей и т. д. Интересна структура насселярий, или сетчатовидных радиолярий (рис. 4, г). Сопоставление условий механической работы этих структур с их формой поможет нам лучше разобраться в законах тектоники таких систем, даст нам разнообразие их вариантов и возможность использовать в архитектуре готовые формы, в которых нашли свое целостное выражение законы механики.

Для живой природы характерна тенденция заставить ткани максимально работать на растяжение, что позволяет сократить расход материала и времени на построение и делает ткани эластичными, гибкими, но находящимися в напряженном состоянии и сохраняющими присущую им форму. Этот принцип особенно ярко проявляется в системах, подобных нашим вантовым (паутины, механические ткани стеблей и др.), стержневантовым (костно-мускульная система животных) и палаточным (крылья летучей мыши, крылья насекомых и т. д.). Изучение этих систем природы особенно важно сейчас, когда пространственные архитектурные конструкции типа вантовых и палаточных только начинают развиваться. В природе же существуют интереснейшие пространственные формы подобного рода (например, паутина) и конструктивные сочетания стержней, вантов и пленок (взаимодействие элементов скелета и мышечных тканей животных).

Можно указать также на способность живых организмов к нейтрализации напряжений в тканях (полярные напряжения), благодаря чему может быть прочным и устойчивым комплекс, состоящий из клеток, имеющих тончайшие оболочки и образующих кладку, сложенную буквально из мыльных пузырей, давление воды и газов в которых достигает давления в котлах самых мощных локомотивов. Для современной архитектуры важно также исследование пневматических и гидростатических систем живой природы (все живые ткани напряжены жидкостями и воздухом—действие тургора) для совершенствования форм и технических качеств такого же типа конструкций в архитектуре: их структуры, формы, систем автоматической регуляции воздуха и т. д.

Особенное внимание нужно обратить архитекторам и инженерам на проявление так называемого принципа «сопротивляемости по форме». В природе он повсеместен, однако наиболее выразительно это единство действия механических сил и формы выступает в пространственно-изогнутых системах, в частности, в гладких тонкостенных оболочках-скорлупах (рис. 7). Самого пристального внимания заслуживают асимметричные оболочки. Вполне возможно, что здесь могут быть найдены не только образцы живописных форм, но на основании наблюдения и тщательного анализа будут сделаны существенные выводы, в основе которых лежит нахождение соответствия локальным действиям механических сил и напряжениям формы отдельных элементов поверхности оболочки. Благодаря этому можно будет создать формы не столько «универсальные» в конструктивном отношении (что требует излишков затраты материала на их построение), сколько конструктивно-функциональные, с дифференциацией формы.

Обратим также внимание на свойство пружинности, эластичности, гибкости живых структур — позвоночный столб человека, его тазобедренная система, соединение костей черепа, эластичность стебля растения (рис. 5 в) и т. д. Это принцип, позволяющий нейтрализовать или ослаблять силу действия внешних нагрузок. Особенно интересно применение пружинящих систем как в структуре каркасов зданий, так и в их фундаментах в многоэтажном башенном строительстве, в условиях сейсмики, в районах, подверженных действию сильных переменных ветровых нагрузок и больших суточных перепадов температур и т. д. На рисунках 5 и 6 показаны некоторые архитектурные модели, в которых нашел воплощение этот принцип живой природы (дом-город на рессорах — А. Лавинского, 1921 г., модель колокольни — Ф. Отто и др.). Форма колокольни явилась следствием преднапряжения вантами горизонтальных элементов, соединенных упругими прокладками.

Изучение тектоники природных систем и сопоставление их с требованиями к тектонике архитектурных конструкций позволяет выявить некоторые общие закономерности формообразования. Сюда относится, например, принцип конуса (рис. 8). Он включает принцип устойчивого конуса — образование конусообразных форм в зависимости от действия ветровых нагрузок и силы тяжести, сочетающихся с обеспечением наилучших условий обмена и инсоляции (кроны деревьев). Принцип конуса хорошо прослеживается в форме стволов деревьев, стеблей растений. Эта закономерность проявляется и в архитектуре: телебашня в Москве (инженеры И. Никитин, Б. Злобин, архитекторы Л. Баталов, Д. Бурдин и другие), Эйфелева башня, Шуховская радио-телевизионная башня в Москве (рис. 8 б), строящаяся сейчас радио-телевизионная вышка в горах Чехословакии (рис. 8в), колонны Дворца труда в Турине инженера П. Л. Нерви и архитектора А. Нерви и др.

Принципу устойчивого конуса в живой природе противоположна тенденция динамического конуса — конуса роста или развития из одной точки-семени в пространство (общая тенденция развития деревьев, многих раковин и т. д.). В архитектуре эта тенденция не противостоит устойчивому конусу, а часто сочетается с ним, символизируя динамику развития архитектурных форм — проект памятника Христофору Колумбу К. Мельникова (1929), форма которого образована двумя взаимно-противоположными конусами, — а часто отвечая и функциональным требованиям — водонапорная башня в Алжире Р. Саржера (рис. 8 а).

Необходимо также отметить всеобщий принцип развития природных форм — принцип дифференциации, на который указывал еще И. В. Жолтовский. Он означает постепенное облегчение формы от центра или центральной оси к периферии, проявляющееся в измельчении структуры формы (дерево с ветвями, жилкование листа дерева и т. д.). Дифференциация формы соответствует как действию механических сил, так и потребностям питания, инсоляции, газо- влагообмена: нервы, кровеносные сосуды, ветви деревьев и т. д. В архитектуре этот закон также находит свое проявление.

Нужно указать на закон спирали и принцип постепенного перехода одной формы в другую с изменением характера форм в узлах соединения (переход корней дерева в его ствол, ствола в ветви, ветвей в листья и т. д.), что позволяет исключить резкие скачки и перемены знаков напряжений в узлах. Особенно яркое выражение этот принцип нашел в тектонике греческого ордера.

Необходимо выделить и другой раздел архитектурной бионики — изучение повторяющихся однотипных элементов живой природы с целью использования их закономерностей в решении проблемы стандарта и сборности в архитектуре.

Живые организмы в процессе самопостроения «собирают себя» из отдельных, повторяющихся по форме элементов, что дает им возможность четко выполнять заложенную в них генетическую программу и бережливо расходовать энергию, время, материал. Вместе с тем, повторяющиеся элементы и возникающие между ними связи порождают интересные комбинации, воспринимаемые нами как объективные законы гармонии, например, ритм шестигранников в структуре пчелиных сот.

Проделанные автором исследования затрат материала в природе на перегородки в плотных упаковках, составленных из различных пустотелых фигур как на плоскости, так и в пространстве (исследованы и сопоставлены плотные упаковки из шестигранных, квадратных и треугольных призм) позволили выявить неиссякаемые источники решения чисто практических вопросов при сооружении объектов из плоских, сферических и объемных стандартных элементов.

Примером наиболее экономичных сочетаний с минимальной тратой материала на перегородки могут служить пчелиные соты, радиолярии, диатомовые водоросли, панцири животных и т. д. При этом природа — не догматик, она использует все возможности сочетаний, лишь бы решить проблему экономии материала и времени. Инженеры и архитекторы используют этот принцип повторяемости элементов в природе (Б. Фуллер, М. Туполев, Г. Гюншель и др.).

В мире живой природы существует множество и таких конструкций, аналогичных которым мы не найдем в архитектуре; их исследование может открыть для архитектурного конструирования совершенно новые системы и дать новое понимание принципов механики и тектоники.

Следующий раздел архитектурной бионики — раздел климатической экологии.

Известно, насколько остро стоит сейчас проблема взаимосвязи архитектурной формы с природно-климатическими условиями и проблема создания благоприятного для человека микроклимата. Архитектурная бионика помогает решать и эту проблему, используя готовые примеры живой природы. Это не исключает научных и технических данных, накопленных стройфизикой, помогающих увидеть в природе то, что нужно для архитектуры (например, требования к конструкциям в различных климатических районах и т. д.) и проконтролировать взятые из природы средства.

Средства живой природы различны; форма организмов и их структура, покровные ткани (эти своеобразные ограждающие конструкции), авторегуляция влаго- газообмена, температуры, инсоляции. Все они направлены на поддержание постоянства (гомеостазиса) физиологического режима организма. Специфично, например, расположение листьев у растений, обусловленное стремлением получить как можно больше солнечных лучей, особенно в северных и средних широтах. По системе листорасположения растений размещаются квартиры жилых домов во многих проектах и в построенных за последние годы сооружениях. Принцип лиственного покрова использовал К. С. Мельников в 1925 г. в покрытии галереи павильона на Парижской выставке.

Изумительно свойство покровных тканей: в них решается кажущаяся на первый взгляд неразрешимой проблема изоляции функций организма от внешних неблагоприятных условий и одновременный контакт с внешней средой. Особенно важен этот аспект экологического раздела бионики в деле создания ограждений зданий массового назначения, зданий с повышенной влажностью производственных процессов, в сельскохозяйственном строительстве, в строительстве под водой. В последнем случае представляет интерес изучение тканей водных растений, имеющих способность самостоятельно избирать из воды кислород, необходимый для питания растений, не пропуская в то же время в организм воду. Конструирование оболочек аквасооружений по подобию покровных тканей водных растений освободит строительство от необходимости создания сложной системы вентиляционных коммуникаций и их эксплуатации и, в то же время, обеспечит большую надежность воздухообмена.

Большой раздел эколого-климатического аспекта архитектурной бионики — изучение авторегулирующих средств живой природы, под которыми подразумеваются как механизмы, так и обратимые изменения формы и положения тех или иных ее элементов в зависимости от действия солнечной энергии, температуры и влажности — тропизмы. В архитектуре этот принцип используется в работах югославского архитектора А. Мутняковича — в его проекте виллы в виде цветка ламелы с автоматически поднимающимися и опускающимися «лепестками» кровли в зависимости от изменения температуры и влажности наружного воздуха и от инсоляции (рис. 3). Форма лепестков соответствует динамике их движения.

Можно сказать, что открывается дорога к созданию динамической архитектуры с обратимыми изменениями формы, осуществляющей регуляцию и поддержание оптимального константа микроклимата помещений. Кстати сказать, на основе, например, пневматики могут быть созданы архитектурные формы автоматически регулирующие не только микроклимат, но и одновременно перераспределяющие действия механических сил и напряжений.

Сейчас можно наметить и перспективы развития тех направлений архитектурной бионики, которые пока еще неясно обозначились в практике. К ним можно отнести использование феномена цвета в живой природе в его функциональном значении, как, например, изменения цвета в зависимости от температуры и инсоляции. Функции цвета в живой природе помогут лучше понять гармонию цвета, которой давно занимаются архитекторы.

Еще одно потенциальное направление— изучение закономерностей связей между различными функциональными элементами отдельных живых организмов и природы в целом—их отношение друг к другу, соподчинение центру, сочетание централизованного управления с автономией, зависимость управления от пространственного размещения элементов, во многом определяемые законами корреляции, компенсации и т. д. Тут должны быть изучены коммуникации между отдельными функциональными элементами, их автотрансформация и взаимозаменяемость, перемещение элементов во времени, накопление масс (узлов) и создание разрядок и т. д. Необходимо также изучение и применение в архитектуре замечательного принципа природы —накопления информации, без которого не может быть решена проблема саморегуляции.

Пока изучаются элементы функциональных структур. Однако, есть попытки создать комплексные структуры по подобию природных (рис. 9).

Важным разделом является исследование влияния используемых форм живой природы на эстетические качества архитектуры, т. е. эстетические проблемы архитектурной бионики.

Архитектурно-бионические формы ассоциируются у нас с формами природы. Это сходство связано с тем, что вместе с функцией в архитектуру привносится природная форма. Возникает прежде всего психологическая проблема восприятия этих форм. При отборе природных форм должно учитываться сложившееся отношение людей к природе, эстетические вкусы, традиции, идеология. Неприятна, а для нас в социалистическом обществе — неприемлема надуманность архитектурных форм, сенсация, в результате которой форма развивается в ущерб функции. Примерами такого рода формализма могут служить некоторые работы Г. Гюншеля, Э. Каталано, С. Хоххаузера, Б. Гоффа, П. Хаузермана и др. Интересно отметить, что современному формализму предшествовали работы испанского архитектора конца XIX — начала XX вв. Антонио Гауди (рис. 10), которому, правда, нельзя отказать в мастерстве оперирования формой и цветом.

Формалистическим работам противостоит реалистическое, творчески осознанное направление, учитывающее общественное значение архитектуры, традиции, влияние всей духовной жизни человека на архитектуру — бионическая архитектура, к которой можно отнести ряд работ, в том числе произведений советских архитекторов и инженеров.

Спецификой бионического метода является объемное моделирование природных форм, дающее конкретно практический результат, комплексную систему, включающую в себя функцию и форму в их единстве. В этом отличие бионического метода от математических методов, в которых результаты исследования природы слагаются в абстрактные формулы, уводящие далеко от конкретной формы.

Однако исследования природы, моделирование живых структур и их математическое осмысление (например, проверка на механические качества), вся архитектурно-бионическая практика дают возможность сделать определенные теоретические выводы как в области инженерной, так и в области архитектурной науки.

Это касается, например, уточнения понятия связи архитектурной формы с природно-климатическими условиями на основе исследования единства живого организма и окружающей его природно-климатической среды.

Сюда можно отнести понимание «сложного и примитивного», «простого и совершенного», взятых в функциональных аспектах. Здесь мы приходим к выводу, что архитектура, как и живая природа, в общем процессе своего исторического развития совершенствуется в техническом и функциональном отношениях, и этот процесс сопровождается увеличением числа разнообразных функциональных элементов, входящих в систему, а вместе с этим и усложнением связей.

Природа дает нам ключ к углублению понимания целостности, гармонии, соотношения функции и красоты, единства функции и формы и т. д.

 Изучение законов развития живой природы говорит, например, что единство функции и формы в живой природе — относительно, что функция и форма здесь никогда не находятся в абсолютном единстве — иначе прекратится развитие. Единство не может быть вечным — оно восстанавливается и снова разрушается. Именно этой «информационностью» процесса развития живая природа отличается от мертвой. Но поскольку архитектура, подобно живой природе, система, служащая живому человеку, система открытая информационная, то и здесь функция и форма никогда не найдут себя в абсолютном единстве, иначе также прекратится развитие архитектуры, а их единство — относительно. Поэтому совершенно закономерно преобладание на отдельных этапах развития архитектуры (или творчества) функции над формой или формы над функцией, хотя в какие-то моменты возможно возникновение синтеза — временного равновесия.

Однако, несмотря на относительность единства функции и формы в живой природе, форма живых организмов на каждом этапе своего развития и роста оптимальна для выполнения своих функций — этого достаточно для их существования.

Вполне вероятно, что в архитектуру мы также должны ввести понятие «оптимальности», или соответствия архитектуры в целом предъявляемым к ней человеком требованиям. Это поможет нам скорее понять задачи, стоящие перед архитектурой на каждом этапе ее развития, и мыслить архитектурой как целостной системой.

Исторический опыт использования природных форм и законов формообразования, современная архитектурно-бионическая практика, специфика бионического метода, особый источник накопления информации — живая природа, наличие теоретических разработок от Витрувия — Альберти — Каржавина до сегодняшних дней — все это говорит о том, что в архитектуре рождается новая научная отрасль, которую мы называем архитектурной бионикой.

Задача этой науки на данном этапе: на основе опыта использования законов формообразования живой природы наметить основные направления перехода от идей к практике, найти пути воплощения этих идей в том широком строительстве, которое ведется в нашей стране, и определить области и сферы применения законов формообразования природы в архитектуре.

Архитектурно-бионические исследования будут способствовать не только совершенствованию методов строительства и созданию благоприятных условий жизни на земле, но помогут также освоению человеком подводных глубин, земных недр и космоса.

В заключение нужно отметить, что бионический метод в архитектуре не исключает других методов решения архитектурных проблем — он их лишь дополняет и вносит свой вклад в общее прогрессивное развитие архитектуры.