Текст книги "История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия"

Здания и мосты

Перемены в мышлении медленно проникают в повседневную жизнь. Архитекторы и строители XVI и XVII веков продолжали использовать привычные идеи и практики. Будучи современником Стевина и Галилея, архитектор Доменико Фонтана (1543–1607) умело применял методы прошлого, даже не помышляя об инновациях. История об известном перемещении Фонтаной обелиска, установленного во времена Калигулы, из цирка Нерона, где умирали христианские мученики, на площадь перед собором Святого Петра (рис. 6.1), то есть на расстояние около 800 футов, дает наглядное представление о методах работы итальянских инженеров. Как и в далеком прошлом, инженеры того времени были вовлечены в политику и религию.

Фонтана предложил поднять обелиск вертикально с фундамента, уложить горизонтально на платформу, доставить на новое место, снова поднять его в вертикальное положение и установить на фундамент. В октябре 1585 года он получил полномочия командовать рабочими, использовать оборудование и древесину, собирать продовольствие, решать, какие дома придется снести, чтобы освободить путь к площади, и так далее. Весь ущерб собственности населения, разумеется, подлежал возмещению, однако никто не мог отказать Фонтане и рабочим, не навлекая на себя штрафы и недовольство папы. Любой, кто осмелится «говорить, плевать или шуметь» во время перемещения, мог быть приговорен к смерти. Правда, судя по всему, так сурово никто наказан не был.

Рассказ, написанный Фонтаной в 1590 году, сохранился. Из него следует, что он разработал очень толстый канат, предназначенный специально для этой задачи, и заранее оценил, какую нагрузку тому предстоит выдержать. Он распределил весовую нагрузку между 40 кабестанами с оснасткой пропорционально прочности на разрыв, которую он тоже определил заранее. Он достал 50-футовые рычаги, способные поднять и удержать 375-тонный вес, так чтобы оснастка не находилась под постоянной нагрузкой. Также подготовил клинья, которые следовало вгонять под обелиск по мере его подъема. Зодчий не уделил должного внимания напряжению сдвига в металлических лентах вокруг обелиска и неверно оценил нагрузку на детали подъемных тяг. В конце концов пришлось использовать связывание канатами.

Для деррика Фонтана построил башню вокруг колонны. Каждая из четырех 40-дюймовых угловых стоек была сделана из древесины с болтовыми соединениями, чтобы башню можно было разобрать. Стойки входили в тяжелую деревянную платформу. Они были скреплены и связаны, чтобы предотвратить изгиб. Для поддержки всего веса колонны, когда она будет уложена горизонтально, а потом снова установлена вертикально, Фонтана установил на одной стороне деррика подвижную подпорку, способную выдержать весь вес, управляемую с помощью оснастки внизу. От цирка до площади уклон был всего лишь 4 фута, так что Фонтана получал практически ровную дорогу или виадук, который он построил из грунта в деревянных ряжах.

Рис. 6.1. Перемещение зодчим Фонтаной в 1586 г. обелиска, установленного во времена Калигулы

30 апреля 1586 года, за два часа до рассвета все было готово. 907 человек и 75 лошадей были у 40 кабестанов, 5 рычагов и клинья оставались в резерве. Еда была приготовлена, толпу оттеснили подальше, люди исповедовались, получили благословение, прослушали две мессы. Потом, стоя на возвышении, откуда ему было видно все, Фонтана дал команду приступать. Люди и лошади пришли в движение, канаты натянулись, башня заскрипела, и, если верить Фонтане, даже земля дрогнула. Обелиск слегка накренился. Прозвенел звонок, все остановилось. Фонтана осмотрел конструкцию, обнаружил, что верхняя металлическая лента порвалась, и приказал заменить ее канатами. К четырем часам дня, после дюжины попыток подъема, колонну приподняли на два фута над пьедесталом, что было необходимо для подведения под нее платформы. Пушечный залп сообщил об успехе городу. Прошло восемь дней напряженной работы, прежде чем колонна была уложена горизонтально на платформу и все было готово для начала движения к площади.

Месяцы ушли на подготовку нового фундамента, перевозку пьедестала на новое место и его монтаж. Подпочва площади оказалась неудовлетворительной. Фонтане пришлось выкопать котлован со сторонами 45 футов и глубиной 24 фута и вбить 9-дюймовые дубовые сваи на глубину еще 18 футов. После этого он велел закопать котлован и накрыть его полом из древесины каштана, чтобы предотвратить попадание влаги. Поверх был положен бетон из щебня, кирпича и пуццолана.

К 10 сентября 1586 года работы на площади были закончены. Там тоже собралась огромная толпа, прошли необходимые богослужения. На этот раз Фонтана использовал на 40 кабестанах 800 человек и 140 лошадей. За тринадцать часов, после 52 грузовых операций, языческий трофей римских завоеваний был водружен невредимым на то место, где он стоит и поныне, – перед христианской церковью Святого Петра. В течение тринадцати веков, предшествовавших рождению Христа, он являлся памятником, поставленным египетским фараоном Менептахом себе самому или божествам, которым он поклонялся. Более странную смесь религиозной символики и человеческой слабости трудно себе представить. В рассказах современников о перемещении обелиска Фонтаной подробно изложены методы, использованные в строительстве в Италии XVI века. Однако не стоит забывать, что в 41 году, то есть пятнадцатью веками раньше, аналогичная, если не более сложная, работа была выполнена римскими инженерами. Они благополучно переправили обелиск с того места, где он спокойно стоял в течение десяти веков, на берег Нила, погрузили его на баржу, перевезли по Средиземному морю к побережью Италии, затем переправили по суше в Рим и установили в цирке Нерона, где им спустя полтора тысячелетия занялся Фонтана. При этом древние римляне не допустили ни одного повреждения. К сожалению, записей о том, как им это удалось, не сохранилось.

Архитекторы и инженеры эпохи Возрождения хотели двигаться вперед, но довольствовались тем, что оставляли основные черты построек такими, как они были раньше. Не было никаких существенных прорывов в техниках строительства, которые можно было бы назвать важными изменениями в инженерии. Исключение составило возобновление использования полного купола на пандативах – тромпах, как в храме Святой Софии в Константинополе. В 1436 году Филиппо Брунеллески построил восьмигранный купол диаметром 42 метра, состоящий из двух оболочек, связанных 24 ребрами и 6 горизонтальными кольцами. Такая конструкция, при таком же расходе материала, как на одну оболочку, придавала дополнительную жесткость. Купол возвышается над собором Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции. Фонтана вместе с Джакомо делла Порта (1541–1604) завершил строительство купола собора Святого Петра, который спроектировал и начал расписывать Микеланджело. Формы быстро менялись. Устав от готики, зодчие отправлялись в Рим за вдохновением. Брунеллески (1377–1446) и Донателло (1386–1466) использовали Пантеон как модель для собора Санта-Мария дель Фьоре. Другие тоже находили для себя новые источники вдохновения, и потому архитектура Ренессанса существенно отличается от романской и готической. Изменения шли от простого и прямого к сложному и изысканному. И архитектура Ренессанса стала даже излишне причудливой. Потом имело место возвращение к простоте и сдержанности. Так родилось итальянское барокко, после чего началось общее возрождение классической архитектуры.

У инженеров нередко есть много общего с художниками – зачастую даже больше, чем они осознают. Это определенно относится к строителям Тадж-Махала в Индии. Его остроконечный купол поднимается на 200 футов, на 20 футов выше, чем в соборе Святой Софии. Однако он опирается не на тромпы. Это истинная арка, установленная на квадратном основании. Детали конструкции просты. Отличительной чертой является виртуозное искусство, в котором простота инженерных деталей сочетается с замысловатостью украшений. Тадж-Махал раскрывает в материальной форме внутренние мысли и надежды людей. Он стал совершенным воплощением безграничной любви шаха Джахана к его любимой жене Мумтаз. Он также стал художественным выражением ожиданий, возлагаемых на строителей, и они оказались на высоте.

Аналогичные эстетические требования на протяжении двух веков Ренессанса предъявлялись к строителям мостов. Многие конструкции, разные по дизайну, строились с использованием установившихся принципов арочной каменной кладки. Среди них мост Святой Троицы во Флоренции, мост Риальто в Венеции, парижский Пон-Неф и Заксенхой-зерский мост во Франкфурте. Многие до сих пор используются. Но были и новые идеи и эксперименты, связанные с мостостроением. Андреа Палладио (1518–1580), архитектор, известный возрождением классического стиля и созданием палладианского окна, вероятно, первым внедрил фермы в строительство мостов (рис. 6.2). Он говорил, что слышал о подобной конструкции в Германии, однако существовала ли она в действительности, неизвестно. Инженеры давно понимали, что треугольник невозможно разрушить, не изменив длины хотя бы одной его стороны, и использовали стабильность этой геометрической фигуры для поддержки крыш. В работе Палладио, опубликованной в 1570 году в Венеции, было показано четыре деревянных фермовых моста, которые он, скорее всего, сам и спроектировал. Об одном из них – через реку Цисмон на границе Италии и Германии – он писал, что мост не имеет опор в воде и потому не разрушается течением и не подвергается ударному воздействию стволов деревьев и камней с гор. Он утверждал, что такие мосты прочные, поскольку все их части взаимно поддерживают друг друга.

Рис. 6.2. Фермовый мост конструкции архитектора Палладио

Мосты Палладио являлись инновацией. Они строились из коротких деталей, которые собирались вместе и образовывали длинный пролет. Им не нужны были тяжелые опоры, чтобы выдержать нагрузку арок. Было заявлено, что Палладио допустил ошибку, оставив центральные панели только с одной диагональной связью. Напряжение там может стать слишком большим, когда по мосту станут перемещаться грузы. Следует отметить, что вторые диагонали, или разгружающие связи фермы, не являются необходимыми, если единичные диагонали панели могут выдержать и сжатие, и растяжение. Хотя Палладио, вероятно, не владел теорией, он заслужил славу и почет за изобретение и постройку фермового моста. Его мосты отлично зарекомендовали себя в эксплуатации.

За много лет до Палладио Леонардо да Винчи заинтересовался применением в строительстве мостов деревянных ферм, которые давно использовались при постройке других сооружений. Рисунок в одной из его тетрадей (рис. 6.3) показывает фермовый мост относительно современного вида.

Рис. 6.3. Изображение ферм Леонардо да Винчи (из его Manuscritti e i disegni)

Надпись под рисунком гласит: «Мост сломать невозможно, если основные балки ab и cd прочные и хорошо связаны». В 1595 году и снова в 1617 году Фаусто Веранцио (1551–1617), далматинский епископ, проиллюстрировал свою концепцию фермового моста с металлическими стержнями и проушинами. Он не был построен, да и вообще фермовые мосты из дерева или железа, за исключением моста Палладио, очевидно, не строились еще на протяжении многих лет. Веранцио также планировал подвесной мост с цепными тягами и ровным полом (рис. 6.4).

Французский математик и инженер Франсуа Блондель (1618–1686) в 1665 году усовершенствовал римский метод устройства фундаментов мостов. Его конструкция для защиты фундаментов мостов от размывания уникальна. Это своего рода ложное речное дно. Римский мост в Сенте разрушился, потому что река Шаранта размыла опоры. Блондель пробурил несколько скважин, причем ему пришлось углубиться на 66 футов, прежде чем он добрался до твердой глины. Он использовал водонепроницаемую крепь, чтобы удерживать воду, и поместил каркас из дубовых бревен квадратами от берега до берега на 7 футов ниже речного дна. Блондель заполнил эти квадраты камнями, смешанными с раствором.

Рис. 6.4. Изображение Веранцио китайского подвесного моста (из его Machinar novae, 1595)

Затем он закрепил дубовые платформы на каркасе и на них построил опоры высотой 5 футов. Течение не размывало эту конструкцию, и мост благополучно простоял, пока его не снесли в 1845 году. Метод Блонделя был слишком трудоемким и дорогостоящим, чтобы стать всеобщей практикой. Его усовершенствовал Франсуа Ромен (1646–1735), доминиканец, уроженец Гента, когда в 1685 году закладывал фундамент для Королевского моста в Париже. Ромен использовал открытые кессоны, до сих пор применяющиеся для некоторых подводных конструкций. Он соорудил вместилище из тяжелых бревен и выложил каменную кладку опоры внутри. По мере роста и увеличения веса опоры кессон вдавливался в грунт, в конечном счете достигая твердого дна. До этого Ромен использовал драгирование при строительстве фундамента опор в Маастрихте, Голландия.

Каналы и гавани

Итальянские, фламандские, голландские инженеры того времени рыли каналы с основательностью и рвением, которые можно приписать патриотизму. Места, на которых велось

строительство, являлись стратегическими, экономические цели – национальными по размаху. Жители Нидерландов стремились сохранить выход к морю для Брюгге, некогда крупного европейского порта, когда глиной занесло реку Звин. Канал Слёйс стал бесполезен. Голландцы попытались в 1622 году добраться до глубоководья в Остенде, потом в 1640 году через Дюнкерк. Однако упадок Брюгге остановить было невозможно. Порт для района низин появился на Шельде, после того как канал Виллебрек дал Брюсселю доступ к морю через Антверпен. Строительство канала началось в 1531 году и завершилось в 1561 году. Этот канал длиной 17 миль был достаточно широким и глубоким, чтобы по нему могли ходить небольшие прибрежные суда. Чтобы преодолеть подъем в 40 или 50 футов, на нем было пять шлюзов. Ворота с косым стыком к тому времени уже использовались широко. Они оставались водонепроницаемыми благодаря давлению воды. Их открывали и закрывали с применением живой силы – людей или животных.

Адам де Краппонн (1525–1576), прославившийся своими инженерными трудами во Франции, родился вскоре после того, как завершилась карьера Леонардо да Винчи на службе у Франциска I. Краппонн расширил ирригационную систему в южной части страны. Перегородив в 1554 году реку Дюранс к северу от Марселя, он отвел ее воды на юго-запад, на равнину Крау. Он спланировал еще много каналов для Генриха II. Считается, что он первым предложил канал между Луарой и Соной, сегодня являющийся основным звеном навигационной системы внутри страны. Возможно, Краппонн даже руководил первым этапом строительства. Однако строительство канала было завершено только в 1792 году, когда Эмиланд-Мари Готи (1732–1806) отдал ему девять лет жизни. При нем канал строило большое подразделение французской армии. Краппонн умер в 1576 году. Считается, что его отравили подрядчики, работу которых он отверг.

Другой канал из французской системы судоходных каналов соединяет Луару с Сеной южнее Парижа. Строительство Бриарского канала началось в 1605 году под надзором ревностного чиновника Генриха IV Сюлли, а завершилось в 1642 году под руководством кардинала Ришелье. Обоих этих государственных деятелей французский народ будет помнить и ценить еще долго после того, как позабудет своих королей. Бриарский канал был первым французским каналом со шлюзами, внедренными Франсуа Андреосси (1633–1688), который много лет провел в Италии. Это был первый канал в западном мире, пересекший водораздел. Марко Поло видел Великий канал в Китае в 1290 году: «Широкий и глубокий канал, прорытый от реки к реке, от озера к озеру, образуя большой поток, по которому могут плавать крупные суда». Несомненно, он пересек не один водораздел между Ханчжоу на реке Янцзы и Тяньцзинь на реке Хайхэ.

Кольбер, другой дальновидный французский государственный деятель, убедил Людовика XIV построить еще одну водную артерию. Южный канал (он же Лангедокский), протянувшийся от реки Гаронна в районе Тулузы до Средиземного моря, пересек возвышенности возле старого укрепленного города Каркассон. Людовик должен был заплатить половину, провинция Лангедок – вторую. Экспертные оценки его стоимости варьировались от 2½ до 6 миллионов долларов. Инженер и вдохновитель строительства Пьер-Поль Рике (1604–1680), владевший землями вдоль канала и вложивший все свое состояние в строительство, должен был получить герцогский титул, но умер за год до завершения строительства, и его потомки получили дивиденды только в 1724 году. Андреосси тоже активно участвовал в строительстве, но не имел доли во владении. Жители древнего Каркассона были против вторжения этого коммунального сооружения, находившегося в частной собственности, потому что его следовало поддерживать и осуществлять техническое обслуживание, возможно, также из-за налогов, которые им надо будет платить на строительство, поэтому канал был повернут в обход города. Сегодня он проходит через его северные пригороды.

Южный канал поднимался на 200 футов на протяжении 24 миль до верхней точки в районе Каркассона, после чего плавно опускался на 620 футов к побережью Средиземного моря в районе Сета. На 148 миль, построенных при Рике, приходилось 100 шлюзов. Несколько акведуков были построены через реки. Тоннель Мальпас длиной 500 футов был первым, при строительстве которого использовался порох. Водохранилище Сан-Фериоль некоторое время

считалось одним из чудес света, как из-за его восхитительной конструкции, так и из-за количества воды в нем. Оно имело длину 7200 футов, ширину 3600 футов и глубину 132 фута и могло подавать в канал каждую минуту в течение шести месяцев года более 8 кубических футов воды. На сооружение плотины перед ним пошло огромное количество земли, которую ежедневно доставляли 2000 рабочих. Впоследствии Лангедокский канал протянулся вдоль Гаронны до Бордо и удлинен у берега Средиземного моря. Таким образом, он стал внутренним водным путем протяженностью более 300 миль через Южную Францию, и французские суда грузоподъемностью до 100 тонн могли избежать долгого морского пути вокруг испанского полуострова, его гибельных туманов, пиратов и английских военных кораблей.

Во время Тридцатилетней войны Густав-Адольф из Швеции нашел время подумать о чем-то еще, кроме победы над Валленштейном и расширения своего королевства. Он был лично заинтересован в строительстве канала Арбога, чтобы дать Центральной Швеции водный путь к морю. Согласно проекту, в нем должно было быть двенадцать шлюзов. Письмом из военного лагеря в Виттенберге в 1631 году король поручил министру Палатину проследить, чтобы крестьяне трудились на совесть, а если инженеры не поймут, что такое шлюз, можно послать одного или двух в Голландию, чтобы посмотреть на него. Король обещал оплатить расходы на дорогу и еще некоторую сумму за беспокойство. Он понимал, что работы могут затянуться, но не сомневался, что потомки скажут ему спасибо. Другие каналы в Швеции, построенные под надзором шотландца Томаса Телфорда, впоследствии соединили Северное море в районе Гетеборга и Балтийское в районе Стокгольма, освободив систему внутренних водных путей от датских пошлин и других неудобств.

Молодой и энергичный Петр Великий тоже думал о национальных интересах. После пребывания в Голландии и визита в Англию в 1698 году он призвал к себе молодого британского инженера Джона Перри (1670–1733). Перри предстояло построить на Руси систему судоходных каналов от Санкт-Петербурга, столицы Петра, через Ладогу и реки до верхней Волги, а значит, до Каспийского моря. А потом он должен был соединить древнюю столицу, Москву, с рекой Дон и Черным морем. Амбициозный Джон Перри не сомневался, что его дамбы будут стоять, пока существует мир, но с самого начала у него начались проблемы. Местные власти были против инноваций Петра, в точности так же, как монахи Зальцбурга были против канала Карла Великого. В одном из своих трудов Перри писал: «Бог направил реки по одному пути, а человеку предстоит повернуть их». Джону Перри пришлось бежать из страны, даже не получив плату за свою службу. Стараниями Петра канал от Ладоги до Волги был построен, несмотря на противодействие местных властей, но водораздел между Москвой и Черным морем так и не был пересечен каналом до 40-х годов XX века.

Британия, как и Голландия, посылала в другие страны инженеров, имеющих опыт в строительстве каналов. В отличие от голландцев англичане строили мало каналов у себя дома, не видя тогда в них нужды. Римляне в свое время вырыли в Британии несколько рвов, а в XVI веке небольшой канал со шлюзами восстановил связь Эксетера с приливноотливными водами. Знаменитый Бриджуотерский канал был построен только после 1700 года. Для англичан было важнее развивать глубоководные гавани – страна намеревалась завоевать господство на море. Бристоль показал пример еще в 1239 году. Потребность в больших гаванях возрастала вместе с тоннажем и осадкой океанских судов, когда атлантические нации – португальцы, испанцы, французы и англичане – опередили средиземноморские города – Венецию, Милан, Флоренцию, Геную – и стали сражаться между собой за новые континенты. Елизаветинские порты Плимут, Саутгемптон, Портсмут, Лондон и Бристоль, откуда уходили в плавание Джон Хокинс и Фрэнсис Дрейк, сэр Уолтер Рэли, капитан Джон Смит, Уинтроп и Брэдфорд, соответствовали потребностям океанского судоходства.

Рис. 6.5. Драгирование в конце XVI в.

Попытка Франции конкурировать с Англией, однако, привлекла особое внимание к строительству гаваней. Франциск I, соперник отца Елизаветы Генриха VIII, желал иметь порт в устье Сены. Руан был слишком далеко в глубине территории, Онфлёр и Арфлёр – слишком маленькие, к тому же Арфлёр быстро заносило песком от приливно-отливных течений и реки Лезард. Была выбрана площадка в пяти милях к северу, на северном берегу эстуария и в устье маленькой речушки Грас. Но ее следовало защитить от штормов. Строительные работы в Ле-Гавре начались в 1516 году под руководством инженера Франциска по имени Гийом Ле Рой, который умер в 1533 году. Но когда его изначальный план, подвергшийся небольшим изменениям, был завершен в конце века, река Лезард потекла в 4 милях от Арфлёра в канале шириной 60 футов к новому стоку в Ле-Гавре. Была построена скоординированная система дамб, берегозащитных сооружений, шлюзовых ворот и бассейнов. Все это помогало справиться с 25-футовой высотой приливов. Обмеление, имевшее место, контролировалось с помощью ворот на реке на входе в гавань. Их можно было закрыть при высокой воде и снова открыть во время отлива, чтобы поток воды очищал дно гавани. Молы высотой 25 футов были построены из камня, уложенного на цемент и скрепленного металлическими скобами. Когда Лондон в 1660 году построил свой первый мокрый док, Ле-Гавр ответил тем же в 1667 году.

Коффердамы, поддерживаемые относительно сухими с помощью насосов, использовались в Ле-Гавре даже для земляных работ, поскольку приливы нередко были слишком большими для драг того времени. Леонардо да Винчи, всегда богатый самыми разными идеями, перенес свое внимание от улыбки Моны Лизы на драги всевозможных форм. Но создать работающую драгу удалось англичанину. В 1618 году Джон Гилберт первым получил патент на землечерпалку – «водный плуг» для проведения на Темзе дноуглубительных работ. Правда, драги разных видов, с черпаками или ложками, приводимые в движение вручную, уже давно использовались по всей Европе. Землечерпалка грейферного типа была изображена в книге о машинах, опубликованной в 1596 году (рис. 6.5). Имея современный привод и захваты, она лучше приспособлена для работы в условиях глубоководья, чем конструкция с черпаками. В XVII веке грейферная драга с ручным приводом была очень медленная и неудобная и почти бесполезная при глубине больше 6 футов, как в Ле-Гавре. Возможно, машина, которую путешественник Балтасар де Монконис видел за работой в низовьях Рейна, была эффективнее. Это была железная цепь с ведрами, которые вращались на колесе между двумя лодками. Привод – ручной. Еще до конца XVII века появилось много разных типов драг, которые приводились в действие мускульной силой человека, лошадьми и даже силой течения.