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

Водяные колеса, ветряные мельницы, паруса и лошади были первыми «первичными двигателями», заменившими человека в качестве источника энергии. После изобретения в конце XV века башенной ветряной мельницы больше не было важных открытий в этой области до появления паровой машины.

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.