Начало Науки и специальности (1)

Автор: Михаил Глебов, май 1999

Теперь необходимо, собравшись с духом, сделать следующий шаг: рассмотреть, из каких важнейших дисциплин состоит строительное проектирование и какие специалисты занимаются отдельными его частями. Придерживаясь тактики максимального упрощения, постараемся добиться этого на протяжении всего нескольких глав.

Строительная механика

Переход от кирпичных зданий к каркасным не просто совершил революцию в строительной науке, но, можно сказать, создал ее заново. Ибо прежняя наука была почти целиком эмпирической и потому оставалась в общественном мнении простым ремеслом - или искусством, если речь шла о красоте фасадов. Теперь словно вспомнили, что классическая механика включает не только кинематику (науку о движении тел) и динамику (науку о силах, производящих эти движения), но еще и статику (науку об устойчивости и равновесии). А поскольку всякое здание должно стоять неподвижно, его расчет следует производить на основании принципов статики.

Эти принципы, в их приложении к строительству, легли в основание новой науки - строительной механики, которая тут же разделилась на множество направлений, став родоначальницей целой огромной отрасли человеческого знания, подобно тому как бескрайняя современная математика выросла из простых арифметических правил счета.

Очень скоро под именем строительной механики стали понимать лишь малую ее часть, касавшуюся проектирования каркасных систем зданий. Инженеры-расчетчики вычерчивали всякое здание в виде, так сказать, проволочного каркаса, к которому, вместо реальных нагрузок, были приложены соответствующие силы, изображавшиеся на бумаге жирными стрелочками. Множество этих стрелок действовало со всех сторон на ажурный каркас, который ногами упирался в землю, и надо было обеспечить, чтобы он при любом раскладе сил устоял на месте, не опрокинулся и не съехал вбок (проблема общей устойчивости).

Кроме того, всякая сила, приложенная к каркасу, нагружала его, создавая внутренние усилия, подобно тому как мы, неся в руке тяжелую сумку, чувствуем напряжение и усталость в мышцах. Поэтому следовало подбирать сумку по руке (или руку по сумке), чтобы рука вовсе не оторвалась (проблема прочности).

Существовали очень многодельные способы, позволявшие в точности определить все усилия от внешней нагрузки, возникавшие в каждой точке каждого стержня каркаса. На рисунке они откладывались перпендикулярно всякому стержню соответственно их величине и затем соединялись тонкой линией, так что если они равномерно росли по длине стержня начиная с нуля, то на рисунке выходил треугольник (который аккуратно заштриховывался в мелкую полоску). А так как разных видов усилий в каждом стержне всегда было несколько, то расчет производился по каждому из них отдельно, и потом они суммировались между собой.

Но самая главная трудность заключалась в статической неопределимости почти всякого каркаса. Когда человек несет бревно в одиночку, на его плечи ложится вся тяжесть бревна. Если же бревно тащат сразу несколько человек, причем один из них сильнее, другой слабее, кто-то взялся за комель, кто-то за тонкий конец, а иной лишь делает вид, что помогает, - то определить, на кого из участников работы приходится какая часть веса бревна, затруднительно.

Точно так же ведет себя каркас здания: усилия, вызванные внешней нагрузкой в каком-нибудь одном его углу, растекаются оттуда извилистыми путями, пока не дойдут до земли, и могут наделать бед в самых неожиданных местах. Хуже того, усилия эти, переходя со стержня на стержень, меняют свое качество, т.е. из сжимающих становятся растягивающими или изгибающими, вызывая дополнительную путаницу. И чем масштабнее задумывается каркас, тем больше в нем бывает стержней и больше разных нагрузок, и тем сложнее его рассчитать правильно.

Первыми всю "прелесть" проектирования крупных каркасов вкусили американские инженеры 1920-х годов, создававшие ранние нью-йоркские небоскребы. В те времена существовали два печально известных способа расчета каркасных систем - Метод сил и Метод перемещений, от коих всякий инженер-строитель до сих пор инстинктивно шарахается, как от чумы. Простые и даже остроумные по своей сути, на практике они были очень трудно осуществимы, требовали нечеловеческой внимательности да еще приводили к гигантским системам уравнений, решение которых требовало специального математического аппарата.

А вычислительные средства в те времена исчерпывались канцелярскими счетами да логарифмическими линейками (о которых поговорим позже). Проектным организациям приходилось нанимать целые бригады инженеров, они месяцами рассчитывали каждый каркас и обязательно где-нибудь ошибались. А поскольку ни одного промаха допускать было нельзя, расчет вели несколько бригад параллельно; каждая из них ошибалась по-своему, результаты не сходились, и этой пытке не видно было конца.

Доведенные до отчаяния, американцы на основании двух упомянутых точных методов расчета разработали несколько новых, приблизительных, которые позволяли избегать диких систем уравнений и тем чрезвычайно ускоряли дело. В Советском Союзе их открытия, наспех переведенные и изданные малым тиражом на отвратительной серой бумаге, служили предметом вожделения каждого серьезного инженера и расходились в рукописных копиях, словно запрещенные стихи Пушкина.

Отныне многомесячный расчет превратился в многонедельный и вместо нескольких бригад работало несколько отдельных инженеров. Стол каждого из них был завален сотнями рисунков каркаса, прямо на которых он по известным правилам складывал и вычитал усилия (работа, именовавшаяся в просторечии разгонкой моментов), стремясь нигде не перепутать плюс с минусом, чтобы не начинать потом все сызнова.

И как парусные корабли век от века все совершенствовались, пока паровая машина в одночасье не отправила их на слом, так и методы ручного расчета строительных каркасов развивались до 1960-х годов, когда вычислительная техника наконец полностью взвалила эту обузу на себя.

Сопромат

У строительной механики было два брата - старший и младший.

Младшим был сопромат (сопротивление материалов) - вечное пугало студентов технических вузов, которые даже поговаривали: "Сдал сопромат - можно жениться". Однако, помимо пагубного влияния на рождаемость, сопромат был азбукой всякого самостоятельного инженера и применялся им так же часто, естественно и почти бессознательно, как мы читаем книгу, не вспоминая о буквах.

Строительная механика, словно генерал, рассматривала каркас здания в целом, определяла усилия во всех его элементах и передавала эти элементы сопромату, чтобы он, вооружившись лупой, дотошно разобрался с каждым и обеспечил прочность. Скромный, непритязательный сопромат послушно брал предлагаемый ему абстрактый стержень и превращал его в реальную колонну или балку, способную выдержать те усилия, которые были получены из общего расчета здания.

Еще чаще сопромат оперировал отдельными, не входящими в каркас конструкциями, которые можно было рассчитывать без оглядки на здание в целом. Существовало несколько примитивных формул, которые всякий уважающий себя инженер знал наизусть и умел навскидку применить в спорах с заказчиками и другими инженерами и особенно в критических случаях, когда что-нибудь обваливалось или висело на волоске.

Однако сопромат мало было знать - его надлежало чувствовать, как ревматик чувствует приближение непогоды. Лишь по мере развития этого иррационального чутья человек становился настоящим инженером, оно же определяло степень его таланта. Ибо далеко не всегда можно произвести точный расчет конструкции; но опытный инженер глядит на нее и порой морщится, словно музыкант, услыхавший фальшивую ноту.

Конструкция в его глазах - живая. Он смотрит сквозь нее, будто она стеклянная, и видит, как ручейки усилий, зарождаясь в местах приложения внешних нагрузок, стекают по ней к земле, и если им по дороге что-нибудь мешает, звучит фальшивая нота и инженер начинает беспокоиться. Нередко ему приносят безукоризненные чертежи и расчеты, так что он не может ни к чему придраться, а между тем сердцем ясно чувствует, что конструкция аварийна. Конечно, бездарный автор чертежа думал по науке и по правилам, но талантливый инженер видит, как его вымученное творение в полный рост встает с чертежа, скрипит и гнется под нагрузкой; слабые места словно приобретают багровый оттенок, в них раскрываются опасные трещины, и если все оставить как есть, авария неизбежна.

Но бездарь не видит и не понимает этого; ему надо доказать цифрами и параграфами инструкций, как тупому человеку растолковывают соль анекдота. Он считал по правилам, да чего-нибудь не учел. Ибо расчет сам по себе мертв, как и всякая логика вообще: что возьмешь за исходные условия, то в результате и получишь. Расчет - лишь инструмент на службе разума. Сперва разум видит конструкцию качественно, и только потом расчет описывает ее количественно.

Развитый инженерный талант может приближаться к степени ясновидения. В институте, где учились мои родители, сопромат преподавал старый военный специалист. Однажды на фронте ему приказали обеспечить срочную переброску танковой части на другой берег широкой реки. Мост оказался деревянный, старый и гнилой; времени на расчеты, конечно, не было. Инженер собрал танкистов и велел им, выстроив машины в затылок друг другу, идти на максимальной скорости, соблюдая дистанцию в несколько метров и ни в коем случае не тормозя. На одну чашу весов легла голая интуиция, на другую - жизни множества солдат и его собственная. Танковая колонна с ревом и грохотом двинулась по гнилому настилу; мост трещал и гнулся, инженер смотрел с берега. За спиной последнего танка мост рухнул.

Теория упругости

Наука просит жертв. Эксперимент:
Кот брошен с высоты настольной лампы.
Придав хвосту вращательный момент,
Он падает на все четыре лапы.
(Владимир Медведев)

Сопромат в моем представлении выглядит скромным ремесленником-трудягой, одетым в испачканную робу. Он с благоговейным ужасом взирает на своего старшего брата - Теорию упругости, словно советский двоечник на профессора Сорбонны. Ибо там нет места докучной действительности, но лишь чистейшая наука в своих незамутненных первоистоках. На этом Олимпе строительной механики избранные мудрецы пьют сладкий нектар истины да отгоняют молниями лезущих снизу профанов, как в свое время архитекторы-конструктивисты отгоняли тех, кто предлагал им заняться наконец чем-нибудь полезным.

Сопромат рассматривает всякую конструкцию, по выражению Толстого, "с глупой простотой, но с целесообразностью", выявляя существенные факторы и отбрасывая все остальное, чтобы оно не затемняло картину. Все, что он таким образом отбросил за ненадобностью, ревниво подбирает теория упругости. Ей до всего дело, потому что задачи у нее чисто научные, от реального проектирования отвлеченные. Если, положим, на балку села муха, сопромат не обратит на нее никакого внимания, а теория упругости заинтересуется, как эта дополнительная нагрузка повлияет на общее поле напряжений. Сопромат, хотя имеет дело с массивными и сложными по форме конструкциями, старается где только возможно представить их простыми и удобными для расчета. Теория упругости, напротив, делает из простейшей конструкции неразрешимую проблему.

Причина в том, что ни один человек на свете не может знать, что происходит внутри любой конструкции на самом деле. Сопромат и строительная механика дают приближенную картину, хотя их точность вполне удовлетворительна для практических целей. Но внутри всякой реальной балки или колонны действует целый вихрь всевозможных напряжений, непрестанно меняющийся от поверхности вглубь и от углов к серединам граней, огибающий слабые места сечения и стягивающийся к более прочным, исчезающий у раскрытых трещин и концентрирующийся возле их вершин, зависящий от температуры, влажности и тысячи иных условий и к тому же меняющийся с течением времени. Иначе говоря, это объемное поле напряжений представляет некую вещь в себе, которая во всех подробностях ведома одному Господу и совершенно непостижима (и - главное - не нужна) инженеру.

На практике попытка разобраться в таких тонкостях приводит к системам дифференциальных уравнений, которые растут в длину пропорционально количеству учитываемых факторов, а так как теория упругости принципиально рассматривает всякое тело как трехмерное (объемное), то полные дифференциалы превращаются в частные, суммирующиеся по трем направлениям.

Я пытался честно выполнять курсовые работы по теории упругости и неизменно получал ерунду. Другие студенты тоже ее получали и, отчаявшись, приписывали в конце бескрайних формул результат, найденный с помощью сопромата и не противоречащий здравому смыслу. Показательно, что профессор никогда не вникал в суть наших расчетов и принимал курсовые как есть.

Особенно меня бесила "набла два" - перевернутый треугольник со значком второй степени, которым обозначалась сумма квадратов частных производных какой-либо функции. Когда жирный, похожий на свиноматку профессор Л, брезгливо выпячивая нижнюю губу, поучительно говорил: "Набла два дубль-вэ, разумеется, равна нулю", - я горячо желал, чтобы он провалился куда-нибудь со своей опостылевшей наблой.

Тем не менее двухлетние мытарства нежданно увенчались пятеркой, потому что я в отчаянии пошел сдавать первым и без труда вытащил скраю билет Номер Один, где требовалось раскрыть значение теории упругости в свете решений последнего съезда КПСС. Моему красноречию позавидовал бы сам Цицерон, и профессор, конечно, не смог устоять перед столь высокой оценкой своего предмета. Так что в этой главе я с некоторым опозданием просто восстановил истину.

Строительная механика, как мы помним, по существу является частным случаем статики; однако вибрация тяжелых станков на заводах, нагрузки от поездов и автомобилей в транспортных сооружениях, сильные ветры и особенно сейсмика (землетрясения) вынуждают инженеров порой обращаться к Динамике сооружений. Эта исключительно сложная и неприятная наука нашпигована интегралами не хуже Теории упругости. На такие расчеты осмеливается не каждый, а кто все-таки взялся, много плачет. Отдадим должное моей матери за то, что некоторые из построенных ею зданий требовали серьезных динамических расчетов.

Прикладные науки

Вокруг этих основополагающих теоретических дисциплин буйно разрослись джунгли всевозможных прикладных строительных наук, изучающих конкретные материалы, конструкции и способы производства работ, подобно тому как в свое время от единой гиппократовской медицины произошли тысячи специализаций, от лечения зубов до анализа кала.

В прежние времена дома были низенькие и легкие; однако с ростом этажности рос и вес, приходящийся на фундаменты. Те стали продавливать почву, вызывая катастрофические осадки зданий. Стали разбираться и выяснили, что почвы имеют очень разную прочность - от почти бесконечной у скалы до почти нулевой у торфа, речного ила и т.п. Более того, грунты залегают пластами разной толщины, так что иногда под тонким слоем надежной породы прячется целый океан трухи. Некоторые слои лежат не горизонтально, а наискось, другие внезапно обрываются, словно кто их отрезал, и в итоге небольшая строительная площадка зачастую оказывается конгломератом самых различных почвенных условий.

Особенно докучают строителям грунтовые воды, которые, вопреки очевидности, также любят залегать под углом, иногда исчезают или вдруг появляются в огромном количестве, и почти всегда поднимаются ближе к поверхности там, где идет стройка. В этих водах могут содержаться агрессивные кислоты, разъедающие бетон фундаментов.

В результате возникла Строительная геология, изучающая расположение разных грунтов на площадке строительства вкупе с их важнейшими характеристиками. Этой работой, как правило, занимаются специальные тресты, оснащенные лабораториями и буровыми машинами.

Опиранием фундаментов на известные уже почвы ведает особая наука Основания и фундаменты. Главная проблема здесь в том, чтобы передать тяжелые нагрузки с очень прочных материалов (стены, колонны) на очень рыхлые (грунт, именуемый основанием) без того, чтобы первые врезались в второе, как нож в масло. Простейший способ - подложить под стену или колонну что-нибудь широкое, чтобы оно работало, как лыжа, удерживающая человека на рыхлом снегу. Однако нагрузки бывают столь велики, а почвы до такой степени скверные, что не спасает никакая лыжа. Тогда приходится забивать сваи, пронзающие насквозь пласты слабых грунтов и передающие вес от здания глубоко вниз. Все это сопряжено с тоскливыми расчетами и совершенно не терпит ошибок, поскольку цена их - осадка здания, которую исправить уже нельзя.

Строительная механика расчитывает усилия для абстрактного каркаса здания, т.е. безотносительно к тому, из каких материалов он будет выполняться. В самом деле, усилия в каркасе не зависят от материала, но от него зависит прочность, т.е. способность выдерживать это усилие без разрушений. Положим, расчет выявил в колонне каркаса сжимающую силу в 40 тонн: ясно, что железобетонная стойка известной толщины его выдержит, а деревянная сломается. Но ведь и дерево и бетон бывают разными. То есть прежде чем использовать те или иные материалы, необходимо точно знать их свойства. С другой стороны, строительные материалы надо уметь изготавливать так, чтобы их заранее заданные свойства в точности обеспечивались. Всем этим занимается обширная наука Строительные материалы, а поскольку многие из них (тот же бетон) получаются в результате химических процессов, ей помогает Строительная химия.

Строительных материалов бесчисленно много, однако почти все они относятся к гидроизоляционным, теплоизоляционным или декоративным и потому инженеров волнуют мало. Но есть среди них такие, из которых выполняются несущие конструкции зданий. Эти материалы имеют очень разный характер, свою специфику применения и расчета, и для каждого существует отдельная наука. Среди них заведомо выделяются сталь и бетон, речь о коих пойдет ниже.

Старый добрый кирпич, оттесненный на задворки строительства, породил науку Каменные и армокаменные конструкции (ко вторым относится кладка, армированная стальными сетками, о чем я упоминал). Используемый строго по расчету в относительно тонких стенах и столбах, кирпич сполна отомстил строителям за пренебрежение к своей персоне. Он крошится, трескается и расседается где только может, и хотя в расчетах прост, но требует величайшей осмотрительности, из-за чего многие инженеры вообще избегают за него браться. К тому же в извечной войне инженеров и архитекторов кирпичные конструкции зависли на нейтральной полосе между ними: расчетами занимаются первые, а показывать на чертежах по старой традиции должны вторые. Отсюда вытекают бесконечные ошибки и неувязки с последующим поиском виноватых.

Народные умельцы, привыкшие возводить избы, сараи и целые Кижи без единого гвоздя, нашли последнее прибежище в науке Деревянных конструкций, к которым для поднятия престижа присовокупили еще пластмассовые. Больше всего здесь боятся огня и гниения, замышляют гигантские перекрытия стадионов, сделанные "из едина дуба", и всячески доказывают насмешникам, что их время не ушло. Вместо обыкновенных бревен они набирают тонкие доски в стопку и склеивают их под давлением на дорогом импортном обрудовании. Выходят мощные и поначалу даже красивые балки, употребляемые архитекторами на самых видных местах. Но уже через несколько месяцев, несмотря на защитные лаки, древесина начинает чернеть и становится неряшливой с виду.