У р о к   М Х К

Конструкция

Общая информация и практические задания

Конструктивные системы: стоечно-балочная, система арочного свода, крестово-купольная и каркасная готическая. Попробуем разобраться в том, что же это такое.

Прочность — основа любого архитектурного сооружения.

Известен интересный случай из истории: персидский царь Ксеркс приказал построить мост, но буря разбросала сооружение. Тогда владыка наказал море — его солдаты взяли длинные бичи и высекли море, отсчитав три тысячи ударов. Так Ксеркс выразил свое разочарование прочностью сооружения. Немало зодчих поступило бы так же, бунтуя против недолговечности конструкций и материалов.

Наше эстетическое чувство не будет удовлетворено, если мы увидим непрочно стоящее здание или сооружение, готовое разрушиться. В основе прочности лежит техническая, или конструктивная, сторона архитектуры. Конструктивная сторона подразумевает, с одной стороны, материалы, с другой — конструкции. Рассмотрим сначала конструкции.

В основе любой конструкции лежит перекрывающая часть и часть опорная — несущая. Опорные конструкции — это фундамент, стены, опоры-стойки. Есть два вида перекрытий — балочные и сводчатые .

Балочные перекрытия основаны на сочетании опоры и балки. На колонны-опоры кладется балка. Балка, непосредственно опирающаяся на колонны, называется архитрав. Чтобы перекрыть все помещение, на главные балки настилаются поперечные. Нагрузка в центре балки предельная. Если колонны сильно раздвинуть, то балка может треснуть посередине. Это происходит потому, что балка, лежащая на опорах, испытывает снизу силу растяжения, а сверху силу сжатия. Если расставить опоры дальше друг от друга, то силы растяжения будут непомерно велики и балка треснет посередине. Понятно, что из хрупкого песчаника балки делают не такие длинные, как из упругого дерева. Вот почему египтяне, использовавшие песчаник, так тесно ставили колонны — иначе балки бы не выдержали. От этого леса колонн в гипостильном зале создавалось впечатление давящей, уничтожающей человека массы.

Для стоечно-балочной системы более подходит дерево, нежели камень. Ведь дерево легко как растягивается, так и сжимается. Не то с камнем. Его сложнее использовать в качестве опоры: для сжатия он вполне подходит, но если действуют силы растяжения, то каменные балки быстрее лопаются. Вот почему поначалу каменные стены перекрывали деревянными балками. Но такие сооружения были недолговечны, они могли сгореть. К тому же люди, живущие на берегу моря, использовали дерево для строительства кораблей.

Стоечно-балочной системе отдавали предпочтение греки. Внутреннее пространство греческого храма было не столь важно — все шествия, праздники проходили по наружной стороне храма, а внутрь допускались лишь избранные, там хранилась казна города.

В Греции была достигнута гармония между архитектурными пропорциями и пропорциями человеческого тела: человек не подавлялся, а чувствовал себя вершиной мироздания, по образу и подобию которого возводятся сооружения. Образ стройных рядов колонн, несущих на себе единый монолит перекрытия, связывался в сознании греков с многочисленными членами общества, несущими на своих плечах общие заботы о государстве. Но при этом внутреннее пространство не расширялось. Да и как оно могло расшириться, когда единственной возможностью это сделать было максимальное увеличение числа колонн. Как заставить колонны держать большие нагрузки? Только сделав их толще и больше. Но лес из колонн не позволял разместить большое количество народу для собрания или созерцания зрелищ, для спортивных состязаний или защиты от врагов.

Решение было найдено римлянами, которые строили в основном не религиозные, а общественные сооружения. Возникла потребность — появилась и возможность ее реализовать. Был изобретен бетон, который помог создать арку. «Аркус» на латыни — это дуга. Дугообразное перекрытие стало возможным благодаря тому, что камни стали скреплять с помощью бетона.

Интересно, что арочное перекрытие способно выдержать б ольшие нагрузки, нежели стоечно-балочное. Это заметили древние люди, задавшись вопросом, почему пещеры, созданные самой природой, стоят, в то время как постройки, сделанные руками человека и основанные на стоечно-балочной конструкции, падают. Этот вопрос удалось научно обосновать только в наше время.

Когда велось строительство тоннеля через Альпы, для проверки прочности постройки была создана следующая модель.

Мы видим на ней силовые линии, которые показывают силу распределения нагрузки. И вот что интересно, если вырезать кусочек в середине опытного квадрата, то силовые линии начнут его огибать, становясь плотнее по обе стороны от него. Что же это значит? А это значит, что нетронутые части горы берут на себя часть нагрузки НАД отверстием. Это явление называется сводчатость.И что самое главное — давление передается на оставшиеся части породы. Что же следует из этого? А вот что. Возьмем кирпичную стену и прорежем в ней окно.

Тогда верхняя часть кладки становится балкой, испытывает силу растяжения и лопается, ведь силовые линии будут действовать непосредственно на нее.

Изменим ситуацию, сделаем балку изогнутой. Что тогда случится? Силовые линии будут ее обтекать, сгущаясь с двух сторон. Балка не лопнет, а спокойно выдержит груз.  

Возникает другой вопрос — как сделать арку? Ложная арка, то есть созданная из камней, выступающих к середине арки, известна с глубокой древности. Принцип ее построения заключается в постепенном увеличении выноса камня. При небольшом пролете камни, скрепленные глиной, удержатся. Но если пролет, а вместе с ним и вынос камней увеличить, то арка рухнет.

Еще этруски, создавая свои погребальные помещения, использовали такую арку. Но перекрыть ей большие помещения невозможно. Настоящая арка, принцип которой заключается в установлении замкового камня, может быть создана только с помощью бетона.

Как же создают арку? Поначалу всю конструкцию поддерживают леса. Камни держатся на них, скрепленные бетоном. Потом устанавливают самый верхний — замковый камень в распор арки, и она уже стоит без лесов.

ЗАДАНИЕ. Чтобы понять, что такое арка, сцепим пальцы и поставим согнутые в локтях руки на стол. Вот наша арка. Там, где пальцы сцеплены, — замок арки. Там, где стоят наши локти — пяты арки. Пятами арка опирается на столбы, или пилоны, или колонны. А как же распространяется давление? Для этого возьмем лист бумаги, отрежем узкую полоску и согнем ее дугой — аркой. Куда давят края листа бумаги? Конечно, в стороны. Проверим это, отпустив бумажку. Максимально раздвинув пяты арки, бумажка упадет. Значит, у арки давление осуществляется в стороны. Как же удержать его? Конечно, поставить мощные стены. Вот почему в архитектуре появляется романский стиль, основной характеристикой которого станут мощные стены.

Пятиклассникам надо обязательно провести опыт с полоской бумаги — дети должны наглядно убедиться в том, как распределяется нагрузка.

ЗАДАНИЕ. Мы провели опыт с полоской бумаги, мы построили арку из сцепленных рук, можно предложить детям такое задание, теперь разбейтесь по парам и с помощью своих тел образуйте арку. Покажите замок арки, пяты, колонны. А теперь расположитесь друг за дугом. Что у вас получилось?

Дети взявшись за руки, поднятые вверх, выстраиваются друг за другом. Теперь учитель легко может пройтись под сводом, образованным их руками. Это и есть цилиндрический, или коробовый, свод. Его легко воссоздать, перекрыв картонную коробку или картон с загнутыми краями полосками из бумаги.

Не пожалейте времени, дорогие коллеги, на эту игру в ручеек: у каждого из ваших учеников создастся яркое представление об арке и своде. Причем оно будет не только зрительным, но еще и тактильным.

Римляне стали использовать арку для перекрытия больших помещений. Самым распространенным сооружением Рима была базилика — общественное здание, где часто происходили судебные заседания. Базилика была прямоугольной в плане. Прямоугольник делился на три продольные части — нефы. Части так называются, потому что похожи на корабль («неф» — корабль). Средний неф (более широкий) был перекрыт цилиндрическим сводом, боковые (более узкие) — полуцилиндрическим. Между средним и боковыми нефами стояли колонны, а в них были сделаны проходы в виде аркад.

В Древнем Риме сформировалась еще одна конструктивная система — крестово-купольная. Она будет унаследована Византией — восточной частью Римской империи, а от нее придет на Русь в виде основной конструкции храмов.

Чтобы понять, что такое крестово-купольная система, образуем снова из наших пар цилиндрический свод. Теперь разделимся на две части. и одна часть расположится перпендикулярно по отношению к другой. Что же будет на пересечении цилиндрических сводов? Крестовый купол — четыре человека соединят свои руки в замке арок.

На этом принципе был построен Колизей. Вспомним, что в это здание можно было войти из арок нижнего этажа. Одна стрелка, допустим левая, показывает, как мы входим в здание. Оказавшись внутри, можно было пройти прямо вглубь, к арене. Но была еще одна возможность — зрители могли прогуливаться в перпендикулярном направлении под сенью арок — правая стрелка).

Тот же принцип был использован и в византийской, а позже в древнерусской архитектуре — один свод пересекался другим, на их пересечении располагался крестовый купол. Крестовый купол — это конструкция покрытия в виде двух цилиндрических сводов одной высоты, пересекающихся под прямым углом в плане.

Чтобы дети это себе хорошо представили, сделаем элементарную модель из бумаги. Возьмем предыдущую заготовку цилиндрического свода, укрепленного на коробке или на картоне с загнутыми краями. Приготовим еще одну такую же заготовку, но перегнув его (не до складки, а лишь чуть-чуть), вырежем посередине полукруглое отверстие. А теперь наденем один коробовый свод на другой — перпендикулярно. Перед нами модель крестово-купольной системы.

На крестовом куполе ставился барабан, а на нем маленький куполок.

Но обычно неф был не один, их было, например, три, и тогда здание приобретало форму прямоугольника или квадрата, а на его внешней стороне можно было видеть закомары — полукруглые завершения, которые на внешней стороне здания отмечали коробовые или цилиндрические своды.

На их стыке находится крестовый купол, а над ними на барабане возвышается маленький купол.

Если рассмотреть схему крестово-купольной конструкции, то мы увидим, что крестовый свод состоит из четырех примыкающих друг к другу цилиндрических треугольников, называемых распалубками. Распалубка — это часть цилиндрической поверхности свода, имеющая в плане форму треугольника или языка.

Таким образом, мы видим, что прямоугольное и квадратное здания могут быть перекрыты цилиндрическим сводом. Причем перекрываемое расстояние увеличивается от 3–8 метров при балочной конструкции до 42 метров при арочной.

А что же круглое здание? Оказывается, оно тоже может быть перекрыто системой арок, расположенных веером и скрепленных замковыми камнями воедино. Расстояния между арками могут быть заложены кирпичом. Тогда получается купол.

Таким образом перекрыт купол Пантеона.

Мы рассмотрели работу арки в перекрывающей части конструкции. Арка может создавать купол, образовывать цилиндрический, крестово-купольный свод, перекрывая вытянутое помещение. Но оказывается, у арки есть еще и несущая функция.

Так построен Гардский мост в Южной Франции, так были созданы акведуки в Древнем Риме. Арка является несущей частью.

В храме Святой Софии в Константинополе купол храма опирается на арки. Под куполом четыре арки, на замковые части которых опирается купол. Между арками, стоящими друг к другу перпендикулярно, образуются треугольные, немного вогнутые части стены. Они напоминаются распущенные паруса, почему и имеют такое название. Купол опирается не только на замковые части арок, но и на паруса.

Арка в данном случае является несущей частью конструкции для купола.

Но помимо перекрывающей и несущей функций, у арки есть и декоративная. Какие архитектурные формы могут быть украшены арками? Дверные и оконные проемы, ниши. Этот принцип украшения будет использоваться не один век.

После краткого объяснения, а лучше беседы с ребятами о функциях арки может быть дано такое задание: схематично передать функции арки.

Арочный свод имеет значительное преимущество в плане завоевания внутреннего пространства, но есть у него и отрицательные моменты — высота и ширина здания ограничены конструкцией: если сделать здание более высоким, то стены нужны более мощные, что сделает внутренние помещения узкими и темными. При этом окон много прорезать нельзя — стены не выдержат нагрузки и рухнут. Если же сделать здание более широким, то арки могут рухнуть в замковой части. Итак, в XII–XIII вв. арочная конструкция перестает удовлетворять потребности градостроительства и возникает новая архитектурная конструкция — готический каркас.

Основу готического каркаса составляет стрельчатая арка. В чем ее отличие от цилиндрической? Для того чтобы это понять, возьмем полоску бумаги и сложим ее пополам, а потом сделаем из нее арку. Что же мы видим? Арка уже потеряла свой распор, она не с такой силой упирается в наши пальцы, а значит, уже не нужны мощные стены, они могут быть прорезаны окнами.

Из стрельчатых арок делают сложные переплетения, на которых, как на каркасе, держится крыша. Рассмотрим, как это происходит. Центральный неф делится на ряд прямоугольных отрезков, каждый из которых перекрывается сначала по прямой — между четырьмя столбами, а потом по диагонали. Создается арочный каркас.

Арка каркаса называется нервюр. Таким образом, у каждой колонны собирается по три нервюры. Все три нервюры давят на один столб, но кроме тяжести свода есть и его распор. В арочной конструкции его гасили мощные стены, а в готической распор передается на дополнительные опоры — контрфорсы — мощные столбы, которые стоят за пределами здания. Чтобы передать этот распор, в том месте, где нервюра опирается на столб и доходит до замковой части, переброшены два мостика — аркбутаны. Они служат и для того, чтобы подпирать столбы, на которых ложится мощь нервюр, и для того, чтобы передать распор на контрфорсы. Чтобы украсить контрфорсы на них делают островерхие крыши — пинакли.

Что же дает каркасная конструкция? Она позволяет делать здание более высоким, при этом прорезать стены множеством окон, уменьшать толщину стен. Благодаря этому сооружения становятся высокими и грандиозными, внешне величественными, а внутри вмещают большое количество народа.

Итак, к XIV–XV вв. сложились четыре конструктивные системы:

— стоечно-балочная,
— система арочного свода,
— крестово-купольная,
— каркасная готическая.

Все последующие конструктивные системы в какой-то мере основаны на этих четырех типах. Они изменились с появлением новых материалов и развитием инженерной мысли, но в большинстве состоят из двух частей конструкции — перекрывающих и опорных и сопоставимы с четырьмя уже известными системами.

Казалось бы, все просто, но… не совсем. Дело в том, что римляне возводили купола и своды по наитию. В Средние века строители часто не были до конца уверены в том, что их сооружение не упадет, пока леса не были убраны. Часто «духу места» приносились жертвы в виде петухов, собак и лошадей. К сожалению, часто заложниками прочности становились и люди. Так, сводчатые стены одного монастыря никак не хотели вставать, пока каменщик не замешал в раствор кровь собственной жены. Таких легенд и сказок множество. Вот одна из них, рассказывающая о каменщиках, которые строили замок Девы:

Что клали до полудня — рушилось к ночи.
Что клали до вечера — рушилось к утру.

Каменщики снова думают-гадают,
Как установить им стену эту прочно,

Уговор сложился между ними строгий:
Чья жена скорее подойдет с обедом,

Ту мы крепко схватим и в огонь подбросим,
И в известку пепел нежный замешаем,

Только так не рухнет Дева — замок гордый.

Подобные легенды — это не только фантазия. Недаром в некоторых средневековых сооружениях были найдены человеческие кости.

Своды и купола не давались человеку, пока не появился архитектор, который смог математически рассчитать устойчивость купола. Этот архитектор — Филиппо Брунеллески (1377–1446).

Во Флоренции был объявлен конкурс на перекрытие собора Санта-Мария-дель-Фьоре. Собор был построен 180 лет назад, но перекрыть грандиозный зал никто не решался. На этот конкурс и принес свои расчеты Брунеллески. Но архитектор был очень некрасив, говорил сбивчиво, и его не хотели слушать. Чувствуя это, Брунелески смущался еще больше, пока его не попросили покинуть зал. Но он не захотел сдаваться. Тогда была приглашена стража, однако Брунеллески настоял на своем. В конце концов строительство купола все же предложили ему.

Архитектор так болел за свое детище, что не покидал купола. А чтобы рабочие не тратили время на еду, он устроил им буфет прямо на лесах. Брунеллески не дожил до окончания строительства, но купол, состоящий из двух оболочек, украшенный красной черепицей и контрастирующей с ней белой отделкой, увековечил его имя. Вслед за Брунеллески многие архитекторы научились математически рассчитывать силу сводов и куполов.

Новый скачок в области конструкций произошел в конце XIX в., когда были изобретены новые строительные материалы. Эти материалы и конструкции из них создали тектонический образ, резко отличный от других конструктивных систем. В чем же было отличие? И в стоечно-балочной, и в сводчатой конструкциях горизонтальные элементы опирались на вертикальные. Несущие и несомые части были структурно раздельными, это обстоятельство четко подчеркивалось трактовкой деталей. В новых сооружениях из железобетонных или чугунных конструкций все части «работали» совместно и плавно переходили друг в друга. Этот принцип стал определяющим и помог увеличить прочность зданий. Вот как работают железобетонные конструкция по отдельности и слитые вместе.

Соединенные в одно, они несут нагрузку сообща. Вот почему во время войны многие дома, созданные из слитных бетонных конструкций, выдержали нагрузку и остались целыми даже после бомбежки, хотя по расчетам архитекторов должны были разрушиться.

Вторым отличительным моментом можно назвать то, что в прежних конструкциях вертикальные опоры делались толще книзу, в новых все происходило наоборот: книзу они могли стать тоньше, что создавало непривычный внешний облик сооружений.

Кроме того, конструкции могли иметь большой вынос и не нуждаться в опорах, как, например, при создании современных портиков.

Благодаря новым конструктивным формам произошел переворот в архитектурно-эстетических представлениях. Так человечество шаг за шагом осваивало архитектурное мастерство.

Продолжение следует

Литература

1. Бартенев И.А., Батажкова В.Н. Очерки истории архитектурных стилей. — М., 1983.
2. Гастев А. Как смотреть архитектуру. — М.: Советский художник, 1961.
3. Гольдштейн А.Ф. Зодчество (книга для учащихся старших классов). — М., 1979.
4. Грубе Г.-Ф., Кучмар А. Путеводитель по архитектурным формам. — М.:
Стройиздат, 2004.
5. Ивлев С.А. Художественная культура Древнего Востока. — М.: Фирма МХК, 2001.
6. Кузнецова Л.С. Беседы об изобразительном искусстве и архитектуре. — К.: Рад. школа, 1989 .
7. Шебёк Ференц. Пирамиды, дворцы, панельные дома. — Будапешт: Корвина, 1968.