Использование конструктивных и пластических свойств бетона

• Текст:А.Я. Суздальцева
  6 декабря 2019
• Добавить в кабинетДобавлено в кабинет

Бетон появился еще на рубеже III и II вв. до н. э. Его освое­ние связано с применением вяжущих. Использование раствор­ной смеси с маленькими камнями было описано Витрувием и несколько позднее Альберти. Быстрота и простота изготовле­ния из подручных материалов при малоквалифицированном рабском труде способствовали широкому распространению бе­тона в Риме. Здесь его применяли для заполнения про­странства между двумя рядами квадров тесаного облицовочного камня, что образовывало фактически работающий монолит, оп­ределяющий прочность конструкции. После падения Римской' империи и до середины XVIII в. применение бетона не из­вестно.

С середины XVIII в. начинаются активные поиски эффектив­ного твердеющего в воде вяжущего, стимулирующие появление бетона. В этой связи известны имена английского инженера Джона Смитсона, французского химика Вика и других.

В начале XIX в. в России были найдены способы изготовле­ния гидравлического цемента из искусственно приготовленной смеси извести и глины с последующим их обжигом и измельче­нием в порошок. В 1825 г. была издана работа Егора Челиева «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мер­гель или цемент, весьма прочный для подводных строений, как-то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений». В работе отмеча­лось, что «способы составлять мергель или цемент весьма раз­личны, но ни один из них не имеет тех выгод, какие предлага­ются в настоящем сочинении».

В XVII в. и до середины XIX в. в Испании, Англии и Франции существовала так называемая «глинобитная конструкция». Мно­гие приемы и методы, характерные для современного строи­тельства из бетона, впервые появились при выполнении именно этой конструкции. Основная ценность техники выполне­ния глинобитной конструкции заключалась в ее сооружении из подручного местного дешевого материала.

Фасад музея Станфордского университета в Калифорнии

Во Франции глинобитная конструкция была повторена во влагоустойчивых материалах. Однако она интересна не столько применяемыми материалами, сколько методом возведения с помощью передвижной опалубки. Принцип сооружения глинобит­ных конструкций получил в наше время развитие в строитель­стве из монолитного бетона. Метод передвижной опалубки нашел распространение в Румынии, Швеции и ряде других стран.

Таким образом, происходит активное накопление опыта из­готовления бетона, весьма удобного для строительства самых разнообразных сооружений, преимущественно вспомогательных, служебных, где в первую очередь принималась во внимание экономическая выгода.

В 1852–1853 гг. француз Куанье на основании приобретенно­го им знания техники изготовления глинобитных конструкций построил из цементного бетона здание химической фабрики в Сен-Дени около Парижа. Поверхности стен, сводов и лест­ниц фабрики были преднамеренно оставлены без облицовки.

В ранний период развития и освоения бетонных конструкций использование материала определялось его дешевизной. Глав­ным мотивом была экономика, и Ф. Куанье, добиваясь прочно­сти бетона, стремился найти для него самый дешевый заполни­тель. Впервые он сделал попытку использовать клинкер, золу и песок. Отношение к отделке поверхности бетонных конструкций для Куанье также определялось экономическими соображени­ями. Желание получить эстетический эффект непосредственно от поверхности готового бетона заставило Ф. Куанье пробовать различные компоненты для его изготовления. Он заменял золу добавкой в бетонную смесь светлого песка.

Энтузиасты и защитники бетона стремились поставить его в ряд строительных материалов, полноценных не только техни­чески, но и придающих изделиям особую художественную вы­разительность. Для получения эстетического эффекта от по­верхности бетона они исследовали возможность использования в качестве заполнителей различных отходов строительства. Вместе с тем в тот период продолжали изучать и химические процессы, происходящие при твердении бетона, уточняли их характер. Показательно, что в 1836 г. первая золотая медаль Королевского института британских архитекторов была присуж­дена Георгу Годвину за очерк «Природа и свойства бетона него оценка для конструирования современного периода». Все ис­следования и изобретения в области вяжущих и возможных со­ставных частей способствовали развитию бетона.

Жилой дом из монолитного бетона, проект Т. Эдисона. Общий вид и процесс сборки

Изобретение железобетона относится к концу XIX – началу XX в. До этого времени были освоены два составляющих это­го нового материала — цемент и железо. Цемент использовался римлянами как связующее, железо в форме костылей и скоб применялось греками. В железобетоне гармонично воплотилось сочетание взаимно противоположных свойств двух материалов, один из которых, цемент, и следовательно, собственно бетон, работает на сжатие, а другой, металл, — на растяжение.

Исследователи истории строительной техники отмечают, что идея сочетания двух материалов, дополняющих друг друга, воз­никла уже у первых строителей. Они добавляли в глину расти­тельное волокно. В XV в. железные связи противодействовали давлению стрельчатых сводов. Начиная с XVIII в. использование железа в каменной кладке сделалось систематическим, по боль­шей части для укрепления перемычек.

Особое значение для дальнейшего развития строительной техники имело исследование возможностей комбинации бетона и металла, наиболее интенсивно проводившееся во второй по­ловине XIX в. и приведшее к созданию качественно нового ма­териала — железобетона. Первооткрывателем его одни иссле­дователи считают Ж. Монье, другие — Ф. Куанье.

На первых этапах освоения бетона и железобетона декора­тивные свойства их поверхности не выявляли. Конструкции из них повторяли существовавшие до этого и ставшие традицион­ными из дерева и камня. Римляне, применяя бетонные конст­рукции, отделывали их мрамором, камнем, кирпичом, покрыва­ли мозаикой.

Фрагмент интерьера большого Дворца спорта в Риме

По мнению английского историка архитектуры Коллинза, бетон был впервые использован как материал, поверхность которого обладает особыми эстетическими свойствами, при строительстве здания музея Стэнфордского университета в Калифорнии (1889 г., архитектор Ф. Л. Рэнс). В этом сооружении цементная корка с поверхности бетона была удалена и таким образом вы­явлены декоративные свойства конструктивного заполнителя. В этом сооружении при имитации традиционных архи­тектурных форм была сделана попытка вскрыть декоративные свойства бетона, т. е. найти еще не раскрытые его достоинства. Показательно и то, что это было уже не вспомогательное инже­нерное сооружение, а общественное здание.

По данным того же автора, в 1904 г. на Международном конгрессе архитекторов в Мадриде была принята резолюция, в которой записано, что «декоративные формы должны выяв­лять свойства применяемого материала и конструкции. Эти формы должны гармонировать с качеством материала». Авторы первых построек из железобетона не всегда представляли, что использование нового материала повлечет за собой появление новых форм. Постепенно определялось стремление овладеть всем комплексом специфических возможностей бето­на и железобетона, включая эстетические, раскрывающиеся при соответствующей обработке их поверхности.

В числе первых архитекторов, глубоко интересовавшихся всесторонним использованием свойств бетона, был Ф. Л. Райт. При разработке проекта фермерского банка (1901 г.) он широко использовал бетонные поверхности фасадов. Райт считал, что основные эстетические потенции нового материала заключены в его пластичности, возможности создания из него крупных гомогенных структур. Появление железобетона расценивалось им как начало новой эры в архитектуре.

В России в начале 1900 г. делались попытки использовать конструктивный бетон в качестве материала, поверхность кото­рого может обладать декоративными, эстетическими свойствами. Появился интерес и к творческому освоению существовавше­го опыта. В опубликованной статье имеется описание заво­да, производившего в 1895 г. в Вестфалии архитектурные детали из искусственного камня — бетона. По данным статьи, «... все камни на этом заводе изготавливаются при помощи каменной муки и осколков натурального камня. Искусственное окрашива­ние не допускается». В статье отмечалось, что связующим явля­ется портландцемент, а для внешней окраски служит каменная мука различного цвета и происхождения. Отмечалась также вы­сокая огнестойкость изделий.

Интерьер здания секретариата ЮНЕСКО

В журнале есть описание изготовления на одном из русских заводов рельефных тротуарных плит в фигурных формах и матрицах. Такие плиты сохранились до сего времени на Риж­ском взморье.

Все это свидетельствует о стремлении еще в начале освое­ния бетона выявить его декоративные возможности в процессе производства на основе свойств составляющих компонентов. Рекомендации к исключению искусственного окрашивания свя­заны с желанием получить долговечный декоративный матери­ал, одновременно удовлетворяющий конструктивным требова­ниям.

Знаменательным событием в освоении декоративных свойств бетона можно считать постройку арх. Анатолем де Бодо церкви св. Иоанна Евангелиста на Монмартре в Париже (1894–1902 гг.). Он попытался выразить в этом сооружении специфику бетона.

В нем ощущаются еще остатки влияния готики. Но общий харак­тер структуры и особенно большие железобетонные арки, под­держивающие купол, не производят впечатления каменных. Изящное переплетение железобетонных конструктив­ных нервюр подчеркивает четкую выразительность рисунка сво­да, выполненного в новом материале.

В 1903 г., вскоре после окончания строительства церкви св. Иоанна Евангелиста, в Париже на ул. Франклин сооружается из железобетона здание в восемь этажей. Автором его был Огюст Перре. В этом здании он сознательно выявил кар­кас как элемент художественного и конструктивного выражения нового материала.

Через два года Огюст Перре строит гараж на ул. Понтье, ко­торый считается одним из лучших его произведений по просто­те и ясности использования железобетона. Несущий каркас решительно выявлен на фасаде в формах, соответствующих конструктивным нагрузкам. Вертикальные ребра и балки, соот­ветствующие уровням перекрытий, значительно толще железо­бетонных столбиков верхнего яруса. Большой витраж над въез­дом в гараж и стеклянные поверхности окон здания образуют заполнение, контрастирующее с материалом несущего каркаса. В творчестве О. Перре поиски новых пластических форм и про­странственных композиций, связанных с железобетонной конст­рукцией, органически сливаются с решением разнообразных инженерных проблем. О. Перре создавал формы, по его мне­нию, наиболее выразительные для пластики бетона. Это можно видеть в кривизне очертаний лестниц, в утонении книзу колонн.

Фрагмент здания конгрессов ЮНЕСКО

Одновременно с приданием бетону свойственных ему струк­турно-конструктивных форм Перре стремился выявить декора­тивность его поверхности. Для этого им использовалась плас­тичность материала при его формовании; на поверхности изделия оставались следы деревянной опалубки или с поверхно­сти удалялась цементная пленка и обнажалась живая игра круп­ного заполнителя.

Эстетические возможности бетонной и железобетонной кон­струкции в результате декоративной обработки поверхно­сти были наиболее полно реализованы О. Перре при реконст­рукции в 1950-е годы Гавра. Творческие поиски О. Перре приводят его к сборному строительству. Большая часть элемен­тов для каждого здания или группы их изготовлялась на месте строительства в стандартной опалубке по единой модульной сетке. Исследовались разнообразные возможности выявления декоративных качеств бетонных поверхностей. Обнажение за­полнителя конструктивного бетона определяло цвет и характер фактуры поверхности здания.

Способы строительства и отделки зданий, при которых основ­ному конструктивному материалу придавалась декоративная вы­разительность, позволили провести реконструкцию Гавра с ис­ключительной экономичностью. Этот прием дал возможность достичь высокого совершенства эстетических и технических ре­зультатов строительства.

Вскоре после этого во многих странах появились сооружения, а которых авторы подражали О. Перре, стремясь получить из железобетона самые разнообразные архитектурные формы и использовать декоративные свойства его поверхности. Так, а здании Фрайбургского университета (ФРГ) и ряде других со­оружений воспроизводится вариант ажурных плит Перре.

Комплекс ЮНЕСКО. Фрагменты фасадов с элементами благоустройства территории

Работами О. Перре и его последователей завершается раз­витие свойств железобетона в рамках традиционных конструк­тивных систем и композиционных приемов (стержневые конст­рукции и тектоника стоечно-балочных систем). Важнейшим, что внесло это направление в развитие железобетона, были эксперименты по использованию обработанной поверхности конструктивного бетона для формирования архитектурной ком­позиции.

Железобетон как новый материал привлекал подчас внима­ние не только специалистов, связанных со строительством и ар­хитектурой. С начала 1900 г. такой выдающийся изобретатель, как Томас Эдисон, увлекся проблемой использования бетона для создания монолитного дома.

К 1908 г. после ряда экспериментов Т. Эдисон создал и за­патентовал серию опалубок для будущих бетонных домов. Он предполагал создать образец двухэтажных домов-коттеджей для массового использования населением Америки. Предвари­тельная обработка форм, подгонка их и доделки, связанные

с комплектацией, заняли еще некоторое время. Затем анализи­ровались бетонные смеси с разной крупностью составляющих, определялась наилучшая консистенция бетонной массы. Нако­нец, все приготовления закончились. Формы для дома, включав­шие крупные конструктивные элементы и декоративные детали архитектуры, были соединены. Заполнение форм про­исходило в течение 6 часов, затем после окончания твердения бе­тона их удалили. Дом был готов, качество поверхности стен позволило их не штукатурить, а только окрасить. Однако дом этот не получил широкого признания, о котором мечтал изо­бретатель.

И все же Эдисон не прервал свои опыты с бетоном. В 1911 г. он взялся отливать для дома детали интерьера. По образцу наи­более удачных его моделей им был искусно сделан из бетона фонографический кабинет. Формы для отливки покрывались составами, позволяющими получать идеально ровную поверх­ность. Отлитый и затвердевший бетонный фонографический кабинет был обработан белой эмалью и золотом. Эдисон запро­ектировал также бетонную мебель для использования в бетонных домах, которые, по его мнению, должны были стать популярны­ми по всему свету. Популярность эту он связывал с надеждой на их низкую стоимость по сравнению с деревянными. В музее Эди­сона в Оранже, штат Нью-Джерси, сохранились кресла и стол, отлитые из бетона. И конструкции дома, и тонкие по орнамен­тальному декору элементы фонографического кабинета не ус­тупали в изяществе прототипам из дерева. Однако мебель эта была очень тяжелой.

В этом эксперименте Эдисон всесторонне исследовал пласти­ческие возможности тогда еще мало освоенного железобетона.

Качественно новым этапом в развитии бетона и железобетона была историческая эпоха, на протяжении которой шла усиленная разработка типов конструкций, определяемых формами, свойст­венными железобетону как пластичному материалу. В 1912–1913 гг. в Бреслау архитектором Максом Бергом и инженером Тгауэром был выстроен Зал столетий. Это великолепный купол диаметром 5 м и высотой 16 м с нервюрами. Поверхность бето­на оставлена в том виде, какой она получила в опалубке. Своим пространственным решением он предвосхищает Дворец спорта Нерви. К этому периоду относятся также работы инженеров Р. Майара, Э. Фрейсине и других. О. Перре работал с бетоном и железобетоном, развивая каркасные системы, в которых одно­временно использовались декоративные свойства поверхности этих материалов. В работах Фрейсине, Майара и позднее Торроха совершенствовались методы использования бетона и желе­зобетона, отражающиеся на пространственной структуре соору­жений и пластике их форм.

Комплекс ЮНЕСКО. Фрагменты фасадов с элементами благоустройства территории

Знаменитые ангары для дирижаблей в Орли инженера Э. Фрейсине получили форму, продиктованную техническими требованиями. Она интересна не только своей пластикой, но и радикальным отличием от предшествующих конструкций. Складки, образующие ангары, представляют собой параболиче­ские арки, прочность которых зависит не только от материала, но и от формы конструкций. В них воплощена кривая статиче­ских усилий железобетона.

Инженеры, стремясь использовать этот материал наиболее це­лесообразно, получили новый характер пространственных архи­тектурных форм. Например, Р. Майар понял нерациональность выполнения в железобетоне конструкций, повторяющих образцы стоечно-ба­лочной системы с перекрещивающимися балками и столбами, которые прежде выполнялись из дерева и камня. Основываясь на статических расчетах, он применил широкие плиты, не под­держиваемые балками, а как бы вырастающие из столбов.

В 1910 г. он осуществил по этому принципу склад в Цюрихе с первой так называемой грибовидной конструкцией. Столбы в ней расширяются к вершине, что способствует лучшему вос­приятию собственного веса плиты и нагрузки на нее. Эту конст­рукцию он применил и при проектировании мостов.

Работы инженеров, отмеченные новаторским подходом к ре­шению конструктивных задач, были важным этапом в развитии способов образования и применения форм из железобетона. Вклад этих инженеров в освоение эстетических свойств бетона и железобетона трудно переоценить. В их работах новые фор­мы по-иному раскрывали пластику материалов, выявляли много­образные области их использования, влияли на формирование нового к ним отношения, стимулировали дальнейшие поиски. Но вместе с тем никто из них после О. Перре специально не зани­мался вопросом эстетических свойств поверхности бетона и же­лезобетона.

Много экспериментировал с формами железобетонных кон­струкций архитектор-инженер Феликс Кандела. С его именем связано освоение гиперболического параболоида — формы скорлупы, наиболее простой для математического расчета и осуществления. В его работах удивительно сочетаются функциональная экономичность и художественная выразитель­ность. Но, решая сложные и оригинальные инженерные задачи, которые вели к появлению новых пластических форм, он не уде­лял специального внимания использованию фактуры поверхно­сти бетона.

Декоративные возможности поверхности железобетона в весь­ма значительных объемно-пространственных архитектурных ком­позициях с большой полнотой использованы в работах выдаю­щегося итальянского инженера Пьера Луиджи Нерви. В структу-

ре всех сооружений П. Л. Нерви железобетонной конструкции фрагменты отводится основная роль. Но здесь и обработка поверхности железобетонных элементов — неотъемлемая часть архитектурной композиции. Подобная черта характерна для сборного индуст­риального строительства, поэтому особенно интересен подход этого мастера к обработке поверхности железобетонных эле­ментов для зданий уникального характера.

Во Дворце спорта в Риме на конструкциях из монолитного бетона оставлены следы опалубки, выполненной из узких досок (лестница, галереи, столбы и т. п.). При хорошем качестве бето­на это создает красивую текстуру поверхности. Ритм отпечатков досок опалубки подобно линейному рельефу подчеркивает ос­новную форму. На поверхности выявлены пластические свойства бетона.

П. Л. Нерви наряду с принципиальным развитием тектониче­ских систем и разработкой новых пластических форм элементов железобетонных конструкций делает многое для выявления свойств текстуры поверхности материала конструкции. Особенно удачно использованы эстетические свойства монолитного бетона в здании ЮНЕСКО в Париже, одним из авторов которого был Нерви. Обработка поверхности железобетонных элементов этого сооружения подчинена ведущей архитектурной мысли — мону­ментальному единству общего и деталей.

Художественные свойства поверхности натурального бетона и железобетона проявляются не только после различной обра­ботки — получения рельефа, обнажения крупного заполнителя, но и сопоставлением с другими материалами. Так, естественная матовая поверхность монолитных железобетонных стен в торце цокольного этажа со следами линейного рельефа от опалубки становится фоном для блестящих бронзовых рельефов, нало­женных на нее.