Строительство

Строители, пытающиеся набить руку без научной подготовки, не могут добиться признания, соответствующего их трудам; опирающиеся же только на теоретические рассуждения и научную подготовку преследуют, очевидно, тень, а не сущность. Тогда как изучившее и то и другое, и потому оказавшиеся во всеоружии, скорее добьются своей цели, а вместе с тем и признания.

Витрувий. I в. до н. э.

Дом – это не просто постройка, куда человек приходит поесть и отдохнуть после работы или учебы. Дом – это семья, крепость, очаг, где можно быть самим собой, не надо догонять, убегать и стрелять. Охоты, битвы, подвиги остаются за порогом. Но если крыша дома протекает, в щели дует холодный ветер, а стены могут в любой момент обрушиться – отдохнуть в таком доме вряд ли удастся. Именно поэтому первое, что делает человек – это строит для себя уютное, удобное и безопасное жилище. Все что изобретал, находил и строил человек в конечном итоге было и остается направленным на то, чтобы его дом был уютным и безопасным.

Естественно, что главный вопрос, возникающий при постройке дома, связан с выбором строительных материалов. 12000 лет назад до нашей эры выбор строительного материала был невелик. Строили из палок, листьев, костей и шкур убитых животных. Каркас из палок и костей, сложенный конусом, обтягивали шкурами, а снизу конструкцию подпирали камнями. Такое жилище можно легко поставить и так же легко убрать. С учетом того, что люди в эти времена занимались собирательством и все время перемещались с места на место, это качество жилья было очень важным. Используемые и сегодня чумы, вигвамы, типи, юрты, яранги, иглу, кибитки и современные туристические палатки как раз относятся к такому, «переносному» варианту жилья.

Затем, когда люди перешли к оседлому образу жизни, исчезла необходимость перемещать жилье с места на место. Появилась возможность строить дома из более прочных материалов, лучше защищающих от непогоды, насекомых, слишком шумных соседей и перепадов температуры.

Камни, раньше используемые в качестве якорей, чтобы конструкцию из шкур не сдуло сильным ветром, теперь складывались в массивные стены помещений. Такое строительство занимало много времени и энергии, поэтому строить частное, массовое жилье из камня было невозможно. Из него сооружали склады для хранения продуктов и культовые помещения для массового пользования.

Другой, более «демократичный» и удобный для использования материал – глина. Глиняным раствором замазывали дыры между камнями, глиной обмазывали деревянные каркасы. Позже стали смешивать глину с резаной соломой и придавать ей прямоугольную форму. Такой материал называют «кирпич-сырец». Из него удобно складывать стены, они получаются прочные, хорошо держат тепло, но имеют существенный недостаток – низкую водостойкость. Из такой глины до сих пор строят дома в Египте, где дождь – очень редкое природное явление.

Тот, кто первым догадался обжечь сырой глиняный кирпич, по праву может быть помещен на Доску Почета основоположников цивилизации, рядом с изобретателями колеса и искусственной добычи огня. Кирпич является самым древним строительным материалом, специально созданным человеком. В Библии при описании расселения людей сразу после Великого Потопа (т.е. на заре сознательной истории человечества) встречается упоминание о кирпиче как о строительном материале: «И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжём огнем. И стали у них кирпичи вместо камней». Дворцы Месопотамии и огромные постройки Древнего Рима, имеющие арки, своды и т.п., выкладывали из обожженного кирпича. Этот строительный материал используется и сегодня, и не собирается сдавать свои позиции в ближайшем будущем.

Единственным достойным соперником глиняному кирпичу на протяжении столетий была древесина. С появлением металлических инструментов появилась возможность обработки деревьев и получения из них бревен и досок – универсальных строительных материалов. Кто не знает про деревянные храмы, построенные русскими мастерами без единого гвоздя? Древесина не исчерпала своего потенциала для строительства. Благодаря новым технологиям она может и сейчас успешно конкурировать с металлами и полимерами во многих областях.

В результате высокотемпературного уплотнения под прессом можно сжать микроструктуры древесины, в результате получается строительный материал любой формы заданной формы, повышенной плотности, прочности и влагостойкости. Эта технология позволяет получать пустотелые деревянные балки, более легкие, чем металлические, но равные им по другим характеристикам.

Другая технология связана с получением керамического вещества из деревянных опилок. Для этого опилки с кремнием помещают в бескислородную среду. Там они под действием высокой температуры превращаются в углерод и соединяются с кремнием в единую массу. Добавление различных вяжущих веществ в этот процесс позволяет получать строительный материал самых различных физических свойств и цвета. Полученные вещества могут использоваться для фильтрации питьевой воды, для термозащиты космических аппаратов и т.п. Главное достоинство дерева как строительного материала – его экологическая безопасность, возможность воспроизводства. Так что дерево можно назвать не только материалом прошлого, но и будущего.

Ну и описание строительных материалов для дома будет неполным, если мы не упомянем стекло. Можно, конечно, обойтись и без него, но как бы мрачно и темно было в наших домах без стеклянных окон!

Археологические находки свидетельствуют о том, что первое стекло было сделано на Среднем Востоке примерно в 3000 г. до н.э., хотя стекло известно людям уже около 55 веков. Самые древние образцы обнаружены в Египте. В Индии, Корее, Японии найдены стеклянные изделия, возраст которых относится к 2000 году до нашей эры. Считается, что рукотворное стекло было открыто случайно, как побочный продукт обжига глиняных изделий, в результате чего образующаяся при сгорании зола - то есть щелочь - при высокотемпературном контакте с песком могла дать стекловидную массу. Древнеримский историк Плиний Старший (79 - 23 гг. до н.э.) описывает свою версию, в соответствии с которой появлению стекла мы обязаны финикийским морским купцам. Для подготовки пищи на стоянках они разводили на прибрежном песке костры и подпирали горшки кусками извести, создавая тем самым условия для возникновения стекломассы.

Вначале производство стекла было медленным и дорогостоящим. Стекловаренные печи были очень маленькими и с трудом давали достаточное количество тепла для качественной варки стекла. Стекло было предметом роскоши, и лишь немногие могли себе его позволить. Эти стекла вставляли в окна церквей и замков знатных вельмож. На этот же период приходится и расцвет изготовления витражных окон, в которых использовались кусочки цветного стекла, для их получения в качестве красителей использовались металлургические шлаки: соединения меди, кобальта и марганца. В конце Средневековья центром европейского стекловарения становится Венеция, о чем свидетельствует количество стеклодувов в этом городе – более 8000 человек.

Основоположником современных технологий получения плоского стекла, используемого в окнах наших домов, стал бельгиец Эмиль Фурко. В 1905 году он изобрел метод вертикального вытягивания из печи стеклянного полотна постоянной ширины. С тех пор технология совершенствовалась, и стекло улучшало свои характеристики. В настоящее время в мире производится около 16 500 миллионов тонн листового стекла в год.

Ни одно современное здание не может обойтись без стекла, впрочем, как и без бетона. Кто не слышал выражение «из стекла и бетона»? Так говорят, когда стремятся подчеркнуть современность описываемой постройки.

Но бетон никак нельзя назвать современным изобретением. Из него построены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), его использовали при строительстве Великой Китайской стены (III в. до н. э.). Особенно успешными в монолитном бетонировании оказались так часто упоминаемые нами римляне. Около тысячи лет назад ими были возведены бетонные конструкции, и они дошли до нас практически в целом виде. Это свидетельствует о хорошем качестве бетона. Но тайна римского бетона была утеряна, и пришлось изобретать его заново.

Однако сначала изобрели цемент. Его получил англичанин Джеймс Паркер в 1796 году путём обжига глины с известью. Тогда он получил название «романцемент». Качества этого вещества на устраивало строителей, и поиск более совершенного материала продолжался. В 1824 году англичанин Джозеф Аспдин заявляет об изобретении нового вяжущего – цемента. А в 1825 году, независимо от англичанина, наш соотечественник Егор Челиев не только предложил технологию производства цемента, но и разработал технологию его применения. Все это он изложил в книге «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель, или цемент, весьма прочный для подводных строений, как то: каналов, мостов, бассейнов и плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений». Цемент, созданный Челиевым, уже с 1813 года активно использовался в строительстве различных сооружений,и при реконструкции и восстановлении разрушенной пожаром Москвы. Изобретение цемента и дальнейшее его смешивание со щебнем (гравием), песком и водой, позволило получить инновационный строительный материал, именуемый бетоном. Это был уже не Римский бетон. Это был совершенно новый материал, с гораздо лучшими свойствами и характеристиками. Полученный из цемента, бетон не боялся влаги, был стоек к морозу, огню и т. д.

Если у человека нет внутреннего, духовного стрежня, его легко сломать, несмотря на его физические возможности. Точно так же и с бетоном – он хрупок, несмотря на свой внушительный вид, особенно «слаб» бетон на деформацию растяжения, он может сломаться даже под действием собственного веса. Бетон со внутренним металлическим каркасом – арматурой называется железобетоном и имеет в несколько раз большую прочность. Именно железобетонные конструкции являются теми элементами, из которых собирают мосты, дома, заводы, плотины, реакторы и т. п.

Английский патент на совместное использование металла и бетона получил штукатур Уильям Уилкинсон в 1854 году. Во Франции строительный подрядчик Франсуа Куанье строит из железобетона несколько зданий. В 1855 году он запатентовал «beton aglamere» и получил ряд выгодных заказов. Это позволило ему застраивать целые кварталы Парижа в невероятно короткий срок по тем временам. В 1861 году он издаёт брошюру, в которой подробно описывает методы применения бетона и железобетона в строительном искусстве. В 1862 году Куанье построил себе трехэтажный бетонный дом на окраине Парижа в Сен-Дени. Это здание сохранилось до сих пор, а в 1865 году им был возведён дом в Нью-Кастле, в котором уже практически все состояло из железобетона и бетона: стены, перекрытия, лестницы и даже дымовая труба.

Но почему-то революционная технология постройки дома не вызвала должного резонанса. Свое победное шествие железобетон начал с подачи французского садовника Жозефа Монье. Бизнес Монье заключался в выращивании пальм, транспортировке их в Англию для продажи. Горшки, в которых они росли, в дороге бились, пальмы погибали. Чтобы как-то снизить убытки, Монье решил изготовить кадку для пальмы из цемента. Прочность полученной кадки показалась ему недостаточной и для большей прочности он заключил её в каркас из железных стержней. Но затем кадка показалась ему некрасивой, и он покрыл каркас тонким слоем жидкого цемента. После затвердения новая бочка оказалась на редкость прочной, и Монье был выдан патент на изобретение в 1867 году. Видимо, проблема поломки цветочных горшков народу была значительно ближе, чем проблемы профессиональных строителей, и идея железобетона пошла в массы, и наконец, дошла до строителей. Это позволило Монье развивать свою идею дальше, и в 1877 году он запатентовал железобетонные железнодорожные шпалы, а затем железобетонные перекрытия, здания, балки, своды, мосты.

В 1893 году впервые для инженерных сооружений был использован сборный железобетон, а в 1905 году его применили при строительстве большого количества зданий. Работа, ранее выполняемая за несколько месяцев, была выполнена за три дня. Это знаменовало революцию в строительстве и переход к эпохе железобетонных изделий (ЖБИ).

В послевоенный период восстановление страны сопровождалось невиданным ростом объема производства и применения сборного железобетона. Объем производства вырос за эти годы более чем в 65 раз, и Советский Союз занимал первое место в мире по производству сборного железобетона, намного опередив наиболее развитые капиталистические страны. Практически в каждом городе появился свой завод ЖБИ, обеспечивающий строительство в ближайшей округе. Многие из них сегодня превратились в памятники индустриальной культуры и в площадки для съемки фильмов ужасов, но большинство продолжает работать. Широкое применение сборного железобетона позволило значительно сократить в строительстве расход металла, древесины и других традиционных материалов, резко повысить производительность труда, сократить сроки возведения зданий и сооружений. Эпоха ЖБИ продолжается и до сих пор.

А мы рассмотрим другой аспект развития технических инноваций в строительстве, не менее важный, чем связанный с конструкционными материалами – это развитие строительной техники.

Конечно, технический мир инструментов для стройки очень разнообразен: дрель, пульверизатор, перфоратор, циклевочная машина – все они громко заявляют о своем существовании. Так же никак не обойтись без тихих, скромных, но тоже незаменимых помощников, таких как мастерок, шпатель, измерительная рулетка и т.п. У каждого из них своя, часто непростая, история появления на стройке. Даже обыкновенная лестница имеет очень длинную родословную, уходящую корнями во времена Древнего Египта. Но каждый согласится, что Царь стройки, гордо возвышающийся над ней и являющийся ее символом – это подъемный кран. Без него на стройке просто не обойтись.

Подъемные краны использовали еще в античные времена. В V в. до н. э. древние греки уже применяли деревянный «геранос», что в переводе означает «журавль». По-немецки журавль называется «Kranich», а уж это немецкое название было русифицировано, и получился «кран». Однако современные возможности перемещения грузов они приобрели только с развитием двигателестроения в XIX в.

Историю развития подъемных кранов нашего времени открыли англичане. Английские краны были изготовлены из дерева, а выигрыш в силе получали не только за счет блоков и рычагов, но и за счет гидравлических систем, в которых использовалось не масло, как сейчас, а вода. Для приведения крана в действие применялась мускульная сила. А чего можно ожидать в 1847 году?

Но и до изобретения этого крана англичанами все как-то по-своему решали проблему подъема тяжестей на высоту. В XVII веке в Московском Кремле подняли колокол весом 130 т при помощи ручных лебедок, противовесов и рычагов. На Урале, родине русских паровых машин и первых паровозов, изобрели оригинальное подъемное устройство, получающее энергию за счет энергии падающей воды. Кран работал на заводе Нижнего Тагила, где ему компанию составлял водобойный молот и другие механизмы на водяной тяге.

Но краностроение как отрасль родилось у нас в 1880-е гг., в период промышленного и строительного бума. Тогда-то краны и пришли из Германии со своим немецким названием. Но Россия и здесь сделала свой вклад в общее развитие. В 1887 году костромичи сконструировали первый в Европе кабельный кран, перемещающийся по натянутым кабелям. Такой кран перекрывает значительные площади и является незаменимым для работы на складе, в цехе завода или при гидротехническом строительстве. Потом производство подъемных машин освоили на Путиловском, Сормовском, Коломенском, Брянском и других заводах. Созданные там краны оказались настолько надежными, что трудились более 70 лет!

А в США вообще не выпускали башенные краны; там развивалось производство стреловых кранов, очень похожих на лифт. С помощью этих кранов и построены первые небоскребы Америки – амбициозное воплощение современных строительных технологий.

Самым первым небоскрёбом принято считать построенное в 1885 году в Чикаго здание Страховой компании. По современным меркам 10-этажный дом высотой в 42 м до статуса небоскреба явно не дотягивает. На тот момент это было самое высокое здание, намного выше всех остальных построек в городе, поэтому оно некоторое время гордо носило это звание. Но самым главным было не это. Этот дом определил дальнейшую стратегию постройки высотных зданий. Его архитектор Уильям Ле Барон Дженни предложил использовать металлический каркас внутри дома, несущий основную нагрузку. При таком подходе внешние стены, ранее выполнявшие эту роль, могут быть значительно тоньше. Такой подход позволил увеличить прочность здания, а вес уменьшить почти на треть. До логического завершения эту идею довел другой архитектор – Джордж А. Фуллер. Он окончательно разгрузил внешние стены зданий, а всю нагрузку перенес на металлические решетки. Именно дома Фуллера определили дальнейший облик Нью-Йорка, ставшего городом небоскребов.

С появлением новых конструкционных материалов и технологий постоянно растет высота новых небоскребов. На сегодня самым высоким является «Дубайская башня», построенная в Арабских Эмиратах, в городе Дубаи.

Автор проекта – американский архитектор Эдриан Смит. Общая стоимость сооружения составила более 4 млрд. долларов. Его 160 этажей вместе со шпилем составили окончательную высоту в 818 м. Можно прожить всю жизнь в этом здании, не покидая его: к услугам его жильца газоны, бульвары, парки, бассейны. Можно сказать, что это не здание, а город, в котором могут проживать одновременно почти 35000 человек. Нижние 37 этажей занимают номера отеля Armani, выше, до 160 этажа размещаются офисные помещения. На 123-м и 124-м этажах находится смотровая площадка, откуда можно оценить масштабы всего здания и открывающийся вид.

Естественно, что осуществление такого амбициозного проекта потребовала применения множества революционных технических решений и технологий.

Бетонный каркас усилен более чем 30000 т стали, к нему крепятся стены-шторы из стекла, с подвижными соединениями между собой. Движение этих стен при изменении нагрузки и размеров жестких секций при нагревании под горячим аравийским солнцем позволяет оптимально распределять напряжение между всеми элементами здания. Для отражения излишнего света внешняя сторона стекла покрыта тонким слоем металла, отражающим ультрафиолет, а для защиты от инфракрасных лучей на внутреннюю сторону стекла нанесли тонкий слой серебра.

Для того, чтобы небоскреб мог выстоять против сильных ветров пустыни, его сделали максимально аэродинамичным, обтекаемым, не содержащим плоских стен и острых углов.

Полмиллиона тонн веса башни опираются на 200 бетонных свай, уходящих на глубину 50 м и грунт, пропитанный специальной полимерной смолой.

Но самым главным техническим достижением этого проекта является система лифтов, ведь основным транспортом этого «вертикального города» являются именно они. Чтобы справиться с огромным людским потоком, в проекте предусмотрено 53 лифта, некоторые из которых развивают скорость свыше 35 км/час и поднимаются на 120 этажей менее чем за 50 секунд. Самый большой из них вмещает до 46 пассажиров. Для сравнения можно сказать, что первые лифты на Останкинской телебашне высотой 540 метров затрачивали более 15 мин на весь путь.

Когда задают вопрос – какой транспорт больших городов является самым массовым? – практически никто не дает правильного ответа, потому что это… лифт! Без него было бы бессмысленно строить высотные дома.

Впервые о лифте писал римский архитектор Витрувий, ссылавшийся, в свою очередь, на Архимеда, который построил подъёмный аппарат, вероятно, ещё в 236 году до н. э. И в это верится: если Архимед изобрел паровую пушку, то почему он не мог изобрести лифт?

Но, естественно, во времена Архимеда лифт не приобрел большой популярности. Следующий проект упоминается уже в середине VI века. Один из самых древних действующих христианских монастырей в мире, Монастырь Святой Екатерины в Египте, может похвастаться не только уникальной старейшей библиотекой, но и лифтом, построенным монахами. Лифты долгое время были уникальным, штучным устройством, применяемым в XVII – XVIII веках исключительно во дворцах знатных людей Франции и Великобритании и исключительно же с целью демонстрации богатства, знатности его владельцев. В XVIII веке пассажирские лифты начали применяться в Российской империи и также только во дворцовых постройках (в Царском Селе, Петродворце). В 1795 году русский самоучка, изобретатель, имя которого стало нарицательным, Иван Петрович Кулибин разработал конструкцию винтового пассажирского лифта (подъёмных и спускных кресел) для Зимнего дворца. Само собой разумеется, что в качестве двигателя к лифтам использовалась мускульная сила. Так, что если «двигатель» уснул, для подъема его необходимо было разбудить. Кроме того, если механизм лифта вышел из строя, то кабина могла упасть вниз и повредить находящегося в ней пассажира.

Лифт стал общественным транспортом только после изобретения паровых и электрических двигателей и механизма, обеспечивающего безопасность при обрыве троса. Изобретателем такого механизма является американец Элиша Грейвс Отис. Как только трос, держащий кабину, ослабевал, мощные пружины включали тормоз, надежно останавливающий лифт.

Интересна история этого изобретения: кроватная фирма «Бедстед Мануфэкчуринг Компани», взявшаяся за идею создания лифта с механизмом Отиса, разорилась. Тогда Отис организовал собственное предприятие для производства подъемников, но судьба этого предприятия явно пошла по пути кроватной фирмы: люди боялись вверять свою жизнь лифтам.

И тогда на выставке достижений науки и техники, проходившей в Нью-Йорке в 1854 году, Отис смонтировал демонстрационный вариант безопасного лифта. Лифт с изобретателем поднимался на 10 м, а затем трос, держащий лифт, перерубался на глазах публики. Такая уверенность изобретателя в безопасности лифта убедила покупателей – дела фирмы пошли в гору.

27 марта 1857 года в Нью-йоркском магазине «Э.В.Ховот энд компании» начал работать первый безопасный лифт, через несколько лет такими подъемниками были оборудованы многие крупные здания в Нью-Йорке, Чикаго и других больших городах, а уже в 1873 году более 2 тыс. лифтов этой компании было установлено в офисах, гостиницах и универмагах США. А фирма «Otis», созданная сыновьями Г. Отиса успешно работает и сегодня.

Первый электрический пассажирский лифт изготовила известная нам немецкая фирма Siemens & Halske. В 1889 году лифт был смонтирован в одном из нью-йоркских небоскрёбов, он поднимался на высоту 22 метра за 11 секунд. С этого момента небоскребы начали расти в Америке как грибы после дождя – теперь высота этажа, на который человек смог подняться, не стала являться показателем его физического здоровья.

Очередная революция в лифтостроении произошла, когда финская компания «KONE» изобрела и в 1996 году запустила в массовое производство лифты MonoSpace. Применение очень компактного и мощного двигателя позволило расположить его не над лифтом, в машинном помещении, а внутри шахты. Это позволило экономить место и сделать вместительность лифтов большей.

Как существует большое количество автомобилей разного назначения, так же существует специализация у лифтов, которые бывают пассажирскими, грузовыми, больничными, промышленными.

Существуют тротуарные лифты, кабина которых выезжает прямо из пола. Есть лифты, предназначенные для перевозки автомобилей на парковках, есть лифты, предназначенные только для перевозки книг в библиотеках. Панорамные лифты не имеют собственных лифтовых шахт. Поднимаясь в таком лифте, можно наблюдать открывающуюся с набором высоты картину.

Вот и мы поднялись на своеобразном лифте времени от начала человеческой истории до нашего времени. В начале эволюции строительства был вигвам, сделанный из шкур, сегодня на его месте возвышается стоэтажный небоскреб из металла, железобетона, пластика и стекла. Очаг заменили системой отопления, а вместо холодной речки – водопровод с горячей и холодной водой. Выросли целые поколения горожан, считающих жизнь без ванной и телевизора невозможной. Если раньше охотник все время проводил в лесу, а в жилище приходил, чтобы недолго отдохнуть, то современный горожанин иногда выходит на балкон, чтобы увидеть Солнце и почувствовать ветер. Человек сегодня – это существо, запертое в стенах созданных им зданий и автомобилей.

Именно поэтому строительная индустрия, наряду с автомобилестроением – самый главный двигатель и показатель экономического роста любой страны. Рост темпов строительства приводит к росту металлургии, машиностроения, энергетики, транспорта. Любой экономический кризис тут же отражается на строительном бизнесе, но в случае экономического роста – строительство является одной из самых прибыльных сфер для вложения капитала. Неудивительно, что строительная техника и строительные материалы развиваются очень быстрыми темпами, быстрее, пожалуй, меняется только сфера информационных технологий.

Современные технологии строительства за последние 20 лет изменились сильнее, чем за все прошлое столетие, а прошлое столетие стоит трех предыдущих. Стройка стала похожей на конструктор, где очень быстро можно собрать все что угодно из одинаковых деталей, сделанных заранее.

Уже сейчас ведутся разработки по созданию материалов и механизмов, которые смогут строить дом без людей по принципу печатающего принтера, но не на двухмерной бумаге, а в трехмерном пространстве, слой за слоем, в соответствии с замыслом архитектора.

Может быть, биотехнологии и генная инженерия позволят создать дом, который будет расти сам? Тогда строители превратятся в садовников – они будут поливать и кормить растущие дома. Какой будет стройка через 100 лет? Даже самая смелая фантазия может оказаться бедным подобием грядущей действительности.