Наглядный образец самой простой постройки — навес, состоящий из стоек-опор с уложенными на них поперечинами-перекрытиями, удерживающими крышу. В простейшем варианте не обязательно даже ставить столбы-опоры, можно использовать вместо них близко стоящие деревья.
Эта простейшая конструкция иллюстрирует стоечно-балочный принцип: постройка, состоящая из двух основных конструктивных элементов — вертикальных опор, и опирающихся на них горизонтальных балок.
Этот единственный принцип человечество использовало тысячелетиями и использует сейчас. Но просто строить по принципу «два столба стоя, один лежа» скучно. И простую, по своей сути, стоечно-балочную систему стали разнообразить и оформлять. Оформлять буквально: придавая те или иные формы. Пример — превращение стены в ряд столбов, и затем — столба в колонну.
Вроде бы первыми в истории строительства это сделали древние египтяне, разделившие столб на основание, среднюю и верхнюю части. Но «просто так» и «для красоты» делаем только мы. В древности все наполнялось смыслом, значением, а также диктовалось практической целесообразностью. Древнеегипетские колонны, стилизованные в растительных формах, имитируют деревья, пальмы. Это одновременно и отражение культа растений, и лес «царства мертвых».
Но, наверное, самые яркие и известные исторические образцы стоечно-балочных строений — храмы Древней Греции. Мы без труда представим себе «усредненный» греческий храм: ступенчатый цоколь, колоннада, треугольная крыша. Замени колоннаду стеной и наоборот — конструктивно это будет та же система вертикальных опор и горизонтальных перекрытий. Предельно огрубляя: две балки стоя, одна лежа. А Парфенон это или русская изба — уже частности.
Даже в основе древней полуземлянки — все те же опоры и перекрытия. Проще и очевиднее не придумать. Неудивительно, что строения этого типа везде и во все времена доминируют.
И пожалуй, для строительства жилых домов стоечно-балочная конструкция идеальна. Но людей все больше, и они хотят где-то собираться. Желательно под крышей и не в тесноте. Возникает потребность в общественных зданиях. И если большое здание построить можно, то с большим и просторным залом все не так просто.
Камень прекрасно выдерживает нагрузку на сжатие, но не на излом. Пластичное и упругое дерево ведет себя лучше, но и его пределы прочности не столь велики. Так что расстояние, через которое возможно перекинуть каменную балку, оказывается весьма ограниченным.
Вы не задумывались, зачем в греческих храмах такое обилие колонн? Всё просто: это не украшения, а опоры. То есть и украшения тоже, но прежде всего это «замена» стен. Колонны сохраняют опорную функцию и при этом оставляют свободным значительную часть пространства.
Слишком длинная каменная плита переломится под действием силы тяжести. Вот эллины и ставили опоры через каждые несколько метров. Потолок большого зала придется подпирать стенами или рядами близко расположенных колонн или столбов. Большим такое помещение будет, а вот просторным — вряд ли.
Способ обойти эту проблему нашелся тогда же, в античности. Обнаружили его, вероятно, все те же египтяне. И греки о нем знали, но то ли не очень любили, то ли неважно владели технологией строительства. Зато активнейше использовали римляне…
Это гениальное изобретение человечества — арка. Лежащая на опорах каменная балка «провисает» под собственным весом и рано или поздно переломится. А если… если балку заранее выгнуть в обратную сторону?
Для иллюстрации попробуем положить лист бумаги краями на две опоры. Лист бумаги прогнется вниз. Аналогично ведет себя каменная балка, перекрывающая пролет между двумя опорами. А теперь согнем тот же лист дугой и попытаемся поставить эту дугу на те же опоры или просто на стол. Лист уже не прогибается вниз, зато пытается распрямиться в стороны так, что приходится его удерживать.
Арка примерно так и работает, передавая нагрузку на опоры. Раньше тяжесть самих балок не позволяла бесконечно удлинять перекрытия. Теперь же, раз его собственный вес не столь важен, можно увеличить длину пролета. Правда, придется существенно усилить опоры, чтобы компенсировать появившийся горизонтальный распор. Но это гораздо проще, чем пытаться совместить в каменной балке достаточные легкость и прочность.
Так что стены многих средневековых зданий столь мощны не только, а зачастую не столько, чтобы при необходимости превратить… скажем, церковь, в крепость. Они попросту должны выдерживать не только вертикальное давление, но и сильный боковой распор.
Изобретение арки позволило строить в разы более длинные перекрытия, способные выдерживать не только собственный вес, но еще и дополнительную нагрузку. Например, арочные мосты.
А ведь арка бывает не только одиночной, оформляющей или образующей дверной или оконный проем. Арки можно комбинировать в разных сочетаниях.
Например, «в шеренгу», образуя аркаду, которую мы наблюдаем в Колизее или в римских (и не только) акведуках. Здесь же присутствует другое сочетание арок: одна на другой.
Наконец, третий вариант: «в колонну», друг за другом.
Можно ставить арки с интервалами, а можно — вплотную. Образуя т.н. цилиндрический или коробчатый свод.
Или расположить две арки «крестом». Затем провести через точки их опор окружность. И, наконец, заполнить плоскость между линией окружности и перекрестием арок, получив полусферический или купольный свод, накрывающий округлое пространство.
Именно такую форму имеет купол Пантеона, накрывающий пространство диаметром в 43 метра и на многие столетия ставший крупнейшим в Европе. Для стоечно-балочных же конструкций подобное было не то что нереально, а, пожалуй, немыслимо.
А пересечение двух цилиндрических сводов образует крестовый свод, перекрывающий квадратное или прямоугольное пространство. Больше того: крестовый свод способен держаться, опираясь не на стены, а на точки их пересечения. На практике — на четыре опоры, оформленные в виде столбов или колонн.
Нельзя не упомянуть еще одно римское изобретение. Возможно, поспособствовавшее популярности арок. И в любом случае сильно продвинувшее строительные технологии. Именно римляне изобрели бетон. В числе прочего сделав строительство широко доступным.
Качественное выполнение каменной кладки требует труда квалифицированных каменщиков. Использование бетона требует присутствия одного мастера, способного организовать постройку опалубки и заливку её раствором. И рабочие руки: солдаты, рабы, заключённые… Бетон в разы удешевляет строительство.
Но эпоха Римской империи заканчивается. Точнее, Западной Римской империи. Восточная существует еще тысячу лет, и именно здесь происходит дальнейшая эволюция сводчатых конструкций.
Византийские архитекторы продолжают «играть» с формами сводов. Например, превращая крестовый свод в парусный, и далее — в крестово-купольный. Теперь мы можем перекрывать большие помещения различной формы, не загромождая пространство опорами.
Эти принципы и арочно-сводчатые конструкции на столетия определяют устройство и отчасти облик европейской архитектуры, прежде всего храмовой. Не только Западной Европы, но и Византии, прямого продолжения Римской империи, и перенявшей её архитектурные приёмы Руси.
Но люди — существа неуемные. Огромные романские церкви — прекрасны и вместительны, но дороги. И… темноваты. А как иначе? Много окон не прорежешь, не рискуя ослабить стены, удерживающие огромную массу перекрытий и мощный боковой распор.
Решение нашлось в XII веке.
Начнем с открытия, сыгравшего не самую важную, но существенную роль: стрельчатой арки. В отличие от полукруглой, она давит на опору более вниз, нежели в сторону, уменьшая боковой распор.
Но еще важнее было другое инженерное решение.
Помните, как крестовый свод установили не на стены, а на угловые опоры-столбы? Идею развили, превратив арки крестового свода в ребра жесткости, получившие название «нервюр». В «обычном», без нервюр, своде несущим является весь его массив, оказывающийся, извиняюсь за тавтологию, достаточно массивным, чтобы выдерживать нагрузку. Сосредоточив же ее на ребрах жесткости, стало возможным существенно облегчить промежутки (распалубки) между ними. По большому счету, распалубки можно было бы и вовсе не заполнять, оставив голый ажурный каркас.
Но архитекторы идут дальше, «собрав» на ребрах жесткости все здание. Нервюры «собирают» нагрузку от сводов и передают ее не на весь массив стены, а на систему вертикальных опор — столбов или колонн, образующих несущий каркас здания. А интервалы между опорами? Как и в своде, их можно максимально облегчить. Можно и вовсе заменить стену окном, впустив внутрь свет.
Но где взять столь большие стекла в
Есть у готического здания еще одна особенность.
Боковой распор в нем все же существует, и сосредоточен он в основном на стойках внешних стен. Можно было бы сделать их массивнее, но строители пошли иным путем: направили усилие распора за пределы здания, на наружные опоры — контрфорсы, соединенные с опорами здания системой арок и полуарок — аркбутанов. Аркбутаны и контрфорсы и образуют окружающие готическое здание «ребра».
И все это — строго функционально, и лишь в десятую очередь — красиво. Даже столь украшающие готический собор башенки-пинакли несут, прежде всего, конструктивную нагрузку. В прямом смысле: намеренно утяжеленные, они дополнительно нагружают опоры и контрфорсы, помогая противостоять боковому распору.
Сложно, красиво, функционально. И потрясающе.
И неспроста именно готика стала вершиной европейского строительного искусства. При всем разнообразии последующих стилей архитектуры они большей частью декоративны, сосредоточены на изменении облика и плана зданий.
Превзойти же инженерные, конструктивные достижения мастеров готики удастся лишь в XIX веке, с введением в практику строительства новых конструкционных материалов: железобетона и стали.