Почему же лёгкие, дешёвые и красивые сетчатые перекрытия Шухова не получили распространения? Однозначного ответа здесь нет. Возможно, перекрытия не соответствовали архитектурной моде своего времени. Заказчики в конце XIX века ещё хотели чего-то строгого, классического, а тут – смелость и новизна! А может быть, дело в том, что другим инженерам было трудно конструировать такие хитроумно устроенные перекрытия и они предпочитали идти по проторённой дорожке арок и ферм.
Зато лет через сто после Шухова, уже в конце XX века, такие перекрытия стали строить по всему миру. Сетчатыми конструкциями перекрыт внутренний двор Британского музея и новый зал вокзала Кингс-Кросс в Лондоне, Морской музей в Осаке и Центр Помпиду в Меце. В Москве такое перекрытие – так называемую «Стеклянную кору» – построили над холмом в парке «Зарядье».
Висячие перекрытия
Тысячелетиями люди представляли себе перекрытия как что-то устремлённое вверх: купола, своды, шатры. Действительно, камень хорошо работает на сжатие, и лучший способ строить из него – это ставить камень на камень, поднимая конструкцию всё выше и выше. Однако XIX век стал эпохой железа. У этого материала совсем другие свойства, нежели у камня.
Давайте проведём эксперимент. Возьмите железную школьную линейку двумя руками за концы и попытайтесь сжать её, сведя руки вместе, – она тут же изогнётся (инженеры говорят: «потеряет устойчивость»). А если вы потянете её за концы в разные стороны? У вас никак не получится её разорвать, потому что прочность стали на растяжение очень велика, а проблем с устойчивостью при растяжении не возникает.
Итак, сталь лучше заставлять работать на растяжение, чем на сжатие. Это прекрасно понимали инженеры, которые ещё в конце XVIII века начали строить висячие мосты. В таких мостах железные цепи или тросы растягивались, удерживая повисшее на них пролётное строение.
Но сила человеческой привычки велика. В XIX веке, даже освоив чугун и сталь, люди продолжали строить из них такие же перекрытия, как из привычного им камня: арочные своды и двускатные крыши.
Что необходимо?
Заставить стальное перекрытие работать на растяжение.
Что предложил Шухов
На выставке в Нижнем Новгороде Владимир Шухов построил несколько павильонов с висячими перекрытиями. Стальные полосы шириной всего 5 см и толщиной 5 мм, натянутые между стальными же колоннами, свободно провисали под действием собственного веса и веса кровли, образуя огромный шатёр. Площадь такого шатра в плане была равна почти половине футбольного поля.
Висячие перекрытия стали ещё одной революцией в архитектуре. До сих пор люди считали, что шатры можно делать лишь из лёгкой ткани, а такой прочный и тяжёлый материал, как сталь, должен работать на сжатие, как и камень. Большой специалист по металлу Шухов научил железо работать на самый эффективный для него вид нагрузок – растяжение.
Пятьдесят лет спустя висячие перекрытия стали строить по всему миру. Сегодня их можно увидеть на Олимпийском стадионе в Мюнхене, в спортивном комплексе «Мэдисон-сквер-гарден» в Нью-Йорке, в Национальном спортивном центре «Йойоги» в Токио и во многих других спортивных сооружениях. В Москве такие перекрытия устроены над велотреком в Крылатском.
Перекрытия-мембраны
При всех своих несомненных плюсах сетчатые своды и висячие перекрытия всё же выступают лишь в роли несущих конструкций. Их следует закрыть кровлей, чтобы защитить помещение от дождя, снега, ветра и солнечных лучей, – ведь именно такую функцию выполняет любая крыша.
Кровлю устраивают, как правило, из железа, но она никак не участвует в работе перекрытия. Она только давит на несущие конструкции мёртвым грузом.
Что необходимо?
Заставить кровлю нести нагрузку от собственного веса и осадков.
Что предложил Шухов
Сталь хорошо работает на растяжение. Если мы научились строить висячие перекрытия из стальных полос, почему бы не заставить работать так же и кровельное железо?
Это и сделал Шухов на той самой выставке в Нижнем Новгороде в 1896 году. Центральную часть павильона строительного и инженерного отдела он перекрыл огромной чашей из листового железа диаметром 25 метров. Толщина этого железа была всего 15 мм.
Перекрытие, в котором один и тот же материал является и ограждением (то есть защищает от осадков и солнца), и несущей конструкцией (то есть несёт на себе свой собственный вес и вес осадков), называется мембраной. Если ваша кровля сама несёт нагрузку, вам не нужны поддерживающие её конструкции. Иными словами, можно здорово сэкономить на металле!
Опять-таки, мембраны стали строить во всём мире лет через семьдесят после Шухова. Сегодня ими перекрыты некоторые стадионы и выставочные комплексы: например, Купол тысячелетия в Лондоне. В России огромная стальная мембрана перекрывает конькобежный центр в подмосковной Коломне. До недавних пор в Москве можно было увидеть мембрану над главной ареной спорткомплекса «Олимпийский», но, увы, это яркое произведение архитектуры было снесено.
Сетчатые гиперболоидные башни
В конце XIX века развитие железных дорог и городского водопровода потребовало строительства водонапорных башен. Это высокие сооружения с огромной ёмкостью наверху. В неё набирается вода, которая потом подаётся в водопровод или в бак паровоза. Такие башни часто строили из кирпича (тогда они получались тяжёлыми и дорогими) либо в виде стальных ферм.
У фермы есть один серьёзный недостаток: разные её стержни берут на себя разные виды нагрузок. Пока башня стоит спокойно, стойки работают на сжатие. Когда на неё давит ветер, в работу включаются горизонтальные пояса и раскосы.
Выходит, в каждый момент времени какая-то часть металла в башне «работает», а какая-то – висит бесполезным грузом. Зачем же расходовать лишний металл и увеличивать стоимость конструкции?
Что необходимо?
Заставить все элементы башни быть постоянно включёнными в работу.
Что предложил Шухов
Первый биограф Шухова, Григорий Ковельман, записал со слов самого инженера любопытную историю. Однажды Шухов вошёл в свой кабинет, когда там наводила порядок домработница. Она убрала с подоконника тяжелый горшок с фикусом и поставила его на перевёрнутую корзину для бумаг. При этом хрупкая корзина не сломалась под весом горшка. Именно тогда в переплетении ивовой лозы Владимир Григорьевич разглядел будущую сетчатую оболочку.
Имела ли на самом деле место эта история с горшком и корзиной, мы уже вряд ли узнаем. Однако надо быть выдающимся инженером вроде Шухова, чтобы догадаться: по такому же принципу можно строить башни.
А теперь давайте разберёмся со вторым словом в названии башни – гиперболоидная. На уроках математики вы, возможно, уже прошли или вскоре будете изучать кривую под названием гипербола. Если такую кривую вращать вокруг её оси, получится поверхность, называемая гиперболоидом. Однако математикам было известно, что гиперболоид можно получить вращением не только гиперболы, но и наклонной прямой линии.
Шухов понимал, что в строительстве, особенно в производстве стальных конструкций, мы имеем дело с прямыми элементами. Используя это математическое правило, инженер научился создавать сложную криволинейную поверхность из прямых металлических стержней. Например, из обыкновенных уголков.
Впервые новая конструкция была представлена миру на той же самой выставке в Нижнем Новгороде 1896 года. Тогда настоящим «гвоздём программы» стала тридцатиметровая башня Шухова. Она была водонапорной и в то же время смотровой.
Эта старейшая в мире сетчатая оболочка сохранилась до наших дней. После завершения выставки её купил русский промышленник и меценат Юрий Степанович Нечаев-Мальцев. Он владел заводом в Гусь-Хрустальном и был главным спонсором московского Музея изящных искусств (сегодня – Государственный музей изобразительных искусств им. Пушкина). Нечаев-Мальцев установил башню в своей усадьбе в селе Полибино в современной Липецкой области. Увы, усадьба сегодня пребывает в разрухе. Однако башню недавно отреставрировали и её можно посетить.
Чем хороши сетчатые башни
В Российской империи, а затем и в Советском Союзе было построено несколько десятков башен системы Шухова. Чаще всего они играли роль водонапорных башен, иногда – пожарных каланчей, маяков и даже мачт военных кораблей. Чем же так хороши сетчатые башни Шухова? Дело в том, что в них воплотились четыре принципа по-настоящему хорошего инженерного решения.
Инженеры называют конструкцию экономичной, если она прочная и при этом недорогая. Сетчатая гиперболоидная башня состоит из групп стержней одинаковой длины, которые расположены под одинаковыми углами друг к другу. Это означает, что и нагрузку от веса башни и воды в баке все стержни будут воспринимать поровну. Они же будут воспринимать и ветровую нагрузку. Весь металл в башне постоянно будет работать, в конструкции не будет ничего лишнего – и таким образом можно сэкономить на металле и стоимости конструкции.
Вот вам пример. В 1919 году Шухов спроектировал башню высотой 350 метров. Согласно расчёту, она весила бы в четыре раза меньше Эйфелевой башни, которая построена из ферм и имеет высоту на 26 метров меньше.
Технологичностью инженеры называют простоту строительства. Изящно изогнутая Шуховская башня состоит тем не менее из прямолинейных стальных стержней – как правило, уголков. Всё, что необходимо сделать строителям, – пробить в нужных местах отверстия и соединить уголки друг с другом. А чем легче соорудить конструкцию, чем меньше на неё требуется человеко-часов работы – тем она дешевле.
Слово «унификация» означает, что конструкция состоит из множества одинаковых и простых деталей. Шухову не нужно было заказывать их изготовление московскому заводу, а потом везти их, скажем, в Вологду (там на вокзале до сих пор стоит водонапорная башня шуховской системы). Уголки, из которых собирали башни, и в те времена, и сегодня, можно заказать на любом металлургическом предприятии. Шухов унифицировал не только конструкцию, но и метод расчёта. Используя его методику, любой инженер мог сам спроектировать башню под необходимый объём бака.