История инженерных революций
Текст: Айрат Багаутдинов | 2016-07-13 | 2809
Сегодня мы отправимся в увлекательное историческое путешествие, чтобы попытаться разобраться в том, какие основные вехи предопределили развитие инженерного прогресса и архитектуры. Причём я выступлю в качества адвоката инженерии и докажу, что никакой эволюции архитектуры нет, но есть эволюция инженерии, которая и приводила к смене архитектурных форм.

Первые жилища, которые начал строить человек, выбравшись из пещеры, имели форму шатра. В его основе лежал подсмотренный у природы ?-образный каркас. Он был неудобен и сильно ограничивал возможности для дальнейшего развития, практически не позволяя строениям расти ни вверх, ни вширь.

Поэтому то, что можно назвать первой инженерной революцией, было связано с появлением каркаса в виде буквы «П» – так называемой стоечно-балочной системы. Эта революция является и самой укоренившейся, поскольку до сих пор 99% всех зданий строятся в виде той или иной модификации стоечно-балочной системы. Но мы ассоциируем её, прежде всего, с античностью.


Типи – традиционное переносное жилище кочевых индейцев Великих равнин – хороший пример строения с ?-образным каркасом.

Как вы думаете, а откуда берётся ритм античной колоннады? Почему колонны стоят так часто, а не в два или не в десять раз реже? Основная причина кроется в том, что балки используются каменные. Посмотрите: если мы возьмём доску, положим её концы на две опоры и встанем на неё, то она прогнётся. А камень на изгиб работает плохо – он ломается. Расстояние между колоннами, которое мраморная балка гарантированно выдержит – три-четыре метра. Отсюда и берётся ритм колоннады, который греки сумели настолько распространить, что он стал считаться классическим, очень правильным. Но все эти пропорции, я думаю, вызваны именно инженерными причинами. Кроме того, греки хорошо известны нам своим стремлением к прекрасному. Поэтому местам сопряжения колонн и балок они всегда придавали законченный вид, пытаясь их как-то оформить. Отсюда возникла знаменитая античная ордерная система – не что иное, как попытка художественно оформить место, где балка опирается на колонну. Но нам всегда надо делать скидку на то, что эстетика во все времена могла быть разной. И если сейчас мы привыкли к какому-то определённому прямоугольному сечению балок и колонн, то тогда это могло казаться несколько диковатым.


Стоунхендж – один из наиболее ранних примеров использования стоечно-балочной системы.


Парфенон – построенный в 447 году до н.э. памятник античной архитектуры – яркая демонстрация классической античной коллонады.

Как я уже сказал, стоечно-балочная система имеет один большой недостаток – камень работает на изгиб, а значит, ограничивает величину пролёта. Поэтому следующая революция связана с появлением такой конструкции, в которой инженерам удалось заставить камень работать на единственный эффективный для него вид нагрузок – сжатие. И такая конструкция называется аркой.

Считается, что арки изобрели в Древнем Риме. Возможно, они были известны и прежде – в Древней Месопотамии и в Междуречье – но именно римляне оказались наиболее хорошими распространителями. Они разнесли их по всему миру и таким образом утвердили за собой право называться изобретателями арки. Поэтому её часто называют римской аркой.


Триумфальная арка Константина – трёхпролётная арка, расположенная в Риме между Колизеем и Палатином на древней Via Triumphalis. Построена в 315 году. 

Камни, используемые в арке, малы, поэтому на изгиб они не работают, а давят друг на друга и сжимаются. В конце концов, камень, конечно, всё равно треснет, но нагрузку он сможет выдержать всё-таки достаточно большую. Однако за всё, как известно, приходится платить. В данном случае, избавившись от изгиба, мы платим тем, что в пяточных узлах у нас появляется усилие горизонтального распора. Можно даже сказать, что вся история инженерии, с античности до средневековья, как минимум, а может быть, даже позже, – это история борьбы с горизонтальным распором.

Арки во множестве были использованы римлянами при строительстве мостов и акведуков. Чтобы увидеть акведук, необязательно ехать в Древний Рим. В Москве тоже есть один – Ростокинский акведук. Оказывается также, что многие здания при ближайшем рассмотрении являются лишь совокупностью арок. Например, Колизей – это несколько аркад, поставленных друг на друга, и несколько уложенных друг на друга концентрических стен, сложенных из арок.


Пон-дю-Гар – самый высокий сохранившийся древнеримский акведук. Перекинут через реку Гардон во Франции.

Но нам, русским людям, куда привычнее не арка в чистом виде, а свод. В основе любого свода, которым перекрывались все части храмов вплоть до XVIII века, всегда лежит арка. Самый простой свод называется коробовым или полуцилиндрическим. По виду это половинка цилиндра, а по сути – сильно вытянутая в длину арка. Если возьмём две половинки цилиндра, пересечём их и вынем центральные лепестки, то получится крестовый свод. Если мы пересечём два полуцилиндра, отсечём всё лишнее, а центральные лепестки оставим (лепестки есть не что иное как сегменты пересечённых цилиндров), то мы получим сомкнутый свод. Сомкнутые своды характерны для русского зодчества. Их можно увидеть в палатах бояр Романовых, палатах Английского двора. Коробовые своды чаще всего использовались при строительстве подвалов, а вот примером крестовых могут служить Золотые сени Грановитой палаты в Кремле.

Но, наверное, самым распространённым типом свода в нашем зодчестве является купол – арка, провёрнутая вокруг собственной вертикальной оси на 180 градусов. Это хорошо можно показать на примере Пантеона, который удерживал, наверное, самый длительный рекорд в истории человечества: пролёт шириной 43 метра никто не мог переплюнуть в течение 1300 лет – до тех пор, пока не был построен собор Санта-Мария-дель-Фьоре.


Интерьер Пантеона в Риме. Построен в 126 году н.э. при императоре Адриане.

А теперь давайте порассуждаем, за счёт чего римлянам удалось этого добиться. Камень – материал тяжёлый. Когда мы выстраиваем из него сводчатую конструкцию и намеренно увеличиваем пролёт, то пропорционально увеличивается и вес. Рано или поздно мы достигаем предела, при котором конструкция обрушится под действием собственного веса. Так что же такое придумали римляне, чтобы решить эту проблему?

И здесь мы видим сразу два новшества. Во-первых, считается, что римляне изобрели бетон, который сегодня называют римским. Бетон, как и камень, достаточно тяжёл. Но он может быть и лёгким, если вместо песчано-гравийной смеси использовать другой наполнитель – пористую пемзу. Получается что-то типа хорошо известных нам пеноблоков. Но возникает другая проблема – такой бетон не будет обладать большой несущей способностью. Строители решили и эту проблему, совершив следующую инженерную революцию, которая связана с появлением каркаса. Оказывается, уже в Пантеоне мы можем встретить некий прообраз каркаса: радиальные рёбра жёсткости, которые воедино связаны кольцами и расположенными между ними арками. Это не обычный прямоугольный каркас, а каркас очень сложной формы. Пространство между каменными деталями – распалубками – заполнены тем самым лёгким бетоном, который в этом случае принимает на себя роль лишь ограждающего материала. Этот бетон не несёт нагрузки, её берёт на себя только каркас.

Использовать каркас массово впервые начали при строительстве готических храмов. Для готики характерно стремление вверх. Массивные стены Пантеона гасят горизонтальный распор огромного купола. Но готические храмы намного выше, и в этом случае делать массивные стены чрезвычайно невыгодно – расход материала будет слишком большим. Не говоря уже о том, что в средневековье был утерян секрет римского бетона, поэтому использовался известково-песчаный раствор достаточно низкой вяжущей способности. Стены, будь они очень массивными, могли бы просто рухнуть под собственной тяжестью.

Но что нас поражает больше всего, когда мы входим в готический храм? Это изящный узор на потолке, который называется нервюрами. Архитектор Александр Кузнецов, будучи большим поклонником готики, по этому поводу писал: «Готика, на мой взгляд, – самый правдивый, самый честный стиль в архитектуре; она не прячет свои конструкции за декором – она доводит их до такой степени совершенства, что они сами воспринимаются как элемент декора». Действительно, нервюра – это голый, ничем не закрытый каркас. Но она настолько красива, что кажется нам украшением храма. Это весомый довод в пользу того, что зачастую инженерия становится первоисточником архитектуры.

А ещё, прежде чем войти в готический храм, мы видим рыбий скелет из колонн. Называются они контрфорсами или, в переводе на русский, «противосилой». То есть даже их название говорит о том, что они – не архитектурный элемент, а инженерный. И нужен он для того, чтобы компенсировать горизонтальные распоры. Тонкие стены под действием свода могли бы обрушиться. Но нагрузка передаётся не на стены, а на маленькую арочку (аркбутан), которая, в свою очередь, передаёт её на опорный столб. Эти столбы зачастую бывают массивнее, чем сама стена.


Миланский собор, построенный в стиле пламенеющей готики из белого мрамора. Строительство было начато в 1386 году, однако завершилось оно лишь в начале XIX века, когда по распоряжению Наполеона было закончено оформление фасада. Некоторые детали, однако, доделывались вплоть до 1965 года.

И даже, казалось бы, такой совершенно декоративный элемент как шатровая башенка (пинакль), имеет абсолютно конструктивное назначение. Иногда она делалась каменной, а иногда дополнительно утяжелялась чугунными вкладышами. И это даёт нам подсказку: если пинакли утяжелялись, значит, была задача сделать контрфорс тяжелее и, следовательно, устойчивее на тот самый горизонтальный распор.

Хотя готика и многого достигла в плане каркасности и ажурности, устраивать большие перекрытия из камня было всё-таки сложно. Поэтому следующий революционный шаг связан с появлением не новой конструкции, а нового материала, который в отличие от камня уже хорошо работал на изгиб. И это железо. Появилось оно, конечно, очень давно, но получать его в больших количествах долгое время не умели. А для строительства его надо очень много – это вам не кольчугу сделать и не меч выковать. Ситуация с производством железа наладилась только во второй половине XVIII века; тогда же началось его использование в архитектуре. Старейший сохранившийся образец так называемого чугунного стиля – это Чугунный мост в Англии, построенный в 80-е годы XVIII века.


Чугунный мост в Англии, построенный в 80-е годы XVIII века. 

При всех своих преимуществах относительно камня, чугун всё-таки плохо изгибается и растягивается, поэтому находит применение в основном для строительства колонн и арок. Вершиной чугунной архитектуры становится строительство к Всемирной промышленной выставке 1851 года Хрустального дворца. Всемирные выставки – это очень хороший двигатель инженерного прогресса, ведь они мало того, что были выставкой инженерных достижений, они ещё и требовали строительства огромных павильонов с гигантскими пролётами.

В середине XIX века на смену чугуну постепенно приходит сталь. От чугуна она отличается меньшим содержанием углерода, благодаря чему обладает бо?льшей упругостью и эластичностью, лучше работает на изгиб и растяжение. Так начинается эра небоскрёбов. Но толчком к ней становится не только появление методов промышленного изготовления стали, но и появление прокатного профиля – двутавровой балки в виде буквы «Н», положенной набок. Важно это потому, что любая коробчатая структура обладает большой прочностью, сопоставимой с прочностью сплошной структуры, но при этом намного легче неё.

Первый небоскрёб появляется в Чикаго в 1886 году. Он имеет целиком стальной несущий каркас, и именно этот факт, а вовсе не высота здания (она, кстати, была небольшой – всего 12 этажей) позволяет называть его небоскрёбом.


Здание страховой компании в Чикаго, построенное в 1885 году, считается первым в мире небоскрёбом. Первоначально имело всего 10 этажей и высоту 42 м. Позднее, в 1891 году, были надстроены ещё два этажа, а высота здания выросла до 54,9 м.

Следующую инженерную революцию производит ферма (от латинского firmus – «прочный») – строительная конструкция, остающаяся геометрически неизменяемой после замены её жёстких узлов шарнирными. Простейшим примером неизменяемой фигуры является треугольник.

Активно распространяться фермы начинают в XIX веке, чему способствует развитие железнодорожного транспорта. Именно фермы становятся основным конструктивным элементом строящихся мостов и вокзальных дебаркадеров. В нашей стране первый деревянный ферменный мост – Веребьинский – был построен во время прокладки Петербурго-Московской железной дороги (наша первая протяжённая железная дорога) в 40-е годы XIX века. Правда, система ферм для него была разработана американским инженером Гау. Ну а самой знаменитой ферменной конструкцией стала, конечно же, Эйфелева башня.


Ферменный мост в Польше через реку Висла.

Примерно с середины XIX века в широкую практику входит расчёт конструкций. И одна из первых ласточек в расчётах была связана с нашим Веребьинским мостом. Металлические тяжи (работающие на растяжение стержни) в фермах системы Гау имели одинаковое сечение. Но участвовавший в строительстве этой дороги молодой русский инженер Дмитрий Журавский заметил, что в стержнях возникает разное напряжение, а значит, их можно делать разного сечения, что позволит немного сэкономить на металле. Словам юного инженера значения не придали, и тогда он провёл, наверное, один из самых красивых экспериментов в истории строительства. Он сделал масштабную модель моста из деревянных реек, а тяжи заменил струнами. Затем он пропорционально загрузил свой мост, сделал смычок и провёл им по струнам. Как вы можете догадаться, струны в разных местах давали разную высоту тона. Таким образом он доказал, что в них возникает разное напряжение и, значит, их можно и нужно делать разной толщины. Такие фермы получили название «фермы Гау-Журавского». По меньшей мере, до 70-х годов они использовались по всей Европе. Вытеснить их смогли лишь целиком стальные фермы.

Но в фермах, как бы хороши они ни были, разные элементы работают на разные виды нагрузок: одни растягиваются, другие сжимаются, третьи изгибаются. И основной процент элементов работает всё-таки на сжатие. Сталь, как вам скажет любой инженер, на растяжение работает гораздо лучше, поэтому следующей революцией становится появление конструкций, в которых сталь заставляют растягиваться. Речь идёт о подвесных и висячих конструкциях, которые были реализованы главным образом в мостах. Если не брать во внимание висячие мосты из лиан, которые издревле сплетались где-то в Центральной Америке и Юго-Восточной Азии, то первым висячим мостом можно считать мост, построенный в самом конце XVIII века в Пенсильвании, английским инженером Джеймсом Финли. Этот мост не сохранился до наших дней, но на его примере можно рассмотреть, как вообще работают подвесные мосты.


Юнион Бридж – старейший из сохранившихся висячих мостов в мире. Построен в 1820 году между Англией и Шотландией.

Вместо того чтобы опирать пролётное строение на работающую на сжатие стальную арку, мы подвешиваем его на цепях. Основная цепь перебрасывается через пилоны (столбы) и закрепляется в земле с помощью мощных анкерных блоков-якорей. Пилоны при этом испытывают небольшую нагрузку на сжатие от веса цепи; основная же нагрузка приходится на цепь и анкерные блоки.

Одним из самых известных висячих мостов в мире являются Золотые Ворота в Сан-Франциско. А вот мост Акаси в Японии является рекордсменом: у него самый большой основной пролёт в мире – почти два километра.


Акаси-Кайкё – висячий мост в Японии. Мост является самым длинным висячим мостом в мире: его полная длина составляет 3911 м, центральный пролёт имеет длину 1991 м, высота пилонов составляет 298 м.

В Москве имеется только один висячий мост – Крымский. Но он не сильно оправдан с точки зрения инженерной целесообразности. Поскольку его пролёт составляет всего лишь 135 метров, то это запросто выдержала бы и арка, как, например, у соседствующих с ним Каменного и Москворецкого мостов. Крымский мост в своё время был мировым антирекордсменом – у него был самый большой расход металла на единицу поверхности. Но при этом он действительно красив и вполне заслуженно стал одним из символов Москвы.

В конце XIX века появляется другая разновидность висячих мостов – вантовые. У них, в отличие от обычного висячего моста, тросы (ванты) тянутся сразу к пилону, и поэтому на него приходится вся сжимающая нагрузка. Самый большой основной пролёт среди вантовых мостов – у Русского моста во Владивостоке – 1104 метра. Самый высокий мост в мире, а заодно, наверное, претендующий на право называться одним из самых красивых, – тоже вантовый. Это виадук Мийо во Франции. Когда едешь по этому мосту, облака находятся под вами. Его самый высокий пилон имеет высоту в 350 метров. То есть он выше, чем Эйфелева башня и даже чем высочайшее на сегодняшний день здание в Европе – Меркурий-Сити-Тауэр в Москве (343 метра).


Вантовый виадук Мийо во Франции, самый высокий в мире транспортный мост. Одна из его опор имеет высоту 341 метр – немного выше, чем Эйфелева башня, и всего на 40 метров ниже, чем Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке.

Спору нет: сталь – материал очень хороший. Но и он имеет несколько недостатков. Во-первых, сталь ржавеет; во-вторых – плавится. Если каркас от действия температуры начинает размягчаться, а на него в этот момент давит огромная нагрузка вышележащих этажей, то это, конечно, прямой путь к аварии. Есть и третий недостаток: сталь достаточно дорога. Поэтому мы перейдём к следующей революции: связана она с появлением материала, который избавляет сталь от всех её недостатков лёгким движением руки. Этот материал – железобетон, который сочетает в себе все лучшие свойства стали и камня (бетон – это всё-таки искусственный камень). А работает он так. Нижние слои любой горизонтальной балки всегда растягиваются, верхние – сжимаются. Вспоминаем, что на растяжение хорошо работает сталь, значит, мы помещаем большую часть арматуры в нижней части балки. А камень хорошо работает на сжатие. Значит, в основу верхней части сечения балки мы помещаем больше бетона. При этом металл оказывается защищён от коррозии и от огня, а его расход становится относительно небольшим.

Первый дом из полноценного железобетона появился в 1853 году во Франции. Построил его Франсуа Куанье. Но он не запатентовал и не развивал технологию. Поэтому многие связывают появление железобетона в строительстве с именем садовника Жозефа Монье. Он продавал растения в горшках, которые часто бились. И он придумал, как решить эту проблему. Он сделал горшок из стальной сетки и обмазал её цементно-песчаным раствором. В 1867 году эту технологию он запатентовал. А потом он запатентовал и всё остальное, что только можно было делать из железобетона: мосты, перекрытия, лестницы и тому подобное. Позднее все патенты у него купили немцы. Именно они заложили основы науки о железобетоне и способствовали его распространению во всём мире.

Немцы же привезли железобетон и в Россию. У нас его история начинается с ГУМа. Изящные мостики ГУМа, балконы – это всё сделано из железобетона.

Наконец, ещё одна, последняя революция связана с появлением новых конструкций, в которых бетон научили принимать всевозможные формы, в точности следуя, во-первых, замыслу архитектора, что дало ему огромный инструментарий, а во-вторых, замыслу инженера, потому что бетон в силу своей податливости мог принимать именно те формы, которые были наиболее рациональны с точки зрения распределения нагрузок в этой конструкции. Такие конструкции называют покрытиями-оболочками. Законодателем мод здесь был итальянский инженер Пьер Луиджи Нерви, который построил очень много таких оболочек по всему миру.


Выставочный зал в Париже от инженера Пьера Луиджи Нерви – пример использования покрытия-оболочки. 

Оболочка – это покрытие очень маленькой толщины, что можно хорошо проиллюстрировать на примере куриного яйца. Соотношение толщины скорлупы к диаметру яйца равно 1:133. Если мысленно увеличить яйцо до размеров Пантеона, то скорлупа этого яйца будет в 12 раз тоньше купола Пантеона, несмотря на всю рациональность конструкции этого сооружения. То есть во II веке, когда Пантеон был построен, природа существенно опережала инженерию. А теперь посмотрим на построенный Пьером Нерви в 1958 году в Париже выставочный зал. Только представьте: при ширине пролёта в 220 метров (соизмеримо с футбольным стадионом «Лужники»), он перекрыт оболочкой толщиной всего в 12 сантиметров. А яйцо такого же размера имело бы скорлупу толщиной в два метра!

В 60-70-х годах XX века архитекторы вновь начинают активно обращаться к стали, а немец Фрай Отто одним из первых создаёт сетчатое покрытие из стали и стекла. Мне кажется, что любой профессионал на определённом этапе своего роста начинает задаваться вопросами типа: «Кто мы? Откуда и куда мы идём?» И, по всей видимости, Фрай Отто подумал: «Неужели я был первым, кто придумал подобные стальные и металло-стеклянные оболочки?» Он стал искать тех, кто этим когда-либо занимался, и наткнулся на работы Владимира Шухова. Про Шухова все забыли на долгие годы. Его немножко знали в России как автора гиперболоидных башен, но никто не помнил про его уникальные сетчатые покрытия. А ведь именно Шухов был первым, кто ещё в 1894 году додумался использовать сталь на растяжение не только в мостах, но и в покрытии зданий. Для Всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде Шухов построил восемь павильонов с первыми в мире перекрытиями в виде сетчатых оболочек.


Одно из самых известных применений сетчатой оболочки – перекрытие внутреннего двора Британского музея, работа Нормана Фостера.

Одной из последних тенденций в инженерии и в проектировании покрытий стали оболочки-мембраны, использование которых сегодня прочно вошло в практику европейской, североамериканской и японской архитектуры. Мембранами называются покрытия, которые одновременно выполняют и несущие, и ограждающие функции. То есть оно и держит свой собственный вес, и в то же время защищает от снега и дождя. Это очень тонкие оболочки, которые обычно делаются из синтетической ткани – достаточно толстой по сравнению с обычной тканью, но тонкой по сравнению с железобетонными оболочками. Мембраны тоже придумал Владимир Шухов, и вот в чём заключается их прелесть. В сетчатом покрытии есть несущая сетчатая часть и ограждающая часть – кровельное железо или стекло. Шухов подумал: а нельзя ли сразу из кровельного железа сделать покрытие, которое могло бы выдерживать нагрузку? В результате для той же самой выставки в Нижнем Новгороде он построил павильон-ротонду с висячей мембраной диаметром 25 метров, которая была сделана из кровельного железа и действительно могла нести нагрузку.


Купол тысячелетия в Лондоне, построенный Ричардом Роджерсоном, создан уже с применением технологии оболочки-мембраны. 

Какой будет следующая революция, я не знаю. Но мне кажется, что плодотворный путь, как мы видели в предыдущей революции, – это путь обращения к прошлому. Изучайте прошлое – и вы будете на шаг впереди!


Об авторе: 

Айрат Багаутдинов – инженер, основатель проекта «Москва глазами инженера», автор книги «Что придумал Шухов».


Подпишитесь на eRazvitie.org в Фейсбуке и ВКонтакте, чтобы не пропустить новые материалы.