В книге обобщаются достижения в области использования законов живой природы в мировой архитектурной практике. Наряду с анализом практики раскрываются смысл, содержание и методологические стороны этой новой науки. Рассматриваются возможности, заложенные в живой природе, которые можно использовать в решении проблем формообразования, технического обеспечения, красоты и гармонии архитектурных форм. Большое внимание уделяется синтезу архитектуры и живого природного окружения, открывающему путь к сохранению природы и организации оптимальной среды существования человека. Для архитекторов, инженеров, дизайнеров, а также для интересующихся вопросами современной архитектуры.

Представляем архитектурную бионику. Ю.С. Яралов
Бионика и научно-технический прогресс. В.М. Ахутин
Предисловие. Ю.С. Лебедев

Глава I. Архитектура и живая природа — непрерывный процесс взаимодействия
Архитектурная бионика — новое направление в науке и практике архитектуры. Ю.С. Лебедев
Исторические предпосылки развития архитектурной бионики. Ю.С. Лебедев
Развитие теоретических взглядов в вопросе связи формирования архитектуры и живой природы. Ю.С. Лебедев, В.И. Рабинович
Формирование теории органической архитектуры. Е.Д. Положай
Инженерно-биологические исследования. Ю.С. Лебедев
Натурализм или реалистический подход? Ю.С. Лебедев, В.И. Рабинович

Глава II. Метод архитектурной бионики — механизм познания и практической реализации взаимосвязи архитектуры и живой природы. Ю.С. Лебедев

Глава III. Основные принципы архитектурно-бионического моделирования
Общее понятие модели в архитектурной бионике. Ю.С. Лебедев
Характеристика свойств архитектурно-бионических моделей и их классификация. Ю.С. Лебедев
Архитектурно-бионические модели как средство экспериментального исследования. Ю.С. Лебедев
Элементы архитектурно-бионического моделирования форм живой природы. Ю.С. Лебедев, В.Ф. Жданов
Математическое моделирование оболочек-скорлуп. Г.В. Брандт

Глава IV. Гармония формообразования в архитектуре и в живой природе
Единство функции и формы — объективная основа гармонии. Ю.С. Лебедев
Форма и пространство в архитектуре. Ю.С. Лебедев
Мезоформы — мезоструктуры — мезопространство. Ю.С. Лебедев
Структурный элемент архитектурной формы. Ю.С. Лебедев
Проблема единства средств гармонизации архитектурной формы. Ю.С. Лебедев
Симметричная деятельность асимметричных структур (проблема равновесности систем). Ю.С. Лебедев, О.А. Гоциридзе
Спираль и винтовые кривые. Ю.С. Лебедев, В.Ф. Жданов
Процессы ветвления в живой природе и архитектуре. В.Ф. Жданов, Ю.С. Лебедев
Золотое сечение в живой природе и архитектуре. Ю.С. Лебедев, В.Ф. Жданов
Бионика и архитектурное творчество. М. Шарафин
Образы природы в архитектуре. Ю.С. Лебедев
Пластические образы синтеза архитектуры и природы. М.А. Антонян

Глава V. Повторяемость (стандарт) и комбинаторность форм живой природы и архитектуры. Ю.С. Лебедев
Что такое стандарт?
Типовое проектирование и стандарт
Система модульной координации
Стандартный элемент и его комбинаторность в живой природе

Глава VI. Экологические вопросы архитектурной бионики и проблема гармонии архитектурно-природной среды
Регуляция среды в живом мире. В.Ф. Жданов
Город — живой организм. Ю.С. Лебедев
Природа кочевой (мобильной) архитектуры. Д.Б. Пюрвеев
Принципы формообразования высотных сооружений — "биотектон". А.И. Лазарев
Биоурбанизм. А. Мутнякович
"Аркология" — воображаемый город. П. Солери

Глава VII. Тектоника архитектурных и природных форм
Тектоника как средство гармонизации архитектурной формы. Ю.С. Лебедев
"Строительный материал" живой природы. Ю.С. Лебедев
Противоречия функционирования природных форм и тектоника. Ю.С. Лебедев
Проблема единства технологии и архитектурной формы. Конструктивная система — турбосома. Ю.С. Лебедев
Конструктивно-тектонические системы живой природы. Ю.С. Лебедев, С.Б. Вознесенский
Термодинамические аспекты формообразования и развития систем архитектуры и природы. Ю.С. Лебедев, В.Ф. Жданов
Аналогия форм и конструктивные принципы в природе и строительной технике (эволюция). О. Бюттнер, Э. Хампе
Оптимизация конструктивных систем на основе бионических принципов. В.Г. Темнов
Трансформация в архитектуре и в живой природе. Ю.С. Лебедев

Глава VIII. Практика строительства легких пространственных конструкций на основе бионических исследований
Биология и строительство. Ф. Отто, X. Оккен
Конструкции в неживой природе. К. Тивиссен, И. Шмаль, Р. Шнейдар
Технология самостроительства. живой природы. Э. Шаур
Постройки животных. К. Тивиссен, И. Шмаль, Р. Шнейдар
Форма — сила — месса. Ю. Хеннике
Высотные сооружения. К. Тивиссен, И. Шмаль, Р. Шнейдер
Изгибаемые балки — изгибаемые плиты. К. Тивиссен, И. Шмаль, Р. Шнейдер
Палатки, мембраны, сетки. Б. Буркхардт
Своды, решетчатые структуры. Р. Грефе, X. Дрюседау

Основные научно-творческие сферы архитектурной бионики. М. Матеев

Вместо послесловия. Г.Б. Борисовский
Список литературы

Представляем архитектурную бионику

Архитектурная бионика — новое явление в архитектурной науке и практике. Сейчас, может быть, рано говорить о всех ее возможностях, однако имеющийся практический опыт в этом направлении у нас и за рубежом открывает широкие горизонты решения различных интересных архитектурных проблем с помощью патентов живой природы. Здесь и возможности поиска новых, функционально оправданных архитектурных форм, отличающихся красотой и гармонией, и создание новых рациональных конструкций с одновременным использованием удивительных свойств строительного материала живой природы, и открытие путей реализации единства конструирования и создания архитектурных средств с использованием энергии солнца, ветра, космических лучей. Но, пожалуй, наиболее важным ее результатом может быть активное участие в создании условий сохранения живой природы и формировании гармоничного ее единства с архитектурой.

Одновременно с общей, технической бионикой в СССР в ЦНИИТИА с 1960 г. было положено начало развитию архитектурной бионики. Первая заявка на нее была сделана в опубликованной в 1962 г. статье молодых архитекторов Ю. С. Лебедева и В. В. Зефельда «Конструктивные структуры в архитектуре и в растительном мире» [В сб.: Вопросы современной архитектуры. — Советская архитектура, М., Стройиздат, 1962.].

Несколько позднее Ю. С. Лебедевым это направление в архитектуре по аналогии с технической бионикой было названо вначале «строительной бионикой», затем в связи с открывшимся более широким диапазоном ее возможностей — «архитектурно-строительной бионикой» [Лебедев Ю. С. Строительная техника природы. — Декоративное искусство СССР, 1966, № 7.], а затем «архитектурной бионикой» [Лебедев Ю. С. Бионический метод в архитектуре. — Архитектура СССР, 1970, № 6; Лебедев Ю. С., Вознесенский С. Б., Гоциридзе О. А. От биологических структур к архитектуре. М., Знание, 1971.].

С 1970 г. в ЦНИИТИА в составе сектора технических проблем архитектуры работает лабораторная группа по архитектурной бионике. ЦНИИТИА стал координирующим центром разработок проблем архитектурной бионики в СССР [В 1984 г. при ЦНИИТИА организована Центральная Научно-исследовательская и экспериментально-проектная лаборатория архитектурной бионики (ЦНИЭЛАБ).].

По плану научно-исследовательских работ Комитета по гражданскому строительству и архитектуре при Госстрое СССР ЦНИИТИА совместно с крупнейшими институтами Ленинграда, Киева и Тбилиси (ЛенЗНИИЭП, КиевЗНИИЭП и ТбилЗНИИЭП) ведет работу по использованию средств архитектурной бионики в экстремальных климатических условиях строительства Крайнего Севера, зоны пустынь, высокогорья. По этой теме имеются уже практические результаты. Особое значение здесь приобретает создание мобильного жилья и зданий культурно-бытового обслуживания для нефтяников, оленеводов, охотников и рыболовов Крайнего Севера.

Думается, не случайно архитектурная бионика зародилась в недрах ЦНИИТИА. Первые этапы ее развития требовали широкого теоретического обоснования проблемы. Да и сейчас круг вопросов ее настолько широк, что требует постоянной координации и системного освещения, время же глубокой специализации архитектурной бионики и распределения ее по типологическим институтам еще не пришло.

Было бы неправильно думать, что это направление может подменить основную стратегическую линию развития советской архитектуры. Однако архитектурная бионика может превратиться и в сильное средство, с помощью которого будут решаться различные важные задачи советской архитектуры. И здесь средства не лишаются своего лица, они могут оказать сильное влияние на архитектуру — ее формы, функциональные решения, гармонию форм. Об этом говорят и архитектурные примеры, в которых были использованы законы живой природы: Останкинская радиотелевизионная башня в Москве, Олимпийские объекты — велотрек в Крылатском, мембранные покрытия крытого стадиона на проспекте Мира и универсального спортивно-зрелищного зала в Ленинграде, ресторан в Приморском парке Баку и его привязка в г. Фрунзе — ресторан «Бермет» и др.

Однако в связи с тем, что живая природа не имеет национальной специфики, возникает один важный вопрос: не может ли перенесение закономерностей формообразования живой природы в архитектуру снивелировать национальные черты архитектуры, о необходимости которых сейчас говорят все больше и больше в связи с желанием преодолеть однообразие, внесенное в архитектуру индустриализацией строительства.

На этот вопрос можно ответить следующим образом.

Биогеосфера, или природный ландшафт приобретает, как правило, национальный характер. Он почти безошибочно узнаваем для определенных географических точек мира; его знают и поэтому не случайно ассоциируют с развитием национальных особенностей тех или иных стран.

С биогеосферой, включающей характерные формы живой природы, рельеф земной поверхности, побережий морей, рек, озер, их цветовую гамму, зодчие всегда старались связать архитектуру. Особенно ярко такая связь была выражена в самобытной, народной архитектуре (в России, например, деревянная архитектура усадеб и церквей XVII в., старый рынок в Бухаре, церковь Джвари в Мцхета).

Однако современные аспекты связи архитектуры с живой природой, определяемые архитектурной бионикой, претерпели большие изменения по своему существу, не говоря уже о их техническом «оформлении». Они могут доходить до использования в архитектуре не только принципов формообразования, но и технологии функционирования живой природы. Например, технологии некоторых производств, и особенно связанных с биохимией, могут быть эффективно организованы по аналогии с биохимическими процессами, происходящими в живых организмах. Не исключено также совершенствование системы функциональных связей в жилых районах и в городах на основе изучения энерготехнических законов живой природы, принципов ветвления равновесного взаимодействия биомасс в популяциях и т.д.

Особую остроту архитектурная бионика приобретает в решении задачи, поставленной временем в условиях научно-технического прогресса, — сохранения окружающей среды.

Одним из важных моментов, демонстрирующих широкую солидарность специалистов по архитектурной бионике, стала организованная Всероссийским обществом охраны природы совместно с ЦНИИТИА выставка в Москве: «В гармонии с природой, Архитектурная бионика-82».

Выставка превратилась как бы в итог достижений архитектурной бионики за предыдущий период ее развития в СССР. Она отлично продемонстрировала достижения архитектурной бионики, широту охвата ее тематики.

На выставке были представлены работы, начиная с теорико-исторических и методологических исследований, разработок конструктивного характера, поисков новых форм, экологических аспектов архитектуры до создания художественных образов, навеянных красотой живой природы.

Особое значение для реализации архитектурно-бионических идей в архитектурной практике имеют конструктивные разработки, чему немало способствует сотрудничество с Координационным советом по пространственным конструкциям ЛенЗНИИЭП.

Одним из этапов организации разработок по теме архитектурной бионики явилось создание в ЦНИИТИА нового сектора «Технических проблем архитектуры и архитектурной бионики», что позволит укрепить практическую направленность разработок в области архитектурной бионики.

С целью эффективной координации разработок по архитектурной бионике в СССР в 1977 г. при Научном совете по комплексной проблеме «Кибернетика» в составе секции бионики (руководитель — д-р техн. наук В. М. Ахутин) была создана комиссия архитектурной бионики (председатель — канд. архит. Ю. С. Лебедев), которая осуществляет координацию архитектурно-бионических исследований по линии АН СССР, и в 1981 г. секция архитектурной бионики при СА СССР.

Комиссией и секцией архитектурной бионики ведется пропаганда ее идей в печати, в кино и по телевидению. При участии их членов создано несколько научно-популярных фильмов: «Бионика — архитектуре», «Природа и архитектура», «Живое пространство» и др. По архитектурной бионике читаются лекции в архитектурных институтах, в высших художественно-промышленных училищах в СССР и за рубежом.

Активисты комиссии архитектурной бионики выступают с лекциями, докладами, проводят конференции, участвуют в конференциях, организуемых другими ведомствами. В 1977 г. представители СССР участвовали в национальной конференции по бионике в Братиславе. В 1978 г. при ЦНИИТИА состоялась конференция по архитектурной бионике. В том же 1978 г. специалисты по архитектурной бионике приняли активное участие в Международной конференции социалистических стран по бионике (Ленинград) и т.д.

ЦНИИТИА, координируя работу по архитектурной бионике в Советском Союзе, одновременно укрепляет по этой тематике связи со странами социалистического содружества (ЧССР, ГДР, НРБ, СФРЮ и др.) и отдельными специалистами других зарубежных стран (ФРГ, США). Поэтому не случайно результатом такого сотрудничества стал совместный труд ученых этих стран по архитектурной бионике.

Будем надеяться, что этот труд поможет дальнейшему укреплению связи архитектуры и живой природы, а развитие этой науки будет способствовать прогрессу в архитектуре с учетом специфики каждой страны.

Ю.С. Яралов, народный архитектор СССР, доктор архитектуры, профессор

От редакции: В октябре—ноябре 1983 г. в Государственном научно-исследовательском музее архитектуры им. А. В. Щусева были организованы совместные СССР (ЦНИИТИА) и ФРГ (ИЛ) выставка и симпозиум на тему «Природообразные конструкции. Архитектурная бионика». В мае—июне 1984 г. по инициативе ЦНИИТИА совместно с архитектурными факультетами Высшей технической школы в г. Братиславе и Политехнического института в г. Брно при содействии обществ Советско-Чехословацкой (СССР) и Чехословацко-Советской (ЧССР) дружбы прошли симпозиум и выставка в Праге и Братиславе по теме «Архитектурная бионика».

Бионика и научно-технический прогресс

Среди возникших в 60-е годы синтетических междисциплинарных наук бионика занимает особое место, поскольку ее методология обусловливает самое тесное сотрудничество ученых и специалистов-биологов с научными работниками и инженерами, деятельность которых направлена на решение технических прикладных задач.

Именно бионический подход к изучению живой природы, и прежде всего морфологии, экологии и физиологии живых организмов, их элементов и популяций, оказывается весьма продуктивным при решении комплексных проблем научно-технического прогресса.

Естественно, что наиболее важными из них являются те, от успешного решения которых зависит повышение созидательной способности человеческого общества и улучшение условий его обитания на земле. К ним прежде всего относятся:

• повышение производительности и эффективности труда во всех сферах деятельности человека;
• расширение сырьевой, энергетической и продовольственной базы, в частности путем освоения мирового океана;
• синтез новых органических материалов;
• продление жизни человека с помощью автоматизации массовых профилактических мероприятий и прогнозирования эпидемий;
• продление трудовой деятельности путем создания технических средств для компенсации утраченных функций организма и разработки автоматизированных биоуправляемых протезов, органов и конечностей;
• разработка методов и технических средств для нормализации состояний человека в условиях производства и особенно в экстремальных ситуациях, не свойственных для жизни на земле;
• создание научной и технической базы для разработки вычислительных средств искусственного интеллекта, способного осуществлять функции управления в условиях нестандартной вероятностной среды;
• разработка методов и технических средств для синтеза эргатических систем повышенной эффективности и надежности с оптимальным распределением функций между человеком и машиной, адаптирующихся к изменению решаемых задач и состоянию внешней среды;
• разработка новых средств связи, ориентации, навигации и транспорта, включая космические и подводные супертоннажные корабли;
• разработка мероприятий по охране природных богатств и оздоровлению окружающей человека среды;
• исследование живых организмов и условий их обитания на Крайнем Севере, в пустыне, на глубинах морей и океанов с целью разработки адаптированных к этим условиям сооружений путем внедрения нетрадиционных архитектурных и строительных решений.

Анализ этого не претендующего на исчерпывающую полноту перечня основных задач научно-технического прогресса показывает, что ни одна из них не может быть решена без широкой консолидации ученых и специалистов самых различных отраслей знаний, без объединения биологических и технических наук с использованием современного математического аппарата и методологии, развиваемой бионикой.

Возникновение бионики — одно из наиболее ярких проявлений общей тенденции развития научных исследований, характерных для второй половины нашего столетия; наряду с продолжающейся дифференциацией наук началась их интеграция, взаимное проникновение и, наконец, слияние и объединение.

Известно, что таким великим достижениям науки и техническим реализациям, как оптическая линза, химические источники электричества, закон сохранения и превращения энергии, основы аэродинамики, принципы эхолокации и многие другие, человечество обязано в своей основе глубокому изучению живых организмов и явлений в живой природе.

Однако, несмотря на то, что человечество пытается воспроизвести достижения живой природы со времен далекой древности, бионика как наука возникла только теперь, в 60-е годы XX в.

Закономерность возникновения бионики в наше время обусловливается наличием трех факторов.

Первый из них — острая взаимная потребность в тесном взаимодействии, обмене опытом, научной информацией и идеями представителей биологических и технических наук при решении задач, свойственных этим наукам.

Второй фактор — необходимость решения задач, стоящих на грани этих наук, таких, как протезирование органов, объективный контроль за состоянием организма человека в условиях космических полетов, глубоководных погружений, инженерно-психологическое проектирование систем «человек — машина» и др.

Третьим фактором явилось то, что именно к середине нашего столетия были уже накоплены определенные знания в области изучения структуры и функционирования живых организмов, разработаны основные методы их изучения, а также появилась научная и техническая база, необходимая для постановки этих исследований.

Ярким примером тому служит задача исследования аппарата ориентации летучей мыши. Постановка этой проблемы, целью которой была разработка технических предложений по компенсации утраченного зрения у людей, связана с именем итальянского ученого Спаланцани, работавшего в конце XVIII в. Однако по-настоящему качественно локационный аппарат летучей мыши был исследован лишь нашими современниками после того, как в их распоряжении оказалась измерительная и регистрационная аппаратура, необходимая для постановки эксперимента с ультразвуковыми полями.

Особенно важным для повышения эффективности бионических исследований оказалось совершенствование методов математической статистики, формальной логики, теории игр и операций, теории информации, теории управляемого эксперимента, а также совершенствование технической базы бионических исследований и в первую очередь развитие микроэлектродной техники, разработка миниатюрных датчиков-преобразователей, технические достижения беспроводной биотелеметрии и, конечно, появление на вооружении биоников электронных вычислительных машин различного назначения.

Исследования, выполненные в последние годы ведущими коллективами в ряде передовых стран, подтвердили особую эффективность бионического подхода при решении прикладных инженерных задач в самых актуальных направлениях техники.

Для бионического подхода характерно исследование именно тех особенностей строения и функционирования живого организма, которые необходимы и достаточны для решения конкретных задач синтеза систем определенного назначения. Таким образом, современная бионика категорически отвергла принцип слепого копирования, некритического воспроизведения живой природы в технических аналогах и приняла метод функционального моделирования, базирующийся на требованиях изоморфизма технических систем их биологическим прототипам.

Например, те, кто пытаются решить задачу создания промышленных роботов не бионическим путем, не способны подняться выше задачи автоматизации станочных линий по жестким ограниченным программам. И наоборот, синтез интегральных роботов, способных собирать и анализировать информацию о внешней среде, а также принимать решения и управлять своим поведением в достаточно сложной реальной обстановке, вполне возможен и продуктивен на базе функционального моделирования сенсорных и эффекторных систем живого организма.

Блестящим примером тому является создание робота, предназначенного для сбора и передачи на землю визуальной информации о марсианском ландшафте; работа выполнена под руководством Л. Сутро и У. Килмера на базе модели нервной системы человека, разработанной У. Маккалоком [Sutro L., Kilmer W. L. Assembly Computers to Command and Control a Robot. Spring joint Computer Conf., May, 1969, Boston Mass.].

Развитие бионической методологии пошло в последние годы по пути перехода от изучения элементов биологических систем к более сложным исследованиям их комбинаций, связей и взаимодействия.

Действительно, в последние годы перед бионикой возникли принципиально новые задачи по изучению свойств биологических объектов с целью их адекватного сопряжения с техническими устройствами в единые биотехнические системы.

Эта проблема была сформулирована нами как синтез биотехнических систем (БТС) и требовала разработки своей теоретической базы и специфической методологии [Ахутин В. М. Адаптивные системы «человек—машина». Материалы IV Всесоюзной конференции по инженерной психологии и эргономике. Москва—Ярославль, 1974. Ахутин В. М., Телехов И. В., Шендрик В. Ф., Шиф М. И. О методике согласования характеристик человека и машины при системном проектировании. Проблемы инженерной психологии. Вып. 1. М., 1971.].

Небезынтересно отметить, что о необходимости возникновения биотехнических систем писал еще в 1964 г. Норберт Винер:

«...В наше время мы остро нуждаемся в объективном изучении систем, включающих и биологические и механические элементы. К оценке возможностей этих систем нельзя подходить предвзято, т.е. с позиции механистического или антимеханистического толка. Я думаю, что такие исследования уже начались и что они позволят лучше понять проблемы автоматизации» [Норберт Винер. Творец и робот. Москва, «Прогресс», 1986.].

Действительно, в то время уже начались первые работы по созданию биотехнических систем на базе бионических исследований: биоуправляемые протезы руки и автоматизированные системы искусственного дыхания и кровообращения [Гурфинкель В. С., Малкин В. Б., Цетлин М. Л., Шнайдер А. Ю. Биоэлектрическое управление. М., Наука, 1972. Ахутин В. М., Колесов А. П., Матвеев А. П. и др. О текущей диагностике состояний и автоматическом управлении важнейшими параметрами физиологических систем организма с помощью радиоэлектронного комплекса. — Сб.: Кибернетика в клинической медицине. Изд. ВМОЛА им. С. М. Кирова. Л., 1964.].

Биотехнические системы — это особый класс больших систем, представляющих собой совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления [Бир С. Кибернетика и управление производством. М., Физматгиз, 1963.].

Сегодня уже проведены первые работы, на основании результатов которых может быть сделан очень серьезный вывод в пользу биотехнических систем: в ряде случаев, особенно при необходимости анализа значительных объемов информации (например, при распознавании образов) и принятии решений в реальном масштабе времени, наиболее эффективными оказываются не полностью автоматические комплексы, а биотехнические системы, в которых сочетается искусственный интеллект машины с мозгом человека-оператора, т.е. системы со смешанным интеллектом.

С целью консолидации усилий при проведении бионических исследований стало необходимым из многообразия решаемых бионикой задач выделить главные, определяющие основные научные направления ее развития.

В качестве первого шага, направленного на решение этой задачи, ученые и специалисты стран — членов СЭВ разработали долгосрочный прогноз тенденций развития исследований по отдельным направлениям бионики исходя из требований научно-технического прогресса. На основании анализа прогноза и его дополнения в части постановки новых проблем, связанных с синтезом биотехнических систем, были сформулированы основные направления исследований в области бионики в соответствии с ее вышеприведенными задачами.

Одним из особо важных направлений в наши дни становятся бионические исследования, направленные на освоение природных ресурсов Мирового океана. Природные богатства в виде нефти, горючего газа, полезных ископаемых и продуктов питания, скрытые огромными толщами воды, требуют создания специальных технических систем и комплексов, приспособленных к новой, не свойственной для человека среде обитания.

Подводные работы, снабженные техническими сенсорными системами, различные обитаемые и необитаемые подводные аппараты в какой-то мере уже сегодня используют конструктивные и функциональные решения, отобранные в результате эволюционного развития отдельных видов живых обитателей морей и океанов.

Однако до сих пор остается открытым целый комплекс вопросов, связанных с созданием подводных сооружений — своеобразной подводной архитектуры, для обитания человека на континентальном шельфе, а также для складирования материалов и технических средств, необходимых при освоении отдельных районов Мирового океана. Это прерогатива архитектурной бионики, которая успешно развивается в наши дни в ряде ведущих стран усилиями энтузиастов этого научного направления.

Не случайно научно-координационное совещание по развитию бионики в странах-членах СЭВ в 1981 г. (г. Созопл, НРБ) записало в координационный план в качестве одного из важнейших направлений развития бионики разработку комплексной системы формирования среды обитания под водой на основе сборных конструкций бионического типа и архитектурно-бионических форм для длительного пребывания под водой с целью изучения энергетических минеральных ресурсов и создание комплексной системы жизнеобеспечения человека в сборных формациях подводного типа.

Даже первое ознакомление с внешними очертаниями и формами живых организмов, населяющих подводный мир морей и океанов, позволяет отметить отсутствие правильных геометрических фигур и тел вращения, в то время как технические средства, применяемые для подводных работ, в основном представляют собой различные полые оболочки шарообразной или цилиндрической формы. Это ставит под сомнение адекватность существующих технических решений требованиям особенностей подводной среды применения.

Перспективность бионического подхода при создании подводных конструкций, и особенно при решении архитектурно-строительных задач, подтверждается такими свойствами живых организмов, как:

• адаптивность формы и структуры к условиям обитания и возможность их трансформации при изменении состояния среды и целевой функции живой системы [Темнов В. Г., Лебедев Ю. С. Пространственные конструктивные системы бионического типа. Ленинградский дом научно-технической пропаганды. Л., 1980.];
• экономность в расходовании «живого строительного материала» при полной адекватности и гармонии формы, состава материала и конструкции опорно-двигательного аппарата;
• многофункциональность конструктивных решений (например, плавники некоторых видов рыб сочетают функции движителя, руля и стабилизатора);
• технология развития всех органов и систем в едином масштабе времени;
• зависимость и ограниченность долговечности материалов и конструкций от предельного срока жизни данного живого организма;
• широкая возможность к регенерации в случае аварийных ситуаций;
• эстетическая адекватность подводному экстерьеру.

Естественно, что на пути дальнейшего развития бионики сегодня лежат значительные преграды, которые могут и должны быть преодолены совместными усилиями ученых различного профиля и инженеров совместно с организаторами науки и образования.

Наибольшие осложнения в постановку бионических исследований вносит сам объект изучения — живой организм.

В зависимости от иерархического уровня сложности биологическая система представляет собой совокупность взаимосвязанных систем автоматического регулирования, функциональная схема соединений которых обеспечивает организму необходимую устойчивость при воздействиях различных факторов внешней среды. Достигаемые реализацией принципа дублирования и избыточности высокая надежность и широкая адаптивность организма в то же время чрезвычайно осложняют использование существующих в классической теории автоматического регулирования методов для изучения биологических объектов. Чтобы полностью оценить все затруднения, которые возникают на пути исследователя, необходимо добавить к уже сказанному, что биологическая система регулирования является нелинейно детерминированной, в то время как существующая теория автоматического регулирования представляет собой в основном теорию детерминированных линейных систем.

Необходимо добавить также, что при экспериментальном изучении процессов, протекающих в живом организме, мы сталкиваемся не только с трудностями методологического порядка, связанными с искусственной изоляцией изучаемой системы, ее линеаризацией и т.п., но вынуждены также решать весьма сложные технические — аппаратурные задачи, обусловленные малостью сигналов, получаемых с различного рода датчиков-преобразователей, необходимостью их селектирования на фоне помех, носящих, как правило, случайный характер. Последнее обстоятельство приводит к необходимости использования специального математического аппарата теории статистических решений при обработке биологической информации.

В связи с тем что внешняя среда существенно влияет на поведение биологических систем регулирования, при постановке исследований необходимо уделять особое внимание нормализации и стандартизации внешних условий, т.е. созданию так называемой нулевой среды. Кроме того, внедрение любого постороннего предмета (например, электродов, датчиков, и т.д.) вносит искажения в функционирование исследуемого объекта. Однако, несмотря на этот далеко не полный перечень особенностей биологических систем регулирования, существенно отличающих их от технических систем и усложняющих задачу их изучения, в настоящее время уже намечены пути постановки исследований, определены направления развития теории регулирования применительно к изучению биологических объектов, а также получены первые результаты их математического и физического моделирования.

Из сказанного следует, что основным методом бионики было и остается моделирование. Именно с помощью этого метода представляется возможным углубить наши знания об изучаемом биологическом объекте, решать конкретные прикладные задачи, направленные на создание инженерных конструкций и логических программ для ЭВМ, отражающих интеллектуальную деятельность. У нас нет возможности специально останавливаться на моделировании, что же касается архитектурно-бионического моделирования, то ему будет посвящена специальная глава. Остановимся здесь лишь вот на каком вопросе.

Уже первые попытки синтеза биотехнических систем привели нас к выводу о необходимости разработки и применения так называемых смешанных моделей, где система в детерминированной своей части и процесс управления воспроизводится с помощью математической модели (реализуемой обычно на аналоговой или цифровой ЭВМ), а биологический элемент исследуется в реальном виде будучи включенным в общий контур управления. Смешанные модели оказались особенно продуктивными при реализации метода поэтапного моделирования и воплотились в так называемые тренажно-моделирующие комплексы для решения задач синтеза систем «человек — машина».

При выборе метода моделирования и решении других задач архитектурной бионики представляется целесообразным относиться к архитектурно-строительным задачам и с позиции теории биотехнических систем. Действительно, так или иначе любое сооружение и человек — его обитатель могут рассматриваться как единая биотехническая система, в которой взаимодействуют живые и неживые элементы, объединенные общей целевой функцией.

Архитектор и строитель, выбирая то или иное решение для построения сооружения, например, батискафа для временного пребывания акванавтов или жилого дома, в котором будет жить семья, заранее должен прогнозировать, какое управляющее воздействие на состояние и поведение человека может оказать то или иное выбранное им решение. Таким образом, принцип адекватности, являющийся основным при сочленении живого организма с аппаратом искусственного дыхания и кровообращения в единую биотехническую систему, остается в силе и при проектировании конструкций и устройств, обеспечивающих оптимальные условия обитания человека с учетом возложенных на него профессиональных функций или условий для реабилитации и отдыха.

Естественно, что расширение задач бионики и развитие ее методов требует уточнения формулировки предмета бионики как науки.

На основании высказанных соображений представляется целесообразным считать, что предметом бионики является исследование структуры и функционирования биологических объектов различной сложности — от клеток до живых организмов и их популяций с целью создания новых более совершенных технических устройств и синтеза биотехнических комплексов, оптимально использующих свойства биологических и технических элементов, объединенных в единую функциональную систему целенаправленного поведения. Эта формулировка была одобрена и принята 1-й Международной конференцией «Бионика-75» (1975, Варна, НРБ).

В заключение еще раз необходимо отметить исключительную важность постоянного взаимного обмена всеми видами информации и в первую очередь регулярных и планомерных международных встреч ученых и специалистов, работающих в области бионики и, в частности, одного из ее перспективных разделов — архитектурной бионики, как по отдельным ее проблемам и направлениям, так и по принципиальным вопросам ее развития в системе смежных наук.

Сегодня со всеми основаниями мы можем отметить, что результатами объединенных усилий слециалистов-биоников, наконец, сломан лед недоверия и скепсиса, и наша молодая наука, как корабль, очищенный от льда, выходит на чистую воду.

И хочется пожелать этому кораблю счастливого плавания!

В.М. Ахутин, лауреат Ленинской премии, доктор технических наук, профессор

Предисловие

Предлагаемая книга является совместным трудом ученых ГДР, НРБ, СССР СФРЮ, США, ФРГ и ЧССР.

ГДР представляет доктор технических наук, преподаватель архитектурно-строительного института в г. Веймаре Оскар Бюттнер. Он занимается обобщением и анализом исторического и современного опыта использования в архитектурном конструировании опыта живой природы и спецификой формирования в связи с этим тектонических систем. Его тема вошла в главу книги о конструктивно-тектонических системах.

НРБ представляет кандидат архитектуры, доцент архитектурного факультета Пловдивского политехнического института, главный архитектор Промпроекта Пловдива Матей Матеев. Его тема — общетеоретические вопросы бионики и ее место в структуре архитектуры.

СССР представляет группа ученых: О. А. Гоциридзе (канд. мед. наук), В. Ф. Жданов (геофизик), А. И. Лазарев (канд. архит., КиевЗНИИЭП), Ю. С. Лебедев (канд. архит. ЦНИИТИА), Е. Д. Положай (искусствовед, ЦНИИТИА), Д. Б. Пюрвеев (канд. искусствоведения, ЦНИИТИА), В. И. Рабинович (д-р философии), В. Г. Темнов (канд. техн. наук, ЛенЗНИИЭП). В работе над книгой также принял участие архит. М. А. Антонян (керамическая фабрика, г. Навои), Г. В. Брандт (инж.), С. Б. Вознесенский (канд. техн. наук).

Советскими учеными подготовлено свыше половины объема текста книги по следующим вопросам: общей теории архитектурной бионики, ее истории и методологии; гармонизации форм; вопросам конструирования (надежности и оптимизации систем); внедрения в практику трансформируемых архитектурно-конструктивных систем; по экологическим аспектам формирования жилой среды кочевых народов и др.

СФРЮ представляет главный архитектор Пловдива Андрей Мутнякович, посвятивший свою деятельность проблеме биоурбанизма. Им представлены по экологическим вопросам архитектурной бионики не только размышления о перспективах развития современных городов, но и разработки новых городов — результаты его участия в различных конкурсах национальных и международных.

США представляет архитектор Паоло Солери. Область его деятельности — проблемы экологии города. Он строит вместе со своими учениками собственными силами новый город в пустыне Аризоны — «Аркозанти». Государство не финансирует этот эксперимент. Деньги на его строительство П. Солери с учениками зарабатывает литьем очень интересных и разнообразных по композиции колоколов (может быть поэтому строительство города идет медленными шагами).

П. Солери особенно интересен своими проектами городов и архитектуры будущего, на осознание которых его вдохновляют формы живой природы.

ФРГ представляет доктор архитектуры, профессор Фрей Отто со своими сотрудниками. Биография Ф. Отто — это история развития биологических тенденций в архитектуре ФРГ; именно биологических, поскольку направление, им возглавляемое, называется биологическая архитектура, или биологическое строительство. Однако суть его от этого в целом не меняется. Ф. Отто принимает и архитектурную бионику. Фрей Отто — директор Института легких конструкций (ИЛ — IL) Штутгартского университета, в котором работают 14 человек. Нет сомнения в том, что школа Ф. Отто наиболее практически результативна в освоении законов живой природы в архитектуре. Ими были построены такие известные объекты, как павильон садоводства в Мангейме, Олимпийский стадион в Мюнхене (1975 г.), ряд объектов жилого и общественного назначения в ФРГ, Англии, Канаде, Аравийской пустыне.

В связи с тем что школой Ф. Отто ведутся комплексные исследования законов формообразования живой природы, которые трудно оторвать от результатов их реализации в архитектурной практике, не говоря уже о том, что у них есть своя методология исследования, ей предоставлена в книге отдельная глава.

И, наконец, ЧССР представляет кандидат архитектуры, доцент архитектурного факультета Словацкого политехнического института (СПИ) Михаил Шарафин, возглавляющий архитектурно-бионическое направление.

На организованной Всероссийским обществом охраны природы и ЦНИИТИА в 1982 г. в Москве выставке «В гармонии с природой. Архитектурная бионика-82» были представлены также работы студентов архитектурного факультета Словацкого политехнического института (руководители Д. Майзлик, М. Шарафин).

Авторский коллектив весьма благодарен рецензентам программы и текста книги: проф., доктору архитектуры В. Е. Быкову, доктору искусствоведения Г. Б. Борисовскому, лауреату Государственной премии СССР А. П. Морозову и кандидату техн. наук М. М. Гаппоеву за оказанную в процессе рецензирования научную помощь.

Ю.С. Лебедев, кандидат архитектуры