Сводчатые здания и сооружения Древнего Рима

После завоевания Карфагена и покорения Греции Рим становвится самым могущественным и грозным государством Древнего мира. Одновременно растут потребности в строительстве храмов и дворцов. Лучше всего такому типу зданий отвечали здания сводчатого 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 кирпичный 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 куполов 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.
Каркасы в виде арок с радиальными швами выполнялись обычно из двух видов кирпичей: прямоугольных, размером 59 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. Полученные 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.
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. 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 Августа 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.
По предположению Шуази, кирпичный каркас купола 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. 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 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.
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 1/6 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.