Этапы развития стальных каркасных конструкций в многоэтажном строительстве (1790-1872 гг.)

Основная часть этой книги была подготовлена в 1972 г. — через 100 лет после сооружения фабричного здания фирмы «Солнье» в Нуазье-на-Марне, которое можно считать первым стальным каркасным строением. По сравнению с общим развитием металлургии и применением металла в строительстве 1872 г. является довольно поздним периодом. Вспомним коротко важнейшие даты. В 1720 г. Абрахаму Дерби в Колбрукдейле удается выплавить чугун в доменной печи на коксе вместо древесного угля и этим создать предпосылки для массового производства доменного чугуна. В 1784 г. стало возможным путем усовершенствования пудлинговых печей переделать -доменный чугун в ковкое железо, которое начинает вытеснять чугун. С изобретением в 1855 г. Генри Бессемером конверторов и введением в 1864 г. фирмой «Сименс» мартеновских печей начинается эра массового применения стали.

Одновременно с большим скачком в производстве стали наблюдался прогресс и в ее обработке; уже в середине XVIII в. в Англии начинается прокат листового железа, в 1830 г. — железнодорожных рельсов, в 1854 г. во Франции — двутавров из ковкого железа. Двутавровая балка — основной профиль современного строительства из стали и в то же время первый строго нормированный строительный элемент — является развитием формы железнодорожного рельса, который можно считать символом индустриального века.

Мост через р. Северн в Колбрукдейле (1779 г.) — первое значительное сооружение из чугуна как конструктивного материала, примененного для больших пролетов, начиная примерно с 30 м. Чугунные арочные мосты вскоре вытесняются различными типами мостов из ковкого железа, имеющего большую прочность на изгиб: висячими, балочными и мостами с решетчатыми фермами. Среди ранних американских и английских цепных мостов выделяется мост пролетом 173 м Томаса Тельфорда через р. Бангор. После того как вместо цепей стали применяться несущие тросы, рекордные пролеты висячих мостов около 1850 г. превысили предельные 300 м и к 1870 г. при строительстве Бруклинского моста в Нью-Йорке достигли 500 м.


Смелым инженерным решением был сооруженный в Англии Стефенсоном в 1855 г. первый большепролетный балочный мост через улицу Менай, при строительстве которого применены швеллерные балки со сплошной стенкой. Мосты с решетчатыми фермами отвечали главным образом требованиям железнодорожного транспорта и преобладали в мостостроении с середины до конца столетия. В качестве примеров мостов с применением решетчатых ферм пролетом 100 м и более можно назвать сооруженные в 1859 г. Кёльнский соборный мост и трубчатый мост Дж. К. Брунеля через р. Салташ в Плимуте. Около середины прошлого столетия уже сформировались все основные конструктивные и несущие системы, которые определяют строительство металлических мостов до сегодняшних дней.

Кульминационным моментом в строительстве металлических покрытий залов было сооружение в 1851 г. лондонского «Хрустального дворца». Почти одновременно начинается строительство станции «Кинг-кросс» в Лондоне, Восточного вокзала в Париже и ряда больших железнодорожных сооружений — стальных сводчатых покрытий перронов; в 1866 г. в Лондоне (станция «Панкрас») был установлен европейский рекорд — возведен 78-метровый пролет покрытия перрона.

Однако в этот период, отмеченный возведением перечисленных мостов и покрытий, стальные конструкции все же не нашли широкого применения. Здесь можно отметить четыре основных положения, вызванных теми же архитектурными затруднениями, которые препятствовали и до сих пор еще препятствуют всеобщему признанию и широкой практике применения стальных конструкций.

1. Строительство в сравнении с другими отраслями техники с давних пор весьма консервативно. Консерватизм строителей в какой-то мере связан с представлениями человека о своем жилище и об общественных зданиях как о постоянных надежных помещениях, не только защищающих от непогоды, но и строящихся на века. Увековечивая себя в архитектурных сооружениях, человек проявляет определенный уровень культуры и развития.

2. «Архитектура» в историческом смысле, связанная с представлениями о греческих храмах или средневековых соборах, на протяжении столетий остающихся произведениями искусства большой выразительности и совершенства, стала несовременной с наступлением эпохи техники.


Строители и архитекторы XIX столетия создали художественную традицию, основанную на эклектике, т. е. на использовании элементов архитектуры прежних эпох. Таким образом, строительное искусство прошлого века можно рассматривать как один из этапов исторического маскарада, подделки под старину.

Преклонение перед историческими архитектурными формами длительное время препятствовало развитию новых архитектурных форм, ставшему неизбежным по мере того, как с применением стали в качестве несущего строительного материала старые догмы строительной науки и старые типы конструкций подверглись коренному пересмотру.

3. Исторически сложившаяся предубежденность архитекторов углубляла в возрастающей степени их разногласия с инженерами. Разделение старой строительной профессии, выделение инженера в самостоятельную профессиональную единицу, появление современной статики сооружений — все это произошло одновременно с первыми шагами индустриальной революции и стало важнейшим признаком новой эпохи в строительном деле. Архитекторы не успевали за быстро совершенствовавшимися методами расчета: неудивительно, что они продолжали углубленно изучать исторические строительные формы. Это стало предпосылкой создания монументальной архитектуры, а промышленное строительство было оставлено инженерам. Первые сооружения из стальных конструкций — мосты и большепролетные залы — стали объектами деятельности только инженеров-строителей. Возможно, инженеры тоже находились под влиянием старых представлений о конструктивных формах, так как упорно применяли сводчатые конструкции, но тем не менее понимали объективную необходимость создания новых конструктивных форм, соответствующих металлу.

4. В возведении многоэтажных зданий, ставшем самостоятельной областью деятельности архитекторов, долгое время отсутствовали тенденции, которые побуждали ко все более смелым решениям при строительстве мостов и большепролетных покрытий. Ни число этажей, ни размеры пролетов перекрытий и нагрузки на них не выходили за пределы обычных решений, свойственных дворцовому или жилищному строительству. Если в ответственных зданиях деревянные или сводчатые перекрытия и заменялись перекрытиями по стальным балкам, то это не вносило в структуру многоэтажного строительства существенных изменений. Внешний облик здания с традиционным членением фасадов оставался неизменным. Поэтому в больших городах — Париже, Милане, Риме, несмотря на количественное преобладание зданий, сооруженных в XIX в., они прекрасно гармонируют со старыми постройками.


Даже в тех случаях, когда архитекторы предусматривали возведение металлического покрытия, как, например, в библиотеке Св. Женевьевы в Париже (X. Лабруст), тщательно проработанная двухпролетная арочная конструкция из чугуна не просматривается снаружи. Ограждающая стена в смелой завершенности и оригинальной композиции выразительна и полностью скрывает конструкцию здания. По-видимому, архитектор чувствовал себя здесь более уверенно. В вокзальных постройках конца XIX в. во Франкфурте-на-Майне наглядно проявляется противоречие между ажурными стальными арочными покрытиями перрона и расположенным перед ним монументальным зданием зала ожиданий, также скрывающим легкие конструкции перрона.

Первые шаги на пути к стальному каркасу в многоэтажном промышленном строительстве были сделаны еще очень давно. Так, в английском ткацком производстве с целью выиграть рабочую площадь и получить более прочные перекрытия для станков деревянные столбы были заменены чугунными колоннами и деревянные балки — чугунными балками. Самым известным зданием из первых промышленных многоэтажных сооружений было здание, построенное в 1801 г. для фирмы «Филипп и Ли» в Салфорде (Манчестер). Проект принадлежал Боултону и Уатту, изобретателю паровой машины. Подобные текстильные фабрики с внутренним чугунным каркасом появились уже в 80-х годах XVIII в., однако здание в Салфорде превзошло их как размерами, так и более зрелым конструктивным решением и стало образцом для дальнейшего развития. Здание имело длину 42 м, ширину 14 м и было необычной для того времени высоты — в семь этажей. Чугунные балки, расположенные поперек здания с шагом ~2,7 м, были оперты на двойной ряд чугунных колонн. Балки перекрытий, впервые принятые двутаврового профиля, были перекрыты пологими кирпичными сводами.


Существенное изменение претерпела эта конструкция лишь в 1845 г., когда Вильям Фейрберн применил на строительстве сахаро-рафинадного завода вместо чугунных балок кованые балки двутаврового профиля. В том же году А. Цорес включил прокатную двутавровую балку в конструкцию перекрытия для жилых зданий. Начиная с этого момента, стальные балки из мягкой стали распространились не только в промышленном стр жительстве.

Перекрытия со стальными балками имели преимущества в сравнении с деревянными балками как по огнестойкости, так и в силу значительно более высокой несущей способности. По сравнению со сводами они обладали явными преимуществами не только благодаря малой трудоемкости, но прежде всего благодаря резкому уменьшению высоты этажа и сечения стоек ввиду устранения распора от сводчатых перекрытий. Сам факт, что стальные балки заменили своды как несущую конструкцию и как важнейшее средство создания формы в монументальной архитектуре, позволяет говорить о новой архитектурной эпохе. Однако в перекрытии по стальным балкам еще долго сохранялись кирпичные или бетонные своды как вспомогательная конструкция, как своеобразная дань традициям архитектуры, с помощью которой в XIX в. пытались облагородить технические новшества.

Еще более ярко проявился разлад между романтикой и прогрессом в строительном элементе, который мог бы служить символом архитектуры буржуазного столетия, в чугунной колонне — этом стройном несущем элементе со старинными декоративными формами капителей, баз или каннелюр. Оригинальные образцы подобных чугунных колонн были установлены на первых английских железнодорожных вокзалах и в павильоне «Ройяль» в Париже. Они были изготовлены в 1821 г. Джоном Нэшем и представляли собой трубы с капителями в форме пальмовых листьев из гнутого листового железа. Позднее чугунная колонна стала массовым конструктивным элементом, который по каталогу можно было заказать любой высоты и в любом стиле — дорическом, тосканском, коринфском, готическом или мавританском.

Созданный Боултоном и Уаттом «способ балочного строительства» господствовал в промышленном строительстве на протяжении всего XIX в., но его нельзя полностью отнести к каркасному строительству, так как несущие стены воспринимали большую долю нагрузки от перекрытия и ветровые нагрузки. Это становится очевидным при рассмотрении строительных правил США и европейских стран того периода. Они предусматривали в промышленных зданиях усиление наружных стен одного или двух нижних этажей, т. е. увеличение толщины этих стен на полкирпича по сравнению с толщиной несущих стен многоэтажных жилых и служебных зданий. Это требование, которое, например, в немецких строительных правилах сохранялось до второй мировой войны, оказалось весьма рациональным: ныне действующие нормы по допускаемым напряжениям на кирпичную кладку подтверждают необходимость увеличения толщины стен для сооружений такого типа.

Следующий шаг на пути к стальному каркасу — передача нагрузок с наружной стены на металлический несущий остов — долго не был сделан, главным образом из-за того, что он изменил бы архитектуру зданий. Первые попытки сделать этот шаг исходили из древнейших строительных форм аркад и крытых галерей, которые с античных времен играли важнейшую роль как в формировании дома, так и в градостроительстве. Великолепны большепролетные аркады в строгих кирпичных фасадах английских доков — Катерин-док в Лондоне (1828 г.) и Альберт-док в Ливерпуле (1845 г.). Архаично сужающиеся кверху стволы чугунных колонн с дорическими капителями в этих зданиях имели в основании метровый диаметр.


Другой попыткой создания остова наружных стен, приближающейся к основам современного каркасного строительства, является использование железных перемычек и стоек, которые впервые применены в Париже для огромных витрин на фасадах зданий в виде пологого арочного фахверка или несущей решетки с мелкими параллельными элементами, включенными в каменную стену.

Между 1850 и 1880 гг. в США было построено много складов, универсальных магазинов и различных контор, в которых фасады были полностью выполнены из стальных конструкций. Начал это строительство Джемс Богардус, многосторонний исследователь и конструктор. Одна из главных его работ — здание издательства «Харпер и братья» (1854 г.). Фасад пятиэтажного здания состоит из архитектурно обработанных чугунных элементов; внутренний каркас впервые в США выполнен из прокатных стальных балок. Архитектура фасадов основана на примерах венецианского ренессанса и характерных для того времени тяжелых, богатых формах, которым следовал эклектизм во второй половине XIX в.

Значительно более современный вид имеют чугунные фасады на Ривер-Фронт в Сент-Луисе. Применение архаических элементов сократилось до предела, они сохранились только в качестве украшения и рельефа. Строгий карнизный профиль, изящные простые колонны, скромные капители и базы подчеркивают элементарный контраст мощных горизонталей и легких вертикалей, призматических и цилиндрических профилированных несущих элементов.

В то же время в Европе появляется несколько замечательных фасадов из металла, например на здании «Гарднере Айрон билдинг» в Глазго (1856 г). В Ливерпуле на здании «Ориэль Чэмберс» особенно привлекательно чередование изящных простенков из песчаника и стальных оконных переплетов (1864 г). Такое решение оконных витражей позднее сыграет важную роль в Чикагской архитектурной школе.

Большие пожары 70-х годов в Бостоне и Чикаго рассеяли иллюзию об огнестойкости стальных конструкций, доказав, что этот негорючий строительный материал не может долго противостоять огню. Это было учтено в Европе раньше, чем в США, и проявилось в усиленных поисках огнезащиты и в попытках установить новые требования к металлическим конструкциям.

Первым многоэтажным зданием с усовершенствованным стальным каркасом была шоколадная фабрика Менье в Нуазье-на-Марне близ Парижа, построенная в 1871—1872 гг. Жюлем Солнье. Как и с в английских текстильных фабриках, производственные требования промышленного здания заставили инженеров использовать все конструктивные возможности и несущую способность стали как строительного материала.

Здание, выстроенное непосредственно над Марной, покоится на четырех мощных контрфорсах плотины, которая сдерживает напор речной воды. Каркас наружной стены стоит на широкой нижней обвязке из швеллеров, которая распределяет общий вес здания и ветровые нагрузки на восемь точек опоры. Поперечные стены отсутствуют, торцовые стены также не могут воспринять горизонтальных усилий, поэтому для повышения жесткости здания каркас усилен ромбическими связями. Для обеспечения поперечной жесткости балки перекрытий связаны жесткими консолями фахверка с главными стойками фасада.

Две стойки над опорами моста несколько выступают за линию колонн, в остальном же весь фасад ровный при незначительной толщине кирпичного заполнения. Формат окон точно определен диагоналями ромбической сетки связей.

Строительство фабрики Менье предвосхитило различные структурные элементы современного каркасного строительства: свободно висящие углы, диагональная сетка раскосов, которые играют столь значительную роль в установленных снаружи ветровых связях небоскребов и в каркасах мостовых строений. С другой стороны, конструкция каркаса создана по аналогии со средневековыми постройками с деревянным фахверком, что служит блестящим подтверждением учения Виоле ле Дюка, о котором еще пойдет речь. Строительная система Солнье все же не нашла непосредственного и серьезного подражания. Развитие металлических каркасов требовало новых конструктивных решений; такое развитие началось в Чикаго около 1880 г.