Два типа постройки дома: с несущими стенами (слева) и с каркасом (справа)
Со временем материалы, которые люди использовали при постройке несущих стен и каркасов, становились все более сложными. Несущие стены стали сооружать из кирпича и камня, что сделало их гораздо прочнее глиняных. В начале XIX века, после Промышленной революции, железо и сталь стали изготавливать в промышленных масштабах, и эти материалы начали использовать не только в вооружении и судостроении, но и в гражданском строительстве. Был вновь открыт бетон (известно, что его производили древние римляне, но с падением империи рецепт был утерян). Эти эволюционные шаги навсегда изменили облик наших домов. Так как сталь и бетон гораздо прочнее древесины и подходят для сооружения больших каркасов, мы смогли строить башни гораздо выше, а мосты гораздо длиннее. Сегодня крупнейшие и самые сложные конструкции – например, изящный стальной арочный мост Харбор-Бридж в Сиднее, треугольная геометрическая Херст-Тауэр в Манхэттене, легендарный национальный стадион «Птичье гнездо» в Пекине, построенный к Олимпиаде 2008 года, – имеют каркасную конструкцию.
Когда я начинаю проектировать новое сооружение, то изучаю детальные эскизы архитекторов, в которых передано их видение того, как должна выглядеть готовая конструкция. Затем инженеры разрабатывают нечто вроде рентгеновского изображения, на котором можно рассмотреть, какой каркас должен находиться внутри этой конструкции, чтобы противостоять гравитации и другим приложенным к ней силам. Я представляю, где должен проходить скелет здания и где нужно соединить все его косточки, а также рассчитываю, насколько большими они должны быть, чтобы скелет был прочным. Черным маркером поверх эскизов архитекторов я подрисовываю кости к плоти. Толстые черные линии придают цветным рисункам ощущение прочности. Нам с архитекторами неизбежно приходится многое обсуждать, и иногда достаточно оживленно, – ведь в поисках решения нужно идти на компромиссы. Часто в том месте, где они представляли свободное пространство, мне нужно поставить колонну; бывает и так, что в каких-то местах лишняя опора не нужна, и тогда я даю им больше простора. Нам необходимо понимать видение друг друга, особенно когда возникают технические проблемы: нужно приходить к балансу между визуальной красотой и технической целостностью. В конце концов у нас получается проект, в котором эстетическая составляющая и физическая структура находятся (почти) в идеальной гармонии.
Каркасы наших конструкций представляют собой паутину из колонн, балок и распорок. Колонны – это вертикальные части каркаса; балки – горизонтальные; а распорки – детали, расположенные под другими углами. Например, если посмотреть на фотографию моста Харбор-Бридж, то станет видно, что его конструкция состоит из стальных деталей, расположенных под различными углами, то есть из огромного количества колонн, балок и распорок. Понимая, как колонны и балки взаимодействуют между собой и поддерживают друг друга, какие силы на них действуют и, что важнее всего, от чего они могут сломаться, – мы проектируем конструкции так, чтобы они не развалились.
Мост Харбор-Бридж в Сиднее. Построен в 1930 году для железнодорожного, автомобильного и пешеходного сообщения между Северным берегом и центральным деловым районом Сиднея, Австралия
Колонны тысячелетиями противостояли силе гравитации, а греки и римляне превратили их в форму искусства. Красота и величие афинского Парфенона создается в основном благодаря внешнему ряду дорических мраморных колонн. Над руинами Римского форума возвышаются монументальные колонны, которые поддерживают хрупкие обломки храмов или просто печально устремляются в небо. Конечно, колонны выполняли важнейшую практическую функцию – поддерживали структуры, – но это не мешало инженерам античности украшать их резьбой, навеянной самой природой и мифологией. Коринфскую колонну, вершину которой украшает орнамент из причудливо закрученных листьев, изобрел, как считается, греческий скульптор Каллимах, когда обратил внимание на растение акант, которое проросло сквозь корзину, оставленную на могиле коринфской девушки, и обвилось вокруг нее.
На форуме десятки примеров колонн коринфского ордера, которые веками оставались классическим образцом гражданской архитектуры и даже украшают, например, фасад здания Верховного суда Соединенных Штатов, а их более скромные версии – вход в викторианский многоквартирный дом, где я живу.
Колонны, как правило, противодействуют силе сжатия. Один из вариантов, как они могут пострадать, – это когда на них воздействует такая большая сила, что материал колонн не выдерживает и просто ломается или дает трещины. Как раз это и случается с бумажной трубкой, если на нее положить слишком тяжелую книгу. Возьмите пластиковую линейку, поставьте вертикально на стол и надавите ладонью сверху: вы увидите, как она начинает сгибаться. Чем сильнее давишь, тем больше сгибается линейка – и в какой-то момент она просто треснет пополам.
Колонна может разрушиться двумя способами: треснуть (слева) и согнуться (справа)
При проектировании колонн необходимо соблюдать хрупкий баланс. Хочется, чтобы она была тонкой и не занимала слишком много места, но если она окажется слишком тонкой, то не выдержит нагрузки. В то же время хочется использовать материал, достаточно прочный для того, чтобы она не сломалась. Колонны, которые использовались в античных сооружениях, обычно были толстыми и массивными и в основном изготавливались из камня, так что они вряд ли сгибались. В отличие от них, современные стальные колонны гораздо тоньше, из-за чего они легче сгибаются.
Сгибание линейки показывает, как тонкая опора сгибается вдоль слабой оси Y (вверху), в то время как бетонные и стальные колонны изготавливают так, чтобы они противостояли давлению по обеим осям Х и Y (внизу)
Линейка широкая в одном направлении и узкая в другом, и, как вы убедились, когда надавили на нее перпендикулярно, она согнулась по более слабой оси. Чтобы такого не произошло, современные стальные колонны обычно имеют форму буквы «Н» на торце, так что по обеим осям они достаточно прочные и могут выдерживать гораздо большую нагрузку.
Балки работают по-другому. Они образуют каркас полов.
Когда мы стоим на балке, она незаметно прогибается и распределяет наш вес на колонны, которые ее поддерживают. Колонны, в свою очередь, сжимаются и передают наш вес земле. Если встать в середину балки, то на каждый ее конец придется по половине нашего веса. А колонны передадут эту нагрузку вниз. Мы не хотим, чтобы балки слишком сильно сгибались, когда мы на них встаем, отчасти потому, что чувствуем себя некомфортно, если пол под ногами движется, но еще и потому, что тогда они могут сломаться. Балки должны быть надлежащей жесткости, а для их усиления мы используем глубину, геометрию или особые материалы.
