Металл в строительстве и архитектуре

Тема, заявленная в заголовке данной статьи, поистине неисчерпаема. Ведь, согласитесь, без металла современного массового строительства нет и, очевидно, быть уже не может. Построенные когда-то «без единого гвоздя» здания - скорее дань истории или специально создаваемые произведения архитектурного искусства, чем строительное явление, отражающее дух нового времени. Из металла наши современники делают каркасы зданий, возводят мосты, устраивают инженерную инфраструктуру, строят башни телевизионных антенн, подъемные краны, создают вертикальный лифтовой транспорт зданий и многое другое. Он всюду. Но как это произошло? Попытаемся хотя бы заглянуть за кулисы этого «архитектурно-строительного театра».

 

    Архитектура целого ряда предшествовавших нашему времени веков, творя руками зодчих «вторую природу», исповедовала принципы, названные исследователями «триадой Витрувия». Согласно этим принципам, сформировавшимся еще в I веке нашей эры, от архитектора требовалось соблюсти «пользу, прочность и красоту». Так возникали жилища, храмы, торговые ряды и постройки, необходимые производственные помещения и т.д., отразившие архитектурно-строительные новации давно минувших лет.
    Однако с развитием нашей цивилизации, а также выражающей ее поиски и чаяния - научно-технической революции, жизненно необходимых потребностей людей, и это главное, возникла необходимость и в принципиально новых типах зданий, сооружений и построек, а следовательно, и в пересмотре критериев упомянутой витрувиевской триады.
    Теперь, шагнув «от бревенчатой избы к небоскребу», нам, например, пришлось в корне изменить свое отношение к «критерию пользы». Особенно это стало заметно с разработкой большепролетных перекрытий, возведением крупнейших торговых, выставочных и транспортных сооружений, высотных зданий и т.д.
    Изменившаяся методика проектирования отныне, замечают исследователи, строилась на проектировании «изнутри - наружу»: «от анализа и построения оптимальной схемы функционирования объекта к его соответствующему объемно-планировочному решению и затем (к часто неожиданному) к внешнему облику - несимметричному, разнообразно члененному».
    Не остался без внимания и «критерий прочности». Бурно развивающаяся с середины XIX века урбанизация с неизбежностью привела к росту этажности и массовости городской застройки. На базе новой техники, а также с помощью новых материалов, конструкций и технологий были изменены геометрические габариты зданий и сооружений нового времени. Теперь предельная высота зданий преодолела отметку в 500 м, а ширина пролетов, достигнув почти фантастических размеров, приблизилась к 250 м.
    Впечатляют не только смелость и величие, но и красота новых архитектурно-строительных решений, поневоле отразившиеся и на нашем отношении к «критерию красоты». Главнейшими эстетическими задачами теперь становятся эстетическое освоение новых необычных пространственных геометрических форм конструкций положительной и отрицательной гауссовой кривизны; эстетическое преодоление повторяемости крупных конструктивных форм и монотонности каркасных и перекрестно-стержневых конструкций и т.д.
    Подобные конструкции, создаваемые теперь чаще всего в металле, позволили широко варьировать формы зданий и изменили привычное представление о тектонической выразительности и образности в архитектуре.
    Уже с середины XIX века архитекторы и проектировщики заговорили об «исторической миссии металла в строительстве, которому, по их мнению, предстояло теперь изменить строительную концепцию и произвести новые оригинальные формы, новый стиль». По сути, с широким внедрением металла, речь пошла об открытии совершенно новой области в истории развития архитектуры.

 

    Металлические каркасы массовых гражданских зданий.
    Их достоинства и недостатки

    Во впечатляющих по своим масштабам зданиях предшествующих эпох каменные каркасные конструкции, отмечает исследователь Т. Маклакова, достигли вершины своей эволюции еще в средние века. С XVIII века в строительстве мостов и первых промышленных зданий начали применять чугун, из которого отливали несущие конструкции колонн, ферм и арок. Однако чугун, как известно, имеет ряд специфических свойств: высокое сопротивление сжатию и значительно меньшее сопротивление растяжению, что ограничило его применение в данной сфере.
    Наибольшее влияние на развитие конструктивных решений каркасных зданий в целом оказал опыт проектирования выставочного павильона Великобритании «Хрустального Дворца», выстроенного для проведения всемирной выставки в Лондоне. Благодаря применению металлического каркаса он вошел в историю строительной техники целым рядом новаций. В частности, применением полностью светопрозрачных наружных стен и покрытий; унификацией и модульной координацией всех геометрических параметров здания; полносборностью и повторяемостью конструкций и т.д.
    С 1870-х годов в Чикаго начали строить многоэтажные здания с внутренним каркасом (колонны и балки) из литого и ковкого чугуна. Уже в ходе строительства здания, сообщают исследователи, было получено разрешение на замену балок из ковкого чугуна первой партией балок из бессемеровской стали. И только годы спустя каркас при строительстве зданий становится полностью стальным. «Таким образом, заключают они, менее чем за 25 лет система металлического каркаса претерпела быструю эволюцию, пройдя путь от внутреннего чугунного к полному чугунному, затем к смешанному (чугунные колонны - стальные ригели), и, наконец, к полному стальному».
    Стальные прокатные элементы колонн и балок объединялись в узлах на заклепках по накладкам из уголков или полосовой стали. К началу ХХ века клепаный стальной каркас стал общепринятой несущей конструкцией многоэтажных зданий.
    И уже в 1907 году было построено самое высокое по тому времени здание - 47-этажный офис Зингер-билдинг в Нью-Йорке, высота которого составила 206 метров.

    Технологии возведения металлических каркасов постоянно совершенствовались. Наиболее существенные изменения в конструкции каркасов, по данным исследователей, связаны с заменой рамной расчетной схемы и конструкции каркаса на рамно-связевую и связевую. Эти решения, подчеркивают они, способствовали упрощению монтажных соединений и унификации конструктивных элементов.
    Основным же недостатком стальных каркасов оставалась их недостаточная огнестойкость. К технико-экономическим недостаткам системы таких каркасов, по признанию специалистов, относится трудоемкость устройства междуэтажных перекрытий и огнезащитных мероприятий, что в значительной мере оказалось преодолено с созданием и внедрением железобетонного каркаса.
    Заметим при этом, что стальной сварной каркас с успехом был применен, в частности, при строительстве здания МГУ им. М.В. Ломоносова на Воробьевых горах (Москва, 1949 год).

 

Стальные каркасы в интерьерах зданий

    Вхождение стального каркаса в композицию интерьеров общественных зданий шло, как указывают исследователи, двумя путями. Это - облицовка и декор данного сооружения, а также открытая в интерьер стальная конструкция. В частности, второй прием хорошо виден в интерьерах станций Берлинского метрополитена. Однако и здесь не обошлось без архитектурных изысков и стилизаций. Клепаные квадратные стальные колонны имеют капители в виде волют ионического ордера из гнутого стального листа, грибовидные либо растительные формы и т.д.
    Однако исследователи полагают, что до конца органичного архитектурного решения стального каркаса в интерьере, возможно, еще не найдено.
    В целом же введение металлического каркаса и стеклянных наружных ограждений радикально изменили и обогатили связи внутреннего и внешнего пространства, а внутри зданий привели к свободной планировке и «перетеканию пространств». В свою очередь создание, ставших возможными, светопрозрачных наружных ограждающих конструкций открыло возможность новой пластики и колористических характеристик зданий. «На смену классической светотеневой пластике приходят другие выразительные средства - цвет, отражающая способность, блеск стекла и т.д.».

 

Металл в многоэтажных и высотных зданиях

    В 1976 году на симпозиуме CIB была принята классификация зданий по их высоте. Сооружения высотой до 30 м отнесены к зданиям повышенной этажности, до 50, 75 и 100 м - соответственно к I, II и III категориям многоэтажных зданий, свыше 100 м - к высотным. Очевидно, что для классификации принят критерий высоты, а не этажности, поскольку характерные высоты этажей в отдельных странах приняты различными. В функциональном отношении здания повышенной этажности, многоэтажные I и II категорий разнообразны - жилые дома, гостиницы, спальные корпуса санаториев, многофункциональные объекты. Большинство этих зданий являются объектами массового строительства.
    Многоэтажные здания III категории и высотные чаще всего относятся к объектам уникального строительства, имеют административное или многофункциональное назначение. Как правило, они имеют башенную форму, так как она оказывает меньшее влияние на ухудшение инсоляции прилегающей застройки, чем протяженные здания.
    Высотный фактор влияет не только на выбор формы здания (серповидная, змеевидная, пирамидальная, треугольная и эллиптическая в плане и т.д.), но и на выбор конструктивной системы и материала несущих конструкций. Если для зданий высотой до 40-50 этажей включительно основным материалом несущих вертикальных конструкций является железобетон, то для зданий большей этажности - сталь в сочетании с железобетоном.
    Выбор стальных конструкций для высотных объектов, отмечается в специальных исследованиях, определяется их техническими преимуществами: большей точностью изготовления, простотой и точностью сборки на высокопрочных болтах, что делает их более выигрышными по сравнению с железобетонными конструкциями. Однако недостатком применения стальных несущих конструкций остается необходимость проведения дорогих и трудоемких антикоррозионных и противопожарных мероприятий, работ по утеплению и отделке.
    В качестве противопожарных мер применяется напыление или оштукатуривание внутренних несущих конструкций растворами с заполнителем, имеющим малый коэффициент теплопроводности (перлит, вермикулит), их обетонирование или облицовка пустотными керамическими блоками.
    Для обеспечения коррозиестойкости наружных несущих элементов применяют специальные лакокрасочные покрытия или выполняют их из устойчивых к атмосферной коррозии сортов стали.
    Конструктивное решение высотного здания может быть разработано на основе рамной (каркасной), стеновой (диафрагмовой, бескаркасной), ствольной или оболочковой конструктивной системы. При этом бескаркасные (стеновые) системы в проектировании высотных зданий применяются крайне редко, «базируясь на уникальных конструктивных решениях».
    Строительство высотных зданий набирает силу во всех развитых странах мира. Характерным вопросом для него становится проблема ансамблевости. Хаотичность, например, застройки Манхеттена в Нью-Йорке не кажется многим архитекторам и градостроителям приемлемой.
    Вторая проблема имеет эстетический аспект. Эстетические требования к высотным объектам, в связи с их уникальным влиянием на архитектурный облик и силуэт застройки, очень велики. В течение столетия прошли апробацию многочисленные композиционные решения - стеклянные башни, опрокинутые пирамиды, наклонные башни, брутальные технизованные пространственные вертикальные стальные макрофермы и т.д.
    В любых из этих и других случаях, связанных со строительством многоэтажных и высотных конструкций, металл играл значительную или ведущую роль.

 

Большепролетные пространственные конструкции. Стальные складчатые конструкции

    В этой связи можно упомянуть стальные складчатые конструкции в крупных общественных зданиях. Их применение началось в 70-е годы ХХ столетия. Ведущая роль, по утверждению историков архитектуры, принадлежит архитектуре советского павильона на всемирной выставке Экспо-70 в Осаке. В основу композиции был положен символ развернутого знамени, выполненного в виде стальной складчатой конструкции. Здание имело максимальную высоту в 100 м (вершина древка знамени).
    Дальнейшее применение стальных складчатых конструкций в крупных общественных зданиях приходится на 1980-1990 годы и связано с развитием архитектуры стиля хай-тек, «ориентированного на выявление эстетических качеств металлических конструкций».

 

Стальные купола

    Купола, наряду со сводами, являются очень древней конструкцией, пережившей второе рождение в ХХ веке. Если со II века нашей эры до ХХ века предельной величиной пролета купола оставались 42 м (Пантеон в Риме), то в наше время выполнены стальные купола с пролетом около 200 м, например, покрытие стадиона в Хьюстоне диаметром 193 м (1964 год). К слову сказать, с применением пленочно-тентовых конструкций удалось возвести купол диаметром 400 м (зал Миллениум в Лондоне - 2000 год).
    Наибольшее распространение среди куполов, выполненных в металле, получили купола ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые. Наименее трудоемкой, по утверждению специалистов, является конструкция сетчатых пластинчато-стержневых куполов. Однако, при всей их легкости, им присущ общий недостаток, замечает Т. Маклакова, «большая стрела подъема, приблизительно равная половине диаметра купола. Помимо экономических недостатков, утверждает исследователь, большая стрела подъема способствует ухудшению пространственной акустики в перекрываемом зале из-за фокусировки отраженных звуковых волн. В этом отношении, подчеркивает она, акустические преимущества пологих железобетонных куполов, поверхность которых имеет очень большой радиус кривизны, превышающий в 2-3 раза высоту зала, бесспорны».