ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

БУДІВЕЛЬНІ МАТЕРІАЛИ ТА ВТІЛЕННЯ ЇХ В АРХІТЕКТУРІ

1. Будівельні матеріали в архітектурі минулого

Мистецтво створювати споруди за законами корисності, міцності та краси нерозривно пов’язане із вирішенням функціональних, конструк- ційних, естетичних та економічних проблем. Будівельні матеріали спри- яють здійсненню творчого задуму архітектора, причому властивості мате- ріалів визначають не тільки характер будівлі та її естетичну виразність, але й економічну і функціональну доцільність зведення.

Деревина — один із найстаріших матеріалів для будівництва спочатку досить примітивного житла, а пізніше — справжніх пам’яток архітектури, в тому числі культових споруд. Вивчення історії застосування деревини дозволяє прослідити, як змінювались можливості застосування цього ма- теріалу залежно від рівня технічного розвитку суспільства. Із винаходом кам’яної сокири підвищилась якість обробки деревини і з’явилась мож- ливість зрубувати не тільки жердини, але й товсті стовбури. Незважаючи на те, що перші конструкції стояково-балкової системи були досить при- мітивними, їх використовували надалі для спорудження кроквяних по- крівель — одно- та двоскатних. Прикладом найстародавніших дерев’яних споруд стояково-балкової конструкції є будівлі секційного типу Трипіль- ської культури (IV ст. до н.е.). Населення того часу опанувало різноманіт- ні прийоми будівництва, що дозволяло створювати надійні для прожи- вання та зручні для ведення господарства житлово-господарські комп- лекси, культові та оборонні споруди.

В стародавні часи східні слов’яни зводили стіни будівель із горизонта- льно розташованих колод, покладених одна на одну та з’єднаних у кутах врубкою. Такі будівлі називати зрубами.

Деревина була основним будівельним матеріалом в Індії, південно- східній Азії, Китаї та Японії. Використання цього матеріалу разом зі спе-

цифікою соціальних та природних умов обумовило своєрідну архітектуру цих країн.

Природний камінь — основний матеріал багатьох стародавніх цивіліза- цій. У ті часи для спорудження культових будівель (гробниць, храмів) ви- користовували переважно блоки із гірських порід, причому кожна із відо- мих стародавніх цивілізацій мала свої пріоритети.

Протягом тисячоліть монументальні культові споруди будували із природних кам’яних матеріалів, де маса будівлі була надзвичайно вели- кою, а об’єм утвореного внутрішнього простору — незначним.

Найстародавніші споруди, шо збереглися до наших днів, побудовані з природного каменю. Мегалітичні культові споруди — менгіри, що скла- даються з одного блока, та дольмени й кромлехи — були першими спору- дами, що характеризуються більш складною будовою. Вони зустрічаються по всій планеті (крім Австралії) — від Франції і Англії до Кореї та Японії, причому з їх походженням пов’язано багато легенд.

Вважається, що менгіри були побудовані як місця для проведення ре- лігійних церемоній, дольмени — для поховання членів роду, а кромлехи — вірогідно, як стародавні обсерваторії. Найчастіше для мегалітичних спо- руд використовували блоки з вапняку або пісковика. Відомий кромлех Сто- унхендж (рис. 1.1) у Великої Британії у м. Солсбері побудований від 2900 до 2400 р. до н.е. із використанням базальту з різних куточків Англії. Кожен моноліт важить більше 50 т, а увесь ансамбль — декілька тисяч тонн.

Із 7 чудес світу — монументальних архітектурних пам’яток стародав- нього світу залишились тільки піраміди. У стародавньому Єгипті камено- ломні містились уздовж усієї долини Нілу. Тут добували граніт, діорит, базальт, порфіри, вапняк, пісковик, які використовували для будівницт- ва. Цивілізація Єгипту по собі залишила піраміди, що були зведені за принципом «скромності та економічності» і для будівництва яких вико- ристовували блоки з вапняку. Конструкція та співвідношення всіх частин піраміди базуються на пропорціях «золотого перерізу». Для облицювання пірамід використовували дрібнозернистий вапняк із Тури та граніт із Асу- ана. Це були досить величні та монументальні споруди. Наприклад, піра- міда Хеопса (рис. 1.2.) складається із 2 млн. 300 тис. вапнякових блоків, середньою масою 2,5 т кожний. Загальна маса піраміди становить 5 млн. 750 тис. тонн, а з її каміння можна було б побудувати сучасне місто з на- селенням 120 000 осіб.

Піраміда Хеопса висотою 146,6 м тривалий час залишалась найвищою спорудою у світі, поступившись першістю тільки у 1889 р. Ейфелевій ба- шті у Парижі, висота якої досягає 300 м.

Саме в Єгипті вперше почали використовувати бітум разом зі смолою хвойних дерев та бджолиним воском для бальзамування мумій. Вже потім бітум застосовували для гідроізоляції при будівництві різноманітних об’єктів в країнах Малої Азії; ним покривали сховища води та зерна, ви- користовували для будівництва «Висячих садів» у Вавилоні і навіть ковчег Ноя, за Біблією, був просочений бітумом.

У стародавні часи, коли використовували камінь для монументальних будівель, зазвичай повторювали форми, які були започатковані при буді- вництві з дерева. Ранні грецькі храми по суті були «дерев’яними споруда- ми з каменю». В Індії при спорудженні храмів із каменю відтворювали конструкції, вигляд яких нагадував дерев’яні (стовпи, балки, кесони).

Найчастіше спроби будувати з каменю як із дерева закінчувались тра- гічно, будівлі руйнувались як тільки прогін архітрава перевищував його шестикратну висоту. Основна проблема застосування каменю, як конс- трукційного матеріалу, пов’язана з анізотропією його властивостей: ка- меню притаманна 10... 15-кратна різниця між міцністю при стиску та міц- ністю при розтягу. Існуюче протиріччя кам’яної архітектурної конструкції заважало отримати прогін більше 4 м, і воно було усунено з винаходом склепіння, в якому матеріал працює переважно на стиск.

Ось чому у більш пізній архітектурі Стародавньої Греції переважають храми, розміри та пропорції яких уже відповідати властивостям природ- ного каменю (мармуру). Серед них відомий Афінський Акрополь (V ст. до н.е.) — комплекс будівель, що включав Парфенон (рис. 1.3.) — (храм Афіни Патлади), Ерехтейон (храм, присвячений Афіні та Посейдону), храм богині перемоги Ніки, Пропілеї (парадний вхід до Акрополю). Ак- рополь було побудовано досить швидко — всього за 5 років. Як на велике

12

досягнення греків слід вказати на створення «армованого мармуру», який підвищував міцність та довговічність конструкцій. При будівництві Ак- рополю замість балок довжиною 2,5 м були використані 6-тиметрові пе- рекриття, в яких у спеціальних канавках були замуровані залізні стержні.

Із всесвітньо відомих мармурових споруд найбільш популярним є мав- золей Тадж Махал (1631... 1648 рр.) в Індії (рис. 1.4). За дивовижну красу, втілену у білому мармурі, цей мавзолей, що розташований у Агрі (200 км від Делі), називають перлиною архітектури. Для його зведення викорис- товували гірські породи, привезені із 12 країн.

Крім мармуру для зведення культових споруд використовували білий вапняк (Успенський собор у Володимирі, Церква Покрова Богородиці на Перлі (рис. 1.5), Успенський Собор у Ростові Великому). Пізніше білий вапняк було використано для відбудови Москви після великої пожежі « всіх святих» у 1365 р. Навіть сьогодні білокам’яні споруди Московської Русі становлять гордість стародавньої архітектури, в тому числі Архангель- ський Собор (1505... 1509 р.р.), який служив протягом 300 років усипаль- ницею великих князів та царів, починаючи з Івана Калити.

Серед багатьох білокам’яних храмів у Росії є один, найцікавіший, не характерний для церковної архітектури. Це церква Різдва Богоро- диці (1754 р.), що знаходиться поблизу м. Серпухова (рис. 1.6). Храм має циліндричну форму, по фронтону на однаковій відстані один від одного розташовані 16 фігур апостолів та євангелістів. Всі фігури вирі- зьблені із вапняку. Нічого подібного в Росії більше немає, оскільки у 1722 р. Священний синод заборонив прикрашати церкви будь-якими скульптурами.

13

Вершиною архітектури недаремно вважається готика, розвиток якої супроводжувався створенням складних конструкцій та об’ємних рішень. Яскравими прикладами є Собор Паризької богоматері (Нотр Дам де Парі) (1163... 1257 рр.) (рис. 1.7) та Каплиця Сент-Шапель у Парижі (рис. 1.8.). Для зведення кам’яних споруд використано різні осадові породи, напри- клад, відомий Кельнський кафедральний собор (Німеччина) побудовано із вапняку (рис. 1.9), а собор Мюнстер у Фрайбурзі XIІ...XVI ст. (рис. 1.10) з тонкою різною баштою висотою 116 м — із червоного пісковику.

14

/

Протягом тривалого періоду храми і навіть цілі міста споруджували у скелях. В Індостані збереглась більше 1000 культових споруд, що були ви- різьблені у скелі. Культові споруди у скелі збереглися також в Ефіопії (м. Лалібеле), Каппадокії (Туреччина) та навіть в Україні (Чуфут Кале). Во- сьмим дивом світу називають Петру (Йорданія) — столицю Арабської ди- настії Набаттіиів (3 ст. до н.е.). Це місто розташоване у глибокому кань- йоні, й було вирізане з пісковику з багатою кольоровою гамою, що змінюється поступово від сірого до жовтого та червоного (фото 1).

Поряд із природним каменем стародавні цивілізації для будівництва використовували керамічні матеріали. Так ще за 12 тис. років до н.е. в Єгипті зводили глинобитні споруди з сирцевої цегли (чому сприяла наяв- ність сухого клімату) та виготовляли керамічні вироби для облицювання. Як один із вдалих прикладів використання кераміки у будівництві слід назвати глинобитне житло Трипільської культури (IV...III ст. до н.е.).

У Месопотамії, у долинах річок Тигру та Євфрату, під час існування великої Ассірійської держави найбільш розповсюдженим матеріалом для будівництва була керамічна цегла, яку використовували для спорудження палаців, каналів, мостів та культових споруд — зіккуратів. Вважається що саме тут, вперше, було винайдено випалену глиняну цеглу. Цегла в Месо- потамії була квадратною та плоскою; цю форму потім успадкувала архіте- ктура Ірану, Візантії, Середньої Азії. На будівництво відомої Вавилонсь-

15

кої башти висотою 90 м було використано не менше 40 млн. шт. цегли. Крім того, додамо, що шумери розробили принципи пропорцій у будів- ництві, винайшли конструкції арки, купола, пілястрів, а також почали створювати мозаїчні стінові орнаменти. Конструкції арок мостів були ві- домі шумерам ще у 3200 р. до п.е. У стародавньому документі, що датуєть- ся 2650 р. до н.е., згадується про міст, який був споруджений через Ніл. Найстародавнішим мостом арочної конструкції, що зберігся до наших днів, є міст у Туреччині через р. Мелес (м. Ізмір), що збудований у 850 р. до н.е.

Широко використовували керамічні матеріали також у Стародавній Індії. Археологічні розкопки показали, що за 3 тис. років до н.е. у Пен- джабі будували дво- та триповерхові будинки із керамічної цегли.

Глазуровану фасадну цеглу використовували у Стародавньому Ірані та Єгипті. У Стародавній Греції та Стародавньому Римі виготовляли черепицю, керамічні труби, теракотові архітектурні деталі. У Римі також було розвинуте виробництво цегли для кладки арок, склепінь, мостів та акведуків.

У Стародавньому Китаї керамічні вироби виготовляли ще в період неоліту. Всесвітньо відомою пам’яткою 1 тисячоліття до н.е. є Великий Китайський мур (рис. 1.11). Його довжина становить до 5000 км, висота — до 10 м, ширина — до 6,5 м. Для будівництва муру використано 300 млн. м³ матеріалу, якого б вистачило для зведення 120 пірамід Хеопса. Пізніше Китайський мур був реставрований із використанням бетону.

В деяких країнах основним будівельним матеріалом стала плоска цег- ла — плінфа (розміром 35,5x35,5x5,1 см). Як приклад, шо демонструє до- сягнення Візантії в архітектурі та будівництві, вважають храм святої Софії (532...537 рр. н.е.), який було побудовано всього за 5 років (рис. 1.12). Храм мав купол із діаметром перекриття 31,4 м, і хоч за розміром він мен- ший, ніж купол Пантеону, але сама його конструкція свідчить про більш високий рівень інженерного мистецтва. Як найсуттєвіше досягнення ві- зантійської архітектури слід вважати розробку системи спирання купола на окремо розташовані опори за допомогою парусного склепіння. Під час зведення споруд задля надання більшої міцності та водостійкості до вап- няного розчину додавали биту випалену цеглу, яка сприяла також при- скоренню тужавіння. Це дозволяло зводити склепіння та куполи без ви- користання зайвої опалубки.

У часи існування Київської Русі було побудовано Софійський Собор (1017...1037 рр) (рис. 1.13). Стіни собору викладені візантійським муру- ванням — із плоскої цегли (плінфи) і каменю на вапняному розчині з до- бавкою товченої цегли (фото 2). Для оздоблення собору використане мар- мурове облицювання, мозаїка зі смальти, фрескові розписи.

Виникнення скла пов’язують із розвитком кераміки. Виробництво не- прозорого скла у Стародавньому Єгипті почалось у IV ст. до н.е. У Бри- танському Музеї зберігається скляна ваза з ім’ям ассирійського царя Сар- гона II, який жив у VIII ст. до н.е. Майстри Стародавнього Риму першими оволоділи методом видування скляних виробів. У VI ст. у Візантії вигото- вляли непрозоре скло та смальту. У середні віки у країнах Західної Євро- пи набуло розквіту вітражне скло для облаштування соборів (фото 3, а, б).

Завдяки Стародавньому Риму почалось широке впровадження будіве- льних розчинів та бетону. Спочатку у IV ст. до н.е. почати використовува- ти розчин (для бутового мурування), а вже у II ст. до н.е. склатась нова технологія зведення монолітних стін та склепінь на основі вапняно- піщаного розчину та дрібного каміння (заповнювача). Штучний моноліт, який отримувати змішуванням вапняного розчину з піском та щебенем, відомий як «римський бетон». Першою фундаментальною спорудою з бе- тону (габаритні розміри 487x60 м) був портик Емілієв (174 р. до н.е.). По- чинаючи із II ст. до н.е., бетон застосовували у будівництві фундаментів та стін житлових будинків, храмів та споруд утилітарного призначення, в тому числі й доріг. У 75...80 рр. н.е. у Римі було зведено амфітеатр Колізей на 50 тис. глядачів (рис. 1.14).

Назва театру пов’язана з колоною Нерона, яка стояла перед амфітеат- ром. Її висота була 40 м, а висота амфітеатру — 48,5 м. Не менш відомою спорудою є римський Пантеон — храм усіх богів, діаметр купола якого становив 43,2 м і який тривалий час залишався неперевершени.м прикла- дом перекриття внутрішнього простору (рис. 1.15). Будівництво споруд із

17

діаметром купола більше 43 м стало можливим тільки через 18 століть, і для досягнення цієї мети було використано залізобетон.

Протягом розвитку нашої цивілізації властивості матеріалів не дозво- ляли архітекторам створювати конструкції, які сприймають значні зусил- ля, що пов’язані з їх згином та розтягом. У наші дні такі матеріали, як метал та залізобетон, дозволяють зводити споруди будь-якої форми та розмірів.

Метали та металеві конструкції почали застосовувати досить пізно по- рівняно з деревиною та гірськими породами. Мідь та бронза (сплав міді з оловом) були першими металевими матеріалами, які навчилась отримува- ти людина. Плавлення міді, олова, свинцю було відоме ще у IV ст. до н.е., у III ст. до н.е. плавили бронзу, а у II ст. до н.е. — залізо. Найстародавні- шим виробом із заліза є колона у Делі (Індія, V ст. до н.е.).

Латунь (сплав міді з цинком) була відома ще у часи Стародавнього Риму. На основі міді виготовляли інструменти, цвяхи, а також покрівель- ні матеріали для дахів. Широкого розповсюдження у часи стародавнього Риму та Візантії набув свинець для виготовлення труб і резервуарів. Піз- ніше у середні віки та в епоху Відродження його застосовували для покрі- влі дахів.

Тривалий час при зведенні споруд застосовували тільки малогабаритні металеві вироби. Масове використання металевих матеріалів почалося у XIX ст., і воно пов’язано з розвитком технології отримання сталі. Першою крупною спорудою з метану вважають арковий чавунний міст, відомий як залізний міст, побудований у Англії через р. Северн у 1779 р. (рис. 1.16). Прикладом вдалого застосування чавуну в несучих архітектурних конс-

18

трукціях будівель є бавовняно-паперова фабрика, що побудована у 1801 р. у Манчестері. Це була перша спроба створення єдиного внутрішнього кар- каса з чавунних стояків та ригелів.

Початком впровадження у будівництво мартенівської сталі є спору- дження у 1889 р. залізнично-дорожнього моста через р. Форт у Шотландії. Одним із перших підвісних мостів у Європі є Пантелеймонівський міст у Петербурзі (довжина — 54 м, прогін — 37 м), побудований у 1823 р. через р. Фонтанку (рис. 1.17). Значний прогрес в освоєнні металевих будівель- них конструкцій пов’язаний із винаходом заклепувальних з’єднань, а по- тім і електрозварювання. Серед відомих металевих споруд слід назвати 300-метрову Ейфелеву башту (1889 р.) (рис. 1.18).

19