5. Тектоника сводчатых конструкций

Развитие древнеримского государства вызвало к жизни строительство грандиозных общественных зданий. Стоечно-балочная конструкция из камня не давала возможности создать достаточно обширные пространства, чтобы вместить огромные массы людей. Проблема была решена путем использования клинчатых арочных конструкций, сводов и куполов.

Арочно-сводчатые конструкции позволили по-новому использовать свойства материала. Если в балочных конструкциях каменная балка архитрава работает на изгиб, то в арке каменные блоки работают только на сжатие, т. е. самым выгодным образом для этого материала, так как сопротивление камня сжатию в несколько раз больше, чем изгибу. Для сводов и арок не нужны грандиозные камни архитравов. Здесь пригодны блоки того же веса и размера, что и для кладки стены.

Работа каменной арки может быть обрисована следующим образом. Усилия от веса самой арки и вышележащих конструкций в опорных сечениях могут быть разложены на два направления—вертикальное и горизонтальное. Последнее называется распором.

Важной задачей строителя при возведении арочно-сводчатых сооружений было погасить распор. Силы, действующие в арке и своде, еще не были познаны до конца, поэтому в римской архитектуре сечения конструкции брались с большим запасом прочности или, можно сказать, с большим «коэффициентом незнания». Погашение распора достигалось созданием массивных пилонов, сдерживающих концы арки, стремящиеся разойтись в разные стороны, либо непрерывностью конструкции — созданием кольца арок, в котором противоположно направленные усилия распора соседних арок взаимно гасились.

На примерах архитектуры римских арочных и купольных сооружений можно проследить, как новые конструктивные решения, тектонические закономерности которых еще не были раскрыты до конца, рядились в привычные ордерные одежды. Трибуны крупнейшего амфитеатра Древнего Рима, Колизея (75—80 гг.), поднимающиеся вокруг эллиптической арены, образуют замкнутую арочную систему. Система арок Колизея соединена с ордером, имеющим декоративное значение, но кажущимся основой конструкции. Ордер и арочные конструкции образуют здесь массив, единый в своей пластической трактовке. Именно ордер с его тонкой профилировкой, повтором по горизонтали и нарастающей легкостью по вертикали становится основой масштабности, акцентирует ритм арочной системы, придает всему сооружению грандиозность и величие (илл. 9).

Интересны каменные римские мосты и акведуки, вошедшие в число великих достижений зодчества. Тектоника арочных систем проявилась здесь открыто и определенно. Выразительность так называемого «Гардского моста»— акведука, снабжавшего водой город Ним (1—II вв. п. э.),—строится на ритмике арочных поясов (илл. 7).

Основные узлы арочной конструкции — пяты арок, где нагрузка передается опорам, и замковые камни, соединяющие арку в единое целое. В римском зодчестве складываются приемы акцентировки и пластической трактовки этих главных элементов.

Чтобы давление от нагрузки передавалось вертикально на опоры, пяты полуциркульных арок опускают чуть ниже центра арки. Они фиксируются выступающими из массива пилонов камнями, служащими опорами для кружал. Горизонтальный профиль, завершающий вертикаль столба, может быть простейшей каменной полкой или повторять пластическую трактовку карнизной плиты и архитрава ордера. Кладка арки может выполняться независимо от массива стены, и тогда как тектоничная форма закономерен архивольт—изогнутая по контуру арки архитравная балка. В иных случаях камни, составляющие арку, укладываются в перевязку со стеной и образуют с ней единое целое—работа арки выражается в системе клиновидных камней. В тех случаях, когда замковому камню придавалось особое значение, он бывал украшен.

Опыт показал, что если удается полностью погасить распор и нагрузка от арок сводится лишь к вертикальным усилиям, массивные опоры не нужны. Для них могут быть использованы обычные для ордерных систем круглые колонны. На этой основе стало складываться тектоническое единство арочной и ордерной систем.

В архитектуре Рима и Византии колонны и столбы служат опорными элементами арок и сводов. При этом ненужным становится антаблемент—его роль выполняет арка с ар-хивольтом. Стена, как опорная конструкция, заменяется рядами колонн. Система арок, опирающихся на колонны,—тектоническая архитектурная форма, получившая широкое распространение в европейской архитектуре раннего средневековья.

Каменный свод—это покрытие, состоящее из клиновидных камней, которые благодаря своей форме и взаимному расположению равномерно передают собственный вес и полезную нагрузку на опоры. В кирпичной кладке клиновидность элементов свода создается за счет швов, заполненных скрепляющим раствором. Распределение усилий от нагрузки в сводах основано на тех же принципах, что и в арках, с той разницей, что рабочие усилия сосредоточиваются не на две опоры в одной плоскости, а распространяются в более сложной пространственной конфигурации. Так, от цилиндрического свода, перекрывающего прямоугольные помещения, распор передается на продольные стены. Сомкнутый свод представляет пересечение двух полуцилиндров, его распор равномерно передается на все четыре стороны периметра опор. В парусном и крестовом сводах, используемых для перекрытия помещений, квадратных в плане или расчлененных опорами на квадратные отсеки, усилия передаются на угловые опоры.

Купольный свод—поверхность вращения, конфигурация которой зависит от формы образующей кривой. Так, если вокруг вертикальной оси обращается кривая в ^ круга, то получается сферический купол, наиболее распространенная форма купольного свода. Его завершением может служить замыкающее кольцо, а опирается он по периметру нижнего кольца.

Долгое время наиболее распространенными были два вида сводчатых покрытий— цилиндрический свод и сферический купол, где опорная нагрузка передается на весь периметр стен. Новые композиционные возможности появились у зодчих, когда для распределения нагрузки стали использоваться паруса и арки на отдельно стоящих опорах.

Специфическая архитектурная форма — парус—служит для организации перехода от опорного кольца купола к квадратной в плане системе опор. Формы парусов отличаются большим разнообразием, а по конструктивной структуре они подразделяются на балочно-консольные и арочно-сводчатые. Сферический парус — часть купольного свода в виде вогнутого сферического треугольника, перекрывающего угол квадратного помещения,—создаст наиболее полное совпадение с опорным кольцом.

Простейший вид восприятия нагрузок — опора на массивные стены—постепенно вытесняется более сложными построениями. Усилия распора гасятся не инертным массивом параллельных стен, а хорошо сопротивляющейся распору формой, развитой полуциркульными нишами. Примером может служить так называемый храм Минерцы Медика в Риме (III в. н.э.).

Тектоническая ясность в распределении масс и объемов была достигнута при крестообразной в плане схеме сооружений с полусферой, расположенной в центре на парусах и подпружных арках. Здесь распор передается на стены через цилиндрические своды пристроек либо сферические поверхности, венчающие полукруглые в плане ниши.

Довольно сложная пространственная система принята зодчими, строившими собор св. Софии в Константинополе. Грандиозный купол, возведенный на парусах и подпружных арках, прорезан целым рядом небольших арочных окон, вследствие чего он как бы парит в воздухе. Купольная конструкция опирается на четыре мощных пилона. Распор в подпружных арках гасится обратным распором полукуполов громадных экседр и воспринимается четырьмя массивными столбами-контрфорсами. Все три объема подкупольного пространства сливаются воедино, создавая неповторимый пространственный эффект. Выразительность архитектуры строится здесь на ясности и законченности крупных членений, образующих грандиозное пространство.

В готических соборах крестовые своды были высоко подняты на каменных столбах. Система ребер-нервюр образует каркас, поддерживающий облегченную кладку свода и передающий нагрузку на опоры. Изобретение нервюр позволило перекрывать крестовыми сводами помещения не только квадратные, но также прямоугольные и полигональные в плане. Нагрузка передавалась опорным столбам, а это давало возможность заполнять тимпаны сводов большими окнами. Было создано поле для развития витражей.

Ряды устоев расчленяли пространство здания на продольные нефы. Распор самого широкого и высокого центрального нефа через полуарки— аркбутаны над кровлей более низких боковых нефов передавался мощным устоям—контрфорсам. Внутри здания нервюры прилегающих арок и сводов, как ветви деревьев, собираются в пучки и переходят в вертикальные членения опорных столбов. Последовательное развитие пластических свойств конструкции привело к возникновению цельной тектонической структуры. Выразительность готических соборов достигалась слитностью пространственного эффекта и пластики архитектурных форм.

В эпоху Ренессанса купольный свод вновь стал часто используемой архитектурной формой. Самые большие купола — построенный Ф. Брунеллески купол Флорентийского собора и спроектированный Микеланджело купол собора св. Петра в Риме—представляют каменную конструкцию, состоящую из внешней и внутренней оболочек, связанных воедино и увенчанных световым фонарем. Дальнейшее развитие получила и опорная конструкция свода, превратившаяся в световой барабан, освещающий подкупольное пространство. Стремление сделать купол более значительным по отношению к внешнему пространству все больше и больше заставляло зодчих расчленять конструкции. Внешняя и внутренняя оболочки купола получают самостоятельное значение. Внешний купол иногда делают чисто декоративным, деревянным, тогда как внутренний является несущей конструкцией, на которой покоится световой фонарь, иногда достигающий значительных размеров.

При строительстве собора св. Павла в Лондоне (1675—-1710) архитектор Кристофер Рен, будучи известным математиком, рассчитал и впервые применил конус как наиболее целесообразную форму, несущую световой фонарь, создав, таким образом, уже трехчастную систему, состоящую из внутреннего купола, конуса и внешнего купола.

Хорошо освещенную внутреннюю поверхность купола, несущего фонарь, нередко расписывали—такая роспись особенно эффектна, когда просматривается через отверстие во внутреннем куполе.

Расхождение, часто значительное, внутреннего пространства и внешнего объема купольных зданий было вызвано в первую очередь эстетическими соображениями, так как внутри здания не нужна была такая высота, которая требовалась от его силуэта.