Распределение сил в каждой секции стальной конструкции или в бетонной стене зависит от того, в каком направлении дует ветер. В моей компьютерной модели учтены значения силы ветра по 24 разным направлениям благодаря расчетам в эксперименте с аэродинамической трубой. Силы создают сжатие и растяжение в балках, колоннах и распорках, из которых состоит стальная или бетонная сердцевина здания. Затем компьютер рассчитывает сжатие и растяжение на каждом участке сердцевины с каждой стороны. Потом мы проектируем каждый такой участок из стали или бетона согласно наивысшим значениям сил сжатия и растяжения. Размер стальных деталей и толщина бетонных стен меняется в зависимости от того, какая сила будет на них воздействовать. Таким образом сердцевина обеспечивает устойчивость здания независимо от направления ветра. Проверить и учесть все силы, воздействующие на один участок постройки по 24 направлениям ветра, – сложная процедура, не говоря уже обо всем каркасе целиком. К счастью, в наши дни самую тяжелую работу выполняет вычислительная техника, облегчая тем самым труд инженера.

Здание, расположенное по адресу: Сент-Мери-Экс, 30, в Лондоне. В нем 41 этаж, и оно имеет форму корнишона (за что и получило такое прозвище). Устойчивость этого здания обеспечивается по другому принципу: элегантно изогнутый цилиндр из затемненного синего стекла опоясывают большие стальные нити, переплетающиеся в форме огромных ромбов.

Здание 2012 года постройки по адресу: Сент-Мери-Экс, 30, в Лондоне, также известное как «Корнишон», имеет стальной экзоскелет, защищающий его от воздействия внешних сил

Сердцевина здания, как хребет или позвоночник, придает зданию целостность изнутри, но при строительстве «Корнишона» она оказалась снаружи, как экзоскелет. Такой экзоскелет, или, если использовать технический термин, внешний каркас, или каркас из перекрестных элементов, подобен панцирю черепахи. Вместо внутренней структуры, противостоящей внешним силам, пытающимся опрокинуть постройку, это здание защищает его панцирь, или внешний каркас. Когда ветер дует на здание, стальной каркас распределяет его силу и передает в фундамент, обеспечивая устойчивость.

Еще один яркий пример внешнего каркаса – здание Центра Помпиду в Париже. Архитекторы Ренцо Пьяно, Ричард Роджерс и Джанфранко Франкини воплотили проект здания «наизнанку». Все его артерии – то есть то, что обычно прячут, например водопровод и канализационные трубы, электропроводка, система вентиляции и даже лестницы, лифты и эскалаторы, – находятся снаружи. Именно эти детали притягивают взгляд, и их запоминают люди: витые трубы, выкрашенные в белый, синий или зеленый цвета, прозрачную трубу с эскалатором, которая зигзагом заползает наверх. А если присмотреться повнимательнее, можно заметить, что все здание одето в сетку из огромных переплетенных тросов, которые защищают его от ветра. Этакий экзоскелет, скрытый воздуховодами и сточными трубами.

Центр Помпиду в Париже с внешним каркасом, который представляет собой паутину из стальных канатов

Как инженеру-строителю, мне очень нравится видеть и понимать, как устроено здание и как в нем распределяется нагрузка. Вместо того чтобы спрятать или замаскировать, казалось бы, непривлекательные, но важные системы, благодаря которым здание живет, – выставить их напоказ, как в Центре Помпиду, было восхитительно откровенно, и этот смелый шаг помогает нам лучше понять характер здания.

Однако внешний каркас и сердцевина не только помогают зданию не наклоняться и не опрокидываться – они также отвечают за контроль колебаний. Может показаться странным, что здания, которые выглядят прочными и сделаны из стали и бетона, – движутся, но это и правда так. Сами по себе колебания не представляют проблемы: важна только частота и длительность колебаний. За многие годы экспериментов нам удалось определить уровни ускорения (меру того, как быстро изменяется скорость объекта), на которых люди почувствуют это движение. Возьмем, к примеру, полет на самолете: несмотря на огромную скорость, при спокойном воздухе мы едва ли вообще ощущаем, что движемся. Когда же возникает турбулентность, скорость начинает внезапно и быстро меняться, и мы это чувствуем. Здания очень похожи: они могут достаточно много двигаться, но мы этого не ощутим, если ускорение небольшое. А если оно увеличится, то даже при незначительном движении нас может укачать.

И на нас воздействует не только ускорение. В зависимости от того, как долго здание раскачивается – колеблется или наклоняется из стороны в сторону, – мы тоже можем почувствовать некоторую неустойчивость. Вернемся к аналогии с трамплином для прыжков в воду, когда отталкиваешься от доски и ныряешь, то она еще какое-то время колеблется и только потом останавливается. Если доска толстая и прочно закреплена у основания, то колебания у нее маленькие и длятся недолго. Если доска потоньше и закреплена не так прочно, то колебания у нее гораздо больше и длиться они будут дольше.

Когда я проектирую высокую башню, мне нужно удостовериться, что ускорение колебания выходит за пределы диапазона человеческого восприятия, а само колебание быстро прекращается.

В этой непростой задаче мне помогает все та же компьютерная модель, которую я использую для сопротивления гравитации и ветру. Я ввожу в программу данные о материалах, форме и размерах балок, колонн и сердцевины. Программа анализирует силу ветра, прочность материалов и геометрию всей постройки и выдает данные об ускорении колебания. Если цифры ниже порогового уровня, за которым люди ощутят их, то больше ничего не требуется. Однако если ускорение выше, то строение придется сделать прочнее. Этого можно добиться путем увеличения толщины стен бетонной сердцевины, а если сердцевина стальная, то с помощью стальных деталей большего размера. Затем я тестирую модель с учетом изменений, иногда по несколько раз, пока не будет достигнуто нужное значение ускорения.