Байер Владимир Евгеньевич

Профессор, заведующий кафедрой архитектурного материаловедения Московского архитектурного института (Государственной академии).

Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации.

Автор более 100 печатных научных трудов, в т. ч. учебников, учебных посо­бий, изобретений.

Научная деятельность связана с изу­чением своеобразия строительных мате­риалов русской архитектуры, проблем взаимосвязи зодчества с материальной палитрой архитектора, реставратора, ди­зайнера.

Архитектурное материаловедение

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по направлению 630100 «Архитектура»

!i,K. JS53

Москва

«Архитектура-С»

2005

ББК 85.11 УДК 72 Б 18

Рецензенты: Институт искусства реставрации (ректор — профессор, кандидат архитектуры, заслуженный архитектор РФ Пруцын О.И.у, доктор архитектуры, профессор Щепетков Н.И. (Москомархитектура)

Байер В.Е.

Б 18 Архитектурное материаловедение / Байер В.Е. Учебник для вузов. — М.:

«Архитектура-С», 2005. — 264 с.

ISBN 5-9647-0043-8

В соответствии с требованиями Государственного стандарта приведены сведения о много­гранной взаимосвязи архитектуры и ее материальной палитры, стандартизации, классифика­ции, физической сущности свойств, основах производства, номенклатуре и характеристиках строительных материалов, опыте их применения в архитектурно-строительной практике.

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений архитектурных специ­альностей, а также может быть полезным архитекторам, дизайнерам, реставраторам и другим лицам, связанным с архитектурно-строительной практикой.

ISBN 5-9647-0043-8 ББК 85.11

'Waiva.'Yen'btTBo © Внешнее оформление «Архитектура-С», 2005 © Байер В.Е., 2005

Предисловие

Учебник написан в соответствии с требованиями Государственного образова­тельного стандарта Российской Федерации высшего профессионального образо­вания второго поколения по направлению «Архитектура» (521700, 630100), ко­торый обеспечивает подготовку дипломированных выпускников с квалификаци­ей «Бакалавр архитектуры», а в дальнейшем с квалификацией «Архитектор».

Цель изучения архитектурного материаловедения — получение необходимых знаний о многогранной взаимосвязи архитектуры и ее материальной палитры; классификации, физической сущности свойств, основах производства, номенк­латуре и характеристиках строительных материалов, опыте их применения в ар­хитектурно-строительной практике.

Задачи учебной дисциплины предполагают изучение теоретической (посеще­ние лекций, работа с учебной и специальной литературой) и практической (вы­полнение лабораторных работ, заданий по самостоятельной работе, посещение объектов учебно-ознакомительной практики) частей. При этом предусматрива­ется материаловедческий характер дисциплины с уделением особого внимания темам, связанным с номенклатурой, свойствами и примерами применения мате­риалов. На лекциях, лабораторных и практических занятиях студенты должны пользоваться представительной коллекцией образцов материалов различного функционального назначения, обширным иллюстративным фондом (фото- и слайдотека, учебные кинофильмы, плакаты, проспекты). Методика лабораторных работ основывается на их показательном характере с акцентом не на процесс испытания, но на количественную и качественную оценку студентами готового результата. При проведении ряда практических занятий студенты знакомятся с результатами применения материалов на строительных объектах.

Место учебной дисциплины в профессиональной подготовке дипломирован­ного специалиста связано с созданием теоретической и практической базы для понимания физической сущности архитектурного проекта, изучением конструк­ций зданий и сооружений.

Требования к уровню освоения содержания учебной дисциплины включают представления о роли материалов на стадиях проектирования, строительства, эксплуатации и реставрации зданий, сооружений; умение оценить возможность применения определенных материалов для конкретных условий с учетом эксп­луатационно-технических, эстетических и экологических требований.

Учебник состоит из двух разделов. Тематика первого из них предполагает изучение основ материаловедения: понятий о взаимосвязи архитектуры и мате­риалов, физической сущности их свойств, стандартизации и классификации. Во втором разделе приведены краткие сведения об истории применения материа­лов, в т.ч. в русской архитектуре, основах их производства, о номенклатуре, ха­рактеристиках, примерах применения в современной архитектуре. При этом све­дения об основах производства включают краткие характеристики сырья и тех­нологии, в т.ч. для получения требуемых форм и других эстетических характе­ристик материалов.

Учебник содержит некоторые новые данные по сравнению с аналогичными в ранее изданном учебном пособии, указанном в списке основной рекомендуемой литературы [2].

Современная материальная палитра архитектора весьма представительна, включает многие сотни наименований с различными характеристиками, которые изменяются с течением времени, в т.ч. за счет использования возможностей со­временных технологий. В учебнике приведены сведения о целом ряде новых ма­териалов, но основное внимание уделено материалам, которые в массовом коли­честве применялись в XX в. и ранее и продолжают широко применяться в архи­тектуре XXI в. При этом соблюден единый классификационный признак — по общности основного сырья (см. гл. 2). Акцентируя область применения материа­лов, выделим среди них материалы специального назначения: кровельные, гид­роизоляционные, герметизирующие, теплоизоляционные и звукопоглощающие, сведения о которых приводятся в соответствующих разделах учебника.

В тексте учебника наряду с термином «материал» употребляется и термин «изделие», чем подчеркивается, что материал имеет формы и размеры, которые не могут быть изменены в процессе применения.

Изучение материаловедения предполагает использование коллекций образ­цов материалов и аудио-визуальных средств, а также комплекта приборов и обо­рудования для показательных измерений эксплуатационно-технических характе­ристик материалов. Подробные сведения о них приводятся в рекомендуемой ос­новной литературе [3].

Автор выражает признательность рецензентам — Институту искусства рестав­рации и его ректору — профессору, кандидату архитектуры, заслуженному архи­тектору РФ Пруцыну О.И. и доктору архитектуры, профессору Щепеткову Н.И. (Москомархитектура).

Введение

Материал играет важную роль в формировании пропорционального, масш­табного и ритмического строя сооружения, его тектоники и, в конечном счете, композиции в целом. Глубокая и разносторонняя взаимосвязь зодчества с мате­риалом основывается на том факте, что именно он является средством организа­ции пространства жизнедеятельности, а следовательно, участвует в создании ар­хитектуры. Сказанное подтверждают многочисленные труды известных ученых в области архитектуры А.В. Иконникова, М.А. Ильина, А.А. Тица, Б.Р. Виппера, И.Э. Грабаря, П.Н. Максимова, Е.И. Кириченко, И.А. Фомина, М.Я. Гинзбурга,

1. К. Бурова, Ф.Л. Райта, Ле Корбюзье, О. Перре, П.Л. Нерви и др.

Архитектор должен также понимать, что материалы выполняют комплекс

функций, связанных с технологией производства строительных работ, эксплуа­тацией сооружения, его стоимостью, включающей цену, затраты на применение и эксплуатацию. Работа с материалом предполагает учет действующих архитек­турно-строительных норм и правил, природных (география, климат) и соци­альных (культурологические, национально-психологические) факторов. Не ме­нее значимы эстетические аспекты применения различных материалов.

На протяжении всей истории архитектуры творческая индивидуальность зод­чего, основанная на его знаниях и опыте, проявлялась при своеобразном исполь­зовании им известных, традиционных приемов применения материалов.

Физическая сущность строительных материалов в большой степени опре­деляла выразительность архитектуры Древнего Египта. Логическая связь меж­ду мастерством зодчего, свойствами материалов и приемами их применения ха­рактерна для архитектуры Древней Греции. Оригинальные формы готической архитектуры связаны с попытками выявить новые свойства традиционных ма­териалов из природного камня. Если зодчему Древней Руси кирпичная кладка казалась не слишком выразительной, он мог покрыть фасад штукатуркой, на которой яркими красной и белой красками изображал идеальную кирпичную кладку

В современной архитектурно-строительной практике много примеров приме­нения материалов, искажающих первоначальный творческий замысел архитек­тора и не обеспечивающих планируемый срок эксплуатации здания, сооружения. Одна из причин — недостаточно глубокие знания архитектора в области строи­тельных материалов и, прежде всего, физической сущности их свойств, основ производства, номенклатуры, примеров применения. Настоящий учебник содер­жит необходимый минимум интегрированных сведений по указанным разделам. При этом учитывалось, что для студентов, обучающихся по направлению «Ар­хитектура», предлагается и учебно-ознакомительная практика по архитектурно­му материаловедению. Будущему архитектору уместно также рекомендовать к изучению труды, в т.ч. учебники, ведущих специалистов в рассматриваемой об­ласти, сведения о которых приведены ниже.

Весьма велика роль в становлении науки о строительных материалах

2. В. Эвальда (1860—1935), основателя в Санкт-Петербурге в Институте граж-

Введение

д

8

анских инженеров императора Николая II кафедры строительных материалов на базе механической испытательной лаборатории. В.В. Эвальд автор первого в России учебника по строительным материалам: «Строительные материалы, их изготовление, свойства и испытания» (С.-Пб.—Л.—М., 1896—1933, 14-е изд.). На аналогичной базе Н.К. Лахтиным (1861 — 1935) в 1898 г. основана учебная ка­федра при Училище живописи, ваяния и зодчества в Москве (в настоящее вре­мя кафедра архитектурного материаловедения Московского архитектурного ин­ститута — Государственной академии). Н.К. Лахтина можно считать основате­лем курса строительных материалов для архитекторов.

Огромное значение для развития науки о материалах имели труды, в т.ч. соот­ветствующие учебники, В.А. Кинда, С.Д. Окорокова, Б.Г. Скрамтаева, Н.А. Попова, В.А. Воробьева, И.Я. Слободяника, А.Е. Шейкина, М.И. Волкова, М.И. Хигерови- ча, Г.И. Горчакова, А.Г. Комара, Б.Д. Коровникова, А.Г. Домокеева, И.А. Рыбьева, Ю.М. Баженова, В.Г. Микульского, В.В. Козлова, В.Н. Куприянова, Л.П. Орентли- хер, РЗ. Рахимова, Г.П. Сахарова, В.М. Хрулева и др. отечественных ученых, а также Дж. Гордона, В. Пэттона, А. Квормби, М. Рагона и др. зарубежных специа­листов. Вне сомнения для архитекторов представляет большой интерес серия монографий «Материал в архитектуре» под ред. Д.П. Айрапетова (см. список ре­комендуемой литературы). В этих трудах, не имеющих аналогов в соответству­ющей специальной литературе других стран, сделаны попытки демонстрации возможностей строительных материалов при формировании архитектурного об­раза здания, сооружения.

Уместно также отметить, что результаты исследований многих отечественных ученых явились основополагающими для создания производства определенных материалов.

Существенный вклад в изучение строительных материалов из натуральной

(массивной) древесины внесли исследования С.И. Ванина, Д.И. Журавского, Н.А. Белелюбского, Л.А. Иванова, А.Х. Певцова, Ф.П. Белянкина. В перспективе дальнейшее развитие производства таких материалов, учитывая запасы древеси­ны в России, позволит получить технико-экономический эффект, сравнимый с нефтяным производством.

Большое значение имели исследования упомянутого выше Н.К. Лахтина, а также Н.А. Белелюбского, В.А. Обручева, А.Е. Ферсмана, природных каменных материалов. Результаты исследований позволили ориентировать отечественную архитектурно-строительную практику на применение материалов, в основном, из российских месторождений мрамора, гранита и др. горных пород.

Основы производства керамических материалов связаны с созданием в 1919 г. Государственного научно-исследовательского керамического института в Петрограде и Института силикатов в Москве. Принципиальное значение для становления технологии строительной керамики имели труды П.П. Будникова.

Первый стекольный завод в России построен в 1635 г. Но главная заслуга в развитии отечественного стеклоделия, в т.ч. последующего производства строи­тельных материалов из стекла, принадлежит М.В. Ломоносову, основавшему в 1753 г. Усть-Рудницкую стекольную фабрику

Введение

Развитие производства ^^^^^^^ррд^шкшавшего^заишювяз^уни-

ZbjrKp^rZlZZTcrpyKrypb, металлов и их свойств и создавшего осно­вы технологии производства стали высокого качества. Важны труды по изуче­нию структуры металлов Д.К. Чернова, теории создания сплавов и их исследо­ваний Н.С. Курнакова и А.А. Байкова, проекты оригинальных металлических конструкций В.Г. Шухова и Н.С. Стрелецкого.

Профессор Военно-инженерной академии А.Р. Шуляченко разработал осно­вы теории и практики производства самого популярного минерального вяжу­щего — портландцемента. Его теоретические разработки позволили развить оте­чественное производство цементов, не уступающих по качеству зарубежным. Большое значение имели последующие исследования А.А. Байкова, В.А. Кинда,

В.Н. Юнга, А.В. Волженского, П.И. Боженова.

Еще один профессор указанной выше академии — И.Г. Малюга — внес ос­новополагающий вклад в технологию искусственного каменного конгломера­та — бетона. Исследования Н.М. Беляева, И.П. Александрова, Б.Г. Скрамтаева, Н.А. Попова также сыграли весьма значительную роль. Развитие производства железобетона в большой мере связано с трудами Н.А. Белелюбского, проекти­рование и строительство железобетонных конструкций — с разработками С.И. Дружинина, А.Ф. Лолейта.

Строительные материалы на основе искусственных полимеров (строитель­ные пластмассы) созданы благодаря теории строения органических веществ, предложенной А.М. Бутлеровым. Велика значимость последующих исследований М.Г. Кучерова, А.Е. Фаворского, В.В. Солонина, С.В. Лебедева.

Профессиональный подход к архитектуре не может не учитывать результаты исследований упомянутых ученых при изучении физической сущности эксплуа­тационно-технических и эстетических характеристик, номенклатуры и свойств :овременных материалов, созданию основ их производства.

Раздел 1

Основы архитектурного материаловедения

Г лава 1 Взаимосвязь архитектуры и строительных материалов

Свою вещественную форму архитектура обретает с помощью материалов — основы развития новых конструктивных структур. В условиях научно-техниче­ского прогресса роль материальной базы архитектуры неуклонно возрастает. Ма­териалы, оставаясь одним из главных средств решения задач, выдвигаемых ар­хитектурой, в современных условиях не только определяют осуществимость творческого замысла и реальность новых архитектурных форм и конструктив­ных систем, но и в большей, чем когда либо прежде, степени обуславливают ха­рактер и эстетическую выразительность формы, экономическую и функциональ­ную целесообразность сооружения и, наконец, являются мощным объективным имулом развития современной архитектуры.

Виды, свойства примененных материалов взаимосвязаны с процессами созда­ния, развития и восприятия архитектурной формы (собирательный образ, ин­формирующий о функциональном, структурном содержании и эстетических ха­рактеристиках здания, сооружения).

История материальной культуры человечества на протяжении многих тысяч лет свидетельствует, что зодчие понимали необходимость учета свойств исполь­зуемых материалов при создании архитектурных образа и формы. Современно­му архитектору недостаточно знать, из каких материалов можно осуществить его проект. В настоящее время, когда материальная палитра весьма представитель­на, здания и сооружения можно строить из многих взаимозаменяемых материа­лов. При этом условия жизни, в т.ч. работы, человека могут быть одинаковыми с эксплуатационно-технической точки зрения. Но, в зависимости от вида мате­риала, восприятие среды, эстетики зданий и сооружений будет заметно иным. Архитектор должен представлять, что его творческому замыслу соответствуют только определенные материалы, а часто — лишь один материал.

На протяжении истории архитектуры традиционные формы менялись (и осо­бенно заметно в XX в.) под влиянием новых материалов.

В плоть до XX в. при строительстве зданий и сооружений использовались преимущественно материалы, которые выдерживали значительные нагрузки при сжатии, но обладали сравнительно невысокой прочностью при изгибе и растя­жении. Зодчие не могли не учитывать упомянутые свойства материалов при со­здании архитектурных форм, отличавшихся, соответственно, тяжестью и массив­ностью. Например, в истории архитектуры можно выделить период, когда од­

ним из основных материалов был природный камень. И не случайно именно он использовался в древности для возведения культовых сооружений (гробниц, хра­мов). Свойства природного камня позволяли перекрывать им лишь весьма огра­ниченные внутренние пространства сооружения. Тяжелые, массивные формы из природных каменных материалов, преобладающие над внутренним простран­ством, обеспечивали сооружению монументальность, величие, подавляли просто­го смертного размерами и массой. Таковы храмы и пирамиды Древнего Египта. Каменоломни располагались во многих местах долины Нила: там добывали гра­нит, диорит, базальт, песчаник, известняк и другие природные камни. Их масса была огромной по сравнению с внутренним объемом сооружения, конструктив­ное решение которого было достаточно простым (рис. 1).

Рис. 1. Массивные сооружения древних зодчих с ограниченным внутренним простран­ством (а, 6 — соответственно, храм Амона в Карнаке, XIV—XIII в. до н.э. и пантеон в Риме, II в. до н.э.) и современное пневматическое сооружение (в)

Прошли столетия, и определенные архитектурные формы из природного кам­ня стали достаточно легкими. Речь идет о периоде готики, который многие ар­хитекторы справедливо называют вершиной зодчества из природного камня. Но характерные свойства этого материала остались прежними. В результате строи­тельство сооружений, в которых зодчие стремились преодолеть эти свойства, было чрезвычайно сложным и длительным. Желание при создании образа мас­сивного здания учесть свойства природного камня характерно и для многих со­временных архитекторов.

В течение многих тысяч лет свойства используемых материалов не позволя­ли архитекторам создавать конструкции, воспринимающие значительные изги­бающие и растягивающие усилия. И только в XX в. в строительство были ши­роко внедрены материалы, обладающие высокими прочностными показателями при изгибе и растяжении. Например, применение металла в вантовых конструк­циях, в которых основные несущие элементы — тросы — работают на растяже­ние, позволяет перекрывать огромные площади пространств различной формы. Расход материала при этом минимален так же, как и при использовании оболо­чек из пластмасс (рис. 2).

Рис. 2. Современное сооружение с покрытием из пленки на основе искусственных по­лимеров

Зодчие и древности, и средневековья при создании жесткого остова сооруже­ния уже применяли каркас, покрывающийся более легкими материалами. Однако форма и размеры сооружений были весьма ограничены. Использование металла или железобетона для современных каркасных конструкций позволяет получать практически любые заданные формы сооружений разнообразных размеров.

Античные зодчие не создавали высоких отдельно стоящих опор: свойства материалов, применявшихся в древности, не позволяли жестко соединить опору с основанием. Современные высотные металлические или железобетонные опо­ры (радио- и телевизионные башни), жестко заделанные в основании, наглядно демонстрируют конструктивные возможности материала (рис. 3). Архитектурные формы отдельных частей, конструкций зданий, построенных в древности или даже в начале прошлого века, существенно отличаются от современных. Стено­вые, стоечно-балочные, каркасные и другие конструкции неузнаваемо измени­лись под влиянием новых строительных материалов, рациональное применение которых позволило создать принципиально новые конструктивные системы.

Некоторое представление о влиянии вида материала на архитектурную фор­му студенты могут получить, выполнив в процессе учебного проектирования макет объемно-пространственной композиции. Формы и внешний вид объемов могут заметно меняться, если упомянутый макет изготовлять с учетом возмож­ного использования (для данной композиции в известном масштабе) определен­ного материала (рис. 4).

Важно, что при современных технологиях особенно отчетливо проявляется не только влияние материалов и их свойств на создание и развитие архитектур­ных форм, но существует и обратный процесс. Проблемы производства материа­лов с заранее заданными свойствами могут успешно решаться уже сейчас.

Рис. 3. Схемы высотных отдельно стоящих башенных сооружений

Восприятие архитектурной среды связано, прежде всего, с восприятием ар­хитектурной формы. Огромное значение при этом имеют виды используемых материалов и их характеристики.

Эмоциональное воздействие архитектурной формы в значительной мере свя­зано с фактурой, цветом, характером рисунка лицевой поверхности применен­ных материалов. Именно эти характеристики оказывают большое влияние на соответствующий зрительный образ, они — мощное, активное и мобильное ору­дие в руках архитектора, позволяющее усилить, развить, акцентировать основ­ную идейно-художественную задачу проекта.

Зодчие Древней Руси, работавшие в Новгороде, в основном, в условиях пас­мурной погоды, мягкого рассеянного света, который нивелирует светотеневые контрасты, использовали крупные объемные формы материалов с крупным вы­разительным рельефом.

Архитекторы Древней Греции умело пользовались цветом материала. Напри­мер, для выделения при ярком солнце деталей ордера в тени их окрашивали.

Впечатление тяжести или легкости, пластичности, плотности архитектурной формы связано с характером лицевой поверхности материала. Несущая способ­ность стеновой конструкции, нарастание напряжений в нижних частях стены хорошо выражаются при облицовке цоколя природным камнем с ударной гру­борельефной фактурой. Логично, если высота рельефа на лицевой поверхности материала для облицовки средних этажей снижается, а для верхних этажей при­меняется материал с гладкой фактурой. В этом случае характер обработки лице­вой поверхности материала показывает, что нижние плиты природного камня словно раздались под тяжестью сооружения, выдерживая значительную нагруз­ку, которая убывает снизу вверх (рис. 5).

б

а

71

Рис. 4. Схема объемно-пространственной композиции (а) и изменение внешнего вида одного из объемов (б) с учетом применения определенного материала

С

Рис. 5. Груборельефная фактура ниж­ней части здания подчеркивает на­пряженное состояние материала, она логична с точки зрения восприятия архитектурной формы

психологической точки зрения, вне зависимости от эстетических характе­ристик материала, заметную роль играют сложившиеся представления человека

о таких эксплуатационно-технических свойствах и как црочность, долговечность. Например, архитектурная форма Останкинской телебашни в Москве — одного из самых высоких в мире свободно стоящих сооружений (536,3 м) — может по­казаться даже грамотному инженеру недостаточно прочной (рис. 6). Первое впе­чатление о недостаточной прочности усиливается при знакомстве с конструктив­ными особенностями сооружения — глубина заложения фундамента всего лишь 3,5...4,6 м, верхняя часть башни при ветровых воздействиях может иметь боль­шие колебания. Однако архитектурная форма этого сооружения воспринимает­ся достаточно прочной, ибо при характеристике конструкции подчеркивается, что она изготовлена из монолитного железобетона, стянутого 150-ю мощными семижильными стальными канатами. Вряд ли восприятие архитектурной фор-

Рис. 6. Останкинская телебашня в Моск­ве из монолитного железобетона

мы башни было бы аналогичным, если бы сообщалось, что она построена из ка ких-либо других материалов с искусственной структурой.

Эстетические характеристики материалов для внутренней отделки зданий i сооружений, особенно отделки интерьеров, где человек находится длительно! время, часто могут являться решающими при восприятии внутренней архитек турной среды. Выбор цвета, фактуры, рисунка поверхности отделочного материа ла должен быть непосредственно связан с функциональным назначением поме щения, его размерами и композицией. Например, в малых помещениях разме элементов фактуры должен быть ограничен, иначе элементы фактуры и размс ры интерьера будут немасштабны, и помещение может восприниматься ей меньшим, чем на самом деле. Материалы с крупными элементами фактуры, pi сунка рационально применять для отделки больших помещений. Гладкая факт; ра отделочного материала, отличающаяся сильным блеском, может искажать во приятие интерьера.

Качество осуществленных архитектурных, дизайнерских проектов, результ тов работы реставраторов непосредственно связано с качеством используем! материалов. Качество представляет собой совокупность эксплуатационно-техн ческих и эстетических характеристик. Понятие «комплексное, или интегральш качество» к указанной совокупности добавляет экономические характеристш Уместно отметить, что известны результаты исследований в области оценки ко плексного качества материалов. Соответствующий квалиметрический анализ г могает решать задачу рационального выбора лучшего материала из сравнив; мых (одного функционального назначения).

Экономические показатели архитектурно-строительной, дизайнерской, ¹ ставрационной практики так же в большой мере связаны с применяемыми ма риалами. До 50 % и более совокупной стоимости современного здания, соору; ния приходится на стоимость материалов, которую следует оценивать с учет их будущей эксплуатации. При этом ценность материалов, лицевые поверхно которых воспринимаются в процессе эксплуатации, не должна связываться с стоимостью. Так, например, можно заменить позолоту на главах православ! храмов на более дешевые металлические покрытия или мозаичный парке Кремлевском Дворце съездов в Москве на обычные доски. Такие замены бу выгодны экономически, но несомненен моральный, духовный урон.