История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Строители и постройки

Начиная с эпохи Средневековья и до появления мостов, предназначенных для тяжелых нагрузок, в начале XIX века, главные инновации в строительстве появлялись в процессе сооружения монументальных церквей. Интересные открытия в Средние века, разумеется, совершались и в гражданском строительстве, но удивительная эволюция строительной инженерии церквей представляется наиболее важной. В этот период сформировалось два архитектурных стиля – романский и готический. Оба они ставили задачи, решения которых оказывались шагом вперед.

Особые требования христианского поклонения обусловливали конструктивные особенности церквей – дополнительный объем у алтарей для апсид и ризниц. Первым важным примером христианской архитектуры стал собор Святого Петра в Риме, освященный в 326 году. Являясь, по сути своей, базиликой старого греко-римского стиля, окруженный колоннами неф храма Святого Петра был вдвое шире, чем в готических соборах спустя тысячелетие, однако почти той же длины и высоты. Обычно он имел деревянную стропильную крышу. В плане он был выполнен в форме буквы Т, имел открытый поперечный неф, который тянулся по обе стороны алтаря, а позади него – полукруглую апсиду. Появление сводчатого крестообразного в плане помещения в трансепте привело к стилю Святой Софии. На Западе, однако, добавление высокого шпиля к традиционной христианской базилике создало первую типично средневековую церковь. Башня не была римским или восточным вкладом, она пришла с севера Европы.

Большим недостатком базилик с деревянной крышей и башней была уязвимость перед огнем. Очевидно, именно из-за постоянных разрушительных пожаров – или случайных, или намеренных – инженеры в VIII веке начали строить церкви с огнеупорными каменными сводами и перестраивать старые. Поскольку эта «первая романская архитектура» появилась в регионах, где еще уцелели римские сводчатые постройки, представляется вероятным, что римское строительство повлияло на развитие нового стиля. В ранних романских церквях только относительно узкие пролеты были сводчатыми, потому что тонкие колонны нефа не могли поддерживать тяжелые каменные своды. Со временем, когда колонны стали прочнее, весь неф стал сводчатым. Сначала своды нефа и проходов были бочарными, но вскоре инженеры придумали крестовые своды, которые являются пересечением двух бочарных сводов под прямыми углами. В XI веке крестообразный план церквей стал вытеснять Т-образный, использовавшийся с IV века. Куполы и своды появились вскоре после принятия крестообразного плана. Широкие своды в некоторых купольных церквях стали настоящим триумфом средневековой инженерии.

Эволюция, описанная в предыдущих параграфах, является по большей части заслугой римских строителей. Только в XI веке, когда средневековые инженеры изобрели ребристый свод, им удалось обойти римских строителей. Арочные ребра строились независимо от свода и обеспечивали опору для каменного свода. Ребристый свод с большим пролетом имел тенденцию провисать, и, чтобы предотвратить это провисание, средневековые инженеры придумали ребра, которые приобрели особенно большое значение в последующих готических постройках. Одна из величайших романских построек – третье аббатство Клюни, освященное в 1130 году. Это было огромное сооружение длиной почти 300 футов. Его ребристые своды возвышались над землей на высоте 100 футов. Хотя остальная часть сооружения была романской, аркады проходов были типично готическими с заостренными арочными ребрами, тонкой каменной паутиной и декоративными стенами. Между тем большой купол нефа опирался на стены, которые не были предназначены для боковых нагрузок. Таким образом, из-за недостатка понимания принципов статики инженерам приходилось строить прочные боковые подпорки, когда часть свода в 1125 году рухнула. Очевидно, они считали, что свод будет давить строго вертикально на внутреннюю часть стены.

Готские строители в парижском регионе, где расположены самые известные готические соборы, вероятно, учли строительные ошибки в Клюни, хотя, похоже, не сразу поняли, что подпорки все равно будут необходимы. Первое систематическое использование арочных контрфорсов – аркбутанов – имело место в парижском Нотр-Даме в 1180 году, хотя последовательное использование готского стиля отмечено в Сен-Дени в 1137 году. Инженеры парижского региона XII века понимали важность изучения строительного опыта Клюни. К концу века они приобрели новые важные знания статики из опыта и научились уравновешивать горизонтальные силы со значительной экономией материалов.

Готический собор парижского региона – это, по сути, сооружение, в котором опорные колонны иногда имеют высоту 100 футов или более. Между этими колоннами располагаются экранные стены (большую часть площади которых занимают окна), поддерживающие только собственный вес и структурно не встроенные в колонны. От колонн отходят заостренные арки – строительный элемент, прибывший с Востока в начале XII века. Заостренная арка эффективнее с точки зрения статики, чем полукруглая, поскольку больше соответствует линии действия нагрузки. Поэтому в заостренной арке возникает меньшее внутреннее напряжение и ее можно строить из более мелких камней. По этой же причине паутина между поддерживающими свод ребрами может быть легче, если использовать аккуратно вырезанные и подогнанные камни. Некоторые паутины сводов имеют толщину всего 6 дюймов. Своды собора в Бове поднимаются над землей на 158 футов. Крыша деревянная стропильная. Защита от дождя и снега установлена на высокой несущей стене, которую поддерживают опоры. Крышу нередко строили до того, как своды начинали защищать внутренние помещения от суровой погоды.

Несмотря на облегчение веса сводов, колонны не могли противостоять боковой нагрузке от сводов, хотя являлись вполне адекватными для передачи вертикальной нагрузки на фундамент. Чтобы передать боковую нагрузку вниз на землю, средневековые инженеры изобрели арочные контрфорсы – аркбутаны (рис. 5.5), передававшие боковое усилие распора от сводов постройки. Аркбутаны также помогали противостоять ветровой нагрузке на здание.

Хотя в этой книге используется словосочетание «средневековые инженеры», люди, управлявшие строительством готических соборов, не были ни инженерами, ни архитекторами в современном смысле этого слова. Скорее, они были опытными мастерами-каменщиками, которые осуществляли инженерный и архитектурный надзор за строительством. Опытным мастерам-строителям платили в три, а то и в четыре раза больше, чем ремесленникам, и они занимали довольно высокое социальное положение. Многие из них были неграмотными, и все они обучались профессии, пройдя длительный период ученичества. Кое-кто, несомненно, мог прочитать некоторые манускрипты, к примеру, Витрувия, но человеку надо было знать намного больше, чем изложено у Витрувия, чтобы руководить строительством готического собора.

Рис. 5.5. Арочные контрфорсы, хоры, Сент-Уэн, Руан

Есть свидетельства того, что средневековые инженеры использовали бумагу, пергамент и древесину для чертежей, но эти архитектурные планы до нас не дошли. Между тем до сих пор существует горизонтальный план монастыря Сен-Галлен, Швейцария, который государственный деятель и биограф Карла Великого Эгинхард разработал сразу после 800 года. В Британском музее и других европейских коллекциях есть и другие, более поздние планы. Самый известный альбом рисунков находится в Парижской национальной библиотеке и принадлежит Виллару де Оннекуру, архитектору XIII века. Тридцать три его рисунка на пергаменте с пояснительными надписями сохранились до наших дней. Возможно, архитектор планировал использовать свой альбом как учебное пособие для молодых строителей. На одном из рисунков показано приспособление для отпиливания свай под водой (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Машина для отпиливания свай под водой

Представляется в высшей степени сомнительным, что средневековые архитекторы использовали в работе модели целых зданий и даже крупных секций. Однако они постоянно применяли шаблоны и крупномасштабные чертежи мелких секций. Есть много свидетельств того, что мастера-каменщики делали деревянные и тканевые шаблоны, которые отправляли в каменоломни, чтобы облегчить придание камню нужной формы, и найдено по меньшей мере два свинцовых шаблона. Есть несколько полномасштабных чертежей на стене Реймсского собора, по которым мастера строили отдельные части здания. Средневековый архитектор делал так много чертежей, рисунков и шаблонов, что у него было для этого специальное помещение – предшественник современного архитектурного бюро.

Основными материалами, использованными в строительстве, были камень, раствор, железо, древесина и гвозди. Средневековые инженеры имели обширные знания о свойствах материалов, с которыми работали. В некоторых великих соборах участки ненесущих стен выполнены из мягкого камня, а поддерживающие столбы – из твердого. Строители иногда использовали атмосферостойкий камень для наружной облицовки и, как правило, использовали разные методы, такие как покрытие белой известью, для предотвращения разрушения камня. Их раствор, однако, являлся сравнительно неэффективным, иногда ему требовалось несколько лет, чтобы затвердеть, и часто он обладал низкими адгезивными свойствами. В большинстве готских соборов много кованых железных скоб, дюбелей, анкеров и даже цепных тяг с проушинами. Детали из кованого железа кипятили в жире, чтобы предотвратить появление ржавчины. Для крыш средневековые строители использовали древесину, и, если применяли гвозди из кованого железа, их тоже варили в жире для сохранности. Средневековые строительные инструменты отличались от римских. Средневековые инженеры использовали в качестве подъемных механизмов ступальные колеса и нечто вроде токарных станков для вытачивания дерева и камня. В середине XIII века широко распространились ручные тележки, дающие экономию в рабочей силе.

Дороги и мосты

В Средние века стало меньше путешественников и торговцев, но торговля и путешествия не прекратились. Римские дороги, хотя и заброшенные, продолжали использоваться. Мостов было мало, но паромы были широко распространены, и нередко мостились броды. Существуют свидетельства того, что новые дороги отвечали изменившимся условиям. По-видимому, они не имели твердого покрытия, которое не было необходимо, пока дороги использовались только при погодных условиях, подходящих для путешествий. В некоторых частях центра и запада Европы мосты сносили, чтобы дать жителям естественную защиту в виде реки. Но люди продолжали передвигаться по Европе, и искусство мостостроения не исчезло.

Император Карл Великий, как Юлий Цезарь до него, построил большой деревянный мост через Рейн у Майнца. Это было около 800 года. Его строили десять лет, а сгорел он всего за три часа. Император планировал построить новый мост из камня, но умер, и его план не был осуществлен. Цезарь оставил подробный рассказ, но о труде Карла Великого мы можем строить только догадки. По-видимому, это был мост на тяжелых сваях. Их фундамент под водой можно было увидеть еще в 1881 году, хотя некоторые авторитеты считают, что это были остатки римского моста. Да и случайный характер пожара подвергается сомнению. По одной версии, грабители уничтожили мост, захватив там товары. По другой – его сожгли перевозчики, чтобы укрепить свой бизнес. По третьей версии, разрушить мост приказал епископ Майнца, чтобы остановить грабежи и убийства, ставшие там обычным явлением, в результате чего многие несчастные исчезли в реке. Трудно поверить, что Карл Великий санкционировал такое решение после того, как мост строился десять лет, да и епископ вряд ли мог принять такое решение без согласования с императором. В любом случае каменный мост в этом месте появился только в 1862 году.

Испанские мавры строили достойные каменные мосты, да и в центре Европы они периодически появлялись – в Италии и Германии. Обычно мосты состояли из полукруглых арок, массивных опор и жестких линий типично римских конструкций. В XI веке строительство мостов, так же как церквей, активизировалось. И мосты стали появляться самые разные. Можно выделить мосты с заостренными арками, как тот, что был построен через реку Тарн в районе города Альби, Франция, и мост Марторель в Испании (рис. 4.5). Для большинства мостов все еще использовались полукруглые арки; пример – мост через Дунай в Регенсбурге, построенный в 1135–1145 годах. Но все чаще появлялись более плоские сегменты окружностей большего радиуса. Пролеты больше не были одинаковыми на всем протяжении, например, симметрично возрастали к центру. Стали возникать довольно-таки причудливые конструкции. Особенно это касалось уклона дороги. Римляне строили равномерно выгнутые мосты, называя их «спина мула», а средневековые строители могли устроить высшую точку в любом месте, там, где это было удобно – например, где проходил судоходный канал. Их мосты отличались друг от друга еще больше, чем от римских предшественников. Подвижные деревянные заграждения пролетов – их можно было поднять, чтобы пропустить лодки, или, наоборот, опустить, тем самым остановив движение, что являлось распространенной мерой обороны, – использовались на мостах через рвы средневековых замков. Одни поднимались на цепях, другие представляли собой обычные платформы, которые выдвигались, как сходни. Также были pons a bascule (сбалансированные, уравновешенные мосты), небольшие деревянные конструкции, обычно использовавшиеся во французской сельской местности.

Пусть крестовые походы не изгнали мусульман со Святой земли и не способствовали привлечению научных знаний мусульман в Европу, однако они определенно стимулировали передвижения по Европе, и, как следствие, появилось много каменных арочных мостов. Поскольку местные власти часто не были заинтересованы в развитии связей с другими регионами, эту задачу взяли на себя энтузиасты и религиозные ордены. Freres Pontifes, или мостостроительное братство, поставило перед собой задачу помогать путешественникам, обеспечивая их жильем и переправой, и строить мосты. Это было одновременно общество помощи путешественникам и организация профессиональных инженеров. Что касается отдельных энтузиастов, можно упомянуть некого Бенезе. Утверждают, что он начал свою карьеру пастухом, а завершил – святым. Ему приписывают строительство моста через Рону у Авиньона в 1178–1186 годах. Из свидетельств его современников невозможно определить, кем он был: пропагандистом и популяризатором или инженером. Он не оставил ни записей, ни чертежей. Сохранились только четыре из двадцати одной арки, построенной изначально (рис. 5.7). Они имеют приблизительно эллиптическую форму, но резче изогнуты в верхней части, чем в линии пят. Форма представляется весьма необычной.

С именем Бенезе и его мостом связан ряд легенд. Покинув пастбище, он пришел в Авиньон и сказал жителям: «Иисус Христос послал меня в этот город, чтобы я построил мост через Рону». Он получал помощь свыше. Он поднял камень, который не могли сдвинуть с места тридцать человек, тем самым убедив епископа и городские власти в своей миссии и получив 5000 су от потрясенного населения. Представляется, что всего Бенезе совершил восемнадцать чудес. Он помешал дьяволу, пожелавшему его убить, однако дьявол вроде бы сумел повредить одну из опор. Утверждают, что Бенезе получил индульгенции для жертвователей на свой мост от римского папы.

Рис. 5.7. Руины Авиньонского моста

Местное население зачастую не проявляет энтузиазма относительно проектов, выходящих за пределы их местности, особенно если те требуют расходов. В XIV веке Piers Plowman – Петр-пахарь – призывал богатых купцов Англии ремонтировать дороги и отстраивать мосты. Епископ Дарема обещал индульгенцию всем, кто примет участие в финансировании восстановления моста Botyton. Но в 1439 году жители Орлеана продемонстрировали больший интерес. Они посетили строительство моста и оценили фундамент. Потом было дано объявление, и контракт заключили с теми строителями, которые представили самое заманчивое предложение.

Со временем появилось разнообразие. Инженеры получили возможность свободно выбирать из арок разных форм (сегментная, заостренная, эллиптическая). Они могли использовать камень или кирпич. Они варьировали ширину и высоту опор по своему усмотрению. Украшенные башенки, дома и другие беспорядочные постройки образовывали неповторимый силуэт на фоне неба и больше ничем не напоминали римские акведуки. Мост Сент-Эспри (мост Святого Духа) через Рону, построенный в 1265–1309 годах орденом, известным как Hospitaliers Pontifes – госпитальеры-мостостроители, – имеет длину 2700 футов и 26 арок. На протяжении многих лет этот мост считался самым длинным в мире. Длина пролетов составляла от 85 до 110 футов, толщина опор – от 10 до 50 футов. Мост в Треццо, Италия, поднятый на 1375 футов, имел самую длинную в мире арку – более 230 футов. Но при всех вариациях и адаптациях не было существенных перемен в мостостроении, пока итальянец Палладио в XVI веке не начал экспериментировать с фермами.

Мы не знаем, когда был построен первый деревянный мост через Темзу на месте знаменитого Лондонского моста. Мост уже существовал, когда король Свен из Дании попытался отобрать Лондон у Этельреда в 994 году. Много людей Свена утонуло в реке, потому что во время бегства они не пользовались мостом. Мост существовал до 1176 года, когда священник и инженер Питер, капеллан церкви Святой Марии, начал возводить каменный мост (рис. 5.8). Строительство велось тридцать три года. Его главный строитель умер за четыре года до завершения постройки в 1209 году. Работы завершили три лондонских купца, Мерсер, Олмейн и Боутрайт. Они не были инженерами и потому привезли французского инженера брата Иземберта, обученного в традициях Бенезе. Питер был похоронен в часовне на мосту.

Кроме подъемника мост имел 19 заостренных арок из обтесанного камня. Опоры были установлены на фундамент, достаточно прочный, чтобы противостоять течению реки. Согласно «Описанию Лондона» Джона Стоу, впервые опубликованному в 1598 году, во время сооружения моста Темза была отведена в канал на участке от Редриффа до Баттерси, то есть на протяжении 4 миль. Если так, это было выдающееся инженерное достижение, поскольку Темза на этом участке широка и подвержена приливам. Архиепископ Кентерберийский выделил некоторую сумму на расходы. Король тоже выделил средства, жители Лондона устроили подписку, и обитатели окрестных графств делали добровольные взносы. Свободные земли в Лондоне были экспроприированы для новых зданий, чтобы получать доходы. Карьера печально известного короля Иоанна имела и другие искупительные черты, не связанные с его принятием Великой хартии вольностей. Именно он занимался экспроприацией этих земель и назначил Иземберта преемником Питера в должности инженера.

Рис. 5.8. Лондонские мосты 1209 и 1831 гг.

Лондонский мост был создан для того, чтобы умные люди проходили по нему, а глупые – под ним. После завершения постройки мост уже при Генрихе III стал быстро разрушаться. Согласно записям, в результате сильных морозов и снегопадов 1282 года открылись большие трещины в каменной кладке и пять арок обрушились. Да и строители не уделяли должного внимания прочности, точнее, слабости использованных материалов. На мосту строились магазины, дома, башни. Как-то раз целый ряд построек рухнул в воду. Естественно, это было опасно для глупых людей, которые шли под мостом. Кроме того, на определенных стадиях отлива воды в реке было так мало, что судоходство прекращалось. Русло составляло не более трети длины моста, который стали называть дырявой дамбой, а не мостом. Тем не менее, несмотря на своеобразный характер и недостатки, старый Лондонский мост был неплохо спроектирован и простоял 600 лет. Новый мост был построен только в 1831 году.

Если говорить об инженерном искусстве, строительство средневекового моста не может сравниваться с постройкой собора. Собор – сооружение огромное, но одновременно изящное, а мост – тяжелое, громоздкое. Фундамент моста, как правило, был надежнее, чем у собора, но соображения экономии всегда играли первостепенную роль. Он, как правило, обеспечивал движение над рекой только в одну сторону – то есть был узким. Мост обычно не был приспособлен для движения тяжелого транспорта. К мосту не обеспечивались удобные подъезды. Почти не было опасности, что кто-то окажется застигнутым на мосту во время разлива и его унесет течением. Реки разливались вширь в обе стороны и затапливали окрестности. Даже если средневековый мост был каменный, он все равно не был атмосферостойким и подвергался разрушительному воздействию погодных условий.