Чем хороши балки, или о крышах, фермах и мачтах

А свой дом Соломон строил 13 лет и окончил весь дом свой. И построил он дом из дерева Ливанского длиною во 100 локтей, шириной в 50 локтей, а вышиною в 30 локтей, на четырех рядах кедровых столбов; и кедровые бревна положены были на столбах. И настлан был помост из кедра над бревнами на 45 столбах, по пятнадцати в ряд.

7; 1-3

Третья книга Царств

Надежная крыша над головой - одно из первостепенных условий цивилизованного существования, но крыша тяжела, а потому проблема поддержки ее так же стара, как и сама цивилизация. Смотрим ли мы на знаменитое прекрасное сооружение или просто на какое-то здание, всегда поучительно обратить внимание на архитектурное решение крыши, ибо оно определяет не только конструкцию самой крыши, но и вид стен, окон да и весь внешний облик здания.

На самом деле проектирование крыши, по существу, очень схоже с конструированием моста, с той лишь разницей, что стены здания в, отличие от мостовых опор стремятся сделать как можно тоньше, а потому и боковое давление на стены необходимо рассчитывать более тщательно. Как мы видели в гл. 8, если крыша оказывает слишком сильное боковое давление на верхнюю часть стены, на которую она опирается, то линия давления попадает в опасную зону, в результате чего стена может рухнуть.

Многие римские здания, а также все византийские культовые сооружения имели сводчатые или арочные перекрытия, создающие сильное боковое давление. Поэтому поддерживающие их стены обычно имеют очень большую толщину, так что линия давления находится в безопасной зоне. Как уже говорилось, эти толстые стены часто делались монолитными, иногда их облегчали, замуровывая в них пустые винные кувшины. Кроме того, что такие стены были, конечно, весьма устойчивыми, у них имелось и еще одно немаловажное для жаркого климата преимущество - они обеспечивали отличную теплоизоляцию. Зачастую византийская церковь оказывалась единственным прохладным местом в греческом селении. Ослабить толстые стены большими оконными проемами было рискованно, поэтому в римских и византийских зданиях окна обычно малы и расположены довольно высоко от земли.

Средневековые замки тоже часто строились без существенных отклонений от римских традиций, как замок на Корф-Кэстл с монолитными стенами многометровой толщины. Такие стены могли, конечно, выдержать давление сводчатых перекрытий, а по вполне понятным соображениям военного характера защитники замка предпочли бы вовсе обойтись без окон. Ранние норманские или романские церкви не отличаются разнообразием архитектуры и своими толстыми стенами, маленькими круглыми арками и оконцами непосредственно восходят к римскому прототипу. Почти все ранние романские церкви были неплохо построены, и многие из них сохранились и по сей день[75]. Трудности появились позднее и связаны были в основном с растущей модой на большие и светлые окна.

Естественно, что жители жарких стран относятся к окнам иначе, чем северяне, многие из них и поныне предпочитают жить в сумерках за закрытыми ставнями. Нет сомнения, что устройство небольших, пропускающих мало света окон - средиземноморский обычай, он восходит к Древней Греции, Риму, Византии[76]. Надо думать, это никак не связано с дефицитом стекла.

В Северной Европе даже любившие повоевать рыцари и бароны не желали проводить время в мрачных, лишенных окон замках. Они хотели солнца и света, не по душе им была архитектура по римским образцам. Жажда света породила прямо-таки культ окон, и очень скоро строители, стараясь перещеголять друг друга, создают залы и соборы, окна которых становятся все громадней и красивей. Хотя средневековые мастера могли быть безнадежно далеки от какого-то научного подхода, среди них, без сомнения, были люди с гораздо более яркими творческими началами, чем это обычно принято считать. И мы в большом долгу перед ними за то, что они показали нам, сколь прекрасными могут быть окна.

Однако эффект от таких окон в значительной мере теряется, если их вставлять в похожие на тоннель отверстия в толстой стене. Попытки же делать большие окна при тонких стенах неизбежно приводили к катастрофам. В основе норманской архитектуры лежит архитектура романская, а она не допускает таких отклонений, ибо по ее законам устойчивость и надежность определяются толщиной стен. Тем не менее это не всегда останавливало строителей, и, наверное, именно позднероманские постройки породили афоризм: "Вопрос не в том, упадет ли, а в том, когда именно?"

Сейчас уже трудно определить, насколько ясно средневековые каменщики понимали смысл происходящего. Вероятнее всего, их понимание сути вещей было путаным и субъективным, иначе они не повторяли бы из поколения в поколение одни и те же ошибки. Однако рано или поздно кто-то понял, что совместить стремление к большим окнам стойкими стенами можно с помощью контрфорсов, которые должны поддерживать стены, подпирая их снаружи и сопротивляясь распирающему давлению крыши[77]. Контрфорсы как бы увеличивали эффективную толщину стен, выполняя ту же задачу, что и римские кувшины, только по-иному.

Обычные контрфорсы на самом деле представляют собой лишь местные утолщения стен между окнами. Там где имелся только один зал, как в капелле Королевского колледжа в Кембридже (рис. 88 и 89), они были очень эффективны. Но как только понадобились боковые приделы, тут же возникли трудности. Чтобы поддерживать крышу нефа, не затеняя чрезмерно верхних окон, мастера готики ввели аркбутаны (рис. 90).

Рис. 88-89. Контрфорсы капеллы Королевского колледжа в Кембридже.

В этом случае вертикальная часть контрфорса отнесена от стены и удерживается серией арок, которые передают нагрузку, не слишком загораживая свет. Аркбутаны в сочетании с большими окнами обладают огромными декоративными возможностями, особенно при разумном расположении статуй и башенок, вес которых, как, должно быть, понимали строители, помогает контрфорсам в их нелегкой задаче - благополучно провести линию давления вниз через кружевной лес каменной кладки. В конце концов окна стали так велики, что от стен, поддерживающих здание, почти ничего не осталось. Имея дело с узкими полосками каменной кладки, как и с современными мачтами, невозможно обойтись без боковой поддержки. И как устойчивость высокой тонкой мачты обеспечивается весьма изощренной оснасткой корабля, так и устойчивость этих изящных стен целиком зависит от их поддержки арками и контрфорсами.

Рис. 90. Появление боковых приделов потребовало изобретения аркбутанов.

После того как все эти идеи проникли в сознание зодчих, были поняты ими и реализованы, строительство и архитектура достигли совершенно небывалых и впечатляющих высот. Ко времени создания позднеготических построек их архитектура потеряла всякую видимую связь с классическими образцами, от которых она произошла. Трудно найти менее схожие сооружения, чем, скажем, Кентерберийский собор и римская базилика. И все же линия общего развития здесь прослеживается ясно.

Постройки, о которых мы здесь говорили, прекрасны, но все они чрезвычайно дороги, и, конечно, куполообразные своды и арочные перекрытия обычно не годятся для частных домов. Вместо арок гораздо дешевле и проще применять для поддержания кровли какие-нибудь балки. Если над пролетом между стенами положить длинные наклонные балки, или стропила, то они будут передавать вес крыши через свои концы вертикально вниз, не оказывая никакого распирающего давления. В результате нежелательных отклонений линии давления от вертикали не возникнет, стены могут быть достаточно тонкими и отпадает необходимость в контрфорсах (рис. 91).

Рис. 91. Ферма перекрытия. На схеме показано шарнирное опирание (на роликах), чтобы подчеркнуть необходимость избежать распирания стен.

Уже по одной только этой причине балка является одним из важнейших элементов всех строительных конструкций. На самом же деле применение балок и ферм выходит далеко за рамки задач, связанных с крышами зданий; балки и теория изгиба балок сыграли в действительности чрезвычайно важную роль в обеспечении самой возможности технического прогресса. Неожиданно все это оказалось важным и в биологии.

Слово "балка" (beam) на староанглийском означает "дерево", оно до сих пор сохранилось в английских названиях отдельных деревьев, например березы и граба (whitebeam, hornbeam). Сегодня балки чаще всего делают из стали и железобетона, однако в прошлом на протяжении столетий при строительстве слово "балка" означало деревянный брус, часто даже целый ствол дерева. Хотя дешевле и проще срубить дерево, чем построить каменную арку или куполообразный свод, раздобыть нужное количество больших деревьев тоже порой было нелегко, больше того, настали времена, когда длинные брусья стали редкостью. Вот тогда и возникла необходимость в поисках способов, которые позволили бы строить крыши из деталей небольшой длины.