Текст книги "Built. Неизвестные истории известных зданий"

Глава 4. Глина

Я обожаю выпечку, что, наверное, не удивительно, если учесть, как много общего у выпечки с инженерным делом. Мне очень нравится строгая последовательность действий, которую нужно выполнить, чтобы сконструировать торт. Мне нравится терпеливо и скрупулезно трудиться, потому что иначе не получится нужная форма и текстура. Мне нравится период, когда остается только ждать и надеяться, потому что моя работа окончена, а выпечка медленно принимает нужную форму в духовке. Обычно все это доставляет мне невероятное удовольствие. Но бывают и моменты разочарования и недоумения – как в тот раз, когда я открыла дверцу духовки, ожидая достать вкуснейший перевернутый ананасовый торт, а вместо этого обнаружила там куски сырых фруктов, беспорядочно плавающих в жирном масляном море. Даже если забыть о промокшем основании, все это оказалось непропеченной катастрофой. Проклиная духовку и рецепт (не моя же это вина, в конце концов), я отправила все прямо в мусорное ведро: только продукты перевела, если не считать, что этот случай послужил хорошим напоминанием о том, что в выпечке, как и в инженерном деле, для итогового результата важен правильный выбор материалов, которые сочетаются определенным образом.

При проектировании здания или моста материалы являются одной из моих важнейших забот. Материалы на самом деле полностью меняют само устройство каркаса, то, насколько он заметен, и то, насколько он физически тяжелый и дорогой. Материалы должны соответствовать назначению здания или моста: мне нужно вплести каркас в проект так, чтобы он не испортил архитектурное решение и не мешал людям использовать постройку по назначению. Материалы должны выдерживать стрессы и нагрузку, которая ложится на постройку, и хорошо вести себя при движении и колебании температур. В конце концов, мой выбор материалов обусловливается тем, чтобы постройка как можно дольше просуществовала в данных условиях. К счастью, мои инженерные творения гораздо совершеннее моих пекарских начинаний.

Наука о материалах уже давно мучает людей, и еще с древних времен мы пытались изучить, из чего все состоит. Греческий философ Фалес (ок. 600 г. до н. э.) утверждал, что вода является изначальной составляющей всех вещей. Гераклит Эфесский (ок. 535 г. до н. э.) пришел к выводу, что первичной материей является огонь. Демокрит (ок. 460 г. до н. э.) и его последователь Эпикур предположили, что все состоит из невидимых частиц, которые сейчас мы называем атомами. В индуизме материю составляли четыре элемента: земля, огонь, вода и воздух, а пятый – акаша – охватывал то, что находится за пределами материального мира. Римский инженер Витрувий в труде «Об архитектуре» соглашается с тем, что материю составляют те же четыре элемента, и добавляет, что поведение и характер материала зависят от пропорций, в которых в нем содержатся эти элементы.

Сама эта идея – о том, что существует ограниченное количество основных ингредиентов, которые в разных пропорциях могут образовать любой цвет, текстуру, прочность и другие свойства материала, – тогда была революционной. Древние римляне предположили, что в мягких материалах содержится больше воздуха, а в твердых – больше земли. Большое содержание воды придает материалу водостойкость, а хрупкими материалами правит огонь.

Римляне, известные своим любопытством и изобретательностью, манипулировали этими материалами для улучшения их свойств, и так они изобрели бетон. Возможно, у них не было периодической таблицы (пройдет еще какое-то время, пока Дмитрий Иванович Менделеев опубликует ее оригинальную версию в 1869 году), зато они уже знали, что свойства материала зависят от того, в каких пропорциях в нем содержатся элементы, и эти пропорции можно изменить, если воздействовать на материал другими элементами.

Однако люди долгое время использовали в строительстве природные материалы, не меняя их основных свойств. Наши древние предки строили свои жилища из всего, что находили вокруг себя, то есть из доступных материалов, которым можно было легко придавать различную форму. С помощью нескольких простых инструментов они рубили деревья и строили из бревен стены, а шкуры животных связывали и сооружали таким образом палатки.

Если поблизости не было деревьев, люди строили дома из глины. Когда мы усовершенствовали инструменты и стали смелее и изобретательнее, то продвинулись на шаг вперед: мы стали строить деревянные опалубки, чтобы придать глине форму параллелепипедов. Мы обнаружили это, когда дали глине высохнуть на солнце (согласно древнеримской философии, таким образом мы выпускаем воду и с помощью огня отдаем главенство земле), и так стали получаться более прочные блоки. Люди придумали кирпичи.

Около 9000 года до н. э. кирпичи уже использовались в пустынях на Ближнем Востоке. В глубокой долине реки Иордан в сотнях метров над уровнем моря человек эпохи неолита создал город Иерихон. Жители этого древнего города обжигали вручную слепленные плоские кирпичи из глины на солнце и строили из них дома в форме ульев. Уже около 2900 года до н. э. в Индской цивилизации строились здания из кирпичей, обожженных в печах. Этот процесс требовал мастерства и точности: если кирпич обжигать недостаточно долго, то глина не просохнет должным образом. Если нагревать его слишком сильно и слишком быстро, то он треснет. Но если обжигать его в течение определенного времени и при правильной температуре, то глина становится прочной и водонепроницаемой.

Руины Индской цивилизации археологи нашли в Мохенджо-Даро и Хараппе на территории современного Пакистана. Каждый кирпич в их постройках независимо от размера изготовлен в идеальных пропорциях 4:2:1 (длина:ширина:высота) – и этими пропорциями до сих пор (в той или иной мере) пользуются инженеры, потому что благодаря им кирпичи равномерно просыхают, с ними удобно работать, а площадь поверхности у них подходит для того, чтобы легко соединять их между собой любым клеем или раствором. Примерно в то же время, что и в Индской цивилизации, в Древнем Китае тоже в больших масштабах изготавливали кирпичи. Но пока скромный кирпич стал одним из самых используемых материалов Западной цивилизации, нам пришлось подождать расцвета одной из ее величайших империй.

Для меня энергетика и изобретательность древнеримской инженерии служат постоянным источником вдохновения, и к тому же они не перестают меня изумлять. Поэтому я так волновалась, когда ехала на поезде из Неаполя в южном направлении к месту одной из самых известных археологических раскопок в мире. Мы с мужем, надев одинаковые сандалии и подходящие шляпы для сафари, чтобы защититься от палящего летнего солнца, отправились к месту назначения. В ожидании чего-то великого мы зашагали в сторону руин древнего города Помпеи.

Вдоль мощеных улиц расположились прилавки магазинов, испещренных углублениями, в которые когда-то помещали конические горшки, или амфоры. На одном полу выложена потрясающая мозаика, изображающая извивающихся рыб и других морских обитателей. На другом – свирепые псы и легендарная надпись «Cave canem», что значит «Осторожно, злая собака». Рядом с ним были прекрасно спроектированные дома, как у Менандра (греческого писателя), с просторным атриумом, термами и садом, окруженным удивительно пропорциональной галереей с колоннами, или перистилем. Все это дает представление о том, каким славным и шумным был этот город в пору своего расцвета.

Среди деталей, которые привлекли мое внимание, были еще кроваво-красные кирпичи. Они были повсюду. Они выглядывали украдкой с колонн, украшения на которых когда-то скрывали их от глаз. Они гордо красовались на стенах, где были выложены тонкими тройными слоями, перемежаясь с контрастными рядами белого камня. Но мои любимые кирпичные конструкции – это, несомненно, арки.

Арки – важная часть зданий. Там они закругленные и имеют форму полукруга, или полуэллипса, или даже параболы. Это очень сильные фигуры. Возьмем, к примеру, яйцо: если попытаться сжать яйцо в руке одним равномерным движением, то сломать его окажется практически невозможно, потому что по изогнутой скорлупе сила сжатия, передающаяся от нашей руки, распределится равномерно, и скорлупа ее выдерживает. Чтобы разбить яйцо, нужно что-то острое, вроде ножа или лезвия, которое будет воздействовать на него только с одной стороны, создавая таким образом неравномерную нагрузку. Когда строишь арку, сила в ней распределяется равномерно по всей изогнутой форме, и все ее части испытывают силу сжатия. В древние времена в строительстве широко использовался камень и кирпич – они отлично выдерживают силу сжатия, но не растяжения. Древние римляне понимали и свойства этих материалов, и удивительные свойства арки, и решили объединить свои знания в удивительно гармоничный союз. До тех пор для преодоления больших расстояний в постройках – мостах и зданиях – использовались плоские балки. Как мы видели ранее, если на балку есть нагрузка, то сверху она испытывает силу сжатия, а снизу – силу растяжения. Так как камень и кирпич плохо справляются с силой растяжения, строители древности использовали большие балки, которые часто оказывались неповоротливыми. Это ограничивало ширину пролетов, над которыми располагается балка. Но с помощью высокого сопротивления камня силе сжатия в арке римляне смогли создавать более прочные и крупные постройки.

Силы распределяются по всей дуге арки. Она постоянно испытывает силу сжатия

Кирпичные арки вокруг меня пережили тысячелетия и заставили вспомнить прекрасную старинную арабскую поговорку «Арки никогда не спят». Они не спят, потому что их детали постоянно находятся под воздействием силы сжатия и с бесконечным терпением сопротивляются нагрузке. Даже когда Везувий изрыгал лаву на Помпеи, душил людей и дома, арки остались стоять на страже города. Пусть их засыпало пеплом, но они так и стоят на своем посту.

Руины города Помпеи свидетельствуют о том, что римляне использовали кирпич почти во всех постройках на завоеванных землях. На территории современной Италии и других стран легионы пользовались мобильными печами для обжига, распространив технологию до самых Британских островов и Сирии. Вы не удивитесь, если узнаете, что у Витрувия уже было свое мнение о материале, который нужен для изготовления идеального кирпича и который он описал в своем труде «Об архитектуре». Создание кирпича очень похоже на приготовление торта, так что вот вам моя версия рецепта античного кирпича, предоставленного рядом инженеров античности, который даже я смогла бы приготовить.

РЕЦЕПТ АНТИЧНОГО КИРПИЧА

Ингредиенты

Глина

Кирпичи не стоит изготавливать из глины с большим содержанием песка или гальки, потому что из-за этого они получаются, во-первых, слишком тяжелыми, а во-вторых, под дождем такие кирпичи разваливаются, и солома в составе не скрепляет слишком грубый материал.

Лучше делать их из белой меловой или красной глины, или даже из зернистой щебневой глины. Данные материалы мягкие и долговечные, с ними не так тяжело работать, и их легко укладывать.

Вода с фруктами

Жар солнца или печи

Приготовление

1. Бросить кусок глины в сосуд с водой глубиной по колено и 40 раз перемесить ногами.

2. Замочить глину в водах сосновой, манговой и древесной коры и в водах трех фруктов и продолжать замешивать в течение месяца.

3. Замешав глину с небольшим количеством воды, придать ей форму с помощью большого деревянного прямоугольника. (Древнегреческий лидийский кирпич – который обычно использовали римляне, согласно Витрувию, – имеет длину 45 см и ширину 30 см.) Как только кирпичи обрели форму, их следует извлечь из деревянных форм.

4. Нагревать глину нежно и постепенно. Если кирпичи изготавливать летом, то они получатся бракованными, потому что жар солнца быстро высушит внешний слой глины, а внутренний слой окажется слишком уязвимым. Высохший внешний слой сожмется больше, чем влажный внутренний, и кирпич треснет. А если изготавливать кирпичи весной или осенью, то они будут высыхать равномерно благодаря более мягкой температуре.

5. Через некоторое время – от двух до пяти месяцев – кирпичи погрузить в воду, а затем вынуть и дать полностью просохнуть.

Ключевым фактором является терпение, так как на полную просушку кирпичей требуется до двух лет. Недавно изготовленные кирпичи еще не полностью просохли, поэтому со временем они могут сжаться в размерах. Если построить из таких кирпичей стену и покрыть ее штукатуркой, то на ней появятся трещины. Витрувий об этом предупреждает: «Это настолько верно, что в Утике при строительстве стен используют только полностью просушенные кирпичи, изготовленные за пять лет до начала строительства и утвержденные в качестве таковых властью магистрата».

Древнеримские кирпичи в основном были крупнее и более плоскими, чем современные. Они больше напоминали плитку: римляне отдавали предпочтение такой форме, потому что понимали, что с имеющимися инструментами и рецептами более плоские кирпичи будут просыхать более равномерно – а это неотъемлемая составляющая рецепта идеального кирпича. Всюду – от храмов Римского форума до Колизея и невероятной трехслойной арочной системы акведука Пон-дю-Гар, который протянулся над рекой Гардон на юге Франции, – кирпичи составляют основу самых впечатляющих сооружений.

Акведук Пон-дю-Гар над рекой Гардон на юге Франции состоит из трех рядов кирпичных арок

Когда в 476 году пала Римская империя, искусство изготовления кирпичей было утеряно Западной цивилизацией на несколько сотен лет, а затем возродилось в раннем Средневековье (между VI и X веками), когда кирпичи стали использовать в строительстве замков. В периоды Возрождения и барокко (с XIV по начало XVIII вв.) открытые кирпичные стены вышли из моды, и их стали прятать за замысловатой лепниной и фресками. Мне, например, нравятся открытые кирпичные стены, как и неприкрытые трубы воздуховода и лифты центра Помпиду. Я предпочитаю, чтобы мои здания были честными и открытыми: как и в случае с тортами, мне нравится, когда материалы, из которых они изготовлены, видно глазу (и это никак не связано с тем, что я абсолютно не умею работать с глазурью).

Кирпичная кладка римской арки в городе Помпеи на юге Италии

В Викторианскую эпоху в Великобритании (1837–1901 гг.) и в период между двумя мировыми войнами использование кирпича в строительстве достигло своего пика. Одно из моих любимых зданий в Лондоне – величественный фантазийный готический отель «Сент-Панкрас Ренессанс» Джорджа Гилберта Скотта – яркий пример постройки с открытыми кирпичными стенами. Каждый год в Великобритании изготавливали до десяти миллиардов кирпичей. Кажется, все постройки – от заводов до жилых домов, от канализаций до мостов – делали из кирпича и никак его не скрывали.

Подобные временные масштабы – несколько тысячелетий строительства – и так трудно себе представить. Но ничто не сравнится с временными масштабами образования сырья для изготовления кирпичей. Во время съемок «Британии под ногами» – документального фильма в двух частях о земле и о том, что находится под ней, я посетила глиняную шахту на северо-востоке Лондона. Передо мной раскинулась огромная глиняная скала, раскопанная шахтерами под землей прямо под Лондоном. Владелец шахты показал наверх – там глина была цвета ржавчины. «Эта глина новая, ей всего двадцать миллионов лет». По моему ошеломленному выражению лица он понял, что стоит продолжить рассказ. Он пояснил, что в более «новых» слоях глины гораздо выше содержание железа, которое и придает ей рыжий оттенок. Глина в основании скалы чище, поэтому она голубовато-серого оттенка, а это верный признак того, что эта глина старше.

Под словом «старше» подразумевается, что ей более 50 миллионов лет. Когда-то давно магматические (вулканические) породы выветривались и перемещались под воздействием воды, ветра и льда. Когда скалы и камни двигались, они собирали частицы других минералов – например, кварца, слюды, извести или оксида железа. Эта смесь камней и минералов перемещалась далеко от места происхождения в виде отложений на дне рек, долин и морей. В этих средах рождались, жили и умирали растения и животные, создавая слой органического вещества, который затем покрывался слоем камня, и т. д. Постепенно, за миллионы лет, при нужных температурных условиях и высоком давлении, эти слои превращались в осадочные породы. И именно их выкапывали шахтеры из-под земли. Владелец шахты рассказал мне, что благодаря своему непостижимому возрасту глина полна окаменелых остатков тропических растений вроде мангровых пальм (которые когда-то процветали на территории Британии) и животных – прародителей птиц, черепах и крокодилов, которых на земле уже нет.

Добытую глину используют для многих целей: из нее изготавливают горшки, школьные поделки и, конечно, кирпичи. Для этого ее транспортируют из шахт на заводы, где ее превращают в аккуратные твердые параллелепипеды. Принцип обжигания глины не изменился с древних времен, зато изменился способ приготовления. Сначала мы добавляем в глину дополнительный песок или воду, чтобы придать ей нужную консистенцию, и она становится твердой, но при этом податливой. Затем ее помещают в аппарат, который продавливает ее через форму или прессует (как ручной пресс в детском пластилиновом наборе, только в больших масштабах). Глина приобретает форму длинной прямоугольной колонны, которую потом режут на кирпичи и отправляют в сушилку, чтобы мягко извлечь из нее как можно больше влаги – иначе кирпичи треснут, о чем предупреждал Витрувий. Сушилку устанавливают на относительно низкую температуру в 80–120°C, и в ней достаточно влажно, чтобы кирпичи не пересохли слишком быстро на поверхности, пока внутри они еще сырые. А при просушке они сжимаются.

Если прекратить процесс на этом этапе, то получатся кирпичи античного образца, обожженные в печи. Следующий шаг как раз и отличает современные кирпичи от древних. Кирпичи обжигают при температуре от 800°C до 1200°C, благодаря чему частицы глины плотно сплавляются друг с другом, и структура материала проходит фундаментальные изменения. Глина превращается в керамику – больше похожую на стекло, чем на высушенную глину. Такой обожженный кирпич гораздо долговечнее обычного высушенного кирпича, и потому сегодня в строительстве мы используем именно его. Обожженный кирпич довольно прочный: если взять четырех слонов, на которых стоит Земля (и которые виноваты в землетрясениях) из индийской мифологии, добавить еще одного слона на удачу и заставить их встать друг на друга, а вниз подложить один кирпич, то кирпич останется цел и невредим.

Чтобы превратить груду кирпичей в здание, нам понадобится специальный клей или раствор, которым можно соединить кирпичи и превратить их в единое целое. Древние египтяне для этих целей использовали минеральный гипс, из которого получали штукатурку (известную также как парижский гипс, потому что в основном его находили и добывали в районе Монмартр). К сожалению, гипс неустойчив к воздействию воды, так что постройки, скрепленные гипсом, в итоге повредились и разрушились. Но, к счастью, египтяне пользовались и другой смесью с содержанием извести. Она затвердевала и становилась прочнее при высыхании (и впитывала углекислый газ из атмосферы) и оказалась устойчивее гипсовой смеси. Если смесь изготовить правильно, то она придает постройке прочности и служит очень долго: фрагменты лондонского Тауэра построили с использованием известковой смеси, и спустя 900 лет его стены по-прежнему прочные.

В смесь часто добавляют и другие материалы, чтобы добиться различных свойств. В Китае при строительстве Великой стены в смесь добавляли небольшое количество клейкого риса. Рис в основном состоит из крахмала – и благодаря этому смесь прочно скрепляет камни, но при этом обладает некоторой гибкостью, так что она едва ли растрескается, если стена начнет слегка двигаться при нагревании и охлаждении, в зависимости от времени года. Древние римляне добавляли в смесь кровь животных, потому что считали, что это придает ей устойчивости при воздействии мороза. Купол Тадж-Махала скреплен чуной – смесью негашеной извести, молотых ракушек, мраморной пыли, камеди, сахара, фруктового сока и яичного белка.

Большинство домов в Соединенном Королевстве сейчас строят из кирпича, потому что это дешево. Но у кирпича есть и свои недостатки. Для укладки кирпичей требуется труд специалиста, и это относительно медленный процесс. Стандартный размер кирпичей дает мало возможностей при создании форм построек, которые из них создаешь. К тому же кирпичные постройки слабо выдерживают силу растяжения: раствор в соединениях да и сами кирпичи при воздействии силы растяжения могут треснуть. Кирпичи можно использовать только в тех конструкциях, где на них воздействует в основном сила сжатия. Они недостаточно прочны для того, чтобы выдерживать вес высоких зданий (сталь и бетон выдерживают гораздо большую силу сжатия, как мы позже увидим), поэтому они непригодны для строительства высотных зданий и больших мостов. Однако там, где ключевым фактором при строительстве становится низкая стоимость, кирпичи очень популярны. В мире за один год производится примерно 1,4 триллиона кирпичей. На один Китай приходится около 800 миллиардов, а на Индию – около 140 миллиардов. Компания «Лего», например, производит всего лишь 45 миллионов деталек в год.

Этот древний строительный материал, рожденный землей и крещенный огнем, настолько универсален, что его использовали в строительстве пирамид, Великой Китайской стены, Колизея, средневекового замка Тевтонского ордена в Мальборке, знаменитого купола собора Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции и даже моего собственного дома. Мне очень нравится думать о том, что в нашем современном, быстро меняющемся мире, со всеми новыми технологиями, мы по-прежнему опираемся на строительный материал, который используется уже более 10 тысяч лет, а изготавливается из пород, которые формировались в земле 50 миллионов лет.