Римский Бетон

ПАНТЕОН — ХРАМ ВСЕХ БОГОВ (О СВОДЧАТЫХ ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ)

Из серых камней, выведенных строг Являли церкви мощь свободных сил В них дух столетий смело воплотил И веру в гений свой, и веру в бога.

В. Брюсов

После завоевания Карфагена и покорения Греции Рим станов вится самым могущественным и грозным государством Древнего:5 мира. Одновременно растут потребности в строительстве храмов и* дворцов. Лучше всего такому типу зданий отвечали здания свод-; чатого типа. Есть сведения, что за много веков до римлян, своды, купола и стрельчатые арки применяли более древние народы, однако только в Древнем Риме их усовершенствовали до такой степени, что они остались непревзойденными до середины XIX в.

Римлянам были знакомы такие виды сводов, как цилиндри­ческий, крестовый, коробовый и сферический (полуциркуль­ный)— купольный. При этом наибольшее предпочтение они отдавали последнему. В конструктивном отношении большинство римских сводов делилось на каркасные и бескаркасные, т. е. в первом случае свод держался за счет каменного или, чаще, кирпичного скелета, а во втором — за счет прочности монолитного бетона. Однако, несмотря на то что с момента строительства первых бетонных сводов и куполов прошло более 2000 лет, ученые не могут совершенно определенно ответить на вопрос, какова конструкция римского свода и как он возводился. И эта загадка Является очередным римским секретом.

Вопрос, действительно, сложный и интересный. Дело в том, что в большинстве обследованных римских сводов и куполов отчетливо видны кирпичные арки, которые образуют на их повер­хности разнообразный, а порой причудливый рисунок. Чаще всего арки меридионально замыкают купол здания или строго подни­маются вверх до светового окна, но порой они вдруг обрываются, не дойдя до верха конструкции или закругляются и поворачиваю вниз. Есть своды, у которых вообще отсутствует кирпичны каркас, а сам свод, точнее, вся его бетонная часть, как бы под­держивается дополнительной тонкой оболочкой, образованной из одного-двух рядов тонкого кирпича, уложенного плашмя.

Все эти особенности римских бетонных сводов и главным обра­зом купольных или полуциркульных породили самые различные гипотезы, объясняющие их внутреннее строение. В результате конструкцию бетонных сводов стали условно подразделять на каркасную и бескаркасную, хотя наличие кирпичных арок во втором случае также не отвергается.

Для того чтобы приблизиться к истине, следует выслушать мнение двух сторон. Противники каркасной гипотезы утверждают, что кирпичные арки купола являются не несущим, а декоративным элементом. В доказательство они приводят данные о том, что заглубление кирпичных ребер-арок в бетон было совсем незна­чительным не более чем на 13—15 см при общей толщине свода - купола от 40 см и выше. К примеру, толщина купола Пантеона в верхней, самой тонкой части— 1,4 м, а у опорного кольца — 6 м. Уорд Перкинс, директор античного института в Риме, пишет по этому поводу следующее: «...при более детальном рассмотрении сводов находящиеся в нем кирпичные архи не несут никакой нагрузки. Они возводились одновременно с укладкой бетона и использовались лишь для того, чтобы добиться заданной кривизны свода и разделить массу жидкого бетона на более мелкие сек­тора, удобные для работы...»

Главным «идеологом» каркасной гипотезы сводов до сих пор является французский инженер, архитектор и исследователь Огюст Шуази (1841 —1909). Более чем сто лет назад вышла его книга «Строительное искусство древних римлян», где весьма убе­дительно высказываются предположения относительно приорите­та кирпичного каркаса в римских бетонных куполах. Там же приводится очень правдоподобное описание реконструкции сводов и полов и примерный ход работ по их возведению.

Точка зрения Шуази представляется вполне убедительной, и вот почему. Возведение бетонных сводов, а тем более куполов с большими пролетами требовало чрезвычайно прочных и сложных по исполнению кружал и такой же деревянной опалубки, с поддерживающими их строительными лесами. Можно представить, сколько потребовалось бы древесины для сооружения временной опалубки, например при строительстве купола Пантеона, масса которого по нашим расчетам составила более 19 тыс. т. И все же главная причина использования кирпичного каркаса в сводах и куполах заключалась не в дефицитности леса, как считает Шуази. В наше время лесные дубравы окружают Рим со всех сторон и надо думать, что 2000 лет назад их было не меньше, чем сегодня. Причина, вероятно, заключается в том, что даже неболь­шая деформация кружал и опалубки должна была бы вызвать появление трещин в монолитном бетоне купола и затем привести к катастрофе. Видимо, такие примеры были, и это натолкнуло

Римских инженеров на мысль выкладывать вначале по деревян­ным кружалам кирпичные арки, образующие временно несущий каркас свода и уже затем в его промежутки укладывать бетонную смесь.

Рассмотрим отдельные конструкции римских бетонных сводов и куполов, придерживаясь сначала мнения Шуази. Разберем уст­ройство куполов с кирпичными каркасами.

Своды с кирпичными каркасами римляне изготавливали трех

Типов: в виде кирпичных арок с радиальными швами, кирпичных решеток и в виде отдельно стоящих арок из кирпича.

Каркасы в виде арок с радиальными швами выполнялись обыч­но' из двух видов кирпичей: прямоугольных, размером 59 X. X 15 X 4,5 см и квадратных (59 X 59 X 4,5 см). Из прямоуголь­ных кирпичей выкладывались параллельные арки, которые связы­вались между собой квадратными кирпичами (рис. 38). Получен - * ные таким образом кирпичные решетки заполнялись бетонной сме­сью, точнее — слоями раствора и щебня, как при возведении стен. Впоследствии римляне отказались от такой конструкции и перешли от цельного решетчатого каркаса к отдельно стоящим, скрытым в кладке одинарным или сдвоенным арочным ребрам (рис. 39).

Широкое распространение в античных сводах получили насти­лы из кирпича или черепицы. С их помощью перекрывали не только простые цилиндрические своды, но и своды самой сложной конфигурации. Они достаточно разносторонне применялись в сво­дах, перекрывающих обширные залы, как, например,- в термах Каракаллы, а также в узких галереях водопроводов.

Изготовление сводчатых настилов происходило следующим об­разом. По выпуклой поверхности деревянной опалубки укладывал­ся ряд крупных квадратных кирпичей с размерами сторон в два римских фута (59 см) и толщиной от 4 до 5 см. Эти большие кирпи­чи образовывали как бы сплошную тонкую оболочку по всей вы­пуклой поверхности опалубки. Такой настил мог быть одинарным, но чаще всего на него дополнительно укладывались кирпичи мень­шего размера со стороной порядка 20 см (рис. 40. 41). При' этом определенное количество кирпичей было поставлено на ребро в толще второго настила, образуя как бы анкерные выступы для лучшего сцепления с бетонной смесью. Применяя такой настил из кирпича, который Шуази называл каркасом, античные строители, вероятно, преследовали две цели: во-первых, пре­доставить бетонной кладке свода сплошную и прочную опорную поверхность, а во-вторых, обеспечить надежную связь между этим настилом-каркасом и бетонной смесью. Однако такая кон­струкция сводов применялась обычно при пролете, не превышаю­щем 20 м.

Большой интерес в конструктивном отношении представляют сферические или, как их чаще называют, полуциркульные купола на круглом в плане основании. Из них только бетонные практи­чески не вызывают горизонтального распора после окончательного набора прочности. Это очень важное достоинство бетонных купо­лов по сравнению с куполами, выполненными из других ма­териалов.

Рассмотрим более подробно конструкцию и строительство таких куполов на примере Пантеона, так как именно в Пантеоне нашла наивысшее выражение инженерная и архитектурная мысль античного Рима.

Первый Пантеон построил по распоряжению императора Ав-

Густа Агриппа. Однако в 110 г. н. э. старый Пантеон сгорел и на его месте примерно в 115 г. начато строительство нового храма. Через десять лет новый Пантеон был закончен. К сожалению, имя строителя этого уникального сооружения осталось неизвест­ным, однако особенности творчества Аполлодора Дамасского позволяют считать, что именно по его проекту было создано это величайшее сооружение.

Почти все здание Пантеона (рис. 42) возведено из бетона. [7] Бетонный фундамент сделан на заполнителе из битого кирпича и плотного туфа. Мощные бетонные стены толщиной б м с наруж­ной стороны облицованы кирпичом, а с внутренней — оштукатуре­ны. Его бетонный полусферический купол имеет внутренний ди­аметр 43,2 м. До середины XIX в. это оставалось рекордом для сооружений подобного типа (рис. 43). Однако единого мнения о конструкции каркаса нет. Как утверждает Шуази, ссылаясь на Пиранези,* каркас купола выполнен из кирпичных, пересекающих-

Рнс. 45. Порядок возведения кнрпнчвого каркаса верхней частн купола Пантеона (по

Шуази)

Ся между собой арок, промежутки между которыми заполнены бетоном. По сведениям других исследователей, бетонный купол сделан монолитным, без применения кирпичного каркаса.

По предположению Шуази, кирпичный каркас купола (рис. 44) состоит из 8 основных меридиональных арок С, опирающихся на разгрузочные арки В, 8 промежуточных арок е и двух концентри­ческих колец: основного, верхнего Е, образующего световой проем, и дополнительного S, расположенного несколько ниже основного и предназначенного для усиления верхнего кольца'.

Порядок возведения купола осуществлялся в два приема. Вна­чале, на первом этапе строительства, выкладывались меридиональ­ные С и промежуточные е кирпичные арки (см. рис. 44, 45). Затем концы арок С соединялись между собой небольшими арочками О — О, по вершинам которых выкладывалось основное кирпичное кольцо Е диаметром 8,92 м. Так постепенно росла кирпичная паутина будущего купола.

Для сравнения разберем противоположное Шуази мнение других исследователей по устройству купола Пантеона. Основы­ваясь на том, что кирпичный каркас выше второго снизу ряда кессонов[8] не обнаружен, они утверждают, что купол Пантеона, начиная со второго нижнего ряда кессонов, полностью отлит из бетона и лишь его нижняя часть армирована кирпичными арками (рис. 46).

По их мнению, 9/10 частей переходной части здания от ротон­ды к портику и самой ротонды также состоит из бетона. Купол со­оружен с помощью громадной полусферической опалубки, на которую горизонтальными слоями заливался бетон. Как техно­логически это выполнялось, установить трудно. И это является очередной римской загадкой.

Шуази предполагает, что укладку бетона начинали, как и при

Возведении стен, с растворного слоя, на который набрасывался слой крупного заполнителя. Большинство других авторов подчер­кивают наличие горизонтальных чередующихся слоев крупного заполнителя и раствора, который заливали в деревянную опалубку.

Опалубка поддерживалась кружалами, которые опирались на большое количество деревянных стоек. Для устройства кессонов' на опалубке были установлены деревянные формы, которые отли­вались одновременно с куполом. Пять рядов кессонов на куполе Пантеона облегчают его вес примерно на '/б часть, а их перспектив­ное сокращение создает большой эффект высоты.

Следует выделить ряд других особенностей в конструкции римс­ких сводов и куполов. Во-первых, это обязательное уменьшение толщины оболочки по направлению от основания к световому окну. Например, в Пантеоне при толщине основания купола 6 м толщина поперечного сечения у светового окна всего 1,4 м. Второе — это уменьшение плотности бетона в зависимости от высоты купола. Так, в том же куполе Пантеона четко прослежи­ваются два вида бетона на крупном заполнителе из туфа и пемзы, которые специально для этой цели доставлялись с Везувия. При бетонировании сводов и куполов в них закладывались керами­ческие емкости в виде амфор, горшков или труб. При этом трубы также изготавливались из обожженной глины диаметром от 60 до 90 мм и длиной 200—250 мм. Иногда они имели форму кону­са. Следует напомнить, что подобные конструкции сводов и куполов возводились намного раньше Пантеона и первые из них, как, например, храм Меркурия, были возведены в середине I в. до н. э. Однако Пантеон как бы собрал воедино все лучшее, что было создано до него.

В заключение следует отметить еще один важный инженерный аспект античного строительства, а именно — запас прочности, с которым римские инженеры подходили к возведению своих сооружений и к определению формы их поперечного сечения. Пользуясь безмоментной теорией расчета оболочек, автором сов­местно с Б. М. Зиновьевым были рассчитаны вертикальные сжи­мающие и кольцевые — растягивающие напряжения в нижней' зоне опорного кольца купола Пантеона. Принимая плотность пемзотуфобетона равной в среднем 800 кг/м3, собственная масса купола составила порядка 19,7 тыс. т., что соответствует сжима­ющему напряжению — 0,4 МПа в нижней части купола. Коль­цевое растягивающее усилие там же составило около 5 т, т. е. всего 0,012 МПа.

Принимая прочность на сжатие известково-пуццоланового пемзотуфобетона 2—3 МПа, а на растяжение 0,5—1 МПа, можно сказать, что римские строители обеспечили запас прочности в одном из главных конструктивных элементов купола — опорном кольце — примерно в 5 раз на сжатие и более чем в 40 раз на растяжение.