История развития строительных материалов и конструкций

Чтобы уяснить сущность строительных материалов и конструкций, необходимо представить историю их развития, основные этапы архитектурно-технического применения.

Историю строительства можно разделить на два периода:

1) Первый (ранний), когда методы строительства были главным образом эмпирическими; 2) Второй, когда строительная техника в возрастающей степени стала базироваться на научной основе (с XIX в.).

В античную эпоху, когда уровень развития строительной техники был низок, для строительства использовались материалы в их природном состоянии. природный керамический купол готический

Природный камень - широко распространенный материал - благодаря своей долговечности, прочности и декоративности имел преимущества перед другими природными материалами (деревом и глиной). Особенности камня - хорошая работа на сжатие и слабое сопротивление изгибу - предопределили области его применения: конструкции отдельных опор (столбов), стен, арочно-сводчатые конструкции. Камень монументальных зданий стал материалом, который в государствах с деспотической формой правления лучше всего выразил идеи величия и вечности.

В Древнем Египте (Х-ХI вв. до н. э.) основным материалом для построек в массовом строительстве служил кирпич-сырец, в монументальном - горные породы камня (известняк, песчаник, базальт, гранит и др.). Кирпич изготавливался с помощью деревянных форм из смеси глины, ила, мелкой гальки и рубленой соломы. Кладка обработанных камней осуществлялась на растворе из смеси извести, песка и глины. Применялась также кладка "насухо", т. е. без раствора, Основными конструкциями каменных монументальных сооружений Египта (в основном, храмов) были стена и стоечно-балочная система, в которой мощные опоры несут массивную балку - блок с опиранием на нее каменных плит перекрытий. Для погребальных сооружений характерен сплошной массив кладки.

Расцвет производства керамического кирпича начался в Двуречье - долине рек Тигра и Евфрата. Территория Вавилонии была лишена и дерева, и камня. Тем ценнее как строительный материал оказалась глина. Несмотря на трудности изготовления обожженного кирпича, связанные с нехваткой топлива, он стал играть значительную роль в архитектуре Вавилонии. Раскопки подтверждают существование знаменитой Вавилонской башни высотой 90 м, облицованной снаружи голубовато-лиловым глазурованным кирпичом. На огромную башню были израсходованы не менее 40 млн кирпичей.

В Вавилоне строили дома в три и даже в четыре этажа с террасами. Легендарные "висячие сады" - не что иное, как засаженные растениями террасы царского дворца, которые греки считали вторым чудом света. Сады возводились уступами в несколько ярусов, массивные перекрытия из двух рядов кирпичной кладки поддерживались мощными кирпичными сводами на колоннах.

В V в. до н. э. Афины стали центром греческой науки и архитектуры. Греки заложили основы геометрии, механики, статики, что явилось впоследствии основой развития инженерии.

Конструкции общественных зданий и жилья в Греции оставались сравнительно примитивными: стена и стоечно-балочная система.

Массовым материалом для стен был кирпич-сырец, а обожженный кирпич имел ограниченное применение. Широко применялось дерево. В стоечно-балочных конструкциях, наряду с деревянными балками, использовались доски в виде настилов, прокладок, облицовок. Кладка стен и колонн зданий из камня проводилась без раствора -- "насухо". Швы тщательно подгонялись, возможно, с притиркой песком. Колонны складывались из цилиндрических блоков-барабанов и скреплялись между собой дюбелями из твердых пород дерева, железа или бронзы, предохранявшими их от смещения.

Вершиной развития архитектуры Древней Греции стал Парфенон - самый большой храм того времени: его размеры в плане - 30,8x69,5 м, а высота сорока шести мраморных колонн - 10,4 м при диаметре в нижней части 1,9 м. Парфенон сочетает в себе тонкую проработку деталей, торжественную форму и монументальный покой.

Развитые греками в VI-IV вв. до н. э. дорический, ионический и коринфский ордера, несмотря на свои конструктивные ограничения, оказывали большое воздействие на архитектурное проектирование вплоть до XX в.

Эпоха античного Рима (IV в. до н. э. - V в. н. э.) внесла вклад в архитектуру огромными масштабами и техническим совершенствованием строительства. С того времени до нас дошел трактат архитектора-инженера Марка Витрувия, жившего в I в. до н. э., "Десять книг об архитектуре". Этот труд - энциклопедия знаний по архитектуре, понимаемой как синтез трех качеств: прочность, польза и красота.

В императорском Риме высокий технический уровень имело строительство из бетона. Пески вулканического происхождения, обладающие цементирующим свойством, при смешивании с известью позволяли получать раствор, напоминающий современное цементное вяжущее. В качестве заполнителя использовались дробленая керамика или кирпич, природный камень или бут от разрушенных строений. Постоянная опалубка выполнялась из сплошной каменной кладки. Прочность бетонных сооружений после отвердевания бетонной массы не вызывала сомнений. Конструкции отличались массивностью: толщина стен иногда достигала нескольких метров.

Значительным вкладом римлян стало дальнейшее развитие свода и купола. Они усовершенствовали их до степени, не превзойденной до середины XIX в. Как правило, применялись истинные своды, что снижало массу сооружения, но требовало устройства кружал, необходимость которых отпадала при возведении сводов с навесной кладкой (ложных сводов).

Римские своды и купола были полуциркульными. Полусферическую форму римляне вполне естественно наделили наилучшими прочностными качествами. Среди таких форм первенствует бетонный купол Пантеона в Риме (ок. 125 н. э.) - наиболее совершенный образец храма с перекрытым внутренним пространством при диаметре 45 м.

Металл - один из наиболее старых искусственных материалов. В 5-4-м тысячелетиях до н. э. человек начал выплавку меди, олова и свинца из руд, а с 3-го тысячелетия до н. э. стала применяться бронза. Металлургия железа появилась в Египте, Месопотамии, Индии, а к концу 2-го тысячелетия до н. э. она проникла в Древнюю Грецию, Закавказье, Малую Азию, позднее - в Китай. Кричное и сварочное железо из-за своей мягкости и трудоемкости производства не могло получить применения в несущих конструкциях. На протяжении столетий железо применялось только для отдельных деталей в виде штырей, скоб, закрепов и т. п.

В Западной Европе сохранилось небольшое количество средневековых деревянныхсооружений. Формы деревянных конструкций мало изменялись в период между XI и XVII вв. Основные типы соединений - шип, врубка, "ласточкин хвост". Обычным было применение шпонок из твердых пород дерева, так как железные гвозди, изготовлявшиеся вручную, обходились дорого, ржавели и были непрочными. В местах стыкования элементов деревянные конструкции заметно ослаблялись, поскольку при соединении вполдерева требовалось уменьшать сечение конструктивных элементов.

В Европе дерево использовалось для каркаса стен - так называемый фахверк. В качестве заполнения каркаса применялись кирпич, плетенка из древесных прутьев с обмазкой глиной, саман (глина с соломой) со слоем штукатурки и побелки.

В русской средневековой архитектуре деревянные конструкции имели огромное значение. Дерево как строительный материал было широко доступно в связи с лесными богатствами Руси. Популярности дерева способствовала легкость его обработки, малая теплопроводность, быстрота возведения построек, несмотря на то, что они страдали от гнили и были пожароопасными. Из дерева на Руси строились не только жилые дома для народа, но и богатые дворцы князей и бояр, культовые здания, оборонительные сооружения.

В эпоху феодализма (средние века) строительство велось, в основном, из дерева и камня и базировалось на мастерстве ремесленников. Применялись механизмы, заменяющие ручной труд человека.

Конструктивной основой русского деревянного здания являлась рубленая с помощью топора "клеть", состоящая из сосновых бревен-венцов, уложенных горизонтально с прокладкой из мха и связей -- по углам врубками. Широкое применение имели шатровые покрытия над квадратными или восьмигранными в плане объема. Конструкция их была чаще всего рубленой с постеганным уменьшением к верху длины венцов, а с XVII в. встречается и стропильная конструкция, иногда в сочетании с рубленой. Шатры покрывали досками или мелкоразмерными элементами кровли. Применение шатра в венчании храмов привело к созданию великолепных произведений архитектуры. Высоким достижением деревянной строительной техники является многоглавая церковь Преображения в Кижах (1714).

Вершиной зодчества из природного камня стала готическая архитектура храмов Европы (ХП-ХУ1 вв.). Камень применялся и для создания конструкции, и для декора. Вертикальная направленность соборов готики - не только устремленная к Небу символика, но и требование строительной техники.

В готике был найден ответ на конструктивные задачи, решения которых искали в течение столетий. Это выкладка крестового свода из камня и обеспечение его устойчивости. Стимулом решения этих задач была необходимость экономии материалов и рабочей силы при возведении соборов больших размеров. Целью архитекторов готики было облегчение массы здания. В теле свода выделили каркас. Основными элементами готического каркаса являются арочные ребра сводов - нервюры, вертикальные опоры сводов, вынесенные наружу контрфорсы и наклонные элементы в виде полуарок, соединяющие опоры сводов с контрфорсами, - аркбутаны. Очертание готического нервюрного свода стрельчатое.

В противовес монолитности древнеримских и романских построек готическая конструкция в большей степени уподобляется современным уравновешенным пространственным каркасам. Заполнение каркаса стало легким, распор уменьшился за счет облегчения массы свода. Стена несла только собственную тяжесть и стала более легкой, так как перестала помогать устойчивости свода, что позволило увеличить проемы и осветить интерьер. Тело стены стали заменять каменной решеткой, ячейки которой стеклили.

Стеклянные витражи готических соборов - это не только произведения искусства, но и решение серьезной инженерной задачи. Средневековое стекло имело множество недостатков - было просвечивающим, но не прозрачным, содержало воздушные пузырьки. Стекла малых размеров собирались в более крупные элементы с помощью свинцовых полосок, а иногда в еще более крупные панели в железных рамках. Такие композиции из стекла и металла крепились к каменным импостам и перемычкам оконных проемов. В начале XVI в. стекло стало обычным строительным материалом в домах жителей среднего сословия.

В средние века начали использовать железо в качестве затяжек для восприятия распора каменных сводов. С XVI в. применение железа для наслонных стропил (Архангельский собор, 1505--1508) и для каркасов куполов (колокольня "Иван Великий" в Москве, 1600) перестало быть редкостью.

Еще в начале XIII в. привлек к себе внимание более твердый, чем железо, металл - чугун, получаемый при производстве железа. Из чугуна стали отливать различные изделия, а спустя пять веков - строительные конструкции в виде столбов и балок. В 1725 г. при строительстве башни Невьянского завода на Урале были применены чугунные балки с усилением понизу железными полосами -- тем самым была учтена высокая прочность чугуна на сжатие, а железа -- на растяжение. Как в России, так и за рубежом применялись отлитые из чугуна фермы, пояса которых соединялись между собой кольцами.

В конце XVIII в. было положено начало промышленному производству малоуглеродистого пудлингового железа - прообраза современной стали. Активизировалось внедрение металла в строительство в виде железных и чугунных конструкций, элементы которых соединяли кузнечным способом и редко -- на болтах.

Началом архитектурного освоения металла можно считать строительство чугунных мостов из арочных конструкций пролетами 30-70 м, напоминавших формы каменных мостов. Обычно элементы арок коробчатого сечения длиной до 3 м скрепляли болтами.

В 1801 г. в Сэлфорде (Англия) было построено семиэтажное здание фабрики с внутренним каркасом из чугунных стоек и балок, впервые объединенных в одну систему. Подобный каркас широко применялся в промышленных зданиях вплоть до XX в.

В гражданском строительстве вершиной искусства в области применения чугуна считается Хрустальный дворец на Всемирной выставке в Лондоне в 1851 г. Грандиозное сооружение длиной 563 м и шириной 124 м наглядно продемонстрировало архитектурные возможности металла. Все колонны дворца (свыше 3000) и балки были выполнены из чугуна. Для перекрытий были применены железные фермы с перекрестной решеткой. Сборно-разборное здание со сплошным остеклением было построено всего за 6 месяцев, а в 1853 г. демонтировано, перевезено в пригород Лондона и снова там собрано. В 1936 г. в результате пожара дворец обрушился, превратившись в груду расплавленного металла и стекла. Таким образом, был продемонстрирован основной недостаток металлических конструкций - их низкая огнестойкость.

В готическую эпоху преобразуется и конструкция крыш. В романской архитектуре стропильная система, поддерживающая кровлю, часто опиралась на свод, дополнительно нагружая его. Готические строители отошли от этой конструкции, создав деревянную стропильную ферму, опирающуюся на стены.

Первой конструкцией, целиком выполненной из железа, было покрытие в виде шпренгельных ферм пролетом 6,5 м жилого дома во Франции (1785). В Петербурге в 1811 г. по проекту А. Воронихина был сооружен купол Казанского собора диаметром 17,7 м, образованный двумя рядами ребер из полосового железа, опирающийся внизу на общее опорное кольцо. Соединения были осуществлены на болтах или клиньях.

Параллельно с решением задачи увеличения выплавки железа велись поиски способов его обработки. В Англии (1769) появились первые станы для проката тонкого листового, а впоследствии круглого, квадратного и полосового железа. Позднее стали производить прокат уголкового, таврового и зетового железа (Англия, 1820), рельсов (Англия, 1832), двутавров и швеллеров (Франция, 1849).

Распространение в строительстве металлических конструкций определило формообразование в архитектуре, особенно в новых типах зданий - вокзалов, универмагов. Определились характерные конструктивные, композиционные и эстетические достоинства металла. Однако подлинное утверждение металла в архитектуре связано с развитием стальных конструкций. Быстрому распространению в строительстве металлоконструкций способствовало открытие промышленных способов получения стали: бессемеровского (1855), мартеновского (1865), томасовского (1878), электрометаллургического (1900). Более прочная промышленная сталь полностью вытесняет из строительства низкокачественные железо и чугун, а кузнечный способ соединения элементов конструкций заменяется клепкой. Важную роль в процессе освоения строительной стали сыграли успехи в развитии строительной механики и методов расчета конструкций.

Использование высокопрочных сталей при рациональных геометрических формах решетчатых конструкций и научных методах их расчета способствовало быстрому увеличению длины пролетов строящихся мостов. В США в 1874 г. был сооружен арочный мост пролетом 157 м. Консольно-балочный Фортский мост (Англия), построенный в 1890 г., имел наибольший пролет 521 м.

Крупной демонстрацией развития стержневых решетчатых высотных сооружений явилось строительство в 1889 г. Г. Эйфелем 300-метровой башни для Всемирной выставки в Париже. Автор использовал для конструкции башни схему шатровой мостовой опоры с четырьмя наклонными опорными пилонами. Для покрытий прямоугольных в плане зданий начинают использоваться решетчатые стальные рамы и арки. На той же парижской Всемирной выставке в покрытии "Галереи машин" использовались трехшарнирные арки пролетом 110,6 м и высотой 45 м. Спаренные решетчатые арки расставлены с шагом более 20 м и соединены между собой решетчатыми прогонами.

Большие остекленные плоскости, единство внутренней и внешней форм, впечатляющая выразительность открытых металлических конструкции ознаменовали собой рождение новой архитектуры металла, для признания и становления которой понадобились еще многие годы.

Выдающийся русский инженер В. Шухов в 1896 г. получил привилегию на сетчатую конструкцию башни в форме однополостного гиперболоида вращения. Пространственный каркас башни образован склепанными между собой прямыми стержнями, соединенными по высоте горизонтальными кольцами. Первая такая башня была построена в Нижнем Новгороде, а впоследствии шуховские башни использовались при строительстве водонапорных башен, морских маяков, опор линий электропередач, вышек военных кораблей.

В 1824 г. при строительстве моста через Рону (Франция) М. Сегюин впервые применил металлические канаты. Эта идея была развита в США Дж. Реблингом. После строительства нескольких висячих мостов им был запроектирован и построен в 1883 г. крупнейший Бруклинский мост в Нью-Йорке с двухъярусной проезжей частью. Центральный 485-метровый пролет моста, поднятого на 40 м над уровнем воды, подвешен на четырех мощных канатах, каждый из которых сплетен из 5296 проволок диаметром 4 мм, а сами канаты закреплены на мощных каменных пилонах.

В европейских странах и, особенно, в США активизируется строительство многоэтажных зданий со стальным каркасом. В Нью-Йорке и Чикаго появляются районы небоскребов. Металлический каркас обеспечивал максимальную типизацию элементов конструкций и высокие темпы строительства. Так, монтаж каркаса Эмпайр-Стейт-Билдинг высотой 400 м (102 этажа) занял всего 6 месяцев, а все строительство здания завершено за 19 месяцев. В 1919--1922 гг. под руководством В. Шухова была построена башня радио-станции на Шаболовке в Москве. Она имела высоту 160 м при диаметре основания 42 м и состояла из шести ярусов. Все ярусы монтировались на земле, внутри башни, телескопически выдвигались в проектное положение и закреплялись болтами на верхнем кольце ранее установленного яруса.

В середине XX в. заклепочные соединения стальных конструкций начинают вытесняться электросваркой. Заслуга в развитии и совершенствовании электросварки принадлежит академику Е. Патону. Созданный им в 1940 г. метод автоматической сварки, впервые внедренный в Советском Союзе, стал во всем мире основным способом соединения элементов металлических конструкций.

С середины XX в. развиваются новые системы - конструкции с использованием гибких растянутых элементов. В 1937 г. было возведено висячее покрытие в виде усеченного конуса, подвешенного в основании к опорному кольцу диаметром 30 м (павильон Франции на выставке в Загребе). В 1952 г. по проекту М. Новицкого и Ф. Северуда в США в г. Роули была сооружена арена, перекрытая растянутой тросовой сеткой. Позднее конструкции с растянутыми криволинейными поверхностями привлекли внимание архитекторов и инженеров и стали одним из популярных направлений формообразования в современной архитектуре.

Возрождение бетона, а точнее, вторичное его открытие, относится к концу XVIII в. К тому времени в Европе возникает социальный заказ на гидравлическое вяжущее и на бетон как на необходимые материалы для гидротехнического, дорожного и промышленного строительства (для устройства фундаментов). Заказ реализуется рядом технических изобретений. Первый патент на гидравлическое вяжущее - романцемент (продукт обжига природных мергелей) - был получен в 1796 г. Дж. Паркером (Англия). Портландцемент (обжиг смеси известняка и глины; был создан в 1824 г. англичанином Дж. Аспдином и в 1825 г. в России Е. Челиевым.

Россия в конце XIX - начале XX в. занимала одно из ведущих мест в научном изучении бетона и его практическом применении. Исследования бетона учеными способствовали его широкому использованию в качестве конструкционного материала, состав и свойства которого заранее рассчитываются и проектируются. Были улучшены положительные качества бетона: высокая прочность на сжатие, способность увеличивать прочность с временем и др. Вместе с тем бетон обнаружил немало отрицательных свойств: он плохо работал на изгиб и растяжение, давал усадку, обладал деформацией при длительном воздействии нагрузки (ползучесть). Эти недостатки, еще и по сей день не до конца изученные, ограничивали возможности применения бетона в некоторых конструкциях.

Проблема уменьшения собственной массы бетонных изделий и увеличения их теплотехнических качеств была решена еще в начале XX в. за счет использования легких заполнителей - шлаков, керамзита, аглоперита, перлита и др. Эффективность бетонных стеновых блоков для стен зданий была обусловлена заводским изготовлением блоков с заданными габаритами и свойствами, возможностью использования местного сырья, применением малой монтажной механизации, сокращением сроков строительства зданий.

Идея армирования бетона родилась из наблюдения за отдельными клетками или частями организмов животного и растительного мира, выполняющими различные функции. Неудивительно, что идея армирования бетона пришла в голову почти одновременно нескольким изобретателям. Решая утилитарные задачи (увеличение прочности, огнестойкости, водонепроницаемости и др.), изобретатели в разных странах опытным путем пришли к созданию нового конструкционного материала - железобетона. Среди них были французы Ж. Ламбо, Ф. Куанье, Ж. Монье, англичанин В. Уилкинсон, американцы Т. Хайэт, В. Уард, русский Д. Жаринцев. В короткие сроки было выдано множество патентов. Внедрение железобетона шло быстрыми темпами.

В начале XX в. серьезный вклад в теоретическое освоение железобетона внесли ученые России. Они изучили сущность совместной работы бетона и арматуры, определили характер деформаций, дали приближенные методы расчета, создали первые нормы и технические условия.

Параллельно с этим был сделан ряд изобретений, которые имели важное значение для архитектуры: стоечно-балочная каркасная система инженера Ф. Эннебика (1892), безбалочные конструкции перекрытий А. Лолейта (1907), буронабивные сваи А. Страуса (1901), сборные железобетонные элементы (С. Рудницкий и Н. Пятницкий, 1910), каркасно-панельные системы зданий в США (1907-1912) и др. Эти изобретения впоследствии способствовали внедрению в практику строительства всего разнообразия конструкций из железобетона.

Древесина, несмотря на свои положительные качества, стала терять свою значимость в архитектурной практике, превращаясь во "второсортный" материал с применением там, где невозможно использование других материалов. В некоторой степени этому способствовало совершенствование металлических и железобетонных конструкций, их вовлечение в сферу индустриального строительного производства. Существовало даже мнение, что деревянные конструкции не отвечают требованиям индустриального строительства.

С развитием науки и техники к середине XX столетия это необоснованное предположение было опровергнуто появлением клееных деревянных конструкций. Технология изготовления таких конструкций позволяет организовать их массовый выпуск индустриальным методом в механизированных цехах. Развитию клееных конструкций способствовали достижения химической отрасли, производящей высококачественные клеи и средства защиты древесины, которая, соединенная в крупноразмерные элементы синтетическими клеями в условиях высокомеханизированной заводской базы, дала принципиально новый по качеству конструкционный материал, сохранив при этом все свойственные древесине положительные качества.

Значительную роль в развитии форм деревянных клееных конструкций сыграли Всемирные выставки в Брюсселе (1958) и Монреале (1967), где были продемонстрированы на примере множества павильонов оригинальные архитектурно-конструктивные решения.

Анализируя процесс развития строительных конструкций в их историческом срезе, можно убедиться, что они становились все менее массивными, менее материалоемкими, увеличивались пролеты, изменялись типы форм, способы соединений и защиты. Современное развитие конструкций - это постоянное совершенствование строительных материалов и методов конструирования. Суть этого совершенствования заключается в изменении соотношения прочности и плотности (увеличение удельной прочности) материалов: минимум затрат материала при максимуме конструктивного эффекта. Утвердился принцип дифференцирования конструкций зданий на несущие и ограждающие, где первые образуют "скелет", а вторые -- "одежду" зданий.

Важно понимать, что какими бы рациональными не были конструкции (конструктивные элементы) с технической точки зрения, в руках архитектора они представляют собой "сырой материал", который может и должен быть преобразован. Для современной практики характерно рассмотрение конструкций как объектов эстетического освоения и включение их в качестве содержательных элементов архитектурных форм.

В архитектуре термины "материал", "элемент", "конструкция" иногда трудно разграничить - они взаимосвязаны, хотя и различимы. В рассматриваемом курсе мы называем материалами то, из чего сделаны конструктивные элементы; элементами - составные части конструкции; конструкциями - состав и взаимное расположение элементов с их надежными сопряжениями.

История развития строительных материалов и конструкций

Похожие статьи